地球正面临严峻的环境问题，如何发展低碳技术，实现双碳目标？

2022-10-31 14:49:52  信息编号：K225640  浏览次数：118

如果北极圈内格陵兰岛的冰盖全部融化，全球海平面将上升超过7米，南京和上海等沿海城市会在海平线下，山东省也将被海水分隔成两个岛屿......

自工业革命以来，化石燃料广泛使用、森林**伐等人类活动导致大气中温室气体不断增加，大量CO2等温室气体在大气层的长时间聚集产生温室效应，导致全球变暖比工业化前水平高出约1.2℃。温室气体是气候变化的主要驱动因素，带来了干旱、火灾、洪水、冰川消融等严重的气候变化问题。

气候变化是全世界共同面临的严峻挑战，对人类社会的发展和存亡构成严重威胁，应对气候变化已成为全球共识。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)自成立以来一直致力于全球气候变化治理，从1997年的《京都议定书》到2015年的《巴黎协定》，使得全世界在气候问题上取得共识和显著成效。2018年，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《Global Warming of 1.5℃》指出，如果地球温升超过1.5℃，会给自然系统和人类社会带来不可逆转的伤害，1.5℃和2℃的增温幅度所带来的影响迥然不同，强调了温升控制在1.5℃对全世界可持续发展的重要性，需要世界各国共同为之努力，特别是要对碳排放量进行严格的控制。

在这样的危机下，大家开始聚焦低碳技术，力图通过对绿色、环保的追求，来缓和地球环境问题。而当前低碳技术的商业化进程到了什么地步？

01

地球正面临严峻的环境问题

20世纪以来，受全球人口增加和现代化工业的影响，大气中的二氧化碳（CO2）浓度显著增加。CO2是造成温室效应的主要气体，全球气温的升高导致南北极圈冰盖消融。随着北冰洋的冰加速消融，北极熊在夏天狩猎困难，科研人员发现，大熊吃小熊的情况也有增多。

一直到1996年，人类才开始重视气候变化问题，那时生物学家发现：此前在南方栖息的一种斑蝶，到1996年被发现栖息地已经北移；2021年8月，科研人员在北京发现了一种一直生在南方的尖冒草。

据媒体报道，格陵兰岛今夏最高温度超过了15℃。如果北极圈内格陵兰岛的冰盖全部融化，全球海平面将上升7.2米，南京和上海等沿海城市会在海平线下，山东省也将被海水分隔成两个岛屿。另外，南美洲安第斯山麓地区的冰川也在加速融化，这些讯息在警示人类——全球气候变化和环境问题已经迫在眉睫。

真锅淑郎(Syukuro Manabe)、克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）、乔治·帕里西（Giorgio Parisi）三位科学家指出，全球变暖能给可靠预测。地球气候是一个对人类至关重要的复杂系统，他们解释清楚了“大气中二氧化碳含量的增加，如何导致地球表面温度升高？地球气候要如何变化？人类有会如何影响它？”的问题。因此，他们在2021年获得了诺贝尔物理学奖。

02

“双碳”的科学内涵

所谓“碳达峰”，是指CO2排放量达到历史峰值，然后经过平台期继而进入持续下降的过程，是CO2排放（简称“碳排放”）由增加向减少转变的历史拐点，标志着碳排放与经济发展脱钩，即经济增长不再以增加碳排放为代价。“碳中和”是指人为温室气体排放量和人为清除量之间的“收支相抵”，狭义上指CO2的净零排放，广义上它可指所有温室气体的净零排放，包括甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、 全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）和三氟化氮（NF3）等6种“非CO2温室气体”。对于“碳达峰”阶段和“碳中和”2个阶段，其实质都是减少人类活动中的碳减排，需要一个旨在减少和抵消温室气体排放的平衡混合战略。“碳中和”意味着生态系统、经济系统、政治系统共同的发展与演变，在推进“双碳”目标实现过程中，要兼顾国民经济系统正常运行、居民收入与就业等经济社会目标的实现。

截至2021年6月，全球碳中和阵营已达到130余个国家的规模，占全球碳排放总量的70%以上。为了实现“双碳”目标，我国成立了专门的碳达峰碳中和工作领导小组，出台了一系列政策措施，采取了一系列行动。2021年10月24日和10月26日相继发布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》，两部文件的发布宣告了碳达峰碳中和“1+N”政策体系的正式建立。

