碳中和,技術“先手棋”如何落子

內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗的一名工人爲天驕綠能50萬千瓦光伏發電項目安裝光伏板。新華社

浙江省德清縣新安鎮舍西村,工作人員在檢查村民屋頂太陽能光伏板併網發電情況。新華社發

華電福清海壇海峽海上風電項目的首臺主控系統國產化機組。新華社發

【我看碳中和

7月16日,發電行業全國碳排放權交易市場正式上線。這意味着,支持我國“二氧化碳排放力爭於2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的目標願景實現的重要工具快速落地。國務院常務會議指出,這一設立支持碳減排貨幣政策工具的舉措,將以穩步有序、精準直達的方式,支持清潔能源、節能環保、碳減排技術發展

正如中國工程院院長李曉紅所言,“達峰碳中和是一場關於新技術、新市場的賽跑,是中國第一次真正意義上在變革中與發達國家同場競技。”

在許多業內專家看來,嚴控化石能源、大力發展非化石能源、優化產能結構……在實現碳達峰碳中和的一個個“小目標”中,首先迎來的將是一場技術革命。在能源、電力、交通、環保、生態乃至建築等多個領域,科技創新這招“先手棋”如何謀篇落子,將是這場“大考”的開局關鍵。

能源深度轉型凸顯技術依賴

從20世紀90年代初簽署《聯合國氣候變化框架公約》開始,在減碳方面,我國作出了持續的努力。與1990年相比,2020年我國單位GDP二氧化碳排放強度降幅超過90%。煤炭在一次能源中所佔的比例,從1990年的76.2%下降到了2020年的57.7%。非化石能源佔比穩步上升,到2019年已超過15%。

減碳也同時支持了PM2.5濃度的大幅降低。從2013年開始,國家大幅度推進治理大氣污染行動,到2020年,全國300多個城市PM2.5的平均濃度下降了46%。大氣污染治理和減碳行動取得了協同增效的成果。

“然而,如果我們還延續過去以末端治理爲主的控制路徑,那麼未來十年,我們減排大氣污染物的潛力將基本耗盡。”中國工程院院士、清華大學環境學院教授賀克斌說,“因此,我們選擇在碳中和目標下,實現深度能源轉型。”

賀克斌介紹,據測算,我國2020年二氧化碳總排放量約104億噸,到2030年前達峰,預計達到110億噸左右,僅略有增長。而我國的碳匯能夠吸收碳的能力大概是10億噸左右。由此推算,如果要在2060年前實現碳中和,則意味着超過90%的碳排放量要減下來。作爲碳排放的絕對“主力”,“解綁”化石能源依賴勢在必行。

“這凸顯出未來對技術的依賴和需求。”賀克斌指出,截至2020年年底,已經有100多個國家或地區提出了碳中和承諾。在這一目標推進下,世界經濟發展將從資源依賴型向技術依賴型轉變。

他分析,目前,全球經濟高度依賴化石能源,但是化石能源的地域分佈極度不均勻。例如,煤炭儲量最多的前五個國家擁有全球煤炭75%的儲藏量。這使得擁有資源的國家在發展上存在明顯優勢。然而,在碳中和的目標要求下,各國將大幅度提升非化石能源的比例,如風能、太陽能、水能核能。其中,風能、太陽能佔比相對更高。而全球風、光資源分佈相對均勻,因此,“誰能夠更好地掌握抓取風、光資源,即開發出大規模應用風電、光伏電的領先技術體系,誰就獲得了長期經濟發展支撐能力的提升。”

而這個備受依賴的技術體系,恰好是一個新生的競技場。國際能源署IEA2021年作出的技術評估顯示,在全球能源行業的路線圖裡,2050年實現碳淨零排放的關鍵技術中,尚有50%未成熟,如智能充電技術,需要進一步研發提升。“在碳中和問題上,‘技術爲王’將得到充分體現,誰在技術上走到前面,誰就會在未來國際競爭中取得優勢。”中國科學院院士丁仲禮說。

節能提效前沿技術需求迫切

不久前,在寧夏的茫茫戈壁上,全球最大的太陽能電解水制氫項目正式投產。在前沿技術的“加持”下,通過太陽能生產電能,通過電解水製取出氫和氧,再用氫替代煤作爲原料、氧替代煤作爲燃料,直供化工系統生產聚乙烯等上百種高端化工產品,這裡形成了一條完整的碳中和產業鏈。

