趨勢觀察丨國際碳中和行動關(guān)鍵技術(shù)前沿熱點與發(fā)展趨勢

氣候變化是全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）測算，若實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》1.5℃?控溫目標，全球必須在?2050?年達到二氧化碳凈零排放（又稱“碳中和”），即每年二氧化碳排放量等于其通過植樹等方式減排的抵消量。碳中和是應(yīng)對全球氣候危機的重要手段。目前，全球已有?137?個國家以政策宣示或立法等不同方式提出碳中和目標，其中大部分國家或區(qū)域計劃在?2050?年實現(xiàn)碳中和，如歐盟、美國、英國、加拿大、日本、新西蘭、南非等。少部分國家，如德國將碳中和目標提前到?2045?年。

科技創(chuàng)新是實現(xiàn)碳中和的核心驅(qū)動力，推動和依靠綠色技術(shù)創(chuàng)新作為共同的戰(zhàn)略選擇來實現(xiàn)碳中和目標已成為主要發(fā)達國家的共識。2020?年以來，發(fā)達國家通過制定面向碳中和的科技戰(zhàn)略與計劃，加快布局綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新。

例如：美國發(fā)布《清潔能源革命與環(huán)境正義計劃》《變革性清潔能源解決方案》；英國以《綠色工業(yè)革命的十點計劃》為基礎(chǔ)推出《凈零創(chuàng)新組合計劃》；日本政府陸續(xù)頒布《革新環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》《2050?碳中和綠色增長戰(zhàn)略》等。主要發(fā)達國家以“減排”和“增匯”為?2?條主線，聚焦“零碳能源體系構(gòu)建”“低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型”和“生態(tài)固碳增匯/碳捕獲、利用與封存（CCUS）”3?個維度。本文系統(tǒng)解讀國際碳中和行動的關(guān)鍵技術(shù)前沿熱點和發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上提出對我國碳中和技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略和計劃制定的啟示與建議。

零碳能源關(guān)鍵技術(shù)體系

零碳能源關(guān)鍵技術(shù)體系涉及傳統(tǒng)化石能源系統(tǒng)低排放轉(zhuǎn)型、新能源大規(guī)模使用和廣泛部署等。重點包括碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化、先進高效低排放燃燒發(fā)電等關(guān)鍵減排技術(shù)，以及氫、太陽能、風能等新能源利用技術(shù)。

催化過程和工藝革命性創(chuàng)新推進碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化

針對化石能源最本質(zhì)的碳資源清潔高效轉(zhuǎn)化利用問題，前沿熱點方向包括：碳基能源催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)途徑、催化劑及工藝開發(fā)、復(fù)雜催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的集成耦合與匹配，以及轉(zhuǎn)化過程多點源復(fù)雜污染物控制等。目前，碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化已經(jīng)探索出一些新的路線，部分已實現(xiàn)工程示范。預(yù)計未來?10—20?年煤炭分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、二氧化碳催化轉(zhuǎn)化技術(shù)將得到優(yōu)先發(fā)展。

新型熱力循環(huán)與高效熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)清潔燃燒與高效發(fā)電

先進高效低排放燃燒發(fā)電技術(shù)能夠有效減少化石能源作為燃料利用的碳排放，前沿熱點方向包括：靈活多源智能發(fā)電系統(tǒng)集成與協(xié)調(diào)控制、超高參數(shù)燃煤發(fā)電高效熱功轉(zhuǎn)換機制、新型工質(zhì)熱力循環(huán)與高效熱功轉(zhuǎn)換創(chuàng)新技術(shù)，以及多污染物協(xié)同控制等。未來持續(xù)朝著高效、節(jié)能、節(jié)水和低排放/零排放方向發(fā)展。預(yù)計到?2030?年，燃煤發(fā)電超低排放等先進技術(shù)得到全面推廣，將有望使燃煤發(fā)電實現(xiàn)近零排放，從而顯著降低煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境影響。

以可再生能源、先進核能、氫能、儲能技術(shù)為代表的碳零排關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵抓手，是建設(shè)低碳綠色能源體系、實現(xiàn)碳中和目標的核心工作。

高比例可再生能源系統(tǒng)被廣泛認為是引領(lǐng)全球能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型的主體

