能源革命、工業(yè)革命、科技革命、人工智能疊加，引發(fā)了前所未有的大變革，而能源化工行業(yè)正處于變革的起點。如何迎接變革帶來的未知機(jī)遇與挑戰(zhàn)?近日，中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡稱大化所)所長劉中民給出了他的回答——沿著“四條主線”打造更加合理的能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)結(jié)構(gòu)。即行業(yè)應(yīng)以新思維去審視舊流程，沿著化石能源清潔高效利用與耦合替代、可再生能源多能互補(bǔ)與規(guī)模利用、基于低碳與零碳的工業(yè)再造、低碳化智能化多能融合的四條主線打造新體系。
能源高效利用 推動煤化工與石油化工耦合
劉中民指出，在我國貧油少氣的資源稟賦背景下，油品和化工品的結(jié)構(gòu)矛盾長期存在，因此用煤炭填補(bǔ)能源化工缺口十分必要。煤化工產(chǎn)業(yè)要在石油化工特別是煉化產(chǎn)業(yè)布局已經(jīng)成熟的情況下，放眼整個能源化工，甚至是我國整體工業(yè)結(jié)構(gòu)中去統(tǒng)籌考慮自己的定位問題。
煤化工如何與傳統(tǒng)煉化產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“共生”?劉中民強(qiáng)調(diào)，關(guān)鍵在于發(fā)揮煤化工的獨有優(yōu)勢。
“煤化工有自己的特色，例如用合成氣做甲醇或者做含氧化學(xué)品是相對容易的，但從石油化工的路線加工含氧化學(xué)品就需要氧化過程，很難控制反應(yīng)的選擇性。”劉中民解釋說，煤化工中碳碳鍵的變化也與石油化工不同。傳統(tǒng)石油化工的加工路線大部分是大分子變?yōu)樾》肿拥牧呀膺^程，化學(xué)鍵的斷裂需要相對高溫的條件和較高的能量供給，屬于吸熱反應(yīng)。而煤化工的主要路線是先將煤轉(zhuǎn)化為合成氣，再轉(zhuǎn)化為烯烴、甲醇或其他下游產(chǎn)品，是由小分子變?yōu)榇蠓肿樱黾踊瘜W(xué)鍵的過程，比裂解所需的條件更溫和穩(wěn)定。
據(jù)劉中民介紹，大化所進(jìn)行了將煤化工與傳統(tǒng)石油化工路線耦合的嘗試，已經(jīng)開發(fā)出較為成熟的煤基甲醇耦合石腦油制烯烴路線，利用甲醇制烯烴的強(qiáng)放熱特點，與石腦油裂解制乙烯的強(qiáng)吸熱反應(yīng)聯(lián)動耦合，讓反應(yīng)熱量達(dá)到相對平衡。相比起傳統(tǒng)的石腦油制烯烴技術(shù)路線，耦合路線的能耗可降低1/3～1/2，不僅副產(chǎn)物甲烷的產(chǎn)率可降低到4%以下，還能讓石腦油的原料利用率提高10%。
多種綠能互補(bǔ) 發(fā)展儲能實現(xiàn)規(guī)模利用
“雙碳”目標(biāo)對新能源的發(fā)展提出了全新的要求，在碳達(dá)峰碳中和背景下，新能源產(chǎn)業(yè)要“先破后立”，發(fā)展大規(guī)模、高比例可再生能源，逐步實現(xiàn)對化石能源的替代。
談及可再生能源發(fā)展的方向和目標(biāo)，劉中民表示，從行業(yè)宏觀來看，可再生能源發(fā)展的大方向是“三高一低”，即提高轉(zhuǎn)換效率、提高供給質(zhì)量、提高替代比例、降低應(yīng)用成本。而具體產(chǎn)業(yè)則“各有難念的經(jīng)”，光伏產(chǎn)業(yè)目標(biāo)是進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)化效率；風(fēng)能產(chǎn)業(yè)需要打破大功率機(jī)組整機(jī)方案和部分核心部件依賴進(jìn)口的問題；水電產(chǎn)業(yè)需要突破水能發(fā)電機(jī)組瓶頸問題；生物質(zhì)能則聚焦于生物質(zhì)高值化利用。
不過，無論是哪種可再生能源產(chǎn)業(yè)，都繞不開一個問題——并網(wǎng)消納。
