新能源耦合煤化工及綜合性能源走廊探索
——產業興疆路徑研究

夏婷婷，南海明，高 岷，彭曉春

（神華工程技術有限公司，北京 100011）

引 言

1 新疆的資源稟賦與發展挑戰

新疆維吾爾自治區是我國西部大開發重點地區，同時也是重要的能源資源戰略基地。近年來，新疆地區經濟、社會在取得高速發展的同時，也暴露出了一系列問題，例如產業結構層次偏低，工業產品以初級能源、礦物、原料產品為主，且產品同質化嚴重；輕重工業比例嚴重失調，加工制造業缺乏競爭力，高附加值精細化工產品占比很低。當前的產業結構使得新疆單位產值二氧化碳排放居高不下，在“雙碳”目標的約束下，新疆地區未來經濟增長將面臨更大的挑戰。另一方面，新疆風、光資源優異，大規模發展新能源及相關產業條件優越。在新的發展形勢與格局下，新疆的產業結構亟待轉型升級，尋找新的發展路徑，以求穩定高質量發展。

1.1 資源稟賦

新疆化石能源儲量豐富，全疆煤炭預測資源量占全國的40%，石油資源量占全國陸上石油資源量的30%，天然氣資源量占全國陸上天然氣資源量的34%[1]。此外，新疆還具有豐富的風能、太陽能、水能等可再生能源。風能理論蘊藏量占全國風能資源總儲量的20.8%，位居全國第二位，主要分布在北疆、東疆地區，最具規模性開發價值的有達坂城、小草湖、阿拉山口、老風口、額爾齊斯河谷地、十三間房、三塘湖、哈密東南部、羅布泊九大風區。全疆可開發利用的風區總面積約15.6萬km2，可開發裝機容量為9 340萬kW，年發電量約244.7億kWh[2]。太陽能年日照時數2 550 h～3 500 h，年總太陽輻射能量為每平方米5 000 MJ～6 400 MJ，位居全國第二位[3]，且土地資源遼闊，適合大規模鋪設光伏組件，建設大型、超大型光伏電站。新疆有河流570條，水能理論蘊藏總量4 054.7萬kW，位居全國第4位，主要分布在伊犁河、葉爾羌河、額爾齊斯河、和田河、阿克蘇河、喀什噶爾河、開都河、渭干河、瑪納斯河九大流域[4]，人均水資源量是我國人均的2倍，但水資源空間分布不平衡，與社會經濟發展不匹配[5]。

新疆豐富的能源、礦產資源與脆弱的生態系統形成了矛盾的統一體：地域遼闊，但宜居宜業區域占比低；人均耕地面積高于全國平均水平，但土地沙化、鹽堿嚴重；水資源有限，且分布不均衡；礦產資源豐富，但限制條件多，開采難度大。以上自然生態環境及資源特征決定了新疆雖然開發潛力巨大，但是承載力差，一旦污染和破壞嚴重，將面臨難以恢復和永久性毀滅的后果。

1.2 政策環境

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出，將推進西部大開發形成新格局，支持新疆建設國家“三基地一通道”，推進新疆建設“一帶一路”核心區?！缎陆S吾爾自治區國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出，“十四五”期間新疆將加快建設國家“三基地一通道”，擴大疆電外送能力，建成“疆電外送”第三通道；優化發展化學工業；推動石油化工“減油增化”發展，延伸發展高端產業；發展壯大新能源產業等，力爭“十四五”末形成六大產業聚集區，其中準東、哈密、吐魯番形成能源化工產業集聚區?！缎陆S吾爾自治區2021年政府工作報告》指出，“十四五”期間，新疆規劃新增新能源裝機規模約4 000萬kW，其中風電2 700萬kW、光伏發電1 300萬kW，力爭到“十四五”末，新能源裝機達到8 240萬kW。

