最新刊期
      2022 年 第 54 卷 1 期

        区域性碳中和战略规划

      • 侯正猛,冯文韬
        2022, 54(1): 5-15. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100659
        摘要：为避免大量温室气体排放导致的剧烈气候变化给全球发展带来难以估量的破坏性影响，当今世界的大部分国家正迅速提升其能源生产中可再生资源的比重，以加速能源转型并实现在21世纪中叶达成碳中和的承诺。然而，旧有的能源系统在形成之初并未考虑对可再生资源的大规模融合，因此在面对此类资源具有的间歇、波动与随机等特性时，其往往较为脆弱。基于对既往智能电网技术和德国提出的能源利用多板块耦合技术进展的总结，同时考虑到大规模地下储能的潜力和基于人工智能的监控、分析和预测的广泛应用，作者提出了一种基于智能多板块耦合的清洁能源系统（clean energy systems based on smart sector coupling，ENSYSCO）的面向未来的综合能源架构。首先，ENSYSCO架构通过对电力多元转换/逆转技术（power-to-X-to-power）的应用将能源的生产、消费和存储3大板块紧密耦合在一起。大规模地下储能的引入在大幅提升系统冗余度及灵活性的同时，也令所在国家或地区获得了更加充沛且稳定的能源储备。其次，未来能源系统中出现的各种功能复合体会导致更复杂的供需关系，同时也迫切需要与之适配的多元运输网络。物理与数据混合驱动的轻量化人工智能方法既赋予管理系统强大分析、决策和反馈能力，也令整个系统的运转更高效、坚固且节能。最后，ENSYSCO架构中以地下抽水蓄能为代表的大多数技术都已足够成熟，并且可以立即投入工业化应用。对可再生增强型地热系统和人工智能管理系统的进一步研究，将有助于ENSYSCO架构推动中国更快、更好地实现碳中和目标。  
        关键词：综合能源架构;多板块耦合;地下储能;智慧能源;碳中和   
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        发布时间：2024-01-10
      • 魏琦,白保华,何继江,延星,缪雨含
        2022, 54(1): 16-22. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101033
        摘要：在国家“3060”双碳能源战略背景下，南水北调工程为西部地区探索碳中和带来了新的机遇。然而，水利工程在建设过程中会造成大量碳排放，在碳约束下，水利工程应规划与部署减碳方案。南水北调作为世界最大的跨流域调水工程，其东线和中线工程一期方案已实施，西线工程的方案尚在论证与优化中。以南水北调西线工程为例，提出将能源与水利结合的创新模式，即光伏天河工程模式。光伏天河工程是将光伏阵列布设于西线工程的水渠水面及防护带地面上，从而形成规模宏大的带状光伏电站。南水北调西线工程全长超过2 300 km，除去隧道沟渠等部分，假设可铺设光伏面板的渠道长1 000 km，水面外加两侧防护带宽度，光伏天河总体安装面积达到120 km2。以每平米铺设120 W光伏面板进行计算，西线工程沿线可安装光伏14.4 GW。光伏天河系统每年发电量约1.87 × 109 kW·h，节约标煤约2.30 × 106 t，减少将近6.03 × 106 t的CO2排放量，有助于西线工程的整体减排降碳。以1 MW光伏装机为基准，光伏工程的投资回收年限为14 a，通过低息贷款和技术革新可缩短投资回收期。提出两点政策建议：一是，南水北调西线方案在规划时应考虑将调水与能源结合，在渠道全线布设光伏阵列搭建光伏天河；二是，沿西线节点建立规模不等的地面和漂浮式光伏电站及抽水蓄能电站，形成若干水光互补绿色能源基地。  
        关键词：南水北调西线工程;水利光伏;绿色电力;减排   
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      • 侯正猛,熊鹰,刘建华,曹成,方琰藜,张瑞芹,侯维岩,汤建伟
        2022, 54(1): 23-36. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100627
