碳达峰时代的科技创新和产业培育---清华苏州环境创新研究院.pdf-solarbe文库

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碳减排趋势下的科技创新和产业培育清华大学苏州环境创新研究院副院长么新 2023年 2月目录 CONTENT 一、实现碳达峰碳中和的路径评估二、碳达峰时代如何实现更低成本的低碳化发展三、碳中和时代如何实现更高效率的脱碳转型四、加快碳减排趋势下的产业培育一、实现碳达峰碳中和的路径评估 1.1 对碳达峰碳中和的理解和认识政治维度政治语言中的碳达峰 “ 积极稳妥推进碳达峰碳中和 ” 是党的二十大确立的重要政治任务首次提出实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革未来五年乃至更长时期党和国家事业发展、实现中华民族伟大复兴与党的二十大紧密相联。习近平总书记在党的二十大报告第十部分中强调“ 积极稳妥推进碳达峰碳中和。”， “ 实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。碳达峰碳中和是中国式现代化的重要内涵中国式现代化的中国特色之一是人与自然和谐共生的现代化，中国式现代化的本质要求之一是促进人与自然和谐共生，积极稳妥推进碳达峰碳中和是其中四个重点之一。碳达峰碳中和涉及面广、影响深远、变革剧烈碳达峰碳中和是一个涉及价值观念、产业结构、能源体系、消费模式等诸多层面的复杂系统工程，必须进一步加强前瞻性思考、全局性谋划、战略性布局、整体性推进。 1.1 “ 双碳 ” 工作是一场深刻的变革 ❑ 习近平同志主持中共十九届中央政治局第二十九次集体学习时的讲话中指出，实现碳达峰、碳中和，是中国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。 ➢ 双碳目标，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体的重大战略决策，充分彰显了我国言必信、行必果的大国担当。实现碳达峰碳中和，不仅是环境问题，而是推动高质量发展的内在要求。 ➢ 实现碳达峰碳中和目标离不开科技创新，节能减碳本质上是科技创新的过程，不管是减碳、固碳、用碳，都需要科技的支撑。 ➢ 实现“双碳”目标，要依靠科技创新，特别是做好自主创新。 ➢ 科学创新是“双碳”工作的核心驱动力。当前，全球正经历新一轮科技革命和产业变革，许多国家和地区在积极布局绿色低碳产业、发展清洁技术，碳达峰、碳中和成为全球科技创新的新赛道。在这些具有前瞻性的领域占据领先地位，才可能在竞争中占据主动。 ➢ 中国需要全面革新工业革命以来以化石能源为主导的能源体系 , 构建以非化石能源为主体的净零碳能源新结构。 1.2 对碳达峰碳中和的理解和认识经济维度双碳背景下，生产函数和消费者效用函数会发生变化经济语言传统要素分配发生变化孕育着巨大经济发展空间实现“双碳”战略需投资约为 150万亿至 300万亿平均未来我国每年将在“双碳”领域投资 3.75万亿至 7.5万亿元，相当于全年投资的 10左右进一步提升中国经济增长的品质能源 49 交通运输 27 建筑 16 新增投资分布领域及占新增投资比例数据来源清华大学五道口金融学院院长张晓慧碳排放容量将成为一种稀缺性资源，配置碳排放容量的过程，将不断明晰和分配温室气体容量资源产权双碳成为区域发展格局重塑的影响要素，产业转移和比较优势等区域经济学理论将被改写经济语言中的碳达峰双碳成为促进经济增长的新动力诺贝尔经济学奖得主罗伯特 ·默顿 ·索洛研究促成经济增长的因素里有约 87.5可以归因于技术创新变革， 12.5可以归因于资本的增长双碳战略是一次技术创新下的产业结构调整升级运动（变革），在未来将成为中国经济长期增长的动力源之一 1.3 对碳达峰碳中和的理解和认识技术维度实现碳中和需要技术范式的彻底变革当前传统技术不足支撑技术语言中的碳达峰技术创新推进人类文明进程高碳能源推动的工业革命都是来自于技术创新习近平总书记非常看好绿色循环低碳产业的发展前景，他在党的十八届五中全会上指出， “绿色循环低碳发展，是当今时代科技革命和产业变革的方向，是最有前途的发展领域，我国在这方面的潜力相当大，可以形成很多新的经济增长点。” 