白春礼院士：碳中和背景下的能源科技发展态势

现阶段，我国CO2排放80%来自于能源生产和工业利用，可见实现碳中和目标，需要能源变革。

2021年我国GDP总量约114万亿元，CO2排放总量约119亿吨，即1万元GDP排放约1吨CO2，而在上世纪90年代，1万元GDP排放约12吨CO2，我国在节能减排方面取得巨大进步。

刚刚过去的一年，受俄乌冲突、新冠肺炎疫情、极端天气频发等因素叠加影响，全球能源供需严重失衡，能源价格飙涨。

以CO2为主的温室气体排放所导致的全球气候变暖，已成为全球性的非传统安全问题，严重威胁人类的生存和可持续发展。根据《巴黎协定》，要实现2℃温升控制目标，全球要在2065-2070年左右实现碳中和，各国积极响应，纷纷制定碳中和目标。2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上郑重宣布，中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，不仅彰显了我国作为世界大国的责任担当，也是推动我国能源结构、产业结构、经济结构转型升级的自身发展需要，对我国实现高质量发展，建设人与自然和谐共生的社会主义现代化强国具有重要战略意义。

根据国际能源署(IEA)发布的报告，2021年全球与能源相关的CO2排放量增加6%至363亿吨，创历史新高。2021年，我国CO2排放量为119亿吨，占全球总量的33%。这里需要说明，一方面，从主要发达国家的发展历史来看，一个国家的发展程度与人均累计碳排放密切相关，我国人均累计碳排放远不及世界平均水平。另一方面，2021年我国GDP总量约114万亿元，CO2排放总量约119亿吨，即1万元GDP排放约1吨CO2，而在上世纪90年代，1万元GDP排放约12吨CO2，我国在节能减排方面取得巨大进步。

现阶段，我国CO2排放80%来自于能源生产和工业利用，可见实现碳中和目标，需要能源变革。党的二十大报告明确指出，“深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加大油气资源勘探开发和增储上产力度，加快规划建设新型能源体系，统筹水电开发和生态保护，积极安全有序发展核电，加强能源产供储销体系建设，确保能源安全。”目前科学界认为能源革命和产业转型的重要方向，一是化石能源清洁低碳利用，二是低碳和可再生能源的规模化应用，三是二氧化碳捕集和利用。

化石能源清洁低碳利用

我国总的能源特征是“富煤、贫油、少气”。根据预测，我国能源消费在2030年达到峰值总量约56亿吨标准煤。石油消费量在2025年进入峰值平台区，天然气消费比重逐年增加，到2040年接近14%，但仍远低于同期全球天然气消费占比23%;煤炭消费比重持续下降，到2050年占比17%;非化石能源进入快速发展期，到2050年占比57%，2060年达80%，到本世纪中叶，石油和天然气消费比重总和为26%，仍是能源消费的主体之一。化石能源的清洁低碳利用，主要是指煤炭和石油的优化利用。

1.1煤炭的清洁高效利用

煤炭的清洁高效利用和转化一直是我国重要的能源发展战略，这方面已经开展了很多研究工作并取得了一系列重要进展，这里简单举几个例子。2018年，以中科院的技术为核心，全球单套规模*的煤炭液化装置、年产400万吨煤制油工程成功投产，实现煤炭资源清洁高效转化，拓宽我国油品供给渠道，有助于保障能源供应安全，习近平总书记专门致信祝贺。2021年，国家能源集团宁煤煤制油分公司全年产出油化品超过405万吨，全球单套规模煤制油项目建成投产以来首次达到设计产能。

乙烯、丙烯等低碳烯烃是现代化学工业的基石，日常生活中的塑料杯、保鲜膜、吸管等都是以烯烃为原料生产出来的。烯烃的传统生产高度依赖于石油资源，中科院大连化物所长期开展煤制烯烃的技术研究。一方面，成功开发了煤经甲醇制取低碳烯烃DMTO成套工业化技术，处于国际*水平。截至目前，DMTO系列技术已经签订了31套装置的技术实施许可合同(含出口1套)，烯烃产能达2025万吨/年，约占全国现有产能的1/3，预计拉动投资超4000亿元。已投产的16套工业装置，烯烃(乙烯+丙烯)产能超过900万吨/年，新增产值超过900亿元/年。另一方面，利用纳米限域催化新概念，创立OXZEO催化剂和催化体系，开创煤经合成气制烯烃新捷径。合成气是一氧化碳和氢气的混合气，可由煤、天然气或生物质气化得到，传统的合成过程中消耗大量水，会产生废水和CO2。OXZEO实现了煤经合成气直接转化制低碳烯烃等高值化学品，低碳烯烃选择性超过了80%。这一突破性成果于2016年发表在国际*学术期刊《科学》(Science)上，并得到同行的高度评价和认可，被誉为“里程碑式新进展”和“开创煤制烯烃新捷径”，入选2016年度“中国科学十大进展”，并作为重要内容之一，获2020年国家自然科学奖一等奖。

