【总结】孙予罕/唐志永课题组：低碳复合能源系统集成与解决方案的研究

复合能源与工程团队简介

中国科学院上海高等研究院复合能源与工程团队隶属于中科院低碳转化科学与工程重点实验室。主要研发方向包括：

低碳复合能源系统集成与解决方案

基于反应过程强化的核心要素，开发、设计和优化新型微通道反应器、分形结构换热、新型内构件流化床等

采用分维理论将仿生设计与3D打印结合，实施微尺度的过程分维强化

传统浆态床反应器及其内构件设计模拟和优化

背景介绍

化石燃料构建了人类社会发展的物质基础，也导致了大量的CO₂排放。考虑到我国能源需求不断增加的必然趋势，以煤为主的能源供应形式，以及应对气候变化的任务和挑战，我国能源发展必将经历化石能源低碳化、核能零碳化和可再生能源去碳化的发展过程。“低碳复合能源系统”基于碳氢氧的原子经济性的优化并实施多能互补融合，利用低碳能源提供碳循环及其转化利用所需的能量并控制碳转化过程中的选择性，具体内涵包括了化石资源、核能和可再生能源的利用技术与系统耦合，通过多种能源的集成利用和低碳能源与高碳能源的耦合，实现能源过程中碳氢平衡、能量、物质流等的梯级利用，并耦合二氧化碳减排利用技术，在提高能效和碳效的同时，形成全新的“去碳化”模式，为中国能源的发展提供低碳解决方案。

团队在低碳复合能源系统集成与解决方案领域的研究主要集中在：1）创新性的提出了“低碳复合能源系统”的概念，研究了低碳复合能源系统在我国实施的可行性及应用场景；2）建立了核能与化石能源耦合、可再生能源与化石能源耦合以及清洁能源与CO₂利用耦合的复合能源系统，并利用多尺度计算的方法对复合能源系统的物料流、能量流和信息流进行系统偶联和技术分析；3）针对中国高能耗高碳排放行业（煤化工行业和钢铁行业等），采用复合能源系统的理念为高碳行业的低碳化发展提供可行的解决方案。

研究通过对传统能源利用过程碳排放本质与数值特征的计算和分析，揭示能源利用的碳效、能效和技术瓶颈；通过对先进低碳能源技术、复合能源技术在高能耗高碳排放行业领域的应用，提出行业低碳发展的技术指标需求并引导相应技术的研发。

研究目标

（1）构建适用于高能耗高碳排放过程的低碳复合能源系统；

（2）通过能源利用过程中物质流和能量流的偶联和分析，揭示能源利用的碳效、能效和技术瓶颈；

（3）基于复合能源系统的理念，为高碳行业的低碳化发展提供可行的解决方案。

1

低碳复合能源系统概念的提出

及中国应用场景的分析

碳资源是人类社会赖以生存和发展的资源，包括不可再生的化石碳资源（煤、石油、天然气）和可再生的生物质及CO₂资源。基于“绿色碳科学”理念，碳元素在含碳资源的加工→利用→固定→循环的整个过程中，应作为一种能量载体，其能源利用终结于 CO₂的生成, 但不希望这一反应发生在能源利用之外的其他环节。以煤制甲醇为例，由于煤气化制取的合成气含氢量低, 若要达到合成甲醇所需氢碳比，须经历水煤气变换过程，即消耗一部分“碳”以提高“氢”的比例，系统中超过 50%的碳资源在水煤气变换过程中转化为 CO₂ 排放而未进入甲醇产品中。为了解决C→CO₂反应发生于能源使用过程而非能源加工等其他过程，该工作创新性的提出了“低碳复合能源系统”的概念。采用可再生能源/核能与高含碳能源耦合进行集成利用， 由低碳能源制氢技术提供大部分的“氢”，直接降低制氢所需碳消耗量，从而提高过程的碳效率。以采取核能高温制氢与煤制甲醇系统进行耦合为例, 由核能制氢来替代水煤气变换系统, 复合能源系统的碳效率将可以提高到 80%以上, 系统能效可以提高 10%~15%。

