新能源耦合煤化工及综合性能源走廊探索——产业兴疆路径研究

夏婷婷，南海明，高 岷，彭晓春

（神华工程技术有限公司，北京 100011）

引 言

1 新疆的资源禀赋与发展挑战

新疆维吾尔自治区是我国西部大开发重点地区，同时也是重要的能源资源战略基地。近年来，新疆地区经济、社会在取得高速发展的同时，也暴露出了一系列问题，例如产业结构层次偏低，工业产品以初级能源、矿物、原料产品为主，且产品同质化严重；轻重工业比例严重失调，加工制造业缺乏竞争力，高附加值精细化工产品占比很低。当前的产业结构使得新疆单位产值二氧化碳排放居高不下，在“双碳”目标的约束下，新疆地区未来经济增长将面临更大的挑战。另一方面，新疆风、光资源优异，大规模发展新能源及相关产业条件优越。在新的发展形势与格局下，新疆的产业结构亟待转型升级，寻找新的发展路径，以求稳定高质量发展。

1.1 资源禀赋

新疆化石能源储量丰富，全疆煤炭预测资源量占全国的40%，石油资源量占全国陆上石油资源量的30%，天然气资源量占全国陆上天然气资源量的34%[1]。此外，新疆还具有丰富的风能、太阳能、水能等可再生能源。风能理论蕴藏量占全国风能资源总储量的20.8%，位居全国第二位，主要分布在北疆、东疆地区，最具规模性开发价值的有达坂城、小草湖、阿拉山口、老风口、额尔齐斯河谷地、十三间房、三塘湖、哈密东南部、罗布泊九大风区。全疆可开发利用的风区总面积约15.6万km2，可开发装机容量为9 340万kW，年发电量约244.7亿kWh[2]。太阳能年日照时数2 550 h～3 500 h，年总太阳辐射能量为每平方米5 000 MJ～6 400 MJ，位居全国第二位[3]，且土地资源辽阔，适合大规模铺设光伏组件，建设大型、超大型光伏电站。新疆有河流570条，水能理论蕴藏总量4 054.7万kW，位居全国第4位，主要分布在伊犁河、叶尔羌河、额尔齐斯河、和田河、阿克苏河、喀什噶尔河、开都河、渭干河、玛纳斯河九大流域[4]，人均水资源量是我国人均的2倍，但水资源空间分布不平衡，与社会经济发展不匹配[5]。

新疆丰富的能源、矿产资源与脆弱的生态系统形成了矛盾的统一体：地域辽阔，但宜居宜业区域占比低；人均耕地面积高于全国平均水平，但土地沙化、盐碱严重；水资源有限，且分布不均衡；矿产资源丰富，但限制条件多，开采难度大。以上自然生态环境及资源特征决定了新疆虽然开发潜力巨大，但是承载力差，一旦污染和破坏严重，将面临难以恢复和永久性毁灭的后果。

1.2 政策环境

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，将推进西部大开发形成新格局，支持新疆建设国家“三基地一通道”，推进新疆建设“一带一路”核心区。《新疆维吾尔自治区国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，“十四五”期间新疆将加快建设国家“三基地一通道”，扩大疆电外送能力，建成“疆电外送”第三通道；优化发展化学工业；推动石油化工“减油增化”发展，延伸发展高端产业；发展壮大新能源产业等，力争“十四五”末形成六大产业聚集区，其中准东、哈密、吐鲁番形成能源化工产业集聚区。《新疆维吾尔自治区2021年政府工作报告》指出，“十四五”期间，新疆规划新增新能源装机规模约4 000万kW，其中风电2 700万kW、光伏发电1 300万kW，力争到“十四五”末，新能源装机达到8 240万kW。

