气候变化是当今全球面临的重大挑战之一。自第一次工业革命以来，煤、石油、天然气等化石能源的发现和利用极大提高了劳动生产率，推动了人类社会大繁荣、大发展，同时也产生了严重的环境问题和气候变化问题。200多年来，化石能源燃烧所产生的二氧化碳（CO2）累计已达2.2万亿吨，全球大气中CO2浓度持续上升。特别是近半个多世纪来，CO2浓度呈现快速增长的趋势（图1），2021年4月大气中CO2的体积分数已达到了 419×10−6，全球地表平均温度已升高 1.1℃。2018年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布《全球升温1.5℃特别报告》指出已经观察到全球气温升高的事实，以及气温升高给人类造成的影响远远高于早期预测，2℃的温度升高给世界造成的影响将难以承受，人类必须把温度升高控制在1.5℃。以CO2为主的温室气体排放所导致的全球气候变暖，已成为全球性的非传统安全问题，严重威胁着人类的生存和可持续发展。

 

为了对全球生态文明和构建人类命运共同体作出中国贡献，2020年9月中国宣布二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。我国碳达峰、碳中和承诺的提出，不仅彰显了我国作为世界大国的责任和担当，也是推动我国能源结构、产业结构、经济结构转型升级的自身发展需要，天辰测速官网对我国实现高质量发展，建设人与自然和谐共生的社会主义现代化强国具有重要战略意义。

 

 

我国实现碳达峰、碳中和目标面临的挑战

 

改革开放40余年来，我国经济高速发展，2019年国内生产总值（GDP）总量超过14万亿美元，居全球第二位；但人均GDP 刚突破1万美元，排在全球67位（图2）。作为世界最大的发展中国家，我国的发展不平衡不充分问题仍然突出，面临着发展经济、改善民生等一系列艰巨任务；我国能源需求还在不断增加，碳排放仍处于上升阶段，尚未达到峰值。在经济社会发展的同时，如何转变能源结构、产业结构、经济结构，实现碳达峰、碳中和，这是第一大挑战。

 

从能源消费总量来看，2020 年我国能源消费总量世界第一，占比超过全球总量的 1/4，CO2排放占全球总量的 1/3。从能源消费结构来看（图3），我国仍以化石能源消费为主，2020年占比超过84%；我国能源消费仍有一半以上的来源是煤炭，远高于全球能源消费结构中的煤炭占比。从我国发电类型来看，2020年全国总发电量中68%来自于火电。根据我国不同行业碳排放数据来看（图4），发电与热力（占比51%）和工业（占比28%）是我国来源最大的两个碳排放行业。从碳达峰时间看，20世纪90年代之前欧盟主要国家已实现碳达峰，美国也于2007年实现碳达峰。欧盟主要国家提出2050年实现碳中和，从实现碳达峰到碳中和有60年以上时间；而我国因起步较晚，要实现碳达峰（2030年）到碳中和（2060年）的目标，时间只有欧盟主要国家的一半不到。这意味着，我国需要用更短的时间，将占比达84%的化石能源转变成净零碳排放能源体系，时间紧、任务重，这是第二大挑战。

 

 

 

 

 

从气候变化和温室气体控制的社会层面看，我国在百姓意愿、企业认同、技术储备、市场机制、法律法规等方面与发达国家相比，明显滞后。例如：自《京都议定书》生效后，世界主要国家及地区纷纷建立区域内的碳交易体系，以实现碳减排承诺的目标，2005~2015年，天辰测速官网已建成遍布四大洲的17个碳交易体系，而2021年7月我国全国碳排放权交易才正式上线。我国碳交易体系亟待迎头赶上，这是第三大挑战。

 

为应对上述挑战，我国必须加速推进面向碳达峰、碳中和的经济社会系统性变革，进行能源革命，在能源供给、能源消费、能源技术和能源体制等方面实现新突破和新跨越。

 

碳中和愿景下的能源变革

 

碳中和是一场绿色革命，将构建全新的零碳产业体系。如果没有颠覆性、变革性的技术突破，不可能实现碳中和。未来能源变革将呈现“五化”：从能源供给侧看，是电力零碳化、燃料零碳化；从能源需求侧看，能源利用高效化、再电气化、智慧化（图5），最终使我国建成以新能源为主体、化石能源+二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）和核能为保障的清洁零碳、安全高效能源体系。

 

 

 

1.电力零碳化

 

目前全球高达41%的碳排放来自于电力行业，我国更是高达51%的碳排放来自于发电和热力，电力脱碳与零碳化是实现碳中和目标的关键。

 

