以低碳能源為基礎的創新體系建設研究

鄭明光 劉海濱 / 文

社會經濟的不斷發展，需要能源產業的持續發展與支撐。以碳為基礎的能源體系引發了環境與生態的巨大挑戰。1997年，《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》制定，到2009年2月共有183個國家通過了該條約，世界各國對全球變暖和碳減排達成了深度一致。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，向國際社會作出鄭重承諾——“中國將力爭2030年前達到二氧化碳排放峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。截至2020年底，全球已經有44個國家和經濟體正式宣布碳中和目標。全球碳中和共識形成，低碳新能源成為焦點。

全球碳排放的現狀

量子計算的發展、深海探測的進步、空間站的建設、火星探測的嘗試，都表明人類社會已經進入高科技的高速發展時期，但與此同時，我們也越來越意識到發展過程中不可再生資源的日漸枯竭。碳排放帶來全球變暖和極端氣候頻發、冰川融化帶來海平面上升甚至遠古微生物的重現，人類當前生存的環境越來越嚴峻，越來越意識到高質量、高效能的可持續發展的重要性。

根據氣候觀察和世界資源研究院2020年發布的研究數據，2016年全球二氧化碳排放總量達到494億噸，按照貢獻比例分成4大類，分別是：能源占73.2%；農業占18.4%；工業占5.2%；垃圾占3.2%。其中排名第一的能源可以進一步細分為：工業能耗24.2%（這里要說明一下，24.2%的工業能耗指工業領域能源消耗所帶來的碳排放，而前述占5.2%的工業是指工業產品的副產品所帶來的碳排放，比如水泥生產過程，CaCO3分解為CaO時，會排放副產品CO2）；建筑能耗17.5%；交通能耗16.2%等[1]。這些排放比例的研究，為我們碳達峰、碳中和的努力方向奠定了基礎。

根據世界能源研究[2]，2019年能源的主要來源還是化石燃料（包括石油、煤炭和天然氣），占了84.3%，相對于2000年的86.1%有所降低。低碳能源盡管快速發展，占比依然較低，水力發電6.4%，核能4.3%，風能2.2%，太陽能1.1%。在中國，近年來低碳能源快速發展，火電發電量占比由2011年81.7%下降到2020年的68.5%，水電維持比較穩定的比例，核電則由1.8%升高到4.7%，風電由1.5%升高到6.0%，太陽能由0升高到3.4%[3]。

碳中和的實現路徑

實現碳達峰、碳中和的目標，全球能源要從當前以化石能源為主導的能源體系逐步轉變為以低碳能源為主導的能源體系，但當前發展迅速的風能、太陽能等低碳能源面臨著間歇性、不穩定的挑戰，需要跨季節、跨時段、跨區域的調節手段，比如儲能、多能互補等。這些都意味著全球迎來了顛覆性的能源革命、科技革命和經濟轉型時代。

表1 2011～2020年全國發電量總量構成

根據上述碳排放和能源結構情況的分析，我們可以得出當前人類社會可持續發展的兩個重點。

（1）低碳新能源發展是能源供給側的重點：全世界需要大力推動風能、太陽能、氫能、核能、儲能技術的創新和更替；

（2）工業能耗、建筑能耗和交通能耗是能源消耗側的重點：大力推動工業特別是重工業能源的低碳化、電氣化，推行綠色建筑政策和交通能源電動化、氫能化，是解決碳排放的有效措施。

為了實現上述兩個重點工作，我們可以從以下方面進行努力。

1.建立全球協作共享的低碳能源基礎技術體系

從近幾十年能源技術發展和當前技術狀態看，傳統能源仍然具有成本上的優勢，低碳能源基礎技術發展的前景是能源投資和發展的重要導向因素。風能、太陽能、核能、氫能等低碳能源的飛速發展，以及碳達峰、碳中和背景下被賦予的更高更快的發展使命，對基礎科學技術提出了極大的需求，包括材料技術（金屬材料、非金屬材料、耐高溫、耐輻照、輕薄化、高強度、長壽命、超導性等）；能源轉換、存儲和運輸技術（轉換效率提升，安全可靠的存儲和運輸，小體積大量能的存儲等）等。當前社會的發展，技術研究的細分化和協作化非常明顯，那么為了實現上述目的，建立一套全球協作共享的低碳能源基礎技術體系，就顯得十分必要。在這個體系中，國家之間、細分專業之間都搭建起科學合理的交流平臺、協作平臺、共享平臺和交易平臺，加快低碳能源基礎技術的發展速度。

