本文選自中國工程院院刊【中國工程科學】2024年第4期
作者：程超 ，高 丹，張衡，黃吉光，徐梓彭
來源：煤炭與新能源融合發展場景與關鍵技術[J].中國工程科學,2024,26(4):52-62.
編者按
煤炭是支撐中國國民經濟和社會快速發展的主要能源，推動煤炭與新能源融合發展，探索並實踐更多的融合發展場景與技術，對保障中國能源綠色轉型和能源安全供應具有重要意義。
中國工程院院刊【中國工程科學】2024年第4期發表華北電力大學研究團隊的【煤炭與新能源融合發展場景與關鍵技術】一文。文章立足中國資源稟賦並考慮能源保供與轉型需求，闡述了煤炭與新能源融合發展的重要意義，系統剖析了煤炭與新能源融合發展具備的基礎條件。從煤炭開發，燃煤發電，煤化工，碳捕集、利用與封存（CCUS）分別與新能源融合的4個場景角度出發，總結了當前煤炭與新能源融合的主要形式、技術特征、套用情況等。著重關註煤炭開發與新能源融合、「風光火儲」聯合排程、太陽能光熱與燃煤發電融合、太陽能光熱與CCUS融合、綠氫與煤化工融合等5類技術，深入分析了煤炭與新能源融合技術體系的發展挑戰與突破方向。研究建議，將煤炭與新能源融合發展上升為國家戰略，系統推進煤炭與新能源融合發展，加大煤炭與新能源科技研發力度，完善煤炭與新能源融合發展相關的財政、金融和人才支持政策。
一、前言
中國能源消費結構偏煤， 與能源相關的CO 2 排放中煤炭占比自2014年的80.7%降低至2022年的76.5%， 煤炭仍是主要的碳排放源，碳減排壓力顯著。 中國新能源資源豐富，是推動能源供應格局轉變和應對氣候變遷的重要依托，而傳統能源的逐步有序結束需建立在新能源安全可靠替代的基礎上。為推動煤炭與新能源融合發展，中國釋出了諸多政策加以引導。2021年的中央經濟工作會議首次提出，立足以煤為主的基本國情，推動煤炭和新能源最佳化組合。【關於促進新時代新能源高品質發展的實施方案】（2022年）提出，按照推動煤炭和新能源最佳化組合的要求，在基地規劃建設營運中鼓勵煤電企業與新能源企業開展實質性聯營。
推動煤炭與新能源融合發展，探索並實踐更多的融合發展場景與技術，對保障中國能源綠色轉型和能源安全供應具有重要意義。 近年來，煤炭與新能源融合發展的研究主要涉及：區域礦山與新能源融合發展路徑和「零碳礦山」構建，煤炭與煤電、煤電與新能源的「兩個聯營」模式，太陽能光熱發電與燃煤機組及碳捕集、利用與封存（CCUS）技術整合，「風光火」聯合排程等。然而，在煤炭與新能源融合發展的代表性場景、共性關鍵技術體系等方面的系統論述未見展開。
為此， 本文圍繞煤炭與新能源融合發展，明確發展的重要意義、分析具備的基礎條件、總結典型場景、把握發展趨勢、凝練關鍵技術，提出發展建議， 以期深化中國能源綠色低碳轉型和安全穩定供應研究，並為相關工程實踐提供參考。
二、煤炭與新能源融合發展的重要意義
（一） 保障國家能源供應和能源安全的必然選擇
煤炭是支撐中國國民經濟和社會快速發展的主要能源， 自1949年以來，中國煤炭產量累計超過1×10 11 t，提供了70%以上的一次能源，為中國經濟社會發展提供了關鍵支撐。與此同時也應看到，當前世界能源格局正發生劇烈變化，不穩定、不確定、難預料因素不斷增加，油氣供應危機頻頻出現，全球能源產業鏈、供應鏈加速重構。「能源的飯碗必須端在自己手裏」為中國能源發展提供了根本遵循。中國煤炭資源相對豐富，儲采比為37年。新能源可開發潛力顯著，其中，風電資源總體技術可開發量超過5.5×10 9 kW，太陽能技術總體可開發量達到1.56×10 10 kW。中國鮮明的能源稟賦特征，決定了在相當長時間內煤炭的主體能源地位不會變化。因此，推動煤炭與新能源融合發展是保障能源供應和能源安全的必然選擇。
