雙碳目標下新型科研體系建設

張通

(安徽理工大學深部煤炭開采響應與災害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001)

能源是國家經濟社會發展的重要保障，地球是人類賴以生存的家園，生態文明建設已上升至國家戰略，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上首次提出“碳達峰、碳中和”的目標[1]。碳達峰、碳中和是一場廣泛且深刻的經濟社會系統性變革，涉及經濟增長、社會發展、能源安全、產業升級、體制機制等多個方面。《2030年前碳達峰行動方案》指出，到2030年，單位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上，非化石能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量達到12億kW以上，森林蓄積量達到190億m3，到2060 年，碳中和目標順利實現，生態文明建設取得豐碩成果[2]；《“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要》提出到2035 年人均國內生產總值達到中等發達國家水平，要求經濟增速接近5%[3]。我國面臨著保障經濟增長與實現零碳發展的雙重壓力，雙碳目標驅動能源結構體系和產業體系變革，帶來產業協同發展、低碳技術競爭、生態環境保護、就業創業等諸多顛覆性挑戰。

基于社會發展的能源需求，碳排放體量持續增長，以煤為主的能源稟賦，頂層體制機制不健全，高質量低碳人才缺乏的基本國情，及煤炭清潔高效利用，清潔能源多能耦合互補，新型儲能技術和規模化，CCUS 關鍵技術與產業化，綠色金融、碳匯碳市場科學技術難題，我國實現碳中和發展面臨諸多難題。積極構筑新型科研體系引領產業綠色轉型、助推科技前沿進步、重塑未來發展方式、增強全球競爭力，將提高我國清潔能源水平、保障國家能源安全、經濟持續健康發展，塑造大國對國際社會負責的良好形象，雙碳目標下新型科研體系構建意義重大。

1 面臨機遇與挑戰

2021年能源消耗CO2排放量增至363億t，中國CO2排放量超過119億t，占全球33%[4]。目前已有超過130個國家和地區提出了碳中和目標，歐盟、美國、日本從碳達峰到碳中和所用時間分別為71年、43年、37年，中國僅有30年時間；同時中國單位GDP 能源消耗410克標煤/美元，是世界平均水平的1.7倍，發達國家平均水平的2.9倍，清潔能源消費量僅占比25.5%，我國實現碳中和面臨時間和技術的雙重考驗。2022年5月習近平總書記在全國兩會中強調：“綠色轉型是一個過程，不是一蹴而就的事情。要先立后破，而不能夠未立先破。實現‘雙碳’目標，不能脫離實際、急于求成，搞運動式‘降碳’、踩‘急剎車’。不能把手里吃飯的家伙先扔了，結果新的吃飯的家伙還沒拿到手，這不行。[5]”隨著我國生態文明建設的不斷推進，“綠水青山就是金山銀山”的理念日益深入人心。以頂層設計結合試點示范的工作模式，我國先后啟動各類低碳試點工作，推動落實中國政府所承諾的二氧化碳排放強度下降目標。通過以點帶面的政策示范效應，充分調動了各方面低碳發展的積極性、主動性和創造性，為“雙碳”目標的實現注入強大動力。獨具中國特色的政策設計邏輯，以及全力打好污染防治攻堅戰的政治執行力，充分彰顯了我國制度優勢，尤其是集中力量辦大事的優勢。只要我國繼續秉持新發展理念，凝聚全社會智慧和力量共同行動，打贏這場硬仗并不是天方夜譚。人類生存、經濟增長、能源開發、環境保護協調發展至關重要。

1.1 凈零碳經濟增長壓力巨大

新能源體量增加與傳統化石能源消耗減降是實現“雙碳”目標的重要支撐。我國具備強大的裝備制造能力與國內超大規模市場，掌握核心技術和關鍵產業鏈優勢，為清潔能源技術的成本降低和推廣應用帶來無可比擬的優勢。2020年我國新增風電裝機容量57.8 GW，占全球新增裝機容量的60%，新增太陽能光伏裝機容量為48.2 GW，新能源技術研發、產品生產及原材料成本較化石能源仍具有很大下調空間[6]。化石能源行業中高投入、高能耗、高污染、低效益特點突出，在國際能源產業鏈中處于中低端。人工智能、能源互聯網、清潔能源技術為代表的新一輪工業革命成果在新能源與傳統能源中支撐力度仍需進一步提升，現代化能源結構轉型升級面臨自主創新欠缺、關鍵技術“卡脖子”問題突出、能源資源開發智能化水平不足，能源資源清潔利用效率低、固廢資源化利用動力不足等挑戰，實現凈零碳經濟高質量增長面臨諸多困難。

