电—氢—碳耦合破解能源转型难题

来源：滚动播报

（来源：科创中国）

中国是全世界能源消费和碳排放总量最大的国家，面临着保障能源安全、推动低碳转型的双重任务，需要加快开发利用新能源，推动煤电绿色转型。然而，大规模开发新能源面临消纳、外送难题，煤电转型面临存量规模大、减排成本高，如何经济高效解决这两大问题是实现能源转型的关键。本文以电—氢—碳耦合方式提出了解决新能源消纳和煤电绿色低碳转型难题的“三步走”建议。

1、解决气候变化问题的关键是降低碳排放

气候变化问题是21世纪人类共同面临的重大挑战，二氧化碳、甲烷等温室气体的排放被认为是造成全球气候变暖的最主要原因。为了应对这一危机，各国纷纷提出碳中和目标，谋求零碳转型。

气候变化问题本质上是化石能源过度开发利用导致的碳循环失衡，释放到大气中的二氧化碳大于地球系统固化的二氧化碳。解决这一问题有“一减一加”2个途径：“减”指减排，减少能源系统的碳排放；“加”指增汇，如增加森林碳汇、湿地碳汇或通过碳捕集、利用与封存技术增加人工碳汇等。

中国能源领域碳排放占全国碳排放总量的80%以上，其中电力碳排放在能源行业中的占比超过50%，且绝大部分来源于煤电，实现能源领域低碳转型对于实现“双碳”目标至关重要。随着能源低碳转型的深入，结合中国国情，未来降低碳排放的关键之一在于大力开发风电、光伏等新能源，替代传统化石能源，降低能源碳强度；增加碳汇的关键在于实现传统煤电的绿色低碳转型，对排放的二氧化碳进行捕集、存储和利用。

2、新能源高质量发展要求迫切

中国的可再生能源资源十分丰富，“双碳”目标提出后，风电、光伏等新能源迎来跨越式发展。展望未来，风电、光伏将逐步成为中国电源装机和发电量的主体。然而，风电、光伏等新能源存在随机性和波动性，大规模开发面临如何消纳、外送的难题。

第一，电网消纳困难。风电、光伏等新能源发电出力具有随机性和波动性。由于系统调节资源不足、消纳机制不完善等原因，无法完全避免“弃风弃光”。

第二，安全保供能力不足。高比例新能源电力系统维持短期日内平衡和长期季节平衡、满足用电高峰负荷的难度较大，极端天气下电力保供问题更加突出。

第三，电力大范围配置压力大。新能源资源与负荷需求的逆向分布要求建设更多跨区输电通道，提高电网配置能力。

第四，系统安全稳定运行难度大。新能源大量替代同步发电机后，系统惯量水平下降，频率响应特性恶化，削弱系统抵御功率偏差的能力。且新能源无功支撑能力弱，故障后送端暂态过电压问题突出。

3、煤电面临绿色低碳转型难题

长期以来，煤电是中国的主力电源，发挥了保障电力供应的“顶梁柱”和系统安全的“压舱石”作用，未来一段时期内也仍将是重要的支撑性和调节性电源。

与此同时，煤电节能改造、灵活性改造也在稳步推进。随着新能源发电装机占比的大幅提升，电力系统的稳定运行受到了挑战，需要具备调节能力的煤电机组承担更多的调峰、调频等任务。

中国是世界煤电装机和发电量最大的国家，降低煤电碳排放强度，向低碳甚至零碳电源转变是实现能源转型的关键。实现煤电绿色低碳转型，面临着以下3个方面的挑战。

首先，因为资源禀赋的原因，中国存量火电规模大，且以煤电为主。煤电碳排放强度高，是二氧化碳排放的最大单一来源，实现绿色低碳转型任务艰巨。

其次，当前煤电减碳手段有限，减排成本高。碳捕集、利用与封存技术（CCUS）是降低煤电碳排放的重要技术手段，但目前成本仍较高，且缺乏有效的商业模式。

最后，煤电安全保供责任大，运营效益难保障。由于煤价波动大，煤电经营效益存在很大不确定性，且容量电价补偿标准偏低，分年到位，效益难保障。

4、电—氢—碳耦合开辟新路径

为解决新能源消纳和煤电绿色低碳转型难题，国内外均开展了大量研究和实践。国内外在风光氢协同开发、煤电灵活性改造、煤电掺氨发电、氢发电等领域已开展了一系列试验示范，取得了宝贵的实践经验。近年来部分代表性试验、示范工程如表1所示。

表1 风光氢（氨）协同和促进煤电低碳转型的部分试验、示范工程

电—氢—碳耦合是指将新能源发电、煤电、制氢、碳利用等环节有机整合，以新能源为能量来源，以水、空气和煤电排放的二氧化碳为原料实现电力和氢氨醇等物质联产的新模式。电—氢—碳耦合系统以新能源电力为主要能量来源，驱动碳、氢等作为能量载体的元素在不同形态间的转化，以减少碳排放或碳完全循环利用为目标，实现能源系统由高碳向低碳、零碳转型。电—氢—碳耦合系统示意如图1所示。

