碳中和愿景的科技需求與技術路徑

張賢，郭偲悅，孔慧，趙偉辰，賈莉，劉家琰，仲平＊

（1.中國21世紀議程管理中心，北京 100038；2.清華大學能源環境經濟研究所，北京 100084；3.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；4.清華大學地球系統科學系，北京 100084）

引言

氣候變化是全球面臨的重大挑戰，應對氣候變化事關我國國內國際兩個大局，事關發展全局和長遠，既是推動經濟高質量發展和生態文明建設的重要抓手，也是參與全球治理和堅持多邊主義的重要領域。2020 年9 月22 日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會提出了我國力爭2030 年前二氧化碳排放達峰和2060 年前實現碳中和愿景，并在國內外重要會議上多次強調該目標落實的重要性[1]。2020 年中央經濟工作會議首次決定將“做好碳達峰、碳中和工作”列入年度重點任務之一[2]，“制定2030 年前碳排放達峰行動方案”將寫入“十四五”經濟和社會發展五年規劃[3]，進一步凸顯了我國實現碳達峰與碳中和愿景的決心和信心，以及重信守諾的責任擔當。

碳達峰與碳中和目標的確立對科技創新，特別是整體技術布局與技術發展方向提出了全新的要求。一是碳中和愿景的提出預示著未來減排力度將發生深刻變化。國家自主貢獻目標要求相對排放基準線的碳強度降低，碳中和目標需要實現整體經濟活動的源匯相抵，對能實現深度減排的脫碳、零碳和負排放技術需求明顯增強。二是碳中和愿景的提出將對能源供給側和消費側產生巨大影響。不僅需要工業、交通、建筑等消費側部門積極響應，而且需要電力、燃料等能源供給側部門做出主動調整，負碳電力系統的重構、零碳能源體系的建立，以及近零排放工業流程的重塑亟需科技支撐。三是碳中和愿景的提出將給經濟社會發展模式帶來顛覆性改變，需要兼顧減排目標實現、能源資源安全和經濟社會可持續發展的多重需求，亟需區域、行業和整體的系統優化集成提供支撐。

科技創新是碳達峰與碳中和目標實現的重要保障，國務院各部門密集出臺應對氣候變化有關政策，都對科技支撐提出明確需求。生態環境部2021 年1月發布《關于統籌和加強應對氣候變化與生態環境保護相關工作的指導意見》，指出要“積極推動重大科技創新和工程示范”，要加強氣候變化領域科技創新的能力建設、支持力度等[4]。地方政府及相關企業紛紛制定碳達峰與碳中和背景下的發展規劃，把促進應對氣候變化科技創新作為支撐碳中和目標實現的重要組成部分。深入分析科技需求、明確技術發展路徑，對我國實現高質量達峰和碳中和目標具有重要意義。

1 碳達峰與碳中和目標實現亟需科技支撐

1.1 世界各國均將科技創新作為碳中和目標實現的重要保障

據不完全統計，全球已有100 多個國家或地區以不同形式提出了碳中和目標[5]，并針對低碳/零碳發展技術需求紛紛出臺科技發展規劃。歐盟為實現2050碳中和目標于2019 年頒布了《歐洲綠色新政》，明確能源、工業、建筑、交通、消費等重點領域的技術需求，圍繞需重點突破與推廣的核心技術，通過加大“地平線”項目投入等方式支持技術創新[6]。美國2020 年發布《清潔能源革命和環境正義計劃》，將液體燃料、低碳交通、可再生能源發電、儲能等列為重點方向，明確了技術發展目標，并指出要加大研究投入[7]。日本面向2050 年碳中和目標于2020 年12 月發布《綠色增長戰略》，提出了海上風力發電、電動車、氫能源、航運業、航空業、住宅建筑等14 個重點領域深度減排的詳細技術路線圖、技術發展目標和主要措施等[8]。英國氣候變化委員會（UKCCC）發布系列報告，圍繞實現碳中和的技術需求，提出了供熱、工業、交通等領域的技術發展目標和路徑，為英國整體實現凈零排放提供技術支持[9]。

