编者按：根据一些热心关注研究院的专业人士们建议，研究院公众号和网站应该多介绍一些最新技术发展情况，从本期开始，我们将不定期推出“新技术介绍”栏目，欢迎各位朋友提出宝贵建议。
碳中和技术研究进展
根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）提供的定义，碳中和，即净零二氧化碳排放，是指在特定时期内全球人为二氧化碳排放量等于二氧化碳消除量。用公式可表示为：“碳排放–植物碳汇–人工碳汇= 0”。世界各国以全球协约的方式减排温室气体，国际上部分已经提出碳中和目标的国家，如 英国2050年、瑞典2045年、 韩国2050年、新西兰2050年、德国2050年、欧盟2050年、美国加州2045年。2020年9月，中国在联合国大会上向世界宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。“碳中和”不仅包含着一次百年级别的能源革命，同时也伴随着大量的技术进步和创新。从技术层面，碳减排、碳封存、碳捕集、碳利用是达到最终碳中和的四个基本途径，也是中国正在发力的方向。
1、碳减排
碳减排方面重点关注二氧化碳高排放行业，主要包括电力部门、工业部门、交运部门和建筑部门。从碳排放大户的分类来看，电力部门和工业部门的技术更新对生产场景影响较大， 交运部门和建筑部门对于生活场景影响较大。
电力部门绿色转型是实现碳中和的基础。电力生产低碳化有两种方式：一方面，对现有发电企业进行技术改造，提高能源利用效率，包括热点解耦、低压稳燃等传统技改，以及利用人工智能、大数据、云计算等进行智能化改造等。另一方面，寻求以太阳能、风能为代表的可再生能源进行发电，实现电力的零碳生产，除了利用光伏、风能等清洁能源进行发电之外，电力的储存和运输也至关重要。未来可再生能源发电重点需要突破储能和能源运输技术，现有的储能方式主要有物理储能、电磁储能、电化学储能三大类，其中物理储能技术成熟度最高，电化学储能在光伏发电领域应用最广。
工业部门深度脱碳是实现碳中和的重中之重。对于钢铁行业而言，要大力发展短流 程电炉炼钢，研发绿氢炼钢流程，并利用碳捕捉技术清除化石燃料产生的碳排放；对于水泥生产而言，一方面需要燃料端实现零碳排放，比如利用绿氢、生物质燃料等替代传统化石燃料，另一方面需要积极探寻水泥原料石灰石的替代品，彻底解决石灰石煅烧过程中的大量碳排放问题；对于化工行业而言，应大力发展氢化工，实现对化石能源的替代，另外积极探索生物基高分子材料替代化纤、塑料、橡胶等石化基材料。
交运部门碳排放占比不断增加，需要加强化石能源替代速率。一方面，短途交运应推进电动化进程，利用新能源电池作为供能来源，从而实现脱碳。这需要进一步提升新能源电池的能量密度和充电速度，并推广光伏充电桩一体化的新型建筑配电系统。另一方面，考虑到电池续航能力有限，航空、船舶、铁路等长途交运应尝试使用氢能、生物质燃料、液态氨等燃料替代传统化石燃料。
建筑部门是碳排放最高的终端消费来源，包括住户供暖制冷的直接排放、建筑施工环节的直接排放以及建材生产过程中的间接排放。实现建筑部门的碳中和必须多方举措：其一，供暖设备脱碳，使用热泵技术或积极探索生物质能、地热能等供暖技术；其二，建筑施工环节使用装配式建筑降低碳排放；其三，借助工业脱碳技术或绿色材料的替代实现零碳建造。
2、碳储存
