碳中和目标下中国天然气工业进展、挑战及对策

天然气在21世纪中叶将迈入“鼎盛期”,“天然气时代”正在到来。回顾全球天然气工业历程,梳理美国页岩革命启示,总结中国天然气发展历史与成果进展,分析天然气在能源绿色低碳转型中的地位与挑战,提出当前和未来中国天然气工业的发展对策。中国天然气工业经历了起步、增长、跨越3个发展阶段,已成为世界第4大天然气生产国与第3大消费国;天然气勘探开发理论技术取得重大成就,为储量产量规模增长提供了重要支撑。碳中和目标下,推动绿色可持续发展,天然气工业发展挑战与机遇并存。天然气低碳优势显著,“气电调峰”助力新能源发展;同时,开采难度与成本加大等问题更突出。为保障国家能源安全,实现经济社会与生态环境和谐共生,碳中和进程中,立足“统筹布局、科技创新;多能互补、多元融合;灵活高效、优化升级”,完善产供储销体系建设,加速推动天然气工业发展:①加大天然气勘探开发力度,规划部署重点勘探开发领域,突破关键理论,强化技术攻关,持续支撑增储上产;②推进天然气绿色创新发展,突破新技术,拓展新领域,融合新能源;③优化天然气供需转型升级,加大管道气、液化天然气布局和地下储气库建设,建立储备体系,提升应急调节能力和天然气一次能源消费比例,助力能源消费结构转型,实现资源利用低碳化、能源消费清洁化。

煤炭工业数字智能绿色三化协同模式与新质生产力建设路径

煤炭工业是支撑我国经济社会高速发展和保障国家能源安全的压舱石与稳定器,承担着能源保供与支撑新能源稳定发展的时代使命,煤炭工业的高质量发展既是落实我国能源安全新战略与产业体系变革的关键,也是推进能源产业可持续发展与促进国家高质量发展的基础。当前我国煤炭工业高质量发展已取得阶段成效,能源保供成绩显著,产业结构不断优化,科技创新能力显著提高,绿色开发与清洁高效利用持续推进。但当前煤炭工业仍面临诸多挑战,发展水平与中国式现代化的国家需求差距较大,可持续发展受多重因素制约,数字技术与煤炭开发利用尚未深度融合,智能化建设仍处于示范培育阶段,绿色化发展不平衡且矛盾突出,煤炭工业的转型升级仍然任重道远。结合当前煤炭工业发展现状与挑战,提出了数字化、智能化、绿色化(三化)协同的发展模式,明确了煤炭新质生产力的核心内涵,构建了三化协同发展煤炭新质生产力的总体架构,阐述了通过数字化变革生产要素创新配置、智能化引领关键技术跨越突破、绿色化主导传统产业深度转型三大要素催生煤炭新质生产力的技术路径,提出了六大技术体系:通过研发全产业链数据高效采集与深度治理技术体系,打通煤炭产—运—储—销—用全流程的数据壁垒;通过研发构建煤炭行业知识图谱与智能决策管控技术体系,深度挖掘煤炭产业上下游各业务场景的关联关系与价值,为煤炭生产利用全流程的自主决策与智能控制奠定基础;开展煤炭资源智能-绿色-高效开发技术体系、煤炭产业安全协同保障技术体系、矿区生态智能监测-预警-修复技术体系、煤炭柔性开发与清洁低碳利用技术体系研究,实现煤炭开发利用全产业链、全流程的三化协同发展,培育形成煤炭新质生产力,为煤炭工业的整体形象带来根本性变革提升。

