构建多能互补的清洁低碳能源耦合体.pdf
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1、2023 年 10 月第 47 卷 第 5 期 中国石油大学学报(自然科学版)Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)Oct.2023Vol.47 No.5收稿日期:2023-08-10第一作者及通信作者:孙丽丽(1961-),女,中国工程院院士,教授级高级工程师,研究方向为炼油及天然气净化工程技术、设计和建设。E-mail:sunlili 。文章编号:1673-5005(2023)05-0130-08 doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2023.05.013构建多能互补的清
2、洁低碳能源耦合体孙丽丽,李进锋,郭中华(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)摘要:为进一步高效推进高耗能行业节能增效、降碳减排和可持续发展,基于新能源与石化、钢铁、煤炭等单一行业的融合一体化发展基础,通过建立绿色高效的科技体系,搭建互联互通的能源耦合互联网,打造高效协同的能源耦合体管控体系,构建面向多行业的、以“促进系统能效提升、实现工业清洁生产、确保经济可靠和引领低碳发展”为核心目标的多能互补清洁低碳能源耦合体。结合“煤炭-石化-新能源”的案例研究表明,行业间能源耦合体的构建能整体提升能源利用效率和资源利用价值,降碳效果明显。建议加快推进多能互补的清洁低碳能源耦合体构建和示范应用,
3、同时在产业政策、技术开发等方面给予大力支持,鼓励行业(企业)之间积极探索多能耦合的可行性路径,建设能源内外循环体系,推进新旧能源转换,促进行业能效提升和绿色低碳转型。关键词:多能互补;清洁低碳;能源耦合体;新能源;实施路径中图分类号:X 22 文献标志码:A引用格式:孙丽丽,李进锋,郭中华.构建多能互补的清洁低碳能源耦合体J.中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(5):130-137.SUN Lili,LI Jinfeng,GUO Zhonghua.Construction of energy coupling system with multi-energy complementa
4、ry and clean low-carbonJ.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(5):130-137.Construction of energy coupling system with multi-energy complementary and clean low-carbonSUN Lili,LI Jinfeng,GUO Zhonghua(SINOPEC Engineering Incorporation,Beijing 100101,China)Abstract
5、:To further efficiently promote energy conservation,carbon reduction,and sustainable development of high energy-consuming industries,on the basis of the integrated development of new energy with petrochemical,steel,and coal industry,the energy coupling system with multi-energy complementary and clea
6、n low-carbon with the core goal of promoting system energy efficiency,realizing industrial clean production,ensuring economic reliability and leading low-carbon development is formed by establishing a green and efficient science and technology system,building an interconnected energy coupling inter-
