我国低碳技术发展背景现状与趋势

郭二果 李长青

摘  要：碳达峰、碳中和是全球应对气候变化的政治共识，技术减碳是落实双碳目标的关键。本文从全球低碳战略行动背景、我国双碳行动与低碳技术研究应用、低碳技术在典型地区内蒙古的应用实践等三个层面，对碳中和路径与低碳技术发展现状进行了综述，并针对技术减碳面临问题，提出低碳技术发展方向，为推进绿色低碳技术创新与应用提供总结性支撑。

关键词：低碳技术     发展现状     碳达峰碳中和

温室气体与气候变化成为国际社会广泛关注的焦点。自2010年以来，全球碳排放年均增长1.4%，化石能源使用产生的CO2占70%以上，能源发电与供热、交通、制造与建筑业的碳排放分别占 43%、26%和17%。我国碳排放量约占全球的30%，來源于电力、建筑、工业生产、交通运输、农牧业等领域。实现碳达峰、碳中和是推动生态文明建设和高质量发展的重大战略决策，绿色低碳技术创新是落实双碳目标的关键。本文对碳中和路径与低碳技术发展现状进行了综述，提出存在问题与发展方向，为推进低碳技术创新与应用提供支撑。

一、全球碳中和战略行动背景

1992年第一个应对气候变化的里程碑文件《联合国气候变化框架公约》问世，1997年第一个限制温室气体排放的全球性制度《京都议定书》出台，2015年第三个里程碑式国际法律《巴黎气候变化协定》颁布，以及COP26、COP27等历年联合国气候变化缔约大会，均对全球气候治理做出重大决策。全球绿色低碳转型进入新阶段，各国纷纷制定绿色低碳发展计划，采取高标准排放要求、提升能效、制订财经政策、增加低碳基础设施投资、建设低碳文化等措施，采用碳足迹（法国）、情景分析方法（美国、加拿大）、模型预测以及长期趋势的宏观分析判断（法国）等技术方法，设定碳减排目标、减排情景与低碳转型路径。至2020年底已有50多个国家实现碳达峰、100多个国家提出了碳中和承诺。

森林覆盖率较高和能源需求较低的苏里南、不丹等国家已宣布实现碳中和。芬兰计划在2035年实现碳中和。美国最新提出《清洁能源革命和环境正义计划》，计划实现100%的清洁能源经济。英国、日本、墨西哥、欧盟、韩国、菲律宾、美国加州等国家和地区通过了应对气候变化的专项法律。欧盟于2019年公布“欧洲绿色新政”，提出包括建筑翻新、可再生能源及氢能、清洁交通等的“绿色复苏计划草案”。英国2020年出台“能源白皮书”。日本低碳战略启动较早，极其注重能源资源节约使用和回收利用的精细化管理，循环经济和静脉产业发展水平全球领先，1998年颁布《全球气候变暖对策促进法》，2007年推行碳税，2008年实施《实现低碳社会行动计划》，2020年提出《绿色增长战略》，设计了海上风电、氨燃料、氢能、核能和蓄电池等在内的14个重点领域的深度减排路线图。

二、我国双碳行动与低碳技术研究应用

（一）我国碳达峰、碳中和目标与策略

我国早在2005年提出节能减排，“十三五”时期将能源强度、碳强度列入考核指标，5年内碳排放强度下降了48%，非化石能源占能源消费比重15.9%，均超额完成了中国向国际社会承诺的2020年目标。提出“十四五”时期，非化石能源占一次能源的20%、电力占终端能源的31%、非化石电力装机占50%且发电量大于40%的规划目标。2020年国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，CO2排放力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。制定实施《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》《2030年前碳达峰行动方案》等“1+N”政策体系，确定了重点领域、重点行业的碳达峰、碳中和宏远目标与路线。

（二）我国技术减碳研究热点

1.化石能源碳减排技术研发

我国对能源生产和消费活动中化石能源低碳技术展开许多研究，在碳基分子转变为化学品和新材料等方面进行了关键技术攻关，以推动化石能源向高值、高效和清洁低碳转化。科技部依托重点研究计划，在煤炭清洁高效利用和节能、可再生能源与氢能、储能与智能电网等技术方面计划了许多研究。中国科学院完成了“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”等项目，启动了“变革性洁净能源关键技术与示范”科技专项。