煤炭原位开发地质保障

“双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原位开发已有较多探索,但地质选址和开发过程的地质安全性、可靠性和环保性仍是制约其规模化和商业化的科学难题。因此,煤炭原位开发地质保障的理论和技术研究亟待深入。秉持“安全、经济、环保、可持续”原则,从煤炭资源禀赋特征和地质条件出发,分析了煤炭原位开发研究现状;基于煤炭开发全生命周期的科学理念,提出了“煤炭原位开发地质保障”的科学内涵;在查明采前地质条件的基础上,从物理机制角度揭示深部原位开发过程中围岩地质体响应特征和损害规律,阐明原位开发中岩体工程地质力学行为,构建原位开发地质条件动态评价模型,形成原位开发减损保障策略和方法,提出原位开发空间的再利用途径,并以煤炭地下气化和地下热解2种开发模式为例阐述了原位开发阶段性,明确了原位开发区设计的地质条件要素,强调开发过程中实时动态监测和评价围岩地质体响应保证开发区密封性与安全性,实现地质条件时空演化的评价及地质风险可控性,此外注重协同开发深部热能与共伴生资源,实现残余资源利用和地下空间再利用。煤炭原位地质保障研究体现了资源赋存条件、地质环境约束、原位开发技术、地质风险防控、资源协同开发等层面的要求,突出了原位扰动条件下的地质条件变化,强调开发扰动与地质体结构的整体研究,理解原位开发时空效应范畴的多相场耦合损伤机制,从多圈层角度揭示原位开发扰动效应下地质风险模式,破解资源开发与地质环境制约之间矛盾,对于推动未来煤炭低碳开发,实现煤炭工业高质量发展具有重要的理论和实践指导意义。

水土保持碳汇内涵与测算方法

水土保持深刻改变着地表覆被和结构、土地利用方式和陆地生态系统结构等,是增强陆地碳汇能力的重要途径。以水土保持林草、工程和耕作措施为切入点,按照“机理阐述—模型构建—分类测算”的总体思路,阐明水土保持碳汇内涵,明确了水土保持碳汇途径,构建水土保持碳汇测算方法,估算全国水土保持碳汇量。结果表明:水土保持具有垂向碳增汇、横向保土固碳(减少侵蚀土壤横向输移导致的碳流失)与减蚀减碳(避免碳排放)的多重功能。2021年,全国现存水土保持措施垂向碳增汇总量为1.54亿t,对陆域碳汇的贡献约43.5%~56.5%,其中林草措施植被和土壤碳汇量超过95%。水土保持保土固碳作用显著,2021年全国水土保持措施保土固碳总量为3 040.86万t,且具有明显的累积效应和长效作用。总体来说,2021年水土保持碳增汇(不包括水土保持林草措施植被碳汇量和土壤碳汇量)和减碳量为5 115万~6 230万t CO_(2),约占到全国现有陆地生态系统碳中和总量的4%~6%,这一部分尚未纳入国家碳汇核算体系,其应是实现“双碳”目标的重要环节。

中国式现代化目标下构建新型能源体系之路径思考

倡导人与自然和谐共生的中国式现代化,对中国能源领域的高质量可持续发展提出了新要求、新部署,“加快规划建设新型能源体系”势在必行。为了助推中国式现代化目标下新型能源体系的构建,分析了其提出的战略背景,明确了其重要意义,阐述了其内涵特征,提出了其路径建议。研究结果表明:①新型能源体系是社会主义现代化强国建设的关键抓手,是实现碳达峰碳中和目标以及推进生态文明建设的重要支撑,是国家能源安全和国家竞争力的有力保障;②新型能源体系以促进人与自然和谐共生为根本宗旨,以保证能源安全和经济社会发展稳定为基本前提,具有理念更新、能源结构更新、技术创新、治理创新、产业革新、电力革新等内涵特征;③新型能源体系的构建路径包括加快培育绿色低碳文化、加快推动能源结构转型、加快推动产业结构升级、加快攻关关键核心技术、加快构建体制机制保障等。结论认为,立足我国能源资源禀赋,坚持“先立后破”的方式构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,提高能源自给率,特别是油气自给率,确保能源转型平稳有序、能源保障安全可靠,可以为当前复杂国际形势下的国家能源安全提供强有力的保障。