（二） 促進能源結構綠色低碳轉型的重要途徑
中國作為世界上最大的能源消費國，為應對氣候變遷帶來的挑戰，推動能源結構的綠色低碳轉型迫在眉睫。 近年來，中國新能源產業發展實作了大規模躍升，2023年全國風電、光伏發電總裝機規模突破了1×10 9 kW，在電力新增裝機中的主體地位更加鞏固，風電、光伏發電量在全社會用電量中的占比超過了15%。然而，以風、光為主的新能源發電具有較強的隨機性、波動性和間歇性，出力穩定性不足。目前，煤電仍是最經濟可靠的支撐性電源和調峰電源，與新能源發電可以形成互補。中國化石能源資源的稟賦情況和油氣對外依存度高決定了中國能源轉型不可能走油氣替代煤炭、新能源替代油氣之路。中國能源轉型不可能一蹴而就，需立足以煤為主的能源結構，堅持先立後破、穩妥有序的原則。推進煤炭與新能源深度融合發展是符合中國國情的能源轉型之路。
（三） 謀求經濟高品質發展、支撐中國式現代化發展的重要基石
能源的安全穩定供應是保障經濟社會永續發展和群眾生活平穩有序的重要基礎。 綠色發展是高品質發展的底色，新質生產力本身就是綠色生產力。經濟的高品質發展對能源提出了更高要求，中國能源發展當前面臨需求壓力大、供給制約較多、綠色低碳轉型任務艱巨等一系列挑戰，亟需大力發展新能源，解決新能源供應不穩定、新能源基地電力外送受限等問題。中國能源資源稟賦決定了煤炭在經濟社會開發中的主體地位。經過多年發展，中國建立了以煤為主、多輪驅動的能源供應體系，有力支撐了經濟的快速發展。加快推進煤炭與新能源融合發展，助力經濟社會的全面綠色轉型，是經濟高品質發展的必然要求。
三、 煤炭與新能源融合發展具備的基礎條件
（一） 中國煤炭與新能源資源互補
煤炭是一種一次能源可儲、二次能源可控的能源，但具有高碳特征；新能源具有一次能源不可儲、二次能源約束可控的特點，普遍具有綠色低碳特征。 煤炭與新能源具有較強的互補特性，在水電、氣電等調節性電源容量不足的情況下，煤電與新能源發電的融合發展，不僅能夠保證電力系統的穩定性，還能夠減少電力行業的碳排放量。中國煤炭資源富集區與新能源富集區均位於「三北」地區，空間重合度高；煤礦礦區有大量的采煤沈陷區、結束的煤礦等土地資源，具有開發利用新能源的先天優勢。依托礦區坑口清潔煤電和「沙戈荒」大型風光基地，可以建設「風光火儲」一體化清潔基地，最大程度降低棄風、棄光，提高新能源利用率。
（二） 新能源開發利用實作跨越式發展，風光產業具有競爭力
中國新能源裝機規模穩居世界領先地位， 截至2023年年底，風電、光伏發電累計裝機規模分別達4.4×10 8 kW、6.1×10 8 kW，風、光在總電源裝機規模中的占比為36%，在新增裝機中的占比為81%。中國風機產業發展已達到國際先進水平，建成了全球最大的風電裝備生產基地，風機產量約占全球總產量的2/3以上，風機產品國產化程度高於90%，低風速、防颱風等風電技術達到世界領先水平，大容量機組開發基本實作與世界先進水平同步。光伏的全產業鏈具有國際有利競爭，形成了從上遊原材料采集加工、中遊電池片元件制造以及下遊光伏電站建設營運的完整產業鏈。多種技術路線多次重新整理電池轉換效率的世界紀錄，多晶矽、矽片、電池片及其元件實作完全國產化，2022年的生產能力分別占全球產量的76%、96%、83%和76%。