Fig. 1 Concept of Green Carbon and Hybrid Energy Systems 

(a) The simplified carbon cycle and related processes; (b) Low-carbon technology roadmap for fuel/chemical production in coal-based chemical industry

该工作从资源禀赋、地理分布、煤化工发展等方面分析了复合能源系统取代传统煤化工系统在中国的可能性。在此基础上，分析了使用复合能源系统取代传统煤化工系统生产燃料化学品的碳减排潜力及经济可行性。

从地域耦合的可行性而言，我国CO₂排放的地区分布（Fig. 2a）与化石能源分布（Fig. 2b）在具有一致性；从行业耦合的可行性上来说，我国主要煤化工行业地区分布（Fig. 2c）与碳排放源地区分布基本一致；因此，立足于中国的资源能源分布和能源消费格局，未来中国可以构建四种大规模低碳复合能源体系（Fig. 2d）：

①西北地区：太阳能、风能、天然气和煤炭的复合能源系统；

②中东部地区：生物质和煤炭的复合能源系统；

③华北地区：天然气、风能、生物质和煤炭的复合能源系统；

④沿海地区：核能、风能和煤炭的复合能源系统

Figure 2. Feasibility analysis of Hybrid Energy Systems in China. (a) Distribution of carbon emission. (b) Distribution of major energy resources. (c) Distribution of coal chemical production bases. (d) Feasible implementation of hybrid systems.

基于中国煤化工产业现状（图3a）和发展规划，假设复合能源系统在煤化工行业中的技术取代率在2020和2030年分别达到40%和80%，则该情景下2020年煤化工行业的CO₂排放量为647Mt，碳排放强度为6.43 kg CO₂ /USD，相比传统煤化工系统下降24%（图3b）。2030年，复合能源系统的应用带来的碳减排潜力相当于日本2014年碳排放总量的90%，欧洲碳排放总量的33%。同时，碳排放强度进一步下降至2.67kg CO₂ /USD，相比同年传统煤化工系统下降70%。

Fig.3 Carbon emission reduction potential of Hybrid Energy System in China. (a) Main existing and developmental coal chemical plants in China; (b) Carbon emission reduction potential of China’s coal chemical industry.

2

低碳复合能源系统在煤化工行业应用的技术-经济性评估

煤化工行业是我国工业部门的重要组成部分，同时也是高能耗高碳排放的典型行业，其碳排放强度（8.57 tonCO₂/1000USD）是我国工业部门平均碳排放强度的4倍，远远高于我国国民经济的单位碳排放强度 。近年来，可再生能源/核能与煤化工的耦合成为实现煤化工低碳化研究的热点，随着可再生能源发电技术的改进，发电成本在近几年内急速下降，使得可再生能源发电的竞争力愈加明显。同时，利用可再生能源/核能制氢工艺为低氢碳比的煤气化合成气提供零碳清洁的氢，取消煤化工过程中的水煤气变换反应，可降低95%以上的直接碳排放。在此背景下，我们研究了集成核能-煤生产甲醇、合成油和合成天气的低碳复合路线的能耗、碳排放和基于碳税限制下的经济可行性。

对于传统煤制甲醇系统和核能耦合的煤制甲醇系统，鉴于模型的复杂性，我们使用Aspen Plus中嵌套模块“hierarchy”模块进行了全系统的物料衡算与能量衡算（图4）。基于物流和能流结果，构建了复合能源系统的“可行性窗口”，并分析了其经济竞争力与原料价格、电价和碳税的相互影响（图5b）。以集成核能-煤的甲醇生产系统为例，在以下情境下可实现复合能源的经济可行性：1）无碳税条件下，当电价为4.8美分/千瓦时，煤炭价格≥173.3美元/吨；2） 无碳税条件下，煤炭价格为110美元/吨，电价≤3.13美分/千瓦时；3）煤炭价格为110美元/吨，电价为4.8美分/千瓦时，碳税≥40.9美元/吨。

Fig. 4 Nuclear integrated coal gasification to methanol system

(a)  Aspen model of nuclear integrated coal-to- methanol system; (b) Viability window for the relationship of coal price, carbon tax and electricity price.

