碳中和目标下能源结构优化的近期策略与远期展望

黄晟，王静宇，郭沛，李振宇

（1 燕山大学公共管理学院，河北 秦皇岛 066004；2 多弗国际控股集团有限公司，北京 100124）

2020年9月至今，中国领导人在第七十五届联合国大会、联合国生物多样性峰会、世界经济论坛“达沃斯议程”对话会和《生物多样性公约》第十五次缔约方大会领导人峰会等重大国际会议上提出或强调“中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。该目标的提出既为我国推进能源领域绿色低碳转型指明了方向，也彰显了我国积极应对气候挑战的大国担当。2021 年5 月，国际能源署公布了其年度重磅报告《全球能源行业2050 净零排放路线图》，此报告指出能源领域产生了全世界约3/4的温室气体，推动能源领域绿色低碳转型是应对气候危机的关键。近期以来，我国煤炭过快削减引发部分地区电力供应不足；与此同时，俄罗斯乌克兰冲突导致油气价格高速上涨，清洁能源所需的矿物资源价格飙升，欧洲部分国家试图重启燃煤电厂缓解能源危机，这都在一定程度上迫使世界各主要经济体重新审视碳中和目标下的能源科技战略。因此，亟须从碳中和目标实现、能源安全和结构优化多方面审视碳中和的进程与框架，立足我国以煤为主的基本国情，坚持科学部署，先立后破，循序渐进，构建清洁低碳、多元共生、安全高效的现代能源体系。

1 全球代表性经济体的CO2排放和能源发展情况

1.1 全球代表性经济体的CO2排放情况

1.1.1 全球代表性经济体CO2排放现状

1965年以来，全球二氧化碳排放量逐年增高，仅有2020 年由于新冠肺炎疫情流行导致的能源需求降低，致使2020 年全球二氧化碳排放减少了5.94%（图1）。美国、中国和欧盟三者的累计二氧化碳排放量之和极为突出，约占全球二氧化碳排放总量的55%（图2）。美国累计二氧化碳排放量最高，约为2.8×1011t，占全球累计二氧化碳排放量的21.8%；中国位列第二，累计二氧化碳排放量达2.3×1011t，占全球的18.1%[1]。

图1 1965—2020年全球碳排放量变化[1]

图2 1965—2020年累计碳排放量超过2×1010t的国家/地区[1]

如图3所示，对2010—2020年全球代表性经济体的CO2排放情况进行横向比较可以发现，欧盟、美国的二氧化碳排放整体呈现下降趋势，2019—2020年，由于新冠疫情影响，碳排放量急剧下降；中国的二氧化碳排放量则整体呈现上升趋势，从2010年的85.1亿吨上升至2020年的102.4亿吨，提高了20%[1]。2020年，中国二氧化碳排放量居世界首位，约占全球的32%。中国碳排放总量大，碳排放强度较为突出，实现碳中和的道路任重道远。

1.1.2 全球及中国分行业碳排放特征

从排放源来看，能源活动是二氧化碳排放增加的主要来源。据国际能源署提供的最新数据显示，2020 年全球煤炭消费所排放的二氧化碳占全球碳排放总量的42%，石油及天然气消费所排放的二氧化碳分别占全球碳排放总量的30%与21%。分行业看，电力行业是最大的碳排放行业，占全球碳排放总量的40%，其次是交通、工业和建筑等行业，分别占全球碳排放总量的26%、21%和9%[2]。

对于中国而言，截至目前，煤炭资源的消费利用仍是最主要的碳排放来源。如图4所示，2019年煤炭资源利用产生的二氧化碳排放量占总排放量的69%，远高于世界平均水平；石油和天然气消费产生的二氧化碳排放量分别约占碳排放总量的20%和4%[3]。由此可见，在保证能源安全的前提下，运用科学创新技术降低煤炭消费过程中的碳排放强度是如期实现“双碳”目标的必然选择。

图4 2010—2019年中国不同来源二氧化碳排放情况[3]

