清华新闻网6月20日电 在实现碳中和的道路上，化工行业一直是难以攻克的“硬骨头”，尤其是氨和甲醇的生产，它们不仅是化工行业的主要产品，更是碳排放的大户。在中国，氨和甲醇的生产主要依赖煤炭等化石原料，导致煤化工合成氨和甲醇成为了碳排放强度最大的行业。如何在不影响化工生产安全性的前提下，实现化工行业的深度脱碳，是当前亟待解决的问题。
现有的化工电气化路径主要依赖于电网电力，但这往往会将碳排放从化工行业转移到电力行业，甚至可能增加全国的碳排放总量。为此，研究团队提出了一种新的思路——“绿色柔性化工电气化”（GFCE）路径。该路径通过绿电直连的方式构建一体化系统，并结合先进的氢氨醇耦合控制与调度技术，实现化工生产过程的深度电气化。与仅依靠网电的电气化路径相比，GFCE路径不仅能够显著减少电力和化工行业的碳排放，还能通过电氢协同的运行优化，降低对电网的冲击，增强电力系统的安全性。
6月5日，清华大学电机系联合北京大学大数据国家工程实验室在《自然·能源》（Nature Energy）上在线发表了题为“依托绿电直连绿色柔性化工技术重构中国氨/甲醇产业电气化路径”（Redesigning electrification of China’s ammonia and methanol industry to balance decarbonization with power system security）的研究论文，提出了一种新的解决方案——“绿色柔性化工电气化”（Green Flexible Chemical Electrification,GFCE）路径，通过电力系统与绿氢化工的深度耦合，绿电直连可实现电氢协同联合降碳。
绿电直连绿氢化工的电氢协同降碳路径
GFCE路径的核心在于“绿色”和“柔性”两个关键属性。所谓“绿色”，是指通过绿电直连，为化工生产提供零碳电力原料，从而实现源头上的低碳减排。而“柔性”则体现在电氢协同系统的灵活运行，缓冲可再生能源的间歇性和波动性，使得化工生产能够在不同时间尺度上实现能源供需的平衡。
为了全面评估GFCE路径的性能，研究团队构建了一个综合的分析框架，涵盖了碳排放、电力系统安全性和经济性三个关键指标。该框架结合了以下两个核心模型：一，化工侧容量规划与柔性运行（CP&FO）模型。基于工业测试数据和过程模拟，该模型能够动态规划可再生能源、电解槽和氢气储存罐的容量，并优化其运行模式，以适应市场和政策条件的变化。二，电力侧经济调度与机组组合（ED&UC）模型。该模型通过优化全国经济调度和省级机组组合，平衡电力系统的效率和可靠性，同时考虑化工生产负荷的波动性。
此外，研究团队还开发了一个详细的数据库，涵盖了中国22个省份的化工行业和电力系统的详细数据，包括可再生能源的分布、化工生产负荷、电力传输网络等。通过这些数据，研究团队对不同省份的GFCE路径进行详细的模拟和分析后发现，到2030年，GFCE路径在全国范围内具有显著的经济竞争力，绿氨的生产与灰氨相比甚至有望具备一定的成本优势。此外，通过优化电力定价机制，进一步激励化工行业的电力柔性需求管理，可以增强电力与化工行业的协同效应。
研究还对GFCE路径的长期发展趋势进行了分析。结果显示，随着可再生能源在电力和化工行业的渗透率不断提高，GFCE路径的碳减排效果和经济性将不断提升。到2050年，GFCE路径有望在全国范围内实现大规模推广，为化工行业的深度脱碳提供有力支持。
为了推动GFCE路径的实施，研究团队建议政府出台一系列政策支持措施。例如，对于绿色氨和绿色甲醇生产成本较高的省份，可以考虑提供补贴或实施碳税政策，以降低投资门槛，促进市场的发展。此外，研究还提出了改进电力定价机制的建议，通过市场化的实时电价引导化工生产负荷更加有利于电网运行，进一步提升电力与化工行业的协同效应。
清华大学电机系提出的“绿色柔性化工电气化”路径，为新能源消纳和氨醇制备的深度脱碳提供了一种全新的解决方案。通过绿电直连耦合绿氢化工，不仅能够显著减少化工行业的碳排放，还能够增强电力系统的安全性，为实现碳中和目标提供有力支持。这一研究成果可以为我国新能源消纳与化工行业的绿色转型提供技术参考。清华大学电机系与清华四川能源互联网研究院长期在绿氢氨醇系统关键装备与系统控制领域深耕，上述工作也是电机系在绿氢产业与工程一线多年奋战所凝练出的研究成果。
电机系清华大学/哈佛大学联合培养博士后李佳蓉、电机系副教授林今、北京大学大数据国家工程实验室副研究员王剑晓为论文共同第一作者，林今、王剑晓和清华大学环境学院、碳中和研究院教授鲁玺为论文共同通讯作者。
研究得到国家重点研发计划氢能技术专项项目（十万吨级可再生能源电解水制氢合成氨示范工程）、碳中和与能源系统转型项目（CNEST）、国家自然科学基金、能源基金会等项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-025-01779-9
供稿：电机系
编辑：李华山
审核：郭玲
