“双碳”目标下需重视的十大技术方向
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- 发布时间：
- 2022-04-25
摘要：
实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。如期实现“双碳”目标离不开重大技术突破和科技创新支撑，其中关键性的技术方向可分为三个层次。首先是电气化技术，电气化是终端能源消费的重要方向，也是实现“双碳”目标的基础条件，智能电网、储能、核能、动力电池技术等都是有助于推动提升电气化水平的技术。其次是在无法电气化的领域通过新型燃料替代实现深度脱碳，包括在航运、工业和供暖等领域难以脱碳环节实现对化石能源的替代。再次是通过节能提效或负碳技术等，实现成效显著的降碳。以上三个层次的技术方向是确保“双碳”目标高效实现的重要支撑，在“十四五”及今后一个时期需给予高度重视和重点支持。
01 适应高比例可再生能源并网的智能电网技术
电气化是能源转型的重要方向，因此电力行业的减碳脱碳是我国“双碳”目标实现的基础。电力行业减碳脱碳的路径是大幅提升风光等可再生能源发电装机容量和发电量占比。按照碳达峰、碳中和工作要求，到2030年，我国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，比当前翻一番。根据测算，到2060年实现碳中和时，非化石能源发电量占比将由目前的34%左右提高到90%以上，而非化石能源的主体将是风能和太阳能等可再生能源。由于可再生能源发电的间歇性、波动性特征，大规模、高比例接入电网将给电力供应稳定性带来挑战。电网作为电力资源优化配置的平台，不同时间尺度电力供需平衡调度难度将大幅提升，对电网高效稳定安全技术方面提出更高要求。为实现大规模、高比例可再生能源并网，需加强远距离、大容量直流输电与电网柔性互联技术，以及电网稳定运行控制技术研发，加快柔性直流输配电、新型电力系统仿真和调度运行等技术的研发应用。同时，需加强需求侧响应与虚拟电厂技术，通过发挥需求侧作用，提升电力系统整体灵活性。
02 长周期大容量的储能技术
随着可再生能源并网比例持续提高，需要配置大规模储能以保障电力系统安全稳定。而当前以电化学储能为主的储能方式更适用于平抑短时的电力波动，未来随着非水可再生能源发电占比提升，需要平抑数日、数周乃至季节性的电量波动，必采用长时间、大容量的储能技术，以实现更广时间和空间范围内的能量转移。从储能技术看，可实现这一储能要求的储能方式较少。从国际趋势与国内技术示范看，固态锂离子储能电池技术、压缩空气储能、液流电池、氢储能等都将是大规模储能的主要技术方向，应鼓励开展不同储能技术路线探索，加强技术储备，开展源网荷侧多类型储能技术示范应用。
03 安全高效的核能技术
推动我国能源绿色低碳转型，需要多种能源品种的相互配合，核电是其中的重要选项。特别是可再生能源发电占比不断提升将给电力系统的安全稳定带来冲击，核电作为出力稳定、清洁无碳的电源，其在电源结构中的重要作用仍难以替代。国际上，日本福岛核事故导致各国的核电发展战略都有所收缩，但并没有使核电发展发生逆转，仍在持续增长，这表明核电对于全球电力系统实现低碳转型有重要作用。我国仍须坚持在安全的前提下有序发展核能，确保持续支持先进核能技术研发，特别是先进和创新型反应堆和燃料设计技术，关注并探索具备成本低、灵活性强等特点的小型模块化核反应堆技术等，更好发挥我国核能技术优势，使核能成为助力能源转型的重要选择之一。
04 推动道路交通降碳的先进电池技术
道路运输始终是我国交通领域低碳绿色发展的重点方向，温室气体排放量占交通运输行业总排放的80%以上。经过多年发展，我国新能源汽车技术路径已较为清晰，锂电池电动汽车技术水平也有较大提升，成为道路交通领域降碳的重要保障。目前制约电动汽车发展的主要障碍是续航里程和安全性问题，相对目前的液态锂电池技术来说，固态锂电池安全性更高、能量密度更高，对于电池正极材料的选择范围更广，可大幅提高电动汽车安全性和续航里程。固态锂电池技术是支撑电动汽车大规模替代燃料油车的关键技术，是动力电池技术的重要方向。另外，与锂电池相比，氢燃料电池在能源密度、系统容量、加注时间、耐低温方面都有明显优势，可在中重型车辆中应用。从目前看，固态锂电池技术、氢燃料电池技术将是支撑道路交通领域碳达峰、碳中和的关键技术。
05 实现船用燃料替代的关键技术