        摘要：河南省是中国重要的人口、农业、工业及能源消费大省，碳中和战略的实施对推动区域经济绿色低碳高质量发展、促进中国2060年碳中和愿景的实现具有重要意义。但长久以来煤炭主导的较单一能源结构导致河南省面临碳排放基数大、生态治理形势严峻、能源对外依存度持续增长、可再生能源开发程度低等关键问题。为此，详细梳理了河南省当前的能源供需结构、二氧化碳排放与林业碳汇情况，归纳出河南省碳中和目标导向下的七大行动方案，进而分析和预测能源发展多情景构想下的重点行业碳排放，并提出了河南省碳中和的实现路径。研究结果表明：1）河南省碳中和战略的实施主要受制于煤炭丰富但油气缺乏的资源禀赋、高耗能和第二产业占比过大等因素；2）需同时从能源革命和经济结构深化调整两个方面着力：一方面，侧重煤炭的减量替代和清洁化利用，发展风、光、生物质能等新能源和储能技术，优化森林结构以提升林业碳汇功能；另一方面，引入高技术含量和高附加值的新兴产业，适当迁出部分金属冶炼、非金属矿物制品等传统高耗能高排放行业，提升工业和居民生活用能终端电气化水平。3）按照既定政策（保守情景）、能源转型（参考情景）、激进取代（极端情景）3种情景预测河南省分别在2077、2056、2050年左右实现碳中和。4）中国碳中和愿景的全面实现应鼓励重点省份、行业先行开展改革试点和探索创新，突出地方优势，形成各具特色的地方低碳发展模式。  
        关键词：碳中和;河南省;行动方案;能源转型;碳汇;碳排放预测   
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      • 曹成,侯正猛,熊鹰,罗佳顺,方琰藜,孙伟,廖建兴
        2022, 54(1): 37-46. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100919
        摘要：为解决碳达峰碳中和技术路线和行动方案不明确、不清晰的问题，以云南省为研究对象，分析梳理了云南省的能源结构、碳排放现状、碳排放重点行业、林业碳汇情况等，归纳总结出云南省碳中和目标导向下的技术路线和行动方案。研究结果表明：云南省可再生资源丰富，应充分发挥绿色能源优势，大力发展水能、风能及太阳能等可再生能源。充分利用废弃矿山、盐穴、枯竭油气藏等地下空间进行储能，结合二氧化碳生化反应合成甲烷及矿井抽水蓄能等技术，实现二氧化碳资源化利用与能源大规模储存。云南省应加快推动氢能产业发展，开展氢能制备、储存、运输、利用等相关设备和技术的研发、推广和标准化生产，并推动能源产、储、运、用一体化建设。云南省应充分利用资源优势条件，推进碳中和行动方案落实，若采用地质封存技术将六大主要碳排放领域的二氧化碳封存30%，则有望在2037年实现碳中和。研究成果对于碳减排和减缓气候变化具有理论意义，也对云南省实现碳达峰和碳中和目标具有重要实践指导意义。  
        关键词：碳中和;云南省;能源转型;碳排放   
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        发布时间：2024-01-10

        重点行业碳中和发展路径

      • 肖先勇,郑子萱
        2022, 54(1): 47-59. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100656
        摘要：构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要手段。在高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”趋势下，电力系统将从“源随荷动”的确定性电量平衡向源–网–荷–储多元协同概率性电量平衡过渡，从以机械电磁设备为主的高转动惯量系统向电力电子器件为主的低转动惯量系统演化，势必对电力系统的发电、输电、配电、用电等多环节提出更高的要求。本文结合近年来中国电力低碳转型的成效及国家碳排放现状，阐述了未来新型电力系统对于“双碳”的贡献。在此基础上，从安全运行、可靠供电、经济高效及数智转型4个层面论述了构建新型电力系统的关键技术，并从稳定问题复杂化、防控措施待强化、灵活资源多样化、运行方式灵活化、供电需求品质化、市场机制多元化、能源利用高效化、能源生态数字化、运营管控智能化9个方面梳理总结了建设新型电力系统将要面对的主要挑战。新型电力系统重点将在发电侧利用清洁能源替代化石能源以降低发电碳排放，在用电侧推动电气化转型以减少传统终端用能过程碳排放两个方面助力“双碳”目标实现，迫切需要统筹考虑4个层面的问题：1）安全运行是根本前提，由于新型电力系统动态特性改变及演化机理不明，不仅需要解决各类新型电力系统稳定性问题，也要应对电压、频率的支撑不足，以及应对措施不完善的严峻挑战。