氣候變化是全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）測(cè)算，若實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》1.5℃控溫目標(biāo)，全球必須在2050年達(dá)到二氧化碳凈零排放（又稱“碳中和”），即每年二氧化碳排放量等于其通過(guò)植樹等方式減排的抵消量。碳中和是應(yīng)對(duì)全球氣候危機(jī)的重要手段。目前，全球已有137個(gè)國(guó)家以政策宣示或立法等不同方式提出碳中和目標(biāo)，其中大部分國(guó)家或區(qū)域計(jì)劃在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，如歐盟、美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本、新西蘭、南非等。少部分國(guó)家，如德國(guó)將碳中和目標(biāo)提前到2045年。

科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳中和的核心驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)和依靠綠色技術(shù)創(chuàng)新作為共同的戰(zhàn)略選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)已成為主要發(fā)達(dá)國(guó)家的共識(shí)。2020年以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)制定面向碳中和的科技戰(zhàn)略與計(jì)劃，加快布局綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新。例如：美國(guó)發(fā)布《清潔能源革命與環(huán)境正義計(jì)劃》《變革性清潔能源解決方案》；英國(guó)以《綠色工業(yè)革命的十點(diǎn)計(jì)劃》為基礎(chǔ)推出《凈零創(chuàng)新組合計(jì)劃》；日本政府陸續(xù)頒布《革新環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》《2050碳中和綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》等。主要發(fā)達(dá)國(guó)家以“減排”和“增匯”為2條主線，聚焦“零碳能源體系構(gòu)建”“低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型”和“生態(tài)固碳增匯/碳捕獲、利用與封存（CCUS）”3個(gè)維度。本文系統(tǒng)解讀國(guó)際碳中和行動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出對(duì)我國(guó)碳中和技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略和計(jì)劃制定的啟示與建議。

零碳能源關(guān)鍵技術(shù)體系

零碳能源關(guān)鍵技術(shù)體系涉及傳統(tǒng)化石能源系統(tǒng)低排放轉(zhuǎn)型、新能源大規(guī)模使用和廣泛部署等。重點(diǎn)包括碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化、先進(jìn)高效低排放燃燒發(fā)電等關(guān)鍵減排技術(shù)，以及氫、太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源利用技術(shù)。

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的低碳排放轉(zhuǎn)型是當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)緊迫任務(wù)

（1）催化過(guò)程和工藝革命性創(chuàng)新推進(jìn)碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化。針對(duì)化石能源最本質(zhì)的碳資源清潔高效轉(zhuǎn)化利用問題，前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：碳基能源催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)途徑、催化劑及工藝開發(fā)、復(fù)雜催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的集成耦合與匹配，以及轉(zhuǎn)化過(guò)程多點(diǎn)源復(fù)雜污染物控制等。目前，碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化已經(jīng)探索出一些新的路線，部分已實(shí)現(xiàn)工程示范。預(yù)計(jì)未來(lái)10—20年煤炭分級(jí)分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、二氧化碳催化轉(zhuǎn)化技術(shù)將得到優(yōu)先發(fā)展。

（2）新型熱力循環(huán)與高效熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)清潔燃燒與高效發(fā)電。先進(jìn)高效低排放燃燒發(fā)電技術(shù)能夠有效減少化石能源作為燃料利用的碳排放，前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：靈活多源智能發(fā)電系統(tǒng)集成與協(xié)調(diào)控制、超高參數(shù)燃煤發(fā)電高效熱功轉(zhuǎn)換機(jī)制、新型工質(zhì)熱力循環(huán)與高效熱功轉(zhuǎn)換創(chuàng)新技術(shù)，以及多污染物協(xié)同控制等。未來(lái)持續(xù)朝著高效、節(jié)能、節(jié)水和低排放/零排放方向發(fā)展。預(yù)計(jì)到2030年，燃煤發(fā)電超低排放等先進(jìn)技術(shù)得到全面推廣，將有望使燃煤發(fā)電實(shí)現(xiàn)近零排放，從而顯著降低煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境影響。

新一代能源體系的重構(gòu)建設(shè)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心工作

以可再生能源、先進(jìn)核能、氫能、儲(chǔ)能技術(shù)為代表的碳零排關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵抓手，是建設(shè)低碳綠色能源體系、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心工作。