劉中民指出，儲能是可再生能源降低并網(wǎng)風(fēng)險、提高利用效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。目前，我國在短時高頻、中短時長儲能都有較為明確的解決方案，鋰離子電池、鉛酸電池等技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，不過未來還需要經(jīng)過市場驅(qū)動和檢驗，選擇、固化具有成本更低等特點的優(yōu)勢技術(shù)體系。在長時低頻儲能方面則仍然以抽水儲能為主，經(jīng)濟(jì)性有優(yōu)勢的其他長時儲能技術(shù)仍需發(fā)展。
“不只是可再生能源的大規(guī)模融合利用，未來我們要做智慧能源系統(tǒng)、構(gòu)建智能電網(wǎng)也離不開儲能。”劉中民表示，氫能的產(chǎn)生、利用、儲存是一個系統(tǒng)工程，目前成本仍然偏高，未來的發(fā)展和應(yīng)用需要政府的積極引導(dǎo)和全社會的共同努力；而當(dāng)前以鋰電池為主的電化學(xué)儲能則受我國鋰資源儲量限制，國家也出臺了重大研究計劃推動其他電化學(xué)儲能方式的研究，液流電池就是其中之一。
引入清潔氫能 基于低碳再造工業(yè)流程
“在工業(yè)中，氫能同時具有物質(zhì)和能量屬性，能同時滿足生產(chǎn)供能和原料的需求。”談及能源化工行業(yè)的減碳之路，劉中民認(rèn)為，難脫碳行業(yè)深度減排的重點，應(yīng)該放在一個“氫”字上：“因為從概念上來講，化石能源無論是燃燒還是生產(chǎn)油品、化學(xué)品，都是產(chǎn)生二氧化碳的過程，單靠能源化工行業(yè)自身實現(xiàn)零碳是不可能的，應(yīng)當(dāng)引入其他清潔原料或能源‘對沖’，由清潔能源制取的綠氫就是很好的選擇。”
據(jù)介紹，目前生產(chǎn)技術(shù)最成熟的氫還是來自化石能源，碳排放量較高的“灰氫”。由化石能源聯(lián)合碳捕集、利用與封存技術(shù)制得的“藍(lán)氫”雖然降低了部分過程碳排放，但能耗大、成本高的特點仍然讓其難以大規(guī)模應(yīng)用。而由可再生能源制取的“綠氫”能實現(xiàn)全過程無碳化，將成為難脫碳行業(yè)實現(xiàn)低碳與零碳發(fā)展的重要媒介。
“以煤制烯烴為例，充足綠氫的加入可以完全替代掉流程中水煤氣變換的環(huán)節(jié)，減少70%的二氧化碳排放，同時，電解水制氫剩下的副產(chǎn)品氧氣還能用于煤氣化工藝流程，這樣又能從空分裝置里‘省下’一筆能耗，可以促進(jìn)煤化工零碳排甚至負(fù)碳排。”劉中民說。
疊加人工智能 低碳化智能化多能融合
劉中民表示，人工智能將帶動能源化工行業(yè)的深刻變革。以能源化工行業(yè)的科技創(chuàng)新為例，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化流程要經(jīng)歷實驗室小試、中試放大、工業(yè)性試驗三個環(huán)節(jié)才能嘗試投入工業(yè)生產(chǎn)，成本高、時間長，其中的中試放大環(huán)節(jié)更是行業(yè)難點、痛點，很多技術(shù)都“倒在”這一關(guān)上。
“現(xiàn)在人工智能來了，我們可以探索從小試通過人工智能一步干到工廠的路徑。”據(jù)劉中民介紹，大化所已經(jīng)形成了一整套方案，正在研究如何建立數(shù)字化孿生的虛擬工廠模型，實現(xiàn)化工知識的快速檢索及化工流程工藝的自主設(shè)計和優(yōu)化，有望縮短化工工藝流程的研發(fā)周期，為實驗室成果快速走向工業(yè)化提供可能。
“未來的能源系統(tǒng)，必然是低碳化、智能化和分布式能源相結(jié)合的系統(tǒng)。能源革命、工業(yè)革命正在呼喚科技革命，疊加人工智能，一場前所未有的大變革正在啟動。”劉中民說，“我們處于變革的起點，有很多未知，也就有很多希望，我們一定要用新思維去審視舊流程，在這個基礎(chǔ)上打造更加合理的能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)結(jié)構(gòu)。”
（中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長劉中民）
