“雙碳”目標(biāo)下需重視的十大技術(shù)方向
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- 發(fā)布時(shí)間：
- 2022-04-25
摘要：
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)離不開重大技術(shù)突破和科技創(chuàng)新支撐，其中關(guān)鍵性的技術(shù)方向可分為三個(gè)層次。首先是電氣化技術(shù)，電氣化是終端能源消費(fèi)的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的基礎(chǔ)條件，智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能、核能、動(dòng)力電池技術(shù)等都是有助于推動(dòng)提升電氣化水平的技術(shù)。其次是在無法電氣化的領(lǐng)域通過新型燃料替代實(shí)現(xiàn)深度脫碳，包括在航運(yùn)、工業(yè)和供暖等領(lǐng)域難以脫碳環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)化石能源的替代。再次是通過節(jié)能提效或負(fù)碳技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)成效顯著的降碳。以上三個(gè)層次的技術(shù)方向是確保“雙碳”目標(biāo)高效實(shí)現(xiàn)的重要支撐，在“十四五”及今后一個(gè)時(shí)期需給予高度重視和重點(diǎn)支持。
01 適應(yīng)高比例可再生能源并網(wǎng)的智能電網(wǎng)技術(shù)
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(guó)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。電力行業(yè)減碳脫碳的路徑是大幅提升風(fēng)光等可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量占比。按照碳達(dá)峰、碳中和工作要求，到2030年，我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上，比當(dāng)前翻一番。根據(jù)測(cè)算，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)，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(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源。由于可再生能源發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性特征，大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng)將給電力供應(yīng)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(tái)，不同時(shí)間尺度電力供需平衡調(diào)度難度將大幅提升，對(duì)電網(wǎng)高效穩(wěn)定安全技術(shù)方面提出更高要求。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高比例可再生能源并網(wǎng)，需加強(qiáng)遠(yuǎn)距離、大容量直流輸電與電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)，以及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制技術(shù)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(yùn)行等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。同時(shí)，需加強(qiáng)需求側(cè)響應(yīng)與虛擬電廠技術(shù)，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(zhǎng)周期大容量的儲(chǔ)能技術(shù)
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(chǔ)能以保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。而當(dāng)前以電化學(xué)儲(chǔ)能為主的儲(chǔ)能方式更適用于平抑短時(shí)的電力波動(dòng)，未來隨著非水可再生能源發(fā)電占比提升，需要平抑?jǐn)?shù)日、數(shù)周乃至季節(jié)性的電量波動(dòng)，必采用長(zhǎng)時(shí)間、大容量的儲(chǔ)能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更廣時(shí)間和空間范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移。從儲(chǔ)能技術(shù)看，可實(shí)現(xiàn)這一儲(chǔ)能要求的儲(chǔ)能方式較少。從國(guó)際趨勢(shì)與國(guó)內(nèi)技術(shù)示范看，固態(tài)鋰離子儲(chǔ)能電池技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池、氫儲(chǔ)能等都將是大規(guī)模儲(chǔ)能的主要技術(shù)方向，應(yīng)鼓勵(lì)開展不同儲(chǔ)能技術(shù)路線探索，加強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備，開展源網(wǎng)荷側(cè)多類型儲(chǔ)能技術(shù)示范應(yīng)用。
03 安全高效的核能技術(shù)
推動(dòng)我國(guó)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(xiàng)。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(jié)構(gòu)中的重要作用仍難以替代。國(guó)際上，日本福島核事故導(dǎo)致各國(guó)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(zhǎng)，這表明核電對(duì)于全球電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型有重要作用。我國(guó)仍須堅(jiān)持在安全的前提下有序發(fā)展核能，確保持續(xù)支持先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)，特別是先進(jìn)和創(chuàng)新型反應(yīng)堆和燃料設(shè)計(jì)技術(shù)，關(guān)注并探索具備成本低、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)的小型模塊化核反應(yīng)堆技術(shù)等，更好發(fā)揮我國(guó)核能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使核能成為助力能源轉(zhuǎn)型的重要選擇之一。
04 推動(dòng)道路交通降碳的先進(jìn)電池技術(shù)
道路運(yùn)輸始終是我國(guó)交通領(lǐng)域低碳綠色發(fā)展的重點(diǎn)方向，溫室氣體排放量占交通運(yùn)輸行業(yè)總排放的80%以上。經(jīng)過多年發(fā)展，我國(guó)新能源汽車技術(shù)路徑已較為清晰，鋰電池電動(dòng)汽車技術(shù)水平也有較大提升，成為道路交通領(lǐng)域降碳的重要保障。目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要障礙是續(xù)航里程和安全性問題，相對(duì)目前的液態(tài)鋰電池技術(shù)來說，固態(tài)鋰電池安全性更高、能量密度更高，對(duì)于電池正極材料的選擇范圍更廣，可大幅提高電動(dòng)汽車安全性和續(xù)航里程。固態(tài)鋰電池技術(shù)是支撐電動(dòng)汽車大規(guī)模替代燃料油車的關(guān)鍵技術(shù)，是動(dòng)力電池技術(shù)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(shí)間、耐低溫方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，可在中重型車輛中應(yīng)用。從目前看，固態(tài)鋰電池技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)將是支撐道路交通領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵技術(shù)。
