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北極星大氣網訊:氣候變化是當今全球面臨的重大挑戰之一。自第一次工業革命以來，煤、石油、天然氣等化石能源的發現和利用極大提高了勞動生產率，推動了人類社會大繁榮、大發展，同時也產生了嚴重的環境問題和氣候變化問題。
200 多年來，化石能源燃燒所產生的二氧化碳（CO2）累計已達 2.2 萬億噸，全球大氣中 CO2濃度持續上升。特別是近半個多世紀來，CO2 濃度呈現快速增長的趨勢（圖 1），2021 年 4 月大氣中 CO2 的體積分數已達到了 419×10−6 ，全球地表平均溫度已升高 1.1℃。
圖1 第一次工業革命以來全球大氣中CO2 體積分數變化
資料來源：斯克利普斯海洋研究所
2018 年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）釋出《全球升溫 1.5℃ 特別報告》，報告指出已經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於早期預測，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致的全球氣候變暖，已成為全球性的非傳統安全問題，嚴重威脅著人類的生存和可持續發展。
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任擔當，也是推動我國能源結構、產業結構、經濟結構轉型升級的自身發展需要，對我國實現高質量發展，建設人與自然和諧共生的社會主義現代化強國具有重要戰略意義。
1 我國實現碳達峰、碳中和目標面臨的挑戰
改革開放 40 餘年來，我國經濟高速發展，2019 年我國的國內生產總值（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）。作為世界最大的發展中國家，我國的發展不平衡不充分問題仍然突出，面臨著發展經濟、改善民生等一系列艱鉅任務；我國能源需求還在不斷增加，碳排放仍處於上升階段，尚未達到峰值。在經濟社會發展的同時，如何轉變能源結構、產業結構、經濟結構，實現碳達峰、碳中和，這是第一大挑戰。
圖2 2019 年全球GDP（a）及人均GDP（b）排名前20 位的國家
資料來源：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，佔比超過全球總量的 1/4，CO2 排放佔全球總量的 1/3。從能源消費結構來看（圖 3），我國仍以化石能源消費為主，2020 年佔比超過 84%；我國能源消費仍有一半以上的來源是煤炭，遠高於全球能源消費結構中的煤炭佔比。從我國發電型別來看，2020 年全國總髮電量中 68% 來自於火電。根據我國不同行業碳排放資料來看（圖 4），發電與熱力（佔比 51%）和工業（佔比 28%）是我國來源最大的 2 個碳排放行業。從碳達峰時間看，20 世紀 90 年代之前歐盟主要國家已實現碳達峰，美國也於 2007 年實現碳達峰。歐盟主要國家提出 2050 年實現碳中和，從實現碳達峰到碳中和有 60 年以上時間；而我國因起步較晚，要實現碳達峰（2030 年）到碳中和（2060 年）的目標，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，將佔比達 84% 的化石能源轉變成淨零碳排放能源體系，時間緊、任務重，這是第二大挑戰。
圖3 2020 年全球能源消費結構（a），以及中國的能源消費結構（b）和電力結構（c）
資料來源：英國石油公司、中國電力企業聯合會
圖4 1990—2018 年我國不同行業碳排放
資料來源：國際能源署
從氣候變化和溫室氣體控制的社會層面看，我國在百姓意願、企業認同、技術儲備、市場機制、法律法規等方面與發達國家相比，明顯滯後。例如：自《京都議定書》生效後，世界主要國家及地區紛紛建立區域內的碳交易體系，以實現碳減排承諾的目標；2005—2015 年，已建成遍佈四大洲的 17 個碳交易體系，而 2021 年 7 月我國全國碳排放權交易才正式上線。我國碳交易體系亟待迎頭趕上，這是第三大挑戰。