依据中国碳核算数据库公布的不同行业碳排放数据可以得出，电力及供热相关行业是中国二氧化碳排放的主要贡献者，2019年其碳排放量高达4.6×109t，约占全国碳排放总量的47.39%[3]。总体上看，中国二氧化碳排放量超过1×108t的有九大领域（表1），这九大领域的碳排放之和占全国碳排放总量的95%，推动这些产业的技术升级与配置优化，实施节能降碳行动是中国实现碳中和目标的重要方式。

表1 2019年中国二氧化碳排放超过1亿吨的行业

1.2 全球代表性经济体的能源发展情况

1.2.1 全球代表性经济体的能源消费结构

2020 年全球代表性经济体一次能源消费结构的对比详见表2[1]。通过对全球代表性经济体的能源消费情况进行横向比较可以发现，中国的能源消费结构与世界平均水平及欧美等发达国家相比存在一定的差异。2020 年，全球一次能源消费总量为557.10×1018J，其中：石油消费总量为174.20×1018J，消费量占比为31.27%；天然气消费总量为137.62×1018J，占比24.70%；煤炭消费量为151.42×1018J，占比37.18%；核能、水电和其他再生能源消费总量为93.86×1018J，占比16.8%。全球基本形成了以石油、天然气消费为主、煤炭作为补充能源、新能源高速发展的“四分天下”的格局，能源去碳化趋势持续加强[4]。在美国、欧盟等国家和地区，石油及天然气在各国能源消费结构中的占比高于60%，煤炭消费占比不足15%，能源消费更为清洁低碳。在中国，燃烧排放污染最为严重的煤炭在一次能源消费中占比高达55.58%，远远超过世界平均水平；较为清洁的天然气在一次能源消费中占比仅为6.58%。中国亟须依据本国的能源禀赋特征和能源的本质属性，探索煤炭资源清洁高效利用的合理方式。

表2 2020 年全球代表性经济体一次能源消费结构对比

从2020 年全球代表性经济体的发电类型来看（表3），天然气是美国发电的主要燃料，占比约为40%；欧盟最大的发电来源是可再生能源，2020年发电量1052.4×109kWh，占比高达37.98%；而在中国，煤炭发电占总发电量的62.59%，远高于其他地区[1]。出于我国经济社会发展和能源安全的考虑，煤电仍是当前极具经济性和安全性的电力供应方式，推进煤炭清洁发电传输是确保我国电力系统稳定的重要途径。

表3 2020 年全球代表性经济体发电类型对比

1.2.2 中国的能源生产及消费特征

中国能源消费总量位居世界第一，富煤、贫油、少气的资源禀赋决定了长期以来“一煤独大”的能源消费结构。如图5所示，中国能源消费总量整体上呈现上升趋势[5]。从能源消费品种来看，中国的能源消费结构逐步完善，煤炭在能源消费中的占比稳步下降，从2010 年的69.2%下降至2020 年的56.8%；天然气、一次电力及其他能源消费的占比则稳步提高，天然气消费由“十二五”初期的4.0%上升至2020年的8.4%；一次电力及其他能源消费从“十二五”初期的9.4%上升为2020 年的15.9%，提高了6.5 个百分点。尽管煤炭仍然处于消费的主体地位，但是能源消费结构得到了一定程度的优化，清洁能源消费所占比重逐步提升。

图5 2010—2020年中国能源消费情况[5]

中国的能源生产情况如图6所示，中国煤炭种类齐全，煤炭资源相对丰富。自国家“十二五”规划以来，煤炭在能源生产结构中的占比稳步下降，从2010 年的76.2%下降至2020年的67.6%；天然气和一次电力及其他能源生产占比则稳步提高，分别从2010 年的4.1%和10.4%上升为6.0%和19.6%。2020 年，中国能源生产总量约4.1×109t 标煤，比2019年提高了2.69%。其中，煤炭生产占比67.6%，折合成标煤约为2.8×109t，较2019年上升1.34%；石油生产约2.8×108t标煤，占比6.8%；天然气生产占比6.0%，折合成标煤约2.4×108t，比2019 年提高10%；一次电力与其他能源生产约8×108t标煤，比2019年提高5.9%[5]。整体而言，我国能源生产结构正在加速向清洁化、多元化发展，能源供给低碳化成效显著。

