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中国碳中和技术体系构建与分类!

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碳中和的路径是什么,如何发挥科技创新的支撑引领作用,正在成为当前学术界研究的热点??
碳中和技术体系需要覆盖全口径温室气体,兼顾供给侧和消费侧减排需求,发展零碳电力能源技术、零碳非电能源技术、燃料/原料与过程替代技术;发展非二温室气体削减技术,实现非二温室气体的深度减排;以净零排放目标倒推技术需求,注重脱碳/负碳技术,发展CCUS/碳汇与负排放技术;打破产业、行业、区域边界限制,统筹考虑技术应用需求,发展集成耦合与优化技术。
技术体系构建与技术分类不同,后者往往是通过设定标准将技术进行区分的过程,而前者是寻求为实现目标而进行的技术系统分类与技术优化组合的统一。我国碳中和技术体系该如何构建呢??
气候变化导致的全球性温度升高、海平面上升、极端气候事件频发,正在对人类生存和发展带来严峻挑战。政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021:自然科学基础》,以“毋庸置疑”这一史无前例的肯定语气,指出气候变化是由人类活动引起,而此前IPCC报告用的词汇是气候变化“可能”“很可能”“极有可能”由人类活动排放温室气体造成。为避免气候灾难,自上世纪90年代以来,国际社会一直在寻找公平合理地控制温室气体排放、解决气候变化问题的途径,并取得了重要进展。2015年国际社会围绕应对气候变化达成了《巴黎协定》,确立了全球在本世纪末将升温幅度控制在2℃并努力控制在1.5℃以内的目标,并提出在本世纪下半叶实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡,使碳中和目标逐渐进入各国政府的应对气候变化战略决策,目前全球已有包括中国在内的130多个国家提出了碳中和目标。
1背景
早在19世纪上半叶,科学家就已经关注到人类对气候变化的影响。1837年法国数学家和物理学家约瑟夫·傅里叶提出,人类社会的发展在地球的许多地区引起地表状态、水资源分布以及大气运动等方面的显著变化,这样的变化可能会对那些地区的气温产生影响;1896年瑞典科学家阿伦纽斯通过建立气候模型得出,大气中二氧化碳浓度增加一倍将导致地球气温升高5~6℃。20世纪以来,随着在大气、海洋、地质等不同领域的研究取得进展,人们对气候变化的认识逐渐深入。1938年英国工程师卡伦德提出,自1880年以来二氧化碳浓度增加导致地球以每年0.005℃的速度变暖;1979年召开的第一次世界气候大会上,与会科学家就大气中二氧化碳浓度增加将导致地球升温达成初步共识。随着1992年《联合国气候变化框架公约》(以下称《公约》)、1997年《京都议定书》、2007年“巴厘路线图”、2009年《哥本哈根协定》以及2015年《巴黎协定》等国际性公约和文件的出台,全球应对气候变化的步伐不断向前迈进。
2018年IPCC发布的《全球升温1.5℃特别报告》指出,要实现将全球气温升高控制在1.5℃摄氏度以内这一目标,需要到2050年将人为的温室气体净排放量降至零,也就是要达到“碳中和”。事实上,“碳中和”概念最早于1997年在欧洲出现,由来自英国伦敦的未来森林公司(FutureForests)首次提出,指家庭或个人以环保为目的,通过购买经过认证的碳信用来抵消自身的碳排放的行为,公司为这些用户提供植树造林等碳减排服务。
1999年一个名为“碳中和网络”的非营利组织在美国俄勒冈州创立,呼吁企业通过“碳中和”的方式促进可持续发展。英国在2002年建立了世界上第一个零碳社区——伦敦贝丁顿,成为碳中和地方示范的开创者。2003年美国影星莱昂纳多·迪卡普里奥专门在墨西哥植树,用于抵消他旅行等活动制造的二氧化碳排放,并宣称自己是美国第一个碳中和公民。2006年“碳中和”被评为《新牛津美语字典》当年年度词汇。目前,碳中和已经得到社会各界的广泛认可,全球已有130多个国家提出碳中和目标,包括欧盟、美国、日本、中国、巴西等主要经济体。
