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    趨勢觀察丨國際碳中和行動關鍵技術前沿熱點與發展趨勢

    分類:固廢觀察 > 熱點觀察    發布時間:2021年10月27日 9:37    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:
















    科技創新是實現碳中和的核心驅動力,推動和依靠綠色技術創新作為共同的戰略選擇來實現碳中和目標已成為主要發達國家的共識。

    本文刊載于《中國科學院院刊》2021年第9"資訊與觀察"

    氣候變化是全球面臨的重大挑戰之一。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)測算,若實現《巴黎協定》1.5℃?控溫目標,全球必須在?2050?年達到二氧化碳凈零排放(又稱“碳中和”),即每年二氧化碳排放量等于其通過植樹等方式減排的抵消量。碳中和是應對全球氣候危機的重要手段。目前,全球已有?137?個國家以政策宣示或立法等不同方式提出碳中和目標,其中大部分國家或區域計劃在?2050?年實現碳中和,如歐盟、美國、英國、加拿大、日本、新西蘭、南非等。少部分國家,如德國將碳中和目標提前到?2045?年。


    科技創新是實現碳中和的核心驅動力,推動和依靠綠色技術創新作為共同的戰略選擇來實現碳中和目標已成為主要發達國家的共識。2020?年以來,發達國家通過制定面向碳中和的科技戰略與計劃,加快布局綠色低碳技術創新。


    例如:美國發布《清潔能源革命與環境正義計劃》《變革性清潔能源解決方案》;英國以《綠色工業革命的十點計劃》為基礎推出《凈零創新組合計劃》;日本政府陸續頒布《革新環境技術創新戰略》《2050?碳中和綠色增長戰略》等。主要發達國家以“減排”和“增匯”為?2?條主線,聚焦“零碳能源體系構建”“低碳產業轉型”和“生態固碳增匯/碳捕獲、利用與封存(CCUS)”3?個維度。本文系統解讀國際碳中和行動的關鍵技術前沿熱點和發展趨勢,在此基礎上提出對我國碳中和技術創新戰略和計劃制定的啟示與建議。

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    零碳能源關鍵技術體系


    零碳能源關鍵技術體系涉及傳統化石能源系統低排放轉型、新能源大規模使用和廣泛部署等。重點包括碳基能源高效催化轉化、先進高效低排放燃燒發電等關鍵減排技術,以及氫、太陽能、風能等新能源利用技術。


    傳統能源系統的低碳排放轉型是當前的現實緊迫任務


    1

    催化過程和工藝革命性創新推進碳基能源高效催化轉化


    針對化石能源最本質的碳資源清潔高效轉化利用問題,前沿熱點方向包括:碳基能源催化轉化反應途徑、催化劑及工藝開發、復雜催化轉化系統的集成耦合與匹配,以及轉化過程多點源復雜污染物控制等。目前,碳基能源高效催化轉化已經探索出一些新的路線,部分已實現工程示范。預計未來?10—20?年煤炭分級分質轉化利用技術、二氧化碳催化轉化技術將得到優先發展。


    2

    新型熱力循環與高效熱功轉換實現清潔燃燒與高效發電


    先進高效低排放燃燒發電技術能夠有效減少化石能源作為燃料利用的碳排放,前沿熱點方向包括:靈活多源智能發電系統集成與協調控制、超高參數燃煤發電高效熱功轉換機制、新型工質熱力循環與高效熱功轉換創新技術,以及多污染物協同控制等。未來持續朝著高效、節能、節水和低排放/零排放方向發展。預計到?2030?年,燃煤發電超低排放等先進技術得到全面推廣,將有望使燃煤發電實現近零排放,從而顯著降低煤炭全產業鏈的環境影響。



