“雙碳”目標下能源科技的多能融合發展路徑

中國網/中國發展門戶網訊 2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣示：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。實現碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”），是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題，實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。二氧化碳排放與能源資源的種類、利用方式和利用總量直接相關。我國成為全球碳排放量最大國家的根本原因在于能源及其相關的工業體系主要依賴化石資源。為此，科學有序推進能源結構及相關工業體系從高碳向低碳、綠色發展，形成先進的“清潔低碳、安全高效”能源新體系，才能實現“雙碳”目標，同時支撐我國高質量可持續發展。挑戰前所未有，任務異常艱巨，在此過程中，科技創新必須發揮至關重要的引領作用。

“雙碳”目標實現的必要性和緊迫性

習近平總書記多次強調，應對氣候變化不是別人要我們做，而是我們自己要做，是我國可持續發展的內在要求。我國有14億人口，要全面建設社會主義現代化，延續過去發達國家高耗能、高排放的老路是行不通的，必須轉到綠色低碳的發展軌道上來，這是我國現代化的必由之路。

“雙碳”目標實現的必要性

能源結構的調整。我國是全球最大的能源生產國、消費國，充足穩定的能源供應仍然是經濟高質量發展的必要條件。“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦和現有的能源基礎設施決定了我國以化石能源，特別是以煤為主的能源結構還需持續較長一段時間。近年來，我國能源結構不斷優化、能源利用效率不斷提高，但仍面臨著較大的能源安全和生態環境治理壓力。針對能源安全問題，2014年6月13日，在中央財經領導小組第六次會議上，習近平總書記提出了推動能源的消費革命、供給革命、技術革命、體制革命和國際合作的“四個革命、一個合作”能源安全新戰略。在“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的指引下，我國能源發展在“十三五”時期取得歷史性成就，以能源消費年均低于3%的增速支撐了經濟的中高速增長，建立起了多元清潔的能源供應體系，到2020年底，清潔能源發電裝機達到10.83億千瓦，首次超過煤電裝機容量。在百年未有之大變局下，能源安全的底線作用更加凸顯。但是，我國石油和天然氣對外依存度仍然不斷攀升，2020年分別達到73%和43%，能源革命仍然任重道遠。針對生態環境治理壓力，我國必須加速推進能源結構綠色低碳轉型。“雙碳”目標提出后，非化石能源因其低碳/零碳屬性，獲得加速發展。2021年9月，《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中提出到2025年、2030年和2060年，我國非化石能源占能源消費比重將分別達到20%、25%和80%的目標，風、光、生物質等可再生能源及核能將逐漸成為新型能源體系發展的重點。值得指出是，無論是能源安全新戰略還是“雙碳”目標，都是為推動我國能源結構向綠色低碳發展。二者目標一致，各有側重，相輔相成。我們必須要立足國情，先立后破，安全、穩步優化能源結構。

生產方式的變革。我國碳排放量高的根本原因在于能源及其相關的工業體系主要依賴化石資源。我國電力工業及高能耗工業（鋼鐵、石化、水泥、有色等）的二氧化碳排放占全國二氧化碳排放總量的80%左右，是需要重點關注的行業。在“雙碳”目標下，現有的能源及工業生產結構難以長期維持，必須進行全面的革命性調整，才能與全球氣候治理目標和我國高質量發展目標相適應。縱觀世界工業發展歷程，能源革命與工業革命歷來交互發展、共同作用促進社會經濟結構變革。我國的能源革命已經拉開序幕，在“雙碳”目標的牽引下，能源革命也必然會促進我國工業革命的迅速開展。推動產業結構優化升級，促進傳統高耗能行業綠色低碳轉型，大力發展綠色低碳產業是推動經濟高質量發展的必然要求。

生活方式的改變。黨的十九大報告指出，形成綠色發展方式和生活方式，堅定走生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路。習近平總書記明確要求，到21世紀中葉，綠色發展方式和生活方式全面形成，人與自然和諧共生，生態環境領域國家治理體系和治理能力現代化全面實現，建成美麗中國。2019年，我國居民人均生活能源消費僅0.31噸標準煤，人均生活能源消費產生的二氧化碳排放為0.98噸。同期，美國居民人均生活能源消費2.28噸標準煤，人均生活能源消費產生的二氧化碳排放2.6噸。在碳中和目標下，如果要達到與美國等發達國家相近的消費水平，除了需要發展價格低廉的非化石能源，我們還必須在全社會提倡綠色低碳生活，推動高質量發展和創造高品質生活有機結合。這同每個人息息相關，人人都應該做綠色低碳生活方式的踐行者、推動者。

