“雙碳”目標下需重視的十大技術方向
- 來源：
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- 發(fā)布時間：
- 2022-04-25
摘要：
實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革。如期實現(xiàn)“雙碳”目標離不開重大技術突破和科技創(chuàng)新支撐，其中關鍵性的技術方向可分為三個層次。首先是電氣化技術，電氣化是終端能源消費的重要方向，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的基礎條件，智能電網(wǎng)、儲能、核能、動力電池技術等都是有助于推動提升電氣化水平的技術。其次是在無法電氣化的領域通過新型燃料替代實現(xiàn)深度脫碳，包括在航運、工業(yè)和供暖等領域難以脫碳環(huán)節(jié)實現(xiàn)對化石能源的替代。再次是通過節(jié)能提效或負碳技術等，實現(xiàn)成效顯著的降碳。以上三個層次的技術方向是確?！半p碳”目標高效實現(xiàn)的重要支撐，在“十四五”及今后一個時期需給予高度重視和重點支持。
01 適應高比例可再生能源并網(wǎng)的智能電網(wǎng)技術
電氣化是能源轉(zhuǎn)型的重要方向，因此電力行業(yè)的減碳脫碳是我國“雙碳”目標實現(xiàn)的基礎。電力行業(yè)減碳脫碳的路徑是大幅提升風光等可再生能源發(fā)電裝機容量和發(fā)電量占比。按照碳達峰、碳中和工作要求，到2030年，我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上，比當前翻一番。根據(jù)測算，到2060年實現(xiàn)碳中和時，非化石能源發(fā)電量占比將由目前的34%左右提高到90%以上，而非化石能源的主體將是風能和太陽能等可再生能源。由于可再生能源發(fā)電的間歇性、波動性特征，大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng)將給電力供應穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。電網(wǎng)作為電力資源優(yōu)化配置的平臺，不同時間尺度電力供需平衡調(diào)度難度將大幅提升，對電網(wǎng)高效穩(wěn)定安全技術方面提出更高要求。為實現(xiàn)大規(guī)模、高比例可再生能源并網(wǎng)，需加強遠距離、大容量直流輸電與電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術，以及電網(wǎng)穩(wěn)定運行控制技術研發(fā)，加快柔性直流輸配電、新型電力系統(tǒng)仿真和調(diào)度運行等技術的研發(fā)應用。同時，需加強需求側(cè)響應與虛擬電廠技術，通過發(fā)揮需求側(cè)作用，提升電力系統(tǒng)整體靈活性。
02 長周期大容量的儲能技術
隨著可再生能源并網(wǎng)比例持續(xù)提高，需要配置大規(guī)模儲能以保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。而當前以電化學儲能為主的儲能方式更適用于平抑短時的電力波動，未來隨著非水可再生能源發(fā)電占比提升，需要平抑數(shù)日、數(shù)周乃至季節(jié)性的電量波動，必采用長時間、大容量的儲能技術，以實現(xiàn)更廣時間和空間范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移。從儲能技術看，可實現(xiàn)這一儲能要求的儲能方式較少。從國際趨勢與國內(nèi)技術示范看，固態(tài)鋰離子儲能電池技術、壓縮空氣儲能、液流電池、氫儲能等都將是大規(guī)模儲能的主要技術方向，應鼓勵開展不同儲能技術路線探索，加強技術儲備，開展源網(wǎng)荷側(cè)多類型儲能技術示范應用。
03 安全高效的核能技術
