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1、碳中和目标下能源发展的思考目录碳中和目标下能源发展的思考11 碳中和含义11.1 碳中和概述21.2 发展趋势21.3 实现碳中和的意义32 全球发展41.全球清洁能源技术发展历程42全球关键清洁能源技术发展现状53 清洁能源技术主要技术国家64不同领域技术领先国家65.德国发展75.1 德国现状75.2 德国碳中和城市能源系统创新105.3德国能源系统碳中和发展对中国的借鉴意义113 国内发展123.1 面临的困难与挑战123.2能源转型161意义162清洁能源发展所需矿产资源供需特征173转型路径204 结论221 碳中和含义“碳中和”概念的首次提出是在二十世纪末,具体指一个国家或企业、个
2、人,在日常生产活动的时候会排放出温室气体,同时又通过植树造林、节能减排等行为治理排放物,那么,在某一个阶段中,排放的污染与治理的能够做到相互抵销,就意味着污染物相对零排放,从而实现碳的平衡与中和。该概念在提出之后逐渐被大众认知,并且不断推广,接受度大大上升,新牛津英语字典在2006年将这个词汇评选为年度词汇,到2007年正式将碳中和(carbon neutral)”收编至字典中。2013年7月,国际航空协会提出了航空业“2020碳中和”方案,通过提高燃油效率、达到碳排放量顶峰、实现碳排放量消减这三大承诺促进碳中和目标的早日实现,各航空公司2020年后超出排放指标的部分需要以缴纳“碳税”的形式自
3、行承担。2018年,隶属于联合国的部门,政府间气候变化专门委员会发布报告,呼吁各国从能源、土地、工业、运输、城市建设等方面展开有效而长远的改革,尽各国的努力,将未来全球变暖的温度控制在1.5之内。1.1 碳中和概述要理解碳中和的概念首先要理解什么是“碳”以及为什么要“中和”。全球变暖以及其带来的一系列后果,是人类生产,生活等社会活动中直接或间接地改造环境,导致的地球气候变化。碳”,从狭义的角度来讲,是一种基本自然元素,而从广义的角度看,其实是对煤炭、石油、木材等由碳元素构成的自然资源的一种环保层面上的概括。这些自然资源的利用为人类社会的发展起到了巨大的积极作用,但与此同时,“碳”的消耗,也会带
4、来“碳”的排放一一二氧化碳。温室气体排放的增加是全球气候变暖的元凶。二氧化碳是温室气体中占比最大的一种。能源的消耗随着经济的快速发展不断增加,二氧化碳的排放亦然,并已成为影响我国经济健康可持续发展的一大因素。多年以来因为气候变暖而导致的问题接踵而至,人们的生活也因此受到巨大影响。严重的环境污染,频发的自然灾害和令人堪忧的空气质量等显著的问题已经受到国家和社会的广泛关注,为了减缓这些问题,“低碳环保”、“绿色生活”等理念相继推出,人们也开始越来越注重节能减碳的生产和生活方式。2020年9月习近平总书记宣布碳中和目标以来,“碳中和”一词在我国家喻户晓。其实在这之前,碳中和”作为环境经济学的一个重要
5、名词一直备受国际社会的关注,无论在民众还是在各企业间,已有许多自发进行的“碳中和”活动,通过节能减排、植树造林、循环利用、能源替代等一系列环保措施,来减少碳排放量。当减少的碳排放量与已排放的二氧化碳量相等,两相抵消,即达到了相对的“零排放”,也就是碳中和。1.2 发展趋势有关机构测算的目前中国年均碳排放量,大概在100亿吨左右,这是一个十分庞大的数字,而我国应对气候变化的目标是“二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。由此可见,我国必须在较短的时间里完成一个十分艰巨的任务。但碳中和的进程不会是线性的,它是一个逐步加速的过程。从我国目前“碳中和”的发展水平来看,虽
6、然压力巨大,但未来可期。目前改变十分显著的首先是能源产业。传统化石能源产能逐步下滑,可再生清洁能源快速崛起。化石能源中碳密度最高的是煤炭,石油产生1吨标准煤热值的碳排放是2.1吨,达到相同热值,煤炭的碳排放量则是2.6吨,而这种高碳排高污染的发电方式也将被逐步淘汰。可再生清洁能源在发电结构中的占比将越来越大。虽然2019年底发生了全球性新冠疫情,但2020年全球新增可再生能源装机容量达到了260GW,比之前的记录高出近50%,而这个记录将会不断提高。其次是交通运输产业,正在全面朝着电气化的方向发展。中国已发出强烈政策信号,电动汽车的发展上升至国家战略,许多国家和地区也已宣布逐步使零排放汽车替代