7、net and creating an efficient and collaborative energy coupling control system.Combined with the case study of coal-petro-chemical-new energy,it shows that the construction of inter-industry energy coupling can improve energy utilization efficien-cy and resource utilization value as a whole,and the
8、industrial carbon reduction effect is relatively significant.It is suggested to accelerate the construction and demonstration application of a clean and low-carbon energy coupling system with multiple complementary energy sources,and provide strong support in industrial policies,technology developme
9、nt,and other aspects.Encourage industries(enterprises)to actively explore the feasibility path of multi energy coupling,build an energy internal and external circulation system,promote the conversion of new and old energy,and facilitate industry energy efficiency im-provement and green and low-carbo
10、n transformation.Keywords:multi-energy complementary;clean and low-carbon;energy coupling system;new energy;implementation path 中国能源结构正加速向清洁低碳化方向转型,工业减碳对全国整体实现“双碳”目标有重要影响,而工业又是国民经济的重要组成部分,对经济现代化的规模和水平具有决定性作用1。如何在全力保障国家能源战略安全和经济社会发展需要的同时,实现降碳减排和提质增效等高质量发展目标,是当前中国工业发展迫切需要解决的重要战略问题。基于中国能源消费结构现状和产业发展需要,
11、以石化、钢铁、煤炭等为代表的高耗能高碳排行业,通过行业内节能提效实现“双碳”目标仍面临极大挑战。一方面,行业内能效持续提升面临瓶颈,以“能效提升”为目标的“投入产出比”越来越大,节能降耗以及间接减少碳排放的难度也越来越大2。另一方面,行业内资源高效利用面临局限。当前资源和能源基本以行业内自产自用为主,多元化利用途径有限,传统的管理模式制约了资源利用的价值提升和能源利用的能效提高3。在新能源发展利用的基础上,有必要进一步打破行业壁垒和用能障碍,构建行业间多能互补的清洁低碳能源耦合体,推动行业间多种资源能源的横向耦合利用和纵向挖潜增效,促进行业能效持续提升和降碳减排,实现多行业协同可持续发展。笔者
12、立足行业间多能互补的清洁低碳能源耦合体的发展现状,以石化、钢铁、煤炭等行业为对象,分析行业间多种能源耦合面临挑战,研究面向多行业的清洁低碳能源耦合体的构建思路、构建目标、实施路径及典型案例,并提出对策建议。1 行业间多种能源耦合面临的挑战1.1 行业特征差异大增加行业间能源耦合难度(1)行业产能布局差异制约能源耦合利用。因加工原料来源、产品需求市场等不同,不同行业的重点产能分布区域差异较大。例如,石化行业分布集中于中国东部、东南部沿海地区;钢铁行业分布集中于京津唐、辽鲁冀豫地区和江苏等省份;煤炭行业分布集中于山西、内蒙、陕西、新疆等西北部地区。由此可见,上述典型行业布局于同一地区的产能占行业总