在集成核能-煤生产燃料化学品研究工作的基础上，我们针对目前甲醇生产以煤为主且高碳排放的技术路线，进一步探索了一种“道法自然”的碳中性甲醇生产系统，即使用太阳能制氢耦合CO₂加氢制甲醇的近零排放的“液态阳光系统”路线（图5）并利用GaBi软件对该系统全生命周期环境影响和经济性进行了研究。

Fig. 5 Concept map of liquid sunshine system

本研究涉及了三种甲醇生产路线：常规煤制甲醇系统（Baseline case）、太阳能耦合煤气化工艺生产甲醇系统（Case-1）、太阳能-生物质耦合二氧化碳加氢制甲醇的碳中性系统（Case-2）。结果表明，Case-1和Case-2的环境影响相比基线案例其各种环境影响均下降45.7%和57.5%。在案例2中，生物质联合气化循环系统（Bio-IGCC）与CO₂捕集系统的耦合使得整个系统的全生命周期温室气体排放量为负（-1092.1kgCO₂eq/t）(图6)。但在经济方面，Case-1和Case-2的甲醇成本约为基准案例（1593.4元/吨）的3倍和5倍。如果考虑到世界银行发布的2030年平均碳税水平（500元/吨CO₂eq），Case-1在不久的将来具备经济可行性的，而Case-2与基准案例相比仍难以取得经济竞争力。其解决问题的关键在于降低太阳能光伏发电，生物质IGCC系统以及电解核心组件（PEM组件）的生产成本。

Fig. 6 LCA results of the three cases. (a)Life cycle emissions comparison of the three cases; (b) Emission proportion of each life cycle stage in Baseline case; (c) Emission proportion of each life cycle stage in Case-1; (d) Emission proportion of each life cycle stage in Case-2.

3

低碳复合能源系统在天然气化工行业应用的技术-经济性评估

我国非常规天然气资源十分丰富，致密砂岩气、煤层气、页岩气技术可采资源量约为34×10¹²m³，是常规天然气技术可采资源量的2倍。天然气及非常规天然气（包括致密气、煤层气和页岩气等）作为含氢量高的低碳绿色能源，在我国低碳能源过渡时期起着关键作用。天然气（含非常规天然气）重整可通过调节蒸汽比直接得到合适氢碳比的合成气，从而取消水煤气变换反应，从而显著降低直接碳排放。因此，发展天然气尤其我国储量巨大的非常规天然气，在我国低碳能源过渡时期也非常重要。

基于上述背景，我们构建了集成风能-天然气和集成太阳能-天然气生产甲醇的复合能源系统，采用风能发电及太阳能光伏发电为天然气生产甲醇系统提供动力来源，从而进一步降低系统的间接碳排放(图7a)。通过全过程Aspen Plus建模结果，对常规天然气制甲醇工艺与可再生能源-天然气生产甲醇工艺在碳效、能效和经济性方面进行了分析比较。结果显示，复合能源系统的碳效接近100%，能效高于80%，表明耦合可再生能源使得系统中接近100%的碳资源进入了甲醇产品中（图7b）。此外，可再生能能源的耦合也意味着代替了天然气作为燃料，使天然气的消耗量相比传统工艺下降9%左右。

Fig. 7 Feasibility analysis of wind-gas to methanol (WGTM) process. (a) Process diagram of WGTM process; (b) Carbon efficiency of WGTM process; (c) Production cost of WGTM process.

