氣候變化是全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）測算，若實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》1.5℃控溫目標，全球必須在2050年達到二氧化碳凈零排放（又稱“碳中和”），即每年二氧化碳排放量等于其通過植樹等方式減排的抵消量。碳中和是應對全球氣候危機的重要手段。目前，全球已有137個國家以政策宣示或立法等不同方式提出碳中和目標，其中大部分國家或區(qū)域計劃在2050年實現(xiàn)碳中和，如歐盟、美國、英國、加拿大、日本、新西蘭、南非等。少部分國家，如德國將碳中和目標提前到2045年。

科技創(chuàng)新是實現(xiàn)碳中和的核心驅動力，推動和依靠綠色技術創(chuàng)新作為共同的戰(zhàn)略選擇來實現(xiàn)碳中和目標已成為主要發(fā)達國家的共識。2020年以來，發(fā)達國家通過制定面向碳中和的科技戰(zhàn)略與計劃，加快布局綠色低碳技術創(chuàng)新。例如：美國發(fā)布《清潔能源革命與環(huán)境正義計劃》《變革性清潔能源解決方案》；英國以《綠色工業(yè)革命的十點計劃》為基礎推出《凈零創(chuàng)新組合計劃》；日本政府陸續(xù)頒布《革新環(huán)境技術創(chuàng)新戰(zhàn)略》《2050碳中和綠色增長戰(zhàn)略》等。主要發(fā)達國家以“減排”和“增匯”為2條主線，聚焦“零碳能源體系構建”“低碳產(chǎn)業(yè)轉型”和“生態(tài)固碳增匯/碳捕獲、利用與封存（CCUS）”3個維度。本文系統(tǒng)解讀國際碳中和行動的關鍵技術前沿熱點和發(fā)展趨勢，在此基礎上提出對我國碳中和技術創(chuàng)新戰(zhàn)略和計劃制定的啟示與建議。

零碳能源關鍵技術體系

零碳能源關鍵技術體系涉及傳統(tǒng)化石能源系統(tǒng)低排放轉型、新能源大規(guī)模使用和廣泛部署等。重點包括碳基能源高效催化轉化、先進高效低排放燃燒發(fā)電等關鍵減排技術，以及氫、太陽能、風能等新能源利用技術。

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的低碳排放轉型是當前的現(xiàn)實緊迫任務

（1）催化過程和工藝革命性創(chuàng)新推進碳基能源高效催化轉化。針對化石能源最本質的碳資源清潔高效轉化利用問題，前沿熱點方向包括：碳基能源催化轉化反應途徑、催化劑及工藝開發(fā)、復雜催化轉化系統(tǒng)的集成耦合與匹配，以及轉化過程多點源復雜污染物控制等。目前，碳基能源高效催化轉化已經(jīng)探索出一些新的路線，部分已實現(xiàn)工程示范。預計未來10—20年煤炭分級分質轉化利用技術、二氧化碳催化轉化技術將得到優(yōu)先發(fā)展。

（2）新型熱力循環(huán)與高效熱功轉換實現(xiàn)清潔燃燒與高效發(fā)電。先進高效低排放燃燒發(fā)電技術能夠有效減少化石能源作為燃料利用的碳排放，前沿熱點方向包括：靈活多源智能發(fā)電系統(tǒng)集成與協(xié)調控制、超高參數(shù)燃煤發(fā)電高效熱功轉換機制、新型工質熱力循環(huán)與高效熱功轉換創(chuàng)新技術，以及多污染物協(xié)同控制等。未來持續(xù)朝著高效、節(jié)能、節(jié)水和低排放/零排放方向發(fā)展。預計到2030年，燃煤發(fā)電超低排放等先進技術得到全面推廣，將有望使燃煤發(fā)電實現(xiàn)近零排放，從而顯著降低煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境影響。

