我國低碳技術發展背景現狀與趨勢

郭二果 李長青

摘? 要：碳達峰、碳中和是全球應對氣候變化的政治共識，技術減碳是落實雙碳目標的關鍵。本文從全球低碳戰略行動背景、我國雙碳行動與低碳技術研究應用、低碳技術在典型地區內蒙古的應用實踐等三個層面，對碳中和路徑與低碳技術發展現狀進行了綜述，并針對技術減碳面臨問題，提出低碳技術發展方向，為推進綠色低碳技術創新與應用提供總結性支撐。

關鍵詞：低碳技術? ? ?發展現狀? ? ?碳達峰碳中和

溫室氣體與氣候變化成為國際社會廣泛關注的焦點。自2010年以來，全球碳排放年均增長1.4%，化石能源使用產生的CO2占70%以上，能源發電與供熱、交通、制造與建筑業的碳排放分別占 43%、26%和17%。我國碳排放量約占全球的30%，來源于電力、建筑、工業生產、交通運輸、農牧業等領域。實現碳達峰、碳中和是推動生態文明建設和高質量發展的重大戰略決策，綠色低碳技術創新是落實雙碳目標的關鍵。本文對碳中和路徑與低碳技術發展現狀進行了綜述，提出存在問題與發展方向，為推進低碳技術創新與應用提供支撐。

一、全球碳中和戰略行動背景

1992年第一個應對氣候變化的里程碑文件《聯合國氣候變化框架公約》問世，1997年第一個限制溫室氣體排放的全球性制度《京都議定書》出臺，2015年第三個里程碑式國際法律《巴黎氣候變化協定》頒布，以及COP26、COP27等歷年聯合國氣候變化締約大會，均對全球氣候治理做出重大決策。全球綠色低碳轉型進入新階段，各國紛紛制定綠色低碳發展計劃，采取高標準排放要求、提升能效、制訂財經政策、增加低碳基礎設施投資、建設低碳文化等措施，采用碳足跡（法國）、情景分析方法（美國、加拿大）、模型預測以及長期趨勢的宏觀分析判斷（法國）等技術方法，設定碳減排目標、減排情景與低碳轉型路徑。至2020年底已有50多個國家實現碳達峰、100多個國家提出了碳中和承諾。

森林覆蓋率較高和能源需求較低的蘇里南、不丹等國家已宣布實現碳中和。芬蘭計劃在2035年實現碳中和。美國最新提出《清潔能源革命和環境正義計劃》，計劃實現100%的清潔能源經濟。英國、日本、墨西哥、歐盟、韓國、菲律賓、美國加州等國家和地區通過了應對氣候變化的專項法律。歐盟于2019年公布“歐洲綠色新政”，提出包括建筑翻新、可再生能源及氫能、清潔交通等的“綠色復蘇計劃草案”。英國2020年出臺“能源白皮書”。日本低碳戰略啟動較早，極其注重能源資源節約使用和回收利用的精細化管理，循環經濟和靜脈產業發展水平全球領先，1998年頒布《全球氣候變暖對策促進法》，2007年推行碳稅，2008年實施《實現低碳社會行動計劃》，2020年提出《綠色增長戰略》，設計了海上風電、氨燃料、氫能、核能和蓄電池等在內的14個重點領域的深度減排路線圖。

二、我國雙碳行動與低碳技術研究應用

（一）我國碳達峰、碳中和目標與策略

我國早在2005年提出節能減排，“十三五”時期將能源強度、碳強度列入考核指標，5年內碳排放強度下降了48%，非化石能源占能源消費比重15.9%，均超額完成了中國向國際社會承諾的2020年目標。提出“十四五”時期，非化石能源占一次能源的20%、電力占終端能源的31%、非化石電力裝機占50%且發電量大于40%的規劃目標。2020年國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和。制定實施《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》等“1+N”政策體系，確定了重點領域、重點行業的碳達峰、碳中和宏遠目標與路線。

（二）我國技術減碳研究熱點

1.化石能源碳減排技術研發

我國對能源生產和消費活動中化石能源低碳技術展開許多研究，在碳基分子轉變為化學品和新材料等方面進行了關鍵技術攻關，以推動化石能源向高值、高效和清潔低碳轉化?？萍疾恳劳兄攸c研究計劃，在煤炭清潔高效利用和節能、可再生能源與氫能、儲能與智能電網等技術方面計劃了許多研究。中國科學院完成了“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題”“低階煤清潔高效梯級利用關鍵技術與示范”等項目，啟動了“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”科技專項。