碳排放方面，《Global Energy Review：CO2 Emissions in 2021》显示，2021年中国排放了119亿t CO2，占全球排放总量的33%。2010—2021年全球碳排放总量及中国占比详见表1。2021年全球CO2排放量363亿t CO2，达历史最高水平。在2020和2021年间，中国作为实现经济增长的主要经济体，碳排放量的增加抵消了同期世界其他地区排放总量的下降。中国排放量的增加主要是由于GDP的快速增长和能源供应服务的电气化对电力的需求急剧增加，而电力需求严重依赖于煤电。

全球能源结构已形成石油、天然气、煤炭和新能源“四位一体”的新格局：以石油和天然气为主，石油开发迈入“稳定期”，天然气发展步入“鼎盛期”，煤炭作为补充能源进入“转型期”，新能源发展渐入“黄金期”。“双碳”目标的实现路径：一是减少“碳源”，即减少以CO2为主的温室气体的排放量；二是增加“碳汇”，利用各种手段技术增加CO2的吸收量。中国的基本国情和巨大的能源消费总量，决定了实现碳中和将是一个漫长的过程，要积极进行能源结构转型和优化调整，减少现有能源使用产生的碳排放量。大力发展可再生能源技术、生态碳汇技术和负排放技术，助力碳中和目标的实现。

03

如何发展低碳技术，实现双碳目标？

发展低碳技术，实现双碳目标，有助于解决能源环境问题。低碳技术主要包括三个方面——

第一，减碳技术：包括节能减排，LED照明，煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发技术等。

第二，无碳技术：包括核能、太阳能、风能、生物质能等，可再生能源技术。可再生能源在使用时无碳排放，但在制造过程中有碳排放，其回收期一般是一年半到两年。

第三，去碳技术：如CO2捕获与埋存。

1、太阳能利用技术商业化进展迅速

在低碳技术中，太阳能利用技术非常重要。人类所使用的能源大致有两种形式，第一种是太阳辐射的能量，简称太阳能。其中包括了太阳能、生物能、煤、石油、天然气、水能、风能等。第二种是来自地球内部的能源，包括地热、核能等。

研究者们预测，太阳能资源接近无穷大，而全球石油资源总储量还能供人类使用约45年，天然气资源总储量还能供人类使用61年左右，煤资源总储量还能供人类使用216年左右，铀资源总储量还能供人类使用约71年。这组数据突出了人类发展太阳能技术的必要性。

目前，全球六大洲均分布了太阳能资源，其中中国地区有3-5个太阳能资源。理论上，利用部分荒漠地区太阳能可解决全国能源需求。

此前，有业者统计，我国2007年消耗能源26.5亿吨标准煤，而我国西部于华北北部年辐射能约达0.2吨标准煤/平方米。如果装载10%转化率的太阳能电池，则只需将13万平方公里土地的太阳能转化，就能满足全国2007年全年的能源需求。

围绕太阳能方面的发展主要有三个方面：

1、发展太阳能技术：光伏、光热、光化学、光生物学，这实际上离不开电子设备；

2、发展智能化分布式能源系统和能源互联网技术；

3、因地制宜推广太阳能技术的广泛应用。

光打到半导体里激发出电子空穴对，如果电子材料做的非常好，缺陷很少、迁移率大、寿命长，就有可能跑到Pn结里面去，然后把空穴推到电极，这是光电转化的过程。这涉及到电池结构、内建电场、能带排列、表面界面；材料特性、杂质缺陷、光生载流子的激发、输送、载流子迁移率、寿命、扩散长度；设备工艺、材料生长和特性、器件结构制备和功能等诸多科学问题。

生产一颗高效率的太阳能电池要有很多设计、精密的设计和考虑，涉及到物理学、材料学以及基础研究、应用研究，具有效率、成本、寿命、柔性等方面的挑战。

太阳能电池技术经历了三代：第一代光伏电池（硅基电池）主要有单晶硅、多晶硅电池；第二代光伏电池（薄膜电池，具备低成本的特点）主要有非晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等；第三代光伏电池（薄膜电池为主，具备高效率、低成本的特点），包括宽光谱叠层多结、染料敏化、钙钛矿结构、量子点/纳米、有机电池等多种新概念电池。

1.钙钛矿电池有较好的发展前景

在褚君浩看来，这三代电池之间是互补的关系。最近硅基钙钛矿电池得到业内的重视，这是非常有前景的一类太阳能电池技术。钙钛矿结构太阳电池中的钙钛矿材料吸收系数较高，同时光伏也较契合太阳能的吸收。

2018年9月《科学》（Science）刊发了华中科技大学武汉光电国家研究中心韩宏伟教授团队合作论文“钙钛矿太阳能电池产业化的挑战”。该团队所专注的可印刷钙钛矿太阳能电池，基于丝网印刷技术制备，采用廉价的碳材料替代传统的贵金属作为电极材料，因此具有易于扩大化生产及有望实现廉价太阳能发电的技术特点。

