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怎樣的科技創新才能支撐中國的碳達峰、碳中和?

  2021年12月20日  

  導讀

  在碳達峰、碳中和的目標下,實施碳減排是中國實現綠色低碳發展的重要戰略,同時也面臨著重大挑戰?!笆奈濉睍r期是科技創新實現二氧化碳排放增速轉變的重要窗口期,中國須在科技創新的支撐下,才能有望如期實現碳達峰、碳中和目標。

  2020年9月22日,習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上表示,中國將提高國家自主貢獻力度,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。在碳達峰、碳中和的目標下,實施碳減排是中國實現綠色低碳發展的重要戰略,同時也面臨著重大挑戰?!笆奈濉睍r期是科技創新實現二氧化碳排放增速轉變的重要窗口期,中國須在科技創新的支撐下,才能有望如期實現碳達峰、碳中和目標。

一、中國碳排放的現狀

  (一)中國碳排放的基本概況

  根據《京都議定書》,“溫室氣體”包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PFCS)等。人為活動產生的“溫室氣體”排放中,二氧化碳比重最大,約占能源排放量的90%,影響最為重要,因此本文研究的碳排放主要是指二氧化碳。人類生產活動產生的二氧化碳約95%來源于化石能源(煤炭、石油、天然氣等)的消耗。根據中電傳媒能源情報研究中心2016—2020年發布的《中國能源大數據報告》,近年來中國一次能源消費中煤炭和石油占比約80%,二者是二氧化碳的主要排放源。

  隨著中國經濟迅速發展和生產活動快速擴張,二氧化碳排放量也呈上升的趨勢。根據國際能源署(IEA)的數據,中國二氧化碳總體排放量從2005年的54.07億噸增長到2019年的98.09億噸,增長將近一倍(見表1)。根據世界銀行統計,2005年中國超過美國成為世界第一大碳排放國,到2016年,中國碳排放占世界總排放量的29%(見圖1)。

  雖然中國二氧化碳排放的總量較高,但也在控制碳排放、實現綠色發展方面取得了積極進展。一方面,二氧化碳排放增速明顯放緩。2005—2010年二氧化碳排放年均增速約達8%,2011—2015年下降至3%,2016—2019年進一步下降至約1.9%。另一方面,單位GDP的二氧化碳排放強度逐步下降。根據IEA公布的數據進行測算,中國單位GDP的二氧化碳排放從2005年的2.9噸/萬元逐步下降到2019年的1噸/萬元,降幅約60%。這些進展在很大程度上受益于能源結構的不斷調整。

  近年來,中國一次能源消費結構呈現出明顯的低碳化、清潔化趨勢(見表2)。2005—2019年煤炭消費量比重從72.4%下降至57.7%,共下降14.7個百分點;天然氣消費量則從2.4%提高到8.1%,清潔能源(一次電力及其他能源)消費量從7.4%提高到15.3%,合計占比提高13.6個百分點。

  (二)中國各產業、行業二氧化碳排放量及測算方法

  本文根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》提供的參考方法,使用能源數據來估算主要化石燃料燃燒產生的二氧化碳排放量,測算公式為:

  公式中CO2e,為二氧化碳排放量,Gg;Ei表示第i種能源消費量,kgce;NCVi為第i種能源凈發熱值,TJ/Gg;Cc為單位熱值碳含量,噸C/TJ;COF為碳氧化因子,該值為1,表示碳完全氧化;i=1,2,3…表示i種能源。

  公式中各類能源的相應數值見表3。根據公式測算中國各產業及行業二氧化碳排放量結果見表4。

  (三)中國各產業及行業碳排放的發展特征

  雖然中國三次產業及大部分行業的碳排放量均呈增長之勢,但不同產業及行業的碳排放量也顯示出較為明顯的差異。

  首先,第二產業二氧化碳排放量在總體碳排放量中始終占據較大比重。2011—2018年第二產業二氧化碳排放量平均占比約為70%。2018年工業領域二氧化碳排放量約為762320萬噸,占總排放量的65.93%,其中制造業和電力熱力碳排放量約占94%。二氧化碳排放量最多的前三個行業依次是:黑色金屬冶煉及壓延加工業(占比約為13.2%)、化學原料及化學制品制造業(占比約為10.87%)、非金屬礦物制品業(占比約為6.95%)。