二氧化碳-水-岩作用机理及微观模拟方法研究进展

系统综述CO_(2)-水-岩复杂作用机理、多孔介质反应输运(溶解、沉淀及沉淀运移)微观模拟、CO_(2)-水-岩系统微观模拟3个方面的研究进展,指出目前研究存在的主要问题并提出了关于未来研究方向的建议。CO_(2)注入储集层后,不仅存在常规渗流体系的流动和传质作用,还会产生溶解、沉淀及沉淀运移等特殊物理化学现象,其耦合作用导致多孔介质的孔渗参数变化规律复杂。孔隙尺度的微观渗流模拟,可以得到孔喉三维空间内的详细信息,且能显性观察到多孔介质流-固界面随反应的变化。目前研究主要在复杂作用机理解耦合、多矿物差异性反应表征、沉淀生成机理及表征(晶体成核和矿物脱落)、沉淀-流体相互作用模拟方法、多物理化学过程耦合渗流机制等方面存在局限。未来研究中,需要创新实验方法对“溶解—沉淀—沉淀运移”解耦合,提高矿物地球化学反应相关参数实验测试的准确度,在不同沉淀机理可靠表征的基础上,建立沉淀-流体相互作用模拟方法,并有机耦合各个物理化学过程,最终实现对CO_(2)-水-岩系统中“溶解—沉淀—沉淀运移”的耦合渗流模拟。

“双碳”目标下的经济社会系统性变革:特征、要求与路径

实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,强调单一目标或有限目标调控的研究范式,对碳中和目标下净零碳转型复杂性的理解存在局限性,难以有效反映与应对多重目标、多重约束下社会经济系统性、全局性深刻变革的影响。理解与研判“双碳”目标下经济社会系统性变革的主要特征、具体要求与实现路径,能够提升对“双碳”目标的认识,更好地释放系统性变革带来的红利以及规避所伴随的风险,推动实现“双碳”目标下经济社会的高质量发展,并为全球碳中和理论构建与实践探索作出贡献。

数字化背景下新型电力系统谐波溯源关键技术

构建以新能源为主体的新型电力系统是能源电力行业推动“双碳”战略目标的关键举措。伴随多类型电力电子设备大规模接入系统,源网荷储谐波源交互影响,谐波污染加剧且复杂多变,呈现全局化特征,影响了电力系统优质可靠供电。文中聚焦多类型谐波源交互作用下的谐波来源追溯,深度融合先进数字技术在数据资源和智能协作的优势进行主导源头辨识和谐波贡献评估。首先,围绕谐波溯源概念,分析其在数字化背景下新型电力系统面临的新挑战和新机遇。然后,阐述了谐波溯源研究现状,指出关键技术的发展新需求。基于此,利用数字电网技术架构设计了云-边-端协同溯源策略。针对数字化背景下的新型电力系统,阐述了谐波源确定在数据采集、机理分析、协同应用等方面的主要技术。最后,展望了未来数字电力系统安全、可靠、灵活发展的技术方向。

中国实现碳中和:降碳风险的识别与应对

中国实现碳中和目标必将引发能源利用模式的深度变革,重塑各领域生产生活方式既是一场系统性变革,也面临微观与宏观的转型风险。从系统视角阐释中国零碳转型过程中降碳风险及其风险的系统传导机制,并基于低碳/零碳/负碳技术创新及转化的“研发—应用—推广”的阶段过程,解析了零碳转型过程中风险因素的传导路径;指出技术成熟度、产品绿色溢价、资产沉没成本、技术应用及供应链保障五类主要降碳风险,评估其对中国碳中和目标实现和社会经济发展的影响。提出中国需从系统视角慎重把握目标实现过程中的降碳风险,从政策引领、监测核算、科技人才、创新环境、国际合作等多方面共同发力和协同推进,全局把控设计应对政策措施,应深入实施低碳技术领跑者政策、加强碳排放核算与碳减排风险评估、积极培育壮大低碳技术研发力量、营造有利于低碳创新的社会环境。