構(gòu)建高比例可再生能源系統(tǒng)，需要突破可再生能源高效、低成本、規(guī)?；_發(fā)利用的系列關(guān)鍵科學與技術(shù)前沿熱點問題，主要包括：先進可再生能源、靈活友好并網(wǎng)、新一代電力系統(tǒng)、多能互補與供需互動等關(guān)鍵核心技術(shù)。未來可再生能源利用將朝著多能互補、冷熱電聯(lián)產(chǎn)與綜合利用方向發(fā)展?？稍偕茉丛谀茉唇Y(jié)構(gòu)中的比重日益增加，預(yù)計到?2025?年可再生能源將成為世界第一大電力來源，到?2050?年占到發(fā)電量的近?90%、能源供應(yīng)總量的?2/3。其中，重點科技研發(fā)方向包括：以高效低成本光伏發(fā)電、人工光合系統(tǒng)制燃料與化學品為代表的新興技術(shù)；大型風電機組及部件關(guān)鍵技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的風電場設(shè)計與運維關(guān)鍵技術(shù)、大型風電機組測試關(guān)鍵技術(shù)，以及海上風電場設(shè)計、建設(shè)及開發(fā)成套關(guān)鍵技術(shù)等；高品位生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物質(zhì)能清潔制備與高效利用技術(shù)、能源植物基因重組育種、生物油精制原理、生物學系統(tǒng)氫能轉(zhuǎn)換原理等。

先進裂變堆研發(fā)及聚變堆實驗突破推進核能邁向安全高效可持續(xù)發(fā)展道路

先進核裂變能前沿熱點方向主要集中在開發(fā)固有安全特性的第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)、燃料循環(huán)利用及廢料嬗變堆技術(shù)?？煽睾司圩兦把責狳c研究方向則主要聚焦等離子體理論研究、耐受強中子輻射和高熱負荷材料開發(fā)和示范堆概念設(shè)計方面等主題研究。預(yù)計?2030?年前后，部分成熟的四代堆（如鈉冷快堆）將走向市場，之后逐漸擴大規(guī)模。磁約束可控核聚變預(yù)計?2030?年左右完成實驗堆的建設(shè)和滿功率運行，2050?年左右示范堆的工程設(shè)計及商業(yè)堆的預(yù)研和評估工作有望開展。

氫能是未來碳中和社會技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競爭新的制高點

前沿熱點方向包括：可再生能源電解制氫等綠色制氫技術(shù)，更高效、易運輸儲氫技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以及基于氫能的新型復(fù)合系統(tǒng)概念研究及驗證等。目前，可再生能源電解水制氫尚處于示范階段，太陽能光解水制氫等前沿技術(shù)仍處于實驗室開發(fā)階段；預(yù)計到?2030?年可再生能源電解水制氫技術(shù)將大規(guī)模部署，具備與藍氫（配備碳捕集的化石燃料制氫）成本相當?shù)母偁幜?。未來氫能?yīng)用逐漸向靈活、高效的多能融合場景發(fā)展。

下一代新型電化學儲能技術(shù)正處在一個重要突破關(guān)口

前沿熱點方向包括：開發(fā)全固態(tài)鋰電池、金屬-空氣電池、新概念化學電池等潛在顛覆性技術(shù)；重點開展充放電循環(huán)反應(yīng)機理研究、中間產(chǎn)物認知、界面優(yōu)化、新概念電池材料體系開發(fā)。未來電池儲能研究繼續(xù)向高能量密度、高比功率、快速響應(yīng)、高安全性、長壽命電池材料發(fā)展。預(yù)計到?2025?年前動力電池單體能量密度達?400 Wh/kg，2030?年達到?500 Wh/kg，并加速開發(fā)下一代鋰離子動力電池和新體系動力電池。最終實現(xiàn)在?21?世紀中葉前廣泛應(yīng)用長壽命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型電化學儲能技術(shù)。

多能融合能源系統(tǒng)是各國低碳轉(zhuǎn)型新的戰(zhàn)略競爭焦點

前沿熱點方向是解決能源的綜合互補利用、多能系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計，運行管理、能源系統(tǒng)智慧化等重大科技問題，以及開發(fā)多能互補系統(tǒng)變革性技術(shù)等。構(gòu)建多能融合綜合能源系統(tǒng)是能源發(fā)展大勢所趨，攻克能源生產(chǎn)、輸配、存儲、消費等環(huán)節(jié)的多能耦合和優(yōu)化互補核心技術(shù)，發(fā)展變革性智能化綠色過程技術(shù)體系，支撐高碳行業(yè)流程再造，解決能源轉(zhuǎn)化和工業(yè)生產(chǎn)過程的高能耗高排放難題，保障能源利用與生態(tài)文明同步協(xié)調(diào)發(fā)展。

低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)體系

工業(yè)、交通等高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)碳中和目標的重中之重，減排路徑包括源頭減排、革新技術(shù)和工藝流程再造、行業(yè)綠色低碳材料開發(fā)及末端治理等。技術(shù)創(chuàng)新是促進行業(yè)以成本效益實現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵。

