以二氧化碳為主的溫室氣體大規模無序排放所導致的全球持續變暖，已成為全球性的非傳統安全問題，嚴重威脅人類的生存和可持續發展。根據《巴黎協定》，要實現2℃溫升控制目標，全球要在2065—2070年左右實現碳中和，各國積極響應，陸續制定碳中和目標。2020年9月，習近平主席在第75屆聯合國大會上鄭重宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。這不僅彰顯了我國作為世界大國的責任擔當，也是推動我國能源結構、產業結構、經濟結構轉型升級的自身發展需要，對我國實現高質量發展，建設人與自然和諧共生的社會主義現代化強國具有重要戰略意義。
根據國際能源署（IEA）發布的報告，2021年全球與能源相關的二氧化碳排放量增加6%至363億噸，創歷史新高。2021年，我國二氧化碳排放量為119億噸，占全球總量的33%。需要說明的是，一方面，從主要發達國家的發展歷史來看，一個國家的發展程度與人均累計碳排放密切相關，我國人均累計碳排放遠不及世界平均水平。另一方面，2021年我國GDP總量約114萬億元，二氧化碳排放總量約119億噸，即1萬元GDP排放約1噸二氧化碳，而在20世紀90年代，1萬元GDP排放約12噸二氧化碳，我國在節能減排方面取得巨大進步。
現階段，中國二氧化碳排放80%來自能源生產和工業利用，可見實現碳中和目標，需要變革能源生產及利用方式。黨的二十大報告明確指出，“深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用，加大油氣資源勘探開發和增儲上產力度，加快規劃建設新型能源體系，統籌水電開發和生態保護，積極安全有序發展核電，加強能源產供儲銷體系建設，確保能源安全。”
目前科技界認為能源革命和產業轉型的重要方向，一是化石能源清潔高效利用，二是低碳和可再生能源的規模化應用，三是二氧化碳捕集和利用。
一、化石能源清潔高效利用
我國能源具有“富煤、貧油、少氣”等特征。根據預測，我國能源消費在2030年達到峰值總量約56億噸標準煤。石油消費量在2025年進入峰值平臺區，天然氣消費比重逐年增加，到2040年接近14%，但仍遠低于同期全球天然氣消費占比23%；煤炭消費比重持續下降，到2050年占比17%；非化石能源進入快速發展期，到2050年占比57%，2060年達80%，到本世紀中葉，石油和天然氣消費比重總和為26%，仍是能源消費的主體之一。化石能源的清潔低碳利用，主要是指煤炭和石油的優化利用。
（一）煤炭的清潔高效利用
煤炭的清潔高效利用和轉化一直是我國重要的能源發展戰略，這方面已經開展了很多研究工作并取得了一系列重要進展，例如：2018年，以中科院的技術為核心，全球單套規模最大的煤炭液化裝置、年產400萬噸煤制油工程成功投產，實現煤炭資源清潔高效轉化，拓寬我國油品供給渠道，有助于保障能源供應安全，習近平總書記專門致信祝賀；2021年，國家能源集團寧煤煤制油分公司全年產出油化品超過405萬噸，全球單套規模最大煤制油項目建成投產以來首次達到設計產能。
乙烯、丙烯等低碳烯烴是現代化學工業的基石，日常生活中的塑料杯、保鮮膜、吸管等都是以烯烴為原料生產的。烯烴的傳統生產工藝高度依賴于石油資源，中科院大連化物所長期開展煤制烯烴的技術研究。一方面，成功開發了煤經甲醇制取低碳烯烴DMTO成套工業化技術，處于國際領先水平。截至2022年底，DMTO系列技術已經簽訂了31套裝置的技術實施許可合同（含出口1套），烯烴產能達2025萬噸/年，約占全國現有產能的1/3，預計拉動投資超4000億元。已投產的16套工業裝置，烯烴（乙烯+丙烯）產能超過900萬噸/年，新增產值超過900億元/年。另一方面，利用納米限域催化新概念，創立OXZEO催化劑和催化體系，開創煤經合成氣制烯烴新捷徑。合成氣是一氧化碳和氫氣的混合氣，可由煤、天然氣或生物質氣化得到，傳統的合成過程會消耗大量水，產生很多廢水和二氧化碳。OXZEO可實現了煤經合成氣直接轉化制低碳烯烴等高值化學品，低碳烯烴選擇性超過了80%。這一突破性成果于2016年發表在國際頂級學術期刊《科學》（Science）上，并得到同行的高度評價和認可，被譽為“里程碑式新進展”和“開創煤制烯烴新捷徑”，入選2016年度“中國科學十大進展”，并作為重要內容之一獲2020年國家自然科學獎一等獎。
（二）石油化工行業的發展趨勢
