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能源生产和消费是我国温室气体的主要来源，占比大于80％，加之能源的基础地位和广泛辐射作用，实现碳中和目标，一是要控制能源利用的碳排放量——打造深度低碳的电力系统，同时通过电气化促进各用能领域深度降碳；二是要增加固碳量——通过人为手段将更多的碳固定在地表、产品或地层中。控碳和固碳从现在起就应持续发力，久久为功。
7月25日，《中国碳中和技术发展路线图》研究报告发布，揭示了我国碳中和技术发展的三大关键特征：约20%的关键技术达到商业应用阶段，距离大规模推广仍有显著差距；约80%的减排技术应用将导致产品成本上升，其中35%的技术成本增幅甚至超过50%；多数技术兼具污染物减排、能源安全保障及生态环境修复等多重效益。可见，我国现有的碳中和技术体系仍面临较大挑战，能源电力领域亟需突破众多关键技术，并破除各能源种类之间的壁垒。
4月21日，第20届中国（南京）国际电池及储能技术博览会在国际展览中心举行，集中呈现相关领域最新产品和科研成果。
01
能源供应端：控制碳排放
电力碳排放占能源活动碳排放的40%以上，推动电力领域降碳是实现碳中和的关键。中国工程院院士舒印彪基于我国的发展现状，提出了清晰的阶段预测。2031年至2050年，新能源加速替代煤电，装机容量达到60亿千瓦，清洁能源满足全部新增电力需求。2051年至2060年，电力需求增长趋于饱和，清洁能源发电量占比超过90%，终端用能高度电气化（达到70%左右），我国将建成深度低碳（零碳）的电力系统。
我国在实现碳达峰目标后，进一步推动发电技术、储能技术和输电技术的革命性进步，对于加快实现碳中和目标具有至关重要的意义。
当前，光伏发电、风电迈入平价上网时代，但在降本增效方面仍有很大发展空间，例如改进光伏电池材料提升转换效率、优化风机设计降低运维成本等；水电资源开发成效显著，中长期仍需在雅鲁藏布江、金沙江上游等区域，通过科学规划、技术创新，进一步提升规模和效益；太阳能热发电对电网友好性高，但发电成本较高，可从高性能吸热材料、高效储热装置等环节寻求突破；地热资源分布广、总量大，但能量密度低，技术突破应从干热岩提取热能入手；生物质能发电日趋成熟，需拓展原料来源、优化转化工艺，提高其在总电力供应中的占比；海洋能、潮汐能总量可观，但利用模式仍在探索，亟需提升设备可靠性、能量转换效率等。
中国科学院院士丁仲礼强调，实现碳中和目标需要一种公共认知：核电作为“稳定电源”的重要组成部分，应当实现跨越式发展，在沿海地区优先布局核电项目替代传统煤电。未来很长时间，煤电仍发挥“稳定电源”“应急电源”“调节电源”的作用，对于煤炭清洁利用技术、提高煤电灵活性的技术仍需高度重视，例如煤电掺烧技术改造等。
新能源发电存在间歇性与波动性，储能是解决这一问题的关键。在2030年至2060年这一关键时期，我国应致力于建设总量充裕、结构合理、成本最优的储能系统。
储能技术领域的科技创新重点围绕短时高频储能、中短时储能、长时储能和抽水蓄能技术四个方面展开。短时高频储能技术包括飞轮储能技术、超级电容器储能技术、高倍率电池储能技术等；中短时储能技术包括锂离子电池储能技术、钠离子电池储能技术、固态电池储能技术等；长时储能技术包括压缩空气储能技术、液流电池储能技术、液态空气储能技术、重力储能技术、热泵储能技术、高效低成本长周期热储能技术、氢/氨储能技术等；抽水蓄能技术包括千米级水头抽水蓄能电站机组关键技术、抽水蓄能机组快速工况转换相关技术等。
在输电领域，随着新能源发电的大规模开发与跨区域消纳，电网远距离输电规模必将在现有基础上成倍增长，无论是特高压输电线路建设还是配电网升级改造，要满足大规模输电需求、降低建设成本、提高建设效率，都需关键技术的突破作为支撑，例如新型输电材料的研发、智能化施工技术的应用、输电线路损耗控制技术的优化等。此外，为有效应对新型电力系统的“双高”特性，还应通过更先进的传感技术、通信技术、控制算法等，实现对电网运行状态的实时监测、精准调控与灵活响应。
02
能源消费端：优化碳中和路线
除了电力供应端的清洁能源替代，还需要在能源消费端同步发力。舒印彪提到，通过技术革命和产业变革，以电为中心的能源生产消费方式，将助力全社会降低碳排放。预计到2060年，我国工业建筑领域电气化率将达到80%以上，交通领域超过53%。为此，需科学设计各行业的技术进步路径与产业应用方案，一系列新的工艺、流程和模式需重新建立。
当前，工业部门在全社会能源消费总量中的占比约为 2/3，碳排放总量占比达到70%左右。工业领域是我国能源消费绿色低碳转型的主要战场，也是决定碳中和目标能否如期实现的关键。钢铁、化工、水泥、有色金属等传统高耗能行业，成为工业绿色低碳转型的重点与难点领域，其转型成效将直接影响我国整体碳中和进程。