可再生電力、生物質(zhì)能、氫等清潔燃料應(yīng)用是實現(xiàn)燃料端碳減排的重要途徑

前沿熱點方向包括：低成本可再生電力、高比例生物燃料替代化石燃料、技術(shù)與裝備強化、高溫工業(yè)過程氫燃料應(yīng)用、低品位余熱利用等。目前，在一些行業(yè)（如水泥、鋼鐵）已實現(xiàn)化石燃料的部分替代，預(yù)計到?2060?年清潔燃料替代將使工業(yè)部門化石燃料的使用量減少?60%—80%。

工藝技術(shù)變革和創(chuàng)新推動工業(yè)過程的碳減排

制氫結(jié)合?CCUS?是鋼鐵行業(yè)低碳工藝路徑的關(guān)鍵技術(shù)組合。前沿熱點方向包括：低成本綠氫制備、氫還原煉鐵、低成本大規(guī)模?CCUS?技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用等。全球氫和?CCUS?技術(shù)相結(jié)合已探索了多條低碳鋼工藝路線，預(yù)計?2050?年可實現(xiàn)商業(yè)化。CCUS?技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用前景廣闊，預(yù)計到?2050?年工業(yè)行業(yè)二氧化碳捕獲率將達到?90%，碳捕獲成本比?2020?年水平降低?40%。

低碳替代產(chǎn)品研發(fā)和碳循環(huán)利用是工業(yè)碳減排的另一重要方向

在水泥行業(yè)，前沿熱點方向包括：石灰石的零碳替代品開發(fā)、低碳水泥研發(fā)等。目前，已積極探索工業(yè)固廢、黏土、火山巖等部分替代石灰石，以非石化基材料完全替代石灰石是未來發(fā)展的重要趨勢?；ば袠I(yè)中，前沿熱點方向包括：可持續(xù)的生物或廢物基原料高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、綠色氫基大規(guī)模氨生產(chǎn)技術(shù)、碳循環(huán)利用新技術(shù)、分子煉油和多產(chǎn)化學品技術(shù)等。

節(jié)能和能效提升技術(shù)是交通部門實現(xiàn)短期脫碳的主要方式，能夠有效緩和不斷增長的能源需求。

交通部門綠色低碳轉(zhuǎn)型的前沿熱點方向包括：輕量化技術(shù)、發(fā)動機技術(shù)、機電耦合一體化技術(shù)和智能交通技術(shù)等。在技術(shù)創(chuàng)新的推動下，交通運輸工具的平均油耗和廢氣排放持續(xù)下降。提高輕質(zhì)合金和復(fù)合材料等性能、開拓新型工藝技術(shù)和智能網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)等技術(shù)是未來主要的攻關(guān)方向。

發(fā)展可持續(xù)性低碳燃料和電動化是交通部門實現(xiàn)中長期脫碳的關(guān)鍵。

前沿熱點方向包括：可再生植物/海洋藻類或其他有機廢物制成的生物燃料、氫能及氫基燃料和動力電池技術(shù)等。目前，部分低碳燃料在道路交通中處于示范階段，在航空和航海領(lǐng)域處于起步探索階段，動力電池技術(shù)已躋身世界前列。未來交通能源多元化發(fā)展將成為主流，下一代動力電池技術(shù)有望在?2030—2060?年逐步實現(xiàn)商業(yè)化。

生態(tài)固碳增匯/負排放關(guān)鍵技術(shù)體系

負碳排放關(guān)鍵技術(shù)包括生態(tài)固碳增匯、CCUS、直接空氣碳捕集（DAC）和碳循環(huán)利用等，這些技術(shù)重點解決生產(chǎn)活動中無法通過技術(shù)手段減排的碳，是實現(xiàn)碳中和目標技術(shù)組合的重要組成部分。

系統(tǒng)部署生態(tài)固碳增匯技術(shù)需要攻克一系列前沿熱點問題，既需要在采樣相對不足的地區(qū)開展更多的實地觀測，研發(fā)和優(yōu)化可正確刻畫碳循環(huán)復(fù)雜過程的地球系統(tǒng)模型；又需要繼續(xù)投資于天基衛(wèi)星觀測，建立生態(tài)碳儲量核算、碳匯能力提升潛力評估等方法，研究生態(tài)碳匯的關(guān)鍵影響因素與演化規(guī)律，評估生態(tài)系統(tǒng)增匯潛力及風險。此外，需要大力發(fā)展海洋碳匯技術(shù)——海洋儲碳周期可達數(shù)千年，負排潛力巨大。