此外，根據國務院、國家發改委印發的《關于新時代推進西部大開發形成新格局的指導意見》《西部地區鼓勵類產業目錄（2020年本）》《關于開展“風光水火儲一體化”“源網荷儲一體化”的指導意見（征求意見稿）》等文件，國家將大力支持西部地區推動煤炭清潔生產與智能高效開采，推進煤炭分級分質梯級利用，穩步開展煤制油、煤制氣、煤制烯烴等升級示范項目，鼓勵支持新疆建設新能源、儲能、乙烯、煤制聚甲醛及煤經甲醇制烯烴等產業，并鼓勵通過推進“風光水火儲一體化”“源網荷儲一體化”建設，構建新型電力系統，提升能源電力發展質量和效率。

1.3 發展面臨的挑戰

對于新疆而言，其能源結構一直以化石能源為主，面臨的二氧化碳減排壓力巨大。目前，新疆工業增加值占GDP的比重為29.9%，而工業增加值能源消耗量占新疆能源消耗總量的73.86%[6]。新疆總碳排放量約5.641億t[7]，萬元GDP二氧化碳排放量約5.1 t，遠高于全國平均水平。這是“雙碳”背景下，新疆能源工業發展面臨的巨大挑戰。

2 新疆煤化工產業現狀及未來發展

2.1 新疆煤化工產業發展現狀及存在問題

根據《新疆維吾爾自治區2021年政府工作報告》，經過多年發展，新疆已逐步形成了煤制天然氣、煤制烯烴、煤制油、煤制二甲醚、煤制乙二醇等現代煤化工產業門類。2020年，新疆煤炭生產能力1.98億t，現代煤化工產業實現工業總產值300億元，初步形成了以準東、吐哈為主的煤化工產業發展集聚區。

但是新疆未來煤化工的發展還面臨諸多需要突破的問題。首先新疆煤炭資源豐富，但當地消納能力有限。具備消納能力的區域主要集中在我國的東部地區，資源的分布與消納存在地理上的錯配。由于距離內地市場過遠，通過將煤炭轉化為液體/氣體燃料或化工品，可實現減量化和價值提升，降低運費對產品競爭力的影響。其次能源央企在新疆煤化工項目投資分散，缺少統一規劃和相互協調發展戰略，對煤炭、電力、石化和新能源等開發的相互補充、耦合關聯、綜合利用認識不足；且煤化工項目與新疆地方企業關聯度低，未能形成上下游配套、產品就地深加工、工業門類較多的大型產業集群。未來，多產業多資源耦合發展能夠提高資源的利用效率，促進形成融合集群發展的有利局面。此外，目前煤化工部分關鍵技術仍需引進，不少催化劑也被國外專利商壟斷，設備大型化同樣需要不斷研究與開拓，以解決嚴重的同質化競爭等問題。

“十四五”期間，新疆將重點發展準東、吐哈地區現代煤化工產業及下游延伸產業，重點實施產業升級改造，實施延鏈、補鏈項目，強化技術和裝備創新，持續推動現代煤化工產業低碳、清潔、高效、可持續發展。

2.2 碳減排將倒逼新疆煤化工產業實現低碳、綠色發展

現代煤化工單位產品二氧化碳排放十分顯著，碳排放已成為未來發展煤化工產業的主要限制問題。表1列出了主要煤化工路徑單位產品的碳排放量[8]。煤炭碳多氫少，為了滿足下游氫碳比要求，需要將部分一氧化碳通過變換反應轉變為氫氣和二氧化碳，這造成了現代煤化工最顯著的碳排放特點。

未來碳排放的約束性指標對新疆煤化工產業發

表1 主要煤化工路徑單位產品（噸產品）的碳排放量 t

①煤制天然氣過程為生產1 000 m3天然氣的CO2排放量。展提出了極大挑戰。在新的發展背景下，新疆煤化工產業不能再走傳統的粗放式、高排放、高能耗的發展道路，亟待通過產業和技術整合、升級探索新的低碳、綠色的發展路徑來提升競爭力。