（三） 煤電靈活性改造為新能源大規模發展提供支撐
風、光等新能源發電具有隨機性、波動性、間歇性等特點，對電力系統的可靠穩定執行帶來挑戰。 中國抽水蓄能、燃氣發電等靈活調節電源較少，裝機規模占比不到6%；煤電機組提供了大部份的系統靈活性，以不足50%的裝機規模占比提供了70%的頂峰能力和近80%的調節能力，是電力系統的「壓艙石」「穩定器」。靈活的煤電能夠平抑新能源的出力波動，提升電力系統的調節能力，保障電力系統的平穩執行。截至2022年年底，煤電靈活性改造規模累計約為2.57×10 8 kW，為大規模消納新能源提供了關鍵支撐。
（四） 煤化工產業規模不斷擴大，綠氫需求量高
煤炭利用方式從以燃料為主向原料、材料與燃料並重轉變是煤炭綠色低碳轉型的必然選擇。近年來，中國在煤制油、煤（甲醇）制烯烴、煤（合成氣）制乙二醇等現代煤化工關鍵技術攻關和裝備研制方面不斷取得突破。 2022年，中國煤制油、煤（甲醇）制烯烴、煤（合成氣）制乙二醇的產能總計約為4×10 7 t。氫氣是煤化工的重要基礎原料，套用廣泛，在合成氨、合成甲醇等過程中的消費量約占85%。隨著煤化工生產規模的進一步擴大，氫氣需求量將持續增長，預計2050年，工業領域的氫氣需求將超過3.5×10 7 t。未來，綠色化將是煤化工行業發展的重要特征，「綠氫」作為連線新能源和煤化工產業的重要介質，在降低煤化工產業碳排放強度的同時，也為提高新能源消納水平創造了條件。
四、 煤炭與新能源融合發展場景
在新型能源體系和新型電力系統建設的背景下，煤炭與新能源融合發展可以充分借助新能源產業優勢，帶動能源高端制造業的高品質發展，同時保障能源的安全、穩定、清潔供應。 隨著中國能源結構轉型的不斷推進，新能源規模化發展逐漸提速，保障電力系統安全執行、確保能源穩定供應等需求不斷湧現。煤炭在開發利用過程中會排放大量CO 2 ，而新能源具有清潔低碳特征，煤炭與新能源融合發展的前景廣闊，並衍生多種融合場景，包括煤炭開發、燃煤發電、煤化工以及CCUS與新能源融合發展場景。
（一） 煤炭開發與新能源融合場景
中國煤炭生產中心進一步向中西部地區集中，多數礦區不僅擁有豐富的煤炭資源，而且新能源資源豐富。 中國井工煤礦開采的耗能情況為：電力占70%、煤炭占25%、油品占5%。利用采煤沈陷區、關閉結束煤礦、工業場地、排矸場等空間，發展風、光等新能源，構建「零碳礦山」，不僅可以最佳化用能結構，還可以降低煤炭開發過程的噸煤CO 2 排放量，實作煤炭開采行業的低碳轉型。
（二） 燃煤發電與新能源融合場景
電力生產環節涉及發電過程、排程過程以及各營運主體之間的執行策略。 在發電端，太陽能光熱發電集發電與儲能為一體，是出力可靠、調節靈活的新能源發電方式，可實作24 h連續穩定發電。太陽能光熱與燃煤機組整合，利用聚光光熱部份滿足燃煤發電回熱加熱器、再熱器等部件的加熱功能，一方面可降低純光熱電站的投資和發電成本，減少煤電機組的耗煤量和CO 2 排放量，另一方面能夠提升電力系統調峰和調頻的能力。
多資源聯合排程是促進大規模新能源並網消納的有效方法。 「十四五」及未來一段時期，清潔能源大基地建設是新能源發展的重中之重，但也會伴生新能源送出和消納困難、電力系統穩定性下降等問題。新能源大規模接入使中國電力系統由傳統的常規資源排程向「風光水火儲」多資源聯合排程轉變；同時隨著傳統調頻資源的減少，系統調頻需求增加，要求新能源場 / 站具備一定主動支撐能力。