多個國際組織的研究報告表明科技創新是實現碳中和目標的重要保障?？沙掷m發展解決方案網絡（SDSN）與意大利馬特艾基金會（FEEM）在2019 年共同發布了針對各國到21 世紀中葉脫碳的路徑研究，梳理了電力、交通、建筑與工業的主要技術以及2025年、2050 年的發展目標，為各國制定脫碳規劃提供支撐[10]。能源轉型委員會（ETC）也發布報告，對實現零碳經濟各領域主要技術的發展時間節點進行了綜述與規劃[11]。國際能源署（IEA）長期開展減排技術評估，發布了一系列技術路線圖，并在2020 年度的能源技術展望報告（ETP2020）中，針對全球2070 年實現凈零排放情景，對各部門技術的整體情況進行分析，著重討論了難減排部門并評估了433 項減排技術的重要性、成熟度等[12]。

1.2 我國碳中和目標實現歸根結底要靠科技進步

從短期看，處理好經濟轉型發展、疫后復蘇與碳約束的矛盾亟需科技支撐。我國經濟正處于轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期，結構性、體制性、周期性問題相互交織，短期內“三期疊加”的影響將持續深化，加上新冠肺炎疫情蔓延，經濟下行壓力增大。隨著我國經濟社會進一步發展，工業化和城市化不斷推進，能源資源的消費量將持續增加，溫室氣體排放量也將越來越大。短期內，過激調整能源結構、產業結構或大幅降低能源供應總量都將影響我國經濟發展。為實現碳達峰與碳中和目標和疫情后經濟綠色復蘇，在不影響人民生活水平提高前提下，亟須依靠科技創新提升可再生能源比重、降低重點排放行業能耗和排放強度、提高能源利用效率、改善制造工藝、推進低碳原料替代等。

從中期看，推動經濟持續低碳/脫碳發展最終要依靠科技。碳達峰與碳中和目標的提出，意味著未來我國碳排放空間將大幅受限，我國已不可能沿襲發達國家走過的高消耗、高排放的傳統工業化道路，必須加快經濟發展低碳/脫碳轉型。未來實現碳中和目標和發展方式的根本性轉變需要低碳科技創新的有力支撐。經濟轉型突破碳約束的產業布局尤為重要，需要大力發展技術密集型的低碳產業，加大對傳統高碳產業的技術升級改造力度，關鍵是發揮好科技在實現經濟模式由要素驅動發展向創新驅動發展轉變的支撐作用，把科技創新與產業結構轉型升級相結合，加速市場導向的技術研發，深入推進應對氣候變化與低碳綠色經濟發展科技協同創新，逐步避免高碳產業鎖定，實現經濟低碳/脫碳發展。

從長期看，未來提升我國在全球低碳市場競爭力的關鍵在科技創新。在應對氣候變化、全球低碳轉型的大趨勢下，低碳核心技術儲備和技術發展能力，以及產業結構綠色轉型是現代化的標志和核心競爭力的體現。歐美等發達國家和地區在不斷提升減排力度的同時，積極部署碳中和有關科技研發，提高全球貿易市場準入門檻。例如，歐盟在提出2050 年實現碳中和目標后，很快將2030 年碳排放減排目標從比1990年減少40%提高到60%[13]；通過公布《歐洲綠色新政》加緊部署綠色低碳技術研發，并明確2022 年開始實施碳邊境調節稅（碳關稅），將進口產品成本核算加入碳關稅。我國需要緊緊把握全球經濟發展的新特點，超前謀劃部署碳中和實現路徑，在更高起點上推進科技創新，確保在未來國際市場上的競爭力。

2 碳中和愿景的提出對應對氣候變化技術發展提出了更高要求

2.1 我國碳排放總量大、強度高，科技支撐碳中和目標需要付出更多努力

從碳排放現狀來看，我國碳排放總量為美國兩倍多、歐盟三倍多，是世界第一大排放國，實現碳中和目標所需的碳排放減量遠高于其他經濟體，需要大力發展減排技術。2019 年，我國二氧化碳排放總量約115 億噸，約占全球的30%；人均碳排放約為8.1 噸二氧化碳/人，超過歐盟①本文的歐盟指歐盟27 國與英國。水平25%，比全球水平高出65%[14]。此外我國非二氧化碳溫室氣體（以下簡稱非二氣體）排放約24 億噸二氧化碳當量，碳匯約10億噸[15,16]。我國碳強度近年來迅速下降，已經提前完成比2005年下降40%～45%的減排目標[17]，約為0.51噸二氧化碳/千美元，但仍明顯高于大部分發達國家，在二十國集團中僅次于南非[14]。我國碳強度較高主要是由于能源結構中煤炭占比高、產業結構中重工業占比大。我國煤炭占一次能源比例約為58%，高于全球平均水平（33%），也顯著高于美國（12%）與歐盟（11%）[18]。我國工業比重，尤其是重工業比重顯著高于絕大部分發達國家。作為“世界工廠”，我國生產了全球約56.5%的鋼鐵（2020 年）[19]與55.7%的水泥（2019 年）[20]，這些行業都較難實現凈零排放。

