氣候變化是當今全球面臨的重大挑戰之一。自di一次工業(yè)革命以來(lái)，煤、石油、天然氣等化石能源的發(fā)現和利用極大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì )大繁榮、大發(fā)展，同時(shí)也產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境問(wèn)題和氣候變化問(wèn)題。

200 多年來(lái)，化石能源燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）累計已達 2.2 萬(wàn)億噸，全球大氣中 CO2濃度持續上升。特別是近半個(gè)多世紀來(lái)，CO2 濃度呈現快速增長(cháng)的趨勢（圖 1），2021 年 4 月大氣中 CO2 的體積分數已達到了 419×10?6 ，全球地表平均溫度已升高 1.1℃。

圖1 di一次工業(yè)革命以來(lái)全球大氣中CO2 體積分數變化

數據來(lái)源：斯克利普斯海洋研究所

2018 年lian合國zheng府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )（IPCC）發(fā)布《全球升溫 1.5℃ 特別報告》，報告指出已經(jīng)觀(guān)察到的全球氣溫升高的事實(shí)，以及氣溫升高給人類(lèi)造成的影響遠遠高于早期預測，2℃ 溫升給世界造成的影響將難以承受，人類(lèi)必須把溫升控制在 1.5℃。以 CO2 為主的溫室氣體排放所導致的全球氣候變暖，已成為全球性的非傳統安全問(wèn)題，嚴重威脅著(zhù)人類(lèi)的生存和可持續發(fā)展。

我國碳達峰、碳中和承諾的提出，不只彰顯了我國作為世界大國的責任擔當，也是推動(dòng)我國能源結構、產(chǎn)業(yè)結構、經(jīng)濟結構轉型升級的自身發(fā)展需要，對我國實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展，建設人與自然和諧共生的社會(huì )主義現代化強國具有重要戰略意義。

1 我國實(shí)現碳達峰、碳中和目標面臨的挑戰

改ge開(kāi)放 40 余年來(lái)，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，2019 年我國的國內生產(chǎn)總值（GDP）總量超過(guò) 14 萬(wàn)億美元，居全球第 2 位；但人均 GDP 剛突破 1 萬(wàn)美元，排在全球 67 位（圖 2）。作為世界較大的發(fā)展中國家，我國的發(fā)展不平衡不充分問(wèn)題仍然突出，面臨著(zhù)發(fā)展經(jīng)濟、改善民生等一系列艱巨任務(wù)；我國能源需求還在不斷增加，碳排放仍處于上升階段，尚未達到峰值。在經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的同時(shí)，如何轉變能源結構、產(chǎn)業(yè)結構、經(jīng)濟結構，實(shí)現碳達峰、碳中和，這是di一大挑戰。

圖2 2019 年全球GDP（a）及人均GDP（b）排名前20 位的國家

數據來(lái)源：世界銀行

從能源消費總量來(lái)看，2020 年我國能源消費總量世界di一，占比超過(guò)全球總量的 1/4，CO2 排放占全球總量的 1/3。從能源消費結構來(lái)看（圖 3），我國仍以化石能源消費為主，2020 年占比超過(guò) 84%；我國能源消費仍有一半以上的來(lái)源是煤炭，遠高于全球能源消費結構中的煤炭占比。從我國發(fā)電類(lèi)型來(lái)看，2020 年全國總發(fā)電量中 68% 來(lái)自于火電。根據我國不同行業(yè)碳排放數據來(lái)看（圖 4），發(fā)電與熱力（占比 51%）和工業(yè)（占比 28%）是我國來(lái)源較大的 2 個(gè)碳排放行業(yè)。從碳達峰時(shí)間看，20 世紀 90 年代之前歐盟主要國家已實(shí)現碳達峰，美國也于 2007 年實(shí)現碳達峰。歐盟主要國家提出 2050 年實(shí)現碳中和，從實(shí)現碳達峰到碳中和有 60 年以上時(shí)間；而我國因起步較晚，要實(shí)現碳達峰（2030 年）到碳中和（2060 年）的目標，時(shí)間只有歐盟主要國家的一半不到。這意味著(zhù)，我國需要用更短的時(shí)間，將占比達 84% 的化石能源轉變成凈零碳排放能源體系，時(shí)間緊、任務(wù)重，這是第二大挑戰。

圖3 2020 年全球能源消費結構（a），以及中國的能源消費結構（b）和電力結構（c）

數據來(lái)源：英國石油公司、中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì )

