“雙碳”戰略目標背景下科技支撐湖北產業轉型升級路徑研究

鄒小偉

(湖北省科技信息研究院,湖北 武漢 430071)

0 引言

實現碳達峰、碳中和是一場硬仗,是一場大考,需要付出極其艱巨的努力。此外,強有力的科技支撐也是必不可少的關鍵力量。近年來,湖北深入貫徹落實中央關于“雙碳”戰略目標的決策部署,把碳達峰、碳中和納入經濟社會發展全局,強化科技和制度創新,加快綠色低碳科技革命。2021年10月,湖北省人民政府印發的《湖北省科技創新“十四五”規劃》提出,要在“十四五”期間組織實施“綠色低碳科技賦能工程”等七大工程[1]。對此,本文堅持問題導向和目標導向,重點就如何推進科技創新引領支撐碳達峰、碳中和工作進行深入分析,并提出對策建議。

1 國內外推進碳達峰、碳中和經驗做法

當前,許多發達國家正在積極布局綠色低碳技術創新戰略,以謀求占領關鍵核心領域的技術制高點。我國從中央部委到地方政府也都在全力推進“雙碳”政策落地,湖北作為科技資源大省,應搶抓機遇、奮勇爭先,通過科技創新引領“雙碳”政策深入實施,并力爭走在全國前列。

1.1 全球綠色低碳技術競爭日趨激烈

目前,全球能源相關CO2排放達峰國家已經有62個。這些國家實現碳達峰主要是3個因素綜合作用的結果:一是工業化、城鎮化進入后期,對化石能源消耗的需求降低;二是技術進步使得能源效率不斷提高;三是風能、太陽能、水能等新能源發展較快,森林碳匯不斷增加[2]。目前,德國、英國等大多數發達國家實現達峰是因為完成了工業化和城鎮化過程,屬于發展到特定階段的自然達峰;巴西等發展中國家實現達峰則歸功于生物質能等新能源的發展和森林碳匯的增加。

截至2022年底,全球已有超過130個國家以立法、法律提案、政策文件等形式提出達到碳中和的目標,其中蘇里南、不丹兩個國家由于其工業碳排放低、森林覆蓋率高,已實現了碳中和目標。全球主要經濟體推進碳中和的路徑主要包括:一是大力發展風能、太陽能等可再生能源,逐步建立零碳電力系統,如英國大力發展海上風電,提出到2030年實現風力發電量翻兩番的構想;二是發展以氫能為主的替代燃料,如德國和日本分別出臺《國家氫能戰略》和《氫能基本戰略》,加大綠氫制備和氫能在工業、交通、供暖等各領域的應用;三是對建筑等實施節能改造,通過數字化進程提高能源利用效率,如法國設立了翻新工程補助金,計劃幫助700萬套高能耗住房達到低能耗建筑標準;四是通過碳稅和碳交易機制實現減排目標,如挪威承諾2030年通過碳交易購買碳匯指標實現溫室氣體中和。此外還有倡導低碳生活、發展CCUS等[3]。

1.2 我國“雙碳”科技政策加速推進

2021年10月,我國相繼發布《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰、碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》[4],加快形成碳達峰、碳中和“1+N”政策體系。科技部成立了碳達峰與碳中和科技工作領導小組,出臺《科技支撐碳達峰、碳中和實施方案》《碳中和技術發展路線圖》等一系列政策進行支撐[5]。目前已有31個省市針對碳達峰、碳中和戰略開展了相關工作,全國已有7個省市出臺了“雙碳”科技行動實施方案并制定了科技行動舉措,正在加速推進“雙碳”科技政策的實施。

湖北高度重視碳達峰、碳中和工作,制定了《湖北2030碳排放達峰行動方案》。2022年6月,湖北省第十二次黨代會提出,堅持降碳、減污、擴綠、增長協同推進,有序做好碳達峰、碳中和工作。加快布局“雙碳”發展新賽道,建立完善綠色低碳循環發展經濟體系。加快推進武漢具有全國影響力的科技創新中心建設,支持打造綠色發展中國樣板,建設碳達峰、碳中和先行區[6]。2022年12月,湖北省科技廳印發《湖北省碳達峰、碳中和科技創新行動方案》,旨在構建綠色低碳技術創新體系,致力于提高減排降碳增匯關鍵核心技術攻關能力,搶占碳達峰碳中和技術制高點,打造全國高質量發展的增長極。