在中國工程院院士杜祥琬看來,這樣的技術變革將隨着碳中和的推進發生在經濟社會的方方面面,其中,節能、提效是戰略之首。杜祥琬介紹,在節煤方面,有賴不斷迭代的技術支持,我國煤電發電煤耗有望降至289克標準煤/千瓦時,燃煤工業鍋爐將採用高效、低排放的煤粉爐,熱效率可由65%提升至90%,鋼鐵、建材、化工等單位產品煤耗也應達到國際先進水平,居民和服務業燃煤爐竈也將推廣採用熱效率70%以上的新型爐竈,“經計算,以上每一項均可有效節約1億噸以上的標準煤。”

發展非化石能源,風能、光能、水能、核能也將逐步走上電力主場。目前,我國水電、風電、光伏發電累計裝機容量均居世界首位,在技術應用上已相對成熟。“從成本上看,水電、風電明顯比火電便宜,太陽光伏發電的成本目前已不到煤炭發電成本的三分之一,這些可再生能源的競爭性可謂突飛猛進。”中國社科院學部委員、國家氣候變化專家委員會委員潘家華說。

然而,我國目前的電力系統仍是基於傳統的交流電網,發電不論是基於水電還是火電,都是可控的。未來若大規模使用風、光等發電能源,由於其受天氣、季節、晝夜影響,雖取之不盡,但發電量的不確定性也大大增加,這就催生了對高度智能化、可調控的電網或虛擬電廠和先進儲能設備系統的迫切技術需求,更有望拉動相關產業的迅速發展。

此外,生物質能也展現出一定的能源潛力,亟待技術開發。中國工程院院士、清華大學建築學院教授江億介紹,我國可開發的生物質能源共有8億噸標準煤當量,但還遠遠未得到利用。具體包括麥秸、玉米秸、稻草等農業秸稈,果木、落葉等林業枝條,牲畜糞便和農副產品加工垃圾餐廚垃圾等。通過技術創新,我們可對這些生物質材料進行商品化能源加工,如壓縮顆粒供清潔燃燒、用作可替代木炭,壓縮成塊供工業鍋爐焚燒和發電,此外,還可建設大型沼氣池,得到純度達95%以上的甲烷燃料。

加快提升低碳環保技術優勢儲備

緊隨能源、電力,交通和建築行業的減排技術需求同樣迫切。賀克斌介紹,以電或氫代油,新能源汽車產業將得到進一步大力發展,並將成爲未來消納風電、光伏發電能力的重要途徑,具備雙向充放電功能。爲適應未來高比例的風電、光伏電力,城市建築“光儲直柔”配電的建設和改造也將逐漸推開。江億指出,經過測算,我國城鎮建築屋頂光伏可開發量爲8.3億千瓦,這些電力可滿足城鎮建築自身用電的30%~40%。同時,連接智能充電樁與電動汽車,建築內部配電也將改爲直流系統,由此成爲電力的柔性負載。

排放端發力,固碳端同樣不能落後。根據承諾,中國將在2060年前通過植樹造林、碳捕集和封存利用、海洋吸收等形式抵消自身產生的二氧化碳排放。中科院上海高等研究院研究員魏偉表示,通過碳捕集利用和封存即CCUS技術來吸收二氧化碳,已是全球減排不可或缺的技術選擇。我國碳捕集部分技術已達到和接近達到商業化應用階段,也已形成了相關技術發展路線圖。

國家海洋局局長王宏透露,爲助力“雙碳”目標實現,我國已組織開展專項調查評估,摸清了紅樹林、鹽沼、海草牀三大藍碳生態系統本底,並正在推進海洋微生物碳泵、漁業碳匯研究。此外,陸地生態系統固碳現狀測算、陸地生態系統未來固碳潛力分析也有待科技界下一步重點研究。

“放眼未來,新的變革必將孕育全新的科學技術和工程,必須加快前沿研究,抓緊部署低碳前沿技術研究,加快推廣應用減污降碳技術,提升我國在低碳環保領域的技術優勢和儲備。”李曉紅建議。

記者瞭解到,針對碳中和問題中的科技需求,中國科學院學部已設立重大諮詢項目“中國碳中和框架路線圖研究”,目標是設計初步路線圖,“先給出一個框架性建議,供科技界討論、修正、完善。”丁仲禮說,我國學術界應該秉持開放的態度,廣泛參與,發揮出想象力和創造力。

“碳達峰、碳中和將帶來一場由科技革命引起的經濟、社會、環境的重大變化,其意義不亞於三次工業革命。”科技部部長王志剛表示,兼顧經濟社會可持續發展與碳中和目標實現,必須依靠科技創新,以全面實現循環型零碳社會的變革性重構。

(本報記者 楊舒)