2.區域能源系統低碳路徑規劃

許多研究通過優化建模來規劃區域能源系統的碳中和發展路徑。陳志昊等將城市劃分為多個節點，使用εＧconstraint法對城市能源系統進行優化建模，應用于雄安新區的能源系統設計中。Li等借鑒 LoMLoG 模型，將電力、氫能、煤、石油和天然氣５種能源子系統整合，搭建了能源基礎設施規劃模型 CRESOM，探討了５種給定方案下我國能源系統發展路徑的差異。李忱息等綜合考慮多種能源供應、轉化、傳輸、儲存、消費技術可能性及相互替代性，建立了基于超結構建模方法的能源系統發展規劃模型，設計了華北某城市2021-2035年能源系統低碳發展路徑，15年內可累計減少CO21.5億t。

3.特定行業低碳技術減排潛力研究

邱玥等針對基礎設施發展動力不足制約氫能大規模發展的問題，探究混氫天然氣產業鏈關鍵技術在我國的潛力與應用前景。曹湘洪提出了煉油行業低碳技術，包括分子煉油、耦合過程強化、新催化材料低能耗煉油技術、廢棄高分子材料回收利用技術、數字化和智能化煉油節能技術，以及生物煉制、發展氫能、CO2捕集利用技術等。另有學者采用LEAP 模型等對有色金屬、鋼鐵等行業碳排放量和減排潛力開展評估。

4.區域碳達峰、碳中和技術路徑研究

全球層面上，2021年北京理工大學魏一鳴教授團隊發布《全球氣候治理策略及中國碳中和路徑》，評估了全球134個主要排放國應對氣候變化的可能效益，提出國際最優氣候治理策略及我國碳減排總體路徑、行業減排責任、重點技術規劃、重大項目布局，為我國引領和參與全球氣候治理提供明確的中國方案，后續又發表“中國碳達峰碳中和時間表與路線圖研究”成果。國家層面上，2020年發布中國長期低碳發展戰略與轉型路徑，2021年中國科學院組織上百名院士專家研究碳中和技術清單。省域層面上，云南省根據能源結構、碳排放現狀、林業碳匯等制定碳中和導向下的技術路線和行動方案：利用廢棄礦山、鹽穴、枯竭油氣藏等地下空間儲能；利用CO2合成CH4及礦井抽水蓄能技術，實現CO2資源化利用與能源大規模儲存；開展氫能制備、儲存、運輸、利用等一體化設備和技術的研發、推廣和標準化生產，預測該方案可封存CO230%，實現碳中和時間比不采用CCS技術提前8年。

5. CO2的封存利用研究

關于CO2的利用，在化學生產利用方面實施了許多開拓研究。2020年中國科學院李燦團隊成功運行千噸級液態太陽燃料合成示范項目，利用CO2加氫高選擇性合成甲醇的催化劑，開發了CO2加氫合成甲醇技術，目前該技術的推廣應用因合成反應的轉化率不高而受到限制；中國科學院孫予罕研發CO2和CH4干重整生產CO技術，萬噸級裝置的工業試驗成功。對于碳封存技術研究，近年來我國在碳封存區域調查評價、關鍵技術研究和工程示范等領域有了較快發展，將CO2作為石油開發驅替劑經濟性較好，十萬噸級工程技術已經成熟，但百萬噸級規?；刭|封存技術可行性和安全性還需示范驗證，計劃在鄂爾多斯盆地、新疆等重要能源化工基地開展區域封存潛力評價與靶區優選，在高碳排放源集中區部署專項地質調查，積極實施年百萬噸級咸水層CO2封存工程示范與關鍵技術研發。

（三）我國低碳技術方法的發布應用

我國連續發布了近30個行業500多項節能綠色低碳技術。2005年發布第一批《國家重點節能技術推廣目錄》，涉及9個行業共50項高效節能技術；2014年和2015年連續發布《國家重點推廣的低碳技術目錄》，分別涉及12個行業的29項、33項低碳技術；2018年發布《國家重點節能低碳技術推廣目錄》，節能部分涉及13個行業260項技術，低碳部分涵蓋5大領域27項低碳技術；2020年印發《綠色技術推廣目錄（2020年）》，涵蓋5大綠色產業發展的116項技術；2022年發布包含6類35項低碳技術的《國家重點推廣的低碳技術目錄（第四批）》。

目前應用較多的低碳技術有：高能耗與高排放領域采取的提高能效、節能材料、能源綜合利用、工藝流程改進等減碳技術；核能、太陽能、風能、綠氫、生物質能、地熱能等可再生能源開發利用的無碳技術；CO2捕集、封存和利用（CCUS），直接空氣捕獲（DAC），生態碳匯等負碳技術；智能能源管理、儲能、輸配等能源管理技術；災害預防、品種改良、設施農業、節能產品等適應技術；綠色低碳智慧的生活方式、節能產品使用等低碳消費技術。

