白春礼：碳中和背景下的能源科技发展态势

编者按

在“财经年会2023：预测与战略”上，中国科学院学部主席团名誉主席、中国科学院院士、中国科技大学名誉校长、中国科学院原院长白春礼以《碳中和背景下的能源科技发展态势》为题发表演讲，对现阶段我国能源科技发展现状及需要接受的具体挑战进行了分享和科普。本文根据其演讲整理。

以CO2为主的温室气体排放所导致的全球气候变暖，已成为全球性的非传统安全问题，严重威胁人类的生存和可持续发展。

2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上郑重宣布，中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，不仅彰显了我国作为世界大国的责任担当，也是推动我国能源结构、产业结构、经济结构转型升级的自身发展需要，对我国实现高质量发展，建设人与自然和谐共生的社会主义现代化强国具有重要战略意义。

根据国际能源署（IEA）发布的报告，2021年全球与能源相关的CO2排放量增加6%至363亿吨，创历史新高。2021年，我国CO2排放量为119亿吨，占全球总量的33%。但需要说明的是，一方面，从主要发达国家的发展历史来看，一个国家的发展程度与人均累计碳排放密切相关，我国人均累计碳排放远不及世界平均水平；
另一方面，2021年我国GDP总量约114万亿元，CO2排放总量约119亿吨，即万元GDP排放约1吨CO2，相对于20世纪90年代万元GDP排放约12吨CO2，我国在节能减排方面取得巨大进步。

现阶段，我国CO2排放80%来自于能源生产和工业利用，可见实现碳中和目标，需要能源变革。目前科学界认为能源革命和产业转型的重要方向，一是化石能源清洁低碳利用；
二是低碳和可再生能源的规模化应用；
三是二氧化碳捕集和利用。

我国总的能源特征是“富煤、贫油、少气”。根据预测，我国能源消费在2030年达到峰值总量约56亿吨标准煤；
石油消费量在2025年进入峰值平台区；
天然气消费比重逐年增加，到2040年接近14%，但仍远低于同期全球天然气消费占比23%；
煤炭消费比重持续下降，到2050年占比17%。非化石能源进入快速发展期，到2050年占比57%，2060年达80%。到本世纪中叶，石油和天然气消费比重总和为26%，仍是能源消费的主体之一。化石能源的清洁低碳利用，主要是指煤炭和石油的优化利用。

1.煤炭的清洁高效利用

煤炭的清洁高效利用和转化一直是我国重要的能源发展战略，这方面已经开展了很多研究工作并取得了一系列重要进展。2018年，以中科院的技术为核心，全球单套规模最大的煤炭液化装置、年产400万吨煤制油工程成功投产，实现煤炭资源清洁高效转化，拓宽我国油品供给渠道。2021年，国家能源集团宁煤煤制油分公司全年产出油化品超过405万吨，全球单套规模最大煤制油项目建成投产以来首次达到设计产能。

乙烯、丙烯等低碳烯烃是现代化学工业的基石，日常生活中的塑料杯、保鲜膜、吸管等都是以烯烃为原料生产出来的。烯烃的传统生产高度依赖石油资源，中科院大连化物所长期开展煤制烯烃的技术研究。一方面，成功开发了煤经甲醇制取低碳烯烃DMTO成套工业化技术，处于国际领先水平。截至目前，该技术使烯烃产能达2025万吨/年，约占全国现有产能的1/3。另一方面，利用纳米限域催化新概念，创立OXZEO催化剂和催化体系，开创煤经合成气制烯烃新捷径。合成气是一氧化碳和氢气的混合气，可由煤、天然气或生物质气化得到，传统的合成过程中消耗大量水，会产生废水和CO2。OXZEO实现了煤经合成气直接转化制低碳烯烃等高值化学品，低碳烯烃选择性超过了80%。这一突破性成果于2016年发表在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上，被誉为“里程碑式新进展”和“开创煤制烯烃新捷径”，获2020年国家自然科学奖一等奖。

