“双碳”目标的关键技术体系

在全球气候治理的背景下，我国提出“碳达峰”“碳中和”目标不仅是积极承担大国责任的体现，也是推动生态文明建设的重要举措。我国是碳排放大国，碳排放呈现出总量大、强度高的特点，而且这种情况将持续很长时间。因为我国的经济发展与碳排放并未完全脱钩，而且我国在未来很长一段时间都将处在工业化和城市化后期，经济仍将保持高速发展，碳排放规模与强度很难在短时间内下降。

按照国家规划，我国要在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，中间只有30年的时间。相较于欧美国家来说，我国实现碳中和的时间更短，碳减排的任务更加艰巨，需要付出更多努力。但在实现碳中和的过程中，我国现代化建设面临的能源安全、经济安全以及生态安全等一系列重大战略问题也将找到合适的解决方案。

作为煤炭储量大国，为了实现碳中和，我国一方面需要探索高效清洁的煤炭使用技术，另一方面也需要通过科技手段逐渐降低对化石能源的依赖。这一过程中需要创建新的能源体系与工业体系，推广使用新能源，在保证能源安全与生态安全的前提下，推动产业经济迈入新的发展阶段。

具体来看，我国实现“双碳”目标的技术体系主要包括三大内容，一是零碳电力系统，二是低碳／零碳终端用能技术，三是负排放技术，如图1-1所示。

1.零碳电力系统

碳中和的实现首先需要能源系统尽快实现零碳化，而能源系统零碳化的核心之一是电力系统的零碳化。因为零碳电力系统是工业、交通、建筑等行业实现碳中和的重要基础，这些行业要在全面电气化的基础上普遍使用零碳电力，通过能源系统的零碳化实现能源利用方式的零碳化。

具体来看，零碳电力系统主要由零碳电源、储能和电网三部分构成。在碳中和背景下，电力系统的生产端、使用端和分配端都需要进行零碳改造，生产端要积极引入光伏、风能、水力等可再生能源，使用端要积极发展规模化储能技术，分配端要形成智能电网。同时，新能源汽车、物联网、人工智能等战略性新兴产业也将为能源系统的安全稳定运行提供强有力的支持。

光伏、风能、水力等新能源比较分散，引入这些能源之后，电力系统的能源结构、电网系统以及储能系统都将发生根本性变革。在储能系统领域，氢储能、氨储能、电化学储能三种储能方式最具发展前景，每种储能方式都有独有的储能时间、储能效率以及储能规模。如果是短期低容量输电，可以优先选择电池储能系统；如果是长期大规模储能，可以优先选择储氢或者储氨。

电网的能源利用效率深受电网的调度模式与调度能力的影响。为了提高能源利用效率，电力系统需要提高电网调度、电网控制以及能源服务的智慧化水平。同时，电网系统要摒弃传统的可靠、稳定的集中性网络，向智慧、灵活的分布式网络发展。

2.低碳／零碳终端用能技术

碳中和的实现不仅需要能源系统实现零碳化，也需要终端环节节能减排，实现低碳／零碳运行。低碳／零碳的终端用能技术包括五种类型，分别是节能技术、电气化技术、燃料替代技术、产品替代与工艺再造和碳循环经济，具体分析如下。

（1）节能技术

节能技术的应用范围非常广，几乎涵盖了所有终端用能部门，可以提高能源利用效率、调整能源利用结构，在保证人们生活水平的基础上改变人们的生活方式，促使用能终端实现脱碳。例如，建筑行业可以使用高效供冷、热、电三联供技术和低碳设计等方式实现节能减排；交通行业可以使用自动驾驶优化驾驶习惯减少能耗、通过对运输结构进行优化调整实现节能减排；工业生产领域可以使用的节能技术比较多，节能减排以及能源利用效率的提升主要通过提高设备运行效率、优化换热流程、循环利用和工业副产品再利用以及数字化转型来实现。

（2）电气化技术

在实现碳中和的各项技术中，电气化是一项关键技术，这项技术可以配合低碳或零碳能源供应促使能源系统实现碳中和。据估算，随着清洁电力取代传统火电，绿色氢能实现广泛应用，交通运输系统以及各个工业流程实现电气化，人类活动产生的温室气体将有50%可实现脱碳。

（3）燃料替代技术

在实现碳中和的过程中，新型燃料必将替代传统的化石燃料实现终端用能零碳化。例如，氢能可以替代传统的化石燃料和天然气，帮助多个场景各个行业实现碳减排；生物质能的碳排放几乎为零，可以在农村供暖、交通运输、工业领域实现广泛应用。

（4）产品替代与工艺再造

产品替代与工艺再造主要适用于工业部门的零碳化。产品替代主要用于建筑材料领域，用新型零碳材料代替钢铁、混凝土等材料，减少碳排放。另外，新技术、新装备以及新型节能工艺等工艺流程再造技术在工业生产领域的应用可以提高能源与资源的利用效率，促使工业生产环节实现碳减排。

（5）碳循环经济

碳循环经济可以打造一种全新的以再生与恢复为特征的经济模式，可以降低经济增长对资源的依赖，增强经济系统的韧性，为经济系统的可持续发展奠定坚实的基础。碳循环经济可以帮助工业行业实现碳减排，具体策略包括在产品设计阶段避免浪费，提高产品及部件的复用率，对各类材料进行循环利用等。碳循环经济不仅可以减少碳排放，而且表现出很好的成本效益。例如，建筑施工过程中对施工材料进行循环利用，减少固体废弃物，不仅可以实现节能减排，还能降低施工成本，获得一定的经济效益。

3.负排放技术

负排放技术又称为碳移除技术（Carbon Dioxide Removal，CDR），是碳减排的一项关键技术，涵盖了所有能够产生负碳效应的技术路径，主要包括两大类技术，一类是陆地碳汇技术，另一类是碳捕获、利用与封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技术。

（1）陆地碳汇技术

碳汇指的是通过植树造林、恢复植被等措施增加森林植被的覆盖率，利用植物的光合作用将二氧化碳固定在植被与土壤中，减少大气中二氧化碳浓度的机制。碳汇可以分为陆地碳汇与海洋碳汇两大类，其中陆地碳汇又可以细分为林地碳汇、草原碳汇、农田碳汇、湿地碳汇四种类型，如表1-2所示。

（2）CCUS技术

经过长期研究，业界将CCUS技术视为促使化石能源实现清洁利用的唯一方案。CCUS技术可以对化石燃料燃烧产生的二氧化碳进行封存与处理，防止二氧化碳进入大气层，从而实现零碳排放。为了实现碳中和，化石能源的用量及规模将大幅下降，但其在能源体系中的比重将维持在一定水平，以保证电力系统运行的稳定性，支持一些无法离开化石能源的行业继续运行。而化石能源的利用必然会产生二氧化碳，在这种情况下，CCUS技术就成为实现二氧化碳净零排放的关键技术。除此之外，CCUS技术的应用还能促使化石能源实现大规模低碳利用，保障能源安全，为碳中和的实现提供一条有效的技术路径。