碳达峰碳中和主要技术应用及展望


近日,科技部在北京组织召开国家碳中和科技专家委员会第一次会议,评估《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》的实施进展。技术在碳达峰碳中和中的作用得到进一步重视。当前,碳中和技术主要体现在煤炭清洁高效利用技术、可再生能源技术、低碳利用及能效提升技术、碳捕获和储存等净零碳技术等几个重点领域。未来,基于AI、大数据、云计算、物联网等数字技术发展的数字能源将成为能源发展的新型形态,也将是推动实现碳中和的重要力量。

1.技术是实现碳达峰碳中和的主要驱动力量

2022年8月,科技部等九部门联合印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》(以下简称《方案》)。2023年3月1日,科技部在北京组织召开国家碳中和科技专家委员会第一次会议,科技部张雨东副部长主持会议并讲话,国家碳中和科技专家委员会成员,科技部相关司局和国家发展改革委环资司有关负责同志等60余人参加会议。专家委员会评估《方案》的实施进展,围绕双碳科技创新发展路径等重大关键问题提出建议。技术在推动实现碳达峰碳中和进程中的作用得到进一步重视。

实现碳达峰碳中和是一个涉及价值观念、产业结构、能源体系、消费模式等诸多层面的复杂系统工程,核心是减少碳排放和增加碳吸收。据丁仲礼院士估算,目前全球每年排放的二氧化碳大约是400亿吨,其中14%来自土地利用、86%来自化石燃料利用;而排放出来的二氧化碳大约46%留在大气,54%被海洋和陆地碳汇资源吸收。同时,据IEA发布的《2022年二氧化碳排放报告》显示,2022年我国的二氧化碳排放量为114.8亿吨,其中发电端占比约47%,工业过程、居民生活等消费端合计占了53%,其中工业过程又占消费端碳排放量的绝大部分。因此,推动发电端化石燃料清洁低碳化利用、提高非碳能源开发使用,促进能源消费端低碳化零碳化发展,与此同时提高人为固碳能力就成为实现碳达峰碳中和的主要发力方向,而以上三个方向均离不开技术创新的支撑,“技术为王”也将在此进程中得到充分体现。

2.碳达峰碳中和主要技术应用及分析

《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中系统提出科技支撑碳达峰碳中和的创新方向,并重点突出了能源清洁低碳、零碳利用技术、低碳与零碳工业流程再造技术、建筑交通低碳零碳技术、碳减排技术、前沿颠覆性低碳技术等方向。《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》出台以来,上海、江苏、安徽、河北等多个地方政府纷纷出台地方科技支撑碳达峰碳中和实施方案,其中,煤炭清洁高效利用、可再生能源、氢能、储能、智慧电网、可控核聚变、碳捕集利用与封存、工业流程再造、生态碳汇、碳排放监测等技术成为各地重点发力方向。

1)煤炭清洁高效利用技术。推动碳达峰碳中和和能源结构转型需要坚持“先立后破”的原则,当前我国仍呈现出“富煤、贫油、少气”的能源特点。中共中央 国务院在《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出,到2060年,我国非化石能源消费比重达到80%以上,即化石能源消费仍将保持一定比例。当前,我国每千瓦时火力发电标准煤耗连续三年下降,原煤入选率从2015年的66%提高到了2021年的71.7%,煤炭洗选技术和装备达到国际先进水平。但在煤炭高效、低碳、灵活智能利用的基础性、原创性、颠覆性技术研究方面仍需加强。

2)可再生能源技术。主要包括新能源发电、可再生能源非电利用、储能技术、智能电网等。以风光发电为例,2022年我国风电、光伏发电新增装机突破1.2亿千瓦,连续三年突破1亿千瓦;风电、光伏发电量首次突破1万亿千瓦时,占全社会用电量的13.8%;风电发电效率较10年前提高30%;陆上风电、光伏的平均度电成本较2012年分别下降约48%和70%;光伏组件、风力发电机、齿轮箱等关键零部件占全球市场份额70%,我国风光可再生能源技术已经取得了长足的进展。但是依然存在一些问题。例如,太阳能和风能发电在不同天气条件下产生的能量波动大,需要储存技术的支持,以确保能量供应的稳定性。同时,新能源设施建设也需要考虑环保和资源利用的问题。因此,可再生能源技术的发展需要在技术创新、政策支持和资源利用等方面取得平衡。