2）可靠供电是核心目标，解决新能源发电波动性、间歇性所带来的电力电量平衡问题，需要让更多的灵活性资源参与到电力系统功率平衡调节中，同时，还需要统筹调度系统各环节的灵活性资源，保障电力系统可靠、高品质供电。3）经济高效是必然要求，目前尚缺乏合理的电力市场机制与碳市场机制作为提高系统经济效益的有效手段，中国在源、网、荷、储各方面的能效仍有较大提升空间。4）数智转型是关键支撑，电力业务亟需通过数字技术与智能控制技术改造生产及管理模式，“大云物移智链”等技术在能源电力领域的融合创新和实际应用同样面临诸多挑战。规划、设计、建设、运行以新能源为主体的新型电力系统需要结合新理论、新技术、新市场、新政策，研究系统安全运行中的稳定机理与防控措施，挖掘系统灵活性资源并维持系统可靠供电，设计合理的电力市场与碳市场机制，不断提高能源生产–传输–存储–转换–消费等环节的效率，朝着从高碳电力系统向深度低碳或零碳电力系统转型的目标持续迈进。  
        关键词：碳达峰;碳中和;新能源;电力系统   
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      • 任世华,谢亚辰,焦小淼,谢和平
        2022, 54(1): 60-68. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100924
        摘要：理清煤炭开发过程碳排放特征，是推动煤炭开发过程碳达峰、碳中和的前提和基础。基于煤炭开发全生命周期碳排放清单分析方法，重点从生产用能、瓦斯排放及矿后活动3个环节，建立煤炭开发过程碳排放计算模型，测算煤炭开发过程碳排放量，并分析不同环节碳排放特征，提出煤炭开发过程碳减排技术途径。研究表明：1）生产用能碳排放强度呈下降趋势，由2010年81.5 kg/t，先快速降低到2015年的66.5 kg/t，而后缓慢降低到2020年的65.4 kg/t；2）瓦斯排放（碳排放）强度呈快速下降趋势，由2010年的123.7 kg/t，降低到2020年的67.6 kg/t；3）矿后活动碳排放强度呈缓慢降低趋势，由2010年的21.5 kg/t，逐渐降至2020年的18.0 kg/t。基于碳排放量和排放特征分析，提出了煤炭开发过程实现碳中和的5大技术途径，即大力推广应用煤炭开发节能提效技术，减少煤炭开发过程能源消耗带来的碳排放；持续攻关煤矿瓦斯抽采利用技术，减少煤炭开发过程甲烷排放；加快探索煤炭开发新技术，从原理上改变碳排放特性；有序研发和示范煤矿区煤与新能源耦合利用技术，降低单位产品碳排放强度；尽早谋划煤矿区二氧化碳捕集、利用与固化、封存技术，形成煤炭行业独有的碳中和实现途径。  
        关键词：煤炭开发;煤矿瓦斯;生产用能;矿后活动;碳排放特征;碳减排路径   
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      • 张茹,楼晨笛,张泽天,黄晓荣,谢晶,郝齐钧,张岚斌,李怡航,刘小玲
        2022, 54(1): 69-82. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100739
        摘要：实现水资源高效智慧的利用与保护，是国家推进能源结构调整，促进低碳技术发展和环境保护，应对全球气候变化，实现“碳达峰、碳中和”战略目标的共性关键基础。为此，本文从水资源科技发展对碳中和的重大促进作用视角出发，回顾总结了水资源利用与保护的历史和战略发展趋势，阐明了水资源利用对开拓清洁能源应用潜力、促进国家能源结构低碳化的关键作用，研究了水资源利用与保护对于缩减碳源、提高碳汇的天然优势，并从规划运行智慧化、生态能源一体化、空间利用充分化、设计建造绿色化和改造发展统筹化等五大发展方向，系统凝练了智慧水利信息网络及反馈调控、多源信息监测体系及一体化模式、特殊地下空间利用及地下蓄能设施、生态水利工程及零碳水电站系统、中小型水电站改造并网及离网型水风光互补系统等高效智慧利用与保护水资源的技术方法。研究成果对长江黄河等重要流域保护、推进国家水资源利用重大战略工程实践、助力实现碳达峰、碳中和“3060”目标均具有重要促进意义。  
        关键词：水资源;碳中和;深地–地表联动;智慧水利;综合保护   
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      • 刘贺娟,童荣琛,侯正猛,窦斌,冒海军,黄广谭
