碳中和的主角：新能源

碳中和的内涵

碳中和是指企业、团体或个人在一定时间内，二氧化碳等温室气体的产生量，通过植树造林、节能减排等一系列消除技术，实现二氧化碳“零排放”，达到二氧化碳收支平衡。

图1 碳中和的含义（图片来源于网络）

2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。”此后，习近平总书记相继在六次对外重要会议上密集表达碳中和碳达峰的相关论述。2021年“碳达峰”“碳中和”目标被首次写入政府工作报告。

图2 碳中和目标图解（图片来源于网络）

碳中和的途径

减少碳排放，实现碳中和的对策可以分为碳替代、碳减排、碳封存、碳循环4种主要途径。 （1）碳替代主要包括用电替代、用热替代和用氢替代等。 （2）碳减排主要包括节约能源和提高能效，从源头减少“黑碳”的排放量。 （3）碳封存是指将大型火力发电、炼钢厂、化工厂等产生的二氧化碳收集后，运输至合适场所，利用技术手段长时间与大气隔离封存。 （4）碳循环包括人工碳转化和森林碳汇。 据估计，到2050年，碳替代将占全球碳中和贡献率的47%，而碳减排、碳封存和碳循环贡献率分别占21%、15%和17%，如图4所示[1]，新能源则是碳替代的关键技术。

图3 2020-2050年碳替代、碳减排、碳封存和碳循环对全球碳中和的贡献[1]

碳中和的主角-新能源

新能源技术是基于新技术进一步开发和利用非化石无碳可再生的清洁能源，进而代替传统煤、石油和天然气等含碳化石能源。目前，新能源的类型主要包括太阳能、风能、生物质能、氢能、热能、海洋能、核能、新材料储能等，如图4所示。

图4 新能源技术的应用（图片来源于网络）

随着新能源技术与互联网、人工智能和新材料等技术的不断发展与结合，新能源产业正蓬勃发展，进入发展的黄金时期。不断开发新能源技术，通过碳替代途径加速实现我国碳中和目标至关重要。从能源生产和消费结构看，目前能源结构按煤、石油、天然气和新能源划分为四个部分。据预测，我国能源结构将发生变化，到2050年，煤炭、石油、天然气和新能源将分别占一次能源的14%、10%、17%和60%，煤炭、石油和天然气将分别下降60%、40%和10%，如图5所示[2]。新能源技术的发展将是我国实现碳中和目标的主角。

图5 我国能源结构的变化情况[2]

目前，新能源的发电成本已经低于过去的燃气发电成本，但其成本仍然高于煤发电成本的16%。随着新能源技术的不断发展，光伏发电项目和风电项目的成本将会低于煤发电厂。预计到本世纪中叶，新能源技术的发电可占电力需求的80%，其中光伏发电和风电将占50%以上[1]。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成，光伏发电原理如图6所示。简单来说，光伏发电就是利用太阳能发电，常用的太阳能热水器就是典型的光伏发电。光伏发电不会产生任何污染，不会排放温室气体，成本相对较低。

图6 光伏发电原理图（图片来源于网络）

风力发电是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电，如图7所示。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，会加速碳中和目标的实现。

图7 风力发电原理图（图片来源于网络）

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车，其驱动模式如图8所示。新能源汽车持续发展，交通领域的碳排放70-80%都来自于公路运输，我国的新能源车渗透率仅5%，《技术路线图2.0》规划2035年渗透率达到50%，新能源车和动力电池销量增长非常确定。

图8 新能源汽车的驱动模式

“绿氢”技术将进一步加快工业和交通运输行业能源结构变化，降低碳排放，成为新能源技术发展的重要后备力量。传统的天然气制氢是在催化剂作用下，将天然气中烃类成分与蒸汽反应，生成含氢混合气，并经过一系列的换热冷却，最终与杂质气体进行分离得到满足用户要求纯度氢气的过程，其方程式如下，此过程会产生大量的温室气体。

“绿氢”技术通过电解水（使用电流将水分解为氢和氧）来产生，电解水使用的电能是由可再生能源（例如太阳能或风电）产生的，在生产过程中将基本上不会产生温室气体，制氢过程如图9所示。目前，电价占电解水制氢的成本中的60%-70%，随着电价成本的大幅度降低，“绿氢”技术成本将进一步降低。预计到2030年，“绿氢”技术的成本可能会低于化石燃料制氢技术，到2050年，全球氢能占能源消费比重达到18%，“绿氢”技术上能够应用于钢铁、石油、合成氨等工业用氢，以及重卡和船舶等交通运输工具。

图9 可再生能源制氢过程示意图（图片来源于网络）

人工碳转化技术主要是将剩余电量转化为化工产品或燃料进行储存利用，对新能源电网起到削峰填谷作用，是连接新能源与化石能源的桥梁，能够有效降低化石能源碳排放。电力转气体技术是人工碳转化的主要形式，将电能转换为氢气或甲烷。电转气技术包含两个化学反应过程：第一个过程是水分子在催化剂、高温、通电的条件下的电解反应，该反应完成了电能向化学能的转换；第二个过程是氢气与二氧化碳在高温高压的条件下生产天然气的反应，即

根据电转气反应的阶段性以及反应条件和产物的不同，其运行模式如图10所示，其主要生成产物为氢气、氧气和甲烷。

图10 电转气运行模型[3]

人类生存和可持续发展依赖于生态环境，需要全世界人民团结合作，共同应对全球气候变化所带来的挑战。我国积极承诺碳达峰碳中和的目标，展现大国风范，为宜居地球、绿色地球做出贡献。碳中和目标的提出加速我国能源结构从化石能源向新能源的转变，新能源技术是实现碳中和目标的主角，在碳中和目标实现过程中发挥主导作用。未来，能源消费结构将从现在煤、石油、天然气和新能源四分天下的现状转变为以新能源为主导，煤炭、石油和天然气为辅的新格局。