问题描述

碳排放过量导致的气候变化问题，本质上是化石能源过度开采导致的碳循环失衡，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”两个途径，一是以清洁能源代替化石能源，减少能源系统碳排放；二是捕集二氧化碳后采用人工合成方式制取甲醇等有机物加以利用，增加人工碳固化。

构建零碳排放的能源系统是实现“一减一加”的基础。在零碳排放能源系统中，可再生能源作为能量的来源，碳元素和氢元素作为能量载体循环利用，随着价态变化实现能量的吸收和释放，将随机波动的风光新能源转化为安全可控的能源产品。通过构建零碳排放能源系统，能够以“先立后破”为原则实现中国能源供应从以煤炭为主过渡到可再生能源为主的，以最高安全、最小代价使得碳循环重回平衡。具体来看以新能源发电为能量来源，以水、空气和煤电排放的二氧化碳等为原料的绿氢、绿氨、绿甲醇等工艺可以实现电-氢-碳耦合发展，为协同解决煤电绿色低碳转型、新能源大规模开发消纳等问题提供了系统性的解决方案。

目前，电-氢-碳协同仍处于理论研究阶段，发展模式尚不明确，需要针对新能源发电、煤电与绿氢、绿氨、绿甲醇等的耦合方式开展研究。同时，更高效率的电制氢技术、可调节、可中断与新能源灵活互动的柔性化工技术、氢氨发电技术等一系列技术问题也亟待解决。

问题背景

实现“双碳”目标是是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策。推进碳达峰、碳中和，能源是主战场，电力是主力军。在构建新型电力系统、建设新型能源体系的过程中，既要保安全，又要降排放，需要同时解决新能源大规模开发消纳以及火电向低碳排放调节电源转型的两大问题。

我国的可再生能源资源丰富，“双碳”目标提出后，风电光伏等新能源迎来跨越式发展。2023年，我国可再生能源装机突破14亿千瓦大关，历史性地超过了煤电，成为第一大电源。然而，风电光伏等新能源发电出力具有随机性和波动性，大规模开发面临如何消纳、外送难题。解决这一难题可从多方面入手，包括提高电源的可调节性、配置抽蓄或新型储能、加强电网互联等。除传统电源电网方面的措施外，还需要从用电需求侧入手，由“源随荷动”模式向“源网荷储互动”模式转变，在集中开发的新能源基地，为提高新能源利用率甚至可以采用“荷随源动”的模式。利用灵活制氢、氨、甲醇等技术，实现用电需求主动适应、匹配新能源发电，为新能源消纳提供了新方式。

长期以来，煤电是我国的主力电源，发挥了保障电力安全稳定供应的“顶梁柱”和“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。煤电碳排放强度高，目前碳排放占总排放的三分之一以上。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。从保安全的角度考虑，即使到碳中和阶段还需要保留部分煤电机组作为战略备用电源，采用碳捕集与封存技术（CCS）、煤电掺氨、气电掺氢以及纯氢、纯氨发电等技术是解决这部分煤电绿色转型的可选技术路径。

通过电-氢-碳协同的方式，以新能源为主要能量来源，以水、空气和火电排放的二氧化碳等为原料实现电、氢、氨、醇联产，为同时解决上述两大问题提供了全新路径。新能源大发时，利用灵活的电制氢技术消纳尖峰电力制取绿氢，并进一步合成氨或者与煤电排放的二氧化碳合成甲醇；新能源不足时，以掺氨煤电、氢发电、氨发电作为支撑，满足供电需求。煤电排放的二氧化碳作为合成甲醇等化工产品的原料，变废为宝；新能源制取的氢、氨可以与火电掺烧，进一步降低碳排放。我国西部北部特别是沙戈荒地区新能源资源丰富但当地用电需求小、电网基础设施相对薄弱，采用电-氢-碳协同的发展模式，可以有效实现新能源不受电网送出能力约束的大规模开发和消纳，也为周边煤电的转型提供了新思路。

最新进展（截止问题发布年度）

当前，电-氢-碳协同涉及的电制氢、储氢、新型储能、CCS等技术已较为成熟，但经济性还有待提升；煤电掺氨、氢燃气轮机等技术处于试验示范阶段；合成氨、合成甲醇等技术已经较为成熟，广泛应用于化工行业。新疆、内蒙等省份开展大量风光制氢、制氨等示范项目的规划和建设，对电-氢-碳协同发展模式进行了积极的探索并推动模式的落地实施。

电-氢-碳耦合仍处于探索阶段，是具有前瞻性、基础性和开拓性的科学问题，需要从不同层面、不同领域开展研究。首先，它是一个系统性问题，需要用系统优化思维进行能源、物质多系统优化研究；其次，它是交叉学科问题，需要跨专业协同、跨行业整合，能够培养新领域创新型人才；最后，它是产业发展问题，一方面能够推动火电、化工等传统行业转型升级，另一方面促进新能源、绿氢（氨、醇）能源、储能、新材料等行业绿色高质量发展，培育新质生产力。

未来电氢碳协同面临的关键科学问题包括：以电为中心，电-氢-碳协同的绿色零碳排放能源体系的优化构建和发展演进；基于电-氢-碳协同的能量-物质转化体系中的能量流、物质流、碳流的协同优化方法。高效率、低成本电解槽设备隔膜、催化剂等关键部件及材料；适应可再生能源的柔性合成氨、合成甲醇等新型绿电化工关键技术。锅炉纯氧燃烧火焰组织、传热调控与污染抑制问题，超临界、超超临界煤电机组富氧燃烧系统集成优化和控制问题，高效、稳定、低氮氧化物排放适应多种混合燃料的锅炉系统、燃气轮机系统适应性改造技术。100%纯氢（氨）燃气轮机发电技术等。

重要意义

电-氢-碳耦合涉及电力系统、优化控制、材料学、热能工程、化工等多学科。学科跨度大、交叉程度深，有望孕育新的交叉学科，从而引领新能源、储能、氢能、化工等领域科技进步。需要通过产学研融合方式，科研院所、高校、制造和设计等单位联合研究、攻关、示范和应用，未来遵循“关键技术装备突破、优势产业升级、基地化开发应用”的原则，可优先在新能源、火电集中的西部北部地区实施电-氢-碳耦合发展。

攻克相关技术难题，实现电-氢-碳协同发展，具有重要意义。一是将有效发掘电制氢、氨、醇等新型电气化用电需求，助力解决“双碳”背景下新能源大规模开发消纳难题。二是电-氢-碳协同将为解决火电碳排放问题提供新方法，将煤电排放的二氧化碳转化为化工产品，协同推进新能源开发与煤电绿色转型，实现“先立后破”。三是发展以新能源为能量来源，以水、二氧化碳、氮气为原料的新型能源-物质转化系统，在传统石油化工之外建立全新的有机原材料供应体系，提升国家有机原料供应体系安全性。四是扭转碳循环失衡局面，从根本上解决大气中二氧化碳含量提升造成的全球气候变化问题。