石油化工是化工產業鏈上游基礎，為國民經濟的運行提供能源和基礎原料，從排放總量的角度看，石油和化工行業對于全國碳排放總量的貢獻較小，但單位能耗和單位碳排放強度較大。目前，原油加工市場逐漸趨于飽和，且新能源汽車迅速發展，石油化工行業的發展趨勢是煉化一體化，煉油企業應大力發展煉化一體化生產工藝，提高原油制化學品收率。代表性技術有埃克森美孚技術，將布倫特原油直接進行蒸汽裂解，化學品收率大于60%；沙特阿美技術，采用一體化的加氫裂化、蒸汽裂解和深度催化裂化工藝直接加工阿拉伯輕質原油，化學品收率接近50%。國內中國石油、中國石化等大型企業，以及中科院過程工程研究所、中國石油大學（華東）等科研機構和高校也相繼開展相關工作。
二、低碳和可再生能源的規模化應用
據統計，我國2022年能源消費總量為54.1億噸標準煤，比上年增長2.9%。煤炭消費量占能源消費總量的56.2%，比上年上升0.3個百分點。石油消費量占能源消費總量的17.9%，比上年下降0.6個百分點。天然氣、水電、核電、風電、太陽能發電等清潔能源消費量占能源消費總量的25.9%，上升0.4個百分點，比2012年提高了約11.4個百分點，我國能源消費結構加快向清潔低碳轉變。根據預測，到2060年實現碳中和目標時，清潔能源消費量占比要達到80%，低碳清潔能源的規模化應用將是實現碳中和目標的關鍵。
（一）非化石能源發展迅速，“棄水”“棄風”“棄光”情況明顯緩解
近年來，我國非化石能源發展迅速，截至2021年底，全國全口徑非化石能源發電裝機容量達11.2億千瓦，同比增長13.4%，占總發電裝機容量的47%，較上年提高2.3個百分點，歷史上首次超過煤電裝機比重。其中，水電裝機容量3.9億千瓦、風電裝機容量3.3億千瓦、太陽能發電裝機容量3.1億千瓦、核電裝機容量0.53億千瓦、生物質發電裝機容量0.38億千瓦。非化石能源利用水平繼續提升，2021年中國風電、太陽能發電和水能利用率分別達到96.9%、98%和97.8%。廣東、廣西、云南、貴州、海南五省區風電、太陽能發電利用率均達99.8%，區域能源結構轉型成效顯著，“棄水”“棄風”“棄光”狀況明顯緩解。
（二）核能是實現碳中和戰略目標不可或缺的低碳能源
核能具有能量密度高、供能穩定、碳排放低等優勢，對于波動性的太陽能和風能發電來說是良好的穩定劑。在全球范圍內，核能不僅是實現“雙碳”戰略目標的重要支柱能源，更被視為能源現代化產業的工業技術集大成者，其對能源清潔低碳轉型和科技轉型變革具有戰略性帶動作用。2021年9月，《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確指出，“積極安全有序發展核電”。據測算2060年核電的總發電量達到2.7萬億度，2021年我國核電發電裝機容量約5000萬千瓦，還有很大的提升空間。
核能的利用包括核裂變和核聚變兩種方式。關于核裂變主要有以下三個問題需要解決，一是安全性，二是核燃料的持續穩定供應，三是乏燃料安全處理處置。我國已經探明的鈾資源約27萬噸，按當前核電水平，已探明鈾資源支持約40年，核燃料的持續穩定供應急需解決。當前我國乏燃料已累積近2萬噸，每年新產生約1千噸，主要采用濕式暫存法處理，濕式暫存費約4萬元/（噸·年），乏燃料安全處理處置急需解決。近年來，我國核電技術持續取得進步。關于核電的安全性問題，2021年12月，山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程送電成功，是全球首個并網發電的第四代高溫氣冷堆核電項目，核安全性能較高，標志著我國成為世界少數幾個掌握第四代核電技術的國家之一。關于鈾資源短缺問題，中科院設立“釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”先導專項，以釷為核燃料具有資源豐富、核廢料少、毒性低和固有防核擴散等優點，還可減少稀土開采中的釷資源流失和放射性環境污染，是核能發展重要方向之一。但這目前還是研究項目，還沒有達到應用程度。關于核乏燃料的安全處理，我們目前也正在進行重要的科研項目，瞄準解決這個問題。
核聚變反應是宇宙中的普遍現象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。核聚變能也是能源發展的前沿方向，被視為未來社會的“終極能源”，如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環境危機困擾。到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類：
