碳达峰和碳中和战略目标对全球经济与社会发展意义非凡。碳达峰和碳中和的深层次问题实为能源问题。“双碳”战略能够推动与传统能源相关的产业突破发展瓶颈、加速转型升级，是未来中国经济发展的强劲驱动力。能源动力行业是中国碳排放大户，也是构建新型能源系统与产业革命的主战场。新能源系统替代传统能源，化石燃料高效清洁利用是实现“双碳”目标的主导方向。但中国的资源禀赋和能源现状决定未来一段时间仍将继续依赖传统化石燃料。日趋成熟的碳捕集、封存和利用技术也因高成本、高能耗面临产业界的强大阻力。在能源动力行业转型过渡期，形成更高效、经济的化石燃料利用策略并减少碳排放至关重要。而且，从长远看，必须面向人类的未来探索一条新的零排放发电技术路线。
研究方法
梳理了“双碳”背景下，碳捕集、利用与封存等相关能源和化工技术的现状与挑战。通过分析碳氢源催化裂解、碳材料制备，和燃氢发电等多项前沿技术的关键技术挑战，提出了一条革命性的化工与能源技术相结合的零排放发电技术路线。并论证了该技术路线的可行性，以期为未来技术研发和应用提供参考。
成果简介
提出如图１所示的化石能源脱碳制氢增值化利用技术路线，在推动能源转型进程中，以一种更高效、经济的策略实现化石燃料的清洁利用。该路线的技术内涵为：将化石燃料作为资源提供碳氢源，碳氢源（以甲烷和丙烯等为主）经大规模催化裂解制备氢气供给能源与动力行业，同时通过调控催化剂和反应温度制备高质量的碳纳米管等高附加值碳材料，用作电池及超级电容器的电极材料等。该技术路线可有效降低电池成本，大量生产电池用于储能，支持构建分布式能源结构，提高清洁能源（如生物质能、太阳能等）的利用效率；助力发展储能调峰，解决电力消纳问题，构建新型电力系统；此外，催化裂解制备的氢气也可用于燃料电池的研发和生产。
图１ 化石能源脱碳制氢增值化利用技术路线
图１所示技术路线涉及化学工程、新型材料、储能技术、能源动力等多个学科方向，亦涉及电力和化工行业的耦合协作问题。当前关于催化裂解、碳材料、电池、氢能利用等各个环节的研究相对分散，缺乏各技术环节的有机融合，故仍需在多方面开展研究，以形成一套完整的系统性技术路线。催化裂解实现碳氢分离是多种技术结合的连接点。通过该技术路线，一方面，可制备用于发电的清洁氢气；另一方面，可提取高品质碳材料。
中国能源动力行业发展氢能符合未来国际能源的发展趋势。随着各类可再生能源使用比例逐渐增加，氢燃气轮机和联合循环燃气轮机将提升电力系统的灵活性，保证电网稳定，同时显著减少二氧化碳排放。对该技术路线的经济性分析结果表明：
（1）相较于诸多制氢技术，甲烷催化裂解技术由于具有低二氧化碳排放，可生产高附加值固体碳产品等优势，最适合被选用为燃氢电厂的现场制氢技术；
（2）经模拟研究发现以天然气作为初始燃料、具有甲烷催化裂解现场制氢单元的燃氢电厂在多因素影响下，相对于普通天然气电厂仍保有发电成本上的优势。
这不仅能满足经济发展需求，还能极大降低碳排放甚至实现零排放。从更长远的战略角度分析，综合利用化石能源，并把碳材料和煤化工、电力等产业深度整合，将会是未来降低碳材料成本的核心，由此助力储能等领域的发展。而且高附加值的碳材料可为企业带来可观的（甚至高于发电主业务的）利润，解决困扰行业碳减排技术发展和普及的难题，推动“双碳”战略目标的实现。
作者简介
俞和胜，江苏特聘教授、博士生导师。主要研究方向包括空气污染治理、废水处理、人工智能工程应用等资源、环境领域。主持“江苏特聘教授”项目、国家自然科学基金面上项目、加拿大自然科学基金企业博士后研发基金（NSERC IRDF）等创新创业及人才项目。先后在Environmental Science & Technology、Small、Environment International、Chemical Engineering Journal 等知名期刊以第一或通讯作者发表高水平SCI论文34篇（影响因子10+的文章共计13篇）。2017年直接破格教授入职中国矿业大学化工学院，先后入选江苏特聘教授、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“双创”博士、中国矿业大学“高端人才计划”攀登学者；担任国家自然科学基金评审专家、江苏省侨联特聘专家。2021–2022年任滑铁卢大学访问教授。
谭忠超，加拿大国家工程院院士。现任东方理工大学创校讲席教授，曾任滑铁卢大学机械与机电工程系教授、化学工程系兼职教授、滑铁卢大学工学院副院长（国际合作）和清华–滑铁卢能源环境技术联合研究中心执行主任。1991–1999年就读于清华大学能源与动力工程系（原热能工程系），先后于1996年和1999年获学士和硕士学位。2004年获美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）农业与生物工程系生物环境专业博士学位。其科研方向包括纳米纤维材料、清洁能源、空气净化、化工材料分离技术等。其学术著作的全球下载量超过170万余次，其专利技术及科研成果为加拿大工业界在可持续发展行业保持全球竞争力做出了重大贡献。
文章信息
俞和胜,祁海鹰,谭忠超.“双碳”背景下传统化石能源脱碳制氢增值化利用技术[J].清华大学学报(自然科学版),2023,63(08):1226-1235.DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.017.
期刊介绍
《清华大学学报（自然科学版）》创刊于1915年，已有百年历史，是中国最早同时以大学校名和“学报”冠名的期刊。《清华大学学报（自然科学版）》现由清华大学出版社出版，月刊。作为名副其实的“老字号”期刊，众多学术权威的力作与莘莘学子的处女作在其上交相辉映，使之成为清华大学自强不息、厚德载物的科学精神的见证。
《清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊奖提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。