為應對上述挑戰，我國必須加速推進面向碳達峰、碳中和的經濟社會系統性變革，進行能源革命，在能源供給、能源消費、能源技術和能源體制等方面實現新突破和新跨越。
2 碳中和願景下的能源變革
碳中和是一場綠色革命，將構建全新的零碳產業體系——如果沒有顛覆性、變革性技術突破，不可能實現碳中和。未來能源變革將呈現“五化”：從能源供給側看，是電力零碳化、燃料零碳化；從能源需求側看，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% 的碳排放來自於電力行業，我國更是高達 51% 碳排放來自於發電和熱力，電力脫碳與零碳化是實現碳中和目標的關鍵。
1.要實現電力脫碳與零碳化，首先要大力發展可再生能源發電。
近 10 年來，我國可再生能源實現跨越式發展，可再生能源開發利用規模穩居世界第一。2020 年我國可再生能源發電量佔比全社會用電量 29.5%，總髮電量達到 2.2 萬億千瓦時；截至當年年底，我國可再生能源發電裝機佔比總裝機 42.4%，總規模已達到 9.3 億千瓦（圖 6）。
圖6 截至2020 年底我國分型別發電裝機容量
資料來源：國家能源局
可再生能源發電成本也在不斷下降，全球光伏發電成本在過去 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鬥一期 20 萬千瓦光伏專案上報出 0.1476 元/千瓦時低價，創下中國光伏電站專案最低價紀錄。據預測，我國風電和光伏裝機到 2030 年可達 16 億—18 億千瓦，2050 年將超過 50 億千瓦。
2.要實現電力脫碳與零碳化，核心是構建以新能源為主體的新型電力系統。
高比例新能源和海量負荷的雙重隨機性與波動性，給電網功率平衡和安全執行帶來了很大挑戰，亟須變革“源隨荷動”的傳統電力供給模式，提高電力系統靈活性。要重點突破區域電力系統“源網荷儲”的深度互動與調控方法，提升電力電子化電力系統韌性、進行基於大資料電力供給和需求的預測與管理、建立電力分散自治互信交易機制。
要深化電力體制改革，創新電力市場機制和商業模式。依賴遍佈全國的分散式光伏發電和風電，將每一個建築物轉化為微型發電廠，大力發展虛擬電廠、智慧微電網和儲能技術，部署更多的新能源裝機容量，發出與消納更多的新能源電量，使常規火力發電從現在的基荷電力轉變為調峰電力，實現電力脫碳與零碳化。
構建以新能源為主體的新型電力系統是一項重大變革，德國的經驗值得借鑑。德國先後宣佈 2022 年棄核和 2038 年棄煤，2050 年構建全部 100% 採用可再生能源的用能體系。德國在推進可再生能源發展中立法先行，建立起遍佈全國的分散式光伏發電、風電、生物質發電及儲能機組；透過基於大資料的電力供給側和需求側的預測與管理，以及基於網際網路的電力交易和服務平臺，有效促進可再生能源消納，提高電網的供需平衡。在德國，高比例的可再生能源已使常規火電從基荷電力轉變為調峰電力，成功實現了能源結構轉型。
3.要實現電力脫碳與零碳化，化石能源發電可透過 CCUS 實現淨零碳排放。
CCUS 是目前實現大規模化石能源零碳排放利用的關鍵技術，結合 CCUS 的火電將平衡可再生能源發電的波動性，提供保障性電力和電網靈活性。“新能源發電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術組合，它們間的深度協同將成為未來清潔零碳、安全高效能源體系的關鍵。
根據國際能源署（IEA）研究結果，可持續發展情景下，2045 年前全球將淘汰所有非碳捕獲與封存（CCS）煤電機組，將有 1 000 太瓦時的電力由煤電結合 CCS 技術生產。因此，要加大 CCUS 技術研發投入，降低成本及能耗：研發新型吸收劑、吸附劑和膜分離材料，針對碳捕集、分離、運輸、利用、封存及監測等各個環節開展核心技術攻關；要儘快建立 CCUS 標準體系及管理制度、CCUS 碳排放交易體系、財稅激勵政策、碳金融生態，推動火電機組百萬噸級 CO2 捕集與利用技術應用示範，實現 CCUS 市場化、商業化應用。
2 燃料零碳化