图6 2010—2020年中国能源生产情况[5]

由图7 可知，中国基本形成了以火力发电为主，水电、风电等可再生能源发电为辅的电力生产机制。2019年，中国电力生产总量为75034.3亿千瓦时，其中，火电生产电力量52201.5 亿千瓦时，占比69.6%，同比上升2.4 个百分点；核电生产电力量3483.5 亿千瓦时，占比4.6%，同比上升约18.3%；水电生产电力量13044.4 亿千瓦时，占比17.4%，同比上升约5.9%；风电生产电力量4060.3亿千瓦时，占比5.4%，同比上升约10.9%。整体而言，中国可再生能源发电在总发电量中的占比逐步提高，但涨幅较为缓慢。考虑到我国的能源安全问题，盲目“去煤”并非现阶段我国经济社会发展的明智抉择；中国目前已经建设了较大规模的风力发电设施，预计短期内仍能适当增加；核能作为一种低碳高密度的能源，在安全可控的核电技术具有极大突破的前提下，可以酌情增大核电利用程度。

图7 2010—2019年中国电力生产结构[6]

2 全球代表性经济体的能源科技发展态势

2.1 美国的能源科技发展态势

在全球约130多个国家承诺或讨论碳中和目标的背景下，各国能源结构也更趋向于清洁化、低碳化和多元化。美国是全球领先的石油和天然气生产国，得益于“页岩革命”、能源独立战略和水力压裂技术的突破，2009 年，美国超越俄罗斯成为全球最大的天然气生产国；2018 年，其超越沙特阿拉伯成为全球最大的石油生产国。此后，美国对化石能源出口表现出极大的兴趣，2019 年其在时隔67 年后第一次成为能源净出口国，2020 年美国的天然气和原油出口均创新高，分别达到144.3 亿立方英尺/天和3.18 百万桶/天[7]。俄乌冲突发生后，美国借机抢占俄罗斯在欧洲的能源市场份额，扩大本国的石油天然气出口市场。

长期以来，美国能源领域的政策措施受政治体制的影响而不断摇摆，具有一定程度的不确定性。回顾历史，美国共和党和民主党在气候问题上采取了截然相反的措施。共和党对清洁能源和可再生能源持排斥态度，倾向大力发展传统化石能源；民主党则极力推行清洁能源发展计划，重视保护环境和应对气候变化。特朗普时期，美国政府实施了一系列“去气候化”的政策措施，国际上于2017年6月宣布退出《巴黎协定》，国内则签署《美国优先能源计划》，鼓励化石能源消费，宣称要带美国重回化石时代；拜登上台后则彻底扭转了前任总统的气候能源政策，颁布行政法令限制化石燃料的发展，大力投资部署清洁能源技术项目，努力推进变革型清洁能源技术的创新和应用。氢能[8]、先进核能技术[9]、生物燃料技术与太阳能技术[10]、碳捕集与封存技术[11]等是美国长期支持的绿色清洁能源技术。2022年8月，美国通过了该国史上最大规模气候投资法案，旨在为美国气候和清洁能源计划助力。但是政党更迭后能源政策的过快调整，导致能源价格大幅上涨，再加上极端天气影响也带来了诸多能源安全风险，比如2020年的8月美国加利福尼亚州的滚动断电彰显了美国高比例新能源发电过快接入给电网安全稳定运行造成的威胁。