（1）高比例可再生能源系統(tǒng)被廣泛認(rèn)為是引領(lǐng)全球能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型的主體。構(gòu)建高比例可再生能源系統(tǒng)，需要突破可再生能源高效、低成本、規(guī)?；_發(fā)利用的系列關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)問題，主要包括：先進(jìn)可再生能源、靈活友好并網(wǎng)、新一代電力系統(tǒng)、多能互補(bǔ)與供需互動(dòng)等關(guān)鍵核心技術(shù)。未來(lái)可再生能源利用將朝著多能互補(bǔ)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)與綜合利用方向發(fā)展。可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重日益增加，預(yù)計(jì)到2025年可再生能源將成為世界第一大電力來(lái)源，到2050年占到發(fā)電量的近90%、能源供應(yīng)總量的2/3。其中，重點(diǎn)科技研發(fā)方向包括：以高效低成本光伏發(fā)電、人工光合系統(tǒng)制燃料與化學(xué)品為代表的新興技術(shù)；大型風(fēng)電機(jī)組及部件關(guān)鍵技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)、大型風(fēng)電機(jī)組測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)，以及海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)及開發(fā)成套關(guān)鍵技術(shù)等；高品位生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物質(zhì)能清潔制備與高效利用技術(shù)、能源植物基因重組育種、生物油精制原理、生物學(xué)系統(tǒng)氫能轉(zhuǎn)換原理等。

（2）先進(jìn)裂變堆研發(fā)及聚變堆實(shí)驗(yàn)突破推進(jìn)核能邁向安全高效可持續(xù)發(fā)展道路。先進(jìn)核裂變能前沿?zé)狳c(diǎn)方向主要集中在開發(fā)固有安全特性的第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)、燃料循環(huán)利用及廢料嬗變堆技術(shù)。可控核聚變前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向則主要聚焦等離子體理論研究、耐受強(qiáng)中子輻射和高熱負(fù)荷材料開發(fā)和示范堆概念設(shè)計(jì)方面等主題研究。預(yù)計(jì)2030年前后，部分成熟的四代堆（如鈉冷快堆）將走向市場(chǎng)，之后逐漸擴(kuò)大規(guī)模。磁約束可控核聚變預(yù)計(jì)2030年左右完成實(shí)驗(yàn)堆的建設(shè)和滿功率運(yùn)行，2050年左右示范堆的工程設(shè)計(jì)及商業(yè)堆的預(yù)研和評(píng)估工作有望開展。

（3）氫能是未來(lái)碳中和社會(huì)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)。前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：可再生能源電解制氫等綠色制氫技術(shù)，更高效、易運(yùn)輸儲(chǔ)氫技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以及基于氫能的新型復(fù)合系統(tǒng)概念研究及驗(yàn)證等。目前，可再生能源電解水制氫尚處于示范階段，太陽(yáng)能光解水制氫等前沿技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段；預(yù)計(jì)到2030年可再生能源電解水制氫技術(shù)將大規(guī)模部署，具備與藍(lán)氫（配備碳捕集的化石燃料制氫）成本相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)氫能應(yīng)用逐漸向靈活、高效的多能融合場(chǎng)景發(fā)展。

（4）下一代新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)正處在一個(gè)重要突破關(guān)口。前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：開發(fā)全固態(tài)鋰電池、金屬-空氣電池、新概念化學(xué)電池等潛在顛覆性技術(shù)；重點(diǎn)開展充放電循環(huán)反應(yīng)機(jī)理研究、中間產(chǎn)物認(rèn)知、界面優(yōu)化、新概念電池材料體系開發(fā)。未來(lái)電池儲(chǔ)能研究繼續(xù)向高能量密度、高比功率、快速響應(yīng)、高安全性、長(zhǎng)壽命電池材料發(fā)展。預(yù)計(jì)到2025年前動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)400 Wh/kg，2030年達(dá)到500 Wh/kg，并加速開發(fā)下一代鋰離子動(dòng)力電池和新體系動(dòng)力電池。最終實(shí)現(xiàn)在21世紀(jì)中葉前廣泛應(yīng)用長(zhǎng)壽命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。

（5）多能融合能源系統(tǒng)是各國(guó)低碳轉(zhuǎn)型新的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。前沿?zé)狳c(diǎn)方向是解決能源的綜合互補(bǔ)利用、多能系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，運(yùn)行管理、能源系統(tǒng)智慧化等重大科技問題，以及開發(fā)多能互補(bǔ)系統(tǒng)變革性技術(shù)等。構(gòu)建多能融合綜合能源系統(tǒng)是能源發(fā)展大勢(shì)所趨，攻克能源生產(chǎn)、輸配、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)的多能耦合和優(yōu)化互補(bǔ)核心技術(shù)，發(fā)展變革性智能化綠色過(guò)程技術(shù)體系，支撐高碳行業(yè)流程再造，解決能源轉(zhuǎn)化和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的高能耗高排放難題，保障能源利用與生態(tài)文明同步協(xié)調(diào)發(fā)展。

低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)體系

工業(yè)、交通等高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重中之重，減排路徑包括源頭減排、革新技術(shù)和工藝流程再造、行業(yè)綠色低碳材料開發(fā)及末端治理等。技術(shù)創(chuàng)新是促進(jìn)行業(yè)以成本效益實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵。

