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碳中和技术及其代表性企业应用

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所谓碳中和技术,广义说是指所有能降低人类活动碳排放的技术。这些技术可分为三大领域:无碳或减碳技术,捕存和利用二氧化碳的技术(负碳技术)韩正副总理提出要大力发展的三种技术。

近日,《北大金融评论》发布“双碳”目标下的技术路线图,包括减少碳排放和增加碳吸收2条主路线。其中,减少碳排放包括能源结构调整、重点领域减排和金融减排支持3条路线,增加碳吸收又包括技术固碳和生态固碳2条路线。如此逐级细化,得到完整技术路线图(该图不代表本公众号观点)。
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为了便于阅读,将上图分成2部分(请横屏观看)。


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日前教育部印发关于《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知,通知指出:
加快碳减排关键技术攻关,加快碳零排关键技术攻关,加快碳负排关键技术攻关。
那低碳、零碳以及负碳技术具体是什么呢?
根据教育部的文件:
碳减排关键技术(低碳):围绕化石能源绿色开发、低碳利用、减污降碳等开展技术创新,重点加强多能互补耦合、低碳建筑材料、低碳工业原料、低含氟原料等源头减排关键技术开发;加强全产业链/跨产业低碳技术集成耦合、低碳工业流程再造、重点领域效率提升等过程减排关键技术开发;加强减污降碳协同、协同治理与生态循环、二氧化碳捕集/运输/封存以及非二氧化碳温室气体减排等末端减排关键技术开发。
碳零排关键技术(零碳):开发新型太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、核能等零碳电力技术以及机械能、热化学、电化学等储能技术,加强高比例可再生能源并网、特高压输电、新型直流配电、分布式能源等先进能源互联网技术研究。开发可再生能源/资源制氢、储氢、运氢和用氢技术以及低品位余热利用等零碳非电能源技术。开发生物质利用、氨能利用、废弃物循环利用、非含氟气体利用、能量回收利用等零碳原料/燃料替代技术。开发钢铁、化工、建材、石化、有色等重点行业的零碳工业流程再造技术。
碳负排关键技术(负碳)。加强二氧化碳地质利用、二氧化碳高效转化燃料化学品、直接空气二氧化碳捕集、生物炭土壤改良等碳负排技术创新;研究碳负排技术与减缓和适应气候变化之间的协同关系,引领构建生态安全的负排放技术体系;攻关固碳技术核心难点,加强森林、草原、湿地、海洋、土壤、冻土的固碳技术升级,提升生态系统碳汇。
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就中国国情而言,电力、钢铁、建筑等行业已成为高耗能和高排放的重点领域,这些行业如何发展低碳技术?
我国高耗能、高排放行业总体可划分为三大领域。
一是电力行业领域目前我国每发一度电要排放二氧化碳0.8—0.9公斤,如果每度电的耗煤量降低1克,全国每年就可减排二氧化碳750万吨。因此,应集中精力加快技术改造,推进火电减排,实施“绿色煤电”计划。这将主要依靠开发煤清洁转化高效利用技术和提高燃煤发电效率实现,其中提高燃煤发电效率能实现15%的减排。目前具有发展前途的高效、洁净的煤发电技术,主要涉及整体煤气化联合循环(IGC C )、循环流化床燃烧(CFBC)等技术。
二是材料和制造领域,主要集中于两大方面:一为金属材料制造。2010年我国粗钢产量将达到6.6亿吨,钢铁工业能源消耗占全国工业总能耗的1/4,每生产1吨钢,采用高炉工艺将排放2吨二氧化碳,电炉工艺排放1吨二氧化碳。钢铁工业必须将控制总量、淘汰落后和技术改造结合起来,推动节能减排。二为高分子材料,2009年,我国生产塑料达4000万吨,如果以石油路线制备的高分子材料为例,有估算每生产1吨塑料,需消耗2-5吨原油,排放二氧化碳4-8吨。因此,一方面要大力发展新型稳定化技术,提高材料服役寿命,从而节省石化资源,降低温室气体排放量。另一方面可通过应用生物基及生物降解塑料技术,直接以可再生资源替代石化资源,同时加快发展高效的回收利用新技术。如果从原料到回收处理形成产业链,以年产1000万吨生物基材料为例,单位产品就可减少二氧化碳排放40%以上。
三是建筑领域,目前城市碳排放的60%来源于建筑维持功能本身,构建绿色建筑技术体系、发展低碳建筑极其重要,其关键是建筑规划设计、建造、使用、运行、维护、拆除和重新利用全过程的低碳控制优化。如在建造环节,可利用屋顶光伏发电技术,实现自然光和灯光照明有效整合,可通过建造无动力屋顶通风设备,调节风流风速并带动风机发电;在使用环节,可通过种植屋顶花草建造“绿色屋顶”,不仅可达到降温效果节省空调电力,还能吸收大气污染物;在拆除环节,可通过有效回收利用建筑废弃物,防止发生二次污染
其中,无碳或减碳技术包括三个方面:
一是绿色能源技术———水能、风能、生物质能、太阳能、潮汐能、地热能、核能等,