实现碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,科技创新发挥着不可替代的重要作用。近年来,主要发达国家和经济体都围绕碳中和出台了行动计划,对相关领域技术研发加快布局。例如,日本制定《绿色增长战略》,拟动员超过240万亿日元的资金投入相关领域技术创新和绿色产业发展;英国公布《绿色工业革命十点计划》,拟投入120亿英镑支持相关领域技术研发并期待创造25万个就业机会;美国发起“能源攻关计划”,拟通过技术创新大幅降低清洁能源生产、储运和使用成本,加速能源系统向绿色低碳转型;欧盟出台《欧洲绿色新政》,围绕能源、工业、建筑、交通、农业等各个领域科技发展需求进行系统部署,其根本战略目标是要重塑未来发展方式,引领全球绿色转型进程。未来,谁能在这场技术变革中占得先机,谁就能率先降低经济社会转型成本并增强产业全球竞争力,就能在发展模式的根本转变中赢得主动。
我国对气候变化问题一直高度重视。在《公约》谈判中发挥重要作用并积极维护发展中国家利益,1992年11月批准加入《公约》,1998年5月签署《京都议定书》。同时,立足自身国情采取了一系列应对气候变化的政策和措施,在减缓和适应气候变化方面起到了显著的作用。
在巴黎气候变化大会的筹备与召开过程中,中国与缔约国各方积极沟通互动,努力推动会前及会议期间谈判与磋商取得进展,特别是《中美气候变化联合声明》《中欧气候变化联合声明》对《巴黎协定》的达成发挥了重要作用。
2016年9月我国正式批准加入《巴黎协定》。2020年9月,习近平在第75届联合国大会上提出我国将“提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。当前,我国政府已经将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,成立了碳达峰碳中和工作领导小组,正在制定碳达峰碳中和时间表、路线图和一系列行动方案与落实举措。
2思路
科技创新在支撑我国碳中和目标实现进程中的作用十分关键,构建我国碳中和技术体系需要在跟踪调研国内外关于实现净零排放路径的相关研究基础上,从当前碳排放现状分析入手,紧密结合碳减排技术需求,综合考虑以下几个方面问题。
2.1从供给侧和消费侧的角度,分析我国碳排放的现状特征和技术需求趋势
2020年,我国温室气体年净排放总量约为126亿t二氧化碳当量,包括约136亿t的温室气体排放和约10亿t的碳汇。温室气体排放中二氧化碳排放约112亿t,其中包括约40亿t的电力能源活动碳排放、约59亿t的非电能源活动碳排放、约13亿t的工业过程碳排放;非二氧化碳温室气体(简称“非二温室气体”)排放约24亿t二氧化碳当量。当前我国温室气体排放总量大,能源活动、工业过程二氧化碳排放和非二温室气体排放的削减都面临巨大挑战,不仅需要供给侧的主动调整,而且需要消费侧的积极响应。对于二氧化碳减排,能源供给部门需要大力发展清洁电力与燃料,实现电力和非电能源供给结构零碳转型。非化石能源供给比重需要从2020年的约16%提升至2060年的80%,2060年电力占能源供给比重提升至70%~80%,氢能等零碳非电能源在能源供给的比重达到15%以上。能源消费部门需要变革能源利用形式,实现能源消费结构向电气化、低碳燃料的过渡;同时对工业过程进行原料替代和流程再造,大幅度削减生产过程中的碳排放。
2.2根据低碳、零碳、负碳技术不同特点,确定我国碳中和技术路径和发展方向
一是以低碳技术为基础。发展节能增效等低碳技术一直以来是我国应对气候变化的重要举措,在工业、建筑、交通等领域碳减排工作中取得了显著成效。在能源体系和结构实现全面转型、深度脱碳与负排放技术全面成熟前,应继续坚持节能减排和提质增效,充分发挥低碳技术的基础性作用。
