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北極星大氣網絡：氣候變化是當今全球面臨的主要挑戰之一。自第一次工業革命以來，煤炭、石油、天然氣等化石能源的發現和利用，大大提高了勞動生産率，促進了人類社會的巨大繁榮發展，造成了嚴重的環境問題和氣候變化。
在過去的200年中，化石燃料燃燒産生的二氧化碳（CO2）已累積至2.2萬億噸，全球大氣中的二氧化碳濃度繼續上升。特别是，半個多世紀以來，CO2濃度一直在快速增長（圖1），2021年4月大氣中CO2的體積分數達到419×10-6，全球平均地表溫度上升1.1攝氏度。
圖1 自第一次工業革命以來，全球大氣中CO2體積分數的變化
資料來源：斯克裡普斯海洋研究所
2018年隐形政府間氣候變化專門委員會（IPCC）釋出了一份關于全球變暖1.5攝氏度的特别報告，其中指出，觀測到的全球氣溫上升和氣溫上升對人類的影響遠高于早先的預測，2攝氏度上升對世界的影響将是無法忍受的，人類必須将升溫限制在1.5攝氏度以内。基于CO2的溫室氣體排放引起的全球變暖已成為全球非傳統安全問題，對人類生存和可持續發展構成嚴重威脅。
中國提出碳峰、碳中和承諾不僅展現了中國作為世界強國的責任，而且推動了中國能源結構、産業結構、經濟結構轉型更新自身發展的需要，實作我國高品質發展，建設人與自然和諧相處的社會主義現代化強國具有重要的戰略意義。
1 我國在實作碳峰、碳中和和目标方面面臨的挑戰
改革開放40年來，中國經濟發展迅速，2019年中國國内生産總值（GDP）超過14萬億美元，居世界第二位，但人均GDP剛剛超過1萬美元，居世界第67位（圖2）。作為世界上最大的開發中國家，中國的發展不平衡依然突出，面臨着發展經濟、改善民生等一系列艱巨任務。在經濟社會發展的同時，如何轉變能源結構、産業結構和經濟結構，實作碳達峰、碳中和，這是第一個挑戰。
圖2 2019年全球GDP排名前20位的國家（a）和人均GDP（b）
資料來源：世界銀行。
就能源消費總量而言，到2020年，中國能源消費總量将是世界上最大的，占全球總量的1/4以上，二氧化碳排放量将占全球總量的1/3。在能源消費結構方面（圖3），中國仍以化石能源消費為主，2020年占比超過84%;就中國的發電類型而言，到2020年，中國總發電量的68%将來自火電。根據我們不同行業的碳排放資料（圖4），發電和供熱（51%）和工業（28%）是中國碳排放的兩大來源。在碳峰值時間方面，歐盟主要國家在1990年代達到碳峰值，美國在2007年達到碳峰值。歐盟主要國家提出到2050年實作碳中和，從碳峰到碳中和還有60多年的時間，而我國實作碳中和（2030年）到碳中和（2060年）的起步較晚，不到歐盟主要國家的一半時間。這意味着中國需要在更短的時間内将84%的化石燃料轉化為淨零碳能源系統，這是第二大挑戰。
圖3 2020年全球能源消費結構（a）及中國能源消費結構（b）和電力結構（c）
資料來源：BP，中國電力企業聯合會
圖4 1990-2018年中國各行業碳排放量
資料來源：國際能源署。
從氣候變化和溫室氣體控制的社會方面來看，中國在人心、企業認可度、技術儲備、市場機制、法律法規等方面落後于發達國家。例如，自《京都議定書》生效以來，世界主要國家和地區建立了區域碳交易體系，以實作碳減排承諾的目标，2005-2015年建立了橫跨四大洲的17個碳交易體系，中國的國家碳交易權将于2021年7月正式啟動。中國的碳交易體系需要迎頭趕上，這是第三個挑戰。
為了應對上述挑戰，中國必須加快面向碳峰和碳中和的經濟和社會體系轉型，開展能源革命，在能源供應、能源消費、能源技術和能源體系方面實作新的突破和跨越。