3)低碳利用及能效提升技术。低碳利用技术主要体现在工业、交通和建筑领域。包括低碳零碳工业流程再造技术、电气化和智能化交通技术、光储直柔、建筑光伏一体化技术体系等。例如在交通领域,我国新能源汽车技术快速发展并广泛应用,截至2023年2月,我国新能源汽车保有量突破1310万辆,成为交通领域低碳化的重要力量。此外,智能交通系统的应用也可以有效地减少碳排放,提高道路交通效率。但低碳交通技术的发展需要解决能源供应不足、充电基础设施不完善等问题。在工业领域,工业流程再造及能源效率提升技术可以有效改善工业企业用能情况、减少碳排放,但是需要投入大量的资金和技术支持。同时,该技术需要在政策和市场层面获得足够的支持,以确保企业和个人愿意采用高效节能的设备和措施。

4)碳捕获和储存等净零碳技术。该技术包括将二氧化碳制成化学品、将二氧化碳制成燃料、微藻的生产、混凝土碳捕集、提高原油采集率、生物能源的碳捕捉和存储、硅酸盐岩石的风化(CCUS技术),以及矿物碳化、植树造林、土壤有机碳和土壤无机碳、农作物的秸秆烧成木炭还田等。总体看,我国CCUS等净零碳正处于工业化示范阶段,与国际整体发展水平相当,但部分关键技术落后于国际先进水平,且成本较高。未来,需围绕低浓度二氧化碳捕集、工业化利用、封存、碳汇计量等关键环节开展核心技术攻关。

3.未来展望——以数字技术构建新型能源形态

能源活动是碳排放的主要来源,推动能源绿色低碳转型是实现“双碳”目标的关键所在。因此,构建新能源为主的能源体系以及适应新能源特点的新型电力系统至关重要。在上述系列低碳零碳技术之中,以AI、大数据、云计算、物联网为代表的新一代信息技术是推动传统能源清洁高效利用、解决新能源生产消费痛点,实现从能源有序流动和精准匹配的最有效的技术手段。基于数字技术的数字能源将是未来能源发展的新型形态。

1)构建以智慧电网为主的新型电力系统。我国有丰富的风、光资源,但区域分布较为分散,如何让分散的新能源得到有效充分利用,从发电、储能、转化、输电、消纳等环节协调发力,这就需要构建以新能源为主体的新型电力系统,提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力。因此,需要发挥数字化、智能化带动能源结构转型升级作用,研发大规模可再生能源并网及电网安全高效运行技术,重点研发高精度可再生能源发电功率预测、综合调节技术、柔性直流输电、低惯量电网运行与控制等技术。

2)构建城市级智能能源管理平台。能源互联网是未来能源发展的必然方向,城市是能源消耗及碳排放的主要载体。打造融合跨行业数字能源信息共享平台、智慧高效能源公共服务平台、综合能源一体化运营管理平台三重功能的一体化平台,可以实现城市能源(电、冷、热、气、水)综合管理与综合能源运营全业务支撑(生产、调度、营销)。从而实现整个城市层面的能源大规模高效配置,覆盖城市能源开发输送存储消费全环节,实现各种能源在空间、时间上互补高效利用。因此,打造城市级智能能源管理平台是推动城市能源转型及实现碳达峰的重要抓手。

3)发展分布式能源场景及形态。风光等新能源发电就近使用是新能源供给消纳体系重要方向。《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出,坚持集中式与分布式并举,优先推动风能、太阳能就地就近开发利用。当前,城市新能源应用场景日益丰富,可以充分发挥区块链、物联网等数字技术优势,重点打造虚拟电厂、智能微电网、“光储充放”一体化充电站等分布式能源数字化应用场景,提高办公楼宇、工业园区、交通基础设施等城市重点用能主体能量使用效率,助力打造能量自给自足的零碳场景。

新京报零碳研究院研究员 任大明