氣候變化是當(dāng)今全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一。自第一次工業(yè)革命以來，煤、石油、天然氣等化石能源的發(fā)現(xiàn)和利用極大提高了勞動生產(chǎn)率，推動了人類社會大繁榮、大發(fā)展，同時也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題和氣候變化問題。
200 多年來，化石能源燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）累計已達 2.2 萬億噸，全球大氣中 CO2濃度持續(xù)上升。特別是近半個多世紀(jì)來，CO2 濃度呈現(xiàn)快速增長的趨勢（圖 1），2021 年 4 月大氣中 CO2 的體積分數(shù)已達到了 419×10−6 ，全球地表平均溫度已升高 1.1℃。
圖1 第一次工業(yè)革命以來全球大氣中CO2 體積分數(shù)變化
數(shù)據(jù)來源：斯克利普斯海洋研究所
2018 年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布《全球升溫 1.5℃ 特別報告》，報告指出已經(jīng)觀察到的全球氣溫升高的事實，以及氣溫升高給人類造成的影響遠遠高于早期預(yù)測，2℃ 溫升給世界造成的影響將難以承受，人類必須把溫升控制在 1.5℃。以 CO2 為主的溫室氣體排放所導(dǎo)致的全球氣候變暖，已成為全球性的非傳統(tǒng)安全問題，嚴(yán)重威脅著人類的生存和可持續(xù)發(fā)展。
我國碳達峰、碳中和承諾的提出，不僅彰顯了我國作為世界大國的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也是推動我國能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的自身發(fā)展需要，對我國實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，建設(shè)人與自然和諧共生的社會主義現(xiàn)代化強國具有重要戰(zhàn)略意義。
一、我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)面臨的挑戰(zhàn)
改革開放 40 余年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，2019 年我國的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）總量超過 14 萬億美元，居全球第 2 位；但人均 GDP 剛突破 1 萬美元，排在全球 67 位（圖 2）。作為世界最大的發(fā)展中國家，我國的發(fā)展不平衡不充分問題仍然突出，面臨著發(fā)展經(jīng)濟、改善民生等一系列艱巨任務(wù)；我國能源需求還在不斷增加，碳排放仍處于上升階段，尚未達到峰值。在經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，如何轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和，這是第一大挑戰(zhàn)。
圖2 2019 年全球GDP（a）及人均GDP（b）排名前20 位的國家
數(shù)據(jù)來源：世界銀行
從能源消費總量來看，2020 年我國能源消費總量世界第一，占比超過全球總量的 1/4，CO2 排放占全球總量的 1/3。從能源消費結(jié)構(gòu)來看（圖 3），我國仍以化石能源消費為主，2020 年占比超過 84%；我國能源消費仍有一半以上的來源是煤炭，遠高于全球能源消費結(jié)構(gòu)中的煤炭占比。從我國發(fā)電類型來看，2020 年全國總發(fā)電量中 68% 來自于火電。根據(jù)我國不同行業(yè)碳排放數(shù)據(jù)來看（圖 4），發(fā)電與熱力（占比 51%）和工業(yè)（占比 28%）是我國來源最大的 2 個碳排放行業(yè)。從碳達峰時間看，20 世紀(jì) 90 年代之前歐盟主要國家已實現(xiàn)碳達峰，美國也于 2007 年實現(xiàn)碳達峰。歐盟主要國家提出 2050 年實現(xiàn)碳中和，從實現(xiàn)碳達峰到碳中和有 60 年以上時間；而我國因起步較晚，要實現(xiàn)碳達峰（2030 年）到碳中和（2060 年）的目標(biāo)，時間只有歐盟主要國家的一半不到。這意味著，我國需要用更短的時間，將占比達 84% 的化石能源轉(zhuǎn)變成凈零碳排放能源體系，時間緊、任務(wù)重，這是第二大挑戰(zhàn)。
圖3 2020 年全球能源消費結(jié)構(gòu)（a），以及中國的能源消費結(jié)構(gòu)（b）和電力結(jié)構(gòu)（c）
數(shù)據(jù)來源：英國石油公司、中國電力企業(yè)聯(lián)合會
圖4 1990—2018 年我國不同行業(yè)碳排放
數(shù)據(jù)來源：國際能源署