圖4 1990—2018 年我國不同行業(yè)碳排放

數據來(lái)源：國際能源署

從氣候變化和溫室氣體控制的社會(huì )層面看，我國在百姓意愿、企業(yè)認同、技術(shù)儲備、市場(chǎng)機制、法律法規等方面與發(fā)達國家相比，明顯滯后。例如：自《京都議定書(shū)》生效后，世界主要國家及地區紛紛建立區域內的碳交易體系，以實(shí)現碳減排承諾的目標；2005—2015 年，已建成遍布四大洲的 17 個(gè)碳交易體系，而 2021 年 7 月我國全國碳排放權交易才正式上線(xiàn)。我國碳交易體系亟待迎頭趕上，這是第三大挑戰。

為應對上述挑戰，我國必須加速推進(jìn)面向碳達峰、碳中和的經(jīng)濟社會(huì )系統性變革，進(jìn)行能源革命，在能源供給、能源消費、能源技術(shù)和能源體制等方面實(shí)現新突破和新跨越。

2 碳中和愿景下的能源變革

碳中和是一場(chǎng)綠色革命，將構建全新的零碳產(chǎn)業(yè)體系——如果沒(méi)有顛覆性、變革性技術(shù)突破，不可能實(shí)現碳中和。未來(lái)能源變革將呈現“五化”：從能源供給側看，是電力零碳化、燃料零碳化；從能源需求側看，能源利用高效化、再電氣化、智慧化（圖 5）。 終使我國建成以新能源為主體，“化石能源+二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）”和核能為保障的未來(lái)清潔零碳、安全高效能源體系。

圖5 面向碳中和的能源變革

從能源供給側看未來(lái)能源變革

1 電力零碳化

目前全球高達 41% 的碳排放來(lái)自于電力行業(yè)，我國更是高達 51% 碳排放來(lái)自于發(fā)電和熱力，電力脫碳與零碳化是實(shí)現碳中和目標的關(guān)鍵。

1.要實(shí)現電力脫碳與零碳化，首先要大力發(fā)展可再生能源發(fā)電。

近 10 年來(lái)，我國可再生能源實(shí)現跨越式發(fā)展，可再生能源開(kāi)發(fā)利用規模穩居世界di一。2020 年我國可再生能源發(fā)電量占比全社會(huì )用電量 29.5%，總發(fā)電量達到 2.2 萬(wàn)億千瓦時(shí)；截至當年年底，我國可再生能源發(fā)電裝機占比總裝機 42.4%，總規模已達到 9.3 億千瓦（圖 6）。

圖6 截至2020 年底我國分類(lèi)型發(fā)電裝機容量

數據來(lái)源：國家能源局

可再生能源發(fā)電成本也在不斷下降，全球光伏發(fā)電成本在過(guò)去 10 年（2010—2020 年）下降了 85% 左右。2021 年 6 月國家電力投資集團公司在四川甘孜州正斗一期 20 萬(wàn)千瓦光伏項目上報出 0.1476 元/千瓦時(shí)低價(jià)，創(chuàng )下中國光伏電站項目低價(jià)紀錄。據預測，我國風(fēng)電和光伏裝機到 2030 年可達 16 億—18 億千瓦，2050 年將超過(guò) 50 億千瓦。

2.要實(shí)現電力脫碳與零碳化，中心是構建以新能源為主體的新型電力系統。

高比例新能源和海量負荷的雙重隨機性與波動(dòng)性，給電網(wǎng)功率平衡和安全運行帶來(lái)了很大挑戰，亟須變革“源隨荷動(dòng)”的傳統電力供給模式，提高電力系統靈活性。要重點(diǎn)突破區域電力系統“源網(wǎng)荷儲”的深度互動(dòng)與調控方法，提升電力電子化電力系統韌性、進(jìn)行基于大數據電力供給和需求的預測與管理、建立電力分散自治互信交易機制。

要深化電力體制改ge，創(chuàng )新電力市場(chǎng)機制和商業(yè)模式。依賴(lài)遍布全國的分布式光伏發(fā)電和風(fēng)電，將每一個(gè)建筑物轉化為微型發(fā)電廠(chǎng)，大力發(fā)展虛擬電廠(chǎng)、智能微電網(wǎng)和儲能技術(shù)，部署更多的新能源裝機容量，發(fā)出與消納更多的新能源電量，使常規火力發(fā)電從現在的基荷電力轉變?yōu)檎{峰電力，實(shí)現電力脫碳與零碳化。