        2022, 54(1): 83-96. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100612
        摘要：大规模地下流体注采常诱发微地震，甚至是地面破坏性地震。为探讨多类型流体注采工程诱发地震发育位置、诱震时间、影响范围及触发机制，本文系统综述4类典型的流体注采工程（废水深井注入、二氧化碳地质封存、油气开采、深层地热能开发）诱发地震事件的案例；并重点针对深部地热能开发，总结诱发的最大地震震级的确定方法，以及降低诱发地震风险面临的挑战等。结果表明：中国的深部高温地热资源开发潜力巨大，可利用多种观测手段（震法、电法、磁法等）获取多尺度地球物理信息，并利用室内试验和数值模拟相结合的方法，逐渐认识诱发地震主要因素和地震发育位置及大小的对应关系；可利用断层和隐伏断层识别技术或微地震监测技术等降低深部高温岩体地热增强系统（enhanced geothermal system，EGS）工程中诱发破坏性地震的风险；在注采井的高效连通控制技术方面，可开发复合热储改造技术，即冷热水交替热刺激–化学腐蚀–水力压裂技术，并充分利用微震的监测解译数据，现场及时调整热储改造的方案。综上，需陆续通过开展一系列EGS示范工程，逐步攻克高温岩体开发关键技术，循序渐进地推进EGS工程安全高效地运行。  
        关键词：剪切应力;微地震;水力压裂;能量耗散;断层识别   
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        发布时间：2024-01-10

        可再生能源多元转换与储存

      • 陈云良,刘旻,凡家异,王晓东,邹小林
        2022, 54(1): 97-105. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101140
        摘要：目前，以风能和太阳能为主的波动性电源快速增长，导致电力不平衡矛盾突出，亟需发展储能技术。抽水蓄能是目前为止规模最大、技术最成熟的储能方式，已成为电网储能的主力军。国外相关资料报道，把储能介质“水体”换成其他固体重物的重力储能发电可实现与抽水蓄能电站类似的功效，但国内还缺少系统研讨。本文分析了重力储能发电的现状，类比抽水蓄能技术提出构想方案，引入“重力轮机”“上仓”与“下仓”等概念；阐明了重力储能、发电基本过程及其原理，从理论上推导了重力发电的出力公式；通过科学构想、对比分析初估认为，重力储能发电净高差约100 m，单机容量最大达到10 MW级别，可采用“分布式”规划站点实现灵活的规模化储能；通过开展探讨性剖析，提出4个技术构想及关键问题：1）重物势能转化旋转机械能的重力轮机。研发与水轮机作用类似的重力轮机，最大运行规模按每秒投入约十多吨重物，目标效率可设定为80%。重力轮机是重力储能发电的核心设备，需要在机械工程应用领域开展系统深入的研究。2）适宜的上下仓布置形式。结合实际地理条件，灵活布置上仓与下仓，利用上下仓之间的空间存放重物可减少占地。上下仓布置形式影响重力轮机及输送系统的研发方向，可以统筹研讨、论证。3）重物高效输送系统，包括下仓重物吊运至上仓和仓内输送。降低重物输送能耗，提高系统综合效率，直接关系到重力储能发电的商业价值，故需要开展广泛调研和技术攻关，探寻安全、高效、切实可行的输送方案。4）合理选用重物。采用混凝土为重物的主材较为合适，尽量利用建筑垃圾或就地取材等，以降低对环境的不利影响；宜采用规格相同的标准重物，并能长时间循环使用。重力储能发电具备环境友好、布置灵活、安全度高、寿命长、无自放电等显著优势，研发价值突出，应用前景广阔，目前还处于探索阶段，有待更深入的探究，以推动先期预研、方案规划及技术研发，为新能源长远发展提供后备支撑。  
        关键词：储能技术;重力储能发电;重力轮机;上下仓;高效输送系统   
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      • 陈彬,谢和平,刘涛,兰铖,林魁武,章远
        2022, 54(1): 106-116. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100686