2.区域能源系统低碳路径规划

许多研究通过优化建模来规划区域能源系统的碳中和发展路径。陈志昊等将城市划分为多个节点，使用εＧconstraint法对城市能源系统进行优化建模，应用于雄安新区的能源系统设计中。Li等借鉴 LoMLoG 模型，将电力、氢能、煤、石油和天然气５种能源子系统整合，搭建了能源基础设施规划模型 CRESOM，探讨了５种给定方案下我国能源系统发展路径的差异。李忱息等综合考虑多种能源供应、转化、传输、储存、消费技术可能性及相互替代性，建立了基于超结构建模方法的能源系统发展规划模型，设计了华北某城市2021-2035年能源系统低碳发展路径，15年内可累计减少CO21.5亿t。

3.特定行业低碳技术减排潜力研究

邱玥等针对基础设施发展动力不足制约氢能大规模发展的问题，探究混氢天然气产业链关键技术在我国的潜力与应用前景。曹湘洪提出了炼油行业低碳技术，包括分子炼油、耦合过程强化、新催化材料低能耗炼油技术、废弃高分子材料回收利用技术、数字化和智能化炼油节能技术，以及生物炼制、发展氢能、CO2捕集利用技术等。另有学者采用LEAP 模型等对有色金属、钢铁等行业碳排放量和减排潜力开展评估。

4.区域碳达峰、碳中和技术路径研究

全球层面上，2021年北京理工大学魏一鸣教授团队发布《全球气候治理策略及中国碳中和路径》，评估了全球134个主要排放国应对气候变化的可能效益，提出国际最优气候治理策略及我国碳减排总体路径、行业减排责任、重点技术规划、重大项目布局，为我国引领和参与全球气候治理提供明确的中国方案，后续又发表“中国碳达峰碳中和时间表与路线图研究”成果。国家层面上，2020年发布中国长期低碳发展战略与转型路径，2021年中国科学院组织上百名院士专家研究碳中和技术清单。省域层面上，云南省根据能源结构、碳排放现状、林业碳汇等制定碳中和导向下的技术路线和行动方案：利用废弃矿山、盐穴、枯竭油气藏等地下空间储能；利用CO2合成CH4及矿井抽水蓄能技术，实现CO2资源化利用与能源大规模储存；开展氢能制备、储存、运输、利用等一体化设备和技术的研发、推广和标准化生产，预测该方案可封存CO230%，实现碳中和时间比不采用CCS技术提前8年。

5. CO2的封存利用研究

关于CO2的利用，在化学生产利用方面实施了许多开拓研究。2020年中国科学院李灿团队成功运行千吨级液态太阳燃料合成示范项目，利用CO2加氢高选择性合成甲醇的催化剂，开发了CO2加氢合成甲醇技术，目前该技术的推广应用因合成反应的转化率不高而受到限制；中国科学院孙予罕研发CO2和CH4干重整生产CO技术，万吨级装置的工业试验成功。对于碳封存技术研究，近年来我国在碳封存区域调查评价、关键技术研究和工程示范等领域有了较快发展，将CO2作为石油开发驱替剂经济性较好，十万吨级工程技术已经成熟，但百万吨级规模化地质封存技术可行性和安全性还需示范验证，计划在鄂尔多斯盆地、新疆等重要能源化工基地开展区域封存潜力评价与靶区优选，在高碳排放源集中區部署专项地质调查，积极实施年百万吨级咸水层CO2封存工程示范与关键技术研发。

（三）我国低碳技术方法的发布应用

我国连续发布了近30个行业500多项节能绿色低碳技术。2005年发布第一批《国家重点节能技术推广目录》，涉及9个行业共50项高效节能技术；2014年和2015年连续发布《国家重点推广的低碳技术目录》，分别涉及12个行业的29项、33项低碳技术；2018年发布《国家重点节能低碳技术推广目录》，节能部分涉及13个行业260项技术，低碳部分涵盖5大领域27项低碳技术；2020年印发《绿色技术推广目录（2020年）》，涵盖5大绿色产业发展的116项技术；2022年发布包含6类35项低碳技术的《国家重点推广的低碳技术目录（第四批）》。

目前应用较多的低碳技术有：高能耗与高排放领域采取的提高能效、节能材料、能源综合利用、工艺流程改进等减碳技术；核能、太阳能、风能、绿氢、生物质能、地热能等可再生能源开发利用的无碳技术；CO2捕集、封存和利用（CCUS），直接空气捕获（DAC），生态碳汇等负碳技术；智能能源管理、储能、输配等能源管理技术；灾害预防、品种改良、设施农业、节能产品等适应技术；绿色低碳智慧的生活方式、节能产品使用等低碳消费技术。

