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

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, 37(4): 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