2.2 欧盟的能源科技发展态势

欧盟是碳中和领域的先行者。长期以来，欧盟通过聚焦碳中和目标、颁布相关法律、出台战略方案等多种形式搭建了自上而下的能源政策体系，气候能源领域的措施相对完善，具有极强的连续性和系统性。《欧洲绿色协议》[12]《欧洲气候法》[13]和“减碳55”一揽子计划[14]是欧盟能源气候政策的顶层框架。能源体系清洁转型是欧盟能源政策的重心，强调能源系统一体化[15]、建立跨欧洲的能源网络以及最大限度利用氢能、海上可再生能源和电力等。2020年，欧盟委员会发布了《欧盟氢能战略》并成立欧洲清洁氢能联盟，支持大规模部署清洁氢能技术；发布《利用海上可再生能源潜力实现气候中和未来的欧盟战略》，提倡扩大欧盟在海上可再生能源的部署，使海上可再生能源成为欧盟清洁能源转型的潜在基石[16-17]。欧盟时间2022 年6 月22日，欧洲议会通过了三项与气候变化相关的欧盟法律草案，分别涉及改革碳排放交易系统、修正碳边界调整机制相关规则（CBAM）及设立社会气候基金。其中，CBAM的主要目的是用其来替代现有的碳泄露保护措施，然后通过对欧洲内部的工业逐步削减免费碳配额来激励减排。所谓碳泄露，是指如果一个国家采取更严格的CO2减排方案，该国国内一些高耗能产品的生产可能会转移到其他碳减排措施相对宽松的国家，从而引起全球排放量的增长，同时也影响了该国工业的竞争力。CBAM 的实施，将取代欧盟碳市场对面临碳泄露风险的工业行业的现行优惠和补贴措施。

然而，长期以来欧盟成员国较为忽视能源安全问题。欧洲约46%煤炭、40%天然气和27%石油出自俄罗斯，对俄罗斯的能源进口保持高度依赖。俄乌冲突发生后，欧洲与俄罗斯的能源关系十分紧张，欧盟的能源结构受到极大冲击，欧盟的能源政策也在一定程度上从“气候安全”转向“能源安全”。2022 年3 月8 日，欧盟委员会提出一项名为REPower EU 的方案，强调从“开源节流”两方面增强欧盟能源系统的韧性，计划在2030 年前逐步摆脱对俄罗斯化石燃料的依赖[18]。除此之外，作为最迫切和有效的方式，欧洲的一些国家（如德国）宣布考虑重新启动一部分燃煤火电厂，推迟燃煤电厂的退役计划。

2.3 中国的能源科技发展态势

中国作为目前世界上最大的能源消费国及二氧化碳排放国，正在通过政策引领和技术创新推动能源行业低碳转型。碳中和目标下中国能源领域的科技政策具有以下特点：一是逐步完善顶层设计和出台引领性文件，搭建实现“双碳”目标的“1+N”政策体系；二是以建设新型电力系统为目标，开发应用新型储能技术；三是以智能化技术为支撑，鼓励能源行业融合发展；四是着眼创新前沿，加快氢能、核能等清洁能源技术的研发。

中国在清洁能源技术部署、推进能源行业数字化转型等方面取得了卓越成就，但由于我国能源禀赋和社会经济发展条件的制约，能源结构转型优化也面临诸多挑战。首先，煤炭利用的不合理造成了环境污染。一方面，煤炭在我国能源利用的比重有所下降，但散煤燃烧比例仍然偏高。据统计，散煤燃烧的污染排放量是火电的5倍以上，相较于集中燃烧，散煤由于燃烧不完全等原因，会产生更多的硫氧化物、氮氧化物及烟尘，污染排放强度更高。另一方面，西北部地区煤化工布局发展过快，能源资源粗放开发、水资源短缺、煤炭转化无序竞争、生态环境脆弱等问题依然严峻。其次，煤电过快削减威胁电力安全。近期一些地方能耗“双控”用力过猛，大幅削减煤炭造成电力供应不足，过快采取碳中和措施引发了一定程度的不良后果，给我国的电力安全带来了一定的隐患。最后，过高的油气对外依存度威胁交通燃料及工业原料安全。目前，我国石油对外依存度已超过70%，天然气对外依存度已超过40%，过高的能源对外依存度使我国极易受到国际油气价格波动和供应中断的影响，给我国的交通用油和化工原料安全带来了严峻的挑战。尽管我国能源领域绿色低碳转型是大势所趋，但必须把握好降碳节奏，处理好减污降碳、能源结构优化与能源安全的关系，稳健有序推进碳达峰、碳中和。