三、我国低碳技术在内蒙古的应用

内蒙古是国家重要能源和战略资源基地，煤炭、天然气资源储量居全国首位，来源于能源活动的碳排放约占90%，加上风能、太阳能资源条件优越，内蒙古低碳转型潜力较大，开展了大量重点行业领域低碳技术研究应用的实践探索。

工业领域成熟应用低温低压铝电解、高温高压干熄焦、碳化法新型湿法冶金、高炉-转炉长流程炼钢、窑外分解新型干法水泥、辊压机终粉磨等生产工艺技术，以及余热余压利用、设备变频改造、过程精细化管理，可再生能源发电与储能的零碳技术、CCUS负碳技术也在逐步应用。其中利用方面有CO2合成CO和氢气、重整转换技术制甲醇、CO2制芳烃等。代表性示范工程有标志着我国在CO2地质储存工业化领域迈出关键步伐的神华集团鄂尔多斯市全国首个井深2500米煤制油10万吨/年CCS示范项目、中国最大的槽式光热发电示范项目乌拉特中旗导热油槽式100兆瓦10小时储能光热发电项目、全球首套CO2制芳烃装置内蒙古久泰集团万吨级CO2制芳烃工业试验项目、包头市风光制氢一体化示范项目等。

电力行业余热余能利用技术先进，锅炉、汽轮机改造技术成熟，类型多样，如高效环保煤粉锅炉、高效利用超低热值煤矸石的循环流化床锅炉、回转式空气预热器密封节能、低压省煤器等技术；交通领域推广新能源公交车、氢能燃料电池重卡汽车、电气化替代及配套充电桩与加注站、子午线轮胎、润滑油减磨剂、燃油清净剂、照明节能、智能交通系统；建筑领域采取建筑朝向、遮阳、维护结构合理布置的被动式建筑节能、清洁采暖等主动式建筑节能、装配式建筑和可再生能源应用等技术。农牧业使用日粮营养配比和添加剂改善减碳、畜禽粪便管理温室气体减排、设施农业CO2气肥等技术。

四、我国技术减碳面临的问题

我国技术减碳面临关键技术基础薄弱、重大战略技术储备不足、自主研发和创新能力较低、负碳技术应用体系尚不成熟、技术研发成果产业化不高以及“碳锁定”效应问题。

（一）关键技术自主研发转化能力不足

我国低碳技术的发展具有起步晚、发展快、涉及面广的特点，由于材料、控制、系统集成等技术基础薄弱，关键技术自主研发和创新能力不足，对氢能、生物质能、核能与新材料技术及其他重大核心技术的引进依赖性大。同时因缺乏共生技术支持，不利于低碳技术系统化发展，成果转化为现实生产力水平较低。

（二）碳锁定效应与负碳技术不成熟

高碳行业产业规模大、装备技术更新成本高、技术替代动力小，“碳锁定”效应明显，一些传统设备、技术短期内难以实现替代。负碳技术由于涉及新装备研发、工艺安全和技术成熟等多方面原因，特别是受成本高的限制，多数CCS、CCUS等负碳技术目前仍处于试验阶段，大规模工业化应用尚不成熟。

（三）新能源发展不及预期乐观

新能源虽然资源丰富，但空间分布不均，发电的间歇性、波动性较强，使用效率偏低，平均弃风、弃光率较高。发电侧新能源储能技术发展和灵活性调节电源配比不足、电网侧高效平稳并网接入技术未能突破、跨区域输送补偿机制不完善、绿色溢价等使得新能源大规模并网运行受阻，加上大规模风电资源开发对草原等生态环境的长期影响不明晰，短时间内通过提升新能源比例大幅调整能源结构、降低化石能源占比面临巨大困难。

五、我国低碳技术发展应用方向

（一）加快能源技术创新与应用

能源技术革新是实现双碳战略的重要基础，要加速煤电清洁低碳高效转型，推动风光电基地化规模化发展，深挖水电开发利用空间，稳步推动核电安全有序发展，促进氢能和储能产业快速发展，加大氢能、生物反应能、核聚变等创新颠覆性技术研发应用。发展智能电网，通过纵向源、网、荷、储协调规划，横向多能互补，发展多种类型的商业化储能技术与调峰技术，调动物理储能、化学电池储能、火电调节、氢储能、液体阳光及加氢站等各种灵活性资源，有效解决电网运行安全、电力电量平衡、可再生能源消纳等问题。将目前以化石能源为主体的能源体系分阶段逐步转变为以可再生能源为主体、多能互补、高效利用、智能化管理的低碳能源体系。

