楊瑞豐，徐 俊

（1.東南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 江蘇 南京 211102；2.廣東工業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

“碳中和”一般指二氧化碳(CO2)凈零排放，即規(guī)定時(shí)期內(nèi)全球人為CO2去除量抵消人為CO2排放量[1]。地球物理與大氣科學(xué)相關(guān)研究初步揭示了包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體對(duì)人類生存環(huán)境的巨大影響[2-4]。對(duì)此，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 自1990年以來(lái)進(jìn)行了6次科學(xué)評(píng)估，明確了人類活動(dòng)向大氣中排放大量以二氧化碳為代表的溫室氣體導(dǎo)致了氣候變化，是全球變暖主要原因[5]。在聯(lián)合國(guó)主導(dǎo)下，世界各國(guó)開(kāi)展了多項(xiàng)氣候合作，并于2015年通過(guò)了《巴黎協(xié)定》,確立本世紀(jì)下半葉全球溫升目標(biāo)。我國(guó)政府于2020年9月明確承諾努力爭(zhēng)取于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和(簡(jiǎn)稱雙碳目標(biāo))。

碳中和的實(shí)現(xiàn)依賴于政策、社會(huì)、市場(chǎng)、法律、金融、技術(shù)等要素構(gòu)成的復(fù)雜環(huán)境下各類要素協(xié)同作用[6]，其中技術(shù)有著舉足輕重的地位，全球?qū)Υ烁叨戎匾暋Ｃ绹?guó)《國(guó)家創(chuàng)新路徑報(bào)告》提出投資顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，尋找適當(dāng)?shù)募夹g(shù)組合實(shí)現(xiàn)碳中和[7]；歐盟《綠色新政》計(jì)劃在7個(gè)重點(diǎn)行業(yè)開(kāi)展新技術(shù)研究與應(yīng)用[8]；日本《綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》提出14個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃和行業(yè)支持[9]；我國(guó)提出強(qiáng)化科技創(chuàng)新和綠色低碳科技革命[10]，并發(fā)布以發(fā)展能源綠色低碳轉(zhuǎn)型科技為首的十項(xiàng)行動(dòng)，旨在“2030年前進(jìn)一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術(shù)”[11]?？梢哉f(shuō)，就現(xiàn)狀而言科技支撐是實(shí)現(xiàn)碳中和的必由之路。

本文結(jié)合國(guó)際國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)基本情況和國(guó)內(nèi)雙碳要求，對(duì)國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)研究成果和最新進(jìn)展進(jìn)行綜述和討論，希望為現(xiàn)階段我國(guó)碳中和領(lǐng)域相關(guān)研究提供參考。

1 碳中和技術(shù)概況

1.1 碳中和技術(shù)體系

1.1.1 碳中和技術(shù)內(nèi)涵

不同于清潔技術(shù)、綠色技術(shù)等在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域長(zhǎng)期理論與實(shí)踐中已形成概念，碳中和技術(shù)雖然被廣泛提及，但至今沒(méi)有明確界定其內(nèi)涵。《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》及眾多業(yè)內(nèi)重點(diǎn)文獻(xiàn)頻頻提及碳中和技術(shù)，對(duì)于這一提法，一般都理解為促進(jìn)碳中和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。如果從《巴黎協(xié)定》對(duì)于碳中和的界定出發(fā)，對(duì)于碳中和技術(shù)，可以從廣義溫室氣體的角度將其定義為促進(jìn)“溫室氣體源的人為排放與匯的清除之間的平衡”[12]的技術(shù)全體。其中，“源”指向大氣排放溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的任何過(guò)程或活動(dòng)，“匯”指從大氣中清除溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的任何過(guò)程、活動(dòng)或機(jī)制[13]。

1.1.2 碳中和技術(shù)分類

目前，碳中和技術(shù)從廣義上可以分為“源”端技術(shù)及“匯”端技術(shù)，具體而言，可以細(xì)化為零碳能源重構(gòu)技術(shù)、低碳流程再造技術(shù)、非二氣體減排技術(shù)以及負(fù)碳技術(shù)四類[14]；對(duì)于只考慮CO2減排的狹義碳中和技術(shù)，一般從能源供給消費(fèi)過(guò)程中的碳鏈考慮，包括源頭替代、過(guò)程消減和末端處理三個(gè)環(huán)節(jié)，比如構(gòu)建“三端共同發(fā)力體系”或“三端協(xié)同聯(lián)動(dòng)”的“能源供給端”技術(shù)、“能源消費(fèi)端”技術(shù)和“固碳端”技術(shù)[15-16]。

此外，在上述分類之外，一些間接起到促進(jìn)作用的技術(shù)在實(shí)際考慮時(shí)也被納入碳中和技術(shù)分類體系中，如衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球技術(shù)[17]、集成耦合優(yōu)化技術(shù)[18]等。

也有文獻(xiàn)在能源領(lǐng)域?qū)﹄娔芘c非電能分開(kāi)討論，提出分類如電力系統(tǒng)脫碳技術(shù)、零碳非電能技術(shù)、燃料/材料和工藝替代技術(shù)、碳捕獲、利用和存儲(chǔ)技術(shù)和碳去除技術(shù)、非CO2溫室氣體減排技術(shù)以及集成和優(yōu)化技術(shù)[19]。