CCUS?規(guī)模化部署仍然面臨一系列關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，前沿熱點方向包括：CCUS?與新能源體系的耦合發(fā)展、第二代捕集技術(shù)、化學鏈捕集技術(shù)、Allam?循環(huán)、低成本及低能耗的?CCUS?技術(shù)研究等。目前，第一代捕集技術(shù)發(fā)展?jié)u趨成熟，但成本和能耗偏高；而第二代捕集技術(shù)仍處于實驗室研發(fā)或小試階段，待技術(shù)成熟后，其能耗和成本會比成熟的第一代技術(shù)降低30%?以上，2035?年前后有望大規(guī)模推廣應(yīng)用?；瘜W鏈捕集技術(shù)尚處于實驗室階段，還未實現(xiàn)工程示范。生物利用技術(shù)總體處于初期發(fā)展階段。涉及?CCUS?過程的新型捕集技術(shù)、生物利用技術(shù)、CCUS?規(guī)?；?qū)替技術(shù)、風險防控能力的研究將是未來發(fā)展的重要趨勢。

DAC?能夠?qū)?shù)以億計的交通工具等分布源排放的二氧化碳進行捕集處理，從而有效降低大氣中的二氧化碳濃度，前沿熱點方向包括：開發(fā)新型吸附劑、新型接觸器、低成本的高容量?DAC?用再生材料、DAC系統(tǒng)的低碳電力耦合研究等。全球發(fā)展?DAC?的動力正在不斷增長。然而，DAC?在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展還處于初級階段，在實現(xiàn)商用之前還有很長的路要走；預(yù)計到?2030?年實現(xiàn)?DAC?技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建，2040?年實現(xiàn)?DAC?技術(shù)實用化。

碳循環(huán)利用是實現(xiàn)碳減排的重要途徑，也是世界性難題。目前，二氧化碳資源化利用產(chǎn)業(yè)化研究中化學轉(zhuǎn)化資源化利用、生物轉(zhuǎn)化資源化利用是當前的研究熱點。碳循環(huán)利用技術(shù)有望到?2030?年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。轉(zhuǎn)化路徑和高效催化劑研究、以二氧化碳為原料的高附加值化學品轉(zhuǎn)化、燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)將是未來研究的主要方向。目前，碳循環(huán)利用技術(shù)處于初級階段，預(yù)計?2040?年左右碳循環(huán)產(chǎn)品將得到廣泛使用。

結(jié)語與啟示

加強頂層設(shè)計科學引導研發(fā)創(chuàng)新

加強碳達峰、碳中和戰(zhàn)略頂層設(shè)計，分析不同行業(yè)能源相關(guān)碳排放現(xiàn)狀和機制，探討能源相關(guān)減排技術(shù)潛力。密切跟蹤國際綠色科技前沿熱點研究，制定支撐碳達峰、碳中和目標的中長期技術(shù)發(fā)展路線圖和行動方案，明確主要目標、重點任務(wù)和時間節(jié)點。

強化核心關(guān)鍵技術(shù)的科學攻關(guān)

推動新一代可再生能源、綠氫、儲能、智慧能源、綠色化工、零能耗建筑、新能源交通、綠色智能社會等前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)的重點突破。加快推進高效節(jié)能低碳技術(shù)及?CCUS、生態(tài)增匯等技術(shù)示范應(yīng)用，推動新一代數(shù)字化技術(shù)在清潔能源、節(jié)能和能效等領(lǐng)域的融合創(chuàng)新。

打造貫通創(chuàng)新價值鏈的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)

探索碳減排、碳零排、碳負排等關(guān)鍵技術(shù)的共性科學問題，開展從基礎(chǔ)研究、技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化的全鏈條攻關(guān)。構(gòu)建支撐碳中和目標能源技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)學研全鏈條創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，促進創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，促進成果的高效轉(zhuǎn)化。

構(gòu)建科學高效的創(chuàng)新平臺體系

建立科技創(chuàng)新平臺體系是產(chǎn)出高水平成果，培育高層次人才，實現(xiàn)科技創(chuàng)新的重要組織形式和有效手段。因此，為了更好推動支撐碳中和目標的能源科技創(chuàng)新，需要優(yōu)化布局面向碳中和重大科技需求的國家科技創(chuàng)新基地體系，設(shè)立相應(yīng)的國家重點實驗室、國家工程研究中心、國家技術(shù)創(chuàng)新中心等，建立穩(wěn)定的支持機制和聯(lián)合攻關(guān)機制。