1.2石油化工行业的发展趋势

石油化工是化工产业链上游基础，为国民经济的运行提供能源和基础原料，从排放总量的角度看，石油和化工行业对于全国碳排放总量的贡献较小，但单位能耗和单位碳排放强度较大。目前，原油加工市场逐渐趋于饱和，且新能源汽车迅速发展，石油化工行业的发展趋势是炼化一体化，炼油企业应大力发展炼化一体化生产模式，提高原油制化学品收率。代表性技术有埃克森美孚技术，将布伦特原油直接进行蒸汽裂解，化学品收率大于60%;沙特阿美技术，采用一体化的加氢裂化、蒸汽裂解和深度催化裂化工艺直接加工阿拉伯轻质原油，化学品收率接近50%。国内中国石油、中国石化等大型企业，以及中科院过程工程研究所、中国石油大学(华东)等科研机构和高校也相继开展相关工作。

低碳和可再生能源的规模化应用

据统计，2021年，我国煤炭和石油消费量分别占能源消费总量的56.0%和18.5%，比上年分别下降0.8和0.4个百分点。天然气、水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源消费量占能源消费总量的25.5%，较上年上升1.2个百分点，比2012年提高了约11个百分点，我国能源消费结构向清洁低碳加快转变。根据预测，到2060年实现碳中和目标时，清洁能源消费量占比要达到80%，低碳清洁能源的规模化应用是实现碳中和目标的关键。

2.1非化石能源发展迅速

近年来，我国非化石能源发展迅速，截至2021年底，全国全口径非化石能源发电装机容量达11.2亿千瓦，同比增长13.4%，占总发电装机容量比重约为47%，比上年提高2.3个百分点，历史上首次超过煤电装机比重。其中，水电装机容量3.9亿千瓦、风电装机容量3.3亿千瓦、太阳能发电装机容量3.1亿千瓦、核电装机容量5326万千瓦、生物质发电装机容量3798万千瓦。非化石能源利用水平继续提升，2021年，我国风电、太阳能发电和水能利用率分别达到96.9%、98%和97.8%。广东、广西、云南、贵州、海南五省区风电、太阳能发电利用率均达99.8%，区域能源结构转型成效显著，“弃水”“弃风”“弃光”状况明显缓解。

2.2储能是可再生能源大规模融合利用的关键

由于以风电、光伏为代表的可再生能源普遍存在间歇性、波动性、随机性的特点，要实现其大规模融合利用，储能是关键。根据预测，2060年我国储能规模达到420GW(42000万千瓦)。2021年是我国储能行业从商业化初期向规模化发展转变的一年。根据统计，2021年，我国已投运电力储能项目累计装机46.1GW，约占全球市场总规模的22%，同比增长30%，仍有较大发展空间。比如，国家能源局2021年8月发布的《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》，到2025年，中国抽水蓄能累计装机量要达到62GW以上，到2030年达到120GW，截至2021年底，抽水蓄能装机规模仅为39.8GW。这意味着9年间有3倍的成长空间，复合年均增长率为13%。

储能技术路径主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能和其他储能。机械储能中的抽水蓄能技术成熟，是目前储能市场上应用广、占比高的技术，但其对地理条件依赖度高;压缩空气储能可以不依赖地理条件，中科院工程热物理研究所开发的100MW压缩空气储能技术，今年9月30日张家口并网运行，效率达到70%，接近抽水储能效率。电化学储能是通过电池完成的能量储存、释放和管理的过程，具有配置灵活、建设期短、响应快速，可以有效提高可再生能源消纳水平，是未来储能技术发展的重要方向。主要分为锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠系高温电池和金属-空气电池等。其中锂离子电池技术较为成熟，已进入规模化量产阶段，是目前发展快、占比较高的电化学储能技术。钙钛矿电池是电化学储能的新方向，具有吸光能力强、低成本和易制备、弱光效率高等优势和特点，但存在稳定性较差和大面积应用时的效率损失两个短板，成为当前研究的热点之一。根据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会数据，2021年，我国新增储能项目146个。其中，抽水蓄能项目5个，电化学储能项目131个。在电化学储能项目中，锂离子电池储能项目高达120个。