  其次,第三產業逐漸成為碳排放增量的主要“貢獻者”。從碳排放增長率來看,第三產業增速明顯。2011—2018年第一產業碳排放增幅為14.41%,第二產業增幅為12.58%,第三產業增幅為50.43%。其中居民生活增加約52.68%,交通運輸、倉儲和郵政業增加約46.89%。2011—2018年第三產業碳排放增量占總增量約57%,是碳排放增量的主要“貢獻者”。

二、中國科技創新支撐碳達峰、碳中和的作用

  (一)科技創新支撐能源結構不斷優化

  科技創新可以促進新能源開發和利用成本不斷下降,為能源結構的優化提供巨大支撐。根據中國國家能源局數據,截至2020年底,中國清潔能源發電裝機總規模達到9.3億千瓦,其中水電3.7億千瓦、風電2.8億千瓦、光伏發電2.5億千瓦,清潔能源占總裝機的比重達到42.4%,相比2012年增長14.6%。

  以風電、光伏、水電、核能為代表的清潔能源比例大幅提高,主要是新能源技術和材料技術的進步促進了成本的大幅降低。近十年來通過科技創新,風電、光伏逐步進入平價時代,陸上風電項目發電單位千瓦平均造價下降30%左右,光伏組件、光伏系統成本分別從30元/W和50元/W下降到目前的1.8元/W和4.5元/W,均下降90%以上。

  (二)低碳技術開發與應用促進碳排放強度下降

  近年來,中國不斷發展低碳技術,推動傳統能源工業的科技革新。以煤炭工業為例,大力推廣超臨界、超超臨界機組及熱電聯供技術,國家能源集團有98%的常規煤電機組實現超低排放,新建機組發電煤耗降至256g/千瓦時,為世界最低。

  推動煤氣化為核心的IGCC和燃料電池聯合循環技術、煤炭高效清潔利用技術的開發和應用,推進煤氣化重要技術裝備國產化;研發新型煤基路線化工工藝,成功開發煤制烯烴工藝技術,有效推進了煤炭的綠色低碳轉型,提高了煤炭的使用效率和經濟價值。在低碳技術開發與應用的支撐下,中國碳排放強度逐年下降,2019年較2005年單位GDP二氧化碳排放量下降約60%。

  (三)負排技術快速發展為達成碳排放目標提供有力支撐

  CCUS(二氧化碳捕獲、利用及封存技術)作為一種負排技術,對于降低全球二氧化碳排放量至關重要,也是中國踐行低碳發展戰略的重要技術選擇。近十年來,CCUS技術在全球迅速推廣應用,到2020年,全球二氧化碳捕獲能力已經達到4000萬噸。中國CCUS技術的開發與應用同樣在相關政策的推動下迅速發展。

  根據中國節能咨詢數據,截至2018年底,全國已建成或運營的萬噸級以上CCUS示范項目約13個,正在部署中大規模全流程的集成項目有14個,這些項目中包括9個捕集項目、12個利用與封存項目,累計二氧化碳封存量約200萬噸,相關的各項研究和技術優化也在快速開展。

  (四)科技創新促進產業結構調整,低碳排放行業占比升高

  從前文所列的中國各行業二氧化碳排放數據可以發現,產業結構的調整對控制碳排放起到了一定的正向作用。2011—2018年,第一產業(增加值)平均二氧化碳排放強度為0.35噸/萬元,第二產業(增加值)為2.66噸/萬元,第三產業(增加值)為0.91噸/萬元。與第二產業相比,第三產業的各行業是明顯的低碳排放行業,其比重的增加對于降低整體碳排放增速具有積極作用。

  近年來,新一代信息技術和服務行業、金融業等第三產業快速融合發展,以“互聯網+”賦能的多種科技創新組合深刻改變了人們的生活方式,網上購物、平臺經濟、移動支付等行業高速發展??萍紕撔峦苿拥谌a業等低碳排放行業規模增加,從而間接降低了二氧化碳排放強度。2011年中國第三產業增加值占GDP的比重為43.1%,2018年提升至52.2%。與此同時,第三產業二氧化碳排放強度也在不斷降低,從2011年的1.14噸/萬元降至2018年的0.71噸/萬元。

三、中國科技創新支撐碳達峰、碳中和存在的問題

  科技創新支撐碳達峰、碳中和具有巨大的發展潛力和廣闊的發展前景,但目前中國在新能源技術利用效率、綠色低碳技術推廣應用甚至相關技術創新的體系化能力建設等方面仍然存在一些不足。