13、产能比例较低;当不同行业的企业相距较远时,开展行业间能源资源耦合难度增大、从而影响耦合效果和经济性。(2)相关行业生产流程复杂使能源深度耦合难度高。开展行业间多种能源深度耦合是一项系统优化工程,涉及更高层次的全局能源系统优化、原料加工过程优化、能源资源管理优化等4。因此,需要对多个行业的能源系统、工艺过程、原料加工、废弃资源/低品质资源的高效利用技术等多方面进行深入认识和系统分析,依此研究行业之间的能源资源耦合匹配度、模式和路径。(3)行业间面临多种能源耦合匹配度的挑战。与石化、钢铁和煤炭等传统工业相比,新能源产业起步较晚但发展十分迅速。目前,新能源与传统工业的能源耦合路径主要有电-电耦合、电
14、-氢耦合等,并以电-电耦合为主,即将新能源转变为绿电后再供应传统工业应用5。然而石化、钢铁和煤炭等行业现有能源消费结构以化石能源为主,用电比例偏低,如典型炼油企业能源构成中的用电比例约 20%30%。能源供需结构的不匹配导致现有产业与新能源产业的耦合难度加大,需要对现有用能系统进行系统升级。1.2 能源耦合互联网仍处于探索起步阶段(1)支撑能源耦合互联网发展的生态环境尚不健全。能源互联网作为跨领域的融合产物,需要多领域进行更深层的整合,包括传统能源与新能源的整合,智能化控制技术、远程监测与诊断技术和能源路由器技术等多种先进技术的整合,传统商业模式与新兴商业模式的整合6。目前不同能源行业整合的深
15、度还不够,导致能源耦合互联网的建设还缺乏一个生态环境。(2)构建能源耦合互联网所需的高端智能装备缺乏。装备智能化是能否实现感知、分析、推理、决策、控制等功能的关键,智能装备是能源互联网的重要构成和基础。中国智能装备产业存在创新能力薄弱、市场规模小、产业基础不牢等问题,需夯实基础研究和拓展高端市场。(3)支撑能源耦合互联网发展的核心技术存在瓶颈。能源耦合互联网仍有许多支撑技术处在瓶颈阶段,如智能传感技术、综合能源调度运行管理技术、信息物理系统等。智能传感技术是物联网、大数据的基础,综合能源调度运行管理技术可以提高能源利用效率,信息物理系统可以实现能源与互联网技术的交互,并提高信息与硬件的安全性6
16、。中国工业互联网平台的建设,虽然形成了一定的规模和体系,但核心能力还需要持续提升。1.3 缺乏有效打破行业间用能壁垒的多能耦合管控模式 构建多能互补的清洁低碳能源耦合体,不仅需要开发各领域众多关键技术,更需要破除各能源种类及相关能源行业之间的壁垒7。尤其是随着经济发展进入新常态,产业发展步入转型升级和绿色低碳高质量发展阶段,行业单打独斗的局限性也日趋明显,亟待实现跨行业的融合发展和协同创新。当前,缺乏有效打破行业间用能壁垒的多能耦合管控模式。131第 47 卷 第 5 期 孙丽丽,等:构建多能互补的清洁低碳能源耦合体2 清洁低碳能源耦合体构建思路与目标体系2.1 清洁低碳能源耦合体的构建思路以
17、石油、煤炭、天然气为代表的化石能源和以太阳能、风能、地热、氢能、生物质能为代表的新能源及新型核能,在石化、钢铁、煤炭等行业应用过程中,通过所转化供给的热、电、氢等为能量载体,以 C、H、O等元素为物质载体,以能源优化配置系统为信息载体,由物质流、能量流和信息流的“高速公路”来融通,实现行业内及行业间多能互补、智能互联,形成清洁低碳能源耦合体。多能互补的清洁低碳能源耦合体构建框架思路如图 1 所示。(1)科技创新。科技创新是构建清洁低碳能源耦合体的基础和动能。要结合国家中长期科技规划,聚焦高质量发展需要,大力开展绿色能源供应及应用技术、化石能源清洁转化技术、废弃物资源化利用及清洁化处理技术等领域
18、的科技创新,解决耦合体内物质、能量、信息在行业内及行业间循环流动的科技问题,使生产过程更绿色、低碳、高效、环保,为建立清洁、低碳的能源耦合体提供支撑。图 1 清洁低碳的能源耦合体构建思路Fig.1 Construction ideas for a clean and low-carbon energy coupling system (2)能源耦合互联网创新。运用 5G、大数据、云计算、人工智能、互联网等先进信息技术,构建智能优化控制系统,将各行业物质流和能量流进行协同集成,形成“开放、互联、共享、智慧”的“多能源耦合互联网”(如图 2 所示),可以为能源生产者和终端用户提供开放平台,打通不同
19、行业之间的物质流和能量流,实现多种能源的开放互联和调度优化,实现节能减排的智能管控,为多能源耦合体建立提供支持。图 2 能源耦合互联网Fig.2 Internet of energy coupled231中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月 (3)管控模式创新。加快构建清洁低碳能源耦合体是破解资源环境约束、提升资源综合利用效率的有力举措。应立足石化、钢铁、煤炭等行业协同发展实际,通过整体谋划和统筹衔接,构建横向到边、纵向到底的高效协同管控体系,打破行业间政策、技术、管理和信息壁垒,实现能源耦合体界面清晰明确、资源优化配置、要素高效流动,从而进一步促进形成结构清晰、竞争有效、规范