隨著新能源裝機規模的快速增長，煤電與新能源之間的發展矛盾日益凸顯， 針對內蒙古、甘肅、寧夏、青海等省份的風光大基地建設，國家適時提出了煤電與新能源聯營（煤新聯營）的指導意見。煤新聯營透過在聯營企業內部建立煤電與新能源的利益共享機制，促進利潤雙向流動，充分發揮煤電機組對高比例新能源電力系統的支撐調節作用，改善煤電企業的經營虧損狀況，保障電力系統穩定供應和永續發展。煤新聯營通常具有4種模式：一是合約聯營模式，煤電與新能源企業以長期協定的方式來保障煤電對新能源發電的支撐調節以及煤電企業自身的永續發展；二是一體化聯營模式，該模式下煤電計畫與新能源計畫由同一法人主體進行開發營運，建立統一核算的經營主體；三是專業子公司聯營模式，煤電企業或新能源發電企業透過設立相關專業化子公司，實作煤電計畫與新能源計畫由同一法人主體控股開發、同一企業內部合並核算；四是資產聯營模式，煤電與新能源發電企業透過資本註入、股權置換等方式實作資產聯營。目前，山西、內蒙古、湖北、山東、河南、江西等多個省份已釋出相關政策，積極推動煤新聯營。煤新聯營不僅適用於風光大基地建設，同樣適用於其他地區，如2023年8月，貴州省第一個煤電聯營計畫開工建設，並在煤電聯營基礎上，進一步與新能源聯營，旨在打造成貴州省第一批「風光火儲一體化」高效清潔能源計畫。
（三） 煤化工與新能源融合場景
發展煤化工對促進煤炭清潔高效利用、保障國家能源安全具有重要意義，但煤化工單位產品的CO 2 排放量高，亟需透過技術創新，實作行業碳減排。 CO變換反應制取氫氣調整氫碳比是化工產品和油品生產的關鍵環節，該過程排放的CO 2 占整個煤化工過程的70%左右。利用風、光等新能源制取的綠氫與煤化工耦合，可減小甚至取消CO變換裝置規模，同時還能夠減小空氣分離裝置規模，實作煤化工源頭大幅減碳，也為綠電、綠氫提供巨大的套用場景。
（四） CCUS與新能源融合場景
中國燃煤發電、煤化工行業排放的CO 2 分別約占全國CO 2 排放總量的40%、5%。CCUS技術是實作深度碳減排的關鍵技術，其中，基於化學吸收法的燃燒後CO 2 捕集技術是目前最成熟的工藝，其技術瓶頸是CO 2 解吸時再生能耗高。以燃煤發電為例，通常采用中壓缸排汽為碳捕集裝置供能，導致發電效率降低20%~30%，發電成本升高約60%。 抽取蒸汽作為再生熱源將降低原有系統的效率，利用太陽能集熱為CCUS系統吸收劑解吸提供熱源，能夠減少熱蒸汽抽取使系統維持固有效率。
五、煤炭與新能源融合的關鍵技術問題分析
煤炭與新能源融合發展場景中的煤炭綠色開發、電力生產節能降碳、新能源發電高效消納、煤炭清潔轉換、碳捕集等是需要解決的關鍵問題。 煤炭與新能源融合技術能夠減少能源消耗和碳排放，降低單位產品的碳排放強度，促使新能源制氫替代化石原料，支撐節能降耗和綠色化、低碳化發展，是煤炭與新能源融合場景形成和發展的基礎。
（一） 煤炭開發與新能源融合技術
