碳中和专题研究报告：碳中和未来技术突破会怎样.docx

《碳中和专题研究报告：碳中和未来技术突破会怎样.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳中和专题研究报告：碳中和未来技术突破会怎样.docx（24页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、碳中和专题研究报告:碳中和未来技术突破会怎样1 .碳中和是能源革命，也是技术革命“碳中和”背后孕育着一次百年级别的能源革命，其中必然伴随着大量的技术进步和创新，人类的生产生活也将因此发生深刻变化。要实现2030年碳达峰和2060年碳中和，中国面临着巨大的现实挑战，技术突破是实现碳中和的必然要求。其一，我国二氧化碳排放总量巨大。中国是世界二氧化碳第一排放大国，排放量超过美国、欧盟、日本的总和，实现碳中和所需的碳减排量远高于其他国家。其二，我国“碳中和”的时间安排更加紧凑。中国从“达峰”到“中和”之间仅有30年时间，远远短于发达国家安排。以德国、法国、英国为代表的欧洲国家于上世纪80年代末、90年

2、代初已实现碳达峰，美国2007年实现碳达峰，日本2013年实现碳达峰，距离2050年碳中和目标有3760年的过渡期。“碳中和”时间表紧凑，为了实现碳中和目标，未来碳权价格必然会逐年走高。购买碳权会增加额外的企业成本，碳减排技术进步较慢的企业将面临被时代淘汰的命运。从另外一个角度看，对于技术改造较快、技术创新能力强的企业来说，多余的碳权配额成为了其不断增值的稀缺资产。因此，企业通过自主研发减少碳排放或增加碳吸收的动力很强，绿色转型是企业生存下去的必经之路。如何实现碳中和？根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的定义，碳中和，即净零二氧化碳排放，是指在特定时期内全球人为二氧化碳排放量等

3、于二氧化碳消除量。用公式可表示为：碳排放-植物碳汇-人工碳汇二0因此，实现碳中和，从技术层面出发，需要各行业通过技术改造、升级或创新尽量减少碳排放，或者利用CCUS(碳捕捉、应用与储存)技术进行人工碳汇。碳减排方面重点关注二氧化碳高排放行业，包括电力部门、工业部门、交运部门和建筑部门，之后会逐一分析四个部门的碳减排技术方案。CCUS则是实现碳中和的另一重要保障，一方面CCUS技术可以参与到上述碳排放大户的节能减排方案之中，另一方面可以直接从空气中捕捉二氧化碳，作为碳中和的最终保障。2 .碳减排的技术创新和应用领域有哪些中国碳排放主要通过生产端的直接排放和消费端的间接排放两个渠道，直接排放指通过

4、燃烧化石燃料排放，间接排放指通过耗电间接排放。考虑直接排放和间接排放两个渠道，我们把中国“碳排放大户”分为四类，包括电力部门、工业部门、交运部门和建筑部门。实现碳中和，上述四个部门亟需进行节能技术改造和零碳生产技术创新。电力部门绿色转型是实现碳中和的基础。电力生产低碳化有两种方式：一方面，对现有发电企业进行技术改造，提高能源利用效率，包括热点解耦、低压稳燃等传统技改，以及利用人工智能、大数据、云计算等进行智能化改造；另一方面，寻求以太阳能、风能为代表的可再生能源进行发电，实现电力的零碳生产，除了利用光伏、风能等清洁能源进行发电之外，电力的储存和运输也至关重要。工业部门深度脱碳是实现碳中和的重中

5、之重。对于钢铁行业而言，要大力发展短流程电炉炼钢，研发绿氢炼钢流程，并利用碳捕捉技术清除化石燃料产生的碳排放；对于水泥生产而言，一方面需要燃料端实现零碳排放，比如利用绿氢、生物质燃料等替代传统化石燃料，另一方面需要积极探寻水泥原料石灰石的替代品，彻底解决石灰石燃烧过程中的大量碳排放问题;对于化工行业而言，应大力发展氢化工，实现对化石能源的替代，另外积极探索生物基高分子材料替代化纤、塑料、橡胶等石化基材料。交运部门碳排放占比不断增加，需要加强化石能源替代速率。加快短途交通电动化进程，进一步提升新能源电池的能量密度和充电速度，推广光伏充电桩一体化的新型建筑配电系统;航空、船舶、铁路等长途交通尝试使

