在實現碳中和的道路上，化工行業一直是難以攻克的“硬骨頭”，尤其是氨和甲醇的生產，它們不僅是化工行業的主要產品，更是碳排放的大戶。清華大學電機系在《自然·能源》（Nature Energy）上在線發表了一篇題為“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，簡稱GFCE）路徑，通過電力系統與綠氫化工的深度耦合，綠電直連可實現電氫協同聯合降碳。

化工行業的降碳困境與機遇

在中國，氨和甲醇的生產主要依賴煤炭等化石原料，原料煤碳多氫少的屬性，導致煤化工合成氨和甲醇成為了碳排放強度最大的行業。因此，如何在不影響化工生產安全性的前提下，實現化工行業的深度脫碳，是當前亟待解決的問題。

電氫協同的新思路

現有的化工電氣化路徑主要依賴于電網電力，但這往往會將碳排放從化工行業轉移到電力行業，甚至可能增加全國的碳排放總量。為此，研究團隊提出了一種新的思路——“綠色柔性化工電氣化”（GFCE）路徑。該路徑通過綠電直連的方式構建一體化系統，并結合先進的氫氨醇耦合控制與調度技術，實現化工生產過程的深度電氣化。與僅依靠網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的碳排放，還能通過電氫協同的運行優化，降低對電網的沖擊，增強電力系統的安全性。

綠電直連綠氫化工的電氫協同降碳路徑

GFCE路徑的關鍵技術與分析框架

GFCE路徑的核心在于“綠色”和“柔性”兩個關鍵屬性。所謂“綠色”，是指通過綠電直連，為化工生產提供零碳電力原料，從而實現源頭上的低碳減排。而“柔性”則體現在電氫協同系統的靈活運行，緩沖可再生能源的間歇性和波動性，使得化工生產能夠在不同時間尺度上實現能源供需的平衡。

為了全面評估GFCE路徑的性能，研究團隊構建了一個綜合的分析框架，涵蓋了碳排放、電力系統安全性和經濟性三個關鍵指標。該框架結合了以下兩個核心模型：

1.化工側容量規劃與柔性運行（CP&FO）模型：基于工業測試數據和過程模擬，該模型能夠動態規劃可再生能源、電解槽和氫氣儲存罐的容量，并優化其運行模式，以適應市場和政策條件的變化。

2.電力側經濟調度與機組組合（ED&UC）模型：該模型通過優化全國經濟調度和省級機組組合，平衡電力系統的效率和可靠性，同時考慮化工生產負荷的波動性。

此外，研究團隊還開發了一個詳細的數據庫，涵蓋了中國22個省份的化工行業和電力系統的詳細數據，包括可再生能源的分布、化工生產負荷、電力傳輸網絡等。通過這些數據，研究團隊能夠對不同省份的GFCE路徑進行詳細的模擬和分析。

GFCE路徑的性能與優勢

研究團隊通過對中國22個省份的詳細模擬分析發現，到2030年，GFCE路徑在全國范圍內具有顯著的經濟競爭力，綠氨的生產與灰氨相比甚至有望具備一定的成本優勢。此外，通過優化電力定價機制，進一步激勵化工行業的電力柔性需求管理，可以增強電力與化工行業的協同效應。

長期發展趨勢與政策建議

研究還對GFCE路徑的長期發展趨勢進行了分析。結果顯示，隨著可再生能源在電力和化工行業的滲透率不斷提高，GFCE路徑的碳減排效果和經濟性將不斷提升。到2050年，GFCE路徑有望在全國范圍內實現大規模推廣，為化工行業的深度脫碳提供有力支持。

為了推動GFCE路徑的實施，研究團隊建議政府出臺一系列政策支持措施。例如，對于綠色氨和綠色甲醇生產成本較高的省份，可以考慮提供補貼或實施碳稅政策，以降低投資門檻，促進市場的發展。此外，研究還提出了改進電力定價機制的建議，通過市場化的實時電價引導化工生產負荷更加有利于電網運行，進一步提升電力與化工行業的協同效應。

結語

清華大學電機系提出的“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。通過綠電直連耦合綠氫化工，不僅能夠顯著減少化工行業的碳排放，還能增強電力系統的安全性，為實現碳中和目標提供有力支持。這一研究成果可以為我國新能源消納與化工行業的綠色轉型提供技術參考。清華大學電機系與清華四川能源互聯網研究院長期在綠氫氨醇系統關鍵裝備與系統控制領域深耕，上述工作也是電機系在綠氫產業與工程一線多年奮戰所凝練出的研究成果。

論文以清華大學/哈佛大學博士后李佳蓉，清華大學電機系林今，北京大學大數據國家工程實驗室王劍曉為共同第一作者，林今、王劍曉和清華大學環境學院/碳中和研究院魯璽為共同通訊作者，合作者包括哈佛中國項目Michael B. McElroy、Chris P. Nielsen、澳門大學宋永華、北京大學宋潔、華北電力大學呂雪峰等。研究受到國家重點研發計劃氫能技術專項項目（十萬噸級可再生能源電解水制氫合成氨示范工程）、碳中和與能源系統轉型項目（CNEST）、國家自然科學基金、能源基金會等項目支持，特此致謝。

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來源：清華電機系網站

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