現階段，依托煤炭礦區發展新能源的主流技術路徑為： 利用光伏發電和風電來供應綠電與制熱（見圖1）。在光伏發電方面，一是利用工業場所中的辦公樓、洗煤車間、園區屋頂等空間建設分布式光伏，采用自發自用、余電上網等模式，首要用於工業生產和辦公生活，如內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司2021年啟動的分布式光伏計畫。二是利用煤礦沈陷區、矸石場等大規模建設光伏+生態治理 / 農牧漁產業，如伊金霍洛旗采煤沈陷區建設的5×10 5 kW的生態治理光伏發電計畫、淮南采煤塌陷區建設的水上漂浮式漁光互補光伏發電計畫。三是建設「光儲充換」一體化計畫，透過對光伏發電優先消納、余量存入儲能、充滿之後上網，用於特定裝置或新能源重型卡車充電，實作清潔能源儲存和就地消納。與光伏發電相比，風電計畫對資源分布、地質穩定性的要求更高，除可選用礦區交界處的天然牧草地以及未利用土地上的煤柱邊界外，還可以將周邊集中式風電融入煤礦一體化開發。
圖1 煤炭開發與新能源融合技術
熱負荷是煤礦礦區用能的重要特征，包含礦井井筒防凍熱負荷、生產及建築采暖熱負荷和生活熱負荷，目前礦區用熱多由小型燃煤鍋爐提供。 值得註意的是，礦井豐富的伴生能源蘊含著大量的熱能，如礦井回風余熱、礦井排水余熱、瓦斯發電余熱、空壓機余熱等 ，在煤炭開采過程中，此部份熱量可與新能源供熱形成有效互補。
未來在煤炭開發與新能源融合方面，煤礦礦區用電可以因地制宜建設分布式光伏發電、分散式風電、「光伏+」計畫，優先采用自發自用、余電上網模式。 對於煤炭礦區用熱，以礦井伴生能源為基礎負荷、新能源+儲熱為備用負荷是構建低碳供熱系統的可行方法。礦井伴生能源中礦井回風余熱和礦井（排）水余熱最為豐富，可利用高效空氣源和水源熱泵技術進行余熱回收[31]；利用瓦斯發電余熱，多礦區可聯合建立瓦斯發電廠，透過余熱回收技術回收熱量用於礦區生產生活。中國不同地區的煤礦礦區冬季溫度相差較大，煤礦熱負荷需求不同：在東中部地區，可以采用礦井回風余熱或礦井排水余熱；在中西部地區，可以采用礦井伴生能源+跨季節儲熱模式；在西北部地區，可以構建礦井伴生能源+跨季節儲熱+新能源模式。
太陽能跨季節儲熱供熱技術是解決傳統太陽能供熱面臨的季節性限制的有效方法。 目前，跨季節儲熱技術主要包括罐式儲熱、池式儲熱、地埋管儲熱與含水層儲熱等方式，前兩種方式存在投資高、設計復雜等短板；後兩種方式對地質條件要求高，存在儲能密度低、熱損失大等問題。風能直接制熱技術是一種新興的制熱技術，透過風力機傳動鏈直接驅動熱泵系統壓縮機做功。中國僅開展了100 kW風熱機組供熱示範，尚未大規模套用。在礦井伴生能源利用技術方面，極端氣候條件下的熱泵工作效率不高，低濃度、超低濃度瓦斯難以收集利用，燃用低濃度瓦斯內燃機效率低、汙染物排放高，以及乏風瓦斯蓄熱氧化面臨工作溫度高、可靠性低和經濟性差等難題仍需要重點攻關。
（二） 「風光火儲」聯合排程技術
多資源聯合排程是基於多資源的互補特性，透過充分利用調節能力、最佳化排程、聯合執行，成為提高新能源利用率、提升電力系統穩定性和可靠性的重要手段， 其實質是實作多目標、多約束條件下最優控制。
目前，火電與新能源聯合排程的模式有多種，具體如下。 ① 光熱發電 - 火電聯合調峰控制模式，分為「下調峰」時段和其他時段，可以采用以系統受阻風／光電最小為目標的光熱發電 - 火電聯合調峰最佳化控制方法；② 考慮風、光等資源的不確定性，可以建立風電 - 光伏發電 - 光熱 - 火電聯合發電系統兩階段隨機協調排程模型，包括風電 - 光伏 - 光熱聯合「削峰」模型和火電經濟排程模型；③ 「風光火」打捆多直流外送電網安全穩定防禦系統模型；④ 儲能具有快速響應、雙向調節等技術優勢，能夠提升電力系統調節能力和靈活性，在「源網荷」側套用廣泛，為此，可以建立「風光火儲」系統分層最佳化排程模型，分別以新能源出力最大、負荷波動最小和系統執行成本最低為目標進行最佳化求解。