三、我國低碳技術在內蒙古的應用

內蒙古是國家重要能源和戰略資源基地，煤炭、天然氣資源儲量居全國首位，來源于能源活動的碳排放約占90%，加上風能、太陽能資源條件優越，內蒙古低碳轉型潛力較大，開展了大量重點行業領域低碳技術研究應用的實踐探索。

工業領域成熟應用低溫低壓鋁電解、高溫高壓干熄焦、碳化法新型濕法冶金、高爐-轉爐長流程煉鋼、窯外分解新型干法水泥、輥壓機終粉磨等生產工藝技術，以及余熱余壓利用、設備變頻改造、過程精細化管理，可再生能源發電與儲能的零碳技術、CCUS負碳技術也在逐步應用。其中利用方面有CO2合成CO和氫氣、重整轉換技術制甲醇、CO2制芳烴等。代表性示范工程有標志著我國在CO2地質儲存工業化領域邁出關鍵步伐的神華集團鄂爾多斯市全國首個井深2500米煤制油10萬噸/年CCS示范項目、中國最大的槽式光熱發電示范項目烏拉特中旗導熱油槽式100兆瓦10小時儲能光熱發電項目、全球首套CO2制芳烴裝置內蒙古久泰集團萬噸級CO2制芳烴工業試驗項目、包頭市風光制氫一體化示范項目等。

電力行業余熱余能利用技術先進，鍋爐、汽輪機改造技術成熟，類型多樣，如高效環保煤粉鍋爐、高效利用超低熱值煤矸石的循環流化床鍋爐、回轉式空氣預熱器密封節能、低壓省煤器等技術；交通領域推廣新能源公交車、氫能燃料電池重卡汽車、電氣化替代及配套充電樁與加注站、子午線輪胎、潤滑油減磨劑、燃油清凈劑、照明節能、智能交通系統；建筑領域采取建筑朝向、遮陽、維護結構合理布置的被動式建筑節能、清潔采暖等主動式建筑節能、裝配式建筑和可再生能源應用等技術。農牧業使用日糧營養配比和添加劑改善減碳、畜禽糞便管理溫室氣體減排、設施農業CO2氣肥等技術。

四、我國技術減碳面臨的問題

我國技術減碳面臨關鍵技術基礎薄弱、重大戰略技術儲備不足、自主研發和創新能力較低、負碳技術應用體系尚不成熟、技術研發成果產業化不高以及“碳鎖定”效應問題。

（一）關鍵技術自主研發轉化能力不足

我國低碳技術的發展具有起步晚、發展快、涉及面廣的特點，由于材料、控制、系統集成等技術基礎薄弱，關鍵技術自主研發和創新能力不足，對氫能、生物質能、核能與新材料技術及其他重大核心技術的引進依賴性大。同時因缺乏共生技術支持，不利于低碳技術系統化發展，成果轉化為現實生產力水平較低。

（二）碳鎖定效應與負碳技術不成熟

高碳行業產業規模大、裝備技術更新成本高、技術替代動力小，“碳鎖定”效應明顯，一些傳統設備、技術短期內難以實現替代。負碳技術由于涉及新裝備研發、工藝安全和技術成熟等多方面原因，特別是受成本高的限制，多數CCS、CCUS等負碳技術目前仍處于試驗階段，大規模工業化應用尚不成熟。

（三）新能源發展不及預期樂觀

新能源雖然資源豐富，但空間分布不均，發電的間歇性、波動性較強，使用效率偏低，平均棄風、棄光率較高。發電側新能源儲能技術發展和靈活性調節電源配比不足、電網側高效平穩并網接入技術未能突破、跨區域輸送補償機制不完善、綠色溢價等使得新能源大規模并網運行受阻，加上大規模風電資源開發對草原等生態環境的長期影響不明晰，短時間內通過提升新能源比例大幅調整能源結構、降低化石能源占比面臨巨大困難。

五、我國低碳技術發展應用方向

（一）加快能源技術創新與應用

能源技術革新是實現雙碳戰略的重要基礎，要加速煤電清潔低碳高效轉型，推動風光電基地化規?；l展，深挖水電開發利用空間，穩步推動核電安全有序發展，促進氫能和儲能產業快速發展，加大氫能、生物反應能、核聚變等創新顛覆性技術研發應用。發展智能電網，通過縱向源、網、荷、儲協調規劃，橫向多能互補，發展多種類型的商業化儲能技術與調峰技術，調動物理儲能、化學電池儲能、火電調節、氫儲能、液體陽光及加氫站等各種靈活性資源，有效解決電網運行安全、電力電量平衡、可再生能源消納等問題。將目前以化石能源為主體的能源體系分階段逐步轉變為以可再生能源為主體、多能互補、高效利用、智能化管理的低碳能源體系。