图1 电—氢—碳耦合系统示意

随着大量风光制氢、制氨等示范项目的规划和建设，电—氢—碳协同发展态势已初步呈现。电氢协同形态、多能耦合基础理论等研究也正稳步开展。

从能量流的角度来看，电—氢—碳耦合系统存在电能、氢能、氨甲醇等其他氢基能源3类能量形式。风、光发电是主要的电力来源，煤电、氢发电、氨发电等电源发挥调节作用，实现电力稳定供应、外送。随着技术的进步，各类能量转化环节的效率有望得到提升。通过合理的工业流程设计，有效利用各环节的反应余热（如将合成氨反应余热用于高温固体氧化物电解槽加热等），也将进一步降低损耗，提升全系统能量转化效率。

从物质流的角度来看，电—氢—碳耦合系统尽可能利用所有参加反应的原子，做到“物尽其用”。电—氢—碳耦合系统可以充分利用绿电规模化制氢（氨、醇）的负荷灵活性，配套储电/储氢（醇）、氢发电及存量火电，为新能源基地提供短期至长期全时间尺度零碳灵活调节资源，解决基地近区零碳调节资源匮乏、配套调节性煤电需要降碳等问题，提高基地发电出力稳定性和可控性，保障电力安全可靠供应。同时也可推动绿电、绿氢在传统化工领域的应用，有助于推动石化、煤化工等高碳排放产业的低碳转型。

以电—氢—碳耦合方式解决新能源消纳和煤电绿色低碳转型难题可分为“三步走”。

第一阶段，主要采用风光火打捆开发的方式，煤电为新能源开发提供调节和支撑，新能源降低基地总体碳排放强度。

第二阶段，引入电制氢、煤电掺氨等技术，灵活的电制氢为新能源提供新的消纳方式，同时氢再制成氨用于煤电掺烧以进一步降低煤电的碳排放强度。

第三阶段，充分利用火电排放的二氧化碳，在稳定可靠的电力基础上联产氢、氨和醇，实现电—氢—碳的深度耦合和沙戈荒基地的整体零碳排放。

5、实现电—氢—碳耦合需要协同发力

电—氢—碳耦合是一个系统性问题、交叉学科问题，需要用系统优化思维进行能源、物质多系统优化研究和跨专业协同、跨行业整合。电制氢、合成氨、合成甲醇、碳捕集等技术已相对成熟，但电—氢—碳耦合发展仍面临着一系列问题和挑战。未来电氢碳协同面临的关键科学问题包括：电—氢—碳耦合的多能协同系统基础理论，氢能产业链关键材料技术，新型绿色化工与新能源相匹配的技术，煤电低碳化改造关键技术等。实现电—氢—碳耦合发展，还需要在顶层设计、技术研发、产业链构建、标准体系建设等方面协同发力。

一是布局重点专项支持前沿科技攻坚突破。“十五五”期间重点支持多能源品种能量流、物质流、信息流协同优化理论；适应新能源的构网型电解水制氢技术；重型纯氢（氨）燃气轮机的设计制造技术等。建立电—氢—碳耦合综合能源系统的大型装备及研发试验实证平台，研究综合能源系统仿真技术，服务各环节控制系统开发及优化。

二是推动开展技术装备和能源基地示范。“十五五”期间在西部、北部有条件的地区开展“绿电制氢氨+掺氨发电”全流程示范，率先在西部、北部地区推广电—氢—碳耦合模式。

三是培育电—氢—碳耦合产业链推动产业发展。应鼓励技术创新和产学研合作，推动绿氢化工、氢能交通以及绿氨、绿甲醇等绿色氢基能源的商业化和产业化，营造制储输用全流程产业链，推动产业发展。

四是推动标准体系建设和完善相应法律法规。“十五五”期间推动绿氢及绿氨、绿甲醇等氢基衍生品的标准体系建设，引领新兴产业发展。加快出台氢能相关法律法规，明确氢的能源属性，为氢能发展提供法律保障。

五是加强跨学科融合创新和产学研联合攻关。协同发电、电网、化工、装备制造等上下游产业，推动多学科、跨行业产学研联合攻关，为产业发展提供人才和智力支持。

本文作者：刘泽洪

作者简介：刘泽洪，全球能源互联网发展合作组织，教授级高级工程师，研究方向为电力系统规划、设计和工程建设。

文章来源：刘泽洪. 以电—氢—碳耦合方式协同推进新能源大规模开发与煤电绿色转型[J]. 科技导报, 2025, 43(22): 16−22.

特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。