1.2 煤炭清潔高效利用面臨巨大挑戰

我國煤炭消費占比由2012 年的68.5%降至2021年的56%，全國CO2排放總量在100 億t/a，其中煤炭消費碳排放占比在70%左右，石油和天然氣對外依存度分別達到73%和43%，我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國[7]。盡管煤炭在國內一次能源消費中的比重正逐年下降，但在相當長的時間內，其主體能源地位仍不會改變。高靈活性智能燃煤發電理論與技術，煤與可再生能源高效耦合發電理論與技術，燃煤煙氣多污染物聯合脫除理論與資源回收技術，煤炭轉化過程廢水、廢氣、廢渣高效處理技術，高溫熔煉與爐窯污染物深度控制技術，CO2高效活化與定向轉化合成強化技，煤制新型碳材料的基礎理論及關鍵技術及煤炭化學燃燒鏈燃燒技術煤炭清潔高效利用關鍵核心技術方面攻關力度及成果取得顯著度方面仍有待提升。同時化工產業的能源轉化基礎屬性，使得現代煤化工行業發展與此前的能耗“雙控”政策環境，碳減排技術與碳綜合利用途徑發展緩慢，高耗能產業受限引發的產業集中轉型與下游產業“紅海競爭”間形成重要矛盾。煤炭行業轉型升級至精尖行業，實現清潔高效利用面臨巨大挑戰。

1.3 可再生能源消納與關鍵儲能問題亟待破解

新能源消費占比由2013 年的15.5%升至2021 年的25.5%，新增風電裝機容量57.8 GW，占全球新增裝機容量的60%，新增太陽能光伏裝機容量為48.2 GW，風電、光伏、光熱、地熱、潮汐能開發利用得到大幅度提升[8]。然而新能源晝夜波動及分布式分布特點在經濟成本與技術創新方面制約了短期內大規模推廣應用，在規模化、產業化方面面臨調峰、遠距離輸送、儲能等技術掣肘。風電、光伏、光熱、潮汐能受限于晝夜和氣象條件具有較大波動性；生物質供應源頭分散，收集難度大；核電則受限于核燃料資源與核安全。抽水蓄能、空氣壓縮儲能、電化學儲能、燃料電池、氫氨儲能等方興未艾，抽水蓄能占據整體儲能體系的90%，然而我國抽水蓄能裝機容量僅占發電總裝機的1.43%，而世界平均水平為10%，新能源+先進儲能仍有很長的路要走。中長期煤炭仍將發揮兜底能源角色，保障電力供應的經濟性、安全性、連續性。可再生能源向主導能源轉變過程中將進行系列的技術裝備、系統結構、體制機制、投融資等方面的綜合革新。

1.3 工程固碳關鍵科學技術有待提升

工程固碳是減碳、負碳的重要環節，其中CCUSEOR、BECCS、DACCS 等是重要的技術支撐。具體將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程，是目前實現化石能源低碳化利用的重要技術選擇，實現碳中和目標的重要技術保障。南海珠江口盆地啟動海底儲層中永久封存CO2超146萬t，齊魯石化-勝利油田百萬噸級CCUS，中國石油將組織推動300萬t CCUS規模化應用示范工程建設，廣匯能源股份有限公司規劃建設的300萬t/年二氧化碳捕集、管輸及驅油一體化項目等CCUS工程項目相繼啟動。目前全球二氧化碳捕獲能力已經達到4000萬t，實現“巴黎協定”的目標，需要全球碳捕獲能力達到每年10億t，約50%的CO2是發電廠、鋼鐵廠等點源排放，碳捕獲成本60～150 美元/t，其他工業和DAC碳捕獲成本＞200美元/t。煤電行業應用CCUS 將使能耗增加24%～40%、投資增加20%～30%、效率損失8%～15%，綜合發電成本增加70%以上。CCUS技術目前投資和運行成本高昂，發展碳固化和碳循環利用是當前整個行業面臨的突出問題，必須依靠科技創新，盡快加大碳減排、碳抵銷、碳循環利用的科技攻關力度，降低碳捕集利用與封存（CCUS）技術成本，推進CCUS規模化、工程化、商業化建設運行。