此外，根据国务院、国家发改委印发的《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》《西部地区鼓励类产业目录（2020年本）》《关于开展“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”的指导意见（征求意见稿）》等文件，国家将大力支持西部地区推动煤炭清洁生产与智能高效开采，推进煤炭分级分质梯级利用，稳步开展煤制油、煤制气、煤制烯烃等升级示范项目，鼓励支持新疆建设新能源、储能、乙烯、煤制聚甲醛及煤经甲醇制烯烃等产业，并鼓励通过推进“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”建设，构建新型电力系统，提升能源电力发展质量和效率。

1.3 发展面临的挑战

对于新疆而言，其能源结构一直以化石能源为主，面临的二氧化碳减排压力巨大。目前，新疆工业增加值占GDP的比重为29.9%，而工业增加值能源消耗量占新疆能源消耗总量的73.86%[6]。新疆总碳排放量约5.641亿t[7]，万元GDP二氧化碳排放量约5.1 t，远高于全国平均水平。这是“双碳”背景下，新疆能源工业发展面临的巨大挑战。

2 新疆煤化工产业现状及未来发展

2.1 新疆煤化工产业发展现状及存在问题

根据《新疆维吾尔自治区2021年政府工作报告》，经过多年发展，新疆已逐步形成了煤制天然气、煤制烯烃、煤制油、煤制二甲醚、煤制乙二醇等现代煤化工产业门类。2020年，新疆煤炭生产能力1.98亿t，现代煤化工产业实现工业总产值300亿元，初步形成了以准东、吐哈为主的煤化工产业发展集聚区。

但是新疆未来煤化工的发展还面临诸多需要突破的问题。首先新疆煤炭资源丰富，但当地消纳能力有限。具备消纳能力的区域主要集中在我国的东部地区，资源的分布与消纳存在地理上的错配。由于距离内地市场过远，通过将煤炭转化为液体/气体燃料或化工品，可实现减量化和价值提升，降低运费对产品竞争力的影响。其次能源央企在新疆煤化工项目投资分散，缺少统一规划和相互协调发展战略，对煤炭、电力、石化和新能源等开发的相互补充、耦合关联、综合利用认识不足；且煤化工项目与新疆地方企业关联度低，未能形成上下游配套、产品就地深加工、工业门类较多的大型产业集群。未来，多产业多资源耦合发展能够提高资源的利用效率，促进形成融合集群发展的有利局面。此外，目前煤化工部分关键技术仍需引进，不少催化剂也被国外专利商垄断，设备大型化同样需要不断研究与开拓，以解决严重的同质化竞争等问题。

“十四五”期间，新疆将重点发展准东、吐哈地区现代煤化工产业及下游延伸产业，重点实施产业升级改造，实施延链、补链项目，强化技术和装备创新，持续推动现代煤化工产业低碳、清洁、高效、可持续发展。

2.2 碳减排将倒逼新疆煤化工产业实现低碳、绿色发展

现代煤化工单位产品二氧化碳排放十分显著，碳排放已成为未来发展煤化工产业的主要限制问题。表1列出了主要煤化工路径单位产品的碳排放量[8]。煤炭碳多氢少，为了满足下游氢碳比要求，需要将部分一氧化碳通过变换反应转变为氢气和二氧化碳，这造成了现代煤化工最显著的碳排放特点。

未来碳排放的约束性指标对新疆煤化工产业发

表1 主要煤化工路径单位产品（吨产品）的碳排放量 t

①煤制天然气过程为生产1 000 m3天然气的CO2排放量。展提出了极大挑战。在新的发展背景下，新疆煤化工产业不能再走传统的粗放式、高排放、高能耗的发展道路，亟待通过产业和技术整合、升级探索新的低碳、绿色的发展路径来提升竞争力。

