清華新聞網(wǎng)6月20日電 在實(shí)現(xiàn)碳中和的道路上，化工行業(yè)一直是難以攻克的“硬骨頭”，尤其是氨和甲醇的生產(chǎn)，它們不僅是化工行業(yè)的主要產(chǎn)品，更是碳排放的大戶(hù)。在中國(guó)，氨和甲醇的生產(chǎn)主要依賴(lài)煤炭等化石原料，導(dǎo)致煤化工合成氨和甲醇成為了碳排放強(qiáng)度最大的行業(yè)。如何在不影響化工生產(chǎn)安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)的深度脫碳，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。
現(xiàn)有的化工電氣化路徑主要依賴(lài)于電網(wǎng)電力，但這往往會(huì)將碳排放從化工行業(yè)轉(zhuǎn)移到電力行業(yè)，甚至可能增加全國(guó)的碳排放總量。為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的思路——“綠色柔性化工電氣化”（GFCE）路徑。該路徑通過(guò)綠電直連的方式構(gòu)建一體化系統(tǒng)，并結(jié)合先進(jìn)的氫氨醇耦合控制與調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程的深度電氣化。與僅依靠網(wǎng)電的電氣化路徑相比，GFCE路徑不僅能夠顯著減少電力和化工行業(yè)的碳排放，還能通過(guò)電氫協(xié)同的運(yùn)行優(yōu)化，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性。
6月5日，清華大學(xué)電機(jī)系聯(lián)合北京大學(xué)大數(shù)據(jù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在《自然·能源》（Nature Energy）上在線(xiàn)發(fā)表了題為“依托綠電直連綠色柔性化工技術(shù)重構(gòu)中國(guó)氨/甲醇產(chǎn)業(yè)電氣化路徑”（Redesigning electrification of China’s ammonia and methanol industry to balance decarbonization with power system security）的研究論文，提出了一種新的解決方案——“綠色柔性化工電氣化”（Green Flexible Chemical Electrification,GFCE）路徑，通過(guò)電力系統(tǒng)與綠氫化工的深度耦合，綠電直連可實(shí)現(xiàn)電氫協(xié)同聯(lián)合降碳。
綠電直連綠氫化工的電氫協(xié)同降碳路徑
GFCE路徑的核心在于“綠色”和“柔性”兩個(gè)關(guān)鍵屬性。所謂“綠色”，是指通過(guò)綠電直連，為化工生產(chǎn)提供零碳電力原料，從而實(shí)現(xiàn)源頭上的低碳減排。而“柔性”則體現(xiàn)在電氫協(xié)同系統(tǒng)的靈活運(yùn)行，緩沖可再生能源的間歇性和波動(dòng)性，使得化工生產(chǎn)能夠在不同時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)能源供需的平衡。
為了全面評(píng)估GFCE路徑的性能，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)綜合的分析框架，涵蓋了碳排放、電力系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。該框架結(jié)合了以下兩個(gè)核心模型：一，化工側(cè)容量規(guī)劃與柔性運(yùn)行（CP&FO）模型?；诠I(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)和過(guò)程模擬，該模型能夠動(dòng)態(tài)規(guī)劃可再生能源、電解槽和氫氣儲(chǔ)存罐的容量，并優(yōu)化其運(yùn)行模式，以適應(yīng)市場(chǎng)和政策條件的變化。二，電力側(cè)經(jīng)濟(jì)調(diào)度與機(jī)組組合（ED&UC）模型。該模型通過(guò)優(yōu)化全國(guó)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和省級(jí)機(jī)組組合，平衡電力系統(tǒng)的效率和可靠性，同時(shí)考慮化工生產(chǎn)負(fù)荷的波動(dòng)性。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一個(gè)詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋了中國(guó)22個(gè)省份的化工行業(yè)和電力系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括可再生能源的分布、化工生產(chǎn)負(fù)荷、電力傳輸網(wǎng)絡(luò)等。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同省份的GFCE路徑進(jìn)行詳細(xì)的模擬和分析后發(fā)現(xiàn)，到2030年，GFCE路徑在全國(guó)范圍內(nèi)具有顯著的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，綠氨的生產(chǎn)與灰氨相比甚至有望具備一定的成本優(yōu)勢(shì)。此外，通過(guò)優(yōu)化電力定價(jià)機(jī)制，進(jìn)一步激勵(lì)化工行業(yè)的電力柔性需求管理，可以增強(qiáng)電力與化工行業(yè)的協(xié)同效應(yīng)。
研究還對(duì)GFCE路徑的長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，隨著可再生能源在電力和化工行業(yè)的滲透率不斷提高，GFCE路徑的碳減排效果和經(jīng)濟(jì)性將不斷提升。到2050年，GFCE路徑有望在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣，為化工行業(yè)的深度脫碳提供有力支持。
為了推動(dòng)GFCE路徑的實(shí)施，研究團(tuán)隊(duì)建議政府出臺(tái)一系列政策支持措施。例如，對(duì)于綠色氨和綠色甲醇生產(chǎn)成本較高的省份，可以考慮提供補(bǔ)貼或?qū)嵤┨级愓?，以降低投資門(mén)檻，促進(jìn)市場(chǎng)的發(fā)展。此外，研究還提出了改進(jìn)電力定價(jià)機(jī)制的建議，通過(guò)市場(chǎng)化的實(shí)時(shí)電價(jià)引導(dǎo)化工生產(chǎn)負(fù)荷更加有利于電網(wǎng)運(yùn)行，進(jìn)一步提升電力與化工行業(yè)的協(xié)同效應(yīng)。
清華大學(xué)電機(jī)系提出的“綠色柔性化工電氣化”路徑，為新能源消納和氨醇制備的深度脫碳提供了一種全新的解決方案。通過(guò)綠電直連耦合綠氫化工，不僅能夠顯著減少化工行業(yè)的碳排放，還能夠增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供有力支持。這一研究成果可以為我國(guó)新能源消納與化工行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供技術(shù)參考。清華大學(xué)電機(jī)系與清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院長(zhǎng)期在綠氫氨醇系統(tǒng)關(guān)鍵裝備與系統(tǒng)控制領(lǐng)域深耕，上述工作也是電機(jī)系在綠氫產(chǎn)業(yè)與工程一線(xiàn)多年奮戰(zhàn)所凝練出的研究成果。
電機(jī)系清華大學(xué)/哈佛大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后李佳蓉、電機(jī)系副教授林今、北京大學(xué)大數(shù)據(jù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室副研究員王劍曉為論文共同第一作者，林今、王劍曉和清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院、碳中和研究院教授魯璽為論文共同通訊作者。
研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃氫能技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（十萬(wàn)噸級(jí)可再生能源電解水制氫合成氨示范工程）、碳中和與能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型項(xiàng)目（CNEST）、國(guó)家自然科學(xué)基金、能源基金會(huì)等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-025-01779-9
供稿：電機(jī)系
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