2 國內碳達峰、碳中和創新發展現狀與趨勢

2.1 國內碳達峰、碳中和發展現狀

2022年,我國溫室氣體排放總量為139億噸二氧化碳當量,占全球排放總量的27%。二氧化碳排放總量為116億噸,其中能源活動排放的二氧化碳量約101億噸,占全球能源活動排放量的30%左右[7]。我國人均溫室氣體排放量已達10噸,是全球人均水平的約1.4倍。人均二氧化碳排放量已大于7噸,是全球人均平均水平的1.4倍,已超過英、法等發達國家。我國目前尚處于經濟社會發展的上升期,碳排放總量和強度“雙高”的情況仍將持續,實現碳達峰、碳中和目標面臨較大挑戰。

2.2 關鍵技術需求

碳達峰、碳中和目標與我國“兩個一百年”目標高度契合,要實現2030年前二氧化碳排放達峰、2060年前實現碳中和的總體目標,我國需圍繞能源供應、能源使用、過程排放與重點/難減領域,全方位加強面向碳中和目標的技術研發。在能源供應方面,需加快零碳能源供給,通過大力發展零碳電力能源技術,降低非化石能源在一次能源供應量中的比重。同時積極發展氫能、生物質能等零碳非電能源技術,滿足各類用能需求;在能源使用方面,通過提高能效、終端用能電氣化和零碳燃料替代,逐步降低化石燃料的消耗量;在過程排放和重點/難減領域方面,通過應用燃料/原料與過程替代技術,大幅削減工業制造過程中因原料化學反應造成的碳排放;通過發展碳捕集利用與封存(CCUS)/碳匯與負排放技術,抵消難以削減的碳排放。

2.3 技術體系

實現碳中和目標需要從源頭替代、過程削減、末端捕集等方面綜合考慮。目前國內正積極構建集零碳電力能源、零碳非電能源、燃料/原料與過程替代、CCUS/碳匯與負排放、集成耦合與優化五大類技術為一體的碳中和技術體系。其中,零碳電力能源技術與零碳非電能源技術構建的零碳能源供應系統提供零碳燃料與原料,燃料/原料與過程替代技術提供零碳產品與服務,分別從供給側與消費側實現了溫室氣體深度減排。CCUS/碳匯與負排放技術在實現能源系統凈零/負排放和抵消難減部門剩余碳排放的同時,所捕集的CO2可作為“綠碳”成為未來相關生產流程中的原料供給。集成耦合與優化技術為實現上述4類技術在行業、產業、區域層面的深度耦合優化提供支撐。

在零碳電力能源技術方向,國內逐步攻克了太陽能發電、風能發電、核能發電等關鍵技術,實現了商業化應用;在可再生能源并網、柔性交直流輸電、特高壓輸電等方面,突破了國際技術壟斷,完成了多項工程應用。該大類技術整體上處于國際領先水平,但地熱發電、海洋能發電、生物質發電等亞類技術與國際先進水平存在差距。

在零碳非電能源技術方向,國內重點部署了氫能燃料、生物質燃料和余熱高效利用等技術研發平臺,建立了氫能制-儲-運-用的產學研研發體系。在氫能燃料技術、生物質燃料技術等方面,具有良好的技術儲備。該大類技術成熟度與國際水平相近,但化學儲氫、氫燃料/原料利用等亞類技術落后于國際先進水平。

在燃料/原料與過程替代技術方向,我國持續加強工業領域節能增效技術研發,電氣化應用、回收與循環利用子類技術成熟度較高,鋼鐵、水泥等重點行業能源活動減排技術已接近國際先進水平。原料替代、燃料替代和工業流程再造子類技術成熟度偏低。該大類技術整體接近國際先進水平,但建材流程再造、物質/能量回收與循環利用等亞類技術與國際先進水平存在一定差距。

