要真正实现通过阳光、水、CO2 获取可再生合成燃料，亟待开展可再生合成燃料的基础理论和关键技术研究。针对 CO2 还原转化产物，基于燃料与动力装置相互作用及调控机制，进行可再生合成燃料设计；从分子水平上建立催化剂构效关系，实现高效 CO2 还原催化剂体系的设计与功能化定制；进而构建高能效的 CO2 还原合成燃料系统，实现 CO2 到液体燃料分子的高选择性转化和可再生燃料的合成。
从能源需求侧看未来能源变革
在能源需求侧，要加快实现能源利用的高效化、再电气化和智慧化。
1 高效化
能源利用高效化、节能减碳是碳达峰、碳中和最基础的重要工作。2012 年以来我国单位 GDP 能耗累计降低 24.4%，明显高于全球平均降速；但是，值得注意的是 2019 年我国单位 GDP 能耗仍高于全球平均水平 50%，是英国、日本的 3 倍左右 ，节能减碳潜力可观。我国要加大节能、节水、节材、减碳等先进技术研发和推广力度，全面推进电力、工业、交通、建筑等重点领域节能减碳；加快对电力、钢铁、石化化工、有色金属、建材等高耗能、高碳排放行业企业，以及交通运输车辆设备和公共建筑，实施节能和减碳技术改造，以降低单位 GDP 能耗和碳排放强度。
2 再电气化
再电气化是指在传统电气化基础上，实现基于零碳电力的高度电气化；未来碳中和社会的能源一定是围绕零碳电力展开的。2018 年全球电气化水平即电能占终端能源消费的比重仅为 19%，我国为 25.5%，预计 2050 年全球电气化水平将高于 50%。在加速零碳电力供给的基础上，加快工业、建筑、交通等领域的再电气化，这是提高能源利用效率、实现能源利用脱碳和零碳的重要途径。
3 智慧化
智慧化是通过互联网、物联网、人工智能、大数据、云技术等信息与控制技术，将人、能源设备及系统、能源服务互联互通，使电源、电网、负荷和能源存储深度协同，实现能源流与信息流的高度融合。
把多种多样的分布式发电源和海量的负荷通过网络构架起来，给每个单元赋予智能，实现能源生产、交易、利用的高效化，以及能源基础设施的共享，这是提高能源利用效率、最大限度就地消纳可再生能源的重要手段。区块链技术使数据或信息具有“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征，将改变能源系统生产和交易模式，实现点对点新能源生产、交易、基础设施共享。例如，未来人们通过手机应用程序（APP）就能方便地把自家屋顶多余的光伏电卖给附近需要给电动汽车充电的陌生人，这种点对点的交易系统使能源系统中各节点成为独立的产消者。
3 能源发展大趋势
面向碳中和的能源发展大趋势是通过能源变革，大力推进能源供给侧的电力脱碳与零碳化、燃料零碳化，以及能源需求侧的能源利用高效化、再电气化和智慧化。化石能源尤其是煤炭将转变为保障性能源，通过 CCUS 实现化石能源净零碳排放，同时稳步发展核电；在此基础上，构建以新能源为主体、“化石能源+CCUS”和核能为保障的未来清洁零碳、安全高效能源体系。
1.在能源生产形式上，将从现有电力系统自顶向下的树状结构（发电―输电―配电―用电）走向扁平化、大量分布式能源自治单元之间相互对等互联的结构。这种能源互联使可再生能源分层接入与消纳得以实现，构建以新能源为主体的新型电力系统。
2.在能源生产和消费的主体上，将从能源生产者、消费者互相独立转变为能源产销者一体。随着分布式能源系统和智能微网、局域网技术的日益成熟及电动汽车普及，电网中分散电源和有源负荷将不断增长，每一个建筑物转化为微型发电厂，原本需求侧的用户将扮演消费者和生产者的双重角色，成为独立的能源产消者。
3.在能源结构上，化石能源从主体能源逐步转变为保障性能源，在一次能源消费中的占比将大幅降低，可再生能源从补充能源变为主体能源，比例会持续大幅度提高。能源利用从高碳走向低碳，最后走向零碳能源的时代，这种变化将是革命性和颠覆性的。
3 结 论
1碳中和愿景下的能源变革包括供给侧的电力零碳化、燃料零碳化，以及需求侧的能源利用高效化、再电气化、智慧化。
电力脱碳与零碳化是实现碳中和目标的关键和重中之重，碳中和社会的能源一定是围绕零碳电力展开的。要尽最大努力，提高非碳基电力发展速度和供给能力，构建以新能源为主体的新型电力系统。
2
面向碳中和，化石能源尤其是煤炭将转变为我国的保障性能源。
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 的火电将推动电力系统净零排放，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，这些将构成以新能源为主体、“化石能源+CCUS”和核能为保障的未来清洁零碳、安全高效能源体系。
3
碳达峰是量变，碳中和是质变，仅通过碳达峰的量变走不到碳中和的质变。
如果没有能源变革、没有经济社会系统性社会变革、没有一场绿色革命，不可能实现碳中和。面向碳中和的未来能源，其核心是由一系列颠覆性、变革性能源技术作为战略支撑，形成的全新能源体系。
4
实现“双碳”目标特别是碳中和与经济社会发展不是对立关系，不是“赛道超车”而是“换赛道”，是重新定义人类社会的资源利用方式，是挑战更是机遇。
碳中和将引领构建全新的零碳产业体系，人类将从基于自然禀赋的能源开发利用，走向基于技术创新的新能源开发利用。谁在零碳技术创新占据领先，谁就是“新赛道”上的“领跑者”，谁就有可能引领下一轮产业革命。
5
面向碳中和的能源变革，绝不仅是一个能源问题、一个环境问题，而是一个全局性、系统性问题；不是一蹴而就的，而是要循序而进，先立后破。
能源变革的路径需要基于技术、市场和政策法规等多层面进行科学设计与决策。
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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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