聯合排程涉及智慧感知、智慧決策和智慧控制全流程，需要依靠智慧化的排程控制系統，根據「源網荷」側的實際情況，對多資源電源進行動態排程。 相關支撐技術包括新能源監控技術、多資源協同控制技術、適應「風光火」聯合送出模式的電網穩定控制技術等。新能源監控技術是對新能源發電單元進行預測、監視、跟蹤、評估的全過程感知技術，可以實作新能源出力預測、故障診斷、機組邏輯控制、調節控制等功能。多資源協同控制技術的目的是實作控制分區、控制物件、控制量等多目標的即時智慧決策。
傳統的火電透過合理調整機組啟停和機組間負荷分配來實作最佳化排程 。風、光等新能源的不確定性、反調峰特性以及較大的預測誤差導致電力系統排程執行難度增加。未來，在以新能源為主體的新型電力系統中，主要的排程資源包括相對可控的發電資源、隨機波動電源、儲能裝置以及負荷側資源，聯合排程涉及的資源呈現量大面寬的趨勢。因此，「風光火儲」聯合排程需要考慮時間和空間約束以進行動態最佳化。在時間維度上，主要采用日前發電計劃和即時排程相結合的協調控制方式，重點考慮日前預測精度不高等制約因素；在空間維度上，進行協調最佳化的方法通常要將整個電網劃為數個子區域，排程部門透過設定聯絡線的輸電計劃來保證各子區域發／供電平衡和輸電安全，同時各子區域根據負荷變化和發電資源進行動態調整。在目標控制方面，需由以經濟性為主的單目標最佳化轉向綜合經濟性、安全和節能環保等多目標最佳化。排程資源的協調最佳化則要面向不同情景下「風光火儲」系統中最佳化排程執行控制策略。
（三） 太陽能光熱與燃煤發電融合技術
中國並網光熱電站中的槽式、塔式光熱系統約占91.2%，因 此，與燃煤機組互補整合的相關研究也集中於槽式、塔式光熱系統。 槽式光熱系統一般采用導熱油作為工質，聚光集熱溫度通常不超過400 ℃，多用於部份替代燃煤機組回熱抽汽或省煤器等裝置，其耦合方案主要為替代回熱抽汽加熱鍋爐給水和進一步加熱經高壓加熱器加熱後的給水。塔式光熱系統通常采用熔融鹽作為工質，溫度可達600 ℃，與燃煤機組整合方案較多，具體有，塔式光熱替代高溫回熱抽汽加熱給水、加熱鍋爐給水、加熱再熱蒸汽和鍋爐給水、加熱再熱蒸汽並替代高壓加熱器回熱抽汽。其中，塔式光熱替代高溫回熱抽汽加熱給水、加熱鍋爐給水兩種分案分別如圖2中的方案1、方案2所示。
圖2 太陽能光熱與燃煤發電融合技術
自太陽能光熱與燃煤互補整合系統（SAPG）構思提出以來，眾多專家學者在不同整合方案下，對SAPG的效能差異、耦合機理、能量相互影響關系等方面進行了深入探究。 槽式與塔式光熱系統也可同時整合於燃煤機組，透過分段加熱換熱流體提高整合系統的效能。
太陽能光熱電站的規模有限，與燃煤機組的整合技術處於理論研究階段，工程示範相對較少，缺乏整合經驗。 中國光煤互補示範電站僅有山西國金電力有限公司1 MW塔式光熱系統整合350 MW燃煤機組計畫，而光熱容量小於國外光煤互補電站。光熱發電核心技術仍面臨一些瓶頸，發展進展緩慢。槽式光熱系統存在導熱油在高溫下易分解氧化、執行溫度受限、系統效率不高、低流速下導熱油易結焦、停運迴圈泵須使油溫降到80 ℃以下等問題。塔式光熱系統面臨站址受太陽輻照、地理維度、環境溫度等多重限制；受制於定日鏡與接收器的距離，規模受限，定日鏡的穩定性難以保證；接收器暴露在高空，存在熱發射率和對流損失大等諸多問題。此外，光熱電站的單位建設成本遠高於燃煤電站，如初始投資高昂，其中聚光、吸熱、換熱系統占初始投資的主要部份，因而發電成本較高，目前新建光熱電站的度電成本約為0.7~1元/kW·h。