二是以零碳技术为重点。碳中和要求整体经济社会活动实现源汇相抵、达到净零排放,而非国家自主贡献目标的相对量减排,仅依靠低碳技术不足以支撑碳中和目标的实现。因此,碳中和目标的提出对能实现深度减排的可再生能源发电和核电等零碳电力能源技术、氢能和氨能等零碳非电能源技术的需求明显增强,零碳技术将成为未来我国碳中和技术体系的重点部署方向。
三是以负碳技术为保障。在低碳和零碳技术全面应用情形下,据预测,到2060年在能源活动、工业过程和非二氧化碳温室气体排放等方面仍将有15亿t二氧化碳当量左右的碳排放无法实现减排。需要从现在开始,部署和发展负碳技术,做好碳中和目标实现的托底保障。
将碳捕集利用与封存(CCUS)、碳汇与负排放技术纳入碳中和技术体系的构建,用于抵消无法通过零碳电力能源技术和零碳非电能源技术、燃料/原料与过程替代技术、非二温室气体削减技术实现削减的碳排放。
2.3重视复杂性问题的系统解决方案,强化碳中和技术与体系的耦合优化与协同增效
碳中和目标的实现是一项系统性工程,涉及电力、工业、建筑、交通等领域的各种低碳、零碳和负碳技术,共同构成了一个多维的复杂系统。从系统目标来看,碳中和的科技支撑不仅仅是解决能源转型或温室气体减排问题,而且要兼顾能源资源安全和经济社会可持续发展等重大问题;从产业关系来看,碳中和不仅仅是单一领域或某一行业的深度减排问题,而是要从全产业链和跨产业的角度提供重点突破与协同减排的科技支撑;从技术应用来看,碳中和技术的应用推广需要考虑不同区域、行业和领域的不同应用场景,加强集成耦合与系统优化,实现“1+1>2”的协同效应。
3技术体系
根据上述思路提供的设计框架,碳中和技术体系需要覆盖全口径温室气体,兼顾供给侧和消费侧减排需求,发展零碳电力能源技术、零碳非电能源技术、燃料/原料与过程替代技术;发展非二温室气体削减技术,实现非二温室气体的深度减排;以净零排放目标倒推技术需求,注重脱碳/负碳技术,发展CCUS/碳汇与负排放技术;打破产业、行业、区域边界限制,统筹考虑技术应用需求,发展集成耦合与优化技术。技术体系构建与技术分类不同,后者往往是通过设定标准将技术进行区分的过程,而前者是寻求为实现目标而进行的技术系统分类与技术优化组合的统一。综上所述,我国碳中和技术体系的构建可以考虑以下几个方面:
(1)节能提效低碳技术。
降低能源消耗的碳排放强度,促进清洁能源发展。包括化石能源清洁高效利用、煤气化联合循环发电、超高参数超超临界发电技术等,以及工业、农业、建筑、交通等领域的节能减排与提质增效技术。
(2)零碳电力能源技术。
完成供给侧电力生产与输送的零碳化改造,推动实现电力系统转型,为终端用能电气化提供基础。包括可再生能源电力与核电技术、储能技术和输配电技术等。
(3)零碳非电能源技术。
主要用于解决电力密度不够、无法储存的问题,是电力能源的补充,与之共同形成零碳能源系统。包括氢能、零碳非氢燃料、供暖技术等。
(4)燃料原料替代技术。
解决燃料与原料替代工艺和流程问题,利用工艺过程的改进和技术变革提供低碳和零碳产品。包括燃料替代技术、原料替代技术、工业流程革新与再造技术、资源回收与循环利用技术等。
(5)非二温室气体削减技术。
对非二温室气体从源头、过程和末端进行处置,降低碳汇和负排放技术的负担,同时对非二温室气体进行再生利用。根据控制方法分为源头减量、过程控制、末端处置和综合利用技术。
(6)CCUS技术。
CCUS技术将生产过程中产生的二氧化碳进行捕集,封存于地质结构中,减少向大气的排放,其中部分还可作为“绿碳”成为未来相关生产流程的原料供给。根据工艺流程,可包括捕集技术、压缩与运输技术、地质利用与封存技术。
(7)负碳技术。
主要针对难以削减的碳排放量,分为碳汇和其他负碳技术。碳汇技术通过植树造林、植被恢复等措施,吸收大气中的二氧化碳。其他负碳技术通过直接空气捕集、增强矿物风化、人工光合作用等技术去除大气中的二氧化碳。
(8)集成耦合与优化技术。
通过强化技术之间的集成优化,使各类技术在特定场景下的组合实现最优减碳效果,加强碳中和目标与其他社会经济发展目标及可持续发展目标的协同。包括能源互联、产业协同、节能减污降碳、管理支撑技术。