    新一代能源體系的重構建設是實現碳中和目標的核心工作


    以可再生能源、先進核能、氫能、儲能技術為代表的碳零排關鍵技術是實現碳中和的關鍵抓手,是建設低碳綠色能源體系、實現碳中和目標的核心工作。


    1

    高比例可再生能源系統被廣泛認為是引領全球能源向綠色低碳轉型的主體


    構建高比例可再生能源系統,需要突破可再生能源高效、低成本、規?;_發利用的系列關鍵科學與技術前沿熱點問題,主要包括:先進可再生能源、靈活友好并網、新一代電力系統、多能互補與供需互動等關鍵核心技術。未來可再生能源利用將朝著多能互補、冷熱電聯產與綜合利用方向發展??稍偕茉丛谀茉唇Y構中的比重日益增加,預計到?2025?年可再生能源將成為世界第一大電力來源,到?2050?年占到發電量的近?90%、能源供應總量的?2/3。其中,重點科技研發方向包括:以高效低成本光伏發電、人工光合系統制燃料與化學品為代表的新興技術;大型風電機組及部件關鍵技術、基于大數據的風電場設計與運維關鍵技術、大型風電機組測試關鍵技術,以及海上風電場設計、建設及開發成套關鍵技術等;高品位生物質能轉化技術、生物質能清潔制備與高效利用技術、能源植物基因重組育種、生物油精制原理、生物學系統氫能轉換原理等。


    2

    先進裂變堆研發及聚變堆實驗突破推進核能邁向安全高效可持續發展道路


    先進核裂變能前沿熱點方向主要集中在開發固有安全特性的第四代反應堆系統、燃料循環利用及廢料嬗變堆技術??煽睾司圩兦把責狳c研究方向則主要聚焦等離子體理論研究、耐受強中子輻射和高熱負荷材料開發和示范堆概念設計方面等主題研究。預計?2030?年前后,部分成熟的四代堆(如鈉冷快堆)將走向市場,之后逐漸擴大規模。磁約束可控核聚變預計?2030?年左右完成實驗堆的建設和滿功率運行,2050?年左右示范堆的工程設計及商業堆的預研和評估工作有望開展。


    3

    氫能是未來碳中和社會技術、產業競爭新的制高點


    前沿熱點方向包括:可再生能源電解制氫等綠色制氫技術,更高效、易運輸儲氫技術與基礎設施網絡建設,以及基于氫能的新型復合系統概念研究及驗證等。目前,可再生能源電解水制氫尚處于示范階段,太陽能光解水制氫等前沿技術仍處于實驗室開發階段;預計到?2030?年可再生能源電解水制氫技術將大規模部署,具備與藍氫(配備碳捕集的化石燃料制氫)成本相當的競爭力。未來氫能應用逐漸向靈活、高效的多能融合場景發展。


    4

    下一代新型電化學儲能技術正處在一個重要突破關口


    前沿熱點方向包括:開發全固態鋰電池、金屬-空氣電池、新概念化學電池等潛在顛覆性技術;重點開展充放電循環反應機理研究、中間產物認知、界面優化、新概念電池材料體系開發。未來電池儲能研究繼續向高能量密度、高比功率、快速響應、高安全性、長壽命電池材料發展。預計到?2025?年前動力電池單體能量密度達?400 Wh/kg,2030?年達到?500 Wh/kg,并加速開發下一代鋰離子動力電池和新體系動力電池。最終實現在?21?世紀中葉前廣泛應用長壽命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型電化學儲能技術。


    5

    多能融合能源系統是各國低碳轉型新的戰略競爭焦點


    前沿熱點方向是解決能源的綜合互補利用、多能系統規劃設計,運行管理、能源系統智慧化等重大科技問題,以及開發多能互補系統變革性技術等。構建多能融合綜合能源系統是能源發展大勢所趨,攻克能源生產、輸配、存儲、消費等環節的多能耦合和優化互補核心技術,發展變革性智能化綠色過程技術體系,支撐高碳行業流程再造,解決能源轉化和工業生產過程的高能耗高排放難題,保障能源利用與生態文明同步協調發展。

    2


    低碳產業轉型關鍵技術體系


    工業、交通等高排放行業綠色低碳轉型是實現碳中和目標的重中之重,減排路徑包括源頭減排、革新技術和工藝流程再造、行業綠色低碳材料開發及末端治理等。技術創新是促進行業以成本效益實現碳減排的關鍵。