2 碳中和的能源變化與願景
碳中和是一場綠色革命，它将創造一個新的零碳産業體系，如果沒有颠覆性的、變革性的技術突破，就無法實作。未來能源轉型将是"五"：從能源供應端來看，電力是零碳化，燃料是零碳化，從能源需求側看，能源利用效率、再電氣化、智慧化（圖5）。最後，中國将建設以新能源為主體，以"化石能源與二氧化碳捕集與利用（CCUS）"和核能為保障，未來清潔零碳、安全高效的能源體系。
圖5 碳中和能源變化
從能源供應側看未來能源變化
1 電源為零碳化
目前，全球高達41%的碳排放來自電力行業，高達51%的碳排放來自發電和供熱，脫碳和零碳化是實作碳中和目标的關鍵。
1、要實作電力脫碳、零碳化，首先要發展可再生能源發電。
近10年來，我國可再生能源實作了跨越式發展，可再生能源開發利用規模居世界第一位。2020年，我國可再生能源發電量占全社會總用電量的29.5%，總發電量達2.2萬億千瓦時，到年底，我國可再生能源發電量占總裝機容量的42.4%，總規模已達9.3億千瓦（圖6）。
圖6 截至2020年底中國分類發電裝機量
資料來源：國家能源局
可再生能源發電的成本也在下降，全球光伏成本在過去10年（2010-2020年）下降了約85%。2021年6月，國家電力投資集團公司報告稱，四川省甘孜州市20萬千瓦光伏項目一期的低價為0.1476元/千瓦時，這是中國光伏電站項目的最低價格。預計到2030年，中國的風電和光伏裝機容量将達到16億至18億千瓦，到2050年将超過50億千瓦。
2、實作電力脫碳、零碳化，核心是建構以新能源為主體的新型電力系統。
高比例新能源和大規模負荷的雙重随機性和波動性，給電網的電力平衡和安全運作帶來了巨大挑戰，迫切需要改變傳統的"源對負荷"供電方式，提高電力系統的靈活性。要着力突破區域電力系統"源網負荷存儲"的深度互動與調控方式，提高電力電子電力系統的韌性，基于大資料的電力供需預測和管理，建立電力去中心化互信互信機制。
深化電力體制改革，創新電力市場機制和商業模式。依托遍布全國的分布式光伏和風力發電，每棟建築都将轉變成微型電站，大力發展虛拟電站、智能微電網和儲能技術，部署更多的新能源裝機容量，發射和消耗更多的新能源電力，使正常火力發電從目前的基負荷發電到峰值發電， 實作電力脫碳和零碳化。
建構以新能源為主體的新型電力系統是一個重大變革，德國的經驗值得借鑒。德國已宣布在2022年實作核武器無核化，在2038年實作煤炭無核化，并在2050年之前建設100%可再生能源的能源系統。德國率先推動可再生能源發展，在全國範圍内建立分布式光伏、風能、生物質能和儲能裝置，通過對電力供需的預測和管理，以及基于網際網路的電力交易和服務平台，有效促進可再生能源消費，改善電網供需平衡。在德國，很大比例的可再生能源已經成功地将傳統火力發電從基本負荷電力轉變為變峰電力。
3.實作電力脫碳和零碳化，化石能源發電可以通過CCUS實作淨零碳排放。
CCUS是實作大規模化石燃料零碳排放的關鍵技術，與CCUS火力發電相結合将平衡可再生能源發電的波動性，以提供有保障的電力和電網靈活性。"新能源發電與儲能"和"火力發電與CCUS"将是不可或缺的技術組合，它們之間的深度協同作用将是未來清潔、零碳、安全、高效能源體系的關鍵。
根據國際能源署（IEA）的資料，在可持續發展情景下，到2045年，全球所有非碳捕獲和儲存（CCS）燃煤渦輪機将逐漸淘汰，燃煤發電與CCS技術相結合将産生1，000太瓦時的電力。是以，加大CCUS技術研發投入，降低成本和能耗：研發新型吸收劑、吸附劑和膜分離材料，用于碳捕集、分離、運輸、利用、儲存和監測等方面的核心技術研究;