当前我国储能技术发展仍然面临一些问题和挑战。一方面，我国在储能领域基础性、原创性、突破性创新不足，具有“领跑”意义的先进技术还不多，储能转化的相关机理、技术及系统的研究还不够成熟，尤其是在设计软件、设计标准与理念方面缺少话语权。另一方面，大规模储能技术推广，受电力系统市场机制不完善等方面限制，存在储能市场主体地位不明晰、市场机制不完善导致储能价值收益难以得到合理补偿等问题，现阶段还未建立成熟的竞争性电力市场运行机制，很难合理核定各类电力辅助服务的价格，从而造成储能的价值和收益难以对接。近年来这些方面都已经有所进步和改善，但问题依然突出。

二氧化碳捕集和利用

根据预测，到2060年，仍有25～30亿吨CO2总排放量，其中一部分可以由海洋、陆地无机过程和陆地生态系统吸收，另一部分需要通过CCUS(碳捕集-利用-封存)技术进行去除。

碳捕获与封存(CCS)技术是指将CO2从工业或相关排放源中分离出来，输送到封存地点，并长期与大气隔绝的过程。根据国际能源机构的估计，到2050年，CCS要想对缓解气候变化产生显著影响，至少需要有6,000个项目。每个项目每年在地下存储100万吨CO2，而全世界只有三个如此规模的项目。可以说，如果CCS在未来20年不能进化为主流技术，情况将不容乐观。CCS技术无法迅速得到推广的主要原因是其高昂的成本，根据测算，封存1吨CO2需要200~300美元，就是说1吨煤燃烧排放2吨CO2，至少需要400美元进行CO2封存处理，将来如果技术没有突破性进展，这件事根本不可能做到。另外，其推广过程还存在诸多不确定因素，对环境也存在一定的影响。

碳捕获、利用与封存(CCUS)技术是应对全球气候变化的关键技术之一，受到世界各国的高度重视，纷纷加大研发力度，并取得一些研究成果。2021年9月，中科院天津工生所从CO2人工合成淀粉的成果引起了广泛的关注，有网友将此比作空气变馒头。这是国际上第一次不需要依赖植物光合作用，而是采用人工手段，将自然的代谢过程重新拆解、组装，以CO2、水和氢能为原料，生产出了人工的淀粉。目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定CO2生产，合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。天津工生所从头设计出11步主反应的非自然CO2固定与人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现从CO2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，向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步，为创建新功能的生物系统提供了新科学基础，是典型的从0到1的原创性成果。当然该成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有一段距离。今年4月，电子科技大学、中科院深圳先进院在《自然—催化》发表研究成果，电催化结合生物合成的方式，能将CO2高效还原合成高浓度乙酸，进一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。有科学家认为，该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程，发展了一条由水和CO2到含能化学小分子乙酸，后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。

据媒体报道，中国农科院与首钢朗泽新能源公司合作，全球首次实现从一氧化碳到饲料蛋白质的一步合成，并已形成万吨级工业产能。该项研究以含CO、CO2的工业尾气和氨水为主要原料，制造新型饲料蛋白资源，将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳，开辟了一条低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质的新途径。

2月，美国西北大学和郎泽科技公司研究人员在《自然》发表论文称，他们在一项新的试点研究中，将一种梭菌进行遗传工程改造，用于合成此前它们无法产生的化合物，这种选择、设计和优化细菌菌株的过程，成功地证明了其将CO2转化为丙酮和异丙醇的能力。这种新的气体发酵过程不仅可从大气中去除温室气体，还可避免使用化石燃料，而化石燃料通常是生成丙酮和异丙醇所必需的。

碳达峰、碳中和目标是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。科技创新，特别是能源的科技创新是同时实现经济社会发展和碳达峰、碳中和的关键。