“雙碳”目標實現的緊迫性

時間緊。中國承諾的從實現碳達峰到實現碳中和的時間遠遠短于發達國家所用時間。世界主要發達國家和地區都已經實現了碳達峰，歐盟早在1979年實現，美國在2007年前后，日本在2005年進入碳排放峰值平臺期后最終在2013年達峰。這些國家和地區從進入峰值平臺期到要實現2050年碳中和的目標，都有40—70年的時間。而我國要在短短30年左右的時間內從碳達峰實現碳中和，完成全球最高碳排放降幅，這需要付出十分艱苦的努力⑤。

任務重。①應對地球升溫是人類社會共同面臨的新問題，對應著能源以化石資源向可再生資源的大轉變，國際國內都沒有成熟經驗可以借鑒，是人類社會走向可持續發展面臨的共同難題。要在短時間內實現經濟社會系統的巨大甚至顛覆性轉變，需要克服一系列技術、經濟、社會的巨大挑戰。②要實現中華民族偉大復興，“能源的飯碗必須端在自己手里”。我國仍處于工業化發展進程的中后期，伴隨著經濟快速發展，城鎮化水平提高，人民群眾生活水平不斷改善，能源消費還將繼續增長。據中國科學院學部重大咨詢項目——“中國碳中和框架路線圖研究”項目組估算，為滿足經濟社會發展需要，我國能源消費總量峰值將在2030—2040年達到，為60億—64億噸標準煤。即使實現非化石能源大規模發展，對于以化石能源特別是煤炭為主導能源、處于高速發展階段的中國，如何在保障產業鏈供應鏈安全穩定的前提下，科學有序推進“雙碳”目標，仍然面臨巨大的挑戰。

科技創新不足。科技創新是支撐“雙碳”目標實現的根本動力。經過多年發展，我國能源科技創新取得重要階段性進展，有力保障了能源安全，促進了產業轉型升級，為“雙碳”目標的實現奠定了良好基礎。但是，“雙碳”目標下的能源結構、生產生活方式都將發生顛覆性變革，現有技術體系還難以支撐“雙碳”目標的實現。要實現“雙碳”目標，不僅需要突破各領域眾多關鍵技術，更需要破除各能源種類及各能源相關行業之間的壁壘，跨領域突破多能融合互補及相關重點行業工業流程再造的關鍵瓶頸及核心技術，加強能源技術體系創新，重構能源及相關工業體系。跨領域系統化布局有巨大的創新空間，并帶來巨大的總體節能減排效果，但同時也面臨巨大挑戰，是我國新能源體系構建和相關產業轉型升級的重點方向和難點。

國際競爭加劇。2020年以來的新冠肺炎疫情對全世界安全與經濟發展造成了新的沖擊，也引起了對全球危機問題的深刻思考。某種程度上，氣候變化問題是另一種更為嚴重的全球危機。比爾·蓋茨預言：“到2060年，氣候變化可能和新冠肺炎疫情一樣致命；到2100年，它的致命性可能是新冠肺炎疫情的5倍。而氣候變化造成的經濟損失將相當于每10年就有一次新冠肺炎疫情”。在疫情肆虐的當下，全球深刻體會到人類命運共同體的內涵。氣候變化作為對人類命運影響最大的問題，對其的態度與治理成為國際政治的重要角力點。中國作為全球最大的碳排放國家，必須積極參與并引領全球氣候治理，塑造和維護負責任大國形象。此外，如何應對氣候變化問題已經逐漸從政治領域競爭的議題轉向經濟貿易的全方位競爭議題。2021年7月，歐盟委員會向歐洲議會和歐盟理事會提交了設立碳邊境調節機制（俗稱“碳關稅”）的立法議案，預計從2023年起開始對歐盟進口的部分商品征收碳稅。歐盟碳關稅政策將對溫室氣體排放量高的企業帶來重大挑戰。波士頓咨詢公司提出碳關稅對行業利潤的侵蝕影響可高達40%，而且整個產業鏈上的企業都將受到成本增加帶來的影響，產品競爭力格局也將被重塑。中國作為世界上最大的產品出口國，將面臨巨大的挑戰。