構建以新能源為主體的新型電力系統是一項重大變革，德國的經(jīng)驗值得借鑒。德國先后宣布 2022 年棄核和 2038 年棄煤，2050 年構建全部 100% 采用可再生能源的用能體系。德國在推進(jìn)可再生能源發(fā)展中立法先行，建立起遍布全國的分布式光伏發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電及儲能機組；通過(guò)基于大數據的電力供給側和需求側的預測與管理，以及基于互聯(lián)網(wǎng)的電力交易和服務(wù)平臺，有效促進(jìn)可再生能源消納，提高電網(wǎng)的供需平衡。在德國，高比例的可再生能源已使常規火電從基荷電力轉變?yōu)檎{峰電力，成功實(shí)現了能源結構轉型。

3.要實(shí)現電力脫碳與零碳化，化石能源發(fā)電可通過(guò) CCUS 實(shí)現凈零碳排放。

CCUS 是目前實(shí)現大規?；茉戳闾寂欧爬玫年P(guān)鍵技術(shù)，結合 CCUS 的火電將平衡可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，提供保障性電力和電網(wǎng)靈活性?！靶履茉窗l(fā)電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術(shù)組合，它們間的深度協(xié)同將成為未來(lái)清潔零碳、安全高效能源體系的關(guān)鍵。

根據國際能源署（IEA）研究結果，可持續發(fā)展情景下，2045 年前全球將淘汰所有非碳捕獲與封存（CCS）煤電機組，將有 1 000 太瓦時(shí)的電力由煤電結合 CCS 技術(shù)生產(chǎn)。因此，要加大 CCUS 技術(shù)研發(fā)投入，降低成本及能耗：研發(fā)新型吸收劑、吸附劑和膜分離材料，針對碳捕集、分離、運輸、利用、封存及監測等各個(gè)環(huán)節開(kāi)展中心技術(shù)攻關(guān)；要盡快建立 CCUS 標準體系及管理制度、CCUS 碳排放交易體系、財稅激勵政策、碳金融生態(tài)，推動(dòng)火電機組百萬(wàn)噸級 CO2 捕集與利用技術(shù)應用示范，實(shí)現 CCUS 市場(chǎng)化、商業(yè)化應用。

2 燃料零碳化

燃料零碳化是以太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源為主要能量制取可再生燃料，包括氫、氨和合成燃料等?；诹闾茧娏Φ目稍偕剂现迫。▓D 7），將創(chuàng )建一種全新的“源-儲-荷”離線(xiàn)可再生能源利用形式，有望使交通和工業(yè)燃料單獨于化石能源，實(shí)現燃料凈零碳排放?？稍偕剂鲜且豁棙O具潛力的變革性技術(shù)，可為國家能源戰略轉型與碳中和目標實(shí)現提供全新的解決方案。

圖7 基于零碳電力的可再生燃料制取

可再生合成燃料是利用可再生能源通過(guò)電催化、光催化、熱催化等轉化還原 CO2，以合成碳氫燃料或醇醚燃料，具有能量密度高、輸運和加注方便、可利用目前加油站等基礎設施、社會(huì )應用成本低等優(yōu)點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎得主喬治·安德魯 · 歐拉（George Andrew Olah）等于 2006 年在著(zhù)作《跨越油氣時(shí)代：甲醇經(jīng)濟》中提出了利用可再生能源將工業(yè)排放及自然界的 CO2 轉化為碳中性醇醚燃料的觀(guān)點(diǎn)。

2018 年施春風(fēng)、張濤、李靜海、bai春禮 4 位院士聯(lián)合在 Joule 發(fā)文提出，如果人類(lèi)想要獲取、儲存及供給太陽(yáng)能，關(guān)鍵就在于如何將其轉化為穩定、可儲存、高能量的化學(xué)燃料，“液態(tài)陽(yáng)光”將可能成就未來(lái)世界。近年來(lái)，通過(guò)可再生能源來(lái)轉化 CO2 制備合成燃料技術(shù)引起了世界主要發(fā)達國家和地區的高度關(guān)注。冰島碳循環(huán)國際公司（Carbon Recycling International）在冰島建成了世界上di一座基于 CO2 循環(huán)利用的商業(yè)化甲醇工廠(chǎng)，通過(guò)地熱發(fā)電，電解水制氫氣（H2），進(jìn)一步與 CO2 合成可再生甲醇；2014 年該公司甲醇產(chǎn)能達到 4 000 噸。