韩宏伟创立的湖北万度光能有限责任公司承接了华中科技大学p-MPSC项目，实现了3600 cm2模组、集成了110m2示范性实验电站，实现了稳定发电，完成了器件及材料中试，2200 cm2公证效率14.9%，正在开展200MW p-MPSC大试线建设。该可印刷钙钛矿太阳能电池示范系统，充分展示出该项技术良好的应用前景。

最近，南京大学谭海仁教授也在发力全钙钛矿太阳能电池的产业化。谭海仁团队运用涂布印刷、真空沉积等量产化技术，在国际上首次实现了全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。经国际权威第三方测试机构认证，大面积组件稳态输出效率高达21.7%。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池的前景也非常大。由于钙钛矿和硅具有不同的带隙，为了充分利用太阳光谱，钙钛矿太阳能电池可作为顶电池与硅电池形成叠层太阳能电池，即钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。这种钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池既拓宽了电池的光谱响应范围，提高了太阳能电池效率，又降低了制备成本。

钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池的发展也比较快。铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池，因其具有光吸收系数高、禁带宽度可调、弱光性好和转换效率高等优点。铜铟镓硒太阳能电池可以制备在柔性衬底上。钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池可以在提高铜铟镓硒太阳能电池太阳能电池效率的同时，继续保持其在柔性/曲面器件上应用的优势。

多结电池和聚光光伏电池的发展也很快。多结电池的目标是30%左右的效率，它实际上就是三个Pn结，每个Pn结响应一个波段，把太阳波谱全部变化为电，但该类电池的成本比较高，所以目前主要以表面聚光的方式来节省成本。以砷化镓多结电池为代笔，其电池效率达到36%，未来效率有望达到40%，其柔性制造成本低，但整体电池成本高，目前无人区应用较多。

现在，全世界正掀起探索高效率、低成本太阳能技术热潮，未来究竟哪一种太阳能电池会成为主流？主要看成本效率和寿命。就目前来看硅基仍是主流。

2.分布式能源系统和能源互联网技术

智能化分布式能源系统，大规模间歇式电源并网技术、大规模多能互补发电技术、大容量快速储能技术/装置，都是能源利用方式发展根本的变革。

美国科学家杰里米·里夫在他的《第三次工业革命》一书中把“能源互联网”看成新经济系统的五大支柱之一。能源互联网就是分布式、小型化、智能化、低成本化、安全、可靠、鲁棒；开放平台；用户为中心的网络。

能够让亿人在自己家中、办公室和工厂生产绿色可再生能源。可以将这些能源进行存储，并用绿色电力为楼房、机器和汽车供电。多余的电力可以于他人分享，就像现在网络上分享信息一样。将来能源互联网和信息互联网是对应的，将来是非常大的产业。能源互联网重点产业方向的核心产品为能源路由器，其相关的重大突破性技术，能源路由器关键技术。

2、光伏发电助力我国实现双碳目标

全球光伏装机容量在2019年是627GW，预计到2025年将达到1722GW。其中，2019年中国光伏装机容量达210GW以上，发电量为2243亿度/年，到2020年中国光伏装机量容量为253GW以上，发电量达3000亿度/年以上，相当于近三个三峡水电站的年发电量。

欧盟提出到2050年，100%使用可再生能源，美国则和中国则是80%。一次能源中，可再生能源占比约80%，到2050年可再生能源在总发电中的占比达86%，其中风电约占总发电的三分之一，光伏发电占总发电的25%。

通过将碳达峰、碳中和纳入到生态文明建设整体布局，希望通过碳中和、碳达峰技术让建筑交通工业领域的碳排放分别减少25%、54%、16%，总碳减排量超过60%。同时，政府各部门的相关政策、纲要的发布也在积极推动以上目标的实现：“十四五”规划和2035年远景目标纲要指出，大力提升风电、光伏发电规模。五部委联合发文表示，要加大金融支持力度，促进光伏海淀等行业健康有序发展；国家发改委指出，要进一步扩大可再生能源装机规模……

总之，在“3060”双碳目标下，电源结构加快向情节低碳转型。2021年，风电、光伏发电量占全社会用电比重达11%左右，到2030年我国风电、太阳能发电总装机量将达12亿千瓦以上。

