图5 面向碳中和的能源变革

从能源供给侧看未来能源变革

1 电力零碳化

目前全球高达 41% 的碳排放来自于电力行业，我国更是高达 51% 碳排放来自于发电和热力，电力脱碳与零碳化是实现碳中和目标的关键。

1.要实现电力脱碳与零碳化，首先要大力发展可再生能源发电。

近 10 年来，我国可再生能源实现跨越式发展，可再生能源开发利用规模稳居世界第一。2020 年我国可再生能源发电量占比全社会用电量 29.5%，总发电量达到 2.2 万亿千瓦时；截至当年年底，我国可再生能源发电装机占比总装机 42.4%，总规模已达到 9.3 亿千瓦（图 6）。

图6 截至2020 年底我国分类型发电装机容量

数据来源：国家能源局

可再生能源发电成本也在不断下降，全球光伏发电成本在过去 10 年（2010―2020 年）下降了 85% 左右。2021 年 6 月国家电力投资集团公司在四川甘孜州正斗一期 20 万千瓦光伏项目上报出 0.1476 元/千瓦时低价，创下中国光伏电站项目最低价纪录。据预测，我国风电和光伏装机到 2030 年可达 16 亿―18 亿千瓦，2050 年将超过 50 亿千瓦。

2.要实现电力脱碳与零碳化，核心是构建以新能源为主体的新型电力系统。

高比例新能源和海量负荷的双重随机性与波动性，给电网功率平衡和安全运行带来了很大挑战，亟须变革“源随荷动”的传统电力供给模式，提高电力系统灵活性。要重点突破区域电力系统“源网荷储”的深度互动与调控方法，提升电力电子化电力系统韧性、进行基于大数据电力供给和需求的预测与管理、建立电力分散自治互信交易机制。

要深化电力体制改革，创新电力市场机制和商业模式。依赖遍布全国的分布式光伏发电和风电，将每一个建筑物转化为微型发电厂，大力发展虚拟电厂、智能微电网和储能技术，部署更多的新能源装机容量，发出与消纳更多的新能源电量，使常规火力发电从现在的基荷电力转变为调峰电力，实现电力脱碳与零碳化。

构建以新能源为主体的新型电力系统是一项重大变革，德国的经验值得借鉴。德国先后宣布 2022 年弃核和 2038 年弃煤，2050 年构建全部 100% 采用可再生能源的用能体系。德国在推进可再生能源发展中立法先行，建立起遍布全国的分布式光伏发电、风电、生物质发电及储能机组；通过基于大数据的电力供给侧和需求侧的预测与管理，以及基于互联网的电力交易和服务平台，有效促进可再生能源消纳，提高电网的供需平衡。在德国，高比例的可再生能源已使常规火电从基荷电力转变为调峰电力，成功实现了能源结构转型。

3.要实现电力脱碳与零碳化，化石能源发电可通过 CCUS 实现净零碳排放。

CCUS 是目前实现大规模化石能源零碳排放利用的关键技术，结合 CCUS 的火电将平衡可再生能源发电的波动性，提供保障性电力和电网灵活性。“新能源发电+储能”与“火电+CCUS”将是不可或缺的技术组合，它们间的深度协同将成为未来清洁零碳、安全高效能源体系的关键。

根据国际能源署（IEA）研究结果，可持续发展情景下，2045 年前全球将淘汰所有非碳捕获与封存（CCS）煤电机组，将有 1 000 太瓦时的电力由煤电结合 CCS 技术生产。因此，要加大 CCUS 技术研发投入，降低成本及能耗：研发新型吸收剂、吸附剂和膜分离材料，针对碳捕集、分离、运输、利用、封存及监测等各个环节开展核心技术攻关；要尽快建立 CCUS 标准体系及管理制度、CCUS 碳排放交易体系、财税激励政策、碳金融生态，推动火电机组百万吨级 CO2 捕集与利用技术应用示范，实现 CCUS 市场化、商业化应用。

2 燃料零碳化

燃料零碳化是以太阳能、风能等可再生能源为主要能量制取可再生燃料，包括氢、氨和合成燃料等。基于零碳电力的可再生燃料制取（图 7），将创建一种全新的“源-储-荷”离线可再生能源利用形式，有望使交通和工业燃料独立于化石能源，实现燃料净零碳排放。可再生燃料是一项极具潜力的变革性技术，可为国家能源战略转型与碳中和目标实现提供全新的解决方案。

图7 基于零碳电力的可再生燃料制取

可再生合成燃料是利用可再生能源通过电催化、光催化、热催化等转化还原 CO2，以合成碳氢燃料或醇醚燃料，具有能量密度高、输运和加注方便、可利用目前加油站等基础设施、社会应用成本低等优点。诺贝尔化学奖得主乔治?安德鲁 ? 欧拉（George Andrew Olah）等于 2006 年在著作《跨越油气时代：甲醇经济》中提出了利用可再生能源将工业排放及自然界的 CO2 转化为碳中性醇醚燃料的观点。

2018 年施春风、张涛、李静海、白春礼 4 位院士联合在 Joule 发文提出，如果人类想要获取、储存及供给太阳能，关键就在于如何将其转化为稳定、可储存、高能量的化学燃料，“液态阳光”将可能成就未来世界。近年来，通过可再生能源来转化 CO2 制备合成燃料技术引起了世界主要发达国家和地区的高度关注。冰岛碳循环国际公司（Carbon Recycling International）在冰岛建成了世界上第一座基于 CO2 循环利用的商业化甲醇工厂，通过地热发电，电解水制氢气（H2），进一步与 CO2 合成可再生甲醇；2014 年该公司甲醇产能达到 4 000 吨。

2020 年 10 月中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队千吨级“液态阳光”燃料合成示范项目在兰州成功运行。欧盟启动 Energy-X 项目，以 CO2 为介质来探究碳基能源的循环利用；美国能源部成立“液态阳光联盟”（Liquid Sunlight Alliance，LiSA），聚焦 CO2 光/电还原液体燃料；上海交通大学成立了可再生合成燃料研究中心，目标是研发基于零碳电力的可再生合成燃料系统。牛津大学 Hepburn 等 在 Nature 上发文预测到 2050 年全球将有 42 亿吨 CO2 被转化为合成燃料。

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本文标题：碳中和面临的三大挑战与能源变革

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