原料/燃料替代、工藝技術(shù)創(chuàng)新和碳捕集與利用是工業(yè)過(guò)程碳減排的主要技術(shù)路徑

（1）可再生電力、生物質(zhì)能、氫等清潔燃料應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)燃料端碳減排的重要途徑。前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：低成本可再生電力、高比例生物燃料替代化石燃料、技術(shù)與裝備強(qiáng)化、高溫工業(yè)過(guò)程氫燃料應(yīng)用、低品位余熱利用等。目前，在一些行業(yè)（如水泥、鋼鐵）已實(shí)現(xiàn)化石燃料的部分替代，預(yù)計(jì)到2060年清潔燃料替代將使工業(yè)部門化石燃料的使用量減少60%—80%。

（2）工藝技術(shù)變革和創(chuàng)新推動(dòng)工業(yè)過(guò)程的碳減排。制氫結(jié)合CCUS是鋼鐵行業(yè)低碳工藝路徑的關(guān)鍵技術(shù)組合。前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：低成本綠氫制備、氫還原煉鐵、低成本大規(guī)模CCUS技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用等。全球氫和CCUS技術(shù)相結(jié)合已探索了多條低碳鋼工藝路線，預(yù)計(jì)2050年可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。CCUS技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用前景廣闊，預(yù)計(jì)到2050年工業(yè)行業(yè)二氧化碳捕獲率將達(dá)到90%，碳捕獲成本比2020年水平降低40%。

（3）低碳替代產(chǎn)品研發(fā)和碳循環(huán)利用是工業(yè)碳減排的另一重要方向。在水泥行業(yè)，前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：石灰石的零碳替代品開發(fā)、低碳水泥研發(fā)等。目前，已積極探索工業(yè)固廢、黏土、火山巖等部分替代石灰石，以非石化基材料完全替代石灰石是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)?；ば袠I(yè)中，前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：可持續(xù)的生物或廢物基原料高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、綠色氫基大規(guī)模氨生產(chǎn)技術(shù)、碳循環(huán)利用新技術(shù)、分子煉油和多產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)等。

節(jié)能提效、可持續(xù)性低碳燃料和電動(dòng)化是交通部門綠色低碳轉(zhuǎn)型的主要技術(shù)路徑

（1）節(jié)能和能效提升技術(shù)是交通部門實(shí)現(xiàn)短期脫碳的主要方式，能夠有效緩和不斷增長(zhǎng)的能源需求。交通部門綠色低碳轉(zhuǎn)型的前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：輕量化技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、機(jī)電耦合一體化技術(shù)和智能交通技術(shù)等。在技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)下，交通運(yùn)輸工具的平均油耗和廢氣排放持續(xù)下降。提高輕質(zhì)合金和復(fù)合材料等性能、開拓新型工藝技術(shù)和智能網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)等技術(shù)是未來(lái)主要的攻關(guān)方向。

（2）發(fā)展可持續(xù)性低碳燃料和電動(dòng)化是交通部門實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期脫碳的關(guān)鍵。前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：可再生植物/海洋藻類或其他有機(jī)廢物制成的生物燃料、氫能及氫基燃料和動(dòng)力電池技術(shù)等。目前，部分低碳燃料在道路交通中處于示范階段，在航空和航海領(lǐng)域處于起步探索階段，動(dòng)力電池技術(shù)已躋身世界前列。未來(lái)交通能源多元化發(fā)展將成為主流，下一代動(dòng)力電池技術(shù)有望在2030—2060年逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

生態(tài)固碳增匯/負(fù)排放關(guān)鍵技術(shù)體系

負(fù)碳排放關(guān)鍵技術(shù)包括生態(tài)固碳增匯、CCUS、直接空氣碳捕集（DAC）和碳循環(huán)利用等，這些技術(shù)重點(diǎn)解決生產(chǎn)活動(dòng)中無(wú)法通過(guò)技術(shù)手段減排的碳，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要組成部分。

生態(tài)固碳增匯技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有力技術(shù)手段

系統(tǒng)部署生態(tài)固碳增匯技術(shù)需要攻克一系列前沿?zé)狳c(diǎn)問題，既需要在采樣相對(duì)不足的地區(qū)開展更多的實(shí)地觀測(cè)，研發(fā)和優(yōu)化可正確刻畫碳循環(huán)復(fù)雜過(guò)程的地球系統(tǒng)模型；又需要繼續(xù)投資于天基衛(wèi)星觀測(cè)，建立生態(tài)碳儲(chǔ)量核算、碳匯能力提升潛力評(píng)估等方法，研究生態(tài)碳匯的關(guān)鍵影響因素與演化規(guī)律，評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)增匯潛力及風(fēng)險(xiǎn)。此外，需要大力發(fā)展海洋碳匯技術(shù)——海洋儲(chǔ)碳周期可達(dá)數(shù)千年，負(fù)排潛力巨大。