6、用氢能、生物质燃料、液态氨等燃料替代传统化石燃料。另夕卜，利用并发展大数据技术，构建智慧城市交通体系，从宏观层面减少通行里程和道路拥堵O建筑部门是碳排放量最高的终端消费来源，包括住户供暖制冷的直接排放、建筑施工环节的直接排放以及建材生产过程中的间接排放。其一，供暖设备脱碳，使用热泵技术或积极探索生物质能、地热能等供暖技术；其二，建筑施工环节使用装配式建筑降低碳排放；其三，借助工业脱碳技术或新材料的替代实现零碳建造。2.1.电力部门电力部门绿色转型是实现碳中和的基础。作为二次能源，电力是一种效率高且零排放的清洁能源，但目前电力生产过程涉及大量二氧化碳排放。因此，实现“碳中和”有两大关键步骤：其一

7、，电力生产低碳化，其二，能源消费电气化。电力生产低碳化有两种方式：一方面，对现有发电企业进行技术改造；另一方面，寻求以太阳能、风能为代表的可再生能源进行发电,实现电力的零碳生产。2.1.1.传统火电厂“智能化”目前中国发电结构以火电为主，对现有发电企业进行技术改造是有效控制二氧化碳排放的重要方式。传统技改如通过热电解耦、低压稳燃等技术虽然可降低发电出力水平，但是现有技术仍存在响应灵活性差、机组损耗高、运营成本高等问题。相较于此，传统火电厂进行数字化赋能可以全方位减少碳排放、推动碳中和。2019年，南宁国电公司已经成功实施了AI优化火力发电，锅炉热效率提高0.5%。2.1.2.可再生能源成为主力

8、电源碳中和目标下，未来以风能、光伏为代表的可再生能源将成为主力能源。近几年，风能、光伏生产成本不断降低，新能源行业从补贴期迈入盈利期，但相较于传统火电，“风光产业”有两大问题亟待解决：时间错配和空间错配。时间错配是指太阳能、风能、水能等新能源具有季节性和随机性，举例说明，北方地区冬季太阳能的发电量只有夏季的10%左右解决时间错配问题需要低成本的绿色储能技术。空间错配指的是可再生能源的地域分布不均，日照长度、风力强度在全国各地的分布并不均匀，需要通过高效的能源运输技术实现2.0版本的“西电东送“。总而言之，未来可再生能源发电重点需要突破储能和能源运输技术。储能技术能够抑制间歇性可再生能源榆出功率

9、的波动，解决新能源在极端天气下无法灵活供电的问题，提高供电质量、维护电网稳定。现有的储能方式主要有物理储能、电磁储能、电化学储能三大类，其中物理储能技术成熟度最高，电化学储能在光伏发电领域应用最广。目前抽水储能规模最大，但由于对地理环境要求过高，必须毗邻水资源，发展前景弱于以锂电池为代表的电化学储能。电化学储能的主要代表是技术已相对成熟的锂电池和铅蓄电池，分布式光伏多采用铅酸电池,集中式光伏多采用锂电池。由于铅蓄电池对环境危害较大，锂电池或将成为解决可再生能源间歇性特征的重要方式，而液流电池持续放电时间长，也将吸引更多的研发投入。此外，电磁储能技术尚处于研发初期，未来石墨烯超级电容器、超导电磁

10、储能技术可能给能源行业带来巨大变革，除了应用在可再生能源发电上，还可能推广到新能源交通工具方面。空间错配问题，即光照资源丰富的西北地区与用电需求强劲的中东部地区之间的供需错配问题。一方面，我们可以通过建设高效的能源运输网络（特高压）实现2.0版本的“西电东送“；另一方面，我们可以通过分布式光伏充分利用“头顶的太阳”，实现一定程度上的能源“自给自足”，未来分布式光伏应用布局或将超越集中式光伏，近年来国家政策已逐渐向分布式光伏倾斜。2.1.3.IGBT技术助力新能源发电IGBT也是新能源发电领域的重要技术方向，可以降低发电、运电及电力设备运行中的电力损耗，起到节能的效果，是缓解碳排放的有效手段。风