2.2 我國碳中和目標實現周期短、難度大，快速深度減排需提前做好技術儲備

從碳中和實現時間周期看，我國需要用比發達國家更短的時間完成深度減排，科技需要發揮重大作用。我國計劃從2030 年前二氧化碳排放達峰到2060年實現碳中和的時間僅為30 年左右，遠遠少于歐美（45 年左右或更長）。研究表明，我國需盡可能提早達峰并盡可能降低峰值，達峰時間越靠前、峰值越小，從碳達峰到碳中和的減排壓力越小、轉型所需時間越短[21]。與大部分發達國家不同，我國經濟發展與碳排放尚未完全脫鉤，在考慮低碳/脫碳轉型的同時，還要兼顧經濟轉型，處理好碳排放約束和社會經濟發展需求的矛盾，并把矛盾轉變為新動能。我國需要提前部署碳中和實施路徑和技術研發，以緩解未來的減排壓力，在加快推廣成熟技術以支撐高質量達峰的同時，提前部署深度減排需要的各項技術以匹配快速減排需求。

2.3 現有減排技術供給不足，難以支撐我國實現碳中和目標

我國一直積極推動節能減排和綠色低碳發展技術，近年來通過加大科技投入、出臺激勵政策及規劃、部署科技計劃項目和開展國際合作等措施，大力推動了相關技術進步，在關鍵技術突破、先進技術示范、顛覆性技術超前理論研究等方面取得了快速發展。但是如果僅延續當前政策、投資和碳減排目標等，現有低碳、零碳和負排放技術難以支撐我國到2060 年實現碳中和[17]。文獻計量分析顯示，在零碳及負排放關鍵技術領域，我國發文量位于全球第二，但篇均被引頻次在全球發文量前十的國家中是最低的，約為美國的三分之一，且從關鍵詞看，國際研究對于負排放技術的研究熱度高于我國[22]。針對脫碳、零碳、負排放技術供給不足的現狀，需要提前做好技術研發供給側結構調整，進一步明確碳中和技術需求，優化應對氣候變化技術研發布局。

3 我國碳中和技術發展總體目標路徑

3.1 碳中和技術發展總體目標

為保障我國碳排放高質量達峰和實現碳中和目標提供技術可行、經濟可承受的科技支撐，是我國碳中和技術發展的總體目標。根據我國力爭實現2030 年前二氧化碳排放達峰和2060 年前碳中和愿景，以及2035 年前碳排放穩中有降的有關規劃，我國碳排放趨勢可分為達峰期、平臺期、下降期以及中和期四個階段[23]。在不同發展階段，需要根據碳排放特征、減排需求，針對性地部署符合該階段目標需求的減排技術。

在達峰期，高質量達峰需要兼顧經濟社會可持續發展。減排手段主要集中在節能減排技術廣泛推廣、可再生能源技術應用占比提升、能效技術潛力進一步釋放等，新興技術如碳捕集利用與封存（CCUS）技術、生物質利用與CCUS 技術結合（BECCS）等需提前有序部署以減輕未來壓力，從而實現我國預期的達峰目標。

在平臺期與下降期，需實現國內經濟發展與碳排放完全脫鉤，碳排放顯著下降，核心的碳中和技術取得較大突破，大部分技術實現規模化推廣，能源系統逐步實現近零排放。這一階段能效提升技術的貢獻逐漸變小，主要減排手段集中在脫碳零碳技術規?；茝V與商業化應用，脫碳燃料、原料和工藝全面替代，負排放技術廣泛示范等。

進入中和期，我國將要或者已經全面建成社會主義現代化強國，經濟社會發展綠色低碳/脫碳轉型已經完成，碳中和技術發展處于全球引領位置，脫碳、零碳和負排放技術進一步推廣，全面支撐碳中和目標實現。

3.2 碳中和目標下主要行業技術發展需求

電力、工業、建筑和交通等社會經濟部門的排放是我國碳排放的主要來源，需結合各部門自身排放結構和發展的異質性，明確推廣需要的碳中和技術，同時考慮非二氣體排放的削減，以實現全社會的零碳發展。