從氣候變化和溫室氣體控制的社會層面看，我國在百姓意愿、企業(yè)認同、技術(shù)儲備、市場機制、法律法規(guī)等方面與發(fā)達國家相比，明顯滯后。例如：自《京都議定書》生效后，世界主要國家及地區(qū)紛紛建立區(qū)域內(nèi)的碳交易體系，以實現(xiàn)碳減排承諾的目標(biāo)；2005—2015 年，已建成遍布四大洲的 17 個碳交易體系，而 2021 年 7 月我國全國碳排放權(quán)交易才正式上線。我國碳交易體系亟待迎頭趕上，這是第三大挑戰(zhàn)。
為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，我國必須加速推進面向碳達峰、碳中和的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，進行能源革命，在能源供給、能源消費、能源技術(shù)和能源體制等方面實現(xiàn)新突破和新跨越。
二、碳中和愿景下的能源變革
碳中和是一場綠色革命，將構(gòu)建全新的零碳產(chǎn)業(yè)體系——如果沒有顛覆性、變革性技術(shù)突破，不可能實現(xiàn)碳中和。未來能源變革將呈現(xiàn)“五化”：從能源供給側(cè)看，是電力零碳化、燃料零碳化；從能源需求側(cè)看，能源利用高效化、再電氣化、智慧化（圖 5）。最終使我國建成以新能源為主體，“化石能源+二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）”和核能為保障的未來清潔零碳、安全高效能源體系。
圖5 面向碳中和的能源變革
從能源供給側(cè)看未來能源變革
1.電力零碳化
目前全球高達 41% 的碳排放來自于電力行業(yè)，我國更是高達 51% 碳排放來自于發(fā)電和熱力，電力脫碳與零碳化是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。
1.要實現(xiàn)電力脫碳與零碳化，首先要大力發(fā)展可再生能源發(fā)電。
近 10 年來，我國可再生能源實現(xiàn)跨越式發(fā)展，可再生能源開發(fā)利用規(guī)模穩(wěn)居世界第一。2020 年我國可再生能源發(fā)電量占比全社會用電量 29.5%，總發(fā)電量達到 2.2 萬億千瓦時；截至當(dāng)年年底，我國可再生能源發(fā)電裝機占比總裝機 42.4%，總規(guī)模已達到 9.3 億千瓦（圖 6）。
圖6 截至2020 年底我國分類型發(fā)電裝機容量
數(shù)據(jù)來源：國家能源局
可再生能源發(fā)電成本也在不斷下降，全球光伏發(fā)電成本在過去 10 年（2010—2020 年）下降了 85% 左右。2021 年 6 月國家電力投資集團公司在四川甘孜州正斗一期 20 萬千瓦光伏項目上報出 0.1476 元/千瓦時低價，創(chuàng)下中國光伏電站項目最低價紀(jì)錄。據(jù)預(yù)測，我國風(fēng)電和光伏裝機到 2030 年可達 16 億—18 億千瓦，2050 年將超過 50 億千瓦。
2.要實現(xiàn)電力脫碳與零碳化，核心是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
高比例新能源和海量負荷的雙重隨機性與波動性，給電網(wǎng)功率平衡和安全運行帶來了很大挑戰(zhàn)，亟須變革“源隨荷動”的傳統(tǒng)電力供給模式，提高電力系統(tǒng)靈活性。要重點突破區(qū)域電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲”的深度互動與調(diào)控方法，提升電力電子化電力系統(tǒng)韌性、進行基于大數(shù)據(jù)電力供給和需求的預(yù)測與管理、建立電力分散自治互信交易機制。
要深化電力體制改革，創(chuàng)新電力市場機制和商業(yè)模式。依賴遍布全國的分布式光伏發(fā)電和風(fēng)電，將每一個建筑物轉(zhuǎn)化為微型發(fā)電廠，大力發(fā)展虛擬電廠、智能微電網(wǎng)和儲能技術(shù)，部署更多的新能源裝機容量，發(fā)出與消納更多的新能源電量，使常規(guī)火力發(fā)電從現(xiàn)在的基荷電力轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電力，實現(xiàn)電力脫碳與零碳化。
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一項重大變革，德國的經(jīng)驗值得借鑒。德國先后宣布 2022 年棄核和 2038 年棄煤，2050 年構(gòu)建全部 100% 采用可再生能源的用能體系。德國在推進可再生能源發(fā)展中立法先行，建立起遍布全國的分布式光伏發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電及儲能機組；通過基于大數(shù)據(jù)的電力供給側(cè)和需求側(cè)的預(yù)測與管理，以及基于互聯(lián)網(wǎng)的電力交易和服務(wù)平臺，有效促進可再生能源消納，提高電網(wǎng)的供需平衡。在德國，高比例的可再生能源已使常規(guī)火電從基荷電力轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電力，成功實現(xiàn)了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