2.4 国外经验与中国实践的比较与启示

通过对世界代表性经济体能源科技领域的战略部署进行横向比较可以发现，美国、欧盟等全球代表性经济体正通过不断完善政策体系、加大对清洁能源技术的投资、鼓励能源行业融合发展、多元开展国际合作等应对气候变化及实现能源领域的低碳发展。加快电力结构优化和推动能源系统清洁转型是各国能源科技政策的核心目标，而为此部署清洁能源技术，推进能源系统数字化、智能化发展逐渐成为各国共识。其中，氢能、太阳能等已成为典型发达国家和地区能源转型的重要战略选择，建设完善碳排放权交易市场和研发推广碳捕集、利用与封存技术是各国实现碳中和目标的重点路径。但是各地区由于不同的能源国情和发展实际，也面临不同的困境。美国的能源政策取向受政治驱动的影响而不断摇摆；欧盟虽然是碳中和领域的先行者，却在发展中忽视了能源安全问题。

2022年2月以来，随着俄乌局势复杂演变，美欧等西方国家与俄罗斯在能源、经济、科技等多个领域相互制裁，全球的能源贸易格局发生重大改变，国际石油价格高位波动加剧，我国亟须提高警惕，全面审视本国能源供应的稳定性与安全性。中国实现“双碳”目标时间紧、任务重，因此要在充分了解本国能源资源禀赋和碳排放特征的前提下，借鉴国际先进经验，统筹考虑能源安全、减污降碳与结构优化三大目标，通过政策完善、技术创新推动能源结构优化，积极借助绿色金融手段等保证能源政策实施的连贯性与有效性；探索化石能源高效清洁利用的合理方式，稳步发展清洁能源，优化用能结构，倡导清洁低碳和可再生能源消费；构建以碳捕集、利用与封存技术创新为核心的碳循环体系，以氢能技术创新为基础的氢能社会体系；大力应用云计算、人工智能、区块链等先进技术，打造以能源互联网技术创新为突破的智慧能源系统；深化国际能源合作，确保能源进口的多元化。

3 能源本质属性及中国能源结构优化的近期策略

3.1 能源分类及其本质属性

依据能源的基本形态进行分类，能源可分为一次能源及二次能源（图8）。一次能源转换为二次能源时，常常会有转换损失，但二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，也更清洁和便于利用[19]。二氧化碳的排放与能源资源的种类、利用方式息息相关，深入分析能源的本质属性，合理配置能源资源的使用方式，提升能源效率并且降低碳排放是值得能源行业深思的重要命题。从常见的一次能源进行分析，煤炭是我国的主体保障能源和重要的工业原料，煤炭的组成基本为碳、无机物灰分和少量稠环芳烃，含氢很低，其氢/碳原子比为0.2～1.0；石油是一种天然的可燃液体烃类混合物，其组成中氢多碳少，氢/碳原子比为1.6～2.0 或更高；天然气被称为最清洁的化石能源，氢/碳原子比为4；水能、风能、核能、太阳能等几乎不含碳，其利用过程中没有物质的消耗，没有多余的能量释放，没有化学反应过程和化合物产生。煤炭由于其组成中碳多氢少，利用过程中会排放大量的CO2，而石油和天然气组成中由于氢多碳少，其转化（或直接使用）过程中排放的CO2大大降低[20]。依据IPCC 国家温室气体清单指南，煤炭、石油及天然气作为固定源时CO2排放系数分别是94600kg/TJ、77400kg/TJ 及56100kg/TJ，产生相同热值时，煤炭燃烧的二氧化碳排放量约是石油的1.2 倍，是天然气的1.7倍[21]。

图8 能源分类

如表4所示，对三大化石能源的碳排放情况和能量转化效率进行比较可以发现。第一，煤炭用作发电的能量转化效率最高。燃煤发电的最终能量转化效率为30%～35%，明显高于煤制天然气的最终能量转化效率（约27%）和煤间接液化制油的最终能量转化效率（约17%）。第二，石油用于生产化学品的能耗和CO2排放情况明显优于煤炭用于生产化工产品。石脑油制烯烃的能耗为550kg 标油/t，约合0.79t标煤/t，而煤制烯烃的能耗为5.7t标煤/t，石脑油制烯烃的能耗远远小于煤制烯烃，并且石脑油制烯烃生产过程中单位产品CO2排放量为1～2t，是煤制烯烃的10%～20%。第三，天然气适合用作民用、商用和工业燃料。利用开采天然气作民用燃料的最终能量转化效率达50%～55%，远远高于煤制气的最终能量转化效率（约27%）[20]。