7、传统燃油汽车的目标,在这样的背景下,全球电动汽车销量急剧增长。最后,消费领域也在慢慢的发生着巨大的变化。引导消费者降低对高耗能产品的消费需求是政府和企业实现碳中和目标的重要举措。目前全社会正在形成节约型消费、绿色低碳消费等新风尚。由此不难推测,在未来10-40年间,能源领域将迎来巨大变革,清洁能源将占据主导地位,渗透进生产生活等各个领域,并为减少碳排放,实现碳中和做出巨大贡献;交通电气化也将逐步全面覆盖,以内燃机为动力来源的民用交通工具将成为历史,同时交通运输结构将迎来巨大优化,新能源带来的效率和交通运输工具的利用率水平得到更大的提升;随着消费低碳化的不断普及和深入,共享经济,绿色经济等新业态
8、将变成常态,人们的生活水平在可持续,低耗能,生态性的要求下稳步提高,逐渐达到一个高质量且可持续的健康状态。1.3 实现碳中和的意义尽管我国的“脱碳”任务时间紧、压力大,但“碳中和”目标的完成对我国具有重要意义。首先,它是改善我国的自然生态环境、缓解气候灾害问题最直接的手段。我国属于生态和气候敏感型国家,近年来,如特大暴雨引起的洪涝灾害等气候风险走高,而“碳中和”的进程将对降低这样的风险产生积极作用;其次,在巨大压力下的减碳工作有助于实现从“量变”到“质变”。“质变”意味着技术的创新和改革的升级,在完成减碳目标的同时实现高质量发展,更好更快地推动我国在可持续发展之路上行稳致远;再次,我国作为世界
9、上的碳排放大国,在全球气候治理中的发挥的作用举足轻重。据测算,中国实现“碳中和”将使全球温升幅度降低约0.2到0.3摄氏度,还可能使全球提前5至10年实现“碳中和”;我国是全球最大可再生能源投资国,将带动全球清洁技术平均成本持续下降,引领全球更多国家走上低碳发展和生态文明建设之路。最后,积极参与不仅体现大国担当,对提升国际话语权同样意义重大。我国秉持人类命运共同体理念,承诺在实现“碳中和”的进程中有力推动绿色、低碳、可持续的国际发展合作,打造负责任大国新范式。2 全球发展能源领域作为全球温室气体排放的首要“贡献者”,已成为世界各国推进碳中和行动的重要改革领域P。能源系统脱碳转型已成为全球发展趋
10、势,风能、太阳能等可再生能源比重持续提升101,清洁能源技术快速发展,电气化、高效化、低碳化和互联化的新一代全球能源体系正在形成。美国能源信息署(EIA)发布的2021年国际能源展望-预测2050指出,全球能源消费量在未来30年将持续平稳上涨,可再生能源消费总量增速显著,经合组织国家可再生能源电力增长约5倍,非经合组织国家可再生能源电力增长约11倍。至2050年,太阳能和风能的发电比重将大幅增加,增幅分别为1120.3%和292.4%。届时太阳能发电将成为电力生产的主要方式之一,占全球电力生产的24.2%,可再生能源发电比重将达到56%。1.全球清洁能源技术发展历程清洁能源技术在加速全球能源转
11、型方面发挥着关键作用。近年来,世界主要经济体持续加大清洁能源技术研发,积极推动清洁能源产业发展。国际可再生能源署(IRENA)统计数据揭示13,2009-2021年全球可再生能源领域专利数量持续攀升,其中太阳能光伏、太阳能热和生物燃料专利数量分别增幅443%、256%和211%(图1)。与此同时,氢能、核能等清洁能源技术也进入快速发展期。2007-2019年,氢能产业专利数量迅速增长,自2014年起年均增幅约30%。在全球碳中和背景下,清洁能源关键技术研发受到高度关注,研发强度增加、研发周期缩短将进一步推动清洁能源产业快速发展。2全球关键清洁能源技术发展现状能源领域作为全球温室气体排放的主要来
12、源,在应对全球气候变暖背景下,受到世界各国高度关注14。美国、欧盟、英国、法国、日本等国家/地区先后发布相关战略支撑,加速能源系统低碳转型,系统部署清洁能源前沿技术研发,以期推动清洁能源产业快速发展和化石能源产业低碳转型。国际能源署(IEA)聚焦于实现全球净零排放所需的关键清洁能源技术,通过整理与汇编构建了涵盖444项关键清洁能源技术的数据库15。本文基于该数据库,从技术领域、技术成熟度、净零排放重要性、清洁能源技术主要研发国家和不同领域技术领先国家五个维度开展对比分析。按行业领域,清洁能源技术划分为能源转型、工业、建筑业、交通运输业和CO2基础设施5个一级技术领域和26个二级技术领域。其中能