2.完善工業技術創新體系

基礎科學技術與工業產業之間還有一段很長的路，其間的銜接不是特別順暢，大量的創新成果、專利成果束之高閣。而在工業產業內部，盡管這些年高度重視技術、重視質量的背景下推動了很多技術創新，但往往是“戰術”層面的改進型創新，“戰略”層面的革新性、顛覆性創新很難誕生。因此，一定要深入變革基礎科學技術與工業創新體系之間的體制機制，切實推動數字化、智能化等基礎科學高效能地向工業產業轉化落地。

3.大力創新研發固碳技術

工業過程完全不排放二氧化碳是不現實的，特別是在當前化石能源依然會較長時間占據主體的情況下。隨著技術的發展，世界上已經有多種前沿技術可用于固化甚至轉化二氧化碳。比如，對于有燃煤電廠排放大量二氧化碳，同時附近有核電廠穩定排放大量余熱的區域，可以利用核電廠的余熱，采用先進技術收集轉化火電廠排放的二氧化碳，制備低烴油，極大地降低碳排放的同時提升能源循環利用效能。

4.構建循環低碳型工業體系

鋼鐵（7.2%）和化工（3.6%）是工業體系中的能耗大戶，是碳減排的重點方向。在這些重工業領域，有兩個方向是碳減排的重點：一是工業用能的電氣化和低碳化，盡快淘汰掉鋼鐵、化工企業自身內部的煤炭、石油，全部采用電氣化工藝，并且盡可能為其輸送低碳的電力；二是從基礎技術研究角度，大力研究降低使用、替代使用、循環使用鋼材、有色金屬、水泥、化工等產品的技術，從源頭上構建循環低碳型工業體系。

5.推行綠色建筑強制政策

建筑是人類最重要的活動場所，也是能耗大戶。綠色建筑政策應從全生命周期角度全面推行，涉及設計施工、運行維護和城市規劃等方面，從城市整體規劃角度合理布局和延長使用年限，從節能保溫、自然循環、低碳材料以及裝配式施工、精裝修式交付等方面減少資源的浪費，都會由于其基礎體量巨大而取得顯著的碳減排效果。

6.大力發展綠色共享交通

美國、歐盟和日本交通部門碳排放達峰時千人乘用車保有量分別為845、423和575輛，而中國目前僅有173輛，汽車保有量必然呈持續增長態勢。另外，目前電動汽車主要用于家庭乘用車領域，而重型貨車碳排放占中國道路交通碳排放的40%～55%。為此，可以大力發展低碳公共交通，利用大數據信息化、智能化技術提升共享交通的出行比例；可以充分發揮港口、機場、鐵路等設施集中度高的優勢，將其能源供應全部替換為低碳能源，通過相對固定點對點交通路徑上的氫能配套設施建設，加快氫能在重型貨車、長途巴士等方面的應用；可以大力推動生物質燃料和氫能在民航領域的使用，從而從各方面推進交通領域碳減排。

7.快速發展綜合智慧能源體系

大到全球，中到國家，小到區域，能源都存在明顯的空間錯配和時間錯配問題，而時空的錯配則是能源浪費最大的罪魁禍首。西部地區大量的棄風、棄光就是典型案例。因此，要充分發揮當前的大數據和智能化技術，發揮好核能的基荷能源作用和綜合利用技術（如已經在山東省海陽市落地的項目），提升風能、太陽能的利用效率和源網荷的雙向互動效能，推動儲能技術和系統集成調節作用，對能源供給側和消費側同時實行智能管控，切實提升能源的利用效能，從而從源頭上降低碳排放。

協同創新共同發展

工業化與產業化的國家需要多能互補的技術體系支撐，而地球村時代，全世界各行各業人員協同合作，推動各行各業、各個細分領域的技術創新，共同聯結成世界性的協作整體。通過整個社會治理能力的提升，推動世界的高質量可持續發展，是我們全人類的共同責任。