電力部門是實現2060 碳中和目標的關鍵所在。能效進步、可再生能源占比提升是達峰期的主要減排手段，高比例非化石能源電力系統的安全性和靈活性將成為重大難點，電力系統集成優化減排技術與各類需求側響應技術需開始部署。隨著電力系統逐步實現零碳排放，提高能源生產及利用效率技術的貢獻將下降，可再生能源及核能發電技術的推廣、CCUS 技術和BECCS 等負排放技術開始進入商業推廣階段并成為電力部門減排的主要貢獻技術。電力系統集成優化減排技術需要在全國范圍普及應用。到電力系統實現負排放，化石能源發電將全部采用CCUS 技術，并通過BECCS 等實現負排放。

工業部門是中國的能耗和碳排放大戶，是實現碳中和目標的重點領域。實現工業部門的高質量達峰，主要依靠工業生產節能、減少工業產品需求量以及提升產品利用率的節材技術。工業原料替代、工藝革新與CCUS 技術大都還在研發階段，達峰期貢獻較少。隨著相關技術潛力和技術成熟度的改變，各類技術的貢獻占比也將發生較大變化：節能技術的潛力相對下降，節材技術、工業原料替代、工藝革新與CCUS 技術將隨著有關技術的成熟，貢獻不斷增加，成為工業部門碳中和的主要貢獻技術。

建筑部門的碳排放已開始進入平臺期，總體來說各項需求都存在零碳解決方案，應率先進入去峰期并盡早實現近零排放。服務需求減量技術以及效率提升技術為2030 年之前的主要減排手段；調整能源結構與可再生能源利用技術，包括建筑電氣化、光伏建筑一體化等在此階段需積極部署。對于建筑部門實現近零排放，能源結構優化是主要途徑，包括電氣化的顯著提升、零碳熱力的推廣等。建筑負荷柔性化技術通過調節建筑負荷曲線實現電網友好，是未來高比例可再生電力發展的重要支撐，應加快技術攻關，在2035 年以前具備在全國范圍推廣的能力并在之后持續推廣。

交通部門碳減排潛力大、難度高。國際經驗表明，發達國家在交通運輸規模基本穩定的情況下，實現碳中和亦非常困難。發展公共交通、優化運輸結構等需求減量技術和提高能源利用效率技術是盡早達峰的主要減排手段。電動貨車、生物柴油燃料技術等燃料替代技術對實現交通部門快速深度減排將起到關鍵作用，需積極研發部署。同時，交通用能供需匹配技術應在全國普及和應用，以減輕交通部門的供需矛盾。預計航空與遠洋航海到中和期還可能有部分排放難以削減，需要顛覆性技術。

現階段非二氣體的管控與減排相關技術還較為薄弱，亟需科技相關部署與支撐。要實現非二氣體盡快進入減排期，完全消減需求和替代原有需求為主要減排手段。煤層氣回收、工業部門尾氣排放催化分解處理等末端回收和處置技術多還處于研究階段，貢獻占比目前相對較小，但伴隨技術進步將逐漸增加。預計到2060 年仍有部分非二氣體難以減排，剩余的排放量需要顛覆性技術的研發與應用。

3.3 亟須優先部署的技術突破方向

“十四五”是碳達峰與碳中和目標實現的關鍵時期，應全面加強相關脫碳、零碳技術發展的全局性部署，加快開展以實現碳中和為目標的零碳、負排放技術研發與示范。

一是重點突破零碳電力技術。圍繞能源生產消費方式深度脫碳轉型需求，以一次能源結構非化石化為主線，研發推廣大規模低成本儲能、智能電網、虛擬電廠等技術，構建水、風、光等資源利用—可再生發電—終端用能優化匹配技術體系，發展支撐實現高比例可再生能源電網靈活穩定運行的相關技術，推動工業、交通、建筑電氣化進程。

二是加快推進零碳非電能源技術的研發與商業化進程。加快化石能源制氫+CCUS 等“藍氫”技術部署，積極推動可再生能源發電制氫規?；取熬G氫”技術研發，超前儲備其他氫能制備技術，推動生物質能、氨能等其他零碳非電能源技術發展，探索以上能源形式與工業、交通、建筑等深度融合發展的新模式。