绿色低碳发展要突破储能、智能电网等关键技术，支撑构建清洁低碳安全高效的能源体系能源领域发展原料、燃料替代和工艺革新技术，推动钢铁、水泥等高碳产业生产流程零碳再造工业领域加快发展新能源汽车技术，形成公路绿色低碳运输方式交通领域发展“光储直柔”配电系统相关技术，助力实现用能电气化。要发展碳汇和碳捕集利用与封存等负排放技术建筑领域碳达峰的时间和峰值水平直接影响碳中和实现的时间和难度碳达峰是过程目标，碳中和是最终目标 1.4 对碳达峰、碳中和周期的认识机制驱动技术驱动 1.5 中国与发达国家周期的不同相比美欧日等发达国家、中国碳达峰、碳中和目标时间紧、任务重发达国家发达国家二氧化碳排放已经达峰，从“碳达峰”到 “碳中和”有 50-70年过渡期全世界尚没有在现代化过程中同步碳达峰的国家发达国家以自然达峰为主，对于发展中国家，发达国家的经验更多的是参考价值，必须要走自己的。中国我国二氧化碳排放量占全球的 30左右，超过美国、欧盟、日本的总和，从“碳达峰”到“碳中和” 仅有 30年中国主动达峰，提前达峰，世界范围内尚无先例、对世界发展中国家实现发展与降碳协同具有重要的参考和借鉴意义。 1.6 中国碳达峰碳中和路径识别实现“双碳”目标的潜在技术路径和措施大幅度提高非化石能源占一次能源消费比重大幅度消减煤炭生产量和消费量，加快行业退出继续打好污染防治攻坚战，实现减污降碳协同效应加速全社会电能替代，推进城乡居民消费电气化大幅度降低单位国内生产总值能耗，达到或低于世界水平大力推动能源技术革命明确提出控制能源消费总量及增速的约束性目标数据来源于贵瑞 , 郝天象 , 朱剑兴 . 中国碳达峰、碳中和行动方略之探讨 . 中国科学院院刊 , 2022, 374 423-434. 二、碳达峰时代如何实现更低成本的低碳化发展 2.1 产业高质量低碳转型 0.7882 1.0196 1.0236 1.092 1.1862 1.2186 1.3246 1.3829 1.8024 2.3535 2.3594 2.4653 2.6062 2.927865 3.1901 3.4423 3.8465 4.1036 4.3777 6.4824 0 1 2 3 4 5 6 7 英国韩国意大利法国日本澳大利亚西班牙美国墨西哥韩国加拿大印度尼西亚巴西土耳其中国泰国伊朗印度沙特阿拉伯俄罗斯世界前二十单位 GDP能耗水平国家排名（吨标煤 /万美元）数据来源 BP、 IMP、人民日报、德勤，全球能源转型及零碳发展白皮书；中国物价 2021年第 9期作者尹伟华国家信息中心经济预测部中国单位 GDP能耗水平是世界平均水平的 1.5倍 ❖ 近年来，我国能源利用效率不断提升。根据国家能源局公布的信息， 2014年以来，我国单位国内生产总值能耗累计降低 20。 ❖ 从产业结构和单位国内生产总值能耗看，我国第二产业能源消耗占比高且单位增加值能耗水平高。 ❖ 从重点工业产品看，我国综合能耗水平已稳步向国际先进水平迈进，但多数产品的综合能耗水平仍有待提升。年份 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 第一产业 , 7.1 7.7 7.3 7.0 6.8 6.6 6.5 第二产业 , 38.6 37.8 37.3 36.9 36.4 36.0 35.5 第三产业 , 54.3 54.5 55.4 56.1 56.8 57.4 58.0 表“十四五”时期我国产业结构变动趋势预测党的十八大以来，我国经济发展步入新阶段，经济结构战略性调整和转型升级加快推进， 2019年我国三次产业比例为 7.1 39.0 53.9， “三二一”产业格局更加巩固。 2020年受新冠疫情影响，三次产业比例又调整为 7.7 37.8 54.5。 2. 2 能源低碳转型能源结构化石能源煤炭石油天然气非化石能源水电核电风电光伏其他非水可再生能源能源结构转型坚持安全降碳，在保障能源安全的前提下，大力实施可再生能源替代，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系。