規模化推廣光熱發電需要大幅降低光熱發電成本。 就本體技術而言，應加大光熱發電關鍵核心和原創技術的攻關力度，透過設立專項資金，支持核心裝置，儲熱材料，聚光集熱、儲熱、換熱技術研發以及SAPG工程示範。在系統方面，研究太陽輻照瞬態變化及不連續情況對SAPG的動態影響特性，燃煤機組變工況下整合系統執行的穩定性，儲熱時長配置的最佳經濟性，探索光熱發電和燃煤發電共享儲熱系統。在執行策略方面，挖掘SAPG調峰能力，開發SAPG深度調峰的執行控制策略。此外，建立有效的光熱發電成本疏導機制，提升光熱發電在調峰市場中的競爭力。
（四） 太陽能光熱與CCUS融合技術
利用清潔的太陽能作為外部熱源輔助碳捕集裝置，並回收碳捕集系統內部余熱是充分利用新能源、提高能源利用效率、實作節能減排的有效途徑。 太陽能光熱系統與CCUS技術常見的整合形式主要有4種：① 采用太陽能替代中壓缸抽汽給再沸器供熱；② 抽取機組部份給水經低壓省煤器和太陽能光熱系統加熱後給碳捕集系統吸收劑解吸提供熱量；③ 太陽能光熱系統加熱主凝結水提供溶液再生能耗，並整合有機朗肯迴圈（ORC）系統回收CO 2 壓縮過程及再沸器冷凝水的余熱；④ 太陽能不直接作為再沸器的熱源，透過加熱給水，提高給水蒸發潛熱並減少機組抽汽，提高機組效率，並透過整合ORC系統回收光熱系統加熱給水後的工質余熱。其中①、④兩種整合形式分別如圖3中的方案1、方案2所示。
圖3 太陽能光熱與CCUS耦合技術
CCUS技術與機組的整合方式、再沸器熱源選擇、機組熱力系統最佳化布局等方面是當前研究熱點，但在太陽輻照度波動及不連續情況下的系統效能研究較少。 當太陽能無法為碳捕集提供充足的能量時，仍需抽取蒸汽為CCUS工藝提供熱量，不但增加了系統復雜程度，而且增大了系統的投資費用和執行維護難度。引入熔鹽儲熱裝置是解決太陽能不連續、不穩定性的有效措施，但也會帶來成本增加、執行維護難度增大。除了研制低成本、長時儲熱技術及裝備之外，還應研究太陽輻照連續變化對光熱與CCUS系統執行參數的動態影響特性。
（五） 綠氫與煤化工融合技術
煤化工行業的氫氣需求量大，目前以使用灰氫為主，利用新能源制氫進行原料替代是煤化工與新能源融合場景開展節能降碳首要突破的問題。 新能源制取綠氫與煤化工融合技術是解決上述問題的手段。綠氫與煤化工耦合技術如圖4所示，綠氫可替代水煤氣變換制氫，綠氧可替代空分制氧。透過風、光等新能源發電進行電解水製氫，所生產的綠氫基本沒有CO 2 排放。目前，電解水是制取綠氫的核心技術，堿性水電解和質子交換膜電解已實作商業化，固體氧化物電解和堿性陰離子交換膜電解仍處於初步探索階段。就電解水技術而言，堿性電解水製氫技術的成熟度最高，成本最低，但存在易腐蝕問題，且啟停響應時間較長，不適合波動性電源，同時無法快速調節制氫的速度，適配性較差；質子交換膜電解具有結構緊湊、體積小、利於快速變載，電解槽效率高、瓦斯純度高、能耗低等特征，能夠適應新能源的波動性。
圖4 綠氫與煤化工耦合技術