        摘要：在全球大力倡导“碳中和”的背景下，发展高能效、低成本、零排放的先进可再生能源电解制氢技术将成为实现“碳中和”的关键。然而，当前化石能源制氢技术仍处于主流地位，具有成本低的优势，但存在固有的碳排放，而利用可再生能源电解水制氢则被认为是未来氢能的技术路线，近年来，主流的碱性电解制氢技术发展迅速，有望在可再生能源价格持续下降的趋势下，大幅降低其制氢成本。本文将对化石制氢和电解水制氢技术的发展背景、技术现状和前沿发展方向等进行总结、思考及探讨。针对化石燃料制氢，阐述天然气重整制氢与煤气化制氢的发展路径，评价新型化学链制氢技术在降低化石制氢碳排放上的潜力；针对电解水制氢技术，系统评估4种主流电解水路线，即碱性电解水制氢、阴离子交换膜电解制氢、质子交换膜电解制氢以及固体氧化物基电解制氢的技术特点，并对碱性电解水高温高压热力学优化、KOH高温固化以及固态复合电解质开发等电解水技术新发展做出详细的评述。在此基础上，分析未来氢能应用场景的发展方向，认为海水制氢是未来大规模氢能系统的核心，深入分析海水制氢所面临的析氯腐蚀挑战、热力学机理、低氯选择性析氧催化剂开发等关键原理与技术，并提出相关发展建议，以期促进氢能技术发展。  
        关键词：氢能;海水制氢;碳中和;低碳技术;固体氧化物电解池   
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      • 马建力,李琦,陈祥荣,李小春,谭永胜
        2022, 54(1): 117-127. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100255
        摘要：电转气（power-to-gas）是一项将电能转化为高能量密度可燃气体的化学储能技术，该技术与地质储能相结合，有望满足未来大容量储能需求，并成为未来有效储能技术选择之一。电转气地质储能技术中涉及电离制氢、甲烷化、二氧化碳（CO2）地质储存、人工合成甲烷（CH4）地质储存4个阶段。由于电转气地质储能技术发展处于初步阶段，且涉及多个技术环节，对其技术整体的经济性分析相对较少，有必要对电转气地质储能技术的经济性展开分析，便于探索电转气地质储能技术在中国的应用潜能。本文基于大量文献调研，首先，对电离制氢与甲烷化过程展开技术经济性分析；随后，分别对CH4与CO2地质储存的技术经济性展开分析；进而，将整个流程不同工况下的成本估算结果进行统计分析，并通过与抽水蓄能和压缩空气储能进行技术经济对比，明确了电转气地质储能的技术成本；最后，针对该技术在中国应用的机遇与挑战进行了分析。研究发现：碱性电解液电解技术（alkaline electrolysis, AEL）目前因较低投资成本更具优势，大约为7 850 元/kW；在技术进步的基础上，聚合物电解质膜技术（polymer electrolyte membrane, PEM）的投资成本有望于2050年降低至约为当前AEL技术投资成本的一半；生物甲烷化及催化甲烷化中的三相甲烷化技术仍处于实验和示范阶段，而催化甲烷化中的绝热固定床甲烷化技术因为已有较成熟的商业应用更具技术优势，其技术成本有望于2050年降低至目前的50%～60%；CH4地质储能设施的开发成本变化浮动很大，因为这些成本受储能类型及各项特性参数的影响。基于文献数据可知：CH4地质储能中含水层储能与枯竭油气田储能的投资成本相当，在1.88～3.30 元/m3范围内浮动；盐穴储能相对投资成本较高，约为含水层储能、枯竭油气田储能技术的两倍；CO2地质储存成本变化范围很广，除个别高成本案例外，储存成本通常低于41.37 元/t，其中储存成本在3.38～41.37 元/t之间的具有很大潜力。从整体技术经济性来看：人工合成甲烷发电成本比传统化石能源（如天然气）发电成本高出很多，相较于化石能源发电不存在竞争性，但与当前太阳能热电厂发电成本相当；相较于目前处于应用阶段的抽水蓄能和压缩空气储能，电转气地质储能技术仍需要相当的投资成本。当前，电转气地质储能在中国应用的机遇与挑战并存。未来电离制氢与甲烷化技术的创新，系统能效、地质储能模式、选址模型等方面的优化，与现有储气库、天然气管网、电网结合方法的优化以及低碳政策的积极影响等，都将提升电转气地质储能技术在中国应用的可能性。  
        关键词：电转气;电离制氢;甲烷化;地质储能;经济性分析   
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      • 方琰藜,侯正猛,岳也,任利,陈前均,刘建锋
        2022, 54(1): 128-135. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100799