海洋CO_(2)地质封存研究进展与发展趋势

CO_(2)捕集、利用和封存是中国实现“双碳”目标的核心技术,也是全球研究的热点。CO_(2)地质封存是其中的关键环节,特别是海洋CO_(2)地质封存是今后的重点发展方向。以国内外海洋CO_(2)地质封存的发展历程为基础,结合典型CO_(2)海洋封存示范项目案例,系统梳理了国内外海洋CO_(2)地质封存理论研究进展,分析了CO_(2)在井筒流动、相变与传热、CO_(2)流体运移与储层物性参数展布规律、海洋地质封存机制及封存潜力、地质封存盖层完整性及安全性评估等方面的研究现状。认识到中国目前对海底地质结构中CO_(2)注入过程的多相态转化、溶解、捕获传质特征及动力学特性认识尚浅,对海洋封存机制及不同封存机制之间的相互作用机理尚不明确,未来应开展海洋CO_(2)动态地质封存空间重构机制研究,解决地质封存相态转化及流体动态迁移机理等关键科学问题,揭示海洋CO_(2)地质封存机制的相互作用机理,形成适用于中国海洋地质封存CO_(2)高效注入和增效封存方法。

双碳时代下多源生物质热化学转化资源化利用研究进展

生物质是唯一的可再生碳资源,具有来源广泛、储量丰富等显著优势,利用先进的生物质热化学转化技术,可获得多种高值燃料、化学品和碳基材料,进而实现对化石资源的部分替代,在新能源领域具有重要的战略地位和发展前景。尽管生物质能源化利用技术已取得长足发展,但伴随社会与科技飞速进步,生物质的范畴已不再局限于传统农林废弃物,而是涵盖了农林源、工业源和生活源等多种来源的有机废弃物。复杂组成结构和差异化热分解特性为生物质的高选择性和大规模转化带来严重阻碍,如何实现其高值资源化利用仍面临诸多挑战。论述了生物质热化学转化技术发展现状,从多源生物质组成与热分解特性出发,针对热转化产物品质低和选择性差等问题,对比分析了当前选择性热解制备高值产物、热解重整制氢、新型气化等多种前沿资源化利用技术的最新研究成果与发展趋势。然而,要推动双碳时代下多源生物质热化学转化技术的进一步发展,仍需重点关注以下方面。首先,规模化利用是未来发展的必然趋势,开发高效的催化工艺与反应装备至关重要。通过突破催化剂效率瓶颈与循环再生技术,降低催化运行成本,同时研发新型热转化反应设备,优化传热与抗结焦性能,实现目标产物的定向富集,配合高效的原料收储运策略,从全流程提升生物质热化学转化工业化生产经济性。其次,全组分转化是实现生物质高值利用的关键。通过深入研究生物质不同特征组分分解机理和协同转化机制,开发耦合多重预处理、定向热转化和精准分离冷凝等技术,将生物质原料转化为富含高值化学品的生物油、高品质可燃气和高性能炭材料,实现热解多联产综合利用,有效提高技术资源产出率。最后,多能互补也是未来重要发展方向。通过将生物质与其他清洁能源与电力进行有效整合,充分发挥生物质热分解产物的长周期化学储能特性,构建灵活的多能互补供应体系,实现新能源产业的多维发展与经济效益提升。

碳中和背景下我国电力碳排放水平分析

电力低碳化转型对我国实现碳中和目标具有全局性战略意义。在总结我国近10年电力低碳化发展历程的基础上,以人口、城市化、经济总量与经济结构为边界条件和驱动力,分析预测未来40年电力增长过程和阶段性发展目标;以系统安全、供需平衡为约束,分析了化石电力占比、终端电力消费比重、核电发展规模以及碳捕集、利用及封存(CCUS)等因素对碳排放水平的影响;预计电力碳排放峰值将出现在2035年前后,达到60~65亿吨,随后逐年降低,到2060年降至10亿吨以内,辅以CCUS技术,可实现电力零排放。最后,针对需求持续增长与低碳转型长期并存的矛盾,提出未来电力发展须以安全供给为前提,优先开发可再生能源电力、多能发展、更大范围多能互补协调开发和互补运行的建议。