13、源转型和工业部分涵盖技术数量最多,分别为126和125项,建筑业、交通运输业和CO2基础设施部门依次为116、67和10项。不同领域清洁能源技术研发重心具有很强的聚焦性。能源转型领域共涵盖126项清洁能源技术,细分成7个子领域,分别为电力、热能、生物燃料、氢能、氨、合成烃燃料和炼化。其中电力63项,占能源转型领域技术数量的50%,具体技术方向既包括太阳能、风能、氢能、海洋能、核能等电力生产端,同时包括柔性交流电传输系统和液体空气储能等电力传输和储能方向。此外,生物燃料和氢能是能源转型的重点子领域,关键技术分别为29和20项。建筑业领域技术分布具有相似特征,研发重点为制冷/制热和建筑物建造/翻新
14、两个子领域,关键技术分别为61和34项,占比分别为52.6%和29.3%。具体技术包括热泵、热辐射反射屋顶、蒸发式太阳能集热器、固液储能、绝热玻璃涂层等。交通运输业领域技术研发聚焦于公路和航运两个子领域,关键技术分别为34和20项,在本领域占比51%和30%,具体技术包括氢燃料发动机、氢燃料电池、甲醇燃料发动机和电动汽车等。CO2基础设施领域关键技术研究方向聚焦于CO2储存子领域,涉及5项,占比50%,关键技术包括碳封存监控技术、CO2提高采收率和矿物储存等。相较于上述4个领域,工业领域技术研发分布较为平均,主要聚焦在化学品/塑料、电池回收和交叉技术三个子领域,关键技术分别为29、28和23项
15、,占比分别为23.2%、22.4%和18.4%,包括生物乙醇制备、甲烷热解、阴极回收稳定钝化技术等。3 清洁能源技术主要技术国家从国家层面对清洁能源技术统计可知,排名前十的国家依次为美国、日本、中国、德国、荷兰、英国、法国、加拿大、瑞典和挪威(表3)。美国在清洁能源技术领域具有明显的技术优势。在444项关键技术列表中,美国有131项技术处于世界领先地位,远超排名第二的日本(65项)和排名第三的中国(62项)与此同时,美国在不同领域研发分布较为平均,能源转型、建筑业、工业、交通运输业和CO2基础设施五个领域均有涉及,且每个领域清洁能源技术数量均居榜首。虽然不同国家清洁能源技术研发各有侧重,但能源
16、转型是各国普遍高度关注的技术领域,在本国清洁能源技术的占比也最高。另外,日本在建筑业领域具有较好的清洁能源技术研发基础,德国、荷兰、英国和加拿大在工业领域具有较强的清洁能源技术研发实力。4不同领域技术领先国家研究结果显示,不同领域的技术领先国家存在一定差异,但美国在五个领域均保持技术领先地位。在建筑领域,关键清洁能源技术数量排名前五的国家依次为美国、日本、中国、荷兰和瑞典,领先技术分别为37、22、19、8和7项(图4)。研发聚焦于制冷/制热和建筑物建造/翻新两个子领域,其中美国在硅碳质气凝胶绝缘材料、建筑集成热湿交换板和蒸发冷却耦合渗透膜等技术领域处于全球垄断地位,日本在固体干燥冷却剂技术领
17、域处于全球垄断地位,荷兰在地下储热系统领域处于全球垄断地位。此外,法国在集成系统子领域具有技术研发优势,在能源转型领域,排名前五的国家依次为美国、日本、德国、法国和英国,领先技术分别为46、34、24、22和21项,研发聚焦于电力、生物燃料和氢能三个方向(图5)。电力子领域排名前五的国家依次为美国、日本、中国、法国和英国,领先技术分别为25、24、13、11和10项;生物燃料子领域排名前五的国家依次为美国、法国、德国、丹麦和瑞典,领先技术分别为11、7、6、4和4项;在氢能子领域排名前五的国家依次为美国、英国、德国、澳大利亚和日本,领先技术分别为10、7、6、5和5项。日本在混合燃料火力发电和
18、混合燃料燃气轮机两个技术领域处于全球垄断地位,美国在CCUS氢化学循环技术领域处于全球垄断地位,英国在煤气加热重整领域处于全球垄断地位。此外,德国和挪威分别合成烃燃料和炼化两个子领域具有技术研发优势。在交通运输业领域,排名前五的国家依次为美国、中国、德国、韩国和瑞典,领先技术分别为12、11、8、7和6项,整体较为接近(图6)。研发聚焦于公路子领域,主要技术涉及甲醇燃料发动机、乙醇燃料柴油机和电动汽车三个方向。我国在公共交通电动车和甲醇燃料发动机方面具有领先技术实力。此外,德国和丹麦分别在铁路和航运两个子领域具有技术研发优势。在CO2基础设施方面,排名前五的国家依次为美国、挪威、加拿大、荷兰和