3 新疆地區新能源發展的機遇

3.1 新能源發展的背景

新疆土地廣袤，風、光資源豐富，發展新能源產業的基礎條件極好。從長遠角度分析，水、風、電等清潔能源具有較大發展潛力，將成為新疆能源未來開發的重點方向[9]。

開發以風、光資源為代表的新能源是實現《巴黎氣候變化協定》溫度控制目標以及我國2030年碳達峰、2060年碳中和總體目標必不可少的手段之一。就全球而言，2019年，可再生能源裝機容量達25.37億kW，占電力總裝機比重的34.7%，占電力新增裝機的72%[10]。根據國家統計局的數據，截至2020年末，我國發電總裝機容量達到22.01億kW，其中并網風電裝機容量2.815 3億kW，同比增長34.6%；并網太陽能發電裝機容量2.534 3億kW，同比增長24.1%。并網的風電和光電裝機容量占比為24.3%，增速遠高于其他發電類型。2020年，全國電力新增裝機容量1.908 7億kW，其中水電0.132 3億kW、風電0.716 7億kW、太陽能發電0.482 0億kW，新增風電和光電裝機容量占比達62.8%。2020年12月，我國提出到2030年風電、光電的總裝機容量達到12億kW以上。屆時，風電、光電在總裝機容量中的占比將更高。

3.2 新能源的技術經濟性

根據Car bon Tr acker 2021年的報告《The sky′s t he l imit》，利用現有技術人類每年僅從太陽能和風能中可獲取的能量就超過6 700 pWh（1 pWh=1 012 kWh），而人類所有的能源需求折成電力也僅為65 pWh。該報告預計全球千分之三的陸地面積敷設光伏發電，就足以滿足人類的電力需求。對于我國而言，9萬km2的土地就能滿足全部的電力需求，而我國僅荒漠、戈壁灘面積就高達近130萬km2，且主要集中在風光資源優異的西北地區。因此，新能源滿足人類能源需求的能力非常充裕。

在過去的十年內，陸上風力發電和光伏發電的成本分別降低了45%和85%。目前單晶硅的光電轉化效率已超過23%，預計2030年前效率年增0.7%～1.2%，同時硅晶片的厚度越來越薄，也會帶來原料成本的降低，因此光伏發電成本還有相當大的降價空間。由于新能源發電成本的迅速下降，目前其已經可以與化石能源發電競爭。圖1是2020年中國不同發電技術的發電成本，其中固定支架光伏發電成本最低達到29美元/（MWh）。2021年6月，根據四川甘孜州南部光伏基地正斗一期20萬kW光伏項目競爭性配置結果公示，國家電投申報的上網電價已低至0.147 6元/（kWh）。

圖1 2020年中國不同發電技術的發電成本

圖2是我國各省區煤電標桿電價、2020年光伏競價以及2021年光伏發電可實現的最低價格比較。可以看出，在我國光伏發電條件較好的區域，度電成本已普遍低于0.3元。

圖1、圖2數據來源于美國能源轉型委員會（Ener gy Tr ansit ions Commission）和落基山研究所（Rocky Mount ain Insit it ut e）2021年報告：CHINAZERO-CARBONELECTRICITYGROWTHINTHE 2020S：AVital St ep Towar d Car bon Neut r al it y。

2020年9月，BP發布《BP世界能源展望》(2020版)，預計未來傳統化石能源占比將顯著下降，風能、太陽能為主的新能源將迎來快速增長，到2050年傳統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 新能源未來發展瓶頸與趨勢

當前，新能源的發展同樣遭遇瓶頸。首先，風能、太陽能等新能源受氣候因素、環境因素影響，具有較大波動性和間歇性，大規模接入將對現有電力系統的穩定運行帶來很大影響。且因其不穩定，電網輸出通道不足，各地采用競標上網，競爭激烈，上網指標落實困難。其次，風、光屬于低密度能源，在土地面積和基本農田紅線、生態保護紅線、城鎮開發邊界控制線“三線”的限制下，當地政府對開發項目的前置條件增多，新能源開發的難度顯著增大。

目前主要通過建設儲能裝置（主要為抽水蓄能和電化學儲能）和火電靈活性改造等在一定程度上破解新能源發展瓶頸。但以上手段都不同程度存在一些問題：抽水蓄能適建性差，電化學儲能綜合度電成本高，火電靈活性改造會損傷發電企業經濟效益。