一類是磁約束核聚變，如“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”，它是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克，俗稱“人造太陽”。中國科學家積極參與國際熱核聚變實驗堆（ITER）相關工作，2021年5月，中科院建造的東方超環（EAST）在核聚變研究上取得進展，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，進一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定了物理和工程基礎。2022年2月，歐洲核聚變研發創新聯盟、國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）等單位聯合宣布，實現了受控核聚變能量的新紀錄，它們在目前世界上最大的聚變反應堆，即在歐洲聯合環（JET）中，將氫的同位素氘和氚加熱到了1.5億攝氏度并穩定保持了5秒鐘，同時核聚變反應發生，原子核融合在了一起，釋放出59兆焦耳的能量。有測算稱，這相當于11兆瓦電力，大約能夠為一個普通家庭提供一天的電力。JET是世界上唯一一個能夠實現“氘氚聚變”反應的實驗裝置，保持著核聚變最大能量輸出紀錄。EAST更偏向于磁約束實驗，并不實現核聚變反應，這是因為在EAST運行過程中，等離子體內只有D核素（氘），沒有T核素（氚）。EAST實驗的意義主要在于研究如何長時間穩定地約束等離子體，以便為我國參與的ITER項目及CFETR提供實驗支持，維持聚變反應、解決材料輻照問題、能量轉換、T滯留問題等都不是它的研究重點。我國自己籌建的中國聚變工程實驗堆（CFETR），以實現聚變能源為目標，將研究走向實用化，可以彌補EAST不能發電等缺點。
另一類實現核聚變的方式是激光核聚變。2022年的12月，美國能源部官員宣布，加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，首次成功在核聚變反應中實現“凈能量增益”，即聚變反應產生的能量大于促發該反應的激光能量。實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達到153%。3.15兆焦耳的能量相當于二兩炸藥的爆炸威力。這是世界上首次激光核聚變點火，是一個里程碑式的工作，引起了科學界和社會的廣泛關注。當然，目前激光核聚變具有時間短，發電效率低等特點，科學上具有重要意義，可應用在一些特殊領域，離商業發電還有很長的路要走。2020年，中科院也立項部署了與美國不同技術路徑的激光核聚變研究工作。
（三）儲能是可再生能源大規模融合利用的關鍵
以風電、光伏為代表的可再生能源普遍具有間歇性、波動性、隨機性的特點，要實現其大規模融合利用，儲能是關鍵。根據預測，2060年我國儲能規模將達到420GW（42000萬千瓦）。根據統計，2022年我國已投運電力儲能項目累計裝機59.4GW，同比增長37%，其中，抽水蓄能占據最大比重，累計裝機達46.1GW；新型儲能發展繼續保持高增長速度，累計裝機規模達到12.7GW。儲能行業仍有較大發展空間，比如，國家能源局2021年8月發布的《抽水蓄能中長期發展規劃（2021—2035年）》，到2025年，中國抽水蓄能累計裝機量要達到62GW以上，到2030年達到120GW，這意味著未來8年間有將近2.6倍的成長空間。
儲能技術主要分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能和其他儲能。機械儲能中的抽水蓄能技術成熟，是目前儲能市場上應用廣、占比高的技術，但其對地理條件依賴度高；壓縮空氣儲能可以不依賴地理條件，中科院工程熱物理研究所開發的100MW壓縮空氣儲能技術，2022年9月在張家口并網運行，效率達到70%，接近抽水儲能效率，已具備大規模商業化應用的條件。電化學儲能是通過電池完成的能量儲存、釋放和管理的過程，具有配置靈活、建設期短、響應快速，可以有效提高可再生能源消納水平，是未來儲能技術發展的重要方向。主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉離子電池和金屬—空氣電池等。其中鋰離子電池技術較為成熟，已進入規模化量產階段，是目前發展快、占比較高的電化學儲能技術，在電動汽車和新型儲能中占主導作用。
