陈军院士：碳中和背景下的新能源科技前沿

自工业革命以来，由于工业化程度提高、化石燃料大量消耗、全球范围内森林面积减少等，二氧化碳排放量不断增加，导致全球气温升高、冰川融化、海平面上升、极端天气多发等诸多生态环境问题，人类赖以生存的地球面临着前所未有的威胁与挑战。

从1850年至今，美国二氧化碳排放量超过5090亿吨，占全球总量的20.3%，是全球最大的累计排放国（图1）。我国排在第二位，累计二氧化碳排放量约2884亿吨，占全球11.4%。特别是进入21世纪以来，随着我国经济的快速发展，二氧化碳排放量也急剧增加。

图1  1850~2021年世界主要国家累计二氧化碳排放量（单位：十亿吨，数据来源：Carbon Brief）

虽然我国历史人均累计碳排放量远低于发达国家，但单位国内生产总值（GDP）能耗与碳排放量远高于发达国家，如2020年我国单位GDP能耗为3.4吨标准煤/万美元，单位GDP碳排放量为6.7吨二氧化碳/万美元，均远高于全球平均水平及美国、日本、德国、法国、英国等发达国家（图2）。

图2  2020年世界主要国家单位GDP能耗和二氧化碳排放量（数据来源：BP Energy）

为推动能源低碳化和绿色发展，2020年9月，我国政府在第75届联合国大会上宣布中国力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。这里的碳中和（carbon neutrality）是指企业、团体或个人在一定时间内，通过植树造林、节能减排、技术固碳等形式，抵消自身直接或间接产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”（图3）。

图3 碳中和示意图

不同国家推进碳中和的进度有所不同，目前全球已有130多个国家和地区提出实现碳中和的时间，大部分国家提出在2050年实现碳中和目标；世界各国从碳达峰到碳中和的时间平均需要50年以上。我国宣布从碳达峰到碳中和的间隔时间为30年，而欧盟承诺的碳达峰到碳中和的时间为60~70年，间隔时间超过我国的2倍以上。当前，我国仍处于工业化过程中，一次能源消费仍在快速增长，碳排放也仍处于增长阶段。这预示着我国要付出更加艰苦的努力，以更快的速度和更高的效率才能实现碳中和目标。

目前能源领域碳排放总量大、占比高，这主要是源于化石能源的大量开采和利用，使得二氧化碳等温室气体排放量急剧增加。为实现碳中和，亟待变革能源利用方式和调整能源结构。一方面，改变化石能源利用方式、提高化石能源转化效率、促进化石能源的清洁高效利用，从而达到节能减排的目的；另一方面，我国目前的资源结构为“富煤、少油、缺气”，亟需改变能源结构，提高新能源和清洁能源的占比，大力推进低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。总的来说，发展新能源，实现能源转型，降低化石能源消费，提高能源利用率，节能减排，构建绿色低碳的能源体系，是降低二氧化碳排放、实现碳中和的重要举措。

BP Energy预计未来将加快提升电气化率，以非化石能源为主的电能将成为一次能源主体，在非电能源领域将会加速推动氢能、碳捕获、利用、储存等新技术应用。预计到2060年70%的电力将由清洁可再生能源供应，约8%将由绿氢支撑，剩余约22%的化石能源消费将通过碳捕获方式实现碳中和（图4）。由于风能、太阳能等可再生能源发电受自然界的风速、风向、昼夜、阴晴天气的影响，具有间歇性、波动性，为保证电网安全、稳定、可靠供电，长时储能技术将是实现“双碳”目标的关键核心，必须引起高度重视。新能源汽车替代燃油车也是有效降低二氧化碳排放的重要途径，未来将得到更快的发展。

图4  中国一次能源消耗结构变化预测（数据来源：BP Energy）

经过多年发展与积累，我国新能源科技水平和创新能力持续提升，部分领域达到国际领先水平。但行业整体科技水平还不足以支撑能源结构转型升级的需求，相比发达国家仍然在部分方向存在差距。特别是在双碳目标提出后，更需要理论创新、技术创新、制度创新，要从我国的实际出发，寻求颠覆性的技术突破。因此，加快核心技术创新，推动能源开发、转换、配置、储存、使用等领域的技术创新、装备制造和产业发展等仍有巨大的发展空间。

未来，我国将以更大力度推进新能源先进发电技术、先进特高压电网技术、大规模新型储能技术、绿色氢能技术、碳捕集利用与封存技术和先进核能技术攻关的同时，进一步推进煤炭绿色高效利用技术、石油化工绿色低碳技术的创新攻关，推动数字化信息化技术在节能、储能、清洁能源利用、能源互联网领域的创新融合（图5）。可再生能源发电、先进储能技术、氢能技术、先进核电、二氧化碳综合利用等新技术有望取得系列重大突破，减碳脱碳技术将成为今后一个时期能源领域技术研发和攻关的重点。

图5 新能源关键技术助力“双碳”战略

作者简介

陈军，无机化学家，中国科学院院士，南开大学教授、博士生导师、副校长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。

陈军主要从事能源材料化学与高能电池的研究。提出了“室温—氧化还原—转晶”新合成方法，室温合成出系列稳定的导电纳米尖晶石复合催化剂，替代了贵金属铂电极，应用于可充电金属锂、锌空气电池；提出电极微纳化可改善多电子电极反应活性和结构稳定性的设想，经大量实验制备了可充锂、钠、镁电池的微纳多级结构电极，提高了电池的安全性；发展了系列高比能有机电极材料和复合固态电解质。研究成果为降低电池电极材料成本、提高电池能量密度及解决电池燃烧爆炸隐患提供了新思路。

陈军以第一作者编著《能源化学》和《化学电源：原理、技术与应用》，并主讲能源化学、新能源科学与工程导论、化学概论等课程。入选国家教学团队、国家实验教学示范中心、教育部精品视频公开课，获国家教学成果一等奖（2009年，第八完成人）、宝钢优秀教师特等奖提名奖（2013年）。主持的“新能源科学与工程专业创新创业人才培养体系研究”入选教育部2018年公布的首批“新工科”研究与实践项目，并组织编写了“新能源科学与工程教学丛书”。

—— 新能源科学与工程教学丛书 ——

参考资料：

姜天骄. 以国家战略科技力量支撑清洁能源发展. 经济日报, 2021-08-14 (001).雷宪章. 发展氢能技术是实现碳中和目标的重要路径之一. 中国电力企业管理, 2021, (16): 36-39.陆王琳，陆启亮，张志洪. 碳中和背景下综合智慧能源发展趋势. 动力工程学报, 2022, 42(1): 10-18.吕建中. 探析能源转型的“无尽前沿”. 世界石油工业, 2021, 28(3): 1-8.彭苏萍. 煤炭行业低碳转型发展的工程路径与技术需求. 能源, 2021, (8): 49-51.吴吟. 我国须走“人为碳达峰、快速碳中和”的新道路. 中国能源报, 2022-1-17(004).赵云龙, 孔庚, 李卓然, 等. 全球能源转型及我国能源革命战略系统分析. 中国工程科学, 2021, 23(1): 15-23.中共中央政治局2022年1月24日下午就努力实现碳达峰碳中和目标进行第三十六次集体学习.

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