4几个问题的讨论
从现在到2060年实现碳中和,留给我们的时间不足40年,在未来通往碳中和的道路上有许多值得探讨的话题,这些问题涉及经济增长、社会发展、产业升级、能源安全、体制机制等多个方面,对于我国碳中和技术体系的构建有重要的影响。这里对几个主要问题及其相互关系做一个简单的讨论。
4.1“双碳”目标与经济增长的关系
实现2030年碳达峰、2060年碳中和(以下简称“30∙60”双碳目标)与我国到2035年基本实现社会主义现代化、2050年建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国目标(以下简称“35∙50”经济发展目标)高度一致。
根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出的到2035年人均国内生产总值达到中等发达国家水平这一目标,我国经济总量大约需要较2020年翻一番,这意味着经济年均增速不低于5%,期间要实现碳排放高质量达峰和到2035年排放量稳中有降,需要碳强度年均降幅不低于5%。这两个5%是否会产生矛盾呢?事实上,“30∙60”的双碳目标与“35∙50”的经济增长目标是内在统一的。“双碳”目标本质是高质量发展,这一目标的实现既需要传统产业绿色转型升级,也需要新兴产业的培育,这一过程本身就是在促进经济增长和提质增效,碳中和技术体系的构建将为实现上述进程发挥重要的支撑引领作用。
4.2挑战与机遇的关系
全球对气候变化的影响已经达成共识,应对气候变化刻不容缓。2006年《斯特恩报告》在阐述气候变化造成的风险和挑战问题时提出,问题不在于我们是否负担得起采取行动的成本,而是我们是否承受得起不采取行动的后果。碳中和将导致整个能源体系和产业体系的颠覆性变革,挑战无疑是巨大的。尤其像我国这样一个仍处于工业化和城镇化较快发展阶段的国家来讲,要在10年内实现碳达峰,再用30年左右时间实现碳中和,需要付出艰苦的努力。然而,回顾历史,每一次大的变革同时也孕育着新的机遇。碳中和将带动世界各国在低碳技术竞争、产业协同发展以及就业等方面创造新的机会,带来经济社会发展与生态环境保护等多重效益。从长期看,碳中和对我国发展既是挑战更是机遇,只要我们及时制定和实施科学合理的政策措施,合理构建并及时部署支撑碳中和目标的技术体系,就能够在应对气候变化的行动中抢抓机会并赢得主动。
4.3化石能源与可再生能源的关系
随着光伏、风电等可再生能源技术的快速发展以及储能技术不断实现突破,化石能源在一次能源供应体系中的比重逐渐降低,清洁低碳的新能源供应体系将逐步形成。但是,能源是关系一个国家经济社会发展全局性战略性问题,对国家繁荣、人民生活改善、社会长治久安至关重要。受自然资源禀赋影响,许多国家和地区并不具备完全建立由可再生能源组成的能源系统的条件,从能源安全角度讲,完全摆脱对化石能源的依赖至少在目前的科学技术条件下并不现实。
4.4技术、政策与市场的关系
我国未来40年的碳中和之路,是能源体系和产业结构的变革之路,科技创新无疑将发挥不可替代的作用。在某些领域需要取得重大突破甚至出现颠覆性技术创新,从而为实现碳中和目标提供有力支撑。一些技术具有很大的潜力,如可控核聚变、人工光合作用、负排放技术、地球工程技术等,这些技术的突破将可以提供充足的绿色清洁能源,为减少大气中的温室气体发挥重要作用。
但这些技术的实现具有较大的不确定性,也不是现在就可以规划或设计出来的,需要基础研究的突破和技术研发的长期积累与创新环境的不断改善。同时,碳中和是一场经济社会系统性变革,在认识科技重要性的同时,也需要充分发挥政策制度、市场机制等作用。通过制定相应的法律法规和政策规定为实现碳减排目标提供有力的制度保障,通过绿色金融、碳税等政策措施为低碳技术创新和相应产业发展提供激励。通过充分发挥碳交易机制的作用,推动碳价进入生产决策,通过碳价信号引导企业加大低碳技术研发力度和应用步伐,从而加快碳减排进程。