无论是降低化石能源在使用过程中的碳排放，还是研究用非碳能源进行替代，都属于从排放端来探讨如何减排。实现双碳目标，还需要在固碳端发力。所谓固碳，也叫碳封存、碳储存，是指增加除大气之外的碳库碳含量的措施，将多余的碳封存起来，不排放到大气中。
目前主要有物理固碳和生物固碳两种方式。一是物理固碳。它是将二氧化碳长期储存在开采过的油气井、煤层和深海里。当前主要的碳储存方式是将捕获的二氧化碳注入地下深处，当前适合储存二氧化碳的深度为含盐地层以及油气地层，未来可以通过技术创新进一步开拓更多的碳储存地点，例如玄武岩层和盐碱含水层具备储存碳的条件。除了陆地储存外，海洋也有较大的潜在存储空间。二是生物固碳。它是利用植物的光合作用，将二氧化碳转化为碳水化合物，以有机碳的形式固定在植物体内或土壤里。利用陆地生态系统固碳，是减缓大气二氧化碳浓度升高最为经济可行和环境友好的途径。目前我国陆地生态圈巨大的碳汇能力主要来自于我国重要林区，尤其是西南林区的固碳贡献，同时我国东北林区在夏季也有非常强的碳汇作用。这也是我国近40年来恢复天然森林植被、加强人工林培育取得的成果。
碳封存过程中需要提高二氧化碳的浓度，以提高效率，增加埋存量，从而降低成本。同时，大部分的利用场景也需要高浓度的二氧化碳，提高利用转化率。因此，捕集技术成为二氧化碳利用和封存过程中的关键技术。上世纪80年代，联合国政府间气候变化专门委员会提出了“碳捕集与封存”技术，主要是将捕集的二氧化碳通过一定的方式运输到合适的地点进行封存，使其与大气隔绝，减少向大气中的二氧化碳排放，促使大气碳循环的再平衡。但这项技术存在的最大问题是建设和运行成本高昂。碳捕获、利用与封存技术是碳捕获与封存技术新的发展趋势，即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存。与碳捕获与封存技术相比，它可以将二氧化碳作为资源再次利用，既能产生经济效益，也更具有现实操作性。
3、碳捕获
当前碳捕获的主要技术有化学吸收和物理隔离。化学吸收分两个环节，首先使用可以吸收二氧化碳的化学溶剂捕获含二氧化碳等多种化学物质的气体，此后在溶剂中分离出纯净的二氧化碳。这一技术目前主要应用于发电厂和工业设施。物理隔离则是利用活性炭、氧化铝、金属氧化物或沸石等物质吸收含二氧化碳的气体，而后通过温度或压力调节释放纯净的二氧化碳，该技术主要应用于天然气厂。
此外，还有膜分离、钙循环、化学循环等技术正在探索之中，未来可能成为重要的创新方向。膜分离技术的基础是选择性捕获二氧化碳气体的化合物装置，可以高效的捕获和分离二氧化碳气体；钙循环也是一种新型碳捕获技术，使用生石灰（CaO）作为吸附剂来捕获二氧化碳并形成碳酸钙（CaCO3），随后碳酸钙进行分解产生生石灰和纯净的二氧化碳，可以进行循环利用，这一技术在钢铁和水泥生产领域有较好的应用前景；化学循环是使用金属氧化物对碳气体进行捕捉的技术，在煤炭、天然气和石油等能源领域有广泛应用空间。
4、碳利用
目前正在通过技术创新开辟更多二氧化碳的利用途径：一是进一步完善将碳和氢气一起用于生产碳氢合成燃料的技术；二是将二氧化碳作为化石燃料的替代品用于工业品生产（部分化学品需要融入碳元素以增强其结构的稳定性）；三是将二氧化碳用于建筑材料生产，例如二氧化碳可以在混凝土中替代水的作用，这一技术被称为“二氧化碳养护”，二氧化碳可以与矿物质反应生成碳酸盐并加固混凝土。
本文主要摘录于《碳中和专题研究报告：碳中和未来技术突破会怎样？》，作者：浙商证券，李超、张迪、林成炜；《提升固碳能力 实现双碳目标》，人民日报，2021年10月10日。
