以低碳能源为基础的创新体系建设研究

2021-10-09郑明光刘海滨

上海质量 2021年8期

郑明光刘海滨 / 文

社会经济的不断发展，需要能源产业的持续发展与支撑。以碳为基础的能源体系引发了环境与生态的巨大挑战。1997年，《联合国气候变化框架公约的京都议定书》制定，到2009年2月共有183个国家通过了该条约，世界各国对全球变暖和碳减排达成了深度一致。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，向国际社会作出郑重承诺——“中国将力争2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。截至2020年底，全球已经有44个国家和经济体正式宣布碳中和目标。全球碳中和共识形成，低碳新能源成为焦点。

全球碳排放的现状

量子计算的发展、深海探测的进步、空间站的建设、火星探测的尝试，都表明人类社会已经进入高科技的高速发展时期，但与此同时，我们也越来越意识到发展过程中不可再生资源的日渐枯竭。碳排放带来全球变暖和极端气候频发、冰川融化带来海平面上升甚至远古微生物的重现，人类当前生存的环境越来越严峻，越来越意识到高质量、高效能的可持续发展的重要性。

根据气候观察和世界资源研究院2020年发布的研究数据，2016年全球二氧化碳排放总量达到494亿吨，按照贡献比例分成4大类，分别是：能源占73.2%；农业占18.4%；工业占5.2%；垃圾占3.2%。其中排名第一的能源可以进一步细分为：工业能耗24.2%（这里要说明一下，24.2%的工业能耗指工业领域能源消耗所带来的碳排放，而前述占5.2%的工业是指工业产品的副产品所带来的碳排放，比如水泥生产过程，CaCO3分解为CaO时，会排放副产品CO2）；建筑能耗17.5%；交通能耗16.2%等[1]。这些排放比例的研究，为我们碳达峰、碳中和的努力方向奠定了基础。

根据世界能源研究[2]，2019年能源的主要来源还是化石燃料（包括石油、煤炭和天然气），占了84.3%，相对于2000年的86.1%有所降低。低碳能源尽管快速发展，占比依然较低，水力发电6.4%，核能4.3%，风能2.2%，太阳能1.1%。在中国，近年来低碳能源快速发展，火电发电量占比由2011年81.7%下降到2020年的68.5%，水电维持比较稳定的比例，核电则由1.8%升高到4.7%，风电由1.5%升高到6.0%，太阳能由0升高到3.4%[3]。

碳中和的实现路径

实现碳达峰、碳中和的目标，全球能源要从当前以化石能源为主导的能源体系逐步转变为以低碳能源为主导的能源体系，但当前发展迅速的风能、太阳能等低碳能源面临着间歇性、不稳定的挑战，需要跨季节、跨时段、跨区域的调节手段，比如储能、多能互补等。这些都意味着全球迎来了颠覆性的能源革命、科技革命和经济转型时代。

表1 2011～2020年全国发电量总量构成

根据上述碳排放和能源结构情况的分析，我们可以得出当前人类社会可持续发展的两个重点。

（1）低碳新能源发展是能源供给侧的重点：全世界需要大力推动风能、太阳能、氢能、核能、储能技术的创新和更替；

（2）工业能耗、建筑能耗和交通能耗是能源消耗侧的重点：大力推动工业特别是重工业能源的低碳化、电气化，推行绿色建筑政策和交通能源电动化、氢能化，是解决碳排放的有效措施。

为了实现上述两个重点工作，我们可以从以下方面进行努力。

1.建立全球协作共享的低碳能源基础技术体系

从近几十年能源技术发展和当前技术状态看，传统能源仍然具有成本上的优势，低碳能源基础技术发展的前景是能源投资和发展的重要导向因素。风能、太阳能、核能、氢能等低碳能源的飞速发展，以及碳达峰、碳中和背景下被赋予的更高更快的发展使命，对基础科学技术提出了极大的需求，包括材料技术（金属材料、非金属材料、耐高温、耐辐照、轻薄化、高强度、长寿命、超导性等）；能源转换、存储和运输技术（转换效率提升，安全可靠的存储和运输，小体积大量能的存储等）等。当前社会的发展，技术研究的细分化和协作化非常明显，那么为了实现上述目的，建立一套全球协作共享的低碳能源基础技术体系，就显得十分必要。在这个体系中，国家之间、细分专业之间都搭建起科学合理的交流平台、协作平台、共享平台和交易平台，加快低碳能源基础技术的发展速度。