  (一)新能源技術利用效率偏低

  近年來,中國新能源快速發展,但總體而言,新能源技術的使用效率仍然偏低。根據英國石油公司(BP)《世界能源統計年鑒2019》,世界一次能源消費(化石能源)繼續增加,2018年全球一次能源消費增長為2.9%,中國貢獻約為34%,2019年全球一次能源消費增速放緩至1.3%,中國占全球增長的75%以上。

  雖然2019年中國非化石能源比重提高到15.3%,風電、光伏等發展迅速,提前一年完成“十三五”規劃目標,但新能源使用比例仍較低、發電利用率偏低。平均棄風、棄光率較高,根據國家能源局數據,2018年新疆棄風率達23%、棄光率16%,甘肅棄風率19%、棄光率10%,內蒙古棄風率10%;2019年新疆棄風率14.0%,甘肅棄風率7.6%,內蒙古棄風率7.1%。主要原因是發電側新能源儲能技術發展不足、火電機組低負荷運行技術仍無法提供有效支撐;電網側高效平穩并網接入技術仍未能突破,新能源電力消納困難。

  (二)綠色低碳技術工業化應用不足

  過去十年,中國在綠色低碳科技領域開展了大量研究,Elsevier發布的可持續發展目標科研數據分析報告顯示,2015—2019年中國發表的與可持續發展目標相關的文章超過69萬篇。然而綠色技術工業化應用較低,科研院所、高校、企業科研相結合方式沒有打通,企業注重自身碳排放的損益,科研院所和高校關注碳減排前沿科學和技術,無法形成有效的清潔技術創新鏈,缺少科技戰略統籌性布局。

  實現“雙碳”目標需要系統的科技創新支撐,需要多主體協同參與,涉及多行業和多種綠色技術創新,但目前科技創新與低碳轉型結合還不夠,缺少實現支撐碳達峰、碳中和的科技行動方案。對綠色低碳技術體系發展中的關鍵科技問題比如CCUS技術標準制定、溫室氣體排放計量標準統一、二氧化碳吸附量核算、新能源與傳統能源的互補融合等研究不足。

  (三)高碳排放行業綠色技術替代缺乏動力

  中國工業領域碳排放占比從2011年的71.84%降到2018年的65.93%,但年平均占比達到68.69%,仍為最主要的高碳排放源。高碳行業在綠色低碳技術轉型上并沒有明顯改善,主要原因在于缺乏綠色技術替代的動力。

  第一,高碳行業產業規模大,技術和裝備更新成本高。2011—2018年石油、煤炭及其他燃料加工行業二氧化碳排放占比由4.7%上升到6.08%。根據中國石油經濟技術研究院的數據,一方面,2020年石油的進口依存度已經上升到73%;另一方面,國內的成品油市場供大于求,2019年成品油出口破5000萬噸。與供大于求、進口依存度高矛盾的是煉油規模還在不斷增加,預計2021年產能達到10.4億噸,2023年達到10.5億噸。鋼鐵行業2018年二氧化碳排放占比達13.2%,是所有行業中碳排放最高的,2020年中國的鐵礦石對外依存度超80%,全年粗鋼產量達10.53億噸,占全球產量的60%。中國鋼鐵和煉油行業產能分別為世界第一和第二,仍將繼續增加,這也使得大規模技術和裝備更新成本加大。

  第二,高碳行業科技創新程度低,結構調整慢。二氧化碳排放量最高的四個典型行業分別為鋼鐵、無機酸堿鹽和化肥生產、水泥制造、石油煉化,行業資源壟斷性特征明顯,工藝和技術路線均采用傳統成熟的方案。雖然大型企業設有相應研究院所進行技術創新,但新工藝研發緩慢,新技術工業化應用比例低,產業升級主要依靠擴大產能。中國鋼鐵仍以高爐—轉爐長流程生產工藝為主,具有低排放優勢的電爐短流程煉鋼技術推進緩慢。

  第三,高碳行業固定投資規模大,不同地區產業結構調整和技術升級動力不足。高碳企業同時作為制造業的重要基礎,固定投資規模大,一般為地區城市最重要的經濟支柱。但從行業整體來看又有規模、技術工藝先進程度、產業鏈完整度等區別,因此本應在行業內淘汰的落后產能在地方政府眼中可能為支柱企業。以山東省為例,其原油一次加工能力占全國的三分之一,但產能62%的地煉企業處于價值鏈中低端。2014年發布的《山東地方煉化產業轉型升級實施方案》提出,到2017年全省地煉企業平均規模提高到450萬噸/年,到2020年提高到500萬噸/年。2018年山東省政府發布的《關于加快七大高耗能行業高質量發展的實施方案》要求,2022年對城市人口密集區和年產能300萬噸及以下的地煉企業煉油產能進行整合轉移,2025年對年產能500萬噸及以下地煉企業煉油產能分批分步進行整合轉移,但至今未出臺可操作細則。根據規劃,到2025年山東省地煉企業的準入門檻為500萬噸/年。截至2020年底,山東省存量地煉企業的規模剛超過200萬噸/年,年產能500萬噸以上企業僅六七家,地方在產業結構調整和技術升級中的推動力明顯不足。