11、力发电、光伏发电等新能源发电都需要IGBT器件制造的整流器和逆变器。但是我国IGBT技术尚不成熟，特别是高端器件与发达国家差距大，IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等核心技术被发达国家企业握住命脉。加上该技术对设备专业化程度要求高，目前市场供需缺口较大。2.2.工业部门工业部门是我国能源最终消费的主要部门，工业部门深度脱碳是实现碳中和的重中之重。IEA数据显示，2018年我国工业过程直接碳排放和因工业部门使用电力间接排放的二氧化碳占比高达58.6%,其中钢铁、水泥、电解铝、化工等高能耗行业贡献较多。钢铁行业方面，要大力发展短流程电炉炼钢、研发绿氢炼钢流程，并利用碳捕捉技术清除化石燃

12、料产生的碳排放。水泥生产方面，一方面需要燃料端实现零碳排放，比如利用绿氢、生物质燃料等替代传统石化燃料，另一方面积极探寻水泥原料石灰石的替代品，彻底解决石灰石燃烧过程中的碳排放；化工行业方面，应大力发展氢化工，实现对化石能源的替代，另外积极探索生物基高分子材料以替代化纤、塑料、橡胶等石化基材料。2.2.1.钢铁行业短炼钢促进生产减碳，绿氢炼钢实现深度脱碳钢铁行业实现碳中和，首先要从生产方式入手，通过短炼钢替代长炼钢，提高电气化程度和废钢利用率；其次要从能量来源入手，以绿氢替代化石燃料，将重点放在降低制氢成本、提高存储及运氢技术的安全性上，实现深度脱碳。此外，还可以利用碳捕捉技术清除化石燃料产生

13、的碳排放。生产方式方面，钢铁行业推动长流程钢厂转型短流程。相对而言，短流程电气化程度比长流程高，吨钢能耗更低，二氧化碳排放量更低，但由于废钢成本和冶炼电耗成本较高，普及率较低，根据国际钢铁协会数据显示，2019年全球电炉法粗钢产量占比为27.9%,而中国的电炉法粗钢产量占比仅为10.4%0能量来源方面，以“绿氢”替代化石燃料作还原剂，可以实现钢铁行业深度脱碳。无论是长流程还是短流程生产，都需要使用煤炭、天然气等化石燃料作还原剂，导致生产过程排放大量二氧化碳。由于氢能具有燃烧性能好、燃烧损耗小、无毒无污染的优点，以绿氢作还原剂可以实现高效、清洁炼钢。工业制氢分为灰氢、蓝氢、绿氢三种。目前95%以

14、上的氢能来自于化工制氢，因为制氢过程会产生二氧化碳，被称之为“灰氢”，生产方式包括化石能源制氢、工业副产氢；化工制氢的过程中结合CCUS技术以实现碳中和的氢气被称之“蓝氢”；由可再生能源电解而来的氢气完全不产生碳排放，被称之为“绿氢”，生产方式包括电解水制氢、光解水制氢和生物质能制氢等。具体而言，化石能源制氢产量大、成本低，技术最为成熟，但是碳排放高；电解水制氢较为环保，但是制氢成本过高，还处于技术突破期，无法实现规模化，未来发展方向主要包括质子交换膜电解槽(PEM)膜电极材料创新、固态氧化物电解槽(S0EC)等新技术路线突破；光解水制氢、生物质能制氢零碳排放，但是尚在技术研发阶段。短期中国仍

15、以通过煤制氢配合CCUS技术制造“蓝氢”为主,将工业副产氢将作为制氢过渡性方法，长期将实现利用可再生能源电解水制氢。2. 2.2.水泥行业积极替代传统化石燃料和石灰石熟料水泥行业碳排放主要来源于两个方面，一是水泥生产过程中所需的高温由燃烧化石燃料提供，二是搬烧石灰石的化学过程直接排放二氧化碳，这两者分别占碳排放总量的40%和60%o因此水泥实现碳中和，一方面要从燃料端入手，以氢能、生物质燃料替代传统化石燃料，减少供热过程碳排放；另一方面要从原料端入手，寻找水泥原料石灰石的替代品，实现水泥行业深度减排。燃料端方面，绿氢、生物质燃料具有零碳排放特点，能够有效降低水泥生产过程中的碳排放。原料端方面，用非石化基材料替代石灰石原材料有利于实现深度脱碳。水泥生产过程分为熟料生产和水泥生产两个阶段，其中熟料生产中使用石灰石作为原材料，其分解、燃烧产生大量二氧化碳。现阶段多使用工业固废作为熟料替代品，降低熟料与水泥的比例，如电石渣、石粉、镁渣、钢渣、