表4 三大化石能源的能量转换效率、碳排放情况及耗水量对比

综上所述，从我国资源禀赋、能源的本质属性和大气环境治理的要求看，我国应采取积极的能源配置方式。煤炭是电力的主要来源，要加强高效清洁利用，转化成二次能源，部分用作工业原料，努力将以煤炭为主的一次能源消费转向以电力为主的二次能源消费，重点发挥保障国家能源安全的“储备”与“兜底”作用；石油短期内仍然是交通领域不可或缺的资源，重点发挥其作为交通能源特别是航空喷气燃料主力军作用，确保海陆空交通运输需求，同时更加突出其“原料”属性，用于生产和制造石油与化工产品，发挥保障国家能源安全的“急需”与“基石”作用；天然气作为最清洁低碳的化石能源，中长期内将会保持快速增长，发挥保障国家能源低碳转型的“桥梁”与“纽带”作用；清洁能源将保持积极有序开发，以绿电和绿氢为载体推动我国能源消费转型升级[22]。

3.2 碳中和目标下中国能源结构优化的近期策略

3.2.1 煤炭清洁低碳利用

煤炭是我国的主体能源，在综合考虑我国的能源禀赋、能源本质属性和经济社会发展等因素的前提下，坚持走煤炭低碳清洁利用的道路，是当前中国高质量发展的必然选择。在“双碳”战略下，实现煤炭的清洁低碳利用要从推进煤炭清洁发电传输和适度有序发展煤化工两方面发力。

优化电厂布局，推进煤炭清洁发电传输是煤炭清洁低碳利用的关键。煤电是当前极具经济性和安全性的电力供应方式，通过采用先进的清洁高效热电联产技术、超超临界发电技术、先进整体煤气化燃气蒸汽联合循环技术（IGCC）、特殊煤种超超临界循环流化床和特高压输电技术等，可以将不清洁的煤炭通过更加清洁的燃烧方式转化成清洁的电能，提高煤炭资源的清洁利用效率。目前，超超临界高效发电技术和示范工程已经在全国推广，占煤电总装机容量的26%。我国采用的超超临界机组发电设备，煤耗最低可达到264g/kWh，即1kg的煤可以制造3.79 度电，技术处于全球领先水平。IGCC被认为是极具发展前景的洁净煤发电技术，当前技术水平下发电的净效率可达43%～45%，污染物的排放量仅为常规燃煤电站的10%。此外，煤炭与可再生能源具有极佳的互补性，清洁煤电可与可再生能源发电协调有序发展。可再生能源发电由于其自身的特性及当前技术经济因素的制约，具有一定程度的波动性、随机性及不稳定性。清洁燃煤发电与可再生能源发电耦合，不仅可以充分利用燃煤发电的稳定性、经济性，为可再生能源平抑波动提供基石；还能发挥可再生能源的碳综合能力，减轻单纯燃煤发电的碳减排压力[23]。