19、澳大利亚,领先技术分别为8、6、5、4和3项,研发领域涵盖CO2储存、直接空气捕获和CO2运输,其中CO2储存为研发重点。美国在直接空气捕获、CO2航运、CO2地质封存(盐水层和深层)等技术领域处于全球领先地位。在工业领域,排名前五的国家依次为美国、德国、英国、荷兰和中国,技术数量分别为28、21、13、13和12项。美国在工业领域中共有10项技术处于全球垄断地位,技术领域涵盖铝业、水泥/混凝土、化学品/塑料、钢铁/冶金和交叉技术。在多个工业领域中,中国仅在化学品/塑料子领域的部分技术处于全球垄断地位,例如高附加值化学品、甲醇制备和苯-甲苯制备。5.德国发展5.1 德国现状城市能源系统碳中和发
20、展战略的关键是需要从政策、技术和市场3个不同维度进行顶层设计、精细规划和稳步实施,并对实施过程中的问题、成熟度和效用进行长期跟踪和评估。a.德国城市电力系统减排现状及挑战得益于德国完备的新能源法的保障和完善的能源市场交易机制,新能源在德国电力系统中的比例不断增加。在2020年,新能源发电量的比例达到近46%的历史高点。在城市能源系统中,接人城市配电网的分布式屋顶光伏是主要的新能源电源。但由于城市中的建筑物密度大,产权及建筑用途复杂,老城保护和环保多方面的限制,城市中新能源发电仅能为城市电力能源提供小部分的能源补充。此外,基于生物质能等小型热电联产装置已经应用于办公楼、高层住宅和商业区。不断变化
21、的发电侧和用电侧需求将导致城市电力运营商面临不断增加的转型挑战,具体归纳为以下几点:1)城市配电台区中发电装置不多且小型化、碎片化,要求配电网公司显著提高规划、运行、监测等方面数据处理的频率和效率。2)电动汽车和充电桩的推广使充电负荷迅速增长。这使得电网公司需要在电网再投资和投人新调控技术之间谨慎选择。3)随着引入针对分布式能源接入的Redispatch2.0(二次调度),导致电网调度的复杂性提高。配电网公司将面临电网调控技术和成本上的挑战。4)随着多能互补及能源互联技术的不断发展,配电网公司需要加强与其他能源网络的互动,提高信息采集和分析能力,以提高电网运行可靠性,优化电网规划方案。5)配电
22、网运营商缺少有效的市场手段调配供电区域内的灵活性资源以实现可再生能源的就地消纳,但未来需要主导区域灵活性市场。目前,灵活性市场还需进一步开发并验证其宏观经济及市场经济的可行性。b.德国城市供热系统减排现状及挑战与城市电力供应同样重要的还有城市热能供应以及与其紧密相连的天然气供应。现阶段,德国城市的主要供热方式有:热电厂远程集中供热、基于天然气网的热电联产供热及人户式供热、楼宇柴油供热、楼宇电热及热泵系统供热和光热辅助供能。在能源供给方面,德国还十分依赖天然气及柴油等传统石化能源。城市远程供暖网络并不能完全满足供热需求,而在住宅中供热系统基于本地安装的小型低效供热系统。近年来,越来越多替代传统能
23、源的供热方式被采纳,如利用生物质能的小型热电联产装置,燃料电池、太阳能光热以及基于热泵的电能替代技术等。然而,现阶段城市热能系统的主要问题是缺少规模效应。由于城市产权、使用目的和建造年代等多种因素的约束,供暖的解决方案呈现出多样化、不兼容、不互联的特点。为了达到优化和改造现有供热系统,提高系统效率,减少碳排放的目的,就需要根据不同需求状况,制定不同的政策和解决方案但这也同时加大了供热问题的难度和深度。c.德国城市建筑能源系统减排现状和挑战德国总共拥有近2170万栋住宅建筑以及工商用和公共建筑,而其中使用燃油、燃气供能系统的高耗能老式建筑占到了70%。2020年德国建筑领域总能耗为8650亿kW
24、.h,用能占到了全国总能源消耗的近40%9,占总碳排放比例的近25%。由此可见,建筑领域的减排和能耗优化对实现碳中和目标举足轻重从1990年代开始,德国就启动建筑领域节能减排,制定建筑节能法案法规以及统一的能耗标准证书,并开展被动式能源房屋、主动式能源房屋的技术研究及示范。但到目前,建筑领域的减排总体进展大大低于预期,其面临的主要挑战,表现在以下3个方面:1)建筑领域能源结构依旧老化,特别是供热系统,使用传统燃油和天然气供暖的占比依旧很大;2)旧房节能改造的成本居高不下,且未能打破“投资-收益-困境”的经济难题,还未形成成熟可持续的商业模式;3)分布式能源在建筑领域和用户侧的应用虽然催生了新的
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