在此基础上，我们针对南海天然气特有的CO₂含量高的特点，为避免其传统的能源利用方式造成的大量能量损失和碳排放问题，探索并设计了富CO₂天然气干法重整耦合费托制烯烃（FTO）工艺生产高附加值线性α-烯烃（LAO）产品的技术路线（图8），以实现南海富CO₂天然气的直接、高效、高附加值利用。该系统的碳效率为60.8%（图9a），比传统煤基F-T系统（32.6%）上升90.8%；能效为35.44%，与传统煤基FT系统相当，主要原因是该系统生产高附加值的LAO产品和高碳醇产品，因此下游分离、提纯和精制过程复杂，能耗高，其中公用工程用能（电/蒸汽）占43.28%（图9b）。此外，我们还分析了天然气价格对系统生产成本的影响（图9c, 9d）。结果表明，天然气价格每上涨0.2元/Nm³，系统生产成本增加718元/吨。在目前的产品加权价下，当天然气价格高于1.2元/Nm³时，系统的内部收益率将低于行业基准（12%）。考虑到天然气价格区间为0.5~2元/Nm³，产品加权价在8760~14140元/吨之间，可达到行业基准内部收益率。

Fig. 8 Framework of CO₂-rich natural gas dry reforming for LAO production

Fig. 9 Technical and economic results. (a)Carbon and energy efficiency result; (b) Energy consumption distribution; (c) Sensitivity of natural gas price on production cost; (d) Sensitivity of natural gas price and MWPP on IRR (Grey plane: IRR=12%)

4

低碳复合能源系统在钢铁行业中应用的技术-经济性评估

我国是世界上规模最大的钢铁生产国，同时我国的钢铁生产由于采用焦煤为还原剂，其粗钢单位碳排放量高达2000kg CO₂eq，是典型的高能耗高碳排放行业。基于我国政府已明确提出碳排放目标，我们以钢铁生产过程中CO₂的资源化利用为主要研究内容，采用碳素流分析和经济性评价方法，对传统高炉-转炉炼钢生产系统（Baseline case），余热余能回收技术的低碳炼钢系统（Case-1），耦合CO₂生产化学品的低碳炼钢系统（Case-2）（图10a），CO₂-CH₄干重整耦合竖炉-电炉工序粗钢生产系统（Case-3）进行了研究(图10b)。

图11采用碳素流图直观的展示了碳元素在整个炼钢系统中的流动过程。Case-2在余热余能回收技术的低碳炼钢系统的基础上，采用焦炉煤气制氢耦合高炉煤气生产甲醇的技术，降低系统碳排放的同时提高炼钢系统经济性。该系统吨热轧板可生产甲醇25.51kg，系统总碳排放量为1681.28kgCO₂/吨材，同比基准案例的吨钢CO₂排放下降126.78kg（图11a）。以炼钢过程生产的CO₂作为原料循环使用，采用甲烷-CO₂干重整工艺生产竖炉还原气，采用竖炉炼铁耦合电炉炼钢技术生产粗钢产品，每生产一吨热轧板系统循环利用的CO₂量为111.96kg，净碳排放量为354.6kgC，合CO₂ 1300.2kg。相比基准案例，吨材CO₂排放量下降28.1%，具有显著的碳减排效果（图11b）。

图12对比了不同生产路线的吨钢生产成本以及天然气价格和碳税对Case-3的经济性影响。若以传统高炉-转炉炼钢系统为技术基础，Case-2在碳排放和经济性方面均有较好的竞争力。针对我国目前钢铁行业高碳排放，高成本微利润的市场困局，可优先选择发展该路线。但由于我国高价的天然气，Case-3的生产成本比基准案例高39%。若我国的天然气价格可降至目前中东天然气价格基准，可在碳税与目前碳捕获成本相当时，实现该路线的经济可行性；若天然气价格进一步下降至北美天然气价格，可在无碳税背景下即实现该路线的经济可行性。

Fig. 10 Flow chart of CO₂ coupled low-carbon steel produtciton systems. (a)Low-carbon steelmaking system coupled with CO₂ to chemical products process (Case-2); (b) Shaft furnace DRI-EAF steelmaking system coupled with CO₂-CH₄ dry-reforming process (Case-3)

Fig. 11 Carbon flow results of Case-2(a) and Case-3(b)

Fig. 12 Production costs results (a) and sensitivity analysis results (b)

