白春禮院士：碳中和背景下的能源科技發(fā)展態(tài)勢

據統計，2021年，我國煤炭和石油消費量分別占能源消費總量的56.0%和18.5%，比上年分別下降0.8和0.4個(gè)百分點(diǎn)。天然氣、水電、核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源消費量占能源消費總量的25.5%，較上年上升1.2個(gè)百分點(diǎn)，比2012年提高了約11個(gè)百分點(diǎn)，我國能源消費結構向清潔低碳加快轉變。根據預測，到2060年實(shí)現碳中和目標時(shí)，清潔能源消費量占比要達到80%，低碳清潔能源的規?；瘧檬菍?shí)現碳中和目標的關(guān)鍵。

2.1非化石能源發(fā)展迅速

近年來(lái)，我國非化石能源發(fā)展迅速，截至2021年底，全國全口徑非化石能源發(fā)電裝機容量達11.2億千瓦，同比增長(cháng)13.4%，占總發(fā)電裝機容量比重約為47%，比上年提高2.3個(gè)百分點(diǎn)，歷史上首次超過(guò)煤電裝機比重。其中，水電裝機容量3.9億千瓦、風(fēng)電裝機容量3.3億千瓦、太陽(yáng)能發(fā)電裝機容量3.1億千瓦、核電裝機容量5326萬(wàn)千瓦、生物質(zhì)發(fā)電裝機容量3798萬(wàn)千瓦。非化石能源利用水平繼續提升，2021年，我國風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電和水能利用率分別達到96.9%、98%和97.8%。廣東、廣西、云南、貴州、海南五省區風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電利用率均達99.8%，區域能源結構轉型成效顯著(zhù)，“棄水”“棄風(fēng)”“棄光”狀況明顯緩解。

2.2儲能是可再生能源大規模融合利用的關(guān)鍵

由于以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源普遍存在間歇性、波動(dòng)性、隨機性的特點(diǎn)，要實(shí)現其大規模融合利用，儲能是關(guān)鍵。根據預測，2060年我國儲能規模達到420GW(42000萬(wàn)千瓦)。2021年是我國儲能行業(yè)從商業(yè)化初期向規?；l(fā)展轉變的一年。根據統計，2021年，我國已投運電力儲能項目累計裝機46.1GW，約占全球市場(chǎng)總規模的22%，同比增長(cháng)30%，仍有較大發(fā)展空間。比如，國家能源局2021年8月發(fā)布的《抽水蓄能中長(cháng)期發(fā)展規劃(2021-2035年)》，到2025年，中國抽水蓄能累計裝機量要達到62GW以上，到2030年達到120GW，截至2021年底，抽水蓄能裝機規模僅為39.8GW。這意味著(zhù)9年間有3倍的成長(cháng)空間，復合年均增長(cháng)率為13%。

儲能技術(shù)路徑主要分為機械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能和其他儲能。機械儲能中的抽水蓄能技術(shù)成熟，是目前儲能市場(chǎng)上應用廣、占比高的技術(shù)，但其對地理條件依賴(lài)度高;壓縮空氣儲能可以不依賴(lài)地理條件，中科院工程熱物理研究所開(kāi)發(fā)的100MW壓縮空氣儲能技術(shù)，今年9月30日張家口并網(wǎng)運行，效率達到70%，接近抽水儲能效率。電化學(xué)儲能是通過(guò)電池完成的能量?jì)Υ?、釋放和管理的過(guò)程，具有配置靈活、建設期短、響應快速，可以有效提高可再生能源消納水平，是未來(lái)儲能技術(shù)發(fā)展的重要方向。主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉系高溫電池和金屬-空氣電池等。其中鋰離子電池技術(shù)較為成熟，已進(jìn)入規?；慨a(chǎn)階段，是目前發(fā)展快、占比較高的電化學(xué)儲能技術(shù)。鈣鈦礦電池是電化學(xué)儲能的新方向，具有吸光能力強、低成本和易制備、弱光效率高等優(yōu)勢和特點(diǎn)，但存在穩定性較差和大面積應用時(shí)的效率損失兩個(gè)短板，成為當前研究的熱點(diǎn)之一。根據中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )儲能應用分會(huì )數據，2021年，我國新增儲能項目146個(gè)。其中，抽水蓄能項目5個(gè)，電化學(xué)儲能項目131個(gè)。在電化學(xué)儲能項目中，鋰離子電池儲能項目高達120個(gè)。

當前我國儲能技術(shù)發(fā)展仍然面臨一些問(wèn)題和挑戰。一方面，我國在儲能領(lǐng)域基礎性、原創(chuàng )性、突破性創(chuàng )新不足，具有“領(lǐng)跑”意義的先進(jìn)技術(shù)還不多，儲能轉化的相關(guān)機理、技術(shù)及系統的研究還不夠成熟，尤其是在設計軟件、設計標準與理念方面缺少話(huà)語(yǔ)權。另一方面，大規模儲能技術(shù)推廣，受電力系統市場(chǎng)機制不完善等方面限制，存在儲能市場(chǎng)主體地位不明晰、市場(chǎng)機制不完善導致儲能價(jià)值收益難以得到合理補償等問(wèn)題，現階段還未建立成熟的競爭性電力市場(chǎng)運行機制，很難合理核定各類(lèi)電力輔助服務(wù)的價(jià)格，從而造成儲能的價(jià)值和收益難以對接。近年來(lái)這些方面都已經(jīng)有所進(jìn)步和改善，但問(wèn)題依然突出。