05 實(shí)現(xiàn)船用燃料替代的關(guān)鍵技術(shù)
我國(guó)水路運(yùn)輸僅次于道路運(yùn)輸，占交通領(lǐng)域碳排放的8%左右。從全球看，航運(yùn)業(yè)屬于碳排放大戶，排放占比為3%左右，若作為一個(gè)國(guó)家計(jì)算，我國(guó)將是世界第六大排放國(guó)。船用燃料油屬于重質(zhì)燃油，相對(duì)車用燃料油品質(zhì)量更低，燃料替代壓力更大。國(guó)際海事組織（IMO）已提出到2030年全球海運(yùn)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(jìn)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(yùn)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?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，特別是回?zé)釞C(jī)組和中冷機(jī)組兩大核心部件功能提升，大幅提高熱效率和輸出功率，實(shí)現(xiàn)燃料替代，降低碳排放。未來燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)、船用氫燃料電池也是重要技術(shù)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(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)船用燃料油的替代。
06 實(shí)現(xiàn)工業(yè)深度脫碳的原料替代技術(shù)
工業(yè)領(lǐng)域?qū)θ驕厥覛怏w排放的貢獻(xiàn)率在30%左右，我國(guó)的情況也大致如此，而且工業(yè)領(lǐng)域是國(guó)際上公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)碳中和難度最大的領(lǐng)域。交通、建筑行業(yè)都有相對(duì)明確的技術(shù)路線，可通過最大程度推動(dòng)電氣化實(shí)現(xiàn)降碳目標(biāo)，但工業(yè)生產(chǎn)過程的很多環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)電氣化。根據(jù)我國(guó)研究機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到2060年工業(yè)領(lǐng)域電氣化率只能達(dá)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(duì)化石能源類原料的替代技術(shù)是實(shí)現(xiàn)深度脫碳的主要技術(shù)方向。鋼鐵行業(yè)需實(shí)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(shù)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(guān)技術(shù)?；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(shù)替代化石能源制氫，是這些用氫工藝脫碳的重要技術(shù)需求。
07 工業(yè)高品位熱源替代技術(shù)
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(guó)際能源署（IEA）的統(tǒng)計(jì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)，可能對(duì)生產(chǎn)工藝產(chǎn)生較大影響。在“雙碳”目標(biāo)要求下，對(duì)高品位熱源的低碳替代將有較大需求，也是工業(yè)領(lǐng)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(shù)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(shù)
近年來，我國(guó)持續(xù)推進(jìn)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(zhēng)議，面臨清潔能源供應(yīng)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(rèn)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(duì)“雙碳”目標(biāo)影響較大，且屬于民生工程，因此，探索選擇科學(xué)合理的供暖技術(shù)路線的要求十分迫切。在我國(guó)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(guó)際上最大的可再生能源熱源就是生物質(zhì)，而且歐盟計(jì)劃到2040年主要依靠生物質(zhì)能在供熱領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)利用生物質(zhì)能供暖的技術(shù)和資源條件都已具備，需進(jìn)一步完善提升相關(guān)技術(shù)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(shù)攻關(guān)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(shí)，應(yīng)高度重視低品位熱源的利用空間，加大對(duì)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(zhǎng)輸供熱等技術(shù)的攻關(guān)。南方地區(qū)冬季取暖將是新增能源消費(fèi)的重要來源之一，可探索氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供技術(shù)的試點(diǎn)應(yīng)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(shù)
節(jié)能和提高能效是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最低成本的路徑。IEA報(bào)告曾分析，如果要實(shí)現(xiàn)把全球溫升控制在2攝氏度以內(nèi)的目標(biāo)，到2050年前節(jié)能提高能效對(duì)全球碳減排的貢獻(xiàn)率為37%，而發(fā)展可再生能源貢獻(xiàn)率為32%。我國(guó)節(jié)能提高能效空間巨大，應(yīng)加大基于信息技術(shù)的全局優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，特別是能源梯級(jí)利用技術(shù)、工業(yè)通用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)以及智能建筑管理系統(tǒng)技術(shù)等。同時(shí)，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(shù)將是提升大數(shù)據(jù)中心等新興服務(wù)領(lǐng)域能效水平的關(guān)鍵技術(shù)。
10 CCUS等負(fù)排放技術(shù)
碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）等負(fù)排放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和的必備技術(shù)之一。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的《IPCC全球升溫1.5攝氏度特別報(bào)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(yùn)用CCUS技術(shù)。在難減碳領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)凈零排放更是離不開CCUS等負(fù)排放技術(shù)突破和規(guī)?；瘧?yīng)用。未來重要的技術(shù)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(yáng)輻射管理等地球工程技術(shù)。