总结与展望

低碳复合能源系统集成与解决方案以“绿色碳科学”理念为基础，针对我国典型的高能耗高碳排放行业和高碳排放过程系统，通过耦合可再生能源/核能以及CO₂的循环利用技术，实现高碳资源的低碳化利用，推动高碳行业的低碳化发展，推广前瞻关键性低碳技术。本研究工作相继得到中科院先导计划，壳牌前瞻科学I、II、III期项目及上海市科委项目资助，并基于上述研究结果，实验室经中科院智库向国务院提交了相关建议。近年来，可再生能源的发展日新月异，经济竞争力明显上升，可再生能源电解水制氢工艺作为复合能源系统的核心，应予以重点关注。可再生能源波动性的平抑，储能技术的耦合，多能互补利用系统的开发，对实现可再生能源的能量转化为稳定可用的能量形态从而实现复合能源系统的现实可行性非常重要。

实验室负责人介绍

孙予罕研究员现任中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室主任，1983年在郑州大学化学系获得学士学位，1983年至1989年在中科院山西煤化所获硕士、博士学位。1989年9月至2008年12月历任中科院山西煤化所助理研究员、副研究员、研究员；室主任、所长助理、所长，期间于1992年至1995年在英国Brunel大学作访问研究。孙予罕研究员于1994年首批入选中国科学院“百人计划”，1996年获国家杰出青年科学基金，1996年至2002年任煤转化国家重点实验室主任。2009-2017年任中国科学院上海高等研究院党委书记、副院长。

孙予罕研究员主要从事煤间接液化合成油品和化学品、CO₂转化利用中催化和工程研究，同时开展相关纳米材料及其在绿色化学和光学中的应用研究。已在Nature，Nature Chemistry、Joule、Chem、Science Advances、Nature Commun、Angew Chem等期刊发表学术论文700余篇；申请国家发明专利200余项。先后获中科院自然科学三等奖、全国先进工作者、中科院载人航天贡献奖、中科院杰出成就奖、山西省自然科学、技术进步二等奖。目前任中国化学学会理事，中国颗粒学会理事，中国能源研究会会员，山西省政府决策与咨询委员会委员。1998年至今任国际学术刊物《FUEL》、《Journal of CO₂ Utilization》、《Particology》和《催化学报》编委，任《燃料化学学报》主编，《天然气化工》副主任编委。

课题组负责人介绍

唐志永，博导，中科院上海高等研究院/中科院低碳转化科学与工程重点实验室研究员。2006年毕业于东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室，获博士学位。长期从事反应工程科学理论与工程实践研究，致力于能源环境领域的反应器技术研发和工业化实施，重点针对中试到工业示范的反应器进行规模设计和放大风险研究, 基于多尺度模拟方法和平台进行模拟和预测分析，解决反应器放大设计和系统技术问题。

目前已实现了全球首个万方级二氧化碳重整技术的示范，完成工艺包开发五项，标准规范制定一项，工程装备开发六项，目前，以通讯作者在Joule、Applied Energy、CEJ、CES等刊物上发表SCI论文30余篇。申请专利40余项。先后承担科技部、中科院等20余个重大科研项目，获中国国际工业博览会银奖、中国循环经济专利奖二等奖、中国施工企业协会科技进步二等奖等多个奖项。入选中科院关键技术人才、中科院特聘研究员，并任科技部863和国家重点研发专家、国防科工局专家、国家奖励办专家和上海科技大学兼职教授。

系统集成与解决方案子课题负责人介绍

陈倩倩，硕导，中科院上海高等研究院/中科院低碳转化科学与工程重点实验室副研究员。2011年于华东理工大学获得化学工艺硕士学位，2018年于中国科学院大学上海高等研究院获得化学工程博士学位。主要研究方向为能源环境领域化工过程系统建模与评价，复合能源系统的集成与优化，高能耗行业低碳化解决方案与碳减排潜力研究。2017年入选上海市青年科技英才扬帆计划，作为负责人承担了上海市科委、壳牌（Shell）集团前瞻科学II期、III期项目、企业横向课题项目等。在Joule、Energy Conversion and Management、Journal of Cleaner Production 等能源领域一区期刊发表论文10余篇，授权发明专利4项。

文本编辑：Navi

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