3 新疆地区新能源发展的机遇

3.1 新能源发展的背景

新疆土地广袤，风、光资源丰富，发展新能源产业的基础条件极好。从长远角度分析，水、风、电等清洁能源具有较大发展潜力，将成为新疆能源未来开发的重点方向[9]。

开发以风、光资源为代表的新能源是实现《巴黎气候变化协定》温度控制目标以及我国2030年碳达峰、2060年碳中和总体目标必不可少的手段之一。就全球而言，2019年，可再生能源装机容量达25.37亿kW，占电力总装机比重的34.7%，占电力新增装机的72%[10]。根据国家统计局的数据，截至2020年末，我国发电总装机容量达到22.01亿kW，其中并网风电装机容量2.815 3亿kW，同比增长34.6%；并网太阳能发电装机容量2.534 3亿kW，同比增长24.1%。并网的风电和光电装机容量占比为24.3%，增速远高于其他发电类型。2020年，全国电力新增装机容量1.908 7亿kW，其中水电0.132 3亿kW、风电0.716 7亿kW、太阳能发电0.482 0亿kW，新增风电和光电装机容量占比达62.8%。2020年12月，我国提出到2030年风电、光电的总装机容量达到12亿kW以上。届时，风电、光电在总装机容量中的占比将更高。

3.2 新能源的技术经济性

根据Car bon Tr acker 2021年的报告《The sky′s t he l imit》，利用现有技术人类每年仅从太阳能和风能中可获取的能量就超过6 700 pWh（1 pWh=1 012 kWh），而人类所有的能源需求折成电力也仅为65 pWh。该报告预计全球千分之三的陆地面积敷设光伏发电，就足以满足人类的电力需求。对于我国而言，9万km2的土地就能满足全部的电力需求，而我国仅荒漠、戈壁滩面积就高达近130万km2，且主要集中在风光资源优异的西北地区。因此，新能源满足人类能源需求的能力非常充裕。

在过去的十年内，陆上风力发电和光伏发电的成本分别降低了45%和85%。目前单晶硅的光电转化效率已超过23%，预计2030年前效率年增0.7%～1.2%，同时硅晶片的厚度越来越薄，也会带来原料成本的降低，因此光伏发电成本还有相当大的降价空间。由于新能源发电成本的迅速下降，目前其已经可以与化石能源发电竞争。图1是2020年中国不同发电技术的发电成本，其中固定支架光伏发电成本最低达到29美元/（MWh）。2021年6月，根据四川甘孜州南部光伏基地正斗一期20万kW光伏项目竞争性配置结果公示，国家电投申报的上网电价已低至0.147 6元/（kWh）。

图1 2020年中国不同发电技术的发电成本

图2是我国各省区煤电标杆电价、2020年光伏竞价以及2021年光伏发电可实现的最低价格比较。可以看出，在我国光伏发电条件较好的区域，度电成本已普遍低于0.3元。

图1、图2数据来源于美国能源转型委员会（Ener gy Tr ansit ions Commission）和落基山研究所（Rocky Mount ain Insit it ut e）2021年报告：CHINAZERO-CARBONELECTRICITYGROWTHINTHE 2020S：AVital St ep Towar d Car bon Neut r al it y。

2020年9月，BP发布《BP世界能源展望》(2020版)，预计未来传统化石能源占比将显著下降，风能、太阳能为主的新能源将迎来快速增长，到2050年传统化石能源占比最低可降至20%，可再生能源占比最高可增加至60%[11]。

3.3 新能源未来发展瓶颈与趋势

当前，新能源的发展同样遭遇瓶颈。首先，风能、太阳能等新能源受气候因素、环境因素影响，具有较大波动性和间歇性，大规模接入将对现有电力系统的稳定运行带来很大影响。且因其不稳定，电网输出通道不足，各地采用竞标上网，竞争激烈，上网指标落实困难。其次，风、光属于低密度能源，在土地面积和基本农田红线、生态保护红线、城镇开发边界控制线“三线”的限制下，当地政府对开发项目的前置条件增多，新能源开发的难度显著增大。

目前主要通过建设储能装置（主要为抽水蓄能和电化学储能）和火电灵活性改造等在一定程度上破解新能源发展瓶颈。但以上手段都不同程度存在一些问题：抽水蓄能适建性差，电化学储能综合度电成本高，火电灵活性改造会损伤发电企业经济效益。