“双碳”目标下天然气分布式能源发展现状及机遇

为实现碳达峰碳中和(以下简称“双碳”)目标,必须建设清洁低碳、安全高效的新型能源体系。天然气分布式能源具有相对清洁高效、综合能源利用效率高、输出能源类型多等优点,是我国实现“双碳”目标的重要发展路径之一。为此,剖析了我国天然气分布式能源存在的问题和发展机遇,进而对天然气分布式能源项目的发展提出了建议。研究结果表明:(1)中国天然气分布式能源整体发展相对较慢,且不同地区之间发展速度也存在差异,现有项目主要集中在经济较发达的京津冀鲁、长三角、珠三角以及天然气资源丰富的川渝等地区;(2)中国天然气分布式能源发展面临的主要问题包括前期投入成本较高、电网企业与项目用户端存在利益冲突使得项目上网困难、项目用户端对能源消纳程度的不确定性影响其投资回报等;(3)随着政策普及、技术发展、碳交易市场完善及经济性的提高,天然气分布式能源项目发展有望进入快速发展期。结论认为,在“双碳”目标引领下,中国天然气分布式能源产业正处于重要的战略机遇期,建议从政策支持、调峰需求、碳排放收益以及技术突破4个方面加强研究;天然气分布式能源的高质量推进对我国构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,助力实现“双碳”目标具有重要的现实意义。

大型燃煤发电机组低碳技术进展

当前我国碳排放总量约110亿t,其中约40%的CO_(2)由燃煤机组产生,如何降低燃煤发电机组的碳排放是实现双碳目标的关键。针对燃煤发电机组大规模减碳技术,重点介绍低碳/零碳燃料替代技术(生物质、污泥、氢/氨等)和CCUS技术的研究进展:燃煤电厂耦合生物质包括直接耦合和间接耦合,但均受制于生物质原料供应和价格,生物质“种植—收割—转运—储存—预处理—燃烧”全链条控制掺烧模式可有效解决上述问题。660 MW机组掺烧试验表明,CO_(2)排放可减少77.25万t/a;市政污泥含水率高达80%,进入锅炉前需干化处理,目前蒸汽或烟气干化均存在投资运行成本高、干化后的污泥水分较大且有臭气等问题,导致掺烧比例一般低于8%。基于生物质热源的污泥炭化技术可直接在污水厂生产无臭污泥炭,热值达10.26 MJ/kg左右,电厂掺烧比例可提高至20%~30%;掺烧氢/氨燃料需解决大比例掺烧下氨逃逸和NOx排放问题,国内已开展皖能集团300 MW和国家能源集团600 MW氨煤掺烧实验,通过燃烧调控可在NOx排放略微增加的情况下实现较高的NH3燃烬率,但商业化推广还受制于氢/氨成本;燃烧前脱碳技术(IGCC电站)的商业化运行案例极为有限,由于高居不下的成本,国外多个示范项目均已停运,推动该技术商业化需解决建设成本、发电成本和设备可靠性等问题。燃烧中碳捕集包括富氧燃烧和化学链燃烧,由于空分、再循环等过程能耗,常压富氧发电效率比空气燃烧低8%~12%,从常压富氧到加压富氧可进一步提高净发电效率;我国已建成全球最大的4 MW化学链燃烧示范装置,该技术也有望应用于气化领域;燃烧后碳捕集目前以溶液吸收技术为主,固体吸附技术的再生能耗更低,但大规模商业化需要继续降低能耗和成本。

碳中和目标下矿山生态修复的制度困境与规范调适

矿山生态修复产生的碳减排与碳汇功能,对促进实现碳中和目标能够发挥重要作用。法学视角下,矿山生态修复制度研究应首先完成对相关概念的厘清,并结合碳中和要求界定法律目标。通过实践检视,发现矿山生态修复存在项目设计不科学、资金投入不到位、功能评价不全面、工作管理不严格等阻碍回应碳中和要求的因素。然而,实践上的问题表征根本归因于制度的内生困境,具体表现为矿山生态修复规划逻辑结构失调、多元激励保障失位、标准理性评判失当、监管执行监督失序等方面。因此,响应碳中和目标,应建立完善的矿山生态修复法律体系,以此为基础,优化矿山生态修复规划制度、激励机制、标准规范、监管机制等。