“雙碳”目標實現的科技路徑

理念是行動的先導，“雙碳”目標的實現必須依靠變革性的理念引領。中國科學院面向國家發展清潔低碳、安全高效能源體系建設要求，基于能源領域長期研究基礎，提出通過技術創新實現多種能源之間互補融合的多能融合理念，布局了一批多能融合技術的研發與示范，為科技支撐國家“雙碳”目標開展了先行探索。

多能融合理念的內涵

能源、材料和信息是現代社會發展的三大支柱。多能融合是指綜合考慮能源資源在加工利用過程中的能源屬性和物質（原料/材料）屬性，通過新技術、新模式破除各能源種類之間條塊分割、互相獨立的技術和體制壁壘，促進化石能源與非化石能源、各能源分系統之間、各能源資源加工利用不同過程之間的能量流、物質流和信息流的互補融合，實現能源資源利用的能量效率、物質效率、環境效益、生態效益、經濟效益和社會效益等多目標的優化。

多能融合技術是實現多能融合理念的根本。多能融合技術是指在能源資源加工利用過程中涉及的原料產品、反應過程、工程過程、系統集成等多層次、多尺度范疇中充分利用各種能源自身的相對優勢，對沖消除各類能源劣勢，實現能源與物質的跨系統、能源系統內跨類型的融合，達到提升能源資源綜合利用效率，緩解能源和原料（材料）供需矛盾，降低能源利用的環境影響等多目標優化要求的先進技術。

基于多能融合理念，根據能源系統特征，筆者提出適合我國國情的多能融合技術“四主線、四平臺”體系（圖1）。“四主線”是指：化石能源清潔高效利用與耦合替代（能源安全）、非化石能源多能互補與規模應用（能源結構）、工業低碳/零碳流程再造（工業變革）、數字化/智能化集成優化（系統優化）；“四平臺”是指：合成氣/甲醇平臺、儲能平臺、氫能平臺、二氧化碳平臺。“四主線、四平臺”構成多能融合技術體系的四梁八柱，有望為“雙碳”目標下我國能源技術的系統研發提供引導。

多能融合技術的“四主線”

主線1：化石能源清潔高效利用與耦合替代

“雙碳”轉型應以保障國家能源安全為底線，以高質量發展為目標，必須首先用好化石資源特別是煤炭資源，堅持清潔高效利用道路，發揮好煤炭的“壓艙石”作用。2021年9月，習近平總書記考察榆林時指出：“煤化工產業潛力巨大、大有前途，要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展，把加強科技創新作為最緊迫任務，加快關鍵核心技術攻關，積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等”，這明確了現代煤化工發展的定位和方向。

煤炭清潔高效利用應主要從煤炭清潔高效燃燒和煤炭清潔高效轉化兩方面開展。①煤炭燃燒方面。我國燃煤發電的能效指標、污染物排放指標均已達到世界先進水平，但工業領域煤炭清潔高效燃燒利用的科技支撐不足。持續推進煤炭清潔高效發電和靈活高效發電，提高電力系統對清潔電力的接納能力、工業鍋爐（窯爐）高效燃燒和多污染物協同治理是煤炭燃燒技術發展的方向。②煤炭轉化方面。以現代煤化工為代表的轉化技術與產業化均走在了世界前列，攻克了煤氣化、煤制油、煤制烯烴等一大批技術和工程難題；但是，仍面臨如何通過發展前瞻性和變革性技術，提高煤、水資源利用效率，實現二氧化碳的高效率轉化利用，解決煤化工長期以來面臨的高能耗、高水耗、高碳排放的難題。

現代煤化工的快速發展，使得煤經合成氣/甲醇生產多種清潔燃料和基礎化工原料成為可能，這也給石油化工和煤化工耦合替代、協調發展帶來了新的機遇。采用創新技術大力發展現代煤化工產業，既可以保障石化產業安全，促進石化原料多元化，還可以形成煤化工與石油化工產業互補、協調發展的新格局，例如石腦油和甲醇反應生產烯烴。石腦油是原油加工重要產品，甲醇是煤化工重要產品，二者都是烯烴生產的重要原料。在現有生產技術下，石腦油制烯烴和甲醇制烯烴是完全不同的生產路線。但從生產過程來看，石腦油制烯烴是強吸熱反應，甲醇制烯烴是強放熱反應，且反應條件和催化劑類似，存在反應過程耦合的可能。基于此原理，中國科學院大連化學物理研究所創造性地將石腦油原料和甲醇原料耦合起來制取烯烴，利用反應過程中的吸熱-放熱平衡，提高了整個系統的能效和碳原子利用率。相比傳統技術路線，噸烯烴產品能耗降低1/3—1/2，石腦油利用率提高10%。