本文為從技術(shù)進(jìn)展角度全面綜合考慮廣義和狹義碳中和概念下的各類技術(shù)，選擇從能源供給端技術(shù)、能源消費(fèi)端技術(shù)、非二氣體減排技術(shù)、固碳端技術(shù)四大類開(kāi)展評(píng)述。

1.1.3 國(guó)內(nèi)國(guó)際碳中和技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域

我國(guó)是世界上最大的溫室氣體排放國(guó)家，也是工業(yè)體系最為齊全的國(guó)家之一。2020年排放總量約為136億 t CO2eq。如此巨大的排放分布在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，其中電力能源活動(dòng)排放約40億 t CO2eq，非電能源排放約59億 t CO2eq，工業(yè)過(guò)程排放約13億 t CO2eq，非二溫室氣體排放約24億 t CO2eq，相應(yīng)地這些也是碳中和技術(shù)需要重點(diǎn)攻關(guān)的行業(yè)領(lǐng)域。就當(dāng)前技術(shù)發(fā)展情況細(xì)分來(lái)看，可以界定煤電、可再生能源、核能、電網(wǎng)、儲(chǔ)能、氫能、化工、鋼鐵、水泥、有色、交通、建筑、非二、碳捕集、利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage, CCUS)十四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。

同時(shí)，世界主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體根據(jù)自身難減排部門確立了相應(yīng)技術(shù)減排重點(diǎn)領(lǐng)域(見(jiàn)表1)，這對(duì)我國(guó)發(fā)展重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域具有重要參考作用。例如綠色氫能受到全世界的廣泛關(guān)注，將是未來(lái)國(guó)際碳中和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)與合作的重點(diǎn)對(duì)象。

表1 主要國(guó)家重點(diǎn)碳中和技術(shù)領(lǐng)域1)Table 1 Carbon neutrality technology essential domains of major countries

1.2 國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)需求

我國(guó)“富煤、缺油、少氣”，2022年全國(guó)能源消費(fèi)總量達(dá)54億 t標(biāo)準(zhǔn)煤。由于尚處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)后半段，仍存在巨大的能源需求?？紤]這些基本國(guó)情以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、排放水平等現(xiàn)實(shí)條件，在雙碳目標(biāo)指引下，我國(guó)有著突出的碳中和技術(shù)需求。

一是綠色低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)需求。要立足以煤為主的資源稟賦，推動(dòng)煤炭和新能源優(yōu)化組合，以期達(dá)到煤炭清潔高效利用、新能源并網(wǎng)消納、化石能源有序替代、可再生能源高效利用等目標(biāo)[11]。例如煤電領(lǐng)域，需要提質(zhì)增效和CO2捕集利用；可再生能源領(lǐng)域，需要更高效低成本的光伏技術(shù)、更高空間風(fēng)力利用和更遠(yuǎn)海上風(fēng)電站；核能領(lǐng)域，需要更安全核電技術(shù)更大規(guī)模應(yīng)用；電網(wǎng)領(lǐng)域，需要提升新能源發(fā)電與電網(wǎng)系統(tǒng)耦合能力和發(fā)展智能電網(wǎng)；儲(chǔ)能領(lǐng)域，需要更大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能；氫能領(lǐng)域，需要更低成本的綠氫制造和運(yùn)輸存儲(chǔ)技術(shù)等[11，14，18，22]。

二是低碳工業(yè)再造技術(shù)需求。要在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域推動(dòng)原料燃料替代、短流程制造和低碳技術(shù)集成耦合優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)高碳工業(yè)流程的零碳和低碳再造[11]。例如化工行業(yè)，需要原料燃料替代技術(shù)、使用綠電綠氫的蒸餾焙燒工藝等；鋼鐵行業(yè)，需要富氧高爐煉鋼工藝、短流程清潔煉鋼技術(shù)、綠氫替代還原等；有色行業(yè)，需要使用綠電選礦冶煉、電解槽節(jié)能化改造、鋁廢金屬回收利用等[11，14]。

三是低碳建筑和交通技術(shù)需求。要推動(dòng)建筑節(jié)能減碳標(biāo)準(zhǔn)提升和全過(guò)程減碳、驅(qū)動(dòng)載運(yùn)裝備中化石能源降碳和非化石能源替代，以達(dá)到交通系統(tǒng)能效提升和減污降碳協(xié)同增效等目標(biāo)[11]。例如建筑領(lǐng)域，需要綠色低碳建材和建筑電氣化、智能建造、建筑節(jié)能化改造等技術(shù)；交通領(lǐng)域，需要更高性能汽車電池、氫燃料電池、生物航空煤油、綠色智慧交通體系等[11,14]。

四是非二氣體減排技術(shù)需求。要加強(qiáng)甲烷、氧化亞氮及含氟氣體等非二氧化碳溫室氣體的監(jiān)測(cè)和減量替代，促進(jìn)非二溫室氣體減排[11]。例如氧化亞氮高效分解及抑制技術(shù)、垃圾填埋場(chǎng)非二氣體捕集及利用、農(nóng)業(yè)過(guò)程中甲烷及氧化亞氮減排等[11,14]。

五是負(fù)碳技術(shù)需求。要聚焦二氧化碳捕集、利用、存儲(chǔ)與生物固碳等重點(diǎn)環(huán)節(jié)，降本增效推動(dòng)規(guī)?；瘧?yīng)用[11]。例如CCUS領(lǐng)域，需要CO2高值化利用、碳捕集-利用一體化、CO2光電催化轉(zhuǎn)化、空氣碳捕集與生物質(zhì)能耦合等技術(shù)[11,14]。