近日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评选出“2021年度化学领域十大新兴技术”，氨的可持续生产（Hzber-Bosch工艺的绿色替代品）位列其中。氨是除氢以外另一种燃烧不产生碳排放的液体燃料，全球范围内每年的产量约1.75亿t[12]，是产量第二大的化学品，同时氨也是一种高密度的储氢介质，易于压缩和大规模储存，未来可通过化学储能构建绿氨多能耦合稳定电源系统，实现新能源电力的稳定输出：即利用新能源高峰时段电力消纳制得的绿氢和绿氮，实现合成氨生产过程的绿色化，同时进行绿氨存储，在新能源电力低谷时段再作为液体燃料反哺给电网，削峰填谷式完成新能源的电力供应，解决其波动性和间歇性问题，最终形成稳定的电力输出循环系统。另外通过氨氢转换，使氨作为氢载体在终端裂解制氢，还能解决绿氢储运规模化运输和储存成本高昂的问题。

图2 中国各省区煤电标杆电价、2020年光伏竞价以及2021年光伏发电可实现的最低价格比较

4 煤化工与新能源耦合

当前，新能源终端利用形式主要是电力，这限制了新能源的传输以及社会对其的消纳潜力。通过将新能源电力与以煤化工为代表的工业系统相耦合，可以极大地提升对新能源的消纳能力。煤化工与新能源的耦合包括两个方面的内容，一是通过水电解制氢补充煤炭中不足的氢，显著降低因变换造成的碳排放；在水电解的过程中副产高纯度氧气，空分装置的规模也可缩减；两者耦合可以避免40%～60%的碳排放，同时空分装置、气化装置的规模以及煤炭的消耗量可显著降低。二是结合储能（包括储热）技术可将新能源转变为电、蒸汽、热、冷等能源，以新能源电力制备压缩空气、仪表风等其他公用工程介质，这样传统的燃煤锅炉和动力中心可以取消，二氧化碳总排放量又可进一步降低。

4.1 高碳产品低碳开发

准东、哈密地区在地理位置上邻近，属于新疆“十四五”期间规划建设的国家大型煤炭煤电、煤化工基地和国家新能源基地，当地煤炭资源，风、光资源十分丰富。准东、哈密地区未来可形成煤炭基地、煤化工区和新能源区，三大产业区相互耦合，实现一体化发展。图3是煤炭-煤化工-新能源相互之间原料、能源循环利用关系。煤炭基地为煤化工提供原料煤分质梯级利用，主线为煤直接/间接液化、煤气化、煤炭提质，洗选后产生的煤矸石和煤泥替代锅炉燃煤生产蒸汽和电力，同时煤化工副产热量也可供煤炭基地采暖。新能源基地为煤炭基地提供绿电，满足煤炭开采电力需求及矿区小型车辆电动化用电需求；电解水提供绿氢大型车辆氢能需求；供热储能提供清洁热力满足矿区采暖需求。新能源基地为煤化工提供绿电满足其电力需求；煤化工动力来自于新能源的电力锅炉，可取消燃料煤消耗；提供绿氢用于煤气化、液化加氢、氢碳平衡的用氢需求，提供绿氧用于满足煤气化的用氧需求。

图3 综合能源开发循环利用及深加工示意图

新疆农业发达，对化肥需求量大。通过绿氢代替灰氢生产绿氨，可以代替传统的合成氨路线。氨可进一步与二氧化碳结合生产尿素。以典型的30万t/a合成氨、52万t/a尿素装置为例，每年可减少二氧化碳排放137万t。绿氢也可以与高浓度二氧化碳结合生产绿色甲醇，80万t/a绿色甲醇生产装置每年可减少二氧化碳排放约110万t。绿色甲醇可以用作煤制烯烃、芳烃或与石脑油耦合裂解装置的原料、燃料或其他化工原料。同时煤化工副产的二氧化碳可用于新疆油田驱油及封存。