主線2：非化石能源多能互補與規模應用

實現“雙碳”目標必須逐漸穩步改變我國以煤為主的能源結構，大力發展可再生能源和安全先進核能，實現非化石能源的多能互補和規模應用。可再生能源的高比例、大規模利用將會對現有能源體系產生巨大沖擊。風能、太陽能等可再生能源存在與生俱來的能量密度低、波動性強等問題，具有隨機性、間歇性和波動性等特點。近年來，風、光發電并網消納問題日益突出。隨著風、光能源更大規模發展，僅靠單項技術的進步將難以完全解決風、光發電并網消納問題，需從能源系統整體角度加以考慮。因此，可再生能源的大規模應用必須考慮多種能源的系統融合，以風、光資源作為發電和供能的主力資源，以核電、水電和其他綜合互補的非化石能源為“穩定電源”，以少量的火電作為應急電源或者調節電源，通過可再生能源功率預測技術、電力系統穩定控制技術、電力系統靈活互動技術等構建新型電力系統管理和運行體系。

儲能技術可有效平抑大規模可再生能源發電接入電網帶來的波動性，促進電力系統運行的電源和負荷的平衡，提高電網運行的安全性、經濟性和靈活性。

根據2021年國家發展和改革委員會、國家能源局《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，2025年新型儲能技術的裝機規模達到3 000萬千瓦以上，2030年實現全面市場化發展。除電化學儲能、機械儲能、電磁儲能外，氫能也是一種廣義上的儲能方式。利用可再生能源、高溫核能等制取的綠氫，可以實現電力的長時期存儲，并推進可再生能源向物質的無碳轉化。氫作為能源的載體，可為能源的儲、運、用等問題提出一系列新的解決方案。

主線3：工業低碳/零碳流程再造

工業部門是二氧化碳的排放大戶，2020年其二氧化碳排放占全國總排放量的68%，主要包括鋼鐵、建材、化工、有色等領域。要實現這些領域的“雙碳”目標，就必須對現有的工業流程進行低碳/零碳再造。①通過深度電氣化，利用非化石能源發電實現深度脫碳；② 對于難以電氣化的工業流程，需借助綠氫、合成氣/甲醇、二氧化碳等平臺，通過技術突破和行業間的協調、融合實現低碳零碳流程再造，促進化石能源和二氧化碳的資源化利用，實現行業低碳零碳工藝革新。

案例1：綠氫與煤化工融合。煤氣化變換是煤化工行業產生二氧化碳的主要過程。如果在煤氣化過程中補入綠氫，可實現煤制烯烴過程的碳減排近70%；如果補入過量的綠氫，則可引入二氧化碳作為部分碳源，實現全過程的負碳排放。

案例2：鋼鐵與煤化工融合。鋼廠尾氣富含一氧化碳和氫氣，可作為化工生產的原料氣。如果利用鋼廠尾氣中含有的合成氣生產乙醇，初步估算，全國鋼廠25%剩余尾氣約可制1 000萬噸乙醇，減少二氧化碳排放近2 000萬噸。

案例3：綠氫與鋼鐵融合。以氫氣代替煤炭來還原鐵礦石（氫冶金），二氧化碳排放可降至傳統工藝的20%。

案例4：水泥和化工融合。水泥行業的排放主要是由于原料中碳酸鈣分解產生的過程排放（約60%），這部分“不得不排放”的二氧化碳無法通過燃料替代實現減排。但如果以氫為介質與化工過程耦合，可將二氧化碳轉化為甲醇等化學品，實現二氧化碳的資源化利用。此外，從多能融合的理念出發，在甲烷等氣氛下進行熟料焙燒，可使碳酸鈣與甲烷反應生成一氧化碳和氫氣，再作為原料制備化學品，從而實現水泥的低碳、經濟發展。