1.3 國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)路徑

我國(guó)從碳達(dá)峰到碳中和時(shí)間跨度短而減排任務(wù)重，在這一過(guò)程中，我國(guó)還要不斷提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，逐步完成現(xiàn)代化建設(shè)，因而需要科學(xué)謀劃實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)路徑。徐俊[15]基于我國(guó)未來(lái)能源消耗和溫室氣體排放的預(yù)測(cè)，對(duì)各部門在碳達(dá)峰、深度減排和碳中和不同階段的技術(shù)情況做了詳細(xì)設(shè)計(jì)。黃晶等[18]提出了低碳、零碳、負(fù)碳技術(shù)組合構(gòu)建碳中和技術(shù)路徑的設(shè)想。Guo等[19]基于技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性的評(píng)估，提出不同時(shí)間段不同類型技術(shù)的成熟情況和減排貢獻(xiàn)比例。王燦等[22]提出我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化現(xiàn)有技術(shù)清單、需求技術(shù)清單和未來(lái)技術(shù)清單。武海云等[23]分部門對(duì)碳中和技術(shù)路徑做了綜合分析，特別分析了碳交易和碳管理的技術(shù)路徑。張希良等[24]基于C-GEM模型重點(diǎn)研究了我國(guó)能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型并提出相應(yīng)技術(shù)路徑。

目前具有代表性的觀點(diǎn)是在2025年之前，優(yōu)先支持新風(fēng)能、太陽(yáng)能、水力發(fā)電和核能發(fā)電、CCUS、生物燃料、儲(chǔ)氫、能源輸配電和能源回收技術(shù)等，爭(zhēng)取到2030年達(dá)到技術(shù)成熟。到2035年，實(shí)現(xiàn)機(jī)械儲(chǔ)能、低排放原材料利用、工業(yè)工藝優(yōu)化、甲烷捕獲和利用以及能源互聯(lián)技術(shù)商業(yè)化。到2040年，實(shí)現(xiàn)氫輸送、材料回收、熱能和電力協(xié)調(diào)供應(yīng)以及生物質(zhì)作為原材料等技術(shù)商業(yè)化。到2060年之前，實(shí)現(xiàn)生物能源的碳捕獲和儲(chǔ)存、直接空氣碳捕獲和儲(chǔ)存以及其他顛覆性技術(shù)的商業(yè)化[19]。

2 國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)進(jìn)展

2.1 能源供給端技術(shù)進(jìn)展

煤電領(lǐng)域。近年較為突出的是高溫亞臨界升級(jí)技術(shù)方案[25]，該方案可將亞臨界機(jī)組主要指標(biāo)提升到接近超臨界機(jī)組水平，節(jié)能減污降碳效益突出，若全面推廣可實(shí)現(xiàn)年減排CO2超1.11億 t；能提升新能源消納能力，將機(jī)組調(diào)峰范圍拓寬至20%～100%；改造效果能夠長(zhǎng)期保持，汽缸效率投產(chǎn)十年平均下降值不超過(guò)1%。另有高低位分軸布置的新型汽輪發(fā)電機(jī)組方案[26]，這一發(fā)明節(jié)省大量高溫高壓管道，有力促進(jìn)700 ℃等級(jí)機(jī)組的發(fā)展。此外，煤電機(jī)組靈活性改造也出現(xiàn)一系列解決方案，如利用彈性回?zé)峒夹g(shù)、全負(fù)荷低氧低氮燃燒、廣義變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤電20%負(fù)荷深度調(diào)峰干態(tài)運(yùn)行[26]，增設(shè)蓄熱調(diào)峰系統(tǒng)和尖峰加熱系統(tǒng)[27]、“鍋爐-高溫儲(chǔ)熱-汽機(jī)”一體化熱力系統(tǒng)[28]，有利于促進(jìn)新能源消納。

可再生能源領(lǐng)域。光伏行業(yè)，晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)取得重要進(jìn)展[29]，多次刷新實(shí)驗(yàn)室效率，其中異質(zhì)結(jié)電池實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)26.81%[30]；薄膜電池實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)均實(shí)現(xiàn)較大發(fā)展，碲化鎘電池、銅銦鎵硒電池、砷化鎵五結(jié)電池實(shí)驗(yàn)室效率分別達(dá)到20.16%、19.64%和35.4%[29]；新型太陽(yáng)電池技術(shù)表現(xiàn)突出，國(guó)內(nèi)鈣鈦礦電池已開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化布局[29]，鈣鈦礦室內(nèi)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到44.72%[31]，鉛硫族量子點(diǎn)電池和鈣鈦礦量子點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室效率分別達(dá)到15.2%和16.53%[32]，硒(硫)化銻薄膜電池處于國(guó)際領(lǐng)先地位[29]；實(shí)現(xiàn)世界首個(gè)MW級(jí)分布式光伏直流并網(wǎng)，以及形成分布式光儲(chǔ)發(fā)電集群靈活并網(wǎng)整套技術(shù)[29]。風(fēng)電行業(yè)，海上風(fēng)電技術(shù)初步成熟，并大力發(fā)展海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)[33]；同時(shí)實(shí)現(xiàn)自主研制大兆瓦級(jí)整機(jī)及核心部件，且低風(fēng)速、抗臺(tái)風(fēng)、超高塔架等風(fēng)電技術(shù)位居世界前列[34]。