（二）深化工业领域工艺再造与资源循环利用

对高能耗、高排放企业，通过工艺流程低碳再造实现能效提升是绿色发展的关键。发展原料、燃料替代和工艺革新技术，推动钢铁、水泥、有色、化石等行业生产工艺能效提升，强化资源能源循环利用和余热回收，协同增效节能降碳减污。钢铁行业电弧炉取代高炉而成为炼钢的主流技术，生产工艺由长流程改为短流程，以绿氢直接还原铁使钢铁生产零碳化；冶金行业探索高炉富氢冶炼实现低碳氢冶金；水泥行业重点突破产能置换、高能效预热分解、煅烧及冷却技术、水泥窑协同处置技术；化工行业通过改造落后工艺、升级换热装置、推广氢能替代、发展绿氢储能和供能、回收低位热能等措施提升行业能效水平。不易脱碳的工业环节，将碳捕集、利用等末端脱碳技术作为高碳行业的兜底技术。

（三）推进绿色低碳建筑建设

加快中空或Low-E 节能建筑玻璃、涂保一体化新保温体系、轻质建筑材料等环保节能材料的发展应用，实现建筑、建材节能减碳。推进老旧建筑节能改造和新建绿色建筑。通过加大数字化、智能化应用，加快普及智能家居和电器，大力发展电气化，加速建筑业脱碳。利用BIPV（Building Integrated PV）建设绿色建筑，推进建筑——光伏一体化。

（四）发展绿色低碳交通体系

加快运输结构调整，推进公路大宗物资运输转向铁路，提高公共交通出行和交通绿色出行分担率。加快发展新能源汽车，加大充电桩、加氢站、加气站等基础设施建设，发展以电代油、以氢代油、生物航空燃料，促进交通设施与可再生能源融合发展。建设综合智能交通体系，进一步提升交通领域数字化、智能化水平。

（五）深化农牧业减碳和生态碳汇

针对农牧业碳排放底数不清、监测困难及核算不详等问题，要重视农牧业减碳技术的深入研究与碳减排测算评估，同时要注重非二氧化碳温室气体减排技术。在育种改良、农药和化肥利用、高效种养、CO2气肥利用等方面加強农业碳减排。畜牧业通过日粮营养配比、添加剂改善、畜禽粪便管理、养殖方式和过程管理等技术路径实现温室气体减排。此外，坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，提升生态系统多样性、稳定性、持续性，提升森林、草原、湿地及土壤系统生态碳汇能力。

（六）加大ICT技术在双碳战略中的应用力度

充分应用ICT技术（information and communications technology）和数字化解决方案助推实现双碳目标。在能源生产领域，综合应用ICT技术的智慧矿山、智慧石油、智慧光伏+储能、能源大数据、氢能数字化平台、风电大数据中心等形成绿色能源产业；在工业制造业，工业产品的设计、制造、包装、运输和回收等全生命周期，利用ICT技术推动行业向智慧绿色制造转型；在交通运输行业，采用智慧数字交通、智能导航、智慧物流、精准出行、数字化道路等，实现交通运输低碳化。

（七）破解碳锁定与CCUS技术应用难题

积极探索突破低成本碳捕集技术，降低投资与能耗水平，同时提高CO2转化附加值。CO2捕集要研究低能耗、低成本捕集方法。溶剂吸收法要进行新溶剂的合成或传统溶剂的改性，开发纳微尺度传质强化的吸收技术，优化解吸流程的工艺技术；吸附分离法要重点开发吸附容量大的新型吸附材料、吸附剂及配套吸附分离技术；膜分离的重点是膜材料的选择、改性和高通量的膜制备和工程应用技术；探索电化学捕集等新技术。CO2储存要集中开展大规模存储的地质构造选择、工程技术和地表安全性研究。CO2利用要开发大规模利用CO2的技术，重点是CO2高效加氢生产甲醇、CO2电催化制乙烯、CO2电化学或催化还原生产CO、CO2生物微藻法生产高蛋白饲料及生物油脂技术等。

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（作者单位：1.内蒙古自治区环境科学研究院；2.内蒙古自治区农牧业科学院）

责任编辑：张莉莉