近日，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）評選出“2021年度化學領域十大新興技術”，氨的可持續生產（Hzber-Bosch工藝的綠色替代品）位列其中。氨是除氫以外另一種燃燒不產生碳排放的液體燃料，全球范圍內每年的產量約1.75億t[12]，是產量第二大的化學品，同時氨也是一種高密度的儲氫介質，易于壓縮和大規模儲存，未來可通過化學儲能構建綠氨多能耦合穩定電源系統，實現新能源電力的穩定輸出：即利用新能源高峰時段電力消納制得的綠氫和綠氮，實現合成氨生產過程的綠色化，同時進行綠氨存儲，在新能源電力低谷時段再作為液體燃料反哺給電網，削峰填谷式完成新能源的電力供應，解決其波動性和間歇性問題，最終形成穩定的電力輸出循環系統。另外通過氨氫轉換，使氨作為氫載體在終端裂解制氫，還能解決綠氫儲運規模化運輸和儲存成本高昂的問題。

圖2 中國各省區煤電標桿電價、2020年光伏競價以及2021年光伏發電可實現的最低價格比較

4 煤化工與新能源耦合

當前，新能源終端利用形式主要是電力，這限制了新能源的傳輸以及社會對其的消納潛力。通過將新能源電力與以煤化工為代表的工業系統相耦合，可以極大地提升對新能源的消納能力。煤化工與新能源的耦合包括兩個方面的內容，一是通過水電解制氫補充煤炭中不足的氫，顯著降低因變換造成的碳排放；在水電解的過程中副產高純度氧氣，空分裝置的規模也可縮減；兩者耦合可以避免40%～60%的碳排放，同時空分裝置、氣化裝置的規模以及煤炭的消耗量可顯著降低。二是結合儲能（包括儲熱）技術可將新能源轉變為電、蒸汽、熱、冷等能源，以新能源電力制備壓縮空氣、儀表風等其他公用工程介質，這樣傳統的燃煤鍋爐和動力中心可以取消，二氧化碳總排放量又可進一步降低。

4.1 高碳產品低碳開發

準東、哈密地區在地理位置上鄰近，屬于新疆“十四五”期間規劃建設的國家大型煤炭煤電、煤化工基地和國家新能源基地，當地煤炭資源，風、光資源十分豐富。準東、哈密地區未來可形成煤炭基地、煤化工區和新能源區，三大產業區相互耦合，實現一體化發展。圖3是煤炭-煤化工-新能源相互之間原料、能源循環利用關系。煤炭基地為煤化工提供原料煤分質梯級利用，主線為煤直接/間接液化、煤氣化、煤炭提質，洗選后產生的煤矸石和煤泥替代鍋爐燃煤生產蒸汽和電力，同時煤化工副產熱量也可供煤炭基地采暖。新能源基地為煤炭基地提供綠電，滿足煤炭開采電力需求及礦區小型車輛電動化用電需求；電解水提供綠氫大型車輛氫能需求；供熱儲能提供清潔熱力滿足礦區采暖需求。新能源基地為煤化工提供綠電滿足其電力需求；煤化工動力來自于新能源的電力鍋爐，可取消燃料煤消耗；提供綠氫用于煤氣化、液化加氫、氫碳平衡的用氫需求，提供綠氧用于滿足煤氣化的用氧需求。

圖3 綜合能源開發循環利用及深加工示意圖

新疆農業發達，對化肥需求量大。通過綠氫代替灰氫生產綠氨，可以代替傳統的合成氨路線。氨可進一步與二氧化碳結合生產尿素。以典型的30萬t/a合成氨、52萬t/a尿素裝置為例，每年可減少二氧化碳排放137萬t。綠氫也可以與高濃度二氧化碳結合生產綠色甲醇，80萬t/a綠色甲醇生產裝置每年可減少二氧化碳排放約110萬t。綠色甲醇可以用作煤制烯烴、芳烴或與石腦油耦合裂解裝置的原料、燃料或其他化工原料。同時煤化工副產的二氧化碳可用于新疆油田驅油及封存。

