碳达峰、碳中和已成为2021年全国两会当仁不让的关键词。去年的联合国大会上，我国向世界承诺，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。去年底，江苏提出了要在全国率先实现碳达峰的目标。什么是碳达峰、碳中和？相较于世界各国的碳中和目标，我们将面临怎样的挑战和机遇？实现碳中和需要突破哪些关键技术？科技周刊记者专访江苏省能源研究会理事长、东南大学能源与环境学院院长肖睿，解答科技如何赋能碳中和，让绿色发展更上层楼。
01
实现碳中和面临三大挑战
什么是碳达峰、碳中和？肖睿解释，碳就是二氧化碳，随着人类社会经济发展，二氧化碳的排放量也会增加，当二氧化碳排放达到一定的峰值，就叫碳达峰；之后随着社会经济的转型发展，通过使用最先进的可再生能源等节能减排以及植物造林等方式，二氧化碳排放会逐步回落，这是一个缓慢下降的过程，最后达到碳中和，即二氧化碳的排放量与吸收量平衡，此时的净碳排放为零。“先有碳达峰，再有碳中和，这是一个必经过程。”
目前，一些发达国家因为较早进行经济结构调整，能源消耗量逐渐下降，所以已经完成了碳达峰，比如欧洲很多年前就已经碳达峰了，美国也基本上实现了碳达峰。但是碳中和世界各国都还没有做到。欧盟、英国、加拿大、日本、韩国等都列出了自己的碳中和“时间表”，计划于2050年实现碳中和，美国加州因为新能源使用比例较高，提出希望在2045年就率先达到碳中和。
“在2060年实现碳中和，这对我们的挑战是非常高的。”肖睿分析，我国碳中和面临三大挑战。首先，我国的能源结构是一个高碳的体系，以化石能源为主，占比高达85%左右，煤炭占57%，燃煤发电占到整个发电量62%。“因此我们必须通过新能源替代实现能源结构转型，这是一个艰巨的挑战。”
其次，我国的碳排放总量大且仍在增长中，目前我国碳排放总量大概是每年100亿吨，占世界的三分之一，是美国的两倍、欧盟的三倍，要把这么大的排放量中和掉，要付出很高代价。
此外，按照2030年碳达峰、2060年碳中和的目标来看，留给我国碳中和的时间较短。“欧盟、美国从碳达峰到碳中和分别有71年、43年的时间，所以他们比较从容；而我国从碳达峰到碳中和仅有30年时间，因此任务较重。我们应力争提前实现碳达峰，为达成碳中和预留更多时间。”肖睿说。
机遇总是与挑战并存。肖睿认为，我国之所以提出碳达峰、碳中和目标，除了彰显大国的责任与担当，也是因为我国已具备实现这一目标的底气。以江苏为例，这几年每年GDP在增长，但是能源消耗基本上是持平的，也就是说，经济的高质量增长与能源消耗是脱钩的，这就是碳达峰的预兆，我们已经具备了碳达峰的基础。而在碳中和目标下，我国向绿色发展和能源转型升级，可再生能源比例将从目前15%提高到85%，带来大量科技创新和产业发展机会；我国光伏、风能等产业规模现居世界第一，具有产业链优势，可以促进新能源装备出口等，这些都是机遇。
02
碳捕集利用与封存技术是关键
实现碳中和，离不开绿色科技赋能。
日前，在全国两会上，南京工业大学校长乔旭在接受记者采访时表示，为实现碳排放达峰后稳中有降，除了做好减法外，归根结底要通过科技创新赋能。他建议，鼓励碳捕集利用与封存技术等绿色原始技术创新，“进一步加大科技创新力度，强化学科支撑作用，加快部署二氧化碳捕集利用和封存项目、二氧化碳用作原料生产化工产品项目，突破一批关键核心技术。”
肖睿也着重提到了碳捕集利用与封存技术。“实现碳中和这一目标，在吸收侧的措施，除了植树造林，碳捕集利用与封存技术是关键。”他解释，即使减排到最后，也还是要用到一部分化石能源，如何把这些化石能源产生的二氧化碳中和掉？植树造林效果有限，还是要依靠碳捕集利用与封存技术。
什么是碳捕集利用与封存技术（简称CCUS）？通俗一点说，就是把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的一种技术。其中，碳捕集是指将大型发电厂、钢铁厂、水泥厂等排放源产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存，以避免其排放到大气中。