3.要實現(xiàn)電力脫碳與零碳化，化石能源發(fā)電可通過 CCUS 實現(xiàn)凈零碳排放。
CCUS 是目前實現(xiàn)大規(guī)模化石能源零碳排放利用的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合 CCUS 的火電將平衡可再生能源發(fā)電的波動性，提供保障性電力和電網(wǎng)靈活性。“新能源發(fā)電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術(shù)組合，它們間的深度協(xié)同將成為未來清潔零碳、安全高效能源體系的關(guān)鍵。
根據(jù)國際能源署（IEA）研究結(jié)果，可持續(xù)發(fā)展情景下，2045 年前全球?qū)⑻蕴蟹翘疾东@與封存（CCS）煤電機組，將有 1 000 太瓦時的電力由煤電結(jié)合 CCS 技術(shù)生產(chǎn)。因此，要加大 CCUS 技術(shù)研發(fā)投入，降低成本及能耗：研發(fā)新型吸收劑、吸附劑和膜分離材料，針對碳捕集、分離、運輸、利用、封存及監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)開展核心技術(shù)攻關(guān)；要盡快建立 CCUS 標(biāo)準(zhǔn)體系及管理制度、CCUS 碳排放交易體系、財稅激勵政策、碳金融生態(tài)，推動火電機組百萬噸級 CO2 捕集與利用技術(shù)應(yīng)用示范，實現(xiàn) CCUS 市場化、商業(yè)化應(yīng)用。
2.燃料零碳化
燃料零碳化是以太陽能、風(fēng)能等可再生能源為主要能量制取可再生燃料，包括氫、氨和合成燃料等。基于零碳電力的可再生燃料制取（圖 7），將創(chuàng)建一種全新的“源-儲-荷”離線可再生能源利用形式，有望使交通和工業(yè)燃料獨立于化石能源，實現(xiàn)燃料凈零碳排放。可再生燃料是一項極具潛力的變革性技術(shù)，可為國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型與碳中和目標(biāo)實現(xiàn)提供全新的解決方案。
圖7 基于零碳電力的可再生燃料制取
可再生合成燃料是利用可再生能源通過電催化、光催化、熱催化等轉(zhuǎn)化還原 CO2，以合成碳氫燃料或醇醚燃料，具有能量密度高、輸運和加注方便、可利用目前加油站等基礎(chǔ)設(shè)施、社會應(yīng)用成本低等優(yōu)點。諾貝爾化學(xué)獎得主喬治·安德魯 · 歐拉（George Andrew Olah）等于 2006 年在著作《跨越油氣時代：甲醇經(jīng)濟》中提出了利用可再生能源將工業(yè)排放及自然界的 CO2 轉(zhuǎn)化為碳中性醇醚燃料的觀點。
2018 年施春風(fēng)、張濤、李靜海、白春禮 4 位院士聯(lián)合在 Joule 發(fā)文提出，如果人類想要獲取、儲存及供給太陽能，關(guān)鍵就在于如何將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可儲存、高能量的化學(xué)燃料，“液態(tài)陽光”將可能成就未來世界。近年來，通過可再生能源來轉(zhuǎn)化 CO2 制備合成燃料技術(shù)引起了世界主要發(fā)達國家和地區(qū)的高度關(guān)注。冰島碳循環(huán)國際公司（Carbon Recycling International）在冰島建成了世界上第一座基于 CO2 循環(huán)利用的商業(yè)化甲醇工廠，通過地?zé)岚l(fā)電，電解水制氫氣（H2），進一步與 CO2 合成可再生甲醇；2014 年該公司甲醇產(chǎn)能達到 4 000 噸。
2020 年 10 月中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團隊千噸級“液態(tài)陽光”燃料合成示范項目在蘭州成功運行。歐盟啟動 Energy-X 項目，以 CO2 為介質(zhì)來探究碳基能源的循環(huán)利用；美國能源部成立“液態(tài)陽光聯(lián)盟”（Liquid Sunlight Alliance，LiSA），聚焦 CO2 光/電還原液體燃料；上海交通大學(xué)成立了可再生合成燃料研究中心，目標(biāo)是研發(fā)基于零碳電力的可再生合成燃料系統(tǒng)。牛津大學(xué) Hepburn 等 在 Nature 上發(fā)文預(yù)測到 2050 年全球?qū)⒂?42 億噸 CO2 被轉(zhuǎn)化為合成燃料。
要真正實現(xiàn)通過陽光、水、CO2 獲取可再生合成燃料，亟待開展可再生合成燃料的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。針對 CO2 還原轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，基于燃料與動力裝置相互作用及調(diào)控機制，進行可再生合成燃料設(shè)計；從分子水平上建立催化劑構(gòu)效關(guān)系，實現(xiàn)高效 CO2 還原催化劑體系的設(shè)計與功能化定制；進而構(gòu)建高能效的 CO2 還原合成燃料系統(tǒng)，實現(xiàn) CO2 到液體燃料分子的高選擇性轉(zhuǎn)化和可再生燃料的合成。