CCUS是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一

CCUS規(guī)模化部署仍然面臨一系列關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：CCUS與新能源體系的耦合發(fā)展、第二代捕集技術(shù)、化學(xué)鏈捕集技術(shù)、Allam循環(huán)、低成本及低能耗的CCUS技術(shù)研究等。目前，第一代捕集技術(shù)發(fā)展?jié)u趨成熟，但成本和能耗偏高；而第二代捕集技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)或小試階段，待技術(shù)成熟后，其能耗和成本會(huì)比成熟的第一代技術(shù)降低30%以上，2035年前后有望大規(guī)模推廣應(yīng)用。化學(xué)鏈捕集技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，還未實(shí)現(xiàn)工程示范。生物利用技術(shù)總體處于初期發(fā)展階段。涉及CCUS過(guò)程的新型捕集技術(shù)、生物利用技術(shù)、CCUS規(guī)?；?qū)替技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)防控能力的研究將是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

DAC是減少分布源碳排放的有效技術(shù)途徑

DAC能夠?qū)?shù)以億計(jì)的交通工具等分布源排放的二氧化碳進(jìn)行捕集處理，從而有效降低大氣中的二氧化碳濃度，前沿?zé)狳c(diǎn)方向包括：開發(fā)新型吸附劑、新型接觸器、低成本的高容量DAC用再生材料、DAC系統(tǒng)的低碳電力耦合研究等。全球發(fā)展DAC的動(dòng)力正在不斷增長(zhǎng)。然而，DAC在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展還處于初級(jí)階段，在實(shí)現(xiàn)商用之前還有很長(zhǎng)的路要走；預(yù)計(jì)到2030年實(shí)現(xiàn)DAC技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建，2040年實(shí)現(xiàn)DAC技術(shù)實(shí)用化。

碳循環(huán)利用是構(gòu)建碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)

碳循環(huán)利用是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要途徑，也是世界性難題。目前，二氧化碳資源化利用產(chǎn)業(yè)化研究中化學(xué)轉(zhuǎn)化資源化利用、生物轉(zhuǎn)化資源化利用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。碳循環(huán)利用技術(shù)有望到2030年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。轉(zhuǎn)化路徑和高效催化劑研究、以二氧化碳為原料的高附加值化學(xué)品轉(zhuǎn)化、燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)將是未來(lái)研究的主要方向。目前，碳循環(huán)利用技術(shù)處于初級(jí)階段，預(yù)計(jì)2040年左右碳循環(huán)產(chǎn)品將得到廣泛使用。

結(jié)語(yǔ)與啟示

（1）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)科學(xué)引導(dǎo)研發(fā)創(chuàng)新。加強(qiáng)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)，分析不同行業(yè)能源相關(guān)碳排放現(xiàn)狀和機(jī)制，探討能源相關(guān)減排技術(shù)潛力。密切跟蹤國(guó)際綠色科技前沿?zé)狳c(diǎn)研究，制定支撐碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的中長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展路線圖和行動(dòng)方案，明確主要目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

（2）強(qiáng)化核心關(guān)鍵技術(shù)的科學(xué)攻關(guān)。推動(dòng)新一代可再生能源、綠氫、儲(chǔ)能、智慧能源、綠色化工、零能耗建筑、新能源交通、綠色智能社會(huì)等前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)的重點(diǎn)突破。加快推進(jìn)高效節(jié)能低碳技術(shù)及CCUS、生態(tài)增匯等技術(shù)示范應(yīng)用，推動(dòng)新一代數(shù)字化技術(shù)在清潔能源、節(jié)能和能效等領(lǐng)域的融合創(chuàng)新。

（3）打造貫通創(chuàng)新價(jià)值鏈的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。探索碳減排、碳零排、碳負(fù)排等關(guān)鍵技術(shù)的共性科學(xué)問題，開展從基礎(chǔ)研究、技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化的全鏈條攻關(guān)。構(gòu)建支撐碳中和目標(biāo)能源技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)學(xué)研全鏈條創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，促進(jìn)成果的高效轉(zhuǎn)化。

（4）構(gòu)建科學(xué)高效的創(chuàng)新平臺(tái)體系。建立科技創(chuàng)新平臺(tái)體系是產(chǎn)出高水平成果，培育高層次人才，實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的重要組織形式和有效手段。因此，為了更好推動(dòng)支撐碳中和目標(biāo)的能源科技創(chuàng)新，需要優(yōu)化布局面向碳中和重大科技需求的國(guó)家科技創(chuàng)新基地體系，設(shè)立相應(yīng)的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程研究中心、國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心等，建立穩(wěn)定的支持機(jī)制和聯(lián)合攻關(guān)機(jī)制。