在CCUS/碳匯與負排放技術方向,我國建立了全流程CCUS技術體系,具備了十萬噸級CCUS技術示范能力,處于工業示范階段。同時,發展了陸地生態碳匯和海洋碳匯關鍵技術,并在BECCS和直接空氣捕集(DAC)等負排放技術領域開展了有效探索。目前,該大類技術整體接近國際先進水平,但捕集技術、地質利用與封存技術、碳移除技術還存在一定差距。

在集成耦合與優化技術方向,我國開展了可再生能源耦合與系統集成優化、污染物綜合治理與固廢資源化利用示范,開發了應對氣候變化數值預報系統,自主研發的氣候模式系統進入世界先進行列。該大類技術整體接近國際先進水平,能源互聯、節能減碳子類技術較為成熟,但產業協同、管理支撐子類技術成熟度較低,全產業鏈低碳技術集成與耦合等亞類技術落后于國際先進水平。

當前,我國五大類技術中已實現商業化應用的成熟技術約占總量的20%,在全行業加速推廣是實現高質量達峰的重要支撐;處于中試階段與工業示范階段的技術約占50%,經過10～15年技術攻關將具備商業化應用能力,可實現在穩中有降期與去峰期對重點領域碳排放的快速削減;處于基礎研究與概念階段的顛覆性技術約占30%,重點解決在碳中和期難減領域的深度脫碳難題。

3 湖北省雙碳發展創新現狀與優勢

3.1 碳排放現狀

“十三五”期間,湖北省在推進綠色低碳發展方面作出了巨大努力,尤其是在工業、建筑、交通等碳密集行業采取了一系列減碳措施,高技術產業的快速發展使碳排放量減少,并呈現出不斷下降趨勢。全省豐富的森林、濕地等資源作為生態系統的固碳主體,為全國提供了可觀的碳匯增長潛力;全國碳排放權注冊登記結算系統落戶湖北,推進我省生態產業化和產業生態化,支撐全省提前超額完成“十三五”減排目標,但是湖北省碳排放量與我國碳中和目標的實現還存在較大差距。

3.1.1 “高碳”經濟特征明顯,能源結構急需轉型

近年來,湖北省大力推進新能源開發利用,新能源裝機規模持續擴大,利用比例不斷提升,促進了湖北省能源結構優化升級。截至2020年底,湖北省風電、光伏發電總裝機容量1 200萬千瓦,其中風電裝機502萬千瓦,占全省發電總裝機容量的6.07%;光伏發電裝機698萬千瓦,占比8.43%,超過湖北省“十三五”可再生能源規劃。五年來,湖北電網消納全省風電和太陽能發電513億千瓦時,相當于減少電煤消耗0.22億噸、減排二氧化碳0.39億噸。但是,湖北省“高碳”經濟特征依然明顯,目前,湖北省碳排放量已進入3.2億噸規模的平臺期,碳排放量在全國所有省市中位于第12位左右(圖1),需要采取其他手段加大減排力度。

圖1 湖北省碳排放量全國排名年份趨勢變化

由圖2可知湖北省能源消費總量由2013年的1.57億噸標準煤增長至2019年的1.73億噸標準煤,整體呈現明顯增長趨勢。煤炭消費占比雖呈下降趨勢,但占比仍較高,近幾年維持在48%左右,經濟增長嚴重依賴于煤炭等化石能源的投入[8]。

圖2 2010-2019年湖北省能源結構

3.1.2 產業集中在中下游的制造階段,附加值不高

自2010年以來,湖北省地區生產總值呈增長趨勢,2022年的增速為4.3%,2022年全省完成生產總值5.37萬億元,2022年湖北經濟總量居全國第七。其中,第一產業增加值4 986.72億元,增長3.8%;第二產業增加值21 240.61億元,增長6.6%;第三產業增加值27 507.59億元,增長2.7%。三次產業結構由2021年的9.3∶38.6∶52.1調整為9.3∶39.5∶51.2。湖北省還處于工業化后階段,新中國成立之后,以武鋼、武重、武船為代表的“武字頭”企業成就了“中國鋼城”。 汽車零部件制造和智造是湖北省區域性優勢特色產業。2018年之前,湖北省第二產業的比例長期穩定在42%左右,三產結構還有待優化。