2.石油化工行业的发展趋势

石油化工是化工产业链上游基础，为国民经济的运行提供能源和基础原料。从排放总量的角度看，石油和化工行业对于全国碳排放总量的贡献较小，但单位能耗和单位碳排放强度较大。目前，原油加工市场逐渐趋于饱和，且新能源汽车迅速发展，石油化工行业的发展趋势是炼化一体化，炼油企业应大力发展炼化一体化生产模式，提高原油制化学品收率。代表性技术有埃克森美孚技术，将布伦特原油直接进行蒸汽裂解，化学品收率大于60%；
沙特阿美技术，采用一体化的加氢裂化、蒸汽裂解和深度催化裂化工艺直接加工阿拉伯轻质原油，化学品收率接近50%。国内中国石油、中国石化等大型企业，以及中科院过程工程研究所、中国石油大学（华东）等科研机构和高校也相继开展相关工作。

据统计，2021年，我国煤炭和石油消费量分别占能源消费总量的56.0%和18.5%，比上年分别下降0.8和0.4个百分点。天然气、水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源消费量占能源消费总量的25.5%，较上年上升1.2个百分点，比2012年提高了约11个百分点，我国能源消费结构向清洁低碳加快转变。根据预测，到2060年实现碳中和目标时，清洁能源消费量占比要达到80%，低碳清洁能源的规模化应用是实现碳中和目标的关键。

1.非化石能源发展迅速

近年来，我国非化石能源发展迅速，截至2021年底，全国全口径非化石能源发电装机容量达11.2亿千瓦，同比增长13.4%，占总发电装机容量比重约为47%，比上年提高2.3个百分点，历史上首次超过煤电装机比重。其中，水电装机容量3.9亿千瓦、风电装机容量3.3亿千瓦、太阳能发电装机容量3.1亿千瓦、核电装机容量5326万千瓦、生物质发电装机容量3798万千瓦。非化石能源利用水平继续提升，2021年，我国风电、太阳能发电和水能利用率分别达到96.9%、98%和97.8%。广东、广西、云南、贵州、海南五省区风电、太阳能发电利用率均达99.8%，区域能源结构转型成效显著。

2.核能是实现碳中和战略目标不可或缺的低碳能源

核能具有能量密度高、供能稳定、碳排放低的优势，对于波动性的太阳能和风能发电来说是良好的稳定剂。根据测算，2060年核电的总发电量达到2.7万亿度，2021年我国核电发电装机容量约5000万千瓦，还有很大的提升空间。

核能的利用包括核裂变和核聚变两种方式。关于核裂变主要有三个问题需要解决：一是安全性；
二是核燃料的持续稳定供应；
三是乏燃料安全处理处置。我国已探明的铀资源约27万吨，按当前核电水平，只能支持40年左右，核燃料的持续稳定供应急需解决。当前我国乏燃料已累积近2万吨，每年新产生约1千吨，主要采用湿式暂存法处理，湿式暂存费约4万元/吨/年，乏燃料安全处理处置急需解决。关于核电的安全性问题，2021年12月，山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程送电成功，是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目，核安全性能较高，标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核电技术的国家之一。关于铀资源短缺问题，中科院设立“钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”先导专项，以钍为核燃料具有资源丰富、核废料少、毒性低和固有防核扩散等优点，还可减少稀土开采中的钍资源流失和放射性环境污染，是核能发展重要方向之一。但目前还只是研究项目，没有达到应用程度。

核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变能也是能源发展的前沿方向，被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。

到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类。

一类是磁约束核聚变，如“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”，是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。中国科学家积极参与国际热核聚变实验堆（ITER）相关工作，2021年5月，中科院建造的东方超环（EAST）在核聚变研究上取得进展，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定了物理和工程基础。今年2月，欧洲核聚变研发创新联盟、国际热核聚变实验堆计划（ITER）等机构宣布，实现了受控核聚变能量的新记录。他们在目前世界上最大的聚变反应堆，即在欧洲联合环（JET）中，将氢的同位素氘和氚加热到1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟，同时核聚变反应发生，原子核融合在了一起，释放出59兆焦耳的能量。有测算称，这相当于11兆瓦电力，大约能够为一个普通家庭提供一天的电力。JET是世界上唯一能够实现“氘氚聚变”反应的实验装置，保持着核聚变最大能量输出纪录。EAST更偏向于磁约束实验，并不实现核聚变反应。我国自己筹建的中国聚变工程实验堆（CFETR），以实现聚变能源为目标，将研究走向实用化，可以弥补EAST不能发电等缺点。