核能領(lǐng)域。我國(guó)獨(dú)立研發(fā)創(chuàng)造第三代核電技術(shù)并開(kāi)始投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)[35]，第四代核電技術(shù)取得重大突破[36]，建成第四代核能技術(shù)的釷基熔鹽堆并嘗試商業(yè)化，該反應(yīng)堆使用釷-232替代鈾-235，原料更加安全廉價(jià)，反應(yīng)后核廢料是傳統(tǒng)核電站的千分之一。

電網(wǎng)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)初步實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)[37]，現(xiàn)已具備超高壓和特高壓的直流、交流輸電技術(shù)和智能變電技術(shù)，以及配電自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)、分布式電源接入與微電網(wǎng)技術(shù)等。

儲(chǔ)能領(lǐng)域。抽水蓄能方面，我國(guó)自主研發(fā)了5 MW級(jí)全功率變速恒頻抽水蓄能機(jī)組[38]、大容量蓄能機(jī)組制造安裝技術(shù)進(jìn)一步突破。壓縮空氣儲(chǔ)能方面，研發(fā)出100 MW級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)[38]。鉛蓄電池方面，正極添加劑技術(shù)和高溫耐腐蝕正極板柵得到進(jìn)一步發(fā)展[38]。鋰離子電池方面，研制出基于預(yù)鋰化技術(shù)的長(zhǎng)壽命鋰離子儲(chǔ)能電池、基于超大電池CTT(Cell to TWh) 技術(shù)電芯單體容量可達(dá)到560 Ah的LF560K電池、循環(huán)次數(shù)超3 000次的錳酸鋰和LMFP復(fù)合電池及低溫性能優(yōu)良的超能錳鐵鋰電池等[38]。國(guó)內(nèi)在全釩液流電池關(guān)鍵技術(shù)上取得“里程碑式進(jìn)展”[38]，正在研發(fā)60kW全釩液流電池電堆。此外，鈉離子電池、重力儲(chǔ)能、熱泵儲(chǔ)電、液態(tài)金屬等關(guān)鍵技術(shù)都有新進(jìn)展[38，39]。

氫能領(lǐng)域。我國(guó)開(kāi)創(chuàng)海水原位直接電解制氫技術(shù)[40]，取得海水制氫技術(shù)重大突破，在全球開(kāi)辟了全新路徑。該技術(shù)通過(guò)構(gòu)建微米尺度的“氣相”隔離域，依靠自增濕電解質(zhì)與海水間天然存在的飽和蒸汽壓差作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了水分的自發(fā)相變遷移及穩(wěn)定制氫，其實(shí)驗(yàn)裝置法拉第效率近乎100%。此外近年來(lái)國(guó)內(nèi)堿性電解槽技術(shù)得到較多投資關(guān)注[41]，電解槽總裝機(jī)量快速提升；質(zhì)子交換膜電解水制氫也得到較快發(fā)展；燃料電池技術(shù)初步成熟并產(chǎn)業(yè)化[42]。

2.2 能源消費(fèi)端技術(shù)進(jìn)展

化工領(lǐng)域。石油化工方面，國(guó)內(nèi)CO2壓裂技術(shù)和CO2驅(qū)油技術(shù)已初步應(yīng)用；分子煉油技術(shù)投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)油品和化工原料的高值化；原油加氫裂化技術(shù)發(fā)展迅速；在減污降碳上，還研發(fā)出石化廢水物理法低碳處理技術(shù)、廢棄油基泥漿有機(jī)物回用技術(shù)、石化含油污泥裂解加氫利用技術(shù)、油氣廢氣回收資源化技術(shù)等[43]。煤化工方面，實(shí)現(xiàn)溫和條件下富勒烯緩沖的銅催化草酸二甲酯合成乙二醇[44]重大突破，該技術(shù)的核心在于將富勒烯與銅催化劑相復(fù)合，利用銅與富勒烯之間的可逆電子轉(zhuǎn)移，發(fā)揮富勒烯的電子緩沖效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)草酸二甲酯常壓催化加氫制乙二醇，這將極大減少對(duì)石油的依賴。同時(shí)，國(guó)內(nèi)正開(kāi)展大規(guī)模裝置節(jié)能增效、系統(tǒng)優(yōu)化和綜合利用技術(shù)，建設(shè)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)；通過(guò)將綠氫生產(chǎn)置于現(xiàn)場(chǎng)，逐步推進(jìn)耦合綠氫的煤化工新工藝；同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展CO2資源化利用技術(shù)，生成甲醇、低碳烯烴、合成氣等[45]。

