地球正面臨嚴峻的環境問題，如何發展低碳技術，實現雙碳目標？

2022-10-31 14:49:52  信息編號：K225640  瀏覽次數：84

如果北極圈內格陵蘭島的冰蓋全部融化，全球海平面將上升超過7米，南京和上海等沿海城市會在海平線下，山東省也將被海水分隔成兩個島嶼......

自工業革命以來，化石燃料廣泛使用、森林砍伐等人類活動導致大氣中溫室氣體不斷增加，大量CO2等溫室氣體在大氣層的長時間聚集產生溫室效應，導致全球變暖比工業化前水平高出約1.2℃。溫室氣體是氣候變化的主要驅動因素，帶來了干旱、火災、洪水、冰川消融等嚴重的氣候變化問題。

氣候變化是全世界共同面臨的嚴峻挑戰，對人類社會的發展和存亡構成嚴重威脅，應對氣候變化已成為全球共識。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)自成立以來一直致力于全球氣候變化治理，從1997年的《京都議定書》到2015年的《巴黎協定》，使得全世界在氣候問題上取得共識和顯著成效。2018年，聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的《Global Warming of 1.5℃》指出，如果地球溫升超過1.5℃，會給自然系統和人類社會帶來不可逆轉的傷害，1.5℃和2℃的增溫幅度所帶來的影響迥然不同，強調了溫升控制在1.5℃對全世界可持續發展的重要性，需要世界各國共同為之努力，特別是要對碳排放量進行嚴格的控制。

在這樣的危機下，大家開始聚焦低碳技術，力圖通過對綠色、環保的追求，來緩和地球環境問題。而當前低碳技術的商業化進程到了什么地步？

01

地球正面臨嚴峻的環境問題

20世紀以來，受全球人口增加和現代化工業的影響，大氣中的二氧化碳（CO2）濃度顯著增加。CO2是造成溫室效應的主要氣體，全球氣溫的升高導致南北極圈冰蓋消融。隨著北冰洋的冰加速消融，北極熊在夏天狩獵困難，科研人員發現，大熊吃小熊的情況也有增多。

一直到1996年，人類才開始重視氣候變化問題，那時生物學家發現：此前在南方棲息的一種斑蝶，到1996年被發現棲息地已經北移；2021年8月，科研人員在北京發現了一種一直生在南方的尖冒草。

據媒體報道，格陵蘭島今夏最高溫度超過了15℃。如果北極圈內格陵蘭島的冰蓋全部融化，全球海平面將上升7.2米，南京和上海等沿海城市會在海平線下，山東省也將被海水分隔成兩個島嶼。另外，南美洲安第斯山麓地區的冰川也在加速融化，這些訊息在警示人類——全球氣候變化和環境問題已經迫在眉睫。

真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）、喬治·帕里西（Giorgio Parisi）三位科學家指出，全球變暖能給可靠預測。地球氣候是一個對人類至關重要的復雜系統，他們解釋清楚了“大氣中二氧化碳含量的增加，如何導致地球表面溫度升高？地球氣候要如何變化？人類有會如何影響它？”的問題。因此，他們在2021年獲得了諾貝爾物理學獎。

02

“雙碳”的科學內涵

所謂“碳達峰”，是指CO2排放量達到歷史峰值，然后經過平臺期繼而進入持續下降的過程，是CO2排放（簡稱“碳排放”）由增加向減少轉變的歷史拐點，標志著碳排放與經濟發展脫鉤，即經濟增長不再以增加碳排放為代價?！疤贾泻汀笔侵溉藶闇厥覛怏w排放量和人為清除量之間的“收支相抵”，狹義上指CO2的凈零排放，廣義上它可指所有溫室氣體的凈零排放，包括甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、 全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）和三氟化氮（NF3）等6種“非CO2溫室氣體”。對于“碳達峰”階段和“碳中和”2個階段，其實質都是減少人類活動中的碳減排，需要一個旨在減少和抵消溫室氣體排放的平衡混合戰略?！疤贾泻汀币馕吨鷳B系統、經濟系統、政治系統共同的發展與演變，在推進“雙碳”目標實現過程中，要兼顧國民經濟系統正常運行、居民收入與就業等經濟社會目標的實現。

截至2021年6月，全球碳中和陣營已達到130余個國家的規模，占全球碳排放總量的70%以上。為了實現“雙碳”目標，我國成立了專門的碳達峰碳中和工作領導小組，出臺了一系列政策措施，采取了一系列行動。2021年10月24日和10月26日相繼發布《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》，兩部文件的發布宣告了碳達峰碳中和“1+N”政策體系的正式建立。