（二）深化工業領域工藝再造與資源循環利用

對高能耗、高排放企業，通過工藝流程低碳再造實現能效提升是綠色發展的關鍵。發展原料、燃料替代和工藝革新技術，推動鋼鐵、水泥、有色、化石等行業生產工藝能效提升，強化資源能源循環利用和余熱回收，協同增效節能降碳減污。鋼鐵行業電弧爐取代高爐而成為煉鋼的主流技術，生產工藝由長流程改為短流程，以綠氫直接還原鐵使鋼鐵生產零碳化；冶金行業探索高爐富氫冶煉實現低碳氫冶金；水泥行業重點突破產能置換、高能效預熱分解、煅燒及冷卻技術、水泥窯協同處置技術；化工行業通過改造落后工藝、升級換熱裝置、推廣氫能替代、發展綠氫儲能和供能、回收低位熱能等措施提升行業能效水平。不易脫碳的工業環節，將碳捕集、利用等末端脫碳技術作為高碳行業的兜底技術。

（三）推進綠色低碳建筑建設

加快中空或Low-E 節能建筑玻璃、涂保一體化新保溫體系、輕質建筑材料等環保節能材料的發展應用，實現建筑、建材節能減碳。推進老舊建筑節能改造和新建綠色建筑。通過加大數字化、智能化應用，加快普及智能家居和電器，大力發展電氣化，加速建筑業脫碳。利用BIPV（Building Integrated PV）建設綠色建筑，推進建筑——光伏一體化。

（四）發展綠色低碳交通體系

加快運輸結構調整，推進公路大宗物資運輸轉向鐵路，提高公共交通出行和交通綠色出行分擔率。加快發展新能源汽車，加大充電樁、加氫站、加氣站等基礎設施建設，發展以電代油、以氫代油、生物航空燃料，促進交通設施與可再生能源融合發展。建設綜合智能交通體系，進一步提升交通領域數字化、智能化水平。

（五）深化農牧業減碳和生態碳匯

針對農牧業碳排放底數不清、監測困難及核算不詳等問題，要重視農牧業減碳技術的深入研究與碳減排測算評估，同時要注重非二氧化碳溫室氣體減排技術。在育種改良、農藥和化肥利用、高效種養、CO2氣肥利用等方面加強農業碳減排。畜牧業通過日糧營養配比、添加劑改善、畜禽糞便管理、養殖方式和過程管理等技術路徑實現溫室氣體減排。此外，堅持山水林田湖草沙一體化保護和系統治理，提升生態系統多樣性、穩定性、持續性，提升森林、草原、濕地及土壤系統生態碳匯能力。

（六）加大ICT技術在雙碳戰略中的應用力度

充分應用ICT技術（information and communications technology）和數字化解決方案助推實現雙碳目標。在能源生產領域，綜合應用ICT技術的智慧礦山、智慧石油、智慧光伏+儲能、能源大數據、氫能數字化平臺、風電大數據中心等形成綠色能源產業；在工業制造業，工業產品的設計、制造、包裝、運輸和回收等全生命周期，利用ICT技術推動行業向智慧綠色制造轉型；在交通運輸行業，采用智慧數字交通、智能導航、智慧物流、精準出行、數字化道路等，實現交通運輸低碳化。

（七）破解碳鎖定與CCUS技術應用難題

積極探索突破低成本碳捕集技術，降低投資與能耗水平，同時提高CO2轉化附加值。CO2捕集要研究低能耗、低成本捕集方法。溶劑吸收法要進行新溶劑的合成或傳統溶劑的改性，開發納微尺度傳質強化的吸收技術，優化解吸流程的工藝技術；吸附分離法要重點開發吸附容量大的新型吸附材料、吸附劑及配套吸附分離技術；膜分離的重點是膜材料的選擇、改性和高通量的膜制備和工程應用技術；探索電化學捕集等新技術。CO2儲存要集中開展大規模存儲的地質構造選擇、工程技術和地表安全性研究。CO2利用要開發大規模利用CO2的技術，重點是CO2高效加氫生產甲醇、CO2電催化制乙烯、CO2電化學或催化還原生產CO、CO2生物微藻法生產高蛋白飼料及生物油脂技術等。

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（作者單位：1.內蒙古自治區環境科學研究院；2.內蒙古自治區農牧業科學院）

責任編輯：張莉莉