3.1.3 能源需求總量大,碳減排任重道遠

湖北省能源消費總量由2013年的15 703萬噸標準煤增長至2019年的17 316.28萬噸標準煤,期間除了2015年稍有降低以外,整體呈現明顯增長趨勢。目前,我省處于工業化中后期發展階段和經濟結構轉型升級的關鍵時期,碳排放主要集中在工業、能源生產及加工轉換、交通運輸、建筑(含服務業及居民生活)和農業領域[9],見表1。這些行業正好是碳密集型行業同時又是省內經濟增長的主力行業,工業減排壓力巨大。

表1 湖北省碳排放結構現況及預測目標 (單位:%)

湖北省碳排放主要呈現以下6個特征:碳排放總量呈升高態勢,增速在波動中逐漸趨緩;碳強度持續降低,下降幅度逐步收窄;煤炭碳排放占主導地位,占比呈下降態勢;工業為主要碳排放來源,農業占比較低;“一主兩副”碳排放占比高,神農架林區占比低;在區域中碳排放比重穩中有升,人均碳排放和碳排放強度在中部和長江經濟帶“中游徘徊”。

3.2 湖北雙碳科技創新發展優勢

我省在低碳領域擁有武漢大學、華中科技大學、華中農業大學、湖北三峽實驗室、中建三局等一批優勢科研單位。在科研平臺建設方面,建有國家和省級平臺21個,其中包括1個國家實驗室、3個國家重點實驗室、1個國家工程技術研究中心、6個省級重點實驗室、10個省級工程技術研究中心。在科技領軍人才方面,有楊春和、丁烈云、潘垣、張勇傳、程時杰、王焰新、謝樹成等院士以及一大批科研骨干和青年科技人才。在技術研發方面,在零碳電力能源技術、零碳非電能源技術、CCUS/碳匯與負排放技術等三大關鍵技術領域取得了大量科研成果。

3.2.1 零碳電力能源技術方向

新能源方面,華中科技大學開發的薄膜電池效率達11.5%,處于國際先進水平(居世界第3位);武漢日新科技公司首創國內BIPV產業化模式,BIPV產品及集成技術達到了世界先進、國內領先水平,并參與了國家行業標準的制定;“大規模風電聯網高效規劃與脫網防御關鍵技術及應用”獲國家科技進步二等獎;武漢凱迪電力公司的電廠施工管理、生物質發電核心裝備設計等領域已處于全球領先水平。

儲能和智能電網方面,我省研發出新能源電池高效儲能、梯級電站大型儲能等新型儲能應用技術以及相關并網、儲能安全技術,“電源技術與成套系統”“電力電子化關鍵技術與系列裝備”等一批成果獲國家科技進步二等獎。華中科技大學研制的535kV混合式高壓直流斷路器,在張北直流電網示范工程(康保站)投運,推動了世界首個直流電網建設,為北京綠色冬奧會建設提供了重要支撐。

煤電靈活性及節能減排方面,華中科技大學主持的“以空氣為載體基于余熱蒸發濃縮高鹽廢水及零排放技術”項目實現脫硫廢水零排放、細顆粒物(PM2.5)高效脫除和三氧化硫有效控制。

3.2.2 零碳非電能源技術方向

氫能領域,我省制儲氫技術、膜電極、電堆、系統集成與控制等核心技術領域均取得重要突破。由武漢理工大學發明的膜電極高技術產品大批量出口美國、德國、韓國等20多個國家和地區,實現了國產膜電極的規模應用和對國際壟斷的反向輸出,獲得2021年度年湖北科學技術發明獎一等獎。

生物質燃料領域,華中農業大學在上游生物能源植物的選育、農作物秸桿和樹木薪材中纖維素降解等領域研究處于國內領先水平。

3.2.3 CCUS/碳匯與負排放技術方向

我省重點推動碳捕集利用與封存(CCUS)技術的全生命周期能效提升、CCUS 與清潔能源融合的工程技術研發,華中科技大學實現了富氧燃燒碳捕集技術及工程示范,發展了富氧燃燒系統集成設計、運行控制和性能試驗的技術導則和標準,獲得了國際最佳的82.7%高濃度CO2富集,引領了富氧燃燒技術的發展,該成果被國際能源署和全球碳捕集封存研究院評述為“里程碑”進展。武漢大學完成我國首套溫室氣體(CO2/CH4)激光雷達設備,實現對溫室氣體全天候、高精度的三維監測。中國科學院武漢巖土力學研究所開發了CCUS風險矩陣評價方法、井下原位取樣監測和低滲儲層安全調控技術。