        摘要：为实现“双碳”目标，解决氢能大规模储存难题，结合中国氢能发展趋势，提出了包含盐穴储氢库的3种发展情景下的氢能“制–储–用”一体化方案：情景1,盐穴储存绿氢，用以燃料电池及炼钢炼铁领域；情景2,盐穴储存绿氢及CO2–O2混合气体，用于地面合成甲烷及甲烷富氧燃烧发电；情景3,盐穴储存合成甲烷，用以除发电以外的其他用途。从盐穴储氢库全生命周期的角度，分析了储氢库在3种发展情景下的作用，提出了多功能储氢库的概念：可起到废电利用、电力平衡、氢能安全高效储存、CO2减排等多项作用。以昆明市安宁盐矿及云南省为例，结合云南省水电为主的电力结构，分析了多功能盐穴储氢库在情景1、2中的建设需求：情景1，采用绿氢直接炼钢工艺，需电解绿氢约6.0×105 t，配套多功能盐穴储氢库总气量1.3×108 m3，可实现昆钢减排722 t；情景2，针对云南未来电力季节性缺额问题，假设甲烷富氧发电厂提供半年枯期电力，装机200 MW，仅需建设多功能盐穴储氢库总库容4.78×106 m3，可消纳水电5.34×108 kW·h，提供枯期发电量2.88×108 kW·h。  
        关键词：碳中和;氢能;盐穴储氢;氢能产业;一体化   
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        发布时间：2024-01-10
      • 卢开放,侯正猛,孙伟,张盛友,方琰藜,高通
        2022, 54(1): 136-144. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100687
        摘要：针对云南省矿井地下空间利用率低、蓄电储能需求日益增长的问题，综合考虑岩石力学、矿山规划、环境、经济等多方面影响因素，对云南省利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的开发潜力进行了定量评估；同时,以常规抽水蓄能电站为基础，结合云南省地质条件、矿产资源分布、矿山地下空间分布特点等，对矿井抽水蓄能电站建设时站址的选择、地下空间的稳定、地下空间防渗等关键技术的可行性进行了综合评价。研究结果表明：云南省自然资源极其丰富，开发条件优越，现阶段能够较好地满足云南省电力需求；云南省众多矿山的累积采空区已超过1.5×109 m3，其中可利用采空区高达1.2×108 m3，为建造井下抽水蓄能电站提供了良好的基础条件；云南省矿井抽水蓄能电站年总发电量可达3.29×1010 kW·h，根据改造建设抽水蓄能电站的实例计算可知，改造建设的电站每日抽水5 h，其年发电量将达到1.76×108 kW·h。研究结果表明，利用废弃矿井改造建设抽水蓄能电站具有一定的可行性，能够产生较好的动静态效益。同时，将“智慧矿山”与废弃矿井建设抽水蓄能电站相结合，实现智能一体化抽水蓄能，在未来具有良好的发展前景。  
        关键词：抽水蓄能电站;潜力评估;关键技术;采空区;动静态效益   
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        发布时间：2024-01-10

        CCUS

      • 谢和平,刘涛,吴一凡,王云鹏,陈彬,廖海龙
        2022, 54(1): 145-156. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100680
        摘要：在当前碳中和背景下，人类向着“少碳、用碳与无碳”的CO2减排之路前行。CO2捕集、利用与封存技术（CCUS）作为最直接的“碳中和”技术策略，为促进大气CO2净减排发挥了重要作用。然而，当前CCUS技术普遍面临着低效率、高能耗、高成本的技术难题，限制了该类技术的大规模应用与推广。近年来，随着可再生电能的不断发展，CO2减排与能源体系耦合的电池技术、储能技术应运而生，这类CO2能源化利用技术有望解决当前CCUS技术体系高能耗、高成本的技术难题，同时，有利于新能源的周期性消纳。然而，在这类CO2能源化利用技术中，主要是将CO2作为一种能源介质，对外输出的能量并非来自CO2本身；但是，CO2转变为碳酸盐的过程是化学位降低的反应过程，意味着CO2本身也是一种潜在的能源。作者利用这一热力学有利的反应，成功开发了利用CO2本身蕴含的能量进行深度发电的CO2矿化发电技术，并将CO2矿化电池的最大功率密度提升至了96.75 W/m2。  
        关键词：碳中和;CO2能源化利用;电池   
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        发布时间：2024-01-10
      • 李琦,刘桂臻,李小春,陈征澳