我国水路运输仅次于道路运输，占交通领域碳排放的8%左右。从全球看，航运业属于碳排放大户，排放占比为3%左右，若作为一个国家计算，我国将是世界第六大排放国。船用燃料油属于重质燃油，相对车用燃料油品质量更低，燃料替代压力更大。国际海事组织（IMO）已提出到2030年全球海运碳排放量比2008年减少40%，到2050年减少至2008年水平的一半。未来进一步提升船用燃料油的品质、寻找替代燃料以及提升供能效率将是航运业低碳发展的重要方向。液化天然气（LNG）是船用燃料由高碳到低碳替代的重要选择，需通过船用重型燃气轮机技术，特别是回热机组和中冷机组两大核心部件功能提升，大幅提高热效率和输出功率，实现燃料替代，降低碳排放。未来燃氢燃气轮机、船用氢燃料电池也是重要技术方向。从燃料替代看，生物燃料、合成燃料、氨等低碳燃料均有机会实现对船用燃料油的替代。
06 实现工业深度脱碳的原料替代技术
工业领域对全球温室气体排放的贡献率在30%左右，我国的情况也大致如此，而且工业领域是国际上公认的实现碳中和难度最大的领域。交通、建筑行业都有相对明确的技术路线，可通过最大程度推动电气化实现降碳目标，但工业生产过程的很多环节难以实现电气化。根据我国研究机构的预测，到2060年工业领域电气化率只能达到50%左右。在工业生产中，化石能源被作为原料大量使用，特别是在钢铁、水泥、化工等碳排放大户中，对化石能源类原料的替代技术是实现深度脱碳的主要技术方向。钢铁行业需实现利用氢气或生物能代替焦炭作为高炉炼钢还原剂的技术突破，以减少乃至完全避免钢铁生产中的碳排放。水泥行业需寻找石灰石作为原料的替代品和相关技术。化工行业中，合成氨、石油化工加氢裂解工艺中，通过可再生能源电解水制氢技术替代化石能源制氢，是这些用氢工艺脱碳的重要技术需求。
07 工业高品位热源替代技术
一般而言，工业生产中超过三分之一的碳排放来自以化石能源作为燃料提供的热源。据国际能源署（IEA）的统计，目前全球提供高品位热源的仍是化石能源为主，约65%来自煤炭，20%来自天然气，10%来自石油。在钢铁、水泥、化工品等产品生产过程中，需要温度在400摄氏度以上的高品位热源，电气化手段只能实现对于中低品位热能的替代，无法提供高品位热源，而且电气化改造也意味着需重新调整窑炉设计，可能对生产工艺产生较大影响。在“双碳”目标要求下，对高品位热源的低碳替代将有较大需求，也是工业领域降碳的重要方面。目前看来，氢能和生物质能作为高品位热源已具有技术可行性，主要的障碍仍是成本过高。
08 低碳高效、因地制宜的供暖技术
近年来，我国持续推进冬季清洁供暖工作，但现有的“煤改电”“煤改气”等供暖方式存在较大争议，面临清洁能源供应不足、成本过高等问题，而将天然气、电力等高品位能源转化为低品位热量来供暖的方式也被认为是“高能低用”，不符合低碳高效低成本供暖的要求。冬季供暖耗能量大且极大依赖化石能源，对“双碳”目标影响较大，且属于民生工程，因此，探索选择科学合理的供暖技术路线的要求十分迫切。在我国北方农村地区，适宜将生物质能作为供暖能源的主要选择。国际上最大的可再生能源热源就是生物质，而且欧盟计划到2040年主要依靠生物质能在供热领域率先实现碳中和。我国利用生物质能供暖的技术和资源条件都已具备，需进一步完善提升相关技术水平，特别是加大大型高效低排放生物质锅炉、工业化厌氧发酵等重大技术攻关力度，探索新型生物质能加工工艺，提高生物质能利用率。同时，应高度重视低品位热源的利用空间，加大对工业余热高效回收利用、基于低品位余热利用的大温差长输供热等技术的攻关。南方地区冬季取暖将是新增能源消费的重要来源之一，可探索氢燃料电池热电联供技术的试点应用，作为城市分布式供暖方式的选择之一。
09 系统性节能提高能效技术
节能和提高能效是实现“双碳”目标最低成本的路径。IEA报告曾分析，如果要实现把全球温升控制在2摄氏度以内的目标，到2050年前节能提高能效对全球碳减排的贡献率为37%，而发展可再生能源贡献率为32%。我国节能提高能效空间巨大，应加大基于信息技术的全局优化系统节能技术创新，特别是能源梯级利用技术、工业通用系统节能技术以及智能建筑管理系统技术等。同时，需重视新型业态高能耗问题，高能效比的存算一体芯片技术将是提升大数据中心等新兴服务领域能效水平的关键技术。
10 CCUS等负排放技术
碳捕集、利用与封存技术（CCUS）等负排放技术是实现碳中和的必备技术之一。联合国政府间气候变化专门委员会发布的《IPCC全球升温1.5摄氏度特别报告》提出了将全球升温幅度控制在1.5摄氏度的四种情景，其中三种情景都需要大规模运用CCUS技术。在难减碳领域要实现净零排放更是离不开CCUS等负排放技术突破和规模化应用。未来重要的技术方向包括生物质能碳捕集与封存（BECCS）、直接空气捕集（DAC）、二氧化碳有效利用以及太阳辐射管理等地球工程技术。
