電—氫—碳耦合破解能源轉型難題

原文發表于《科技導報》2025 年第22 期 《 以電—氫—碳耦合方式協同推進新能源大規模開發與煤電綠色轉型 》

中國是全世界能源消費和碳排放總量最大的國家，面臨著保障能源安全、推動低碳轉型的雙重任務，需要加快開發利用新能源，推動煤電綠色轉型。然而，大規模開發新能源面臨消納、外送難題，煤電轉型面臨存量規模大、減排成本高，如何經濟高效解決這兩大問題是實現能源轉型的關鍵。本文以電—氫—碳耦合方式提出了解決新能源消納和煤電綠色低碳轉型難題的“三步走”建議。

1 解決氣候變化問題的關鍵是降低碳排放

氣候變化問題是21世紀人類共同面臨的重大挑戰，二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放被認為是造成全球氣候變暖的最主要原因。為了應對這一危機，各國紛紛提出碳中和目標，謀求零碳轉型。

氣候變化問題本質上是化石能源過度開發利用導致的碳循環失衡，釋放到大氣中的二氧化碳大于地球系統固化的二氧化碳。解決這一問題有“一減一加”2個途徑：“減”指減排，減少能源系統的碳排放；“加”指增匯，如增加森林碳匯、濕地碳匯或通過碳捕集、利用與封存技術增加人工碳匯等。

中國能源領域碳排放占全國碳排放總量的80%以上，其中電力碳排放在能源行業中的占比超過50%，且絕大部分來源于煤電，實現能源領域低碳轉型對于實現“雙碳”目標至關重要。隨著能源低碳轉型的深入，結合中國國情，未來降低碳排放的關鍵之一在于大力開發風電、光伏等新能源，替代傳統化石能源，降低能源碳強度；增加碳匯的關鍵在于實現傳統煤電的綠色低碳轉型，對排放的二氧化碳進行捕集、存儲和利用。

2 新能源高質量發展要求迫切

中國的可再生能源資源十分豐富，“雙碳”目標提出后，風電、光伏等新能源迎來跨越式發展。展望未來，風電、光伏將逐步成為中國電源裝機和發電量的主體。然而，風電、光伏等新能源存在隨機性和波動性，大規模開發面臨如何消納、外送的難題。

第一，電網消納困難。風電、光伏等新能源發電出力具有隨機性和波動性。由于系統調節資源不足、消納機制不完善等原因，無法完全避免“棄風棄光”。

第二，安全保供能力不足。高比例新能源電力系統維持短期日內平衡和長期季節平衡、滿足用電高峰負荷的難度較大，極端天氣下電力保供問題更加突出。

第三，電力大范圍配置壓力大。新能源資源與負荷需求的逆向分布要求建設更多跨區輸電通道，提高電網配置能力。

第四，系統安全穩定運行難度大。新能源大量替代同步發電機后，系統慣量水平下降，頻率響應特性惡化，削弱系統抵御功率偏差的能力。且新能源無功支撐能力弱，故障后送端暫態過電壓問題突出。

3 煤電面臨綠色低碳轉型難題

長期以來，煤電是中國的主力電源，發揮了保障電力供應的“頂梁柱”和系統安全的“壓艙石”作用，未來一段時期內也仍將是重要的支撐性和調節性電源。

與此同時，煤電節能改造、靈活性改造也在穩步推進。隨著新能源發電裝機占比的大幅提升，電力系統的穩定運行受到了挑戰，需要具備調節能力的煤電機組承擔更多的調峰、調頻等任務。

中國是世界煤電裝機和發電量最大的國家，降低煤電碳排放強度，向低碳甚至零碳電源轉變是實現能源轉型的關鍵。實現煤電綠色低碳轉型，面臨著以下3個方面的挑戰。

首先，因為資源稟賦的原因，中國存量火電規模大，且以煤電為主。煤電碳排放強度高，是二氧化碳排放的最大單一來源，實現綠色低碳轉型任務艱巨。

其次，當前煤電減碳手段有限，減排成本高。碳捕集、利用與封存技術（CCUS）是降低煤電碳排放的重要技術手段，但目前成本仍較高，且缺乏有效的商業模式。

最后，煤電安全保供責任大，運營效益難保障。由于煤價波動大，煤電經營效益存在很大不確定性，且容量電價補償標準偏低，分年到位，效益難保障。

4 電—氫—碳耦合開辟新路徑

為解決新能源消納和煤電綠色低碳轉型難題，國內外均開展了大量研究和實踐。國內外在風光氫協同開發、煤電靈活性改造、煤電摻氨發電、氫發電等領域已開展了一系列試驗示范，取得了寶貴的實踐經驗。近年來部分代表性試驗、示范工程如表1所示。