        2022, 54(1): 157-166. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100765
        摘要：“双碳”目标背景下，亟需深刻了解CO2捕集利用与封存（CCUS）技术及其未来在中国发展的前景，从时间、空间以及技术链3个维度对CCUS的历史演变、现状以及未来发展趋势进行总结与展望很有必要且意义重大。时间维度上，CCUS技术可划分为技术孕育阶段（1950—1980年）、诞生与发展阶段（1980—1995年）、研发与示范阶段（1995—2020年）、实施阶段（2020—2030年）以及商业化阶段（2030—2050年）。空间维度上，CCUS商业化部署水平处于领先地位的国家主要分布在发展时间较长、整体研发水平较高的北美和欧洲地区，此外，中国、澳大利亚，沙特阿拉伯和巴西也进入了先进行列。技术链方面，CCUS技术可划分为3个代际：在捕集环节，第1代捕集技术可应用于电厂，第2代捕集技术面向电力与工业应用，第3代能耗、运行成本以及维护费用均能降低至第1代的50%左右。在输送环节，第1代CO2输送技术建立CO2流动模型，研究扩散规律，控制CO2腐蚀，优选管道材料，评估泄漏影响，开发监测报告核实工具等；第2代CO2输送技术集中于大规模管网开发、标准规范制定；第3代可应用于大规模国家和国际管网。在封存环节，第1代优先发展地质封存共性技术，第2代针对安全监测、风险管理优化，第3代侧重完整监测与补救措施。目前，中国CCUS总体水平处于研发和示范的初期阶段，与其他领先水平国家相比存在一定差距，应加强CCUS领域的国际合作与交流，引进和学习国外CCUS核心技术和实践工程经验，为未来中国大规模全流程CCUS项目的实施做好准备和铺垫。  
        关键词：CO2捕集利用与封存;减排技术;代际演变;技术预测;国际合作与交流   
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        发布时间：2024-01-10
      • 李小春,梅开元,蔡雨娜,张力为
        2022, 54(1): 167-176. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100601
        摘要：中国已提出2030年碳达峰、2060年碳中和的碳减排目标，提高CO2捕集、地质利用与封存（CCUS）技术发展水平与商业化规模，是实现中国碳减排目标的关键所在。“十四五”规划已明确提出要开展碳捕集利用与封存（CCUS）重大项目示范。然而，由于中国大多数CO2储层的低渗透、非均质等特征，导致单一储层的CO2封存能力有限，无法满足CCUS重大项目示范所需的CO2地质封存量。本文提出将CO2封存强度（单位土地面积的CO2封存量）作为评价CCUS项目储层封存能力的关键指标，并计算了中国主要CO2咸水层封存和CO2强化驱油场地的CO2封存强度，结果表明，现有CO2咸水层封存和CO2强化驱油项目的封存强度大多在105 t/km2以下，无法满足中国双碳目标的需要。为显著提高CO2封存强度，提出CO2多层协同抽注技术的概念，通过注入井在多个储层射孔注入CO2，并利用采水井从多个储层中采出咸水，实现储层可用孔隙和储层压力的最优化调控，最终实现CO2封存强度的大幅度提高。为验证CO2多层协同抽注技术的效果，利用T2Well模拟软件，构建3种CO2多层统注及协同抽注的数值模型，模拟了CO2定压注入过程，分析了注入60 d后的储层压力分布、储层内CO2饱和度分布及CO2累计注入量。结果表明：在多层协同抽注条件下，储层压力聚集现象有明显缓解，从而降低了封存区域因压力聚集导致的力学不稳定性。通过分析CO2饱和度可知，注入CO2后，在抽注井间压力差的驱使下，羽流将向采出井偏移；此外，受岩石性质的影响，羽流形状和范围略有差异。根据3种条件下的模拟结果计算CO2封存强度可知，各向异性砂岩条件下多层协同抽注的封存强度最高达到1.115×106 t/km2，远大于现在已实施项目的封存强度。因此，多层协同抽注技术将较大地提高CO2封存强度，有利于节约中国国土资源，促进CO2封存技术的推广。  
        关键词：碳中和;CCUS;封存强度;协同抽注技术   
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        发布时间：2024-01-10
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