3.3 湖北省“雙碳”達標存在短板弱項

科技創新是湖北省同步實現碳達峰、碳中和以及加快推動經濟社會發展全面綠色轉型的關鍵。但湖北省科技創新要對“雙碳”達標形成更加強有力的支撐和引領,亟待補齊以下5個短板。

3.3.1 綠色低碳技術供給不足

近年來,湖北省部分重點行業如鋼鐵、有色、鑄造、水泥、石化等生產技術水平還不高,主要體現在數量多規模小、產品結構雷同、技術含量不高、裝備自動化水平低,具有一定的公共屬性的節能減碳關鍵核心技術仍處在瓶頸期,對標國際前沿的節能低碳技術積累不夠,嚴重制約全省重點行業綠色水平。如鑄造行業制砂模環節自動化水平較低、規模總體偏小;陶瓷行業未采用全自動配料系統或連續球磨機;石化行業工藝有機廢氣等未全部收集處理;汽車整車制造、工業涂裝行業原輔材料未采用低揮發性溶劑涂料,工藝廢氣未使用吸附濃縮+燃燒或燃燒等高效治理技術;平板玻璃等行業脫硝未采用低氮燃燒+SNCR(非選擇性催化還原法)或SCR(選擇性催化還原法)先進處理工藝等。

3.3.2 綠色低碳技術工業化應用不深

全省科教資源豐富、創新優勢突出,二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)、高耗能行業集成系統診斷、空氣源熱泵、煉焦荒煤氣顯熱回收利用等低碳技術取得突破性進展,但先進低碳技術研發體系尚未形成。高校、科研院所關注前沿科學發展和新技術的試驗,企業自身組織力量進行綠色清潔技術的研發缺乏內生動力,圍繞綠色低碳技術多方參與的系統性科技創新體系尚未形成。工業清潔技術替代體系尚未形成。目前對鋼鐵、化工、有色金屬冶煉等碳排放高的行業,需重點研發氧氣高爐、氫能冶煉和新型低碳工藝等技術,由于涉及新裝備研發、工藝安全和技術成熟等原因,上述技術短期替代難。CCUS技術體系尚不成熟。目前CCUS技術多處于實驗階段,成本較高,大規模工業化應用尚不成熟,以現有的技術水平在部署CCUS時將使一次能耗增加10%～20%,企業整體運行成本和能耗都會增加。

3.3.3 高碳排放行業綠色技術替代動力不強

湖北省六大高耗能行業的碳排放量占全省碳排放總量的69.04%,且逐年遞增,主要原因在于缺乏綠色技術替代的動力。高碳行業產業規模大,技術和裝備更新成本高,我省鋼鐵、煉油和化工行業產能位居全國前列,仍將繼續增加,這也使得大規模技術和裝備更新成本加大。能源、化工等高碳行業資源壟斷性特征明顯,科技創新程度低,結構調整慢。省內大型企業雖然設有相應研究院所進行技術創新,但新工藝研發緩慢,新技術工業化應用比例低,產業升級主要依靠擴大產能。部分中小型企業在理念、技術、裝備、管理上與先進企業差距較大,挖掘全行業節能減碳潛力仍有大量工作要做,高耗能行業重點領域企業名錄仍未建立,高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平仍未確定,高耗能行業重點領域企業技術改造實施方案仍未出臺,能效水平相對落后企業采用節能先進適用技術裝備實施改造升級的動力不足,綠色低碳技術替代迫在眉睫。

3.3.4 第三產業清潔技術創新支撐不夠

居民生活、交通運輸、倉儲和郵政、批發和零售、住宿和餐飲等第三產業領域二氧化碳排放呈增長態勢,與工業領域二氧化碳主要來源于固定消耗不同,第三產業二氧化碳排放主要為移動源消耗。湖北省汽車保有量長期處于中西部地區領跑地位,相應的碳排放穩定增長。替代汽油的動力電池技術、替代柴油的燃燒電池技術,以及AI、大數據等賦能的數字交通技術在實現綠色低碳轉型上仍無法提供有效支撐。