2 新型科研體系

富煤貧油少氣的能源稟賦，決定了以煤為主的能源結構短期內難以根本改變，對標國家重大戰略需求，堅定落實能源認知革命、能源供給革命、能源技術革命、能源體制革命。聚焦降碳、負碳、零碳創新性技術研發，穩中有序推進節能減排，能源結構調整，碳市場構建，加快推進煤炭清潔高效利用、綠色智能開采、新能源開發、森林碳匯、CCUS 關鍵核心技術攻關。根據圖1可知，從生產端、消費端、固碳端三端協同發力，破解高效生產、多能轉化、減固碳核心技術，協同大數據、云計算、區塊鏈現代通信計算技術，優化工藝技術，構筑以煤電+新能源多能互補的凈零碳能源體系。

圖1 新型科研體系框架圖

2.1 人才引育

“碳中和”總投資規模約為70萬～180萬億元，年投資規模在3.5 萬億元左右，投資向能源供應領域傾斜，碳排放占比47%的能源供應領域集中了近八成的投資需求，國家戰略與金融投資導向下，國家“低碳人才”需求總量巨，“碳中和”拉動人才需求，高校加速“低碳人才隊伍建設”。聚焦可再生能源、碳中和技術、煤炭清潔高效利用、固廢處理等領域工程型人才、技能型人才、技術型人才、金融型人才及管理型人才引進與培養。加快培養低碳行業專業人才，同時對市場參與主體進行能力培訓，為我國低碳轉型發展提供人才保障和專業支撐。瞄準國家碳達峰和碳中和戰略部署，院校與國內知名碳交易領域交易平臺、核查機構、碳資產管理機構、大型能源企業等深度合作，采用“高校+中心”的人才培養運行模式，通過定期實習、聯合培養、定向就業等方式提升畢業生的培養質量。加大培養全方位復合型“碳達峰、碳中和”專門人才，加大學科領域碩士點和博士點布局，鼓勵開展“理工管融合、企教研協同”創新，增設低碳領域專業，增加研究生指標投放力度，培養寬基礎、高素質、強能力雙碳復合型人才。進一步健全科技人才評價體系，全方位為碳中和科研人員松綁，拓展科研管理“綠色通道”，完善科技評價機制，優化科技獎勵項目，改革重大科技項目立項和組織管理方式，給予科研單位和科研人員更多自主權。

2.2 科研平臺建設

建設碳中和國際科技合作創新平臺與高校碳中和領域創新引智基地，匯聚海外高層次人才，推進與世界一流大學和學術機構的合作交流，推動高校參與大科學計劃和大科學工程，舉辦高層次碳中和國際學術會議或論壇。創辦校企、校地技術研發平臺，支持高校聯合科技企業建立技術研發中心、產業研究院、中試基地、產教融合創新平臺等，積極參與創新聯合體建設，促進跨行業、跨領域、跨區域碳中和關鍵技術集成耦合與綜合優化，深化校地合作，支持高校聯合地方建設一批碳中和領域省部共建協同創新中心和現代產業學院，構建碳中和技術發展產學研全鏈條創新網絡。布局一批適應未來技術研究所需的科教資源和數字化資源平臺，打造引領未來科技發展和有效培養復合型、創新型人才的教學科研高地。加強與人工智能、互聯網、量子科技等前沿方向深度融合，推動碳中和相關交叉學科與專業建設。加快與哲學、經濟學、管理學、社會學等學科融通發展。加快制訂碳中和領域人才培養方案，建設一批國家級碳中和相關一流科研與教學平臺。