煤化工基地除了形成大规模、低成本的基础化学品（甲醇、合成氨、芳烃）、大宗材料（聚乙烯、聚丙烯）、大宗油品和化纤原料等，还可继续向下游延伸产业链，促进深加工，促使基础化工产品、有机化工原料逐步向煤基生物可降解材料、高端合成树脂、高性能纤维等高端化工新材料、煤基柴油、煤基特种燃料及载热碳材料、针状焦、碳纤维电极等高端炭素材料方向延伸，逐步形成煤基化纤产业与新疆纺织产业的一体化、绿色农业化学品产业一体化，优化产业结构及区域协调发展，带动新疆地区经济发展和就业。

4.2 多产业融合发展

依托综合能源开发循环利用及深加工体系，可以整合区域资源，提供合成气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲醇、芳烃、乙烯、丙烯、碳四、绿氢、绿氧等化工原料以及蒸汽、热力、电力等各种类型的公用工程、辅助工程、三废处理、分析化验等服务。在此基础上再进行产业链招商，充分发挥平台的规模优势、管理优势，吸引产业链相关企业入驻，为其产业深加工配套相应的资源及基础，进一步形成农业化学品、纺织化学品和矿用化学品产业等集群，进一步扩大综合性能源、化工产业基地的规模和构成，融合集群发展，形成多元化发展的态势。

此外，这类农化、纺化、矿化产业产品的高科技属性将带动大批服务和研发企业进驻，最终形成以煤炭、石油、化工和新能源为基础，对外输出大宗材料、基础化学品、基础油品、化纤原料、纺织品、农业化学品、矿用化学品等产品的超大型综合能源开发利用基地，相关产业的投资规模可到上万亿元。

4.3 装备制造高端化

“十四五”期间，新疆地区规划新增4 000万kW新能源装机，对于新能源相关设备、生产原料的需求巨大。疆内能源化工企业可加大力度引进一批拥有自主知识产权、技术先进、综合实力强的大型新能源发电以及储能、电力装备制造企业，推动新疆装备制造产业升级，建设先进制造业基地。

首先，依托大规模的新能源开发吸引高端装备制造业、风机、光伏制造业进驻。新能源相关制造涵盖多晶硅生产、光伏制造、风力发电相关设备制造、新能源电场相关设备（汇流及变配电等）、储能材料及装备、电解制氢设备、氢能相关产业（燃料电池、加氢站及相关设备、氢能机车）等。其次，依托煤、油化工项目的建设和运营维护需求，吸引矿山机械改造、加氢机、大中型设备等相关装备制造业进驻。

通过煤炭-煤化工-新能源一体化发展，可实现煤炭开采、煤化工/煤制油的高碳产品低碳化发展，整合区域内能源化工企业资源一体化开发优势，打破各自发展的局面，共同构建多层次资源高效循环利用体系，共建共享，全面推行循环经济、绿色发展理念。将传统能源与新能源相关产业融合能够显著优化新疆既有的工业结构，增加先进制造业的比重，实现对传统产业结构的调整和技术升级，达到高端化、多元化、低碳化发展。

5 构建综合性能源走廊的思考

新疆新能源主要以电力的形式通过超高压输电线实现输出，新能源电力的不稳定性、单一的输出形式限制了其输出能力和开发潜力。

从全国层面看，自新疆向东，内蒙古、陕西、山西、河北、山东、江苏等省份同样面临低碳转型、碳减排的巨大压力，对绿色能源产品有着巨大的需求；沿线的新疆清洁能源基地、河西走廊清洁能源基地、黄河几内湾清洁能源基地、冀北清洁能源基地可以提供清洁能源产品；未来可规划建设贯通上述区域的综合性能源走廊。