    原料/燃料替代、工藝技術創新和碳捕集與利用是工業過程碳減排的主要技術路徑


    1

    可再生電力、生物質能、氫等清潔燃料應用是實現燃料端碳減排的重要途徑


    前沿熱點方向包括:低成本可再生電力、高比例生物燃料替代化石燃料、技術與裝備強化、高溫工業過程氫燃料應用、低品位余熱利用等。目前,在一些行業(如水泥、鋼鐵)已實現化石燃料的部分替代,預計到?2060?年清潔燃料替代將使工業部門化石燃料的使用量減少?60%—80%。


    2

    工藝技術變革和創新推動工業過程的碳減排


    制氫結合?CCUS?是鋼鐵行業低碳工藝路徑的關鍵技術組合。前沿熱點方向包括:低成本綠氫制備、氫還原煉鐵、低成本大規模?CCUS?技術的工業應用等。全球氫和?CCUS?技術相結合已探索了多條低碳鋼工藝路線,預計?2050?年可實現商業化。CCUS?技術的工業應用前景廣闊,預計到?2050?年工業行業二氧化碳捕獲率將達到?90%,碳捕獲成本比?2020?年水平降低?40%。


    3

    低碳替代產品研發和碳循環利用是工業碳減排的另一重要方向


    在水泥行業,前沿熱點方向包括:石灰石的零碳替代品開發、低碳水泥研發等。目前,已積極探索工業固廢、黏土、火山巖等部分替代石灰石,以非石化基材料完全替代石灰石是未來發展的重要趨勢?;ば袠I中,前沿熱點方向包括:可持續的生物或廢物基原料高效轉化利用技術、綠色氫基大規模氨生產技術、碳循環利用新技術、分子煉油和多產化學品技術等。


    節能提效、可持續性低碳燃料和電動化是交通部門綠色低碳轉型的主要技術路徑


    1

    節能和能效提升技術是交通部門實現短期脫碳的主要方式,能夠有效緩和不斷增長的能源需求。


    交通部門綠色低碳轉型的前沿熱點方向包括:輕量化技術、發動機技術、機電耦合一體化技術和智能交通技術等。在技術創新的推動下,交通運輸工具的平均油耗和廢氣排放持續下降。提高輕質合金和復合材料等性能、開拓新型工藝技術和智能網聯化技術等技術是未來主要的攻關方向。


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    發展可持續性低碳燃料和電動化是交通部門實現中長期脫碳的關鍵。


    前沿熱點方向包括:可再生植物/海洋藻類或其他有機廢物制成的生物燃料、氫能及氫基燃料和動力電池技術等。目前,部分低碳燃料在道路交通中處于示范階段,在航空和航海領域處于起步探索階段,動力電池技術已躋身世界前列。未來交通能源多元化發展將成為主流,下一代動力電池技術有望在?2030—2060?年逐步實現商業化。

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    生態固碳增匯/負排放關鍵技術體系


    負碳排放關鍵技術包括生態固碳增匯、CCUS、直接空氣碳捕集(DAC)和碳循環利用等,這些技術重點解決生產活動中無法通過技術手段減排的碳,是實現碳中和目標技術組合的重要組成部分。


    生態固碳增匯技術是實現碳中和目標的有力技術手段


    系統部署生態固碳增匯技術需要攻克一系列前沿熱點問題,既需要在采樣相對不足的地區開展更多的實地觀測,研發和優化可正確刻畫碳循環復雜過程的地球系統模型;又需要繼續投資于天基衛星觀測,建立生態碳儲量核算、碳匯能力提升潛力評估等方法,研究生態碳匯的關鍵影響因素與演化規律,評估生態系統增匯潛力及風險。此外,需要大力發展海洋碳匯技術——海洋儲碳周期可達數千年,負排潛力巨大。



    CCUS是應對全球氣候變化的關鍵技術之一


    CCUS?規?;渴鹑匀幻媾R一系列關鍵技術挑戰,前沿熱點方向包括:CCUS?與新能源體系的耦合發展、第二代捕集技術、化學鏈捕集技術、Allam?循環、低成本及低能耗的?CCUS?技術研究等。目前,第一代捕集技術發展漸趨成熟,但成本和能耗偏高;而第二代捕集技術仍處于實驗室研發或小試階段,待技術成熟后,其能耗和成本會比成熟的第一代技術降低30%?以上,2035?年前后有望大規模推廣應用?;瘜W鏈捕集技術尚處于實驗室階段,還未實現工程示范。生物利用技術總體處于初期發展階段。涉及?CCUS?過程的新型捕集技術、生物利用技術、CCUS?規?;屘婕夹g、風險防控能力的研究將是未來發展的重要趨勢。