煤化工基地除了形成大規模、低成本的基礎化學品（甲醇、合成氨、芳烴）、大宗材料（聚乙烯、聚丙烯）、大宗油品和化纖原料等，還可繼續向下游延伸產業鏈，促進深加工，促使基礎化工產品、有機化工原料逐步向煤基生物可降解材料、高端合成樹脂、高性能纖維等高端化工新材料、煤基柴油、煤基特種燃料及載熱碳材料、針狀焦、碳纖維電極等高端炭素材料方向延伸，逐步形成煤基化纖產業與新疆紡織產業的一體化、綠色農業化學品產業一體化，優化產業結構及區域協調發展，帶動新疆地區經濟發展和就業。

4.2 多產業融合發展

依托綜合能源開發循環利用及深加工體系，可以整合區域資源，提供合成氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醇、芳烴、乙烯、丙烯、碳四、綠氫、綠氧等化工原料以及蒸汽、熱力、電力等各種類型的公用工程、輔助工程、三廢處理、分析化驗等服務。在此基礎上再進行產業鏈招商，充分發揮平臺的規模優勢、管理優勢，吸引產業鏈相關企業入駐，為其產業深加工配套相應的資源及基礎，進一步形成農業化學品、紡織化學品和礦用化學品產業等集群，進一步擴大綜合性能源、化工產業基地的規模和構成，融合集群發展，形成多元化發展的態勢。

此外，這類農化、紡化、礦化產業產品的高科技屬性將帶動大批服務和研發企業進駐，最終形成以煤炭、石油、化工和新能源為基礎，對外輸出大宗材料、基礎化學品、基礎油品、化纖原料、紡織品、農業化學品、礦用化學品等產品的超大型綜合能源開發利用基地，相關產業的投資規模可到上萬億元。

4.3 裝備制造高端化

“十四五”期間，新疆地區規劃新增4 000萬kW新能源裝機，對于新能源相關設備、生產原料的需求巨大。疆內能源化工企業可加大力度引進一批擁有自主知識產權、技術先進、綜合實力強的大型新能源發電以及儲能、電力裝備制造企業，推動新疆裝備制造產業升級，建設先進制造業基地。

首先，依托大規模的新能源開發吸引高端裝備制造業、風機、光伏制造業進駐。新能源相關制造涵蓋多晶硅生產、光伏制造、風力發電相關設備制造、新能源電場相關設備（匯流及變配電等）、儲能材料及裝備、電解制氫設備、氫能相關產業（燃料電池、加氫站及相關設備、氫能機車）等。其次，依托煤、油化工項目的建設和運營維護需求，吸引礦山機械改造、加氫機、大中型設備等相關裝備制造業進駐。

通過煤炭-煤化工-新能源一體化發展，可實現煤炭開采、煤化工/煤制油的高碳產品低碳化發展，整合區域內能源化工企業資源一體化開發優勢，打破各自發展的局面，共同構建多層次資源高效循環利用體系，共建共享，全面推行循環經濟、綠色發展理念。將傳統能源與新能源相關產業融合能夠顯著優化新疆既有的工業結構，增加先進制造業的比重，實現對傳統產業結構的調整和技術升級，達到高端化、多元化、低碳化發展。

5 構建綜合性能源走廊的思考

新疆新能源主要以電力的形式通過超高壓輸電線實現輸出，新能源電力的不穩定性、單一的輸出形式限制了其輸出能力和開發潛力。

從全國層面看，自新疆向東，內蒙古、陜西、山西、河北、山東、江蘇等省份同樣面臨低碳轉型、碳減排的巨大壓力，對綠色能源產品有著巨大的需求；沿線的新疆清潔能源基地、河西走廊清潔能源基地、黃河幾內灣清潔能源基地、冀北清潔能源基地可以提供清潔能源產品；未來可規劃建設貫通上述區域的綜合性能源走廊。