20、有序的能源发展格局。能源耦合体管控体系的构建要处理好整体与局部要素的关系,需包含一系列资源保障、运行维护、应急处理、合理分配、持续改进等机制作为支撑,且要加强各机制间的系统性、关联性、衔接性,采取深入论证、反复推演、示范验证、梯级推进的方式,确保整体推进和重点突破相统一。2.2 清洁低碳能源耦合体的目标体系(1)促进能效提升。清洁低碳能源耦合体的首要目标就是实现行业内外的原料和能源的耦合集成与循环利用,系统提高石化、钢铁、煤炭等行业能源利用的整体能效。既注重对化石能源使用过程中提高能效的节能技术的持续创新应用,也要充分发挥新能源在用能过程中的多能互补作用。(2)实现清洁生产。清洁低碳能源耦合体
21、构建的本质目的是实现相关行业的清洁生产。近期目标是通过技术创新不断提高融入新能源比例,降低生产过程中产生的污染物,实现清洁生产;远期目标是随着新能源技术进步和成本降低,逐步形成以新能源为主、以化石能源为重要基础保障的新型能源体系,实现本质意义上的清洁低碳生产。(3)确保经济可靠。统筹考虑中国能源资源禀赋和新能源发展的实际状况,兼顾能源之间差异和互补性,通过建立清洁低碳能源耦合体,提高能源纵向梯级利用或横向多行业互补运行水平,打破能源企业和相关行业间壁垒,为工业和社会提供安全稳定、经济可靠的能源供给,实现可持续发展8。(4)引领低碳发展。从宏观能源规划、中观能量集成和微观过程强化等 3 个层面创
22、新设计、实施全局节能,最大化使用低碳的非化石能源,减少过程碳排放;针对用能过程中排放的 CO2,进一步通过其高效转化利用,减少末端碳输出。3 能源耦合体的实施路径3.1 建立绿色高效科技创新体系(1)加大新旧能源转换,构建绿色能源供应及应用技术体系。有序提高电气化率。针对不断扩大的“绿电”供应能力,在电催化、电加热、电驱代替汽驱等方面进行电气化技术创新研究,为提高“绿电”应用范围提供技术支撑。例如钢铁企业电炉的应用,使得炼钢不需要消耗焦炭和煤粉,主要消耗的能源为电,同时电炉短流程炼钢工序能耗低,因此可以从源头上减少化石能源的消耗和碳排放。逐步提高新能源消纳率。据研究预计,未来十年,风电、太阳能
23、发电合计年均至少新增规模 6 700万 kW 以上,到 2030 年将达到 12 亿 kW,新能源将迎来跨越式发展9。因此科技创新解决高效稳定地消纳新能源的工艺和装备瓶颈,才能将新能源在石化、钢铁等行业大规模应用。支持并加大核能的利用。根据国际原子能机构(IAEA)的定义,小型核反应堆(SMR)是发电功率小于 300 MW 的核反应堆动力装置,在安全性上有所保障,并且兼具经济性。小型核堆能量密度高,具有满足大型企业热电需求的潜力,将核电部分或全部替代炼化企业的外部电力是降低碳排放的有效手段,核电站自产废热还可以用作制冷,供石化企业的工艺利用,能进一步降低其碳排放。(2)加强耦合新工艺开发,构建
24、化石能源高效转化技术体系。基于中国油气资源严重不足、煤炭资源较为丰富的能源禀赋特点,通过适度发展油煤共炼、煤高效制化学品等煤炭深加工技术路线,可有效推动劣质重油和煤炭作为原料高效清洁转化为市场需求量大的成品油、化学品和高端新材料,提高化石能源的资源化利用效率。油煤一体化加工路线,一方面可以实现煤基制油品和化工品与石油化工产业链的耦合,解决石化产业劣质油高效转化和煤化工产业及煤液化等多领域的技术难题,搭建起煤炭清洁高效利用与劣质重油深加工融合发展的平台,实现资源的集约化利用;另一方面通过集成耦合多种分离技术与转化技术,使煤制氢尾气、蒸汽裂解炉烟气和费托合成尾气资源得到进一步加工利用,同时将 CO
25、2转化增产基础化工品和高附加值化工品,降低过程碳排放,最终实现石油、煤炭等化石能源的最大化资源利用。(3)开展废弃物高效循环利用研究,构建废弃物的资源化利用技术体系。提高碳资源利用率。碳捕集技术在工业中主要有吸收法、吸附法和膜分离法等。CO2 封存主要有驱油、驱气等封存技术。CO2 转化利用主要包括化工利用、生物利用和矿化利用转化为化学品10。其相关技术仍处于基础研究和示范工程阶段,受其高能耗、高成本、高不确定性等问题的困扰,尚缺乏规模性、多种技术耦合的全流程331第 47 卷 第 5 期 孙丽丽,等:构建多能互补的清洁低碳能源耦合体工业化项目。因此要持续围绕 CCUS 各个环节开展核心技术攻
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