日前国家标准化管理委员会、中央网信办、科技部、工业和信息化部、民政部 、生态环境部 、住房和城乡建设部 、农业农村部、 商务部 、应急部关于印发《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》的通知,通知指出十四五期间要围绕碳达峰、碳中和技术出台系列国家标准,涉及很多碳中和技术!


10月24日中共中央、国务院下发《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》,这是我国目前出台的最顶层碳达峰碳中和工作意见,关于碳达峰中和技术,提到:

开展低碳零碳负碳和储能新材料、新技术、新装备攻关。


低碳前沿技术:推进高效率太阳能电池、可再生能源制氢、可控核聚变、零碳工业流程再造等低碳前沿技术攻关。深入研究支撑风电、太阳能发电大规模友好并网的智能电网技术。加强电化学、压缩空气等新型储能技术攻关、示范和产业化应用。加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。推广园区能源梯级利用等节能低碳技术。推动气凝胶等新型材料研发应用。

推进规模化碳捕集利用与封存技术研发、示范和产业化应用。

日前教育部印发关于《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知,通知指出:
加快碳减排关键技术攻关,加快碳零排关键技术攻关,加快碳负排关键技术攻关。
那低碳、零碳以及负碳技术具体是什么呢?
根据教育部的文件:
碳减排关键技术(低碳):围绕化石能源绿色开发、低碳利用、减污降碳等开展技术创新,重点加强多能互补耦合、低碳建筑材料、低碳工业原料、低含氟原料等源头减排关键技术开发;加强全产业链/跨产业低碳技术集成耦合、低碳工业流程再造、重点领域效率提升等过程减排关键技术开发;加强减污降碳协同、协同治理与生态循环、二氧化碳捕集/运输/封存以及非二氧化碳温室气体减排等末端减排关键技术开发。
碳零排关键技术(零碳):开发新型太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、核能等零碳电力技术以及机械能、热化学、电化学等储能技术,加强高比例可再生能源并网、特高压输电、新型直流配电、分布式能源等先进能源互联网技术研究。开发可再生能源/资源制氢、储氢、运氢和用氢技术以及低品位余热利用等零碳非电能源技术。开发生物质利用、氨能利用、废弃物循环利用、非含氟气体利用、能量回收利用等零碳原料/燃料替代技术。开发钢铁、化工、建材、石化、有色等重点行业的零碳工业流程再造技术。
碳负排关键技术(负碳)。加强二氧化碳地质利用、二氧化碳高效转化燃料化学品、直接空气二氧化碳捕集、生物炭土壤改良等碳负排技术创新;研究碳负排技术与减缓和适应气候变化之间的协同关系,引领构建生态安全的负排放技术体系;攻关固碳技术核心难点,加强森林、草原、湿地、海洋、土壤、冻土的固碳技术升级,提升生态系统碳汇。
就中国国情而言,电力、钢铁、建筑等行业已成为高耗能和高排放的重点领域,这些行业如何发展低碳技术?

我国高耗能、高排放行业总体可划分为三大领域。


一是电力行业领域,目前我国每发一度电要排放二氧化碳0.8—0.9公斤,如果每度电的耗煤量降低1克,全国每年就可减排二氧化碳750万吨。因此,应集中精力加快技术改造,推进火电减排,实施“绿色煤电”计划。这将主要依靠开发煤清洁转化高效利用技术和提高燃煤发电效率实现,其中提高燃煤发电效率能实现15%的减排。目前具有发展前途的高效、洁净的煤发电技术,主要涉及整体煤气化联合循环(IGCC )、循环流化床燃烧(CFBC)等技术。


二是材料和制造领域,主要集中于两大方面:一为金属材料制造。2010年我国粗钢产量将达到6.6亿吨,钢铁工业能源消耗占全国工业总能耗的1/4,每生产1吨钢,采用高炉工艺将排放2吨二氧化碳,电炉工艺排放1吨二氧化碳。钢铁工业必须将控制总量、淘汰落后和技术改造结合起来,推动节能减排。二为高分子材料,2009年,我国生产塑料达4000万吨,如果以石油路线制备的高分子材料为例,有估算每生产1吨塑料,需消耗2-5吨原油,排放二氧化碳4-8吨。因此,一方面要大力发展新型稳定化技术,提高材料服役寿命,从而节省石化资源,降低温室气体排放量。另一方面可通过应用生物基及生物降解塑料技术,直接以可再生资源替代石化资源,同时加快发展高效的回收利用新技术。如果从原料到回收处理形成产业链,以年产1000万吨生物基材料为例,单位产品就可减少二氧化碳排放40%以上。


三是建筑领域,目前城市碳排放的60%来源于建筑维持功能本身,构建绿色建筑技术体系、发展低碳建筑极其重要,其关键是建筑规划设计、建造、使用、运行、维护、拆除和重新利用全过程的低碳控制优化。如在建造环节,可利用屋顶光伏发电技术,实现自然光和灯光照明有效整合,可通过建造无动力屋顶通风设备,调节风流风速并带动风机发电;在使用环节,可通过种植屋顶花草建造“绿色屋顶”,不仅可达到降温效果节省空调电力,还能吸收大气污染物;在拆除环节,可通过有效回收利用建筑废弃物,防止发生二次污染。


根据中国建筑节能协会发布《中国建筑能耗研究报告(2020)》。《研究报告》对建筑全过程能耗和碳排放的测算方法、数据分析以及碳中和目标下建筑碳排放情景进行了介绍。

《研究报告》显示,2005-2018年期间建筑全过程能耗比重呈现上升趋势,碳排放比重呈现下降趋势。2000-2018年全国能耗重心南移0.9度(纬度),碳排放重心南移1.1度(纬度),移动趋势较为明显。


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