三是繼續發展節能節材技術與資源產品循環利用技術。利用新材料、新技術升級現有節能技術和設備，持續挖掘節能潛力提升能效，提高能源精細化管理水平。推動鋼鐵、水泥等基礎材料的高性能化、減量化和綠色化轉型，減少鋼鐵、水泥、化工等產品的需求量與提高材料利用效率。重點推進電能替代、氫基工業、生物燃料等工藝革新技術并推廣應用，包括氫能煉鋼、電爐煉鋼、生物化工制品工藝等，強化和加速推進以CO2為原料的化學品合成技術研發。

四是超前部署增匯技術和負排放技術。發展CCUS 關鍵技術及其與工業、電力等領域的集成技術，重點部署BECCS 以及直接空氣捕集（DAC）技術，探索太陽輻射管理等地球工程技術并開展綜合影響評估，發展農業、林業草原減排增匯技術，研究海洋、土壤等碳儲技術，發展以紅樹林、海草床、鹽藻為代表的海洋藍碳等技術。

五是推動耦合集成與優化技術發展并開展工程示范。聚焦能源體系零碳轉型升級、工業產品綠色低碳發展、各終端消費部門近零排放等，及時評估相應脫碳、零碳和負排放技術發展進程，促進不同技術單元集成耦合，最大限度地挖掘相應技術的減排潛力，協同溫室氣體與污染物減排，促進社會經濟各部分全鏈條低碳/脫碳綠色轉型。融合人工智能、互聯網、信息通訊等系統優化技術，開展技術融合優化的工程示范。

4 碳中和愿景下科技發展的政策建議

4.1 強化頂層設計

一是建立跨部門協調機制，共同推動支撐碳中和目標下各領域科技創新及技術成果推廣應用，推動資源、環境、能源、工業、建筑、交通、材料、海洋、農林等領域合作，發揮政策合力，以更大力度推進減排，與經濟發展、環境治理協同增效。二是研究制定碳中和科技創新頂層設計，推動相關規劃編制。統籌考慮2030 年前二氧化碳達峰與2060 年前碳中和目標，結合短期經濟復蘇、中期結構調整、長期發展轉型需要，做好二氧化碳達峰增量控制、碳中和減排技術儲備“兩步走”頂層設計，布局近中遠期關鍵技術攻關，提升未來低碳/零碳產業競爭力。面向“十四五”，加快編制并發布相關規劃以推動脫碳、零碳和負排放重點技術領域和方向的研發及示范任務部署，強化統籌布局，加強變革性技術研發和戰略性技術儲備。

4.2 完善保障機制

一是制定脫碳、零碳和負排放技術發展路線圖，通過制定和更新綠色氫能、高比例可再生能源電網、CCUS 等關鍵技術發展路線圖，明確技術發展路徑、關鍵節點及資金需求，調動行業和市場力量，鼓勵產學研等各類創新主體加強協作，推動相關技術研發和示范應用。二是加大對優勢科研機構和團隊支持力度，建立穩定支持機制，完善技術創新攻關主體布局，設立國家重點實驗室和技術創新中心，建設科技信息資源平臺。三是加強創新政策與金融市場工具的協同，結合國家碳市場建設、綠色金融體系構建等工作，以良性機制實現碳減排交易和綠色減排技術應用協同推進，以市場化手段鼓勵節能和低碳創新型企業發展。四是推動脫碳、零碳和負排放技術標準的建立與更新，關注與國際主流標準的對比、轉化與銜接，避免未來碳關稅的潛在負面影響，加強技術成果轉化、應用與推廣。

4.3 加強國際合作

一是加強與歐美等發達國家的技術交流與合作。碳中和作為全球可持續發展問題的最大共識，是維持和加強與發達國家科技合作的“利益交集”，應充分利用綠色低碳/脫碳轉型契機，加強技術創新、產業升級、能源轉型、氣候政策方面的合作。二是加強與發展中國家的技術轉移交流合作。借助“一帶一路”“南南合作”等平臺，推動我國應對氣候變化技術走出去，解決發展中國家綠色低碳/脫碳轉型的技術需求，積極樹立綠色“一帶一路”的國際形象。三是堅持和促進多邊主義合作，通過聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）、清潔能源部長級會議（CEM）、創新使命部長級會議（MI）等平臺，加強脫碳、零碳和負排放技術創新合作，探索建立碳中和技術創新聯合研究和知識共享機制。