創 陳 軍
轉自:科學EDU 2022-02-11
自工業革命以來，由于工業化程度提高、化石燃料大量消耗、全球範圍内森林面積減少等，二氧化碳排放量不斷增加，導緻全球氣溫升高、冰川融化、海平面上升、極端天氣多發等諸多生态環境問題，人類賴以生存的地球面臨着前所未有的威脅與挑戰。
從1850年至今，美國二氧化碳排放量超過5090億噸，占全球總量的20.3%，是全球最大的累計排放國（圖1）。大陸排在第二位，累計二氧化碳排放量約2884億噸，占全球11.4%。特别是進入21世紀以來，随着大陸經濟的快速發展，二氧化碳排放量也急劇增加。
圖1 1850~2021年世界主要國家累計二氧化碳排放量（機關：十億噸，資料來源：Carbon Brief）
雖然大陸曆史人均累計碳排放量遠低于發達國家，但機關國内生産總值（GDP）能耗與碳排放量遠高于發達國家，如2020年大陸機關GDP能耗為3.4噸标準煤/萬美元，機關GDP碳排放量為6.7噸二氧化碳/萬美元，均遠高于全球平均水準及美國、日本、德國、法國、英國等發達國家（圖2）。
圖2 2020年世界主要國家機關GDP能耗和二氧化碳排放量（資料來源：BP Energy）
為推動能源低碳化和綠色發展，2020年9月，大陸政府在第75屆聯合國大會上宣布中國力争在2030年前實作“碳達峰”，2060年前實作“碳中和”。這裡的碳中和（carbon neutrality）是指企業、團體或個人在一定時間内，通過植樹造林、節能減排、技術固碳等形式，抵消自身直接或間接産生的二氧化碳排放量，實作二氧化碳“零排放”（圖3）。
圖3 碳中和示意圖
不同國家推進碳中和的進度有所不同，目前全球已有130多個國家和地區提出實作碳中和的時間，大部分國家提出在2050年實作碳中和目标；世界各國從碳達峰到碳中和的時間平均需要50年以上。大陸宣布從碳達峰到碳中和的間隔時間為30年，而歐盟承諾的碳達峰到碳中和的時間為60~70年，間隔時間超過大陸的2倍以上。目前，大陸仍處于工業化過程中，一次能源消費仍在快速增長，碳排放也仍處于增長階段。這預示着大陸要付出更加艱苦的努力，以更快的速度和更高的效率才能實作碳中和目标。
目前能源領域碳排放總量大、占比高，這主要是源于化石能源的大量開采和利用，使得二氧化碳等溫室氣體排放量急劇增加。為實作碳中和，亟待變革能源利用方式和調整能源結構。一方面，改變化石能源利用方式、提高化石能源轉化效率、促進化石能源的清潔高效利用，進而達到節能減排的目的；另一方面，大陸目前的資源結構為“富煤、少油、缺氣”，亟需改變能源結構，提高新能源和清潔能源的占比，大力推進低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。總的來說，發展新能源，實作能源轉型，降低化石能源消費，提高能源使用率，節能減排，建構綠色低碳的能源體系，是降低二氧化碳排放、實作碳中和的重要舉措。
BP Energy預計未來将加快提升電氣化率，以非化石能源為主的電能将成為一次能源主體，在非電能源領域将會加速推動氫能、碳捕獲、利用、儲存等新技術應用。預計到2060年70%的電力将由清潔可再生能源供應，約8%将由綠氫支撐，剩餘約22%的化石能源消費将通過碳捕獲方式實作碳中和（圖4）。由于風能、太陽能等可再生能源發電受自然界的風速、風向、晝夜、陰晴天氣的影響，具有間歇性、波動性，為保證電網安全、穩定、可靠供電，長時儲能技術将是實作“雙碳”目标的關鍵核心，必須引起高度重視。新能源汽車替代燃油車也是有效降低二氧化碳排放的重要途徑，未來将得到更快的發展。
圖4 中國一次能源消耗結構變化預測（資料來源：BP Energy）
經過多年發展與積累，大陸新能源科技水準和創新能力持續提升，部分領域達到國際領先水準。但行業整體科技水準還不足以支撐能源結構轉型更新的需求，相比發達國家仍然在部分方向存在差距。特别是在雙碳目标提出後，更需要理論創新、技術創新、制度創新，要從大陸的實際出發，尋求颠覆性的技術突破。是以，加快核心技術創新，推動能源開發、轉換、配置、儲存、使用等領域的技術創新、裝備制造和産業發展等仍有巨大的發展空間。
未來，大陸将以更大力度推進新能源先進發電技術、先進特高壓電網技術、大規模新型儲能技術、綠色氫能技術、碳捕集利用與封存技術和先進核能技術攻關的同時，進一步推進煤炭綠色高效利用技術、石油化工綠色低碳技術的創新攻關，推動數字化資訊化技術在節能、儲能、清潔能源利用、能源網際網路領域的創新融合（圖5）。可再生能源發電、先進儲能技術、氫能技術、先進核電、二氧化碳綜合利用等新技術有望取得系列重大突破，減碳脫碳技術将成為今後一個時期能源領域技術研發和攻關的重點。
圖5 新能源關鍵技術助力“雙碳”戰略
作者簡介
陳軍，無機化學家，中國科學院院士，南開大學教授、博士生導師、副校長、先進能源材料化學教育部重點實驗室主任。陳軍主要從事能源材料化學與高能電池的研究。提出了“室溫—氧化還原—轉晶”新合成方法，室溫合成出系列穩定的導電納米尖晶石複合催化劑，替代了貴金屬鉑電極，應用于可充電金屬锂、鋅空氣電池；提出電極微納化可改善多電子電極反應活性和結構穩定性的設想，經大量實驗制備了可充锂、鈉、鎂電池的微納多級結構電極，提高了電池的安全性；發展了系列高比能有機電極材料和複合固态電解質。研究成果為降低電池電極材料成本、提高電池能量密度及解決電池燃燒爆炸隐患提供了新思路。陳軍以第一作者編著《能源化學》和《化學電源：原理、技術與應用》，并主講能源化學、新能源科學與工程導論、化學概論等課程。入選國家教學團隊、國家實驗教學示範中心、教育部精品視訊公開課，獲國家教學成果一等獎（2009年，第八完成人）、寶鋼優秀教師特等獎提名獎（2013年）。主持的“新能源科學與工程專業創新創業人才培養體系研究”入選教育部2018年公布的首批“新工科”研究與實踐項目，并組織編寫了“新能源科學與工程教學叢書”。
—— 新能源科學與工程教學叢書 ——
參考資料（暫略）