氣候變化是當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℃。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》指出已經(jīng)觀察到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測，2℃的溫度升高給世界造成的影響將難以承受，人類必須把溫度升高控制在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(tǒng)安全問題，嚴重威脅著人類的生存和可持續(xù)發(fā)展。
為了對全球生態(tài)文明和構(gòu)建人類命運共同體作出中國貢獻，2020年9月中國宣布二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。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和擔當，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。
我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標面臨的挑戰(zhàn)
改革開放40余年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，2019年國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）總量超過14萬億美元，居全球第二位；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；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)。
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%）是我國來源最大的兩個碳排放行業(yè)。從碳達峰時間看，20世紀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，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、任務重，這是第二大挑戰(zhàn)。
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，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。
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、變革性的技術(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）和核能為保障的清潔零碳、安全高效能源體系。
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%的碳排放來自于發(fā)電和熱力，電力脫碳與零碳化是實現(xiàn)碳中和目標的關(guān)鍵。
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)模達到9.3億千瓦（圖6）?？稍偕茉窗l(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/千瓦時的低價，創(chuàng)下中國光伏電站項目最低價紀錄。據(jù)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。
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)的預測與管理，以及基于互聯(lián)網(wǎng)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(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。
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)?；茉戳闾寂欧爬玫年P(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?！靶履茉窗l(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）的研究結(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1000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(tài)，推動火電機組百萬噸級CO2捕集與利用技術(shù)應用示范，實現(xiàn)CCUS市場化、商業(yè)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?。▓D7），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)型與碳中和目標實現(xiàn)提供全新的解決方案。
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)設施、社會應用成本低等優(yōu)點。
近年來，通過可再生能源來轉(zhuǎn)化CO2制備合成燃料技術(shù)引起了主要發(fā)達國家和地區(qū)的高度關(guān)注。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。
3.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)的研發(fā)和推廣力度，全面推進電力、工業(yè)、交通、建筑等重點領(lǐng)域的節(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。
4.再電氣化
再電氣化是指在傳統(tǒng)電氣化的基礎(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，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。
5.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、能源設備及系統(tǒng)、能源服務互聯(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)設施共享。例如，未來人們通過手機應用程序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。
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。
在能源生產(chǎn)形式上，將從現(xiàn)有電力系統(tǒng)自上向下的樹狀結(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)。
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的普及，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。
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?，在一次能源消費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。
結(jié)論
1.碳中和愿景下的能源變革包括供給側(cè)的電力零碳化、燃料零碳化，以及需求側(cè)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(xiàn)碳中和目標的關(guān)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(fā)展速度和供給能力，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
2.面向碳中和，化石能源尤其是煤炭將轉(zhuǎn)變?yōu)槲覈谋Ｕ闲阅茉?。CCUS是目前實現(xiàn)大規(guī)?；茉戳闾寂欧爬玫年P(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合CCUS的火電將推動電力系統(tǒng)凈零排放，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)的靈活性。“新能源發(fā)電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術(shù)組合，這些將構(gòu)成以新能源為主體、“化石能源+CCUS”和核能為保障的清潔零碳、安全高效能源體系。
3.碳達峰是量變，碳中和是質(zhì)變，僅通過碳達峰的量變走不到碳中和的質(zhì)變。如果沒有能源變革、沒有經(jīng)濟社會系統(tǒng)性社會變革、沒有一場綠色革命，不可能實現(xiàn)碳中和。面向碳中和的未來能源，其核心是由一系列顛覆性、變革性能源技術(shù)作為戰(zhàn)略支撐形成的全新能源體系。
4.實現(xiàn)“雙碳”目標特別是碳中和，與經(jīng)濟社會發(fā)展不是對立關(guān)系，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(zhàn)更是機遇！碳中和將引領(lǐng)構(gòu)建全新的零碳產(chǎn)業(yè)體系，人類將從基于自然稟賦的能源開發(fā)利用，走向基于技術(shù)創(chuàng)新的新能源開發(fā)利用。誰在零碳技術(shù)創(chuàng)新占據(jù)領(lǐng)先，誰就是“新賽道”上的“領(lǐng)跑者”，誰就有可能引領(lǐng)下一輪產(chǎn)業(yè)革命。
5.面向碳中和的能源變革，絕不僅僅是一個能源問題、一個環(huán)境問題，而是一個全局性、系統(tǒng)性問題；不是一蹴而就的，而是要循序而進，先立后破。能源變革的路徑需要基于技術(shù)、市場和政策法規(guī)等多層面進行科學設計與決策。
（黃震系中國工程院院士、上海交通大學講席教授、上海交通大學碳中和發(fā)展研究院院長，謝曉敏系上海交通大學副教授、上海交通大學碳中和發(fā)展研究院副院長）
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