2020 年 10 月中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團隊千噸級“液態(tài)陽(yáng)光”燃料合成示范項目在蘭州成功運行。歐盟啟動(dòng) Energy-X 項目，以 CO2 為介質(zhì)來(lái)探究碳基能源的循環(huán)利用；美國能源部成立“液態(tài)陽(yáng)光聯(lián)盟”（Liquid Sunlight Alliance，LiSA），聚焦 CO2 光/電還原液體燃料；上海交通大學(xué)成立了可再生合成燃料研究中心，目標是研發(fā)基于零碳電力的可再生合成燃料系統。牛津大學(xué) Hepburn 等 在 Nature 上發(fā)文預測到 2050 年全球將有 42 億噸 CO2 被轉化為合成燃料。

要真正實(shí)現通過(guò)陽(yáng)光、水、CO2 獲取可再生合成燃料，亟待開(kāi)展可再生合成燃料的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。針對 CO2 還原轉化產(chǎn)物，基于燃料與動(dòng)力裝置相互作用及調控機制，進(jìn)行可再生合成燃料設計；從分子水平上建立催化劑構效關(guān)系，實(shí)現高效 CO2 還原催化劑體系的設計與功能化定制；進(jìn)而構建高能效的 CO2 還原合成燃料系統，實(shí)現 CO2 到液體燃料分子的高選擇性轉化和可再生燃料的合成。

從能源需求側看未來(lái)能源變革

在能源需求側，要加快實(shí)現能源利用的高效化、再電氣化和智慧化。

1 高效化

能源利用高效化、節能減碳是碳達峰、碳中和 基礎的重要工作。2012 年以來(lái)我國單位 GDP 能耗累計降低 24.4%，明顯高于全球平均降速；但是，值得注意的是 2019 年我國單位 GDP 能耗仍高于全球平均水平 50%，是英國、日本的 3 倍左右 ，節能減碳潛力可觀(guān)。我國要加大節能、節水、節材、減碳等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和推廣力度，多方面推進(jìn)電力、工業(yè)、交通、建筑等重點(diǎn)領(lǐng)域節能減碳；加快對電力、鋼鐵、石化化工、有色金屬、建材等高耗能、高碳排放行業(yè)企業(yè)，以及交通運輸車(chē)輛設備和公共建筑，實(shí)施節能和減碳技術(shù)改造，以降低單位 GDP 能耗和碳排放強度。

2 再電氣化

再電氣化是指在傳統電氣化基礎上，實(shí)現基于零碳電力的高度電氣化；未來(lái)碳中和社會(huì )的能源一定是圍繞零碳電力展開(kāi)的。2018 年全球電氣化水平即電能占終端能源消費的比重只為 19%，我國為 25.5%，預計 2050 年全球電氣化水平將高于 50%。在加速零碳電力供給的基礎上，加快工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域的再電氣化，這是提高能源利用效率、實(shí)現能源利用脫碳和零碳的重要途徑。

3 智慧化

智慧化是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數據、云技術(shù)等信息與控制技術(shù)，將人、能源設備及系統、能源服務(wù)互聯(lián)互通，使電源、電網(wǎng)、負荷和能源存儲深度協(xié)同，實(shí)現能源流與信息流的高度融合。

把多種多樣的分布式發(fā)電源和海量的負荷通過(guò)網(wǎng)絡(luò )構架起來(lái)，給每個(gè)單元賦予智能，實(shí)現能源生產(chǎn)、交易、利用的高效化，以及能源基礎設施的共享，這是提高能源利用效率、大限度就地消納可再生能源的重要手段。區塊鏈技術(shù)使數據或信息具有“全程留痕”“可以追溯”“公開(kāi)透明”“集體維護”等特征，將改變能源系統生產(chǎn)和交易模式，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)新能源生產(chǎn)、交易、基礎設施共享。例如，未來(lái)人們通過(guò)手機應用程序（APP）就能方便地把自家屋頂多余的光伏電賣(mài)給附近需要給電動(dòng)汽車(chē)充電的陌生人，這種點(diǎn)對點(diǎn)的交易系統使能源系統中各節點(diǎn)成為單獨的產(chǎn)消者。

