解读｜双碳目标下我国能源电力系统发展前景和关键技术

 

“双碳”目标下，我国能源电力系统清洁低碳转型任务艰巨，如何科学推进传统煤电升级改造及有序退出、同时促进新能源消纳成为能源转型路径规划和相关战略制定的重要议题。我们提出一种融合火电机组碳捕集、燃煤机组混烧生物质、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇合成等技术的设想——综合能源生产单元（以下简称“IEPU”），期望能作为火电低碳/无碳转型路径方案的一种选择。

 

IEPU基本结构如图1所示，其基本工作方式为：白天利用低成本的光伏发电制取绿氢，夜间利用低谷时段电网供电或火电机组发电，利于电解制氢系统持续稳定工作，产出的氢气与煤电机组捕集的碳进一步合成生产甲烷/甲醇等绿色燃料或化工产品。

 

与此同时，IEPU也可有不同类型的结构方案：IEPU所需的碳可由火电厂碳捕集，未来也可从空气中捕集；IEPU可由风光发电与电解水制氢装置、水电厂与电解水制氢装置组成，生产的绿氢与空气中氮气耦合制氨；IEPU可由燃气电厂与风光发电及电解水制氢、储氢耦合组成，未来燃气电厂的燃料将由绿氢提供，成为应对长周期能源不平衡的绿色重要措施。IEPU本身可以是实体的也可以是虚拟的。

 

IEPU将电解制氢、可再生能源发电、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等设备集成为一体，具有以下两个方面的优点：一是以电解制氢装置作为可控负荷，通过与火电、水电等可调机组联合运行，在单元内部各子系统协同优化的同时，实现与电网互动，成为具有高灵活性的虚拟发电单元，为高比例新能源电力系统应对长周期能源供需不平衡提供灵活性支撑；二是通过二氧化碳直接与氢气合成，生产甲烷、甲醇等便于存储、运输的绿色燃料或作为重要化工原料产品，一方面可规避大规模二氧化碳捕集后压缩及封存的高额成本投入，另一方面借助合理可行的产品收益模式，有利于火电企业推广应用二氧化碳捕集与利用技术，在促进火电行业碳减排及转型发展的同时，所生产的氢气本身及与二氧化碳、氮气合成生成的绿色燃料化工原料产品，也可为能源相关领域化石燃料和原料替代提供一定的来源补充。

 

综合能源生产单元解决方案与数字化智能化技术相结合，可构成未来能源供应侧的智慧型基本单元，与预想的能源消费侧智慧型基本单元一起，组成未来新型电力系统能源生产消费的基础单元结构，可能对电网的储能需求、灵活性供应及调控模式产生重要影响。该发展模式的实现将会促进能源领域不同行业之间的融合，对此需要体制机制的突破和创新。（作者系中国科学院院士）