推動我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，需要多種能源品種的相互配合，核電是其中的重要選項。特別是可再生能源發(fā)電占比不斷提升將給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來沖擊，核電作為出力穩(wěn)定、清潔無碳的電源，其在電源結構中的重要作用仍難以替代。國際上，日本福島核事故導致各國的核電發(fā)展戰(zhàn)略都有所收縮，但并沒有使核電發(fā)展發(fā)生逆轉(zhuǎn)，仍在持續(xù)增長，這表明核電對于全球電力系統(tǒng)實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型有重要作用。我國仍須堅持在安全的前提下有序發(fā)展核能，確保持續(xù)支持先進核能技術研發(fā)，特別是先進和創(chuàng)新型反應堆和燃料設計技術，關注并探索具備成本低、靈活性強等特點的小型模塊化核反應堆技術等，更好發(fā)揮我國核能技術優(yōu)勢，使核能成為助力能源轉(zhuǎn)型的重要選擇之一。
04 推動道路交通降碳的先進電池技術
道路運輸始終是我國交通領域低碳綠色發(fā)展的重點方向，溫室氣體排放量占交通運輸行業(yè)總排放的80%以上。經(jīng)過多年發(fā)展，我國新能源汽車技術路徑已較為清晰，鋰電池電動汽車技術水平也有較大提升，成為道路交通領域降碳的重要保障。目前制約電動汽車發(fā)展的主要障礙是續(xù)航里程和安全性問題，相對目前的液態(tài)鋰電池技術來說，固態(tài)鋰電池安全性更高、能量密度更高，對于電池正極材料的選擇范圍更廣，可大幅提高電動汽車安全性和續(xù)航里程。固態(tài)鋰電池技術是支撐電動汽車大規(guī)模替代燃料油車的關鍵技術，是動力電池技術的重要方向。另外，與鋰電池相比，氫燃料電池在能源密度、系統(tǒng)容量、加注時間、耐低溫方面都有明顯優(yōu)勢，可在中重型車輛中應用。從目前看，固態(tài)鋰電池技術、氫燃料電池技術將是支撐道路交通領域碳達峰、碳中和的關鍵技術。
05 實現(xiàn)船用燃料替代的關鍵技術
我國水路運輸僅次于道路運輸，占交通領域碳排放的8%左右。從全球看，航運業(yè)屬于碳排放大戶，排放占比為3%左右，若作為一個國家計算，我國將是世界第六大排放國。船用燃料油屬于重質(zhì)燃油，相對車用燃料油品質(zhì)量更低，燃料替代壓力更大。國際海事組織（IMO）已提出到2030年全球海運碳排放量比2008年減少40%，到2050年減少至2008年水平的一半。未來進一步提升船用燃料油的品質(zhì)、尋找替代燃料以及提升供能效率將是航運業(yè)低碳發(fā)展的重要方向。液化天然氣（LNG）是船用燃料由高碳到低碳替代的重要選擇，需通過船用重型燃氣輪機技術，特別是回熱機組和中冷機組兩大核心部件功能提升，大幅提高熱效率和輸出功率，實現(xiàn)燃料替代，降低碳排放。未來燃氫燃氣輪機、船用氫燃料電池也是重要技術方向。從燃料替代看，生物燃料、合成燃料、氨等低碳燃料均有機會實現(xiàn)對船用燃料油的替代。
06 實現(xiàn)工業(yè)深度脫碳的原料替代技術
工業(yè)領域?qū)θ驕厥覛怏w排放的貢獻率在30%左右，我國的情況也大致如此，而且工業(yè)領域是國際上公認的實現(xiàn)碳中和難度最大的領域。交通、建筑行業(yè)都有相對明確的技術路線，可通過最大程度推動電氣化實現(xiàn)降碳目標，但工業(yè)生產(chǎn)過程的很多環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)電氣化。根據(jù)我國研究機構的預測，到2060年工業(yè)領域電氣化率只能達到50%左右。在工業(yè)生產(chǎn)中，化石能源被作為原料大量使用，特別是在鋼鐵、水泥、化工等碳排放大戶中，對化石能源類原料的替代技術是實現(xiàn)深度脫碳的主要技術方向。鋼鐵行業(yè)需實現(xiàn)利用氫氣或生物能代替焦炭作為高爐煉鋼還原劑的技術突破，以減少乃至完全避免鋼鐵生產(chǎn)中的碳排放。水泥行業(yè)需尋找石灰石作為原料的替代品和相關技術?；ば袠I(yè)中，合成氨、石油化工加氫裂解工藝中，通過可再生能源電解水制氫技術替代化石能源制氫，是這些用氫工藝脫碳的重要技術需求。