新一代能源體系的重構建設是實現(xiàn)碳中和目標的核心工作

以可再生能源、先進核能、氫能、儲能技術為代表的碳零排關鍵技術是實現(xiàn)碳中和的關鍵抓手，是建設低碳綠色能源體系、實現(xiàn)碳中和目標的核心工作。

（1）高比例可再生能源系統(tǒng)被廣泛認為是引領全球能源向綠色低碳轉型的主體。構建高比例可再生能源系統(tǒng)，需要突破可再生能源高效、低成本、規(guī)?；_發(fā)利用的系列關鍵科學與技術前沿熱點問題，主要包括：先進可再生能源、靈活友好并網(wǎng)、新一代電力系統(tǒng)、多能互補與供需互動等關鍵核心技術。未來可再生能源利用將朝著多能互補、冷熱電聯(lián)產(chǎn)與綜合利用方向發(fā)展?？稍偕茉丛谀茉唇Y構中的比重日益增加，預計到2025年可再生能源將成為世界第一大電力來源，到2050年占到發(fā)電量的近90%、能源供應總量的2/3。其中，重點科技研發(fā)方向包括：以高效低成本光伏發(fā)電、人工光合系統(tǒng)制燃料與化學品為代表的新興技術；大型風電機組及部件關鍵技術、基于大數(shù)據(jù)的風電場設計與運維關鍵技術、大型風電機組測試關鍵技術，以及海上風電場設計、建設及開發(fā)成套關鍵技術等；高品位生物質能轉化技術、生物質能清潔制備與高效利用技術、能源植物基因重組育種、生物油精制原理、生物學系統(tǒng)氫能轉換原理等。

（2）先進裂變堆研發(fā)及聚變堆實驗突破推進核能邁向安全高效可持續(xù)發(fā)展道路。先進核裂變能前沿熱點方向主要集中在開發(fā)固有安全特性的第四代反應堆系統(tǒng)、燃料循環(huán)利用及廢料嬗變堆技術?？煽睾司圩兦把責狳c研究方向則主要聚焦等離子體理論研究、耐受強中子輻射和高熱負荷材料開發(fā)和示范堆概念設計方面等主題研究。預計2030年前后，部分成熟的四代堆（如鈉冷快堆）將走向市場，之后逐漸擴大規(guī)模。磁約束可控核聚變預計2030年左右完成實驗堆的建設和滿功率運行，2050年左右示范堆的工程設計及商業(yè)堆的預研和評估工作有望開展。

（3）氫能是未來碳中和社會技術、產(chǎn)業(yè)競爭新的制高點。前沿熱點方向包括：可再生能源電解制氫等綠色制氫技術，更高效、易運輸儲氫技術與基礎設施網(wǎng)絡建設，以及基于氫能的新型復合系統(tǒng)概念研究及驗證等。目前，可再生能源電解水制氫尚處于示范階段，太陽能光解水制氫等前沿技術仍處于實驗室開發(fā)階段；預計到2030年可再生能源電解水制氫技術將大規(guī)模部署，具備與藍氫（配備碳捕集的化石燃料制氫）成本相當?shù)母偁幜?。未來氫能應用逐漸向靈活、高效的多能融合場景發(fā)展。

（4）下一代新型電化學儲能技術正處在一個重要突破關口。前沿熱點方向包括：開發(fā)全固態(tài)鋰電池、金屬-空氣電池、新概念化學電池等潛在顛覆性技術；重點開展充放電循環(huán)反應機理研究、中間產(chǎn)物認知、界面優(yōu)化、新概念電池材料體系開發(fā)。未來電池儲能研究繼續(xù)向高能量密度、高比功率、快速響應、高安全性、長壽命電池材料發(fā)展。預計到2025年前動力電池單體能量密度達400 Wh/kg，2030年達到500 Wh/kg，并加速開發(fā)下一代鋰離子動力電池和新體系動力電池。最終實現(xiàn)在21世紀中葉前廣泛應用長壽命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型電化學儲能技術。

（5）多能融合能源系統(tǒng)是各國低碳轉型新的戰(zhàn)略競爭焦點。前沿熱點方向是解決能源的綜合互補利用、多能系統(tǒng)規(guī)劃設計，運行管理、能源系統(tǒng)智慧化等重大科技問題，以及開發(fā)多能互補系統(tǒng)變革性技術等。構建多能融合綜合能源系統(tǒng)是能源發(fā)展大勢所趨，攻克能源生產(chǎn)、輸配、存儲、消費等環(huán)節(jié)的多能耦合和優(yōu)化互補核心技術，發(fā)展變革性智能化綠色過程技術體系，支撐高碳行業(yè)流程再造，解決能源轉化和工業(yè)生產(chǎn)過程的高能耗高排放難題，保障能源利用與生態(tài)文明同步協(xié)調發(fā)展。

低碳產(chǎn)業(yè)轉型關鍵技術體系

工業(yè)、交通等高排放行業(yè)綠色低碳轉型是實現(xiàn)碳中和目標的重中之重，減排路徑包括源頭減排、革新技術和工藝流程再造、行業(yè)綠色低碳材料開發(fā)及末端治理等。技術創(chuàng)新是促進行業(yè)以成本效益實現(xiàn)碳減排的關鍵。