主線4：數字化/智能化集成優化

數字化、人工智能等技術的快速發展，將與第四次能源革命、工業革命和科技革命相疊加，推動社會的快速變革和發展。數字化/智能化能源系統的構建，將云計算、人工智能、5 G通信等新一代數字化、智能化技術與現代能源體系的構建相融合，加速推進能量流、物質流與信息流的融合，實現系統優化，推動以綠色、數字化、高質量為核心的能源領域創新發展。例如，以信息化、數字化構建新型電力系統，建設具備云資源儲存、大數據處理、數據驅動分析、高度智能化等能力的電力控制管理平臺，使電網可見、可知、可控，實現智能運行，提高電網的安全性和穩定性等。

推進多能融合科技路徑實施的建議

進一步加強研發與應用的系統性布局。系統性布局是多能融合技術路徑的核心。在現有能源系統框架下，面向碳中和遠景目標，必須推進跨領域綜合交叉，打破能源與其他行業、能源內各分系統間相互獨立分割的局面，解決依靠單領域科技發展難以突破的跨系統問題。建議充分發揮舉國體制優勢，統籌全國科技優勢力量，基于多能融合理念框架，跨領域系統化部署支撐“雙碳”目標實現的研發系統，加速碳中和目標實現所需的科技研發。對其中的顛覆性技術，應探索建立適合顛覆性技術創新的項目申報和管理機制，如建立科技創新容錯免責機制、引入社會資本進入機制等，促進顛覆性技術突破和技術成果快速轉化。同時，科技成果轉化為現實生產力的過程也是一個系統工程，涉及政策設計、科技攻關、產業承接和市場需求等環節，各個環節的有效銜接缺一不可。應加強有利于多能融合科技成果轉化的生態建設，構建政策鏈、科技鏈、產業鏈和資本鏈“四鏈”融合的科技成果轉化體系。

進一步加強典型區域的示范帶動。我國幅員遼闊，各地區資源環境稟賦和經濟社會發展狀況不同且極不均衡，難以用同一套技術方案解決所有地區的所有問題。因此，“雙碳”工作應基于各地區資源環境稟賦、產業布局、發展階段等實際情況，結合區域重大戰略、區域協調發展戰略和主體功能區戰略，因地制宜推進。建議從“全國一盤棋”的高度，統籌選取一批具有典型特征的區域，針對各典型區域的主要問題開展多能融合技術的集成示范，在驗證一批關鍵核心技術的同時，為全國同類型區域提供可操作、可復制、可推廣的技術方案。并以點帶面，帶動全國同類型區域綠色低碳發展。

進一步加強知識產權保護。可以預見，在“雙碳”目標的強力驅動下，我國在面向碳中和的能源和工業體系中將產生海量的多能融合新技術和相關知識產權。建議提早布局，進一步加強知識產權保護，以此激勵不同創新主體、市場主體投入多能融合技術的研發、示范和推廣應用。同時，進一步完善知識產權保護的法律法規，并加大執法力度，樹立典型，提高全社會對知識產權保護重要性的認識。此外，在科技成果轉化過程中，應建立健全知識產權作價評估和知識產權確權分享體系，盤活知識產權價值，促進知識產權成為一種可估值、可定價和可流通的生產要素和資產。

進一步加強“雙碳”相關人才培養。人才是創新的第一資源。由于“雙碳”問題的復雜性、技術的專業性等，需要跨學科、跨領域的創新性復合型人才。面向“雙碳”新目標，現有學科分類體系下的人才培養機制已然不能適應，迫切需要以問題為導向，以任務帶學科，打破學科界限，完善“雙碳”教學體系，培養適應“雙碳”要求的創新性復合人才。建議推動“雙碳”相關學科與專業的融合，建立和完善“雙碳”教學體系，加快將“雙碳”理念和實踐融入人才培養體系。同時，深化科教融合，充分發揮“雙碳”領域科研項目、科研平臺的優勢，大力培養高層次復合型創新人才，尤其是青年人才。

進一步加強國際合作。“雙碳”目標實現是全球應對氣候變化危機的共同追求。我國應繼續積極參與全球環境治理、氣候治理，進一步加強能源科技領域的國際交流與合作，為世界貢獻中國方案。在能源科技創新上，建議設立“碳中和國際大科學計劃”，吸引國際智力參與能源科技研發；通過政策、資金支持，鼓勵國外能源領域先進技術到國內開展集中示范；進一步促進國際國內科技領域的深度融合，促進人才、智力、技術的雙向流動，助力“雙碳”科技發展新格局的形成。

（作者：蔡睿 朱漢雄 李婉君 肖宇 劉中民，中國科學院大連化學物理研究所。《中國科學院院刊》供稿）