2 燃料為零碳化
燃料零碳化基于太陽能，風能和其他可再生能源，用于可再生燃料，包括氫氣，氨和合成燃料。基于零碳電力的可再生燃料提取（圖7）将創造一種"源-儲-負荷"離線可再生能源利用的新形式，有望使運輸和工業燃料獨立于化石燃料，實作燃料的淨零碳排放。可再生燃料是一種潛在的變革性技術，為國家能源戰略的轉型和實作碳中和目标提供了新的解決方案。
圖7 基于零碳電力的可再生燃料提取
可再生合成燃料是利用可再生能源通過電催化、光催化、熱催化等轉化還原CO2，合成烴類燃料或醇醚燃料，具有能量密度高、運輸和充注友善、利用現有加油站等基礎設施、成本低等社會應用等優點。諾貝爾化學家喬治·安德魯·喬治·安德魯·奧拉（George Andrew George Andrew Olah）在他2006年出版的《穿越石油和天然氣時代：甲醇經濟》（Crossing the Oil and Gas Age： The Methanol Economy）一書中，提出了将工業排放和天然二氧化碳轉化為來自可再生能源的碳中性酒精醚燃料的想法。
在2018年焦耳的一篇聯合論文中，石春峰、張濤、李靜海和白春麗提出，如果人類想要擷取、儲存和供應太陽能，關鍵在于如何将其轉化為穩定、可儲存的高能化學燃料，而"液體陽光"可能是未來的世界。近年來，通過可再生能源将CO2轉化為合成燃料技術引起了世界主要發達國家和地區的高度關注。國際碳回收組織冰島在冰島建造了世界上第一個基于CO2回收的商業甲醇工廠，利用地熱能發電，電解氫氫（H2），并進一步合成可再生甲醇與CO2;
2020年10月，中國科學院大連化學實體研究所李燦院士團隊"液體陽光"燃料合成示範項目在蘭州成功運作。歐盟啟動了Energy-X項目，探索以CO2為媒介的碳基能源的回收利用，美國能源部成立了液體陽光聯盟（LiSA），專注于CO2光/電還原液體燃料，上海交通大學成立了可再生合成燃料研究中心，目标是開發基于零碳動力的可再生合成燃料系統。牛津大學赫本等人在《自然》雜志上撰文預測，到2050年，全球将有42億噸二氧化碳轉化為合成燃料。
為了實作通過陽光、水和CO2擷取可再生合成燃料，迫切需要對可再生合成燃料進行基礎理論和關鍵技術研究。對于CO2還原轉化産品，可再生合成燃料設計基于燃料與動力單元之間的互相作用和控制機制，從分子水準建立催化劑結構關系，實作高效CO2還原催化劑系統的設計和功能定制，建構節能CO2還原合成燃料系統，實作CO2向液體燃料分子的高選擇性轉化和合成 可再生燃料。
從能源需求側看未來能源變化
在能源需求方面，應加快能源的高效、再電氣化和智能利用。
1 效率
節能、節能減碳是碳峰、碳中和、最基本最重要的工作。2012年以來，中國機關GDP能耗下降24.4%，明顯高于全球平均水準，但值得注意的是，2019年中國機關GDP能耗仍比全球平均水準高出50%，約為英國和日本的3倍，節能降碳潛力巨大。中國應加大節能、節水、節材、減碳等先進技術的研發和推廣力度，全面推進電力、工業、交通、建築等重點領域的節能減排;
2 重新電氣化
再電氣化是指在傳統電氣化的基礎上，基于零碳電力的高度電氣化，未來碳和社會的能源必須基于零碳電力。全球電氣化水準，即2018年電力僅占最終用途能源消耗的19%，中國為25.5%，預計到2050年将超過50%。在加快零碳電力供應的基礎上，加快工業、建築、交通等領域的再電氣化，這是提高能效、實作脫碳、零碳利用的重要途徑。
3 智慧
智慧是通過網際網路、物聯網、人工智能、大資料、雲技術等資訊控制技術，将人、能源裝置與系統、能源服務互聯互通，使電力、電網、負載和儲能深度協同，能源流與資訊流高度融合。