鋼鐵領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)正積極開(kāi)展能效提升技術(shù)[46]，如推廣先進(jìn)適用節(jié)能低碳技術(shù)、裝備升級(jí)、余熱余能高效回收與利用、界面技術(shù)和智慧能源管控系統(tǒng)等,還研制出近終型全連續(xù)制造關(guān)鍵工藝技術(shù)、高溫高壓干熄焦技術(shù)、高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)等。同時(shí)，富氫碳循環(huán)高爐冶煉技術(shù)、氫基豎爐直接還原鐵技術(shù)也已初步應(yīng)用[46]。高爐富氫冶煉是將噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體參加到冶煉過(guò)程中；氫基豎爐冶煉則使用H2與CO混合氣體作為還原劑，將鐵礦石直接還原得到直接還原鐵，然后投入電爐進(jìn)一步冶煉。兩者都是氫冶金發(fā)展的重要方向，且氫基豎爐直接還原鐵技術(shù)減碳力度更大。此外，基于數(shù)字化和智能化技術(shù)的鋼鐵全流程碳核算和碳排放管理系統(tǒng)，以及固廢資源回收利用技術(shù)出現(xiàn)較大進(jìn)展[46]。

水泥領(lǐng)域。水泥生產(chǎn)過(guò)程中能效提升技術(shù)已比較成熟[47]，如生料輥壓機(jī)終粉磨技術(shù)、帶分級(jí)燃燒的高效低阻預(yù)熱器系統(tǒng)、高性能隔熱保溫材料技術(shù)、新型水泥熟料冷卻技術(shù)、新型水泥熟料冷卻技術(shù)等。燃料替代技術(shù)得到初步應(yīng)用，低碳水泥技術(shù)也有所突破，目前研制出高貝利特水泥、硫(鐵) 鋁酸鹽水泥等品種。

有色領(lǐng)域。有色領(lǐng)域重點(diǎn)是電解鋁，電解鋁行業(yè)碳中和技術(shù)包括減碳技術(shù)和無(wú)碳電解鋁技術(shù)兩大類。減碳技術(shù)方面，已初步應(yīng)用可再生能源多能耦合鋁電解技術(shù)，此外，新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽高效節(jié)能技術(shù)、高導(dǎo)電鋼棒技術(shù)等鋁電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)及鋁電解槽余熱利用技術(shù)都有所進(jìn)展[48]。無(wú)碳電解鋁技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)碳陽(yáng)極和高溫電解替代，實(shí)現(xiàn)無(wú)碳排放，主要包括惰性陽(yáng)極鋁電解技術(shù)和低溫鋁電解技術(shù)[48]。國(guó)內(nèi)低溫鋁電解技術(shù)實(shí)現(xiàn)重要突破，中科院過(guò)程工程研究所研發(fā)的離子液體電解鋁技術(shù)可在低于100 ℃溫度下進(jìn)行電解。

建筑領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)現(xiàn)已開(kāi)展應(yīng)用的有綠色建材技術(shù)和建筑光伏一體化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)、地源熱泵、水源熱泵、智能充電等能源綜合利用技術(shù)，以及建筑信息化技術(shù)、建筑能耗模擬技術(shù)等建筑智能化管理技術(shù)[49]，同時(shí)有案例將以上技術(shù)耦合集成構(gòu)建近零能耗的綠色建筑[50,51]。

交通領(lǐng)域。汽車方面，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車已實(shí)現(xiàn)電池、電機(jī)、電控“三電”自主，其中動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)轉(zhuǎn)向高鎳方向正極材料，驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)中交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)已成熟，現(xiàn)向雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)展[52-53]。氫燃料電池車初步商業(yè)應(yīng)用，并配套加氫站[54]。軌道交通方面，已綜合使用新供電制式、新能源、同向供電、雙向變流、永磁牽引、高頻輔變、車站環(huán)控等技術(shù)減排節(jié)能增效[55]。航運(yùn)方面，氫燃料電池在小型船舶上完成測(cè)試，船用甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用[56]。此外，信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的智慧交通技術(shù)，如車路協(xié)同、智能信控、智慧停車等正在迅速發(fā)展[57]。

2.3 固碳端技術(shù)進(jìn)展

在我國(guó)碳中和愿景的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，雖然構(gòu)建高比例可再生能源為主的能源體系是必然趨勢(shì)，但化石能源必然仍在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)一定比例，同時(shí)鋼鐵、水泥、化工、有色等工業(yè)過(guò)程也難以完全脫離對(duì)化石能源的依賴。這部分化石能源使用所引起的“不得不排放的CO2”必須通過(guò)固碳增匯技術(shù)予以抵消，從而確保碳中和目標(biāo)的高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)。

固碳增匯技術(shù)包括生態(tài)固碳和人工固碳兩類：生態(tài)固碳技術(shù)方面，我國(guó)目前陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳量為10～12億 t/a，據(jù)于貴瑞和傅伯杰等人測(cè)算[58-59]，到2060年我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20億 t/a的碳匯貢獻(xiàn)，其中，森林、草地和喀斯特占陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量的90%左右，且具有巨大的增匯空間；人工固碳增匯技術(shù)主要指碳捕集利用和封存技術(shù)體系(建成CCUS)，具有操作性強(qiáng)、易推廣的特性。據(jù)測(cè)算，我國(guó)人工固碳量將在2060年達(dá)到21.1～25.3億 t/a[60]。綜合來(lái)看，固碳增匯技術(shù)必將對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的深度脫碳作出重大貢獻(xiàn)，其固碳能力是否能夠充分發(fā)揮將直接決定我國(guó)碳中和目標(biāo)能否高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)。