碳排放方面，《Global Energy Review：CO2 Emissions in 2021》顯示，2021年中國排放了119億t CO2，占全球排放總量的33%。2010—2021年全球碳排放總量及中國占比詳見表1。2021年全球CO2排放量363億t CO2，達歷史最高水平。在2020和2021年間，中國作為實現經濟增長的主要經濟體，碳排放量的增加抵消了同期世界其他地區排放總量的下降。中國排放量的增加主要是由于GDP的快速增長和能源供應服務的電氣化對電力的需求急劇增加，而電力需求嚴重依賴于煤電。

全球能源結構已形成石油、天然氣、煤炭和新能源“四位一體”的新格局：以石油和天然氣為主，石油開發邁入“穩定期”，天然氣發展步入“鼎盛期”，煤炭作為補充能源進入“轉型期”，新能源發展漸入“黃金期”?！半p碳”目標的實現路徑：一是減少“碳源”，即減少以CO2為主的溫室氣體的排放量；二是增加“碳匯”，利用各種手段技術增加CO2的吸收量。中國的基本國情和巨大的能源消費總量，決定了實現碳中和將是一個漫長的過程，要積極進行能源結構轉型和優化調整，減少現有能源使用產生的碳排放量。大力發展可再生能源技術、生態碳匯技術和負排放技術，助力碳中和目標的實現。

03

如何發展低碳技術，實現雙碳目標？

發展低碳技術，實現雙碳目標，有助于解決能源環境問題。低碳技術主要包括三個方面——

第一，減碳技術：包括節能減排，LED照明，煤的清潔高效利用、油氣資源和煤層氣的勘探開發技術等。

第二，無碳技術：包括核能、太陽能、風能、生物質能等，可再生能源技術?？稍偕茉丛谑褂脮r無碳排放，但在制造過程中有碳排放，其回收期一般是一年半到兩年。

第三，去碳技術：如CO2捕獲與埋存。

1、太陽能利用技術商業化進展迅速

在低碳技術中，太陽能利用技術非常重要。人類所使用的能源大致有兩種形式，第一種是太陽輻射的能量，簡稱太陽能。其中包括了太陽能、生物能、煤、石油、天然氣、水能、風能等。第二種是來自地球內部的能源，包括地熱、核能等。

研究者們預測，太陽能資源接近無窮大，而全球石油資源總儲量還能供人類使用約45年，天然氣資源總儲量還能供人類使用61年左右，煤資源總儲量還能供人類使用216年左右，鈾資源總儲量還能供人類使用約71年。這組數據突出了人類發展太陽能技術的必要性。

目前，全球六大洲均分布了太陽能資源，其中中國地區有3-5個太陽能資源。理論上，利用部分荒漠地區太陽能可解決全國能源需求。

此前，有業者統計，我國2007年消耗能源26.5億噸標準煤，而我國西部于華北北部年輻射能約達0.2噸標準煤/平方米。如果裝載10%轉化率的太陽能電池，則只需將13萬平方公里土地的太陽能轉化，就能滿足全國2007年全年的能源需求。

圍繞太陽能方面的發展主要有三個方面：

1、發展太陽能技術：光伏、光熱、光化學、光生物學，這實際上離不開電子設備；

2、發展智能化分布式能源系統和能源互聯網技術；

3、因地制宜推廣太陽能技術的廣泛應用。

光打到半導體里激發出電子空穴對，如果電子材料做的非常好，缺陷很少、遷移率大、壽命長，就有可能跑到Pn結里面去，然后把空穴推到電極，這是光電轉化的過程。這涉及到電池結構、內建電場、能帶排列、表面界面；材料特性、雜質缺陷、光生載流子的激發、輸送、載流子遷移率、壽命、擴散長度；設備工藝、材料生長和特性、器件結構制備和功能等諸多科學問題。

生產一顆高效率的太陽能電池要有很多設計、精密的設計和考慮，涉及到物理學、材料學以及基礎研究、應用研究，具有效率、成本、壽命、柔性等方面的挑戰。

太陽能電池技術經歷了三代：第一代光伏電池（硅基電池）主要有單晶硅、多晶硅電池；第二代光伏電池（薄膜電池，具備低成本的特點）主要有非晶硅、砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒等；第三代光伏電池（薄膜電池為主，具備高效率、低成本的特點），包括寬光譜疊層多結、染料敏化、鈣鈦礦結構、量子點/納米、有機電池等多種新概念電池。

1.鈣鈦礦電池有較好的發展前景

在褚君浩看來，這三代電池之間是互補的關系。最近硅基鈣鈦礦電池得到業內的重視，這是非常有前景的一類太陽能電池技術。鈣鈦礦結構太陽電池中的鈣鈦礦材料吸收系數較高，同時光伏也較契合太陽能的吸收。