3.3.5 全鏈條綠色技術創新的體系化能力欠缺

以企業為主體、市場為導向,產學研深度融合、資源配置高效、成果轉化順暢的綠色技術創新體系尚未形成。高校、科研院所關注前沿科學發展和新技術的試驗,短期內難以形成規?；⑸虡I化應用;企業缺乏組織力量進行綠色清潔技術研發的內生動力;工業清潔技術替代體系尚未形成;鋼鐵、化工、有色金屬冶煉等碳排放高的行業所需的氧氣高爐、氫能冶煉和新型低碳工藝等技術短期內難以實現替代;CCUS技術體系尚不成熟。

4 對策與建議

鑒于上述分析,湖北省必須加強碳中和工作統籌,統籌規劃“技術鏈-創新鏈-應用鏈”系統。

4.1 統籌謀劃,全省“一盤棋”

從全國一盤棋的角度,研究制定湖北省碳中和發展路線圖,確定湖北省碳中和工作的重點任務。能源行業,加速推進能源結構轉型,提高能源利用效率;化工行業,推動低碳化技術提升,推進清潔化生產;鋼鐵行業,推進低碳高效生產,促進資源循環利用;汽車行業,推進節能技術研發,強化碳排放管理;建筑行業,推動低碳建材、結構及體系應用技術,推動城鄉建設綠色低碳發展應用[10];農業與生態系統領域,發展生態系統固碳增匯和綠色低碳農業。

4.2 加強攻關,突破關鍵技術

組織實施一批重點研發計劃,對于國內外空白、省內具有優勢的科技領域,采用擇優委托、賽馬制、揭榜掛帥等方式,簽訂“軍令狀”,建立適應顛覆式創新的研發組織模式,強化低碳、零碳、負碳關鍵核心技術攻關,做大做強。

4.3 強化支撐,打造戰略力量

構建梯隊化人才培養體系,在全國率先建成“雙碳”人才高地。優化布局國家實驗室、技術創新中心等重大創新平臺,支持湖北東湖科學城建設全球碳中和工程科技創新中心。

4.4 示范聯動,打造湖北“樣板”

強化科技創新引領作用,統籌考慮碳中和技術的成熟度、經濟可行性、技術風險與社會環境效益,有序推動技術在多領域、多層級、多方位的應用推廣。結合重點區域、城市及可持續發展實驗區、高新區等典型示范區的碳達峰、碳中和行動,探索碳達峰、碳中和試點范例和創新模式。

5 結語

“十四五”以來,湖北省在推進綠色低碳發展作出了巨大努力,從產業、能源、交通、環境、基礎設施、節能、創新等多個角度,全面統籌規劃部署氣候變化應對和節能減排工作,推進產業結構轉型發展、能源結構優化,促進低碳技術創新發展,積極建設碳排放權交易市場,取得了顯著成效[11]。在推動產業結構優化方面,碳中和目標實現要求深化供給側結構性改革,推進產業結構綠色化發展,加快構建低碳工業體系,加速湖北省淘汰高耗能和高碳產業[12];在推進能源結構調整方面,碳中和意味著湖北省要改變以煤炭為主的高碳能源結構和電力系統,轉向以清潔能源為主的低碳能源結構和構建以新能源為主體的新型電力系統,為湖北省“清潔低碳、安全高效”能源體系的建立提供良好契機;在綠色低碳技術研發推廣方面,碳中和目標對新型低碳/零碳/負碳技術、裝備和產品提出更加迫切的需求,為相關領域基礎研究、技術研發、工程應用提供了方向指引,為綠色低碳技術體系的建立和發展提供動力?；诖?在國家“雙碳”戰略背景下,湖北要搶抓機遇,打好“五個一”(一張路線圖、一批新技術、一批“新物種”企業、一本評估賬、一套平臺體系)組合拳,筑牢“雙碳”科技創新支撐體系,將湖北打造成引領中部地區綠色崛起的科技創新支點和全國“雙碳”目標的推動者、示范者、引領者。