3 能源發(fā)展大趨勢

面向碳中和的能源發(fā)展大趨勢是通過(guò)能源變革，大力推進(jìn)能源供給側的電力脫碳與零碳化、燃料零碳化，以及能源需求側的能源利用高效化、再電氣化和智慧化?；茉从绕涫敲禾繉⑥D變?yōu)楸Ｕ闲阅茉?，通過(guò) CCUS 實(shí)現化石能源凈零碳排放，同時(shí)穩步發(fā)展核電；在此基礎上，構建以新能源為主體、“化石能源+CCUS”和核能為保障的未來(lái)清潔零碳、安全高效能源體系。

1.在能源生產(chǎn)形式上，將從現有電力系統自頂向下的樹(shù)狀結構（發(fā)電—輸電—配電—用電）走向扁平化、大量分布式能源自治單元之間相互對等互聯(lián)的結構。這種能源互聯(lián)使可再生能源分層接入與消納得以實(shí)現，構建以新能源為主體的新型電力系統。

2.在能源生產(chǎn)和消費的主體上，將從能源生產(chǎn)者、消費者互相單獨轉變?yōu)槟茉串a(chǎn)銷(xiāo)者一體。隨著(zhù)分布式能源系統和智能微網(wǎng)、局域網(wǎng)技術(shù)的日益成熟及電動(dòng)汽車(chē)普及，電網(wǎng)中分散電源和有源負荷將不斷增長(cháng)，每一個(gè)建筑物轉化為微型發(fā)電廠(chǎng)，原本需求側的用戶(hù)將扮演消費者和生產(chǎn)者的雙重角色，成為單獨的能源產(chǎn)消者。

3.在能源結構上，化石能源從主體能源逐步轉變?yōu)楸Ｕ闲阅茉?，在一次能源消費中的占比將大幅降低，可再生能源從補充能源變?yōu)橹黧w能源，比例會(huì )持續大幅度提高。能源利用從高碳走向低碳，然后走向零碳能源的時(shí)代，這種變化將是革命性和顛覆性的。

3 結 論

1碳中和愿景下的能源變革包括供給側的電力零碳化、燃料零碳化，以及需求側的能源利用高效化、再電氣化、智慧化。

電力脫碳與零碳化是實(shí)現碳中和目標的關(guān)鍵和重中之重，碳中和社會(huì )的能源一定是圍繞零碳電力展開(kāi)的。要盡力，提高非碳基電力發(fā)展速度和供給能力，構建以新能源為主體的新型電力系統。

2

面向碳中和，化石能源尤其是煤炭將轉變?yōu)槲覈谋Ｕ闲阅茉础?/span>

CCUS 是目前實(shí)現大規?；茉戳闾寂欧爬玫年P(guān)鍵技術(shù)，結合 CCUS 的火電將推動(dòng)電力系統凈零排放，平衡可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，提供保障性電力和電網(wǎng)靈活性?！靶履茉窗l(fā)電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術(shù)組合，這些將構成以新能源為主體、“化石能源+CCUS”和核能為保障的未來(lái)清潔零碳、安全高效能源體系。

3

碳達峰是量變，碳中和是質(zhì)變，只通過(guò)碳達峰的量變走不到碳中和的質(zhì)變。

如果沒(méi)有能源變革、沒(méi)有經(jīng)濟社會(huì )系統性社會(huì )變革、沒(méi)有一場(chǎng)綠色革命，不可能實(shí)現碳中和。面向碳中和的未來(lái)能源，其中心是由一系列顛覆性、變革性能源技術(shù)作為戰略支撐，形成的全新能源體系。

4

實(shí)現“雙碳”目標特別是碳中和與經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展不是對立關(guān)系，不是“賽道超車(chē)”而是“換賽道”，是重新定義人類(lèi)社會(huì )的資源利用方式，是挑戰更是機遇。

碳中和將引ling構建全新的零碳產(chǎn)業(yè)體系，人類(lèi)將從基于自然稟賦的能源開(kāi)發(fā)利用，走向基于技術(shù)創(chuàng )新的新能源開(kāi)發(fā)利用。誰(shuí)在零碳技術(shù)創(chuàng )新占據ling先，誰(shuí)就是“新賽道”上的“l(fā)ing跑者”，誰(shuí)就有可能引ling下一輪產(chǎn)業(yè)革命。

5

面向碳中和的能源變革，絕不只是一個(gè)能源問(wèn)題、一個(gè)環(huán)境問(wèn)題，而是一個(gè)全局性、系統性問(wèn)題；不是一蹴而就的，而是要循序而進(jìn)，先立后破。

能源變革的路徑需要基于技術(shù)、市場(chǎng)和政策法規等多層面進(jìn)行科學(xué)設計與決策。