目前，綠氫的生產成本是灰氫的4~6倍，經濟性是制約其發展的關鍵因素。 影響綠氫成本的因素較多，降低電價和提高裝置利用率是主要路徑。研究表明，電力成本每下降0.1元/kW·h，氫氣制取成本平均下降約6元/kg；裝置利用時長若由2000 h提升1倍，制氫的單位成本可降低20%~30%。中國制氫技術以並網型系統為主，如2022年寧夏寶豐能源集團股份有限公司建成當時全球規模最大的電解水製氫綜合示範計畫，將光伏發電先上網再從電網購電制氫，而離網型制氫系統尚處起步階段。由於新能源的波動性，離網型制氫系統的裝置利用率低、經濟效益較低，而並網型系統雖能夠提高利用時長，但難以保證用電全是綠電。對於企業來說，煤化工投資大、改造難度大，難以承受改造造成現有裝置生產效益和穩定性降低的代價。
綠氫產業尚不成熟，在「制儲運用」方面均存在瓶頸，經濟性差和生產不連續限制了其在煤化工行業的大規模套用，綠氫與煤化工融合技術仍面臨技術和經濟性挑戰。 在促進綠氫與煤化工耦合方面，還需要不斷完善綠氫與煤化工耦合全流程的技術工藝、裝置選型、參數設計等標準和規範，研究綠氫直接替代灰氫工藝流程的可行性及經濟性。在開展綠氫與煤化工耦合全流程工藝示範方面，可以選取典型工藝路線進行試點示範，並研究釋出相關補貼機制，提高企業示範和改造的積極性。
六、 結論與建議
煤炭與新能源融合發展技術研究在推動能源轉型、保障能源安全穩定供應中具有重要的價值。
本文對煤炭與新能源融合發展的意義和基礎條件進行了分析，從煤炭開發、燃煤發電、煤化工以及CCUS等方面提出了煤炭與新能源融合發展的場景，針對融合場景涉及的關鍵技術進行了剖析，研判了關鍵技術面臨的難點堵點。推動煤炭與新能源融合發展場景加快形成，應重點發展煤炭開發與新能源融合技術、「風光火儲」聯合排程技術、太陽能光熱與燃煤發電融合技術、太陽能光熱與CCUS融合技術、綠氫與煤化工融合技術，以實作煤炭開采過程的源頭節能降碳，提高高比例新能源電力系統新能源消納率，降低燃煤發電能源消耗並提升靈活性，解決碳捕集過程高化石能源消耗和煤化工單位產品高碳排放等問題。
為促進煤炭與新能源的深度融合發展，提出如下建議。 一是將煤炭與新能源融合發展上升為國家戰略，明確和制定煤炭與新能源融合發展的行動方案。設立煤炭與新能源融合場景發展目標，明確相關融合技術示範套用的優先級，遴選典型場景，科學部署一批重大計畫，在資金、政策、創新等方面出台相關保障措施。二是制定行動目標和路線圖，系統和科學推進煤炭與新能源融合發展。在能源「金三角」、新疆維吾爾自治區等煤炭和新能源資源富集區建設大型能源基地，推進煤電「風光儲」一體化示範；明確煤炭與新能源融合技術體系研究、套用、示範進展，制定發展路線。三是加強科技創新引領，加大煤炭與新能源融合的科技研發力度。依托國家能源實驗室、全國重點實驗室和優勢企業的研發機構，針對難點卡點進行重點攻關，如新能源跨季節儲熱用於煤炭開采、太陽能光熱在燃煤發電和CCUS領域套用的連續性、綠氫與煤化工融合的可行性等；開展一批重大工程示範計畫，如大型光熱電站與煤電融合計畫等，推動科技成果推廣套用。四是強化政策保障，完善煤炭與新能源融合發展相關的財政、金融和人才支持政策。建議設立專項財政、綠色金融資金，建立多元化投入機制；加速培養研發煤炭與新能源融合發展的領軍人才和傑出團隊，青年拔尖人才，跨領域、復合型專家。
註：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。
註： 論文反映的是研究成果進展，不代表【中國工程科學】雜誌社的觀點。