原料/燃料替代、工藝技術創(chuàng)新和碳捕集與利用是工業(yè)過程碳減排的主要技術路徑

（1）可再生電力、生物質能、氫等清潔燃料應用是實現(xiàn)燃料端碳減排的重要途徑。前沿熱點方向包括：低成本可再生電力、高比例生物燃料替代化石燃料、技術與裝備強化、高溫工業(yè)過程氫燃料應用、低品位余熱利用等。目前，在一些行業(yè)（如水泥、鋼鐵）已實現(xiàn)化石燃料的部分替代，預計到2060年清潔燃料替代將使工業(yè)部門化石燃料的使用量減少60%—80%。

（2）工藝技術變革和創(chuàng)新推動工業(yè)過程的碳減排。制氫結合CCUS是鋼鐵行業(yè)低碳工藝路徑的關鍵技術組合。前沿熱點方向包括：低成本綠氫制備、氫還原煉鐵、低成本大規(guī)模CCUS技術的工業(yè)應用等。全球氫和CCUS技術相結合已探索了多條低碳鋼工藝路線，預計2050年可實現(xiàn)商業(yè)化。CCUS技術的工業(yè)應用前景廣闊，預計到2050年工業(yè)行業(yè)二氧化碳捕獲率將達到90%，碳捕獲成本比2020年水平降低40%。

（3）低碳替代產(chǎn)品研發(fā)和碳循環(huán)利用是工業(yè)碳減排的另一重要方向。在水泥行業(yè)，前沿熱點方向包括：石灰石的零碳替代品開發(fā)、低碳水泥研發(fā)等。目前，已積極探索工業(yè)固廢、黏土、火山巖等部分替代石灰石，以非石化基材料完全替代石灰石是未來發(fā)展的重要趨勢?；ば袠I(yè)中，前沿熱點方向包括：可持續(xù)的生物或廢物基原料高效轉化利用技術、綠色氫基大規(guī)模氨生產(chǎn)技術、碳循環(huán)利用新技術、分子煉油和多產(chǎn)化學品技術等。

節(jié)能提效、可持續(xù)性低碳燃料和電動化是交通部門綠色低碳轉型的主要技術路徑

（1）節(jié)能和能效提升技術是交通部門實現(xiàn)短期脫碳的主要方式，能夠有效緩和不斷增長的能源需求。交通部門綠色低碳轉型的前沿熱點方向包括：輕量化技術、發(fā)動機技術、機電耦合一體化技術和智能交通技術等。在技術創(chuàng)新的推動下，交通運輸工具的平均油耗和廢氣排放持續(xù)下降。提高輕質合金和復合材料等性能、開拓新型工藝技術和智能網(wǎng)聯(lián)化技術等技術是未來主要的攻關方向。

（2）發(fā)展可持續(xù)性低碳燃料和電動化是交通部門實現(xiàn)中長期脫碳的關鍵。前沿熱點方向包括：可再生植物/海洋藻類或其他有機廢物制成的生物燃料、氫能及氫基燃料和動力電池技術等。目前，部分低碳燃料在道路交通中處于示范階段，在航空和航海領域處于起步探索階段，動力電池技術已躋身世界前列。未來交通能源多元化發(fā)展將成為主流，下一代動力電池技術有望在2030—2060年逐步實現(xiàn)商業(yè)化。

生態(tài)固碳增匯/負排放關鍵技術體系

負碳排放關鍵技術包括生態(tài)固碳增匯、CCUS、直接空氣碳捕集（DAC）和碳循環(huán)利用等，這些技術重點解決生產(chǎn)活動中無法通過技術手段減排的碳，是實現(xiàn)碳中和目標技術組合的重要組成部分。

生態(tài)固碳增匯技術是實現(xiàn)碳中和目標的有力技術手段

系統(tǒng)部署生態(tài)固碳增匯技術需要攻克一系列前沿熱點問題，既需要在采樣相對不足的地區(qū)開展更多的實地觀測，研發(fā)和優(yōu)化可正確刻畫碳循環(huán)復雜過程的地球系統(tǒng)模型；又需要繼續(xù)投資于天基衛(wèi)星觀測，建立生態(tài)碳儲量核算、碳匯能力提升潛力評估等方法，研究生態(tài)碳匯的關鍵影響因素與演化規(guī)律，評估生態(tài)系統(tǒng)增匯潛力及風險。此外，需要大力發(fā)展海洋碳匯技術——海洋儲碳周期可達數(shù)千年，負排潛力巨大。