液流電池方面，2022年10月，由中科院大連化學物理研究所提供技術支撐的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦級液流電池儲能調峰電站正式并網發電，全釩液流電池一定程度上具備大規模商業化的條件，但目前仍存在成本較高、系統效率低等問題。鈣鈦礦電池是電化學儲能的新方向，具有吸光能力強、低成本和易制備、弱光效率高等優勢和特點，但存在穩定性較差和大面積應用時的效率損失兩個短板，是當前研究的熱點之一。
當前我國儲能技術發展仍然面臨一些問題和挑戰。一方面，我國在儲能領域基礎性、原創性、突破性創新不足，具有“領跑”意義的先進技術還不多，儲能轉化的相關機理、技術及系統的研究還不夠成熟，尤其是在設計軟件、設計標準與理念方面缺少話語權。另一方面，大規模儲能技術推廣，受電力系統市場機制不完善等方面限制，存在儲能市場主體地位不明晰、市場機制不完善導致儲能價值收益難以得到合理補償等問題，現階段還未建立成熟的競爭性電力市場運行機制，很難合理核定各類電力輔助服務的價格，從而造成儲能的價值和收益難以對接。近年來這些方面都已經有所進步和改善，但問題依然突出。新型儲能大規模應用的關鍵仍是技術和成本。技術方面，面臨的難點是針對不同應用場景如何滿足電網高安全性、大規模、長壽命、低成本、高效率等需求，關鍵材料、制造工藝和能量轉化效率也是行業需要面對的挑戰。成本過高是儲能電站面臨的普遍問題，降低成本主要依賴技術創新、規模化生產以及穩定的產業鏈體系。
（四）氫能與電化學儲能具有高度互補性
氫能受到各方高度關注，2022年初國家發展改革委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，首次明確了氫的能源屬性。氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。氫儲能在能量密度、儲能時長上具有較大優勢，在能量轉換效率、響應速度等方面相對較差，可以與電化學儲能形成互補。近年來，我國氫氣產量保持連續增長，已成為世界第一產氫大國，2021年產量達3300萬噸。但是氫能的發展仍存在一些問題和挑戰。一方面，目前氫氣制取主要由化石能源制氫和工業副產氫構成，據中國標準化研究院不完全統計，目前我國煤制氫占比約62%，天然氣重整制氫占比約19%，焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業副產提純制氫和石油制氫占比約18%，電解水制氫等約占1%，可再生能源制氫規模還很小。大家知道，通過化石能源燃燒制氫過程中會產生二氧化碳，是灰氫；在灰氫的基礎上，將二氧化碳副產品捕獲、利用和封存（CCUS）而制取后的氫氣是藍氫；通過使用再生能源（例如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣是綠氫，我們真正需要的是綠氫。另一方面，氫是元素周期表上最輕的元素，很容易泄漏，對儲能容器要求高，常壓下液化需在-235℃下，能耗較高。如果以管道運輸，則需要克服純氫以及摻氫氣體給管道帶來的安全隱患。現階段，我國氫氣儲運主要以高壓氣態長管拖車運輸為主，常用的高壓氣態長管拖車氫氣儲存壓力為20兆帕，單車運載量約300千克氫氣。液氫運輸和管道運輸的基礎尚不成熟，液態儲運、固態儲運均處于小規模試驗階段，目前氫氣管道里程約400千米，在用管道僅100千米左右。預計到2025年，液態儲運和管道儲運的方式將有初步發展，到2035年，高壓氣氫儲運、液體儲運和管道儲運等多種氫氣儲運形式將實現并存。
圖片3月28日，2023中國國際清潔能源博覽會暨2023中國國際氫能及燃料電池產業展覽會在北京舉行，展覽覆蓋新能源發電、儲能、輸電等新型電力系統生態鏈，以及氫能全產業鏈，全面展現清潔能源發展現狀，為業內人士提供交流平臺。圖為壓縮空氣儲能電站系統沙盤 張宇/攝
氨既能當儲氫介質，又能做零碳燃料。氨是天然的儲氫介質，常壓下，-33℃就能液化，便于安全運輸，有完備的貿易和運輸體系。可再生能源生產氫，再將氫轉換為氨，運輸到目的地，或許是一條解決途徑。目前，氨的主要制備方式是氫氣和氮氣反應合成，全球年產量1.8億噸，80%左右用于化肥行業，工藝成熟，成本低廉。在氨能使用方面，技術難題是不能穩定燃燒，如何獲取“綠氨”，日韓等國在充分燃燒的研發方面遙遙領先，有氨動力船研究項目。