表1 風光氫（氨）協同和促進煤電低碳轉型的部分試驗、示范工程

電—氫—碳耦合是指將新能源發電、煤電、制氫、碳利用等環節有機整合，以新能源為能量來源，以水、空氣和煤電排放的二氧化碳為原料實現電力和氫氨醇等物質聯產的新模式。電—氫—碳耦合系統以新能源電力為主要能量來源，驅動碳、氫等作為能量載體的元素在不同形態間的轉化，以減少碳排放或碳完全循環利用為目標，實現能源系統由高碳向低碳、零碳轉型。電—氫—碳耦合系統示意如圖1所示。

圖1 電—氫—碳耦合系統示意

隨著大量風光制氫、制氨等示范項目的規劃和建設，電—氫—碳協同發展態勢已初步呈現。電氫協同形態、多能耦合基礎理論等研究也正穩步開展。

從能量流的角度來看，電—氫—碳耦合系統存在電能、氫能、氨甲醇等其他氫基能源3類能量形式。風、光發電是主要的電力來源，煤電、氫發電、氨發電等電源發揮調節作用，實現電力穩定供應、外送。隨著技術的進步，各類能量轉化環節的效率有望得到提升。通過合理的工業流程設計，有效利用各環節的反應余熱（如將合成氨反應余熱用于高溫固體氧化物電解槽加熱等），也將進一步降低損耗，提升全系統能量轉化效率。

從物質流的角度來看，電—氫—碳耦合系統盡可能利用所有參加反應的原子，做到“物盡其用”。電—氫—碳耦合系統可以充分利用綠電規模化制氫（氨、醇）的負荷靈活性，配套儲電/儲氫（醇）、氫發電及存量火電，為新能源基地提供短期至長期全時間尺度零碳靈活調節資源，解決基地近區零碳調節資源匱乏、配套調節性煤電需要降碳等問題，提高基地發電出力穩定性和可控性，保障電力安全可靠供應。同時也可推動綠電、綠氫在傳統化工領域的應用，有助于推動石化、煤化工等高碳排放產業的低碳轉型。

以電—氫—碳耦合方式解決新能源消納和煤電綠色低碳轉型難題可分為“三步走”。

第一階段，主要采用風光火打捆開發的方式，煤電為新能源開發提供調節和支撐，新能源降低基地總體碳排放強度。

第二階段，引入電制氫、煤電摻氨等技術，靈活的電制氫為新能源提供新的消納方式，同時氫再制成氨用于煤電摻燒以進一步降低煤電的碳排放強度。

第三階段，充分利用火電排放的二氧化碳，在穩定可靠的電力基礎上聯產氫、氨和醇，實現電—氫—碳的深度耦合和沙戈荒基地的整體零碳排放。

5 實現電—氫—碳耦合需要協同發力

電—氫—碳耦合是一個系統性問題、交叉學科問題，需要用系統優化思維進行能源、物質多系統優化研究和跨專業協同、跨行業整合。電制氫、合成氨、合成甲醇、碳捕集等技術已相對成熟，但電—氫—碳耦合發展仍面臨著一系列問題和挑戰。未來電氫碳協同面臨的關鍵科學問題包括：電—氫—碳耦合的多能協同系統基礎理論，氫能產業鏈關鍵材料技術，新型綠色化工與新能源相匹配的技術，煤電低碳化改造關鍵技術等。實現電—氫—碳耦合發展，還需要在頂層設計、技術研發、產業鏈構建、標準體系建設等方面協同發力。

一是布局重點專項支持前沿科技攻堅突破。“十五五”期間重點支持多能源品種能量流、物質流、信息流協同優化理論；適應新能源的構網型電解水制氫技術；重型純氫（氨）燃氣輪機的設計制造技術等。建立電—氫—碳耦合綜合能源系統的大型裝備及研發試驗實證平臺，研究綜合能源系統仿真技術，服務各環節控制系統開發及優化。

二是推動開展技術裝備和能源基地示范。“十五五”期間在西部、北部有條件的地區開展“綠電制氫氨+摻氨發電”全流程示范，率先在西部、北部地區推廣電—氫—碳耦合模式。

三是培育電—氫—碳耦合產業鏈推動產業發展。應鼓勵技術創新和產學研合作，推動綠氫化工、氫能交通以及綠氨、綠甲醇等綠色氫基能源的商業化和產業化，營造制儲輸用全流程產業鏈，推動產業發展。

四是推動標準體系建設和完善相應法律法規。“十五五”期間推動綠氫及綠氨、綠甲醇等氫基衍生品的標準體系建設，引領新興產業發展。加快出臺氫能相關法律法規，明確氫的能源屬性，為氫能發展提供法律保障。

五是加強跨學科融合創新和產學研聯合攻關。協同發電、電網、化工、裝備制造等上下游產業，推動多學科、跨行業產學研聯合攻關，為產業發展提供人才和智力支持。

本文作者：劉澤洪

作者簡介：劉澤洪，全球能源互聯網發展合作組織，教授級高級工程師，研究方向為電力系統規劃、設計和工程建設。

文章來 源 ： 劉澤洪. 以電—氫—碳耦合方式協同推進新能源大規模開發與煤電綠色轉型[J]. 科技導報, 2025, 43(22): 16?22 .

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