CCUS是應對全球氣候變化的關鍵技術之一

CCUS規(guī)?；渴鹑匀幻媾R一系列關鍵技術挑戰(zhàn)，前沿熱點方向包括：CCUS與新能源體系的耦合發(fā)展、第二代捕集技術、化學鏈捕集技術、Allam循環(huán)、低成本及低能耗的CCUS技術研究等。目前，第一代捕集技術發(fā)展?jié)u趨成熟，但成本和能耗偏高；而第二代捕集技術仍處于實驗室研發(fā)或小試階段，待技術成熟后，其能耗和成本會比成熟的第一代技術降低30%以上，2035年前后有望大規(guī)模推廣應用?；瘜W鏈捕集技術尚處于實驗室階段，還未實現(xiàn)工程示范。生物利用技術總體處于初期發(fā)展階段。涉及CCUS過程的新型捕集技術、生物利用技術、CCUS規(guī)?；屘婕夹g、風險防控能力的研究將是未來發(fā)展的重要趨勢。

DAC是減少分布源碳排放的有效技術途徑

DAC能夠對數(shù)以億計的交通工具等分布源排放的二氧化碳進行捕集處理，從而有效降低大氣中的二氧化碳濃度，前沿熱點方向包括：開發(fā)新型吸附劑、新型接觸器、低成本的高容量DAC用再生材料、DAC系統(tǒng)的低碳電力耦合研究等。全球發(fā)展DAC的動力正在不斷增長。然而，DAC在工業(yè)領域的發(fā)展還處于初級階段，在實現(xiàn)商用之前還有很長的路要走；預計到2030年實現(xiàn)DAC技術系統(tǒng)的構建，2040年實現(xiàn)DAC技術實用化。

碳循環(huán)利用是構建碳循環(huán)經(jīng)濟不可或缺的關鍵一環(huán)

碳循環(huán)利用是實現(xiàn)碳減排的重要途徑，也是世界性難題。目前，二氧化碳資源化利用產(chǎn)業(yè)化研究中化學轉化資源化利用、生物轉化資源化利用是當前的研究熱點。碳循環(huán)利用技術有望到2030年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。轉化路徑和高效催化劑研究、以二氧化碳為原料的高附加值化學品轉化、燃料轉化技術將是未來研究的主要方向。目前，碳循環(huán)利用技術處于初級階段，預計2040年左右碳循環(huán)產(chǎn)品將得到廣泛使用。

結語與啟示

（1）加強頂層設計科學引導研發(fā)創(chuàng)新。加強碳達峰、碳中和戰(zhàn)略頂層設計，分析不同行業(yè)能源相關碳排放現(xiàn)狀和機制，探討能源相關減排技術潛力。密切跟蹤國際綠色科技前沿熱點研究，制定支撐碳達峰、碳中和目標的中長期技術發(fā)展路線圖和行動方案，明確主要目標、重點任務和時間節(jié)點。

（2）強化核心關鍵技術的科學攻關。推動新一代可再生能源、綠氫、儲能、智慧能源、綠色化工、零能耗建筑、新能源交通、綠色智能社會等前沿技術、顛覆性技術的重點突破。加快推進高效節(jié)能低碳技術及CCUS、生態(tài)增匯等技術示范應用，推動新一代數(shù)字化技術在清潔能源、節(jié)能和能效等領域的融合創(chuàng)新。

（3）打造貫通創(chuàng)新價值鏈的創(chuàng)新網(wǎng)絡。探索碳減排、碳零排、碳負排等關鍵技術的共性科學問題，開展從基礎研究、技術創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化的全鏈條攻關。構建支撐碳中和目標能源技術發(fā)展的產(chǎn)學研全鏈條創(chuàng)新網(wǎng)絡，促進創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，促進成果的高效轉化。

（4）構建科學高效的創(chuàng)新平臺體系。建立科技創(chuàng)新平臺體系是產(chǎn)出高水平成果，培育高層次人才，實現(xiàn)科技創(chuàng)新的重要組織形式和有效手段。因此，為了更好推動支撐碳中和目標的能源科技創(chuàng)新，需要優(yōu)化布局面向碳中和重大科技需求的國家科技創(chuàng)新基地體系，設立相應的國家重點實驗室、國家工程研究中心、國家技術創(chuàng)新中心等，建立穩(wěn)定的支持機制和聯(lián)合攻關機制。