判别电力系统是否实现碳中和的公式建立- 工业快报

判别电力系统是否实现碳中和的公式建立

产业资讯 / 来源：工业快报 / 作者：工业快报 / 发布时间：2021-10-13

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　　碳中和概念本质上是碳源与碳汇的平衡关系：碳源即向大气释放CO₂的过程, 碳汇即从大气中吸收CO₂的过程。在一定时间内, 以地球大气圈为考察体系, 当所有碳源向该体系排放的CO₂量与所有碳汇从该体系吸收的CO₂量相等时, 达到源汇平衡, 即为碳中和。

　　碳源与碳汇种类很多, 既有自然碳源与碳汇, 也有人类活动导致的碳源与碳汇, 平衡关系复杂。其中, 与人类活动相关的最主要碳源即能源利用。2020年, 我国电力(生产)部门碳排放量约40亿吨/年，接近总排放量的40%。能源电力是实现碳中和目标的关键减排领域。

近日，中科院工程热物理研究所高林研究员联合中国科学院大学、北京航空航天大学科研人员, 以电力生产行业为对象, 根据源汇平衡导出电力系统碳中和判别公式, 讨论不同能源配比和技术途径对发电系统碳排放的影响关系, 指明电力系统实现碳中和的技术选择。成果以《构建碳中和电力系统——碳中和公式》为题于10月12日在《科学通报》进行了网络首发。

　　根据碳元素的来源与含量, 可以将能源分为含碳能源、零碳能源和碳中性能源三类。含碳能源主要指化石能源, 其含有开采自地下的碳元素, 并在利用过程中以CO₂形式排放至大气。零碳能源指太阳能、风能等可再生能源, 其本身不含碳元素, 利用过程也不直接排放CO₂。碳中性能源指生物质能, 其含有来自地球大气圈的碳元素, 在生物质生长与利用的较短时间内, 其从大气圈吸收和向大气圈排放的CO₂正负相抵, 不改变大气中的CO₂净含量。

含碳能源与碳中性能源的碳排放示意图

　　含碳能源与碳中性能源利用过程的碳排放量可以表示为：

　　式中, E为CO₂排放量,; F为消耗燃料的总能量, , 取决于燃料消耗量与燃料热值; C为单位燃料能量的含碳量，取决于燃料种类; O为氧化因子, 表示燃料中的碳元素最终转化为CO₂的比例, 取决于燃料燃烧是否充分。由于电力行业锅炉的专业性, 目前大部分火电机组的氧化因子已经很接近1.0, 为简化计算, 后续公式中氧化因子均取为1.0。

　　高林研究员团队在此公式基础上，进一步推导出由化石能源(含碳能源)、零碳能源(非生物质可再生能源)与碳中性能源(生物质能)构成的电力系统的总净碳排放量。最后通过碳排放强度Ic≤0, 即可判别电力系统是否实现碳中和。

　　研究根据碳中和公式指出, 电力系统实现碳中和主要存在3种技术途径：提高化石能源利用效率, 减少含碳能源消耗；调整能源结构, 降低含碳能源占比；CO2捕集、利用与封存技术。

　　最后，研究人员指出，作为最主要的CO₂排放行业, 电力系统的碳排放任重道远。电力系统碳中和公式表明, 提高化石能源利用效率以实现碳减排虽然有效, 但受限于逐渐减小的火电厂节能潜力, 难以作为应对碳减排的主要技术途径; 提高可再生能源发电占比, 能够使电力系统的碳排放强度快速下降, 是目前电力行业的主要减碳途径; 但是, 虽然节能与发展可再生能源都能够降低电力系统碳排放强度, 要实现碳中和目标, CCUS技术以及负排放技术将不可或缺; 而CCUS大规模推广首先要克服CO₂捕集能耗的技术障碍. 构建碳中和电力系统需要节能增效、可再生能源利用以及CCUS技术的多技术协同。

　　这项研究得到了国家重点研发计划的资金支持。