2018年9月《科學》（Science）刊發了華中科技大學武漢光電國家研究中心韓宏偉教授團隊合作論文“鈣鈦礦太陽能電池產業化的挑戰”。該團隊所專注的可印刷鈣鈦礦太陽能電池，基于絲網印刷技術制備，采用廉價的碳材料替代傳統的貴金屬作為電極材料，因此具有易于擴大化生產及有望實現廉價太陽能發電的技術特點。

韓宏偉創立的湖北萬度光能有限責任公司承接了華中科技大學p-MPSC項目，實現了3600 cm2模組、集成了110m2示范性實驗電站，實現了穩定發電，完成了器件及材料中試，2200 cm2公證效率14.9%，正在開展200MW p-MPSC大試線建設。該可印刷鈣鈦礦太陽能電池示范系統，充分展示出該項技術良好的應用前景。

最近，南京大學譚海仁教授也在發力全鈣鈦礦太陽能電池的產業化。譚海仁團隊運用涂布印刷、真空沉積等量產化技術，在國際上首次實現了全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，開辟了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產化、商業化的全新路徑。經國際權威第三方測試機構認證，大面積組件穩態輸出效率高達21.7%。

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的前景也非常大。由于鈣鈦礦和硅具有不同的帶隙，為了充分利用太陽光譜，鈣鈦礦太陽能電池可作為頂電池與硅電池形成疊層太陽能電池，即鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。這種鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池既拓寬了電池的光譜響應范圍，提高了太陽能電池效率，又降低了制備成本。

鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽能電池的發展也比較快。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池，因其具有光吸收系數高、禁帶寬度可調、弱光性好和轉換效率高等優點。銅銦鎵硒太陽能電池可以制備在柔性襯底上。鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽能電池可以在提高銅銦鎵硒太陽能電池太陽能電池效率的同時，繼續保持其在柔性/曲面器件上應用的優勢。

多結電池和聚光光伏電池的發展也很快。多結電池的目標是30%左右的效率，它實際上就是三個Pn結，每個Pn結響應一個波段，把太陽波譜全部變化為電，但該類電池的成本比較高，所以目前主要以表面聚光的方式來節省成本。以砷化鎵多結電池為代筆，其電池效率達到36%，未來效率有望達到40%，其柔性制造成本低，但整體電池成本高，目前無人區應用較多。

現在，全世界正掀起探索高效率、低成本太陽能技術熱潮，未來究竟哪一種太陽能電池會成為主流？主要看成本效率和壽命。就目前來看硅基仍是主流。

2.分布式能源系統和能源互聯網技術

智能化分布式能源系統，大規模間歇式電源并網技術、大規模多能互補發電技術、大容量快速儲能技術/裝置，都是能源利用方式發展根本的變革。

美國科學家杰里米·里夫在他的《第三次工業革命》一書中把“能源互聯網”看成新經濟系統的五大支柱之一。能源互聯網就是分布式、小型化、智能化、低成本化、安全、可靠、魯棒；開放平臺；用戶為中心的網絡。

能夠讓億人在自己家中、辦公室和工廠生產綠色可再生能源?？梢詫⑦@些能源進行存儲，并用綠色電力為樓房、機器和汽車供電。多余的電力可以于他人分享，就像現在網絡上分享信息一樣。將來能源互聯網和信息互聯網是對應的，將來是非常大的產業。能源互聯網重點產業方向的核心產品為能源路由器，其相關的重大突破性技術，能源路由器關鍵技術。

2、光伏發電助力我國實現雙碳目標

全球光伏裝機容量在2019年是627GW，預計到2025年將達到1722GW。其中，2019年中國光伏裝機容量達210GW以上，發電量為2243億度/年，到2020年中國光伏裝機量容量為253GW以上，發電量達3000億度/年以上，相當于近三個三峽水電站的年發電量。

歐盟提出到2050年，100%使用可再生能源，美國則和中國則是80%。一次能源中，可再生能源占比約80%，到2050年可再生能源在總發電中的占比達86%，其中風電約占總發電的三分之一，光伏發電占總發電的25%。

通過將碳達峰、碳中和納入到生態文明建設整體布局，希望通過碳中和、碳達峰技術讓建筑交通工業領域的碳排放分別減少25%、54%、16%，總碳減排量超過60%。同時，政府各部門的相關政策、綱要的發布也在積極推動以上目標的實現：“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要指出，大力提升風電、光伏發電規模。五部委聯合發文表示，要加大金融支持力度，促進光伏海淀等行業健康有序發展；國家發改委指出，要進一步擴大可再生能源裝機規?！?