07 工業(yè)高品位熱源替代技術
一般而言，工業(yè)生產(chǎn)中超過三分之一的碳排放來自以化石能源作為燃料提供的熱源。據(jù)國際能源署（IEA）的統(tǒng)計，目前全球提供高品位熱源的仍是化石能源為主，約65%來自煤炭，20%來自天然氣，10%來自石油。在鋼鐵、水泥、化工品等產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，需要溫度在400攝氏度以上的高品位熱源，電氣化手段只能實現(xiàn)對于中低品位熱能的替代，無法提供高品位熱源，而且電氣化改造也意味著需重新調(diào)整窯爐設計，可能對生產(chǎn)工藝產(chǎn)生較大影響。在“雙碳”目標要求下，對高品位熱源的低碳替代將有較大需求，也是工業(yè)領域降碳的重要方面。目前看來，氫能和生物質(zhì)能作為高品位熱源已具有技術可行性，主要的障礙仍是成本過高。
08 低碳高效、因地制宜的供暖技術
近年來，我國持續(xù)推進冬季清潔供暖工作，但現(xiàn)有的“煤改電”“煤改氣”等供暖方式存在較大爭議，面臨清潔能源供應不足、成本過高等問題，而將天然氣、電力等高品位能源轉(zhuǎn)化為低品位熱量來供暖的方式也被認為是“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極大依賴化石能源，對“雙碳”目標影響較大，且屬于民生工程，因此，探索選擇科學合理的供暖技術路線的要求十分迫切。在我國北方農(nóng)村地區(qū)，適宜將生物質(zhì)能作為供暖能源的主要選擇。國際上最大的可再生能源熱源就是生物質(zhì)，而且歐盟計劃到2040年主要依靠生物質(zhì)能在供熱領域率先實現(xiàn)碳中和。我國利用生物質(zhì)能供暖的技術和資源條件都已具備，需進一步完善提升相關技術水平，特別是加大大型高效低排放生物質(zhì)鍋爐、工業(yè)化厭氧發(fā)酵等重大技術攻關力度，探索新型生物質(zhì)能加工工藝，提高生物質(zhì)能利用率。同時，應高度重視低品位熱源的利用空間，加大對工業(yè)余熱高效回收利用、基于低品位余熱利用的大溫差長輸供熱等技術的攻關。南方地區(qū)冬季取暖將是新增能源消費的重要來源之一，可探索氫燃料電池熱電聯(lián)供技術的試點應用，作為城市分布式供暖方式的選擇之一。
09 系統(tǒng)性節(jié)能提高能效技術
節(jié)能和提高能效是實現(xiàn)“雙碳”目標最低成本的路徑。IEA報告曾分析，如果要實現(xiàn)把全球溫升控制在2攝氏度以內(nèi)的目標，到2050年前節(jié)能提高能效對全球碳減排的貢獻率為37%，而發(fā)展可再生能源貢獻率為32%。我國節(jié)能提高能效空間巨大，應加大基于信息技術的全局優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能技術創(chuàng)新，特別是能源梯級利用技術、工業(yè)通用系統(tǒng)節(jié)能技術以及智能建筑管理系統(tǒng)技術等。同時，需重視新型業(yè)態(tài)高能耗問題，高能效比的存算一體芯片技術將是提升大數(shù)據(jù)中心等新興服務領域能效水平的關鍵技術。
10 CCUS等負排放技術
碳捕集、利用與封存技術（CCUS）等負排放技術是實現(xiàn)碳中和的必備技術之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會發(fā)布的《IPCC全球升溫1.5攝氏度特別報告》提出了將全球升溫幅度控制在1.5攝氏度的四種情景，其中三種情景都需要大規(guī)模運用CCUS技術。在難減碳領域要實現(xiàn)凈零排放更是離不開CCUS等負排放技術突破和規(guī)?；瘧?。未來重要的技術方向包括生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）、直接空氣捕集（DAC）、二氧化碳有效利用以及太陽輻射管理等地球工程技術。
