碳中和新兴技术发展的目标驱动框架

《Carbon Neutrality》：A goal-driven framework for carbon neutrality technology development

　　

为实现21世纪中叶的碳中和目标，需要加速碳中和技术（CNT）的创新与部署，而现有的大多数技术和低碳系统尚难以满足要求。因此，一份全面的CNT发展路线图对于政策设计至关重要。该路线图必须平衡短期与长期优先事项，整合跨部门创新，并考虑CNT之间的相互关系。为此，研究人员在审查当前进展与碳中和要求之间差距的基础上，提出了一种目标驱动的技术发展路线图框架。该框架通过有效连接自上而下的碳中和长期目标与自下而上的中短期技术发展，提供了一种整体性方法。以中国CNT发展路线图为案例进行了研究，以说明该框架的实际应用，并展示其如何在不同情境下进行定制和实施。

1 引言
本文首先阐述了实现碳中和目标的紧迫性。巴黎协定设定了2/1.5°C气候目标，全球温室气体（GHG）排放需在本世纪中叶达到净零。技术是脱碳的关键，但当前约35%的必要技术尚未市场化。由于技术从创新到广泛应用通常需要20至70年，而距目标期限不足40年，加速技术开发周期势在必行。然而，现有技术路线图在应对风险、不确定性和动态条件方面存在不足，且缺乏跨部门连接。为此，本文提出一种目标驱动的碳中和技术（CNT）发展框架，以支持更具韧性的路线图设计。

2 碳中和技术发展框架的需求
2.1 脱碳需求与CNT的差距
2019年全球GHG排放达到51.3 GtCO₂-eq，能源部门为主要贡献者，工业部门次之，约70%来自CO₂，其余为非CO₂温室气体，约三分之一来自难减排（HTA）行业。当前排放持续上升，需逆转趋势，CO₂排放应尽早达峰并在2070年前实现碳中和，非CO₂排放需大幅削减。电力系统需向可再生能源主导转型，需求侧电气化率提升，氢能等零碳燃料使用增加，碳捕获与封存（CCS）和直接空气捕获（DAC）等负排放技术同样关键。现有技术不足以满足这些战略需求，因此亟需目标导向的框架和路线图。

2.2 现有路线图与新框架需求
多数现有路线图聚焦于特定减排目标，如全球气候目标或国家自主贡献（NDC），并覆盖能源、工业、交通、建筑等部门，采用模型模拟、专家调查和文献综述等方法。然而，这些路线图与气候目标的一致性不足，需求侧技术、二氧化碳移除（CDR）和非CO₂减排策略常被忽视，且缺乏对技术间关系的系统建模。未来框架应与碳中和目标完全对齐，覆盖所有部门和场景的技术需求，并明确CNT之间的系统性和动态关系。

3 目标驱动CNT发展框架
3.1 框架的原则
目标驱动CNT发展遵循三个原则：前瞻性（Prospective）要求平衡短期和长期脱碳创新，既依靠渐进改进，也部署长期颠覆性技术；综合性（Comprehensive）强调全社会创新，供给侧与需求侧协同，避免过度依赖单一技术；系统性（Systematic）强调跨部门协调与集成，如能源系统需同步发展储能、电网和需求管理。

3.2 “5+1”技术框架
该框架采用自上而下的层级结构，包含五个直接减排部分和一个间接赋能部分。直接部分涵盖完整脱碳链：零碳能源-电力（ZEE-E）和零碳能源-燃料（ZEE-F）提供零碳能量载体和原料；零碳过程（ZEP）重构终端用能部门；非CO₂减排（Non-CO₂-R）针对非CO₂排放；二氧化碳捕集利用与封存及碳移除（CCR）处理难减排残余排放。间接部分为整合与优化（I&O），负责跨部门协同与治理创新。

3.2.1 沿ZEE-E供应链增强突破
ZEE-E可直接减少全球约25%至30%的GHG排放，并通过电气化促进其他部门减排。其技术创新涵盖可再生和核能发电、储能及电力分配。虽然可再生发电已较成熟，但规模化储能和灵活配电仍存在技术缺口，需在2028至2030年前取得突破，以支撑净零电力系统。

3.2.2 多样化ZEE-F替代方案
ZEE-F包括氢/氨能源、生物质/合成气以及低品位热利用。氢能的生产、储运和利用技术呈现不同成熟度，氨合成催化等前沿领域有显著改进空间。生物质燃料和合成电子燃料有望替代化石燃料，但多数仍处示范阶段。低品位热利用有助于提升能源效率，相关技术多在试点中。

3.2.3 重建零碳过程
工业部门占全球CO₂排放约23%，传统高耗能行业依赖化石燃料和高温工艺，仅提升效率不足以实现脱碳。ZEP通过燃料替代、材料替代和过程重构来减少直接排放。当前氢基冶金、电窑等处于示范阶段，非碳酸盐材料与碳矿化等前沿方向亦逐步发展，但整体面临技术成熟度不足、成本高和供应链不完整等挑战。

3.2.4 推进Non-CO₂减排
非CO₂温室气体涉及食物系统、制冷和废物管理等领域。甲烷减排包括垃圾填埋气捕获、厌氧消化等技术；氧化亚氮减排涉及氮肥管理、催化分解等；含氟气体减排则包括SF₆回收、低GWP制冷剂替代等。当前技术成熟度不足，且缺乏规模化应用。

3.2.5 加速碳移除
CCR包括CO₂捕集、利用与