在以上目标的推动下，“光伏+”产业将有较好的发展前景。

光伏+制氢行业，因太阳能制氢实现了清洁能源生产清洁能源，能有效解决光伏发电消纳问题；

光伏+5G通信行业，5G基站大部分需要新报装电，设备功耗大，耗电量大，光伏发电系统能够有效降低企业电力成本，在5G领域的应用发展潜力巨大；

光伏+新能源汽车行业，随着新能源汽车进一步普及，带动光伏充电桩建设业务逐渐扩大；

光伏+建筑行业，按方式可分为BAPV (光伏与建筑简单组合连接，分布式的主体)和BIPV(光伏建筑一体化，或光电建筑)，在安全性、观赏性、便捷性和经济性方面都具备一定优势。

再观察全球光伏企业排名，据365光伏发布的“2020年全球光伏企业20强排名”显示：隆基、协鑫、晶科、天合光能、阿斯特，FIRST SLOAR,INC.、Hanwha Q CELLS、晶澳、通威、天津中环半导体进入前十。中国企业占据榜单前五强。在TOP10中，中国企业占了8个席位。

从区域来看，我国光伏企业主要分布在华东地区，其中，江苏省和浙江省是我国光伏产业完备程度最高、产业规模最大、企业集聚度最高的省份。近年来，受生产成本和资源优势的影响，光伏企业生产基地向西部地区转移的趋势明显。

04

建立绿色低碳技术体系化发展新思路

实现“双碳”目标是一场广泛而深刻的系统性变革，因此需要完善绿色低碳科技革命理论，建立体系化发展新思路。

首先，从绿色低碳技术体系的技术变革、绿色低碳政策体系的体制机制变革、绿色低碳技术创新动力的基础研究变革、绿色低碳技术应用的产业变革等4个方面丰富绿色低碳科技革命理论，通过统筹技术创新、机制变革、基础研究与产业应用，构建长期发展思路。

其次，纵向构建绿色低碳技术体系思路。一是碳排放主要来源行业，以化石能源为主体，以能源、工业为主线，从能源供给端、过程排放端、末端3个方面，构建绿色低碳技术体系。能源供给端涉及能效技术、新能源与化石能源耦合发展技术、新能源替代技术、与能源相关联的“电网、负荷、储能”技术等。过程排放端涉及钢铁行业新技术、化工行业新技术、水泥行业新技术、有色金属行业新技术等。末端主要为碳捕获利用及封存技术（CCUS）。二是碳排放间接来源行业，以交通、建筑和居民生活等领域相关减排技术为主。交通行业涉及道路减排和航空航运减排技术，建筑和居民生活领域主要为零碳建筑体系技术。三是以碳减排赋能技术构建绿色低碳技术体系，“双碳”战略将推动以化石能源和重工业为主的生产结构，向以可再生能源和绿色生产为主转变，人工智能、大数据及新一代信息技术将成为绿色低碳技术体系的重要组成部分。

再次，横向构建绿色低碳技术体系思路。一是碳达峰碳中和视角，碳达峰阶段二氧化碳减排技术将作为绿色低碳技术体系的主要构成，碳中和阶段将包括全部温室气体减排技术。二是应对气候变化视角，短期包括缓解、适应气候变化的相关技术，长期包括气候工程技术等。三是高维度发展视角，制定阶梯式发展规划，将当前技术体系设定为1.0阶段，以2.0、3.0等升级思路实现长远高维发展。

05

构建完善的绿色低碳技术创新路径

建立完善的绿色低碳技术创新路径，是实现绿色低碳技术不断创新发展和关键核心技术攻关突破的重要保障，要发挥我国多主体创新优势，建立系统化创新路径。

发挥国企优势，使之成为绿色低碳技术体系创新主体。一是利用国企资金优势，推动绿色低碳技术多样化发展，并开展示范工程；二是发挥国企技术、研发中心和工业实验室优势，推动化工、钢铁、水泥等资产密集型行业技术转型；三是利用国企产业规模优势，推动可再生能源、储能和CCUS规模应用，降低成本；四是落实国企承担国家战略责任，推动非二氧化碳温室气体减排、碳汇和应对气候变化等具有社会效益的技术创新。

发挥民企优势，使之成为新兴绿色低碳技术创新主体。新兴绿色低碳技术一般规模化较低，大多处于示范阶段或者商业化早期，利用民企在政策灵活性、创新活力、人才聚集等方面的优势，推动相关绿色低碳技术发展，加快创新进程。

建立工业创新平台，推动碳中和关键技术创新。电气化、CCUS、氢能、生物质能等技术可在能源、工业等多领域部署，并将在碳中和阶段发挥重要作用。利用该类型技术多行业适用的共性特征，建立工业创新平台，通过共享基础设施、试验数据等，打造开发新型路径，促进碳中和关键技术发展。