從能源需求側(cè)看未來能源變革
在能源需求側(cè)，要加快實現(xiàn)能源利用的高效化、再電氣化和智慧化。
1.高效化
能源利用高效化、節(jié)能減碳是碳達峰、碳中和最基礎(chǔ)的重要工作。2012 年以來我國單位 GDP 能耗累計降低 24.4%，明顯高于全球平均降速；但是，值得注意的是 2019 年我國單位 GDP 能耗仍高于全球平均水平 50%，是英國、日本的 3 倍左右 ，節(jié)能減碳潛力可觀。我國要加大節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、減碳等先進技術(shù)研發(fā)和推廣力度，全面推進電力、工業(yè)、交通、建筑等重點領(lǐng)域節(jié)能減碳；加快對電力、鋼鐵、石化化工、有色金屬、建材等高耗能、高碳排放行業(yè)企業(yè)，以及交通運輸車輛設(shè)備和公共建筑，實施節(jié)能和減碳技術(shù)改造，以降低單位 GDP 能耗和碳排放強度。
2.再電氣化
再電氣化是指在傳統(tǒng)電氣化基礎(chǔ)上，實現(xiàn)基于零碳電力的高度電氣化；未來碳中和社會的能源一定是圍繞零碳電力展開的。2018 年全球電氣化水平即電能占終端能源消費的比重僅為 19%，我國為 25.5%，預(yù)計 2050 年全球電氣化水平將高于 50%。在加速零碳電力供給的基礎(chǔ)上，加快工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域的再電氣化，這是提高能源利用效率、實現(xiàn)能源利用脫碳和零碳的重要途徑。
3.智慧化
智慧化是通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)等信息與控制技術(shù)，將人、能源設(shè)備及系統(tǒng)、能源服務(wù)互聯(lián)互通，使電源、電網(wǎng)、負荷和能源存儲深度協(xié)同，實現(xiàn)能源流與信息流的高度融合。
把多種多樣的分布式發(fā)電源和海量的負荷通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架起來，給每個單元賦予智能，實現(xiàn)能源生產(chǎn)、交易、利用的高效化，以及能源基礎(chǔ)設(shè)施的共享，這是提高能源利用效率、最大限度就地消納可再生能源的重要手段。區(qū)塊鏈技術(shù)使數(shù)據(jù)或信息具有“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特征，將改變能源系統(tǒng)生產(chǎn)和交易模式，實現(xiàn)點對點新能源生產(chǎn)、交易、基礎(chǔ)設(shè)施共享。例如，未來人們通過手機應(yīng)用程序（APP）就能方便地把自家屋頂多余的光伏電賣給附近需要給電動汽車充電的陌生人，這種點對點的交易系統(tǒng)使能源系統(tǒng)中各節(jié)點成為獨立的產(chǎn)消者。
3.能源發(fā)展大趨勢
面向碳中和的能源發(fā)展大趨勢是通過能源變革，大力推進能源供給側(cè)的電力脫碳與零碳化、燃料零碳化，以及能源需求側(cè)的能源利用高效化、再電氣化和智慧化。化石能源尤其是煤炭將轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ闲阅茉矗ㄟ^ CCUS 實現(xiàn)化石能源凈零碳排放，同時穩(wěn)步發(fā)展核電；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建以新能源為主體、“化石能源+CCUS”和核能為保障的未來清潔零碳、安全高效能源體系。
1.在能源生產(chǎn)形式上，將從現(xiàn)有電力系統(tǒng)自頂向下的樹狀結(jié)構(gòu)（發(fā)電—輸電—配電—用電）走向扁平化、大量分布式能源自治單元之間相互對等互聯(lián)的結(jié)構(gòu)。這種能源互聯(lián)使可再生能源分層接入與消納得以實現(xiàn)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
2.在能源生產(chǎn)和消費的主體上，將從能源生產(chǎn)者、消費者互相獨立轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉串a(chǎn)銷者一體。隨著分布式能源系統(tǒng)和智能微網(wǎng)、局域網(wǎng)技術(shù)的日益成熟及電動汽車普及，電網(wǎng)中分散電源和有源負荷將不斷增長，每一個建筑物轉(zhuǎn)化為微型發(fā)電廠，原本需求側(cè)的用戶將扮演消費者和生產(chǎn)者的雙重角色，成為獨立的能源產(chǎn)消者。
3.在能源結(jié)構(gòu)上，化石能源從主體能源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ闲阅茉矗谝淮文茉聪M中的占比將大幅降低，可再生能源從補充能源變?yōu)橹黧w能源，比例會持續(xù)大幅度提高。能源利用從高碳走向低碳，最后走向零碳能源的時代，這種變化將是革命性和顛覆性的。
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