2.3 管理體制建設

建立靈活的人才機制，集聚一批能源、“雙碳”方向的海內外領軍人才、高層次人才和創新團隊。深入推進“新工科”建設，創建面向“雙碳”的未來技術學院和現代產業學院。堅持和加強黨對人才的全面領導，完善黨管人才體制機制，健全人才工作目標責任制，以責任落實推動任務落實。加強人才體制機制建設，提高人才的成就感，激發科技人才工作熱情，產出更高質量科技成果。通過設置準入門檻、樹立典型和召開經驗交流會，做好政策的宣傳，提高人才的競爭感，就要不斷地提高自己的能力，表現自身的優勢，從而形成一種爭先創優的良好局面。積極實施人才激勵政策，營造良好的科研氛圍，激發科研人才榮譽感、責任感，塑造科研人才的信賴感，提高人才的歸屬感，更好地為黨和國家貢獻自己的力量。加快形成有利于人才成長的培養機制、有利于競相成長各展其能的激勵機制、有利于各類人才脫穎而出的競爭機制，促成人人渴望成才、人人努力成才的良好局面。

3 未來發展方向

雙碳目標下能源結構轉型發展要立足以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用，大力發展新能源、提升新能源消納能力，同時推動化石能源和新能源優化組合，進一步提升CO2消納能力、發展大規模碳存儲和轉化利用技術。“先立后破，一脈相承”，推進新型電力系統的建設，通過碳金融等工具完善碳配額成本傳導機制，推進綠色技術示范應用。

3.1 搶占新能源與先進儲能科技高地

增加新能源消納能力，打破發展掣肘，下好“先手棋”，提升新能源在能源電力結構中的占比，增加新能源消納能力，推進配網投資、電源側靈活性改造、儲能、電網改造、需求側響應等。推進大規模儲能技術發展，保障新能源安全穩定聯網，構建分布式智能電網與特高壓輸電，多網聯動保障能源需求，降低能源消耗，大力發展大規模儲能技術：電池關鍵材料、超級電容器。聚力綠色低碳技術攻關，科技創新引領碳中和與經濟社會同步發展，圍繞可再生能源、儲能、氫能、CCUS 等領域，重點開展新一代太陽能電池、電化學儲能、催化制氫、直接空氣CO2捕集、CO2分子斷鍵與重構、生物直接轉化CO2等方向機制、方法研究等基礎前沿重大創新。強化應用基礎協同創新，聚焦低碳、零碳、負碳關鍵技術需求，促進新能源、新材料、生物技術、新一代信息技術等融合，通過協同創新重點推進規模化可再生能源儲能、多能互補智慧能源系統、CO2捕集利用協同污染物治理等研究。

3.2 提升能源清潔利用與碳封存技術

煤炭工業要勇當科技和產業創新的開路先鋒，調整、優化和升級產業結構，控制能源消費總量增長。加快建設全國用能權、碳排放權交易市場，完善能源消費強度和總量的雙控制度。聚焦煤炭綠色智能開發、煤炭清潔高效燃燒及污染防控、現代煤化工及高效利用、廢棄礦井安全開發利用、碳捕集利用與封存等重要方向和戰略領域，推進基礎研究和關鍵技術、核心裝備研發。加快煤炭清潔利用基礎理論與技術研究，破解煤炭清潔高效燃燒及污染防控關鍵科學問題，實現煤炭安全、綠色、低碳、高效利用。做到煤炭清潔高效利用方向上戰略抉擇、技術上集成創新、行動上引領實踐。有序研發應用CCUS技術，探索CO2資源化能源化利用機理和方法，探索煤礦區CO2封存機理和方法，加強CO2驅替煤層氣研究。聚焦碳捕集與利用，加快研發碳捕集先進材料、專用大型CO2分離與換熱裝備、CO2資源化利用等關鍵核心技術，突破煙氣CO2捕集、CO2礦化及微藻利用技術，部署直接空氣CO2捕集等負排放技術。

4 結語

雙碳戰略目標將引發新一輪產業變革和技術革命，科技創新是實現凈零碳經濟增長的重要保障，人才是科技創新的第一要素，構筑多學科交叉產學研結合科研創新平臺，營造自由探索、良性競爭、成就感與獲得感的科研環境，建立完善的科研管理體制，制定行之有效的激勵措施，是激發科研人才產出高質量科研成果的重要保障，也是攻關關鍵核心“卡脖子”技術難題的必然需求。加強新能源與新型儲能及煤炭清潔高效燃燒與減降碳領域科研體系部署，加快推進重大科研成果產出，助力實現雙碳戰略目標，保障清潔能源安全供給。