中国能源禀赋多煤贫油少气。因此能源消费目前以化石能源为主，石油天然气对外依存度较高。 2021年全年，能源消费总量 52.4 亿吨标准煤，比上年增长 5.2。 2021年，煤炭消费量占能源消费总量的 56.0，比上年下降 0.9个百分点。清洁能源消费量占能源消费总量的 25.5，较上年上升 1.2个百分点。能源消费结构向清洁低碳加快转变。中国能源转型四大趋势数据来源国家统计局能效水平提升的碳减排效应 2.2 能源低碳转型节能增效数据来源世界银行 WDI数据库、中国统计年鉴 2020 2005-2018年我国能效水平和 GDP的变化情况  从 2005年至 2018年， 14年的中国能源消费总量约为 532亿吨标煤  假设我国能效水平固定在 2005年水平，这 14年的能源消费总量会达到约 719亿吨标煤  能效提升措施减少消费 187亿吨标煤，相当于 2020年全国能源消费总量的 3.75倍；相当于减少 518亿吨碳排放，超过目前全球一年的碳排放量严格控制能耗强度，合理控制能源消费总量。全面提升节能管理能力实施节能降碳重点工程推进重点用能设备节能增效加强新型基础设施节能降碳推行用能预算管理提高节能管理信息化水平完善能源计量体系加强节能监察能力建设城市节能降碳工程园区节能降碳工程重点行业节能降碳工程重大节能降碳技术示范工程以设备为重点，全面提升能效标准推广高效设备，淘汰低效设备加强重点用能设备节能审查和日常监管优化新型基础设施用能结构对标国际先进水平，完善设备能效标准加强新型基础设施用能管理推动既有设施绿色升级改造 2.2 能源低碳转型能源系统 ❖ 智能电网是以现代信息和电网技术为支撑的、适应可再生能源接入的新一代智能化电网，坚强性、自愈性、兼容性、经济性、集成性和优化性是智能电网的六大特征。图智能电网基本架构 ❖ 智能电网未来发展趋势包括五大重点领域，分别为清洁友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电、多样互动的用电、智慧能源与能源互联网。图智能电网发展目标及重点方向数据来源浙江大学电气工程学院，国际能源系统转型对我国能源互联网建设的借鉴智能电网应用白皮书 2.2 能源低碳转型 ❖ 作为能源互联网的核心和纽带，电力系统的 “ 源 -网 -荷 -储 ” 互动运行模式能更广泛地应用于整个能源行业，对带动整个能源系统的资源优化配置至关重要。 ❖ 源网荷储一体化指的是 “ 通过优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧资源，以先进技术突破和体制机制创新为支撑，探索构建源网荷储高度融合的新型电力系统发展路径。 ” ❖ 在实施路径上，源网荷储一体化包括区域（省）级、市（县）级、园区（居民区）级三个层次的具体模式。❖ “ 光储直柔 ” 建筑新型配电系统是发展零碳能源重要途径 ❖ “ 光 ” 是在建筑区域内建设分布式太阳能光伏发电系统； “ 储 ” 是在供电系统中配置储能装置，用电低谷时将富余电量储存、用电高峰时释放电量； “ 直 ” 是形式简单、易于控制、传输效率高的直流供电系统； “ 柔 ” 是建筑根据清洁能源的发电情况，柔性调节建筑用电需求，使建筑用电与清洁能源发电实现实时匹配。数据来源清华大学建筑学院，光储直柔建筑发展现状与研究展望；浙江大学电气工程学院，国际能源系统转型对我国能源互联网建设的借鉴；国海证券，源网荷储一体化的投资机会展望 ❖ 在未来相当长的时期内中国能源开发和供应的主力仍将是大型能源基地及电力的大规模跨区输送。但分散灵活并清洁高效的分布式能源将成为中国能源供应和能源转型不可或缺的部分。 ❖ 分布式能源系统可以利用包括天然气、生物质、风能、太阳能、地热能等多种能源，还可以与余热、余压、余气等能源形式耦合互补。 2. 3 能源化工行业转型 ➢ 中国的化工业规模居世界榜首 ,是全球最大的化工产品生产国及化工产品消费国。 ➢ 据数据显示， 2019年中国化工产品产值占全球的 40.6，预计 2030年销售额将达到全球销售额的 48.6。 ➢ 据数据显示，中国 2019年化工产品需求消费额占全球总消费额的 41.6。 ➢ 据数据显示，中国的合成氨、甲醇和乙烯消费量分别占全球总消费量的约 30、 60和 20。图全球分地区化工产品销售额和消费额 2019 我国能源化工产业进入低碳转型关键期，也是行业整合转型升级期，成品油市场化进程将基本完成，化工产业高端化、多元化、低碳化发展成为新趋势。图承诺目标情景下，中国化工产业不同措施、不同成熟度技术的市场占有率和能源体系二氧化碳减排量 ➢ 短期内，主要减排措施是提高能效和材料利用效率，从现在到 2030年，这两种措施将合计贡献累计减排量的 80左右。数据来源城市转型联盟，加快中国城市转型 2.4 城市低碳转型中国城市贡献了 85的 GDP 居住着 60的人口消耗了 80的能源 50的城市排放了全国 80的二氧化碳 ◆城市低碳转型主要内涵 ◆城市低碳转型行动要点 - 低碳交通网络 - 低碳城市更新 - 低碳建筑体系 - 低碳能源系统等中国数据来源中外对话城市怎么办，“碳乡”融合背景下，低碳乡村的路径探索 2.5 乡村低碳振兴 - 构建清洁、可靠的低碳能源体系 - 转变农业生产方式精准农业 - 增加碳汇、开发碳金融 - 推进农房节能改造 ◆中国农业温室气体排放占比较低 ◆乡村低碳振兴重要策略 ◆“煤改气”“煤改电”存在成本高、补贴少、供应不稳定等问题，返煤现象频现 ✓推进农作物秸秆、林业废料、禽畜粪便等沼气供气供暖。强化清洁供暖设施建设，加大生物质锅炉（炉具）、太阳能集热器等推广应用力度，推动北方冬季清洁取暖。 ✓加快开发风、光、水、地热等自然能源，可因地制宜推动农村地区光伏、风电等分布式能源发展，持续推进农村电网的能级。 ✓通过发展清洁能源，带动集体产业经济发展，促进村民就业，拓宽农民收入渠道，有效的将乡村生态价值转换为 GDP。 2.5 乡村低碳振兴清洁、可靠的低碳能源河北省临漳县狄邱乡北孔村大型沼气工程 2.5 乡村低碳振兴农房绿色改造碳汇增收 ✓ 围护结构节能 ✓ 节水与水资源利用 ✓ 设备设施节能 ✓ 节材与绿色材料 ✓ 可再生能源应用 ✓ 绿色建造技术 ◆农房绿色建设与改造 ◆开发碳汇交易数据来源杭州市农房建筑绿色技术指南数据来源 2021.10. 减污降碳协同增效的关键路径与政策研究 2.6 减污降碳协同（末端治理）废弃物处理占全球碳排放的 3.2 重点任务之一 ➢ 温室气体与污染物排放有较强的同源性➢ 废弃物处理是重要的碳排放源之一三、碳中和时代如何实现更高效率的脱碳转型 3. 实现更高效率的脱碳转型碳中和技术 2. 低碳产业技术传统产业（钢铁，化工，有色，建材）脱碳路径能源结构能效提升资源循环材料替代末端吸收 3. 数字转型技术智能制造、数字孪生、工业互联网（能源资源效率提升） 6. 碳捕集、封存与利用捕集化学吸收法、物理吸收法、吸附法封存地质封存、材料封存利用地质利用、化学利用、生物利用碳中和技术 4. 生物能源技术沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇生物发电合成生物学 1. 低碳能源技术传统发电节能提效可再生能源储能、输配电技术、核能、氢能 5. 资源循环循环利用、再制造低碳材料开发、共享经济 8. 低碳管理技术碳资产管理供应链碳管理碳信用开发碳排放监测 7. 碳汇技术生态修复海洋碳汇技术 3.1 低碳能源技术 ◆能源供应端低碳化技术体系 ◆零碳能源愿景高效火电 - 燃煤热电联产 - 超超临界燃煤发电 - 燃煤耦合生物质发电水电光电储能风电储能地热氢能化石能 CCUS 生物质能核能（ SMR,核聚变）海洋能中短期短期中长期颠覆性技术突破创新性技术提升高效技术推广数据来源黄震等，碳中和愿景下的能源变革 3.1 低碳能源技术太阳能颠覆性技术突破创新性技术提升 3.1 低碳能源技术风能 3.1 低碳能源技术储能 3.1 低碳能源技术氢能 ◆氢能仍处于产业化早期，绿氢生产仍需克服诸多技术瓶颈和成本压力数据来源毕马威灰氢蓝氢绿氢 3.2 低碳产业技术 ◆工业是产生碳排放的主要领域之一，也是实体经济的关键支撑源头绿色材料 /产品开发材料 /燃料替代能源替代过程工艺与设备提效资源、能源循环智慧工业与流程再造末端 CCUS 余热、余能、余料耦合生产数据来源 climate watch