二氧化碳捕集和利用

根據預測，到2060年，仍有25～30億噸CO2總排放量，其中一部分可以由海洋、陸地無(wú)機過(guò)程和陸地生態(tài)系統吸收，另一部分需要通過(guò)CCUS(碳捕集-利用-封存)技術(shù)進(jìn)行去除。

碳捕獲與封存(CCS)技術(shù)是指將CO2從工業(yè)或相關(guān)排放源中分離出來(lái)，輸送到封存地點(diǎn)，并長(cháng)期與大氣隔絕的過(guò)程。根據國際能源機構的估計，到2050年，CCS要想對緩解氣候變化產(chǎn)生顯著(zhù)影響，至少需要有6,000個(gè)項目。每個(gè)項目每年在地下存儲100萬(wàn)噸CO2，而全世界只有三個(gè)如此規模的項目?？梢哉f(shuō)，如果CCS在未來(lái)20年不能進(jìn)化為主流技術(shù)，情況將不容樂(lè )觀(guān)。CCS技術(shù)無(wú)法迅速得到推廣的主要原因是其高昂的成本，根據測算，封存1噸CO2需要200~300美元，就是說(shuō)1噸煤燃燒排放2噸CO2，至少需要400美元進(jìn)行CO2封存處理，將來(lái)如果技術(shù)沒(méi)有突破性進(jìn)展，這件事根本不可能做到。另外，其推廣過(guò)程還存在諸多不確定因素，對環(huán)境也存在一定的影響。

碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術(shù)是應對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到世界各國的高度重視，紛紛加大研發(fā)力度，并取得一些研究成果。2021年9月，中科院天津工生所從CO2人工合成淀粉的成果引起了廣泛的關(guān)注，有網(wǎng)友將此比作空氣變饅頭。這是國際上第一次不需要依賴(lài)植物光合作用，而是采用人工手段，將自然的代謝過(guò)程重新拆解、組裝，以CO2、水和氫能為原料，生產(chǎn)出了人工的淀粉。目前，淀粉主要由玉米等農作物通過(guò)自然光合作用固定CO2生產(chǎn)，合成與積累涉及約60步代謝反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。天津工生所從頭設計出11步主反應的非自然CO2固定與人工合成淀粉新途徑，在實(shí)驗室中首次實(shí)現從CO2到淀粉分子的全合成，合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設計自然、超越自然目標的實(shí)現邁進(jìn)一大步，為創(chuàng )建新功能的生物系統提供了新科學(xué)基礎，是典型的從0到1的原創(chuàng )性成果。當然該成果目前尚處于實(shí)驗室階段，離實(shí)際應用還有一段距離。今年4月，電子科技大學(xué)、中科院深圳先進(jìn)院在《自然—催化》發(fā)表研究成果，電催化結合生物合成的方式，能將CO2高效還原合成高濃度乙酸，進(jìn)一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。有科學(xué)家認為，該工作耦合人工電催化與生物酶催化過(guò)程，發(fā)展了一條由水和CO2到含能化學(xué)小分子乙酸，后經(jīng)工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游離的脂肪酸等高附加值產(chǎn)物的新途徑，為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術(shù)。

據媒體報道，中國農科院與首鋼朗澤新能源公司合作，全球首次實(shí)現從一氧化碳到飼料蛋白質(zhì)的一步合成，并已形成萬(wàn)噸級工業(yè)產(chǎn)能。該項研究以含CO、CO2的工業(yè)尾氣和氨水為主要原料，制造新型飼料蛋白資源，將無(wú)機的氮和碳轉化為有機的氮和碳，開(kāi)辟了一條低成本非傳統動(dòng)植物資源生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料蛋白質(zhì)的新途徑。

2月，美國西北大學(xué)和郎澤科技公司研究人員在《自然》發(fā)表論文稱(chēng)，他們在一項新的試點(diǎn)研究中，將一種梭菌進(jìn)行遺傳工程改造，用于合成此前它們無(wú)法產(chǎn)生的化合物，這種選擇、設計和優(yōu)化細菌菌株的過(guò)程，成功地證明了其將CO2轉化為丙酮和異丙醇的能力。這種新的氣體發(fā)酵過(guò)程不僅可從大氣中去除溫室氣體，還可避免使用化石燃料，而化石燃料通常是生成丙酮和異丙醇所必需的。

碳達峰、碳中和目標是黨中央經(jīng)過(guò)深思熟慮作出的重大戰略決策，事關(guān)中華民族永續發(fā)展和構建人類(lèi)命運共同體?？萍紕?chuàng )新，特別是能源的科技創(chuàng )新是同時(shí)實(shí)現經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展和碳達峰、碳中和的關(guān)鍵。