二是传统化石能源节能减排技术
———煤、石油、天然气开采及高效、清洁、综合使用,
三是其他行业过程节能减排技术———制造业节能、建筑节能和交通节能;碳捕存和利用技术的核心是CCUS技术(Carbon Capture & Storage),即二氧化碳的捕集、储存和利用技术。
首先是源头控制 的 “无碳技术”,即大力开发以无碳排放为根本特征的清洁能源技术。
这主要包括风力发电、太阳能发电、水力发电、地热供暖与发电、生物质燃料、核能技术等,其最终理想是实现对化石能源的彻底取代。因为,化石燃料燃烧是主要的碳排放源,经由这一渠道每年进入大气的碳排放量约为80亿吨。
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其次是过程控制的 “减碳技术”,是指实现生产消费使用过程的低碳,达到高效能、低排放。集中体现在节能减排技术方面。排在二氧化碳排放量前5位的工业行业(电力、热力的生产和供应业,石油加工、炼焦及核燃料加工业,黑色金属冶炼及压延加工业,非金属矿物制品业,化学原料及化学制品制造业)占工业二氧化碳排放的比重已超过80%。因此,这5大行业应该作为发展和应用减排技术的重点领域。另外,在建筑行业,通过构建绿色建筑技术体系、推进可再生能源与资源建筑应用、集成创新建筑节能技术等可减少电能和燃料的使用。
其三是实现末端控制的“去碳技术”,特指捕获、封存和积极利用排放的碳元素,即开发以降低大气中碳含量为根本特征的二氧化碳的捕集、封存及利用技术,最为理想状况是实现碳的零排放。主要包括碳回收与储藏技术,二氧化碳聚合利用等技术。根据联合国政府间气候变化委员会的调查,该技术的应用能够将全球二氧化碳的排放量减少20%至40%,将对气候变化产生积极影响。
就中国国情而言,电力、钢铁、建筑等行业已成为高耗能和高排放的重点领域,这些行业如何发展低碳技术?
谢和平:我国高耗能、高排放行业总体可划分为三大领域。
一是电力行业领域目前我国每发一度电要排放二氧化碳0.8—0.9公斤,如果每度电的耗煤量降低1克,全国每年就可减排二氧化碳750万吨。因此,应集中精力加快技术改造,推进火电减排,实施“绿色煤电”计划。这将主要依靠开发煤清洁转化高效利用技术和提高燃煤发电效率实现,其中提高燃煤发电效率能实现15%的减排。目前具有发展前途的高效、洁净的煤发电技术,主要涉及整体煤气化联合循环(IGC C )、循环流化床燃烧(CFBC)等技术。
二是材料和制造领域,主要集中于两大方面:一为金属材料制造。2010年我国粗钢产量将达到6.6亿吨,钢铁工业能源消耗占全国工业总能耗的1/4,每生产1吨钢,采用高炉工艺将排放2吨二氧化碳,电炉工艺排放1吨二氧化碳。钢铁工业必须将控制总量、淘汰落后和技术改造结合起来,推动节能减排。二为高分子材料,2009年,我国生产塑料达4000万吨,如果以石油路线制备的高分子材料为例,有估算每生产1吨塑料,需消耗2-5吨原油,排放二氧化碳4-8吨。因此,一方面要大力发展新型稳定化技术,提高材料服役寿命,从而节省石化资源,降低温室气体排放量。另一方面可通过应用生物基及生物降解塑料技术,直接以可再生资源替代石化资源,同时加快发展高效的回收利用新技术。如果从原料到回收处理形成产业链,以年产1000万吨生物基材料为例,单位产品就可减少二氧化碳排放40%以上。
三是建筑领域,目前城市碳排放的60%来源于建筑维持功能本身,构建绿色建筑技术体系、发展低碳建筑极其重要,其关键是建筑规划设计、建造、使用、运行、维护、拆除和重新利用全过程的低碳控制优化。如在建造环节,可利用屋顶光伏发电技术,实现自然光和灯光照明有效整合,可通过建造无动力屋顶通风设备,调节风流风速并带动风机发电;在使用环节,可通过种植屋顶花草建造“绿色屋顶”,不仅可达到降温效果节省空调电力,还能吸收大气污染物;在拆除环节,可通过有效回收利用建筑废弃物,防止发生二次污染。
清洁能源主要包括水电、风电、太阳能、生物质能以及核能等。
首先,我们应积极、有序地发展水电。我国是世界水能大国,水电应该是2030年前可再生能源发展的第一重点,应促进其“积极、快速、有序”开发和利用。
其次,风能、太阳能、生物质能是重要的绿色能源,应加大关键共性技术的研发示范推广力度。重点发展太阳能光伏、光热产业,推进太阳能集中供热水工程、太阳能采暖和制冷示范工程等建设;大力推进兆瓦级大功率风力发电装备的研发和产业化,提升大型风力发电装置的核心竞争力;加快生物质利用关键技术研发,进一步加快沼气、生物质气化发电和集中供气技术的开发;

同时,要积极发展核能技术,应大力推进从核资源—核燃料循环—核电站—后处理到核废物处置全产业链的配套协调发展。

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