生態(tài)固碳領(lǐng)域。森林是生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯的“主力軍”，已經(jīng)或正在開(kāi)展基于結(jié)構(gòu)調(diào)控的固碳樹(shù)種精準(zhǔn)配置與基因組裝高效固碳技術(shù)、過(guò)程調(diào)控的高效碳匯人工林經(jīng)營(yíng)與次生林結(jié)構(gòu)精細(xì)化調(diào)整技術(shù)、功能驅(qū)動(dòng)的林齡時(shí)空優(yōu)化布局與近自然全周期經(jīng)營(yíng)技術(shù)，重點(diǎn)集成高效碳匯人工林構(gòu)建技術(shù)、天然林碳穩(wěn)定與可持續(xù)增匯技術(shù)等[61]；針對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)，目前開(kāi)展了補(bǔ)播和施肥等人為調(diào)控措施，亟需研究微生物-生態(tài)制劑復(fù)合技術(shù)、種子包衣技術(shù)、生物炭基有機(jī)肥技術(shù)及技術(shù)集成；同時(shí)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳積累過(guò)程非常緩慢，目前我國(guó)開(kāi)展的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)主要針對(duì)不同肥料處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，沒(méi)有考慮耕作措施、作物輪作方式、不同有機(jī)物料添加等對(duì)農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量的影響，尚無(wú)針對(duì)增加土壤有機(jī)碳的長(zhǎng)期試驗(yàn)，也缺乏以提高農(nóng)田土壤碳匯功能為主導(dǎo)的技術(shù)體系[62]；另外，也需要關(guān)注濕地和海洋固碳能力，研發(fā)碳高效累積的調(diào)控技術(shù)，提出恢復(fù)和提升淡水和海水的固碳增匯潛力的策略[63]。

CCUS領(lǐng)域。CO2捕集方面，國(guó)內(nèi)燃燒前捕集技術(shù)比較成熟，整體上處于工業(yè)示范階段，其中燃燒前物理吸收已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用，而燃燒后捕集技術(shù)，包括燃燒后化學(xué)吸收技術(shù)，都還處于中試或工業(yè)示范階段。其他像增壓富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)、生物質(zhì)能碳捕集與封存(Bio-Energy with Carbon Capture and Storage, BECCS)和直接空氣捕集(Direct Air Capture,DAC)等負(fù)排放技術(shù)處于中試階段[60]。CO2輸送方面，公路罐車和內(nèi)河船舶運(yùn)輸技術(shù)已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用[60]。CO2化學(xué)和生物利用方面，CO2重整制備合成氣和甲醇技術(shù)已商業(yè)應(yīng)用，CO2合成化學(xué)材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范，鋼渣和磷石膏礦化利用技術(shù)接近商業(yè)應(yīng)用水平[60]。CO2地質(zhì)利用方面，CO2-EOR和CO2地浸采鈾技術(shù)接近商業(yè)應(yīng)用，強(qiáng)化天然氣、頁(yè)巖氣開(kāi)采，置換水合物等技術(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段[60]。CCUS集成優(yōu)化方面，目前齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目CO2捕集能力達(dá)到100萬(wàn) t/a[64]，寧東能源在建CCUS示范項(xiàng)目有望達(dá)到300萬(wàn) t/a二氧化碳捕集[65]，整體國(guó)內(nèi)CCUS一體化技術(shù)商業(yè)應(yīng)用有待提高[66]。

目前國(guó)內(nèi)CCUS在各行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。例如鋼鐵行業(yè)現(xiàn)階段主要采用焦化和高爐煉鐵尾氣燃燒后捕集技術(shù)及高爐爐頂煤氣循環(huán)的CO2捕集技術(shù)，通過(guò)合成化學(xué)品、材料或直接用于煉鋼實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用[67]。煤電行業(yè)研發(fā)并應(yīng)用了新型復(fù)合胺吸收劑、增強(qiáng)型改性塑料填料、汽提式降膜再沸器、高效節(jié)能工藝閃蒸等新技術(shù)[68]。此外，國(guó)內(nèi)還在開(kāi)展CCUS集群研究，其特點(diǎn)是多個(gè)CO2工業(yè)點(diǎn)源連接CO2運(yùn)輸和封存網(wǎng)絡(luò)[69]，相關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)。

2.4 非二氧化碳溫室氣體減排領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)展

非二氧化碳溫室氣體排放主要包括甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)和三氟化氮(NF3)六類氣體。國(guó)內(nèi)能源部門CH4減排技術(shù)主要是CH4捕集和利用技術(shù)，通過(guò)控制煤礦瓦斯?jié)舛扔绊慍H4減排。農(nóng)業(yè)部門CH4減排現(xiàn)正推廣的有優(yōu)良水稻品種、水稻半旱式栽培技術(shù)、科學(xué)灌溉技術(shù)、畜禽精準(zhǔn)飼喂技術(shù)、飼料品種改良技術(shù)、畜禽糞污綜合利用技術(shù)等。廢棄物CH4減排已應(yīng)用的有微生物CH4去除技術(shù)、生活垃圾回收利用技術(shù)、城鎮(zhèn)污泥無(wú)害化處置與資源化利用等技術(shù)[70-72]。N2O現(xiàn)有減排技術(shù)主要是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推動(dòng)有機(jī)肥替代和畜禽糞污的資源化利用，在化工領(lǐng)域改進(jìn)化肥、己二酸、硝酸和己內(nèi)酰胺等的生產(chǎn)工藝[70,72]。對(duì)于HFCs、PFCs、SF6、NF3等含氟氣體，現(xiàn)有技術(shù)主要是提升制冷產(chǎn)品能效和冷鏈物流綠色改造等[71]。