另一类是激光核聚变。去年12月，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，相当于二两炸药的爆炸威力，能量增益达到153%。这是世界上首次激光核聚变点火，是一个里程碑式的工作。不过，虽然激光核聚变具有时间短、发电效率低等特点，科学上具有重要意义，可以应用在一些特殊领域，但离商业发电还有很长的路要走。2020年，我国也立项部署了与美国不同技术路径的激光核聚变研究工作。

3.储能是可再生能源大规模融合利用的关键

由于以风电、光伏为代表的可再生能源普遍存在间歇性、波动性、随机性的特点，要实现其大规模融合利用，储能是关键。根据预测，2060年我国储能规模达到420GW（42000万千瓦）。2021年是我国储能行业从商业化初期向规模化发展转变的一年。根据统计，2021年我国已投运电力储能项目累计装机46.1GW，约占全球市场总规模的22%，同比增长了30%，仍有较大发展空间。比如，国家能源局2021年8月发布的《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》，到2025年，中国抽水蓄能累计装机量要达到62GW以上，到2030年达到120GW，截至2021年底，抽水蓄能装机规模仅为39.8GW。这意味着9年间有3倍的成长空间，复合年均增长率为13%。

储能技术路径主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能和其他储能。机械储能中的抽水蓄能技术成熟，是目前储能市场上应用广、占比高的技术，但对地理条件的依赖度高；
压缩空气储能可以不依赖地理条件，中科院工程热物理研究所开发的100MW压缩空气储能技术，去年9月在张家口并网运行，效率达到70%，接近抽水储能效率。电化学储能是通过电池完成的能量储存、释放和管理的过程，具有配置灵活、建设期短、响应快速等优势，可以有效提高可再生能源消纳水平，是未来储能技术发展的重要方向。主要分为锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠系高温电池和金属-空气电池等。其中锂离子电池技术较为成熟，已进入规模化量产阶段，是目前发展快、占比较高的电化学储能技术。钙钛矿电池是电化学储能的新方向，具有吸光能力强、低成本和易制备、弱光效率高等优势和特点，但目前存在稳定性较差和大面积应用时的效率损失两个短板，也是当前研究的热点之一。根据数据，2021年，我国新增储能项目146个。其中，抽水蓄能项目5个，电化学储能项目131个。在电化学储能项目中，锂离子电池储能项目高达120个。

当前我国储能技术发展仍然面临一些问题和挑战。一方面，我国在储能领域基础性、原创性、突破性创新不足，具有“领跑”意义的先进技术还不多，储能转化的相关机理、技术及系统的研究还不够成熟，尤其是在设计软件、设计标准与理念方面缺少话语权。另一方面，大规模储能技术的推广，受电力系统市场机制不完善等方面限制，存在储能市场主体地位不明晰、市场机制不完善导致储能价值收益难以得到合理补偿等问题，现阶段还未建立成熟的竞争性电力市场运行机制，很难合理核定各类电力辅助服务的价格，从而造成储能的价值和收益难以对接。近年来虽然已经有所改善，但问题依然突出。

4.氢储能与电化学储能具有互补性

氢能近几年受到各方高度关注。2022年初国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，首次明确了氢的能源属性。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。氢储能在能量密度、储能时长上具有较大优势，在能量转换效率、响应速度等方面相对较差，可以与电化学储能形成互补。