燃料零碳化是以太陽能、風能等可再生能源為主要能量製取可再生燃料，包括氫、氨和合成燃料等。基於零碳電力的可再生燃料製取（圖 7），將建立一種全新的“源-儲-荷”離線可再生能源利用形式，有望使交通和工業燃料獨立於化石能源，實現燃料淨零碳排放。可再生燃料是一項極具潛力的變革性技術，可為國家能源戰略轉型與碳中和目標實現提供全新的解決方案。
圖7 基於零碳電力的可再生燃料製取
可再生合成燃料是利用可再生能源透過電催化、光催化、熱催化等轉化還原 CO2，以合成碳氫燃料或醇醚燃料，具有能量密度高、輸運和加註方便、可利用目前加油站等基礎設施、社會應用成本低等優點。諾貝爾化學獎得主喬治·安德魯 · 尤拉（George Andrew Olah）等於 2006 年在著作《跨越油氣時代：甲醇經濟》中提出了利用可再生能源將工業排放及自然界的 CO2 轉化為碳中性醇醚燃料的觀點。
2018 年施春風、張濤、李靜海、白春禮 4 位院士聯合在 Joule 發文提出，如果人類想要獲取、儲存及供給太陽能，關鍵就在於如何將其轉化為穩定、可儲存、高能量的化學燃料，“液態陽光”將可能成就未來世界。近年來，透過可再生能源來轉化 CO2 製備合成燃料技術引起了世界主要發達國家和地區的高度關注。冰島碳迴圈國際公司（Carbon Recycling International）在冰島建成了世界上第一座基於 CO2 迴圈利用的商業化甲醇工廠，透過地熱發電，電解水制氫氣（H2），進一步與 CO2 合成可再生甲醇；2014 年該公司甲醇產能達到 4 000 噸。
2020 年 10 月中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊千噸級“液態陽光”燃料合成示範專案在蘭州成功執行。歐盟啟動 Energy-X 專案，以 CO2 為介質來探究碳基能源的迴圈利用；美國能源部成立“液態陽光聯盟”（Liquid Sunlight Alliance，LiSA），聚焦 CO2 光/電還原液體燃料；上海交通大學成立了可再生合成燃料研究中心，目標是研發基於零碳電力的可再生合成燃料系統。牛津大學 Hepburn 等 在 Nature 上發文預測到 2050 年全球將有 42 億噸 CO2 被轉化為合成燃料。
要真正實現透過陽光、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理論和關鍵技術研究。針對 CO2 還原轉化產物，基於燃料與動力裝置相互作用及調控機制，進行可再生合成燃料設計；從分子水平上建立催化劑構效關係，實現高效 CO2 還原催化劑體系的設計與功能化定製；進而構建高能效的 CO2 還原合成燃料系統，實現 CO2 到液體燃料分子的高選擇性轉化和可再生燃料的合成。
從能源需求側看未來能源變革
在能源需求側，要加快實現能源利用的高效化、再電氣化和智慧化。
1 高效化
能源利用高效化、節能減碳是碳達峰、碳中和最基礎的重要工作。2012 年以來我國單位 GDP 能耗累計降低 24.4%，明顯高於全球平均降速；但是，值得注意的是 2019 年我國單位 GDP 能耗仍高於全球平均水平 50%，是英國、日本的 3 倍左右 ，節能減碳潛力可觀。我國要加大節能、節水、節材、減碳等先進技術研發和推廣力度，全面推進電力、工業、交通、建築等重點領域節能減碳；加快對電力、鋼鐵、石化化工、有色金屬、建材等高耗能、高碳排放行業企業，以及交通運輸車輛裝置和公共建築，實施節能和減碳技術改造，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電氣化基礎上，實現基於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佔終端能源消費的比重僅為 19%，我國為 25.5%，預計 2050 年全球電氣化水平將高於 50%。在加速零碳電力供給的基礎上，加快工業、建築、交通等領域的再電氣化，這是提高能源利用效率、實現能源利用脫碳和零碳的重要途徑。
3 智慧化
智慧化是透過網際網路、物聯網、人工智慧、大資料、雲技術等資訊與控制技術，將人、能源裝置及系統、能源服務互聯互通，使電源、電網、負荷和能源儲存深度協同，實現能源流與資訊流的高度融合。