3 當(dāng)前國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中存在的難題

第一，國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)總體成熟度不高，部分領(lǐng)域技術(shù)成熟度仍待追趕國(guó)際先進(jìn)水平。就當(dāng)前國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)占比大約34%，進(jìn)入中試和工業(yè)示范階段占比大約36%，處于概念和研發(fā)階段占比大約30%[73]。相關(guān)評(píng)估認(rèn)為未來(lái)5到10年內(nèi)部分重點(diǎn)領(lǐng)域碳中和技術(shù)與國(guó)外仍存在一定差距[19,63]，例如CCUS和含氟氣體減排技術(shù)，國(guó)內(nèi)外成熟度差距較明顯，而這些差距如果不能及時(shí)縮小可能導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期落后，具體差距對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 未來(lái)5～10年內(nèi)國(guó)內(nèi)外部分碳中和技術(shù)差距對(duì)比1)Table 2 Carbon neutrality technology disparities between China and abroad in 5～10 years

第二，新能源大規(guī)模替代短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，顛覆性技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)尚不明朗。2022年全國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億 kW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量約3.7億kW，太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約3.9億 kW，風(fēng)、光裝機(jī)容量占比約29.69%[74]。據(jù)測(cè)算，現(xiàn)行電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)度可容納風(fēng)、光電占比在15%以內(nèi)，因而新能源大規(guī)模替代短期內(nèi)尚難以實(shí)現(xiàn)，尚需依賴顛覆性技術(shù)的突破，如新型核能發(fā)電技術(shù)、新型綠色氫能技術(shù)及前沿儲(chǔ)能技術(shù)等[11]。然而，就一般技術(shù)規(guī)律而言，顛覆性技術(shù)突破發(fā)生的具體時(shí)間節(jié)點(diǎn)不可預(yù)知。

第三，非二氧化碳溫室氣體監(jiān)測(cè)及減排技術(shù)發(fā)展水平較低，相關(guān)政策和資金支持力度不足。國(guó)內(nèi)非二氣體減排問(wèn)題起步晚，其關(guān)注度也低于二氧化碳減排，同時(shí)非二氧化碳溫室氣體排放源分布廣，核算難度大，以致對(duì)非二氣體的監(jiān)測(cè)并不完善[75]。此外，非二氧化碳溫室氣體深度減排技術(shù)薄弱，例如低濃度甲烷利用、廢棄礦井甲烷治理等，針對(duì)非二氧化碳溫室氣體減排技術(shù)的政策和資金扶持力度現(xiàn)階段還不充分。

4 現(xiàn)階段促進(jìn)我國(guó)碳中和技術(shù)發(fā)展建議

總的來(lái)看，在國(guó)家政策要求和引導(dǎo)下，近年國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)發(fā)展迅速，成熟技術(shù)日益增多，并且進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，為提高我國(guó)現(xiàn)階段溫室氣體減排國(guó)家自主貢獻(xiàn)起了重要作用。但同時(shí)也要認(rèn)識(shí)到，針對(duì)國(guó)內(nèi)需求、國(guó)際形勢(shì)和我國(guó)碳中和技術(shù)路徑，現(xiàn)階段還需進(jìn)一步加大技術(shù)發(fā)展力度，對(duì)此提出如下建議。

第一，對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)需求，謀劃好碳中和技術(shù)路線圖分階段實(shí)現(xiàn)。在碳達(dá)峰前，要在各領(lǐng)域大規(guī)模推廣成熟技術(shù)的應(yīng)用，盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。同時(shí)要在全局層面布局好關(guān)鍵技術(shù)組合，力爭(zhēng)進(jìn)入深度減排階段后實(shí)現(xiàn)快速減排。此外，適應(yīng)國(guó)際溫室氣體減排要求和國(guó)內(nèi)技術(shù)需求，要加強(qiáng)非二溫室氣體減排領(lǐng)域技術(shù)研究和應(yīng)用，給予更多的政策引導(dǎo)和支持。

第二，完善國(guó)內(nèi)碳中和技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用環(huán)境。政策環(huán)境上，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，落實(shí)好既有政策，綜合考慮碳價(jià)和碳關(guān)稅影響，適時(shí)出臺(tái)激勵(lì)技術(shù)研發(fā)的新政策，鼓勵(lì)工業(yè)部門轉(zhuǎn)型和提升新技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模。市場(chǎng)環(huán)境上，推動(dòng)新技術(shù)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，鼓勵(lì)沉淀資金進(jìn)入碳中和技術(shù)市場(chǎng)，鼓勵(lì)碳中和技術(shù)企業(yè)收購(gòu)、兼并、上市，激發(fā)市場(chǎng)活力。

第三，策略性應(yīng)對(duì)國(guó)際市場(chǎng)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。對(duì)于領(lǐng)跑技術(shù)，要保持優(yōu)勢(shì)，形成較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力乃至技術(shù)壁壘，培育行業(yè)龍頭企業(yè)。對(duì)于并跑技術(shù)，要深度參與國(guó)際合作，共享技術(shù)未來(lái)發(fā)展前景。對(duì)于跟跑技術(shù)，密切關(guān)注國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)，尋找機(jī)會(huì)積極融入，儲(chǔ)備其中關(guān)鍵技術(shù)作為深度減排的技術(shù)組合方案。