气候变化与碳中和

工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高,造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化,国际社会通过《巴黎协定》设定了2℃和1.5℃温控目标,由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖的基本事实、人类碳排放对工业化以来全球变暖的作用,归纳了关于未来气候变化的主要结果,阐释了1.5/2℃温升阈值与碳中和的关系,概述了国际社会为有效应对全球变暖而在减少碳排放方面的努力。

氢产业链发展的路径分析

碳达峰、碳中和战略的提出为我国各行业绿色低碳转型指明了方向,绿色氢能源有望在交通、化工、发电等多个领域发挥重要作用,推动氢产业发展可成为我国实现双碳目标的有效途径。本文在对美国、欧盟、日本和中国近年来氢产业发展情况进行比较与分析的前提下,提出了中国氢产业链的发展路径。文中指出,我国需要在借鉴发达国家氢产业发展政策的基础上,立足本国国情,统筹谋划构建从制氢、储运、加氢站建设到多场景应用的产业链。综合考虑我国的资源分布情况,加大绿氢产业布局,依据绿氢的绿色能源、绿色材料以及绿色原料的多元属性,推动氢能在交通、化工、冶金、发电等多场景的高效利用,同时我国要加强国际合作,联合研发相关新型技术与基础设施,制定涉氢国际标准,统筹兼顾氢产业经济发展与应对全球气候变暖的双重目标。

基于无人机摄影测量的建筑表皮光伏设计与效益评估

在建筑表皮部署光伏(PV)是有前途的策略,可以使建筑生产可再生能源并实现社会的碳中和目标。当前缺乏用于光伏建筑集成设计和效益评估的建筑精细化实景建模方法,难以对光伏的产能和视觉效果进行详细分析,形成合理方案。以无人机倾斜摄影测量技术为基础,结合参数化分析和美学设计方法,探索出用于建筑表皮光伏设计和效益评估的整体性方法。对天津市一教育性建筑进行了案例研究,得到了优化的光伏组件部署方案和产能潜力评估结果。为今后更多建筑的屋顶、立面光伏设计提供理论依据和方法借鉴。

“双碳”目标下的乡村生态建设:现实基础、主要问题与实现路径

乡村生态建设既是乡村振兴和绿色低碳发展的重要支撑,也是实现“双碳”目标和应对气候变化的有效手段之一。本文以“双碳”目标为背景,在梳理乡村生态建设内涵和特征的基础上,分析了乡村生态建设的现状和问题,并探讨了乡村生态建设的实现路径。本文认为,当前乡村生态建设仍然存在能源结构不优、农业生产不节约、绿色低碳发展意识不强和减排增汇激励机制不完善等问题和挑战。因此,应该从政策支持、技术创新和社会参与等多方面入手,构建适应“双碳”目标的乡村生态建设实现路径。

中国经济增长与煤炭消费脱钩及影响因素分析

结合中国各省(区、市)2005~2019年的煤炭消费数据及社会经济发展数据,借助Tapio脱钩模型分析了各省(区、市)煤炭消费与经济增长之间的脱钩情况及时空演变.结果表明:各省(区、市)煤炭消费脱钩状态总体呈现出从增长负脱钩、增长联结向弱脱钩、强脱钩转变的较好趋势,大部分地区处于弱脱钩状态.从空间分布来看,东部地区煤炭消费与经济增长脱钩情况明显优于中部地区与西部地区,强脱钩省(区、市)呈现出由北京市、上海市和四川省这3个省(区、市)向外扩张的趋势,而宁夏与新疆的脱钩状态尚不理想,在增长联结与增长负脱钩之间波动.在此基础上,通过拓展的STIRPAT模型和空间杜宾模型分析了影响各省(区、市)脱钩情况的主要因素,并发现能源结构、能源强度、R&D强度、人口密度、对外开放水平、新造林面积、产业结构因素对煤炭消费脱钩指数具有显著影响.未来应加强减煤工作的顶层设计、技术投入与研发和调整能源结构来促进煤炭消费脱钩.