把多種多樣的分散式發電源和海量的負荷透過網路構架起來，給每個單元賦予智慧，實現能源生產、交易、利用的高效化，以及能源基礎設施的共享，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。區塊鏈技術使資料或資訊具有“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特徵，將改變能源系統生產和交易模式，實現點對點新能源生產、交易、基礎設施共享。例如，未來人們透過手機應用程式（APP）就能方便地把自家屋頂多餘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使能源系統中各節點成為獨立的產消者。
3 能源發展大趨勢
面向碳中和的能源發展大趨勢是透過能源變革，大力推進能源供給側的電力脫碳與零碳化、燃料零碳化，以及能源需求側的能源利用高效化、再電氣化和智慧化。化石能源尤其是煤炭將轉變為保障效能源，透過 CCUS 實現化石能源淨零碳排放，同時穩步發展核電；在此基礎上，構建以新能源為主體、“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.在能源生產形式上，將從現有電力系統自頂向下的樹狀結構（發電—輸電—配電—用電）走向扁平化、大量分散式能源自治單元之間相互對等互聯的結構。這種能源互聯使可再生能源分層接入與消納得以實現，構建以新能源為主體的新型電力系統。
2.在能源生產和消費的主體上，將從能源生產者、消費者互相獨立轉變為能源產銷者一體。隨著分散式能源系統和智慧微網、區域網技術的日益成熟及電動汽車普及，電網中分散電源和有源負荷將不斷增長，每一個建築物轉化為微型發電廠，原本需求側的使用者將扮演消費者和生產者的雙重角色，成為獨立的能源產消者。
3.在能源結構上，化石能源從主體能源逐步轉變為保障效能源，在一次能源消費中的佔比將大幅降低，可再生能源從補充能源變為主體能源，比例會持續大幅度提高。能源利用從高碳走向低碳，最後走向零碳能源的時代，這種變化將是革命性和顛覆性的。
3 結 論
1碳中和願景下的能源變革包括供給側的電力零碳化、燃料零碳化，以及需求側的能源利用高效化、再電氣化、智慧化。
電力脫碳與零碳化是實現碳中和目標的關鍵和重中之重，碳中和社會的能源一定是圍繞零碳電力展開的。要盡最大努力，提高非碳基電力發展速度和供給能力，構建以新能源為主體的新型電力系統。
2
面向碳中和，化石能源尤其是煤炭將轉變為我國的保障效能源。
CCUS 是目前實現大規模化石能源零碳排放利用的關鍵技術，結合 CCUS 的火電將推動電力系統淨零排放，平衡可再生能源發電的波動性，提供保障性電力和電網靈活性。“新能源發電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術組合，這些將構成以新能源為主體、“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。
3
碳達峰是量變，碳中和是質變，僅透過碳達峰的量變走不到碳中和的質變。
如果沒有能源變革、沒有經濟社會系統性社會變革、沒有一場綠色革命，不可能實現碳中和。面向碳中和的未來能源，其核心是由一系列顛覆性、變革效能源技術作為戰略支撐，形成的全新能源體系。
4
實現“雙碳”目標特別是碳中和與經濟社會發展不是對立關係，不是“賽道超車”而是“換賽道”，是重新定義人類社會的資源利用方式，是挑戰更是機遇。
碳中和將引領構建全新的零碳產業體系，人類將從基於自然稟賦的能源開發利用，走向基於技術創新的新能源開發利用。誰在零碳技術創新佔據領先，誰就是“新賽道”上的“領跑者”，誰就有可能引領下一輪產業革命。
5
面向碳中和的能源變革，絕不僅是一個能源問題、一個環境問題，而是一個全域性性、系統性問題；不是一蹴而就的，而是要循序而進，先立後破。
能源變革的路徑需要基於技術、市場和政策法規等多層面進行科學設計與決策。
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