  (四)第三產業清潔技術創新支撐不夠

  2011—2018年,二氧化碳排放增量主要來源于第三產業的增長,居民生活,交通運輸、倉儲和郵政,以及批發和零售、住宿和餐飲三個行業平均二氧化碳排放增長約為47.21%。2018年居民生活,交通運輸、倉儲和郵政兩個行業的二氧化碳排放占第三產業總排放量的72.6%。與工業領域二氧化碳排放主要源于固定源消耗不同,第三產業二氧化碳排放主要為移動源消耗。以交通運輸為例,近幾年中國汽車保有量每年新增2500萬輛以上,而相應碳排放增速與機動車總量增加關聯穩定;同時整體貨運結構不合理,2019年公路運輸占全社會貨運總量比重為74.3%,成為主要碳排放移動源。但替代汽油的動力電池技術、替代柴油的燃料電池技術,以及AI、大數據等賦能的數字交通技術等在實現綠色低碳轉型上仍無法提供有效支撐。

  (五)全鏈條綠色技術創新體系化能力欠缺

  第一,先進低碳技術研發體系尚未形成

  高校、科研院所關注前沿科學發展和新技術的試驗,短期內很難形成規?;蛘呱虡I化的應用。由于目前尚未出臺《2030年前碳達峰行動方案》,全國范圍內的碳交易市場和碳稅等相關制度尚未完全建立,行業和企業對實現綠色轉型的認識也有不足,企業自身組織力量進行綠色清潔技術的研發缺乏內生動力。目前圍繞綠色低碳技術,多方參與的系統性科技創新體系尚未形成。

  第二,工業清潔技術替代體系尚未形成

  目前對鋼鐵、化工、有色金屬冶煉等碳排放高的行業,需重點研發氧氣高爐、氫能冶煉和新型低碳工藝等技術。與傳統技術相比,由于涉及新裝備研發、工藝安全和技術成熟等多方面原因,上述技術短期內難以實現替代。

  第三,CCUS技術體系尚不成熟

  目前CCUS技術多處于實驗階段,成本較高,大規模工業化應用尚不成熟,在工業上二氧化碳排放端如果進行CCUS技術升級,企業整體運行成本和能耗都會增加。數據表明以現有的技術水平在部署CCUS時將使一次能耗增加10%~20%,如果仍使用化石能源,則會增加二氧化碳的排放。

四、中國科技創新支撐實現碳達峰、碳中和的路徑和建議

  科學謀劃實現碳達峰、碳中和的路徑與方案,需要立足可持續發展新階段,貫徹綠色低碳新發展理念,統籌好發展與減排、整體與局部、短期與長期的關系,以科技創新為推動力,形成綠色低碳的能源結構、產業組合、生產方式、生活方式、空間布局。

  第一,加快推進制定出臺《科技支撐碳達峰碳中和行動方案》

  以2030年前碳達峰、2060年前碳中和為依據,從新能源開發、儲能、輸送、終端應用等維度出發,分階段制定近期、中期、遠期科技創新支撐方案。加強綠色低碳技術研發布局,實施清潔低碳技術、全新零碳技術、先進負碳技術的研究計劃。著力解決制約綠色低碳技術發展的因素,破除新技術融合壁壘,支持綠色技術規?;凸I化示范工程。堅持基礎科學研究與科技創新并重,以能源革命為契機,布局重大基礎科學研究內容,重點解決綠色低碳技術創新的卡脖子問題。堅持市場應用為導向,推動產業綠色升級改造,支持新型綠色低碳產業發展。

  第二,強化清潔技術國家戰略科技力量,全面推進綠色低碳科技創新,推動核心技術突破,打造市場化應用的技術優勢和成本優勢

  圍繞構建新能源技術體系,建立清潔能源國家實驗室,實現光伏、風電、核電關鍵核心技術自主可控,保障產業鏈、供應鏈安全。加大新型儲能技術研發力度,結合人工智能、大數據構建新型安全的清潔電力替代系統。針對高碳排放重點行業,推動綠色技術研發,實現生產工藝的綠色低碳升級。加大CCUS技術研發力度,通過多場景和規?;瘧媒档统杀?、減少能耗。面向資源節約,布局研發碳循環利用技術,開發不同種類廢棄物再利用技術和節能環保技術。建立綠色低碳科技創新服務平臺,推動綠色低碳技術實現重大突破,部署低碳前沿技術研究,推廣減污降碳技術。