以综合能源开发利用基地为基础，新能源基地输出的绿电通过电网，绿氢、绿氧通过管道实现跨区域输送。早期，氢气可通过天然气管线（西气东输）外输，后期可建设纯氢输送管线；煤炭、石油化学品通过铁路输送。由西向东通过综合能源走廊将清洁能源产品输送至内地，助力全社会的深度脱碳。具体而言，该走廊以电网、管道、铁路等为输送手段，绿电、绿氢、绿氧、合成气、二氧化碳、氮气、化学品/燃料、煤炭等为输送介质，绿电通过电网实现跨区域输送，电网难以消纳的绿电通过电解制氢转化为绿氢、绿氧，绿氢可并入沿途城市燃气管道或满足企业用氢需求，绿氧可供给沿途煤化工等企业用氧需求。新疆、陕西、内蒙古、山西均为我国主要煤炭产区，煤炭通过气化转化为高价值的合成气，并通过合成气管线实现远距离输送和消纳，甲醇、乙二醇、间接液化及其他各种合成气化工要求的氢碳比各异，结合绿氢管道，企业可以很方便的根据需要调配合成气和绿氢的比例，满足原料气需求。对于二氧化碳管道，可以在山东、河北等重碳区负成本收购二氧化碳进管网，用作二氧化碳化工企业原料或供给油田作为驱油剂，二氧化碳可以自东向西上溯至上游富氢区转化成化学品/液体燃料，进而实现全走廊对二氧化碳的消纳。煤化工企业氮气大量富余，综合性能源走廊可吸纳进入氮气管道，并在沿线临近布置绿氨生产和大规模的储存设施，可方便地生产、储存绿氨。在绿氢输出谷底期，绿氨经催化裂解可制成绿氢和氮气，保证整个管线氢气输出的稳定，氮气回收进管网。通过智慧能源网络，协调、调度整个走廊上煤炭、煤化工、新能源的物质流、信息流、价值流、能量流流动，维持走廊全系统稳定运行。综合能源走廊构想如图4所示。

图4 综合性能源走廊的构成示意图

综合能源走廊可破解新疆新能源输出通道受限的瓶颈，可以支持沿线超大规模新能源电场的建设，可以利用煤炭和新能源互补性实现煤炭的高价值利用和输出；其次，由于各种原料、能源的便利性，综合能源走廊可以转变成一个庞大的产业走廊；再次，因为大部分相关设施都临近布置，总体可降低基础设施建设的投资；最后，综合能源走廊途径国内诸多重碳区域，可以在碳减排总体目标的达成过程中发挥关键作用。综合能源走廊还可以向西进一步延伸，可利用的基础设施包括中亚石油管道、中俄油气管道、中巴油气管道等，依托综合能源走廊继续推进与中亚、西亚等“一带一路”沿线国家在能源领域深层次、全方位、多元化的合作，带动沿线国家联动发展。

6 结论与建议

新疆传统工业结构重碳特征明显，面临巨大的低碳转型压力，新形势下的产业兴疆应当依托当地资源禀赋并充分考虑当前的政策环境。新疆煤炭资源丰富，现代煤化工是实现煤炭高附加值利用的主要手段，对提升当地经济与社会发展效应明显。但在“双碳”减排目标的约束下，煤化工发展必须更上一层楼，追求更低排放、更高质量。新疆新能源开发基础条件极好，但当地消纳能力有限，外送通道不足。通过将新能源与以煤化工为代表的工业体系相耦合，可以探索出一条煤化工低碳、绿色发展的新路径，推动传统产业高端化、多元化、低碳化发展迈上新台阶。

综合性能源走廊是将新能源、传统化石能源转化为利于输送、利用的能源或产品形式，利用电网、管道、铁路等基础设施实现跨区域消纳的手段。综合性能源走廊不仅可以实现新疆优势能源资源的高值化利用，还能为沿线的工业系统、城市提供清洁能源产品、化工原料，促进全社会的深度脱碳，为“双碳”目标的达成做出贡献。

新能源耦合煤化工及综合性能源走廊建设的探索，可把新疆的能源优势转化为经济优势、发展优势，解决现存的产业发展痛点，来提高地区经济水平并辐射全国、服务全国，开拓“一带一路”沿线国外市场，改善民生，提升人民生活水平及幸福生活指数。