工业绿色低碳转型可通过两大路径推进：一是深度电气化，逐步用非化石能源提供的绿电，替代当前工业生产中来自化石能源的发电与供热，例如在工业加热、动力驱动等环节推广电锅炉、电窑炉、电动设备等，从能源消费源头减少碳排放；二是针对难以直接实现电气化的工业流程，如钢铁行业的高炉炼铁、化工行业的合成氨生产等，借助绿氢、合成气/甲醇、二氧化碳资源化利用等技术，通过行业间的紧密协调与深度融合，对传统生产流程进行低碳（零碳）再造。
在建筑领域，实现绿色低碳发展应从三个方面发力：一是通过更新保温隔热材料、改造供暖制冷系统等方式，对既有建筑进行节能化改造；二是针对城市建筑的用能需求，以绿电和地热作为主要能源来源，推广电采暖、电制冷设备和地源热泵系统等；三是针对农村家庭的用能特点，结合当地资源禀赋，采用屋顶光伏、浅层地热、生活沼气、太阳能集热器、外来绿电相结合的综合互补方式，构建分布式清洁供能体系。
在交通领域，应制定差异化的发展路径：私家车领域，在政策引导与市场驱动下，逐步提高纯电动车的占比，加快充电基础设施建设；重卡、长途客运等商用车领域，重点发展氢燃料电池技术，满足长距离运输需求；铁路运输领域，以线路电气化改造为主要方向，难度大的特殊路段可采用氢燃料电池动力；船舶运输领域，内河航运可采用蓄电池作为动力来源，远洋航运宜采用氢燃料电池或二氧化碳排放相对较少的液化天然气；航空领域，重点推广生物航空煤油的应用，同时持续研发氢燃料飞机等前沿技术，为长期深度脱碳做准备。
农业中的种植业与畜牧养殖业是甲烷、氧化亚氮等强效温室气体的主要排放源，二者的温室效应能力是二氧化碳的数十倍至数百倍，对全球气候变化的影响同样显著。长期来看，需加大科研投入，开发能减少甲烷和氧化亚氮排放但不影响作物产量的技术、减少畜牧业碳排放的技术，并尽可能增加农业土壤的碳含量。
行业的协调共进显得尤为重要。大部分减碳措施需要企业投入额外成本，这对企业的短期经济效益会造成影响。如果某行业内不同企业之间不能协调共进，“不作为企业”将因成本优势在市场竞争中占据有利地位，导致积极减碳的企业面临困境，制约整个行业的低碳转型进程。因此，应分行业设计科学合理的碳中和路线图，明确各行业不同阶段的减碳目标、技术路径与时间节点，并建立有效的激励或约束制度。此外，由于许多技术难题无法靠单一领域的科技发展解决，跨领域、跨学科的协同创新必不可少。中国工程院院士刘中民明确提出，当前亟需跨领域系统化部署碳中和重大科技研发任务，打破能源与其他行业、能源内各分系统间相互独立分割的局面，有助于解决单个领域科技发展难以突破的跨系统问题。
03
固碳领域：CCUS作用越发显著
即使大力推进降碳措施，到2060年仍会有相当数量的碳排放，需要固碳技术予以中和。
人类活动向大气中排放的二氧化碳，一部分会通过海洋和陆地表面吸收固定，余下部分如不通过人为手段予以固定，则大气中的二氧化碳浓度仍会逐年升高。通过人为手段固碳一般有两大途径，一是生态系统的保育与修复，二是把二氧化碳捕集起来后加工成工业产品或封埋于地下、海底，即二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术。
通过生态系统固碳，重点在于对森林生态系统的管理，一是保育，二是扩大面积。我国的森林有很大一部分都处于幼年期，此外还有不少非农用地可作造林之用（例如在近海的滩涂种植红树林），加之草地、湿地、农田土壤的碳大都处于不饱和状态，因此生态系统的固碳潜力非常大。
CCUS已成为碳中和战略体系中的关键一环。全球范围内多个关键领域的技术创新和突破正在推动CCUS技术广泛应用，根据国际能源署（IEA）的报告，除了利用可再生能源通过电解水制氢外，经过CCUS技术改进的化石能源制氢设施也成为低碳氢的关键来源。当前，全球已有7个采用CCUS技术的制氢厂，它们每年能产出40万吨氢气，这一产量是电解槽制氢量的三倍。随着CCUS项目不断增多，与低碳氢生产相关的碳捕集量将大幅增长。预计到2070年，全球近半数的低碳氢将源自“化石燃料+CCUS”组合。
《中国碳中和技术发展路线图》提出，2035年后CCUS技术的作用将日趋凸显。根据《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2023）》的预测，到2060年，我国CCUS的减排需求将达到约23.5亿吨/年，约占当年总减排量的11%。钢铁、水泥、化工等高碳排放行业在生产效率提升和生产峰值到达后，仍需借助CCUS来进一步实现二氧化碳的减排。
CCUS技术发展之路上仍有诸多挑战，从单一工业减排场景向跨领域融合进化，同样是一条有效的路径：建筑碳封存技术，通过将生物炭等低价值废物加入混凝土或利用碳化骨料，有效捕获和封存二氧化碳，同时提高材料强度和耐久性；今年以来利用二氧化碳制航空煤油的试验屡获进展，不仅能直接替代传统燃油，无需改装发动机，还能减少高达80%的碳排放量……但技术成熟度和经济成本仍是我国CCUS行业发展的主要瓶颈。未来较长时间内，化学吸收法中新型溶剂的研发、膜分离法中高分子膜材料的突破、吸附法中金属有机框架材料的商用化等，仍是行业着力突破的主要方向。