近年来，我国氢气产量保持连续增长，已成为世界第一产氢大国，2021年产量达3300万吨，但氢能的发展仍存在一些问题和挑战。一方面，目前氢气制取主要由化石能源制氢和工业副产氢构成。据中国标准化研究院不完全统计，目前我国煤制氢占比约62%，天然气重整制氢占比约19%，焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产提纯制氢和石油制氢占比约18%，电解水制氢等约占1%，可再生能源制氢规模还很小。大家知道，通过化石能源燃烧制氢过程中会产生CO2，是灰氢；
在灰氢的基础上，将二氧化碳副产品捕获、利用和封存（CCUS）而制取后的氢气是蓝氢；
通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气是绿氢，我们真正需要的是绿氢。另一方面，氢是元素周期表上最轻的元素，很容易泄露，对储能容器要求高，常压下液化需在-235℃下，能耗较高。如果以管道运输，则需要克服纯氢以及掺氢气体给管道带来的安全隐患。现阶段，我国氢气储运主要以高压气态长管拖车运输为主，常用的高压气态长管拖车氢气储存压力为20兆帕，单车运载量约300千克氢气。液氢运输和管道运输的基础尚不成熟，液态储运、固态储运均处于小规模试验阶段。预计到2025年，液态储运和管道储运的方式将有初步发展，到2035年，高压气氢储运、液体储运和管道储运等多种氢气储运形式将实现并存。

氨既能当储氢介质，又能做零碳燃料。氨（NH3）是天然的储氢介质，常压下，-33℃就能液化，便于安全运输，有完备的贸易和运输体系。可再生能源生产氢，再将氢转换为氨，运输到目的地，或许是一条解决途径。目前，氨的主要制备方式是氢气和氮气反应合成，全球年产量1.8亿吨，80%左右用于化肥行业，工艺成熟、成本低廉。在氨能使用方面，技术难题是不能稳定燃烧。日韩等国在充分燃烧的研发方面遥遥领先，都有氨动力船研究项目。

根据预测，到2060年，仍有25～30亿吨CO2总排放量，其中一部分可以由海洋、陆地无机过程和陆地生态系统吸收，另一部分需要通过CCUS（碳捕集-利用-封存）技术去除。

碳捕获与封存（CCS）技术是指将CO2从工业或相关排放源中分离出来，输送到封存地点，并长期与大气隔绝的过程。根据国际能源机构的估计，到2050年，CCS要想对缓解气候变化产生显著影响，至少需要有6千个项目。每个项目每年在地下存储100万吨CO2，而目前全世界只有三个如此规模的项目。可以说，如果CCS在未来20年不能进化为主流技术，情况将不容乐观。

CCS技术无法迅速得到推广的主要原因是其高昂的成本。根据测算，封存1吨CO2需要200～300美元，也就是说1吨煤燃烧排放2吨CO2，至少需要4 0 0 美元进行CO2封存处理。将来如果技术没有突破性进展，这件事根本不可能做到。另外，其推广过程还存在诸多不确定因素，对环境也存在一定的影响。

碳捕获、利用与封存（CCUS）技术是应对全球气候变化的关键技术之一，受到世界各国的高度重视，纷纷加大研发力度，并取得一些研究成果。2021年9月，中科院天津工生所从CO2人工合成淀粉的成果引起了广泛的关注，有网友将此比作“空气变馒头”。这是国际上第一次不需要依赖植物光合作用，而是采用人工手段，将自然的代谢过程重新拆解、组装，以CO2、水和氢能为原料，生产出了人工的淀粉。目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定CO2生产，合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。天津工生所从头设计出11步主反应的非自然CO2固定与人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现从CO2到淀粉分子的全合成，合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步，为创建新功能的生物系统提供了新科学基础，是典型的“从0到1”的原创性成果。当然，该成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有一段距离。

2022年4月，电子科技大学、中科院深圳先进院在《自然-催化》发表研究成果，电催化结合生物合成的方式，能将CO2高效还原合成高浓度乙酸，进一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。有科学家认为，该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程，发展了一条由水和CO2到含能化学小分子乙酸，后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。

据媒体报道，中国农科院与首钢朗泽新能源公司合作，全球首次实现从一氧化碳到饲料蛋白质的一步合成，并已形成万吨级工业产能。该项研究以含CO、CO2的工业尾气和氨水为主要原料，制造新型饲料蛋白资源，将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳，开辟了一条低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质的新途径。