2.完善工业技术创新体系

基础科学技术与工业产业之间还有一段很长的路，其间的衔接不是特别顺畅，大量的创新成果、专利成果束之高阁。而在工业产业内部，尽管这些年高度重视技术、重视质量的背景下推动了很多技术创新，但往往是“战术”层面的改进型创新，“战略”层面的革新性、颠覆性创新很难诞生。因此，一定要深入变革基础科学技术与工业创新体系之间的体制机制，切实推动数字化、智能化等基础科学高效能地向工业产业转化落地。

3.大力创新研发固碳技术

工业过程完全不排放二氧化碳是不现实的，特别是在当前化石能源依然会较长时间占据主体的情况下。随着技术的发展，世界上已经有多种前沿技术可用于固化甚至转化二氧化碳。比如，对于有燃煤电厂排放大量二氧化碳，同时附近有核电厂稳定排放大量余热的区域，可以利用核电厂的余热，采用先进技术收集转化火电厂排放的二氧化碳，制备低烃油，极大地降低碳排放的同时提升能源循环利用效能。

4.构建循环低碳型工业体系

钢铁（7.2%）和化工（3.6%）是工业体系中的能耗大户，是碳减排的重点方向。在这些重工业领域，有两个方向是碳减排的重点：一是工业用能的电气化和低碳化，尽快淘汰掉钢铁、化工企业自身内部的煤炭、石油，全部采用电气化工艺，并且尽可能为其输送低碳的电力；二是从基础技术研究角度，大力研究降低使用、替代使用、循环使用钢材、有色金属、水泥、化工等产品的技术，从源头上构建循环低碳型工业体系。

5.推行绿色建筑强制政策

建筑是人类最重要的活动场所，也是能耗大户。绿色建筑政策应从全生命周期角度全面推行，涉及设计施工、运行维护和城市规划等方面，从城市整体规划角度合理布局和延长使用年限，从节能保温、自然循环、低碳材料以及装配式施工、精装修式交付等方面减少资源的浪费，都会由于其基础体量巨大而取得显著的碳减排效果。

6.大力发展绿色共享交通

美国、欧盟和日本交通部门碳排放达峰时千人乘用车保有量分别为845、423和575辆，而中国目前仅有173辆，汽车保有量必然呈持续增长态势。另外，目前电动汽车主要用于家庭乘用车领域，而重型货车碳排放占中国道路交通碳排放的40%～55%。为此，可以大力发展低碳公共交通，利用大数据信息化、智能化技术提升共享交通的出行比例；可以充分发挥港口、机场、铁路等设施集中度高的优势，将其能源供应全部替换为低碳能源，通过相对固定点对点交通路径上的氢能配套设施建设，加快氢能在重型货车、长途巴士等方面的应用；可以大力推动生物质燃料和氢能在民航领域的使用，从而从各方面推进交通领域碳减排。

7.快速发展综合智慧能源体系

大到全球，中到国家，小到区域，能源都存在明显的空间错配和时间错配问题，而时空的错配则是能源浪费最大的罪魁祸首。西部地区大量的弃风、弃光就是典型案例。因此，要充分发挥当前的大数据和智能化技术，发挥好核能的基荷能源作用和综合利用技术（如已经在山东省海阳市落地的项目），提升风能、太阳能的利用效率和源网荷的双向互动效能，推动储能技术和系统集成调节作用，对能源供给侧和消费侧同时实行智能管控，切实提升能源的利用效能，从而从源头上降低碳排放。