要实现电力脱碳与零碳化，首先要大力发展可再生能源发电。近10年来，我国可再生能源实现跨越式发展，可再生能源开发利用规模稳居世界第一。2020年我国可再生能源发电量占比全社会用电量29.5%，总发电量达到2.2万亿千瓦时；截至当年年底，我国可再生能源发电装机占比总装机42.4%， 总规模达到9.3亿千瓦（图6）。可再生能源发电成本也在不断下降，全球光伏发电成本在过去10年（2010~2020年）下降了85% 左右。2021年6月国家电力投资集团公司在四川甘孜州正斗一期20万千瓦光伏项目上报出0.1476元/千瓦时的低价，创下中国光伏电站项目最低价纪录。据预测，我国风电和光伏装机到2030年可达16亿~18亿千瓦，2050年将超过50亿千瓦。

 

要实现电力脱碳与零碳化，核心是构建以新能源为主体的新型电力系统。高比例新能源和海量负荷的双重随机性与波动性，给电网功率平衡和安全运行带来了很大挑战，亟须变革“源随荷动”的传统电力供给模式，提高电力系统灵活性。要重点突破区域电力系统“源网荷储”的深度互动与调控方法，提升电力电子化电力系统韧性、进行基于大数据电力供给和需求的预测与管理、建立电力分散自治互信交易机制。要深化电力体制改革，创新电力市场机制和商业模式。依赖遍布全国的分布式光伏发电和风电，将每一个建筑物转化为微型发电厂，大力发展虚拟电厂、智能微电网和储能技术，部署更多的新能源装机容量，发出与消纳更多的新能源电量，使常规火力发电从现在的基荷电力转变为调峰电力，实现电力脱碳与零碳化。

 

构建以新能源为主体的新型电力系统是一项重大变革，德国的经验值得借鉴。德国先后宣布2022年弃核和2038年弃煤，2050年构建全部100%采用可再生能源的用能体系。德国在推进可再生能源发展中立法先行，建立起遍布全国的分布式光伏发电、风电、生物质发电及储能机组；通过基于大数据的电力供给侧和需求侧的预测与管理，以及基于互联网的电力交易和服务平台，有效促进可再生能源消纳，提高电网的供需平衡。在德国，高比例的可再生能源已使常规火电从基荷电力转变为调峰电力，成功实现了能源结构转型。

 

要实现电力脱碳与零碳化，化石能源发电可通过CCUS实现净零碳排放。CCUS是目前实现大规模化石能源零碳排放利用的关键技术，结合CCUS的火电将平衡可再生能源发电的波动性，提供保障性电力和电网灵活性。“新能源发电+储能”与“火电+CCUS”将是不可或缺的技术组合，它们间的深度协同将成为未来清洁零碳、安全高效能源体系的关键。根据国际能源署（IEA）的研究结果， 可持续发展情景下，2045年前全球将淘汰所有非碳捕获与封存（CCS）煤电机组，将有1000太瓦时的电力由煤电结合CCS 技术生产。因此，要加大CCUS技术研发投入，降低成本及能耗：研发新型吸收剂、吸附剂和膜分离材料，针对碳捕集、分离、运输、利用、封存及监测等各个环节开展核心技术攻关；要尽快建立CCUS标准体系及管理制度、CCUS碳排放交易体系、财税激励政策、碳金融生态，推动火电机组百万吨级CO2捕集与利用技术应用示范，实现CCUS市场化、商业化应用。

 

2.燃料零碳化

 

燃料零碳化是以太阳能、风能等可再生能源为主要能量制取可再生燃料，包括氢、氨和合成燃料等。基于零碳电力的可再生燃料制取（图7），将创建一种全新的“源－储－荷”离线可再生能源利用形式，有望使交通和工业燃料独立于化石能源，实现燃料净零碳排放。可再生燃料是一项极具潜力的变革性技术，可为国家能源战略转型与碳中和目标实现提供全新的解决方案。

 

可再生合成燃料是利用可再生能源通过电催化、光催化、热催化等转化还原CO2，以合成碳氢燃料或醇醚燃料，具有能量密度高、输运和加注方便、可利用目前加油站等基础设施、社会应用成本低等优点。

 

近年来，通过可再生能源来转化CO2制备合成燃料技术引起了主要发达国家和地区的高度关注。要真正实现通过阳光、水、CO2获取可再生合成燃料，亟待开展可再生合成燃料的基础理论和关键技术研究。针对CO2还原转化产物，基于燃料与动力装置相互作用及调控机制，进行可再生合成燃料设计；从分子水平上建立催化剂构效关系，实现高效CO2还原催化剂体系的设计与功能化定制；进而构建高能效的CO2还原合成燃料系统，实现CO2到液体燃料分子的高选择性转化和可再生燃料的合成。