第四，重點(diǎn)發(fā)力零碳能源技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。一是進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本。全球主要國(guó)家都布局或規(guī)劃了光伏技術(shù)，我國(guó)處于全球領(lǐng)先地位，近10年光伏發(fā)電成本降幅達(dá)85%。建議通過(guò)發(fā)展新型光伏技術(shù)如鈣鈦礦太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、疊層電池技術(shù)等，力爭(zhēng)將光伏發(fā)電成本降到0.1 元/kW·h以下，保持國(guó)際優(yōu)勢(shì)。二是加快大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能研發(fā)及商用。美國(guó)規(guī)劃到2030年儲(chǔ)能平準(zhǔn)化成本達(dá)到0.35 元/kW·h[76]，國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段還有一定差距，建議鼓勵(lì)深化化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，盡快趕超國(guó)際先進(jìn)水平。三是依托光伏優(yōu)勢(shì)發(fā)展綠氫。到2030年，全球范圍綠氫成本預(yù)計(jì)最低降低至1 美元/kg，將對(duì)工業(yè)體系重構(gòu)產(chǎn)生重大影響。建議依托光伏成本優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)低成本、高效率、規(guī)?；G氫制備技術(shù)，加強(qiáng)綠氫儲(chǔ)存運(yùn)輸技術(shù)的研發(fā)，爭(zhēng)取國(guó)際上的先進(jìn)地位。

第五，聚焦發(fā)展零碳流程再造技術(shù)。一是發(fā)展鋼鐵行業(yè)綠電綠氫冶煉技術(shù)。鋼鐵行業(yè)CO2排放占全國(guó)總量15%，綠電綠氫冶煉技術(shù)減排潛力巨大，建議集中力量發(fā)展基于低成本綠電、綠氫的短流程冶煉技術(shù)，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)從高爐和轉(zhuǎn)爐路線的煤炭冶煉向直接還原和電弧爐路線的富氫冶煉或綠氫冶煉轉(zhuǎn)化。二是發(fā)展水泥行業(yè)綜合減排技術(shù)。水泥行業(yè)CO2排放占全國(guó)總量14%，碳酸鹽原料煅燒產(chǎn)生的CO2排放是減排難點(diǎn)，綠電、綠氫替代燃料也存在成本瓶頸。建議研發(fā)推廣石灰石原料替代及熟料低鈣化技術(shù)、含能廢棄物與生物質(zhì)燃料替代燃煤技術(shù)和大摻量工業(yè)固廢制備無(wú)/少熟料水泥技術(shù)，同時(shí)發(fā)展無(wú)氮燃燒(O2/CO2)技術(shù)。三是構(gòu)建高能效高碳效化工體系?；ば袠I(yè)CO2排放主要來(lái)源是煤炭、石油、天然氣等燃料燃燒，建議發(fā)展節(jié)能增效技術(shù)、化石燃料替代技術(shù)、化學(xué)品高效合成技術(shù)等，構(gòu)建起高能效高碳效的碳中和化工體系。

第六，強(qiáng)化攻堅(jiān)非二溫室氣體深度減排技術(shù)和負(fù)排放技術(shù)。一是攻堅(jiān)非二溫室氣體深度減排的顛覆性技術(shù)。隨著CO2減排推進(jìn)，非二溫室氣體在溫室氣體中比重將從18%提升到接近50%，而現(xiàn)有技術(shù)下對(duì)于非二溫室氣體減排其邊際成本在臨界值后陡增，深度減排難度巨大。建議積極攻堅(jiān)顛覆性技術(shù)謀劃非二氣體深度減排。二是構(gòu)建負(fù)排放技術(shù)體系。一般預(yù)計(jì)到2060年國(guó)內(nèi)碳匯約7～10億 t，要實(shí)現(xiàn)碳中和還有大約3～8億 t CO2需要通過(guò)負(fù)排放技術(shù)托底。建議盯緊國(guó)內(nèi)外差距，發(fā)展基于生物質(zhì)能碳捕集與封存(BECCS)技術(shù)、直接空氣捕集(DAC)技術(shù)、各類場(chǎng)景下的低成本CO2捕集技術(shù)和安全封存技術(shù)，構(gòu)建包含CCUS技術(shù)、生態(tài)碳匯等的負(fù)排放技術(shù)體系并推動(dòng)商業(yè)化。

第七，注重發(fā)展多領(lǐng)域技術(shù)集成。技術(shù)集成能因地制宜，綜合多領(lǐng)域技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同推進(jìn)。例如“零碳無(wú)廢城市技術(shù)”[77]，集成城市有機(jī)固廢制高品位燃?xì)饧夹g(shù)、工業(yè)固廢與城市有機(jī)固廢協(xié)同利用技術(shù)、有機(jī)固廢熱解和CO2利用協(xié)同煤電調(diào)峰技術(shù)、生物質(zhì)富氫催化熱解和CO2高值化利用技術(shù)等，有利于城市有機(jī)固廢、工業(yè)固廢和碳排放問(wèn)題協(xié)同處理和轉(zhuǎn)化，充分發(fā)揮技術(shù)集成的優(yōu)勢(shì)。建議選好試點(diǎn)，鼓勵(lì)商業(yè)化，支持和發(fā)展技術(shù)條件成熟的集成方案。