以綜合能源開發利用基地為基礎，新能源基地輸出的綠電通過電網，綠氫、綠氧通過管道實現跨區域輸送。早期，氫氣可通過天然氣管線（西氣東輸）外輸，后期可建設純氫輸送管線；煤炭、石油化學品通過鐵路輸送。由西向東通過綜合能源走廊將清潔能源產品輸送至內地，助力全社會的深度脫碳。具體而言，該走廊以電網、管道、鐵路等為輸送手段，綠電、綠氫、綠氧、合成氣、二氧化碳、氮氣、化學品/燃料、煤炭等為輸送介質，綠電通過電網實現跨區域輸送，電網難以消納的綠電通過電解制氫轉化為綠氫、綠氧，綠氫可并入沿途城市燃氣管道或滿足企業用氫需求，綠氧可供給沿途煤化工等企業用氧需求。新疆、陜西、內蒙古、山西均為我國主要煤炭產區，煤炭通過氣化轉化為高價值的合成氣，并通過合成氣管線實現遠距離輸送和消納，甲醇、乙二醇、間接液化及其他各種合成氣化工要求的氫碳比各異，結合綠氫管道，企業可以很方便的根據需要調配合成氣和綠氫的比例，滿足原料氣需求。對于二氧化碳管道，可以在山東、河北等重碳區負成本收購二氧化碳進管網，用作二氧化碳化工企業原料或供給油田作為驅油劑，二氧化碳可以自東向西上溯至上游富氫區轉化成化學品/液體燃料，進而實現全走廊對二氧化碳的消納。煤化工企業氮氣大量富余，綜合性能源走廊可吸納進入氮氣管道，并在沿線臨近布置綠氨生產和大規模的儲存設施，可方便地生產、儲存綠氨。在綠氫輸出谷底期，綠氨經催化裂解可制成綠氫和氮氣，保證整個管線氫氣輸出的穩定，氮氣回收進管網。通過智慧能源網絡，協調、調度整個走廊上煤炭、煤化工、新能源的物質流、信息流、價值流、能量流流動，維持走廊全系統穩定運行。綜合能源走廊構想如圖4所示。

圖4 綜合性能源走廊的構成示意圖

綜合能源走廊可破解新疆新能源輸出通道受限的瓶頸，可以支持沿線超大規模新能源電場的建設，可以利用煤炭和新能源互補性實現煤炭的高價值利用和輸出；其次，由于各種原料、能源的便利性，綜合能源走廊可以轉變成一個龐大的產業走廊；再次，因為大部分相關設施都臨近布置，總體可降低基礎設施建設的投資；最后，綜合能源走廊途徑國內諸多重碳區域，可以在碳減排總體目標的達成過程中發揮關鍵作用。綜合能源走廊還可以向西進一步延伸，可利用的基礎設施包括中亞石油管道、中俄油氣管道、中巴油氣管道等，依托綜合能源走廊繼續推進與中亞、西亞等“一帶一路”沿線國家在能源領域深層次、全方位、多元化的合作，帶動沿線國家聯動發展。

6 結論與建議

新疆傳統工業結構重碳特征明顯，面臨巨大的低碳轉型壓力，新形勢下的產業興疆應當依托當地資源稟賦并充分考慮當前的政策環境。新疆煤炭資源豐富，現代煤化工是實現煤炭高附加值利用的主要手段，對提升當地經濟與社會發展效應明顯。但在“雙碳”減排目標的約束下，煤化工發展必須更上一層樓，追求更低排放、更高質量。新疆新能源開發基礎條件極好，但當地消納能力有限，外送通道不足。通過將新能源與以煤化工為代表的工業體系相耦合，可以探索出一條煤化工低碳、綠色發展的新路徑，推動傳統產業高端化、多元化、低碳化發展邁上新臺階。

綜合性能源走廊是將新能源、傳統化石能源轉化為利于輸送、利用的能源或產品形式，利用電網、管道、鐵路等基礎設施實現跨區域消納的手段。綜合性能源走廊不僅可以實現新疆優勢能源資源的高值化利用，還能為沿線的工業系統、城市提供清潔能源產品、化工原料，促進全社會的深度脫碳，為“雙碳”目標的達成做出貢獻。

新能源耦合煤化工及綜合性能源走廊建設的探索，可把新疆的能源優勢轉化為經濟優勢、發展優勢，解決現存的產業發展痛點，來提高地區經濟水平并輻射全國、服務全國，開拓“一帶一路”沿線國外市場，改善民生，提升人民生活水平及幸福生活指數。