總之，在“3060”雙碳目標下，電源結構加快向情節低碳轉型。2021年，風電、光伏發電量占全社會用電比重達11%左右，到2030年我國風電、太陽能發電總裝機量將達12億千瓦以上。

在以上目標的推動下，“光伏+”產業將有較好的發展前景。

光伏+制氫行業，因太陽能制氫實現了清潔能源生產清潔能源，能有效解決光伏發電消納問題；

光伏+5G通信行業，5G基站大部分需要新報裝電，設備功耗大，耗電量大，光伏發電系統能夠有效降低企業電力成本，在5G領域的應用發展潛力巨大；

光伏+新能源汽車行業，隨著新能源汽車進一步普及，帶動光伏充電樁建設業務逐漸擴大；

光伏+建筑行業，按方式可分為BAPV (光伏與建筑簡單組合連接，分布式的主體)和BIPV(光伏建筑一體化，或光電建筑)，在安全性、觀賞性、便捷性和經濟性方面都具備一定優勢。

再觀察全球光伏企業排名，據365光伏發布的“2020年全球光伏企業20強排名”顯示：隆基、協鑫、晶科、天合光能、阿斯特，FIRST SLOAR,INC.、Hanwha Q CELLS、晶澳、通威、天津中環半導體進入前十。中國企業占據榜單前五強。在TOP10中，中國企業占了8個席位。

從區域來看，我國光伏企業主要分布在華東地區，其中，江蘇省和浙江省是我國光伏產業完備程度最高、產業規模最大、企業集聚度最高的省份。近年來，受生產成本和資源優勢的影響，光伏企業生產基地向西部地區轉移的趨勢明顯。

04

建立綠色低碳技術體系化發展新思路

實現“雙碳”目標是一場廣泛而深刻的系統性變革，因此需要完善綠色低碳科技革命理論，建立體系化發展新思路。

首先，從綠色低碳技術體系的技術變革、綠色低碳政策體系的體制機制變革、綠色低碳技術創新動力的基礎研究變革、綠色低碳技術應用的產業變革等4個方面豐富綠色低碳科技革命理論，通過統籌技術創新、機制變革、基礎研究與產業應用，構建長期發展思路。

其次，縱向構建綠色低碳技術體系思路。一是碳排放主要來源行業，以化石能源為主體，以能源、工業為主線，從能源供給端、過程排放端、末端3個方面，構建綠色低碳技術體系。能源供給端涉及能效技術、新能源與化石能源耦合發展技術、新能源替代技術、與能源相關聯的“電網、負荷、儲能”技術等。過程排放端涉及鋼鐵行業新技術、化工行業新技術、水泥行業新技術、有色金屬行業新技術等。末端主要為碳捕獲利用及封存技術（CCUS）。二是碳排放間接來源行業，以交通、建筑和居民生活等領域相關減排技術為主。交通行業涉及道路減排和航空航運減排技術，建筑和居民生活領域主要為零碳建筑體系技術。三是以碳減排賦能技術構建綠色低碳技術體系，“雙碳”戰略將推動以化石能源和重工業為主的生產結構，向以可再生能源和綠色生產為主轉變，人工智能、大數據及新一代信息技術將成為綠色低碳技術體系的重要組成部分。

再次，橫向構建綠色低碳技術體系思路。一是碳達峰碳中和視角，碳達峰階段二氧化碳減排技術將作為綠色低碳技術體系的主要構成，碳中和階段將包括全部溫室氣體減排技術。二是應對氣候變化視角，短期包括緩解、適應氣候變化的相關技術，長期包括氣候工程技術等。三是高維度發展視角，制定階梯式發展規劃，將當前技術體系設定為1.0階段，以2.0、3.0等升級思路實現長遠高維發展。

05

構建完善的綠色低碳技術創新路徑

建立完善的綠色低碳技術創新路徑，是實現綠色低碳技術不斷創新發展和關鍵核心技術攻關突破的重要保障，要發揮我國多主體創新優勢，建立系統化創新路徑。

發揮國企優勢，使之成為綠色低碳技術體系創新主體。一是利用國企資金優勢，推動綠色低碳技術多樣化發展，并開展示范工程；二是發揮國企技術、研發中心和工業實驗室優勢，推動化工、鋼鐵、水泥等資產密集型行業技術轉型；三是利用國企產業規模優勢，推動可再生能源、儲能和CCUS規模應用，降低成本；四是落實國企承擔國家戰略責任，推動非二氧化碳溫室氣體減排、碳匯和應對氣候變化等具有社會效益的技術創新。

發揮民企優勢，使之成為新興綠色低碳技術創新主體。新興綠色低碳技術一般規?；^低，大多處于示范階段或者商業化早期，利用民企在政策靈活性、創新活力、人才聚集等方面的優勢，推動相關綠色低碳技術發展，加快創新進程。

建立工業創新平臺，推動碳中和關鍵技術創新。電氣化、CCUS、氫能、生物質能等技術可在能源、工業等多領域部署，并將在碳中和階段發揮重要作用。利用該類型技術多行業適用的共性特征，建立工業創新平臺，通過共享基礎設施、試驗數據等，打造開發新型路徑，促進碳中和關鍵技術發展。