分布式電源與海量負荷相結合，通過網絡，給各機關智能化、能源生産、交易、利用效率，以及能源基礎設施共享，這是提高能源效率，最大化當地可再生能源消費的重要手段。區塊鍊技術使資料或資訊具有"全溯源"、"可追溯性"、"公開透明"和"集體維護"等特點，将改變能源系統的生産和交易模式，實作點對點新能源生産、交易和基礎設施共享。例如，在未來，移動應用程式可以很容易地将屋頂上多餘的光伏發電出售給附近需要為電動汽車充電的陌生人，這是一個點對點交易系統，使能源系統中的節點獨立生産者。
第3章 能源發展的主要趨勢
碳中和能源發展的大趨勢是推動能源供應側電力脫碳零碳化、燃料零碳化、能源需求側能效、再電氣化、智慧能源變革。化石能源特别是煤炭将轉變為有保障的能源，以CCUS實作化石能源淨零碳排放，同時穩步發展核電，并在此基礎上，建構以新能源為主體，以"化石能源+CCUS"和核能為保障的清潔、零碳、安全、高效的能源體系。
1.以能源生産的形式，從自上而下的樹狀結構到現有電力系統（發電-輸配電-電）的扁平化、大量分布式能源自主單元結構的互相互聯。這種能源互聯互通，實作了可再生能源的分層接入和消費，建構了以新能源為主體的新型電力系統。
2.在能源生産和消費的主體中，從能源生産者、消費者互相獨立轉變為能源生産者和生産者。随着分布式能源系統和智能微網、LAN技術的日益成熟和電動汽車的普及，電網中的分散式電源和有源負荷将持續增長，每棟建築都将轉變為微型發電廠，原有需求側使用者将扮演消費者和生産者的雙重角色，成為獨立的能源生産者。
3、在能源結構上，化石能源将從一次能源逐漸向保障能源轉變，一次能源消費比例将大幅降低，可再生能源從補充能源向一次能源的比例将繼續大幅增加。在能源使用時代，從高碳到低碳，最後到零碳能源，這種變化将是革命性的和破壞性的。
3 結論
碳中和願景下的能源變化包括供應方的電力零碳化，燃料的零碳化以及需求側的高效，再電氣化和智能能源使用。
電力脫碳和零碳化是實作碳中和目标的關鍵和首要任務，碳中和和社會能源必須以零碳電力為基礎。要盡最大努力提高非碳基電力的速度和供應能力，建構以新能源為主體的新動力體系。
2
面對碳中和，化石能源，尤其是煤炭，将轉化為中國的有保障的能源。
CCUS是實作大規模化石能源零碳排放的關鍵技術，火電與CCUS相結合将推動電力系統的淨零排放，平衡可再生能源發電的波動性，并提供有保障的電力和電網靈活性。"新能源發電與儲能"和"火電與CCUS"将是不可缺少的技術組合，将構成以新能源為主體，"化石能源與CCUS"和核能作為未來清潔零碳、安全高效能源體系的保障。
3
碳峰是一種量變，碳中和是一種質的變化，隻有通過碳峰量的變化才能走碳中和的品質變化。
沒有能源變革，沒有經濟和社會的系統性社會變革，沒有綠色革命，碳中和就無法實作。碳中和未來能源的核心是一系列颠覆性、變革性的能源技術作為戰略支撐，形成全新的能源體系。
4
實作"雙碳"目标，特别是碳中和與經濟社會發展不是對立關系，不是"軌道超車"而是"變軌"，是重新定義人類社會資源利用方式，是挑戰也是機遇。
碳中和将引領建構新的零碳産業體系，人類将立足于自然禀賦的能源開發利用，以技術創新為基礎開發利用新能源。誰在零碳技術創新方面處于領先地位，誰就是"新軌道"上的"上司者"，誰就有可能引領下一次工業革命。
5
碳中和能源的變化不僅是一個能源問題，一個環境問題，而且是一個全球性和系統性問題;
能源變革的道路需要基于技術、市場和政策法規的科學設計和決策。
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