  第三,抓住轉型關鍵期,全面統籌不同行業、區域的科技優勢,有序實現碳達峰

  推動政府、企業、高校、科研院所等多主體參與,協同實現綠色低碳轉型發展。堅持頂層設計,統籌安排,從兩個維度進行有序推動碳達峰。時間維度上,推動新能源占比較高的能源生產企業、電力為主要能源的高技術企業、清潔技術占比較高的制造業、終端服務業等有條件的企業率先實現碳達峰,按照行業類型、規模、技術種類合理規劃碳達峰時間表??臻g維度上,根據不同區域的能源特點,制定碳達峰技術路線。在能源富集的西北地區,開展煤炭高效清潔利用技術,開發風光資源率先實現能源清潔化;在水、風、光、天然氣資源豐富的西南地區,形成多能互補,綜合開發利用;在煤炭消費超過70%的京津冀地區,重點推進減污降碳技術開發應用,實施清潔能源替代;在能源高度依賴外部輸送的長三角地區,利用科技創新優勢,推動海上風電開發,提高能源使用效率;在60%電力由外部輸送的珠三角地區,積極開發海上風電,研發海洋油氣資源利用技術。

  第四,加大碳排放重點行業技術創新力度,結合新興技術推動電力替代計劃

  “十四五”時期需對已開工建設或投產的相關產業,如鋼鐵、煤炭、石油加工、水泥等加強技術改進,支持在原料脫碳、工藝技術清潔改造、CCUS加裝、全流程節能等環節的科技創新。嚴格控制增量,淘汰技術落后產能,率先實現高碳排放重點行業的碳達峰目標。利用大數據、人工智能等新技術對固定源碳排放進行監測和有效治理,通過科技創新實現二氧化碳排放量的下降。倡導節約能源資源的生活方式,推動交通運輸領域的電力改造,推動新能源汽車領域的技術創新,完善以綠氫為核心的生產、存儲、運輸、應用全產業鏈科技創新,推進綠氫燃料電池研發,加快商業應用。降低移動源碳排放數量和強度,合理提高第三產業比重,提升能源使用效率。

  第五,加快能源領域科技創新,提高清潔能源使用比例和效率

  “十四五”期間應進一步加強煤電裝機技術改進,新建機組發電效率應達40%以上,同時淘汰技術落后、能耗高、排放高的燃煤機組,合理控制煤電總裝機量。提升煤炭和石油的使用效率,適當提高天然氣在生產生活中的比例,降低二氧化碳排放增速。實施清潔能源替代計劃,加大新能源領域科技創新力度,提高光電轉化效率、降低成本,增加光伏和風電的裝機容量,提高以光伏、風電為主的新能源占比。按照“源網荷儲”“多能互補”的發展思路,大力提高儲能在新能源中的應用,加大新型儲能技術研發,有效解決“棄風、棄光”等問題,通過實施分布式能源、虛擬電廠、智能電網等技術方案,提高新能源電力使用效率和安全性,構建以新能源為主體的新型電力系統。

  第六,建立健全全國范圍內的碳排放權交易市場,擴大碳市場參與行業、企業規模、交易主體和交易品種,完善碳稅制度

  積極發展綠色金融,完善綠色低碳發展的財稅、價格、金融等政策機制。充分利用金融、市場等優勢推動企業進行清潔技術升級投入,同時降低企業二氧化碳減排成本,提高企業減排效果。給予率先實現碳達峰的企業一定的市場競爭優勢,形成綠色低碳轉型的激勵機制。

  當今世界正經歷新一輪科技革命和產業變革,發達國家和地區都在積極推動以綠色能源、低碳產業、清潔技術為主體的新一輪工業革命。中國2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和是重大的戰略決策,這不僅是一場經濟社會的系統性變革,更是將中國建設成為世界科技強國的必然選擇。黨的十九屆五中全會提出堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位,把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐。為此,應充分發揮科技創新在實現綠色低碳轉型中的關鍵作用,通過科技創新促進國家如期實現碳達峰、碳中和目標,完成綠色低碳轉型的戰略任務。

(來源:環境生態網)

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