三、二氧化碳捕集和利用
根據測算，到2060年實現碳中和時，仍有一定數量的二氧化碳總排放量，其中一部分可以由海洋、陸地無機過程和陸地生態系統吸收，另一部分需要通過CCUS（碳捕集—利用—封存）技術進行去除。
碳捕獲與封存（CCS）技術是指將二氧化碳從工業或相關排放源中分離出來，輸送到封存地點，并長期與大氣隔絕的過程。根據國際能源機構的估計，到2050年，CCS要想對緩解氣候變化產生顯著影響，至少需要有6,000個項目。每個項目每年在地下存儲100萬噸二氧化碳，而全世界只有三個如此規模的項目。可以說，如果CCS在未來20年不能進化為主流技術，情況將不容樂觀。CCS技術無法迅速得到推廣的主要原因是其高昂的成本，根據測算，以當前技術封存1噸二氧化碳需要200—300美元，就是說1噸煤燃燒排放2噸二氧化碳，至少需要400美元進行二氧化碳封存處理，將來如果技術沒有突破性進展，這件事根本不可能做到。另外，其推廣過程還存在諸多不確定因素，對環境也存在一定的影響。
碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術是應對全球氣候變化的關鍵技術之一，受到世界各國的高度重視，紛紛加大研發力度，并取得一些研究成果。2021年9月，中科院天津工業生物技術研究所從二氧化碳人工合成淀粉的成果引起了廣泛的關注，有網友將此比作空氣變饅頭。這是國際上第一次不需要依賴植物光合作用，而是采用人工手段，將自然的代謝過程重新拆解、組裝，以二氧化碳、水和氫能為原料，生產出了人工的淀粉。目前，淀粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產，合成與積累涉及約60步代謝反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。天津工業生物技術研究所從頭設計出11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到淀粉分子的全合成，合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設計自然、超越自然目標的實現邁進一大步，為創建新功能的生物系統提供了新科學基礎，是典型的從0到1的原創性成果。當然該成果目前尚處于實驗室階段，離實際應用還有一段距離。今年4月，電子科技大學、中科院深圳先進院在國際期刊《自然·催化》發表研究成果，電催化結合生物合成的方式，能將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。有科學家認為，該工作耦合人工電催化與生物酶催化過程，發展了一條由水和二氧化碳到含能化學小分子乙酸，后經工程改造的酵母微生物催化，合成葡萄糖和游離的脂肪酸等高附加值產物的新途徑，為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術。
據媒體報道，中國農科院與首鋼朗澤新能源公司合作，全球首次實現從一氧化碳到飼料蛋白質的一步合成，并已形成萬噸級工業產能。該項研究以含一氧化碳、二氧化碳的工業尾氣和氨水為主要原料，制造新型飼料蛋白資源，將無機的氮和碳轉化為有機的氮和碳，開辟了一條低成本非傳統動植物資源生產優質飼料蛋白質的新途徑。
2022年2月，美國西北大學和郎澤科技公司研究人員在《自然》發表論文稱，他們在一項新的試點研究中，將一種梭菌進行遺傳工程改造，用于合成此前它們無法產生的化合物，這種選擇、設計和優化細菌菌株的過程，成功地證明了其將二氧化碳轉化為丙酮和異丙醇的能力。這種新的氣體發酵過程不僅可從大氣中去除溫室氣體，還可避免使用化石燃料，而化石燃料通常是生成丙酮和異丙醇所必需的。
“碳達峰、碳中和”目標是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。科技創新，特別是能源的科技創新，是同時實現經濟社會發展和碳達峰、碳中和的關鍵。社會各界應共同努力、攜手并進，為實現“雙碳”目標作出更大貢獻。
雙碳產業
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