    DAC是減少分布源碳排放的有效技術途徑


    DAC?能夠對數以億計的交通工具等分布源排放的二氧化碳進行捕集處理,從而有效降低大氣中的二氧化碳濃度,前沿熱點方向包括:開發新型吸附劑、新型接觸器、低成本的高容量?DAC?用再生材料、DAC系統的低碳電力耦合研究等。全球發展?DAC?的動力正在不斷增長。然而,DAC?在工業領域的發展還處于初級階段,在實現商用之前還有很長的路要走;預計到?2030?年實現?DAC?技術系統的構建,2040?年實現?DAC?技術實用化。


    碳循環利用是構建碳循環經濟不可或缺的關鍵一環


    碳循環利用是實現碳減排的重要途徑,也是世界性難題。目前,二氧化碳資源化利用產業化研究中化學轉化資源化利用、生物轉化資源化利用是當前的研究熱點。碳循環利用技術有望到?2030?年實現工業化生產。轉化路徑和高效催化劑研究、以二氧化碳為原料的高附加值化學品轉化、燃料轉化技術將是未來研究的主要方向。目前,碳循環利用技術處于初級階段,預計?2040?年左右碳循環產品將得到廣泛使用。

    4


    結語與啟示


    1

    加強頂層設計科學引導研發創新


    加強碳達峰、碳中和戰略頂層設計,分析不同行業能源相關碳排放現狀和機制,探討能源相關減排技術潛力。密切跟蹤國際綠色科技前沿熱點研究,制定支撐碳達峰、碳中和目標的中長期技術發展路線圖和行動方案,明確主要目標、重點任務和時間節點。


    2

    強化核心關鍵技術的科學攻關


    推動新一代可再生能源、綠氫、儲能、智慧能源、綠色化工、零能耗建筑、新能源交通、綠色智能社會等前沿技術、顛覆性技術的重點突破。加快推進高效節能低碳技術及?CCUS、生態增匯等技術示范應用,推動新一代數字化技術在清潔能源、節能和能效等領域的融合創新。


    3

    打造貫通創新價值鏈的創新網絡


    探索碳減排、碳零排、碳負排等關鍵技術的共性科學問題,開展從基礎研究、技術創新到產業化的全鏈條攻關。構建支撐碳中和目標能源技術發展的產學研全鏈條創新網絡,促進創新鏈與產業鏈深度融合,促進成果的高效轉化。


    4

    構建科學高效的創新平臺體系


    建立科技創新平臺體系是產出高水平成果,培育高層次人才,實現科技創新的重要組織形式和有效手段。因此,為了更好推動支撐碳中和目標的能源科技創新,需要優化布局面向碳中和重大科技需求的國家科技創新基地體系,設立相應的國家重點實驗室、國家工程研究中心、國家技術創新中心等,建立穩定的支持機制和聯合攻關機制。



    * 本文由中國科學院武漢文獻情報中心戰略情報中心先進能源科技戰略情報研究團隊、中國科學院文獻情報中心情報研究部生態文明研究團隊、中國科學院西北生態環境資源研究院文獻情報中心資源生態環境戰略情報研究團隊、中國科學院成都文獻情報中心戰略情報部生物與信息情報研究團隊聯合撰稿,執筆人包括:郭楷模、孫玉玲、裴惠娟、陳偉、滕飛、秦阿寧、李娜娜、曲建升。感謝中國科學院過程工程研究所張香平、中國石油大學(北京)張奇給予的指導和修正。


    來源 | 中國科學院院刊
    作者 | 郭楷模、孫玉玲、裴惠娟、陳偉、滕飛、秦阿寧、李娜娜、曲建升
    編輯 | 匡宋堯

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