国际能源署预测，本世纪末要实现全球气温升幅控制在2℃以内的目标，9%的碳减排需要依靠CCUS；实现1.5℃以内的目标，32%的碳减排任务需要依靠CCUS。相关统计显示，截至2018年全球共有43座大型碳捕集设施，年碳捕集量4000万吨；截至2019年我国共有18个捕集项目运行，二氧化碳捕集量约170万吨/年。
因此，碳捕集利用与封存技术发展空间极大。但是肖睿也指出，该技术目前面临的一个问题是使用成本很高，现有捕集技术会使电厂效率下降30%。“但我们也还是要去发展CCUS技术，我相信，随着技术的发展，成本会降下来。”
目前在碳捕集方面，东南大学科研团队已建成了国内首套2.5MWth（兆瓦热能）循环流化床富氧燃烧示范装置，建成了3MW（兆瓦）煤化学链燃烧示范系统，在国内外处于比较领先的地位。在碳利用方面，科研人员也在探索用二氧化碳加氢制天然气、微藻固碳等，“我们在云南建了一个20千瓦的电转气示范装置，用当地的冗余水电制氢，获得了比较好的热效率。”
03
全力攻关未来能源发展核心技术
为实现碳中和目标，未来可再生能源在终端用能需求占比将高达70%。因此，除了吸收侧，排放侧的技术创新也要一并发力。
“新能源替代是实现碳中和的一个根本保证。”肖睿举例，如用水能、太阳能、风能、生物质能、核能、氢能等替代传统的化石能源，进行电力脱碳；在工业上面，可以用氢气替代燃气；在交通方面，发展锂电池技术、氢燃料电池技术等。
值得一提的是生物质能。生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量，这些植物以生物质作为媒介储存太阳能，属再生能源。目前生物质能被应用得较少。“比如秸秆，怎么把秸秆利用好也是一个非常重要的课题。”肖睿说，目前江苏大部分秸秆都是还田的，科研人员正在探索将其通过热解、气化等一些新技术来制备液体燃料、化学品和可降解的材料，用以替代石油。
由于可再生能源具有波动性，比如太阳能白天能发电，晚上就没了；风能风大的时候多些，风小的时候少些。因此，科研人员还在探索做分布式的综合能源系统，使太阳能、风能、化石能源等形成一个多能互补体系，可以实现就地进行消纳。“分布式综合能源系统是可再生能源高比例渗透的极佳载体，而且离网型和并网不上网型分布式综合能源系统不会增加电网负担。”肖睿说。
据了解，目前江苏正全力攻关未来能源发展关键领域核心技术，并在全国率先制定了《江苏省级能源互联网示范区规划》，在南京、苏州、无锡、常州、盐城5个城市率先开展能源互联网试点建设，为后续能源互联网建设提供了实践基础，推动江苏可再生能源大规模消纳与全社会综合能效提升，为全国能源互联网建设提供“江苏经验”。
去年12月，首个以碳中和命名的研究机构——长三角碳中和战略发展研究院在南京成立。研究院由南京市政府联合东南大学等有关方面共同组建，聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为政府提供碳达峰、碳中和政策咨询，为企业提供绿色转型解决方案。
据介绍，该研究院已经积累了一批创新技术成果。比如在节能方面，有低源热泵技术，为夏热冬冷地区供冷、除湿、采暖、生活热水的一体化提供技术路径，总体能效可提升50%以上，获得了国家科技进步二等奖。目前该技术在格力电器等龙头企业实现了产业化应用，三年新增销售额11亿元，利润2亿元。
还有一种辐射制冷技术，它的最大的特点是无需制冷剂，是一种节能环保的绿色制冷方式，已成功应用于杭州萧山机场航站楼，使其屋面温度比应用前下降25ºC-30ºC，全年空调制冷耗电量下降43.7%，节电5.5万kWh/年。
在新型燃料电池方面，团队则发明了一种单部件燃料电池， 被Nature Nanotechnology（《自然·纳米技术》）选为年度研究亮点，破解了固体氧化物燃料电池难以商业化的技术瓶颈，引领了国际燃料电池发展新方向。
“碳达峰、碳中和是我国应对气候变化，构建人类命运共同体的重要举措，具有划时代的意义，同时也为我国发展提供了新的动力引擎，促进科技界、产业界发力科技创新，为实现可持续发展贡献智慧和力量。”肖睿说。
（本文转载自“东大长三角碳中和研究院”公众号）