适度科学有序发展煤化工是煤炭清洁低碳利用的核心。第一，合理谋划煤化工产业布局，做好煤化工的战略储备。煤制天然气等煤炭加工转换工艺的耗水量和CO2排放量较为突出，现有煤化工产业要量水而行，在水资源有保障的区域适度发展煤制烯烃等高附加值产品。煤制油作为战略储备，要做好煤直接液化和间接液化的技术完善。与此同时，我国可以结合“一带一路”倡议，积极开拓国际市场，在中亚、非洲等地投资建设相应的石油与化学工业基地，利用当地廉价的天然气资源大力发展天然气制甲醇，而后将甲醇运回国内，在沿海发展甲醇制烯烃等化工产品生产，对石油化工形成补充。目前单系列天然气制甲醇规模能达到5000 吨/天，技术非常成熟[24]。第二，发挥煤化工特色优势，生产绿色化、高附加值含氧化合物。通过羰基合成含氧化合物是煤化工绿色发展的方向，也是其相比石油化工的独特优势。煤化工的第一步造气过程就是生产含氧的合成气（H2＋CO），而石油化工中间过程需要排除氧的参与，因此通过煤化工生产含氧化合物流程更短、成本更低，这种优势在乙二醇和绿色可降解塑料聚乙醇酸（PGA）的生产上表现得尤为突出。煤制乙二醇技术符合我国缺油、少气、相对富煤的资源禀赋，据统计，截至2021 年我国乙二醇产能为2145万吨，同比增长32.8%。煤经合成气制PGA 的工艺流程见图9[25]，中国石油化工股份有限公司等已掌握了煤制聚乙醇酸的关键技术，并积极建设系列生产线。第三，探索基于合成气高选择性生产高附加值化学品。基于合成气高选择性地生产高附加值化学品（如芳烃）也是我国煤化工现阶段最为经济可行的技术方案。2022 年6 月5 日，清华大学与久泰集团联合打造的全世界首套万吨级二氧化碳制芳烃工业试验项目在鄂尔多斯市准格尔经济开发区举行开工仪式，该项目以二氧化碳和氢气为原料，以流化合成气一步法制芳烃（FSTA）技术为支撑，生产均四甲苯等精细化工原料（图10）[26]，这不仅有助于我国新型煤化工的清洁发展和二氧化碳的资源化利用，还可以在一定程度上改变我国长期依赖进口芳烃的现状。

图10 合成气一步法制芳烃的多级流化床反应系统结构示意图

3.2.2 石油高效资源化应用

石油兼具燃料和原料两种资源属性。“双碳”目标下，石油的高效资源化应用亟须做到以下三点。第一，进一步优化炼油产品结构。随着各类新能源车的快速发展，可以预期我国车用汽油的需求将逐步被替代。石油与化工行业要立足于自身的资源特色，增强适应各种原油的能力，多产石脑油、芳烃等化工原料，多产航空燃料即煤油，优化柴汽比，多产高标号清洁汽油，多产高等级沥青、高档润滑油等特色炼油产品，充分保证石油用作化工原料和交通燃料，特别是航空燃料的刚性需求。第二，着力发展大规模、低成本、差异化、高端化生产化工产品的技术和能力。相较于煤炭和天然气，石油在结构上具有先天优势，优质的碳氢比例，合适的碳链长度，充足的苯环结构，成熟的加工工艺及丰富的产品类型，使得石油更加适合成为化工原料。此外，由表5 可知，我国聚乙烯、聚苯乙烯、合成橡胶等石油与化工产品尚处于供小于求的状态。因此，要进一步提升石油的原料利用属性，大力推进石油资源的高效资源化应用，着力解决我国大宗化工产品的需求，生产差异化、高端化、高附加值化的化工产品，提高我国基础化工原料的自给率[27]。在这方面，“热裂解法制化学品”（TC2C）等技术带来了传统乙烯行业的新突破，该技术工艺流程如图11 所示[28]，这使得乙烯裂解工艺流程更短，能耗更低，值得业界重视。第三，石油化工基地集约化、一体化发展。深度的炼油化工一体化融合是未来石油消费发展的重要趋势，以加氢裂化技术为核心的炼化一体化改革有望在“十四五”时期助力石油与化工行业转型升级，开拓原料范围并提高产品质量。中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院（FRIPP）研发的FMN系列最大量生产催化重整原料加氢裂化技术可以最大程度地解决炼化企业对于优质催化重整原料的需求，依据工艺流程特征该技术可细分为FMN1（单段串联全循环）工艺（图12）和FMN2（两段全循环）工艺（图13）[29]。值得一提的是，原油最大化制化学品是当前发展很快的炼化技术路线之一，该路线基于典型的炼化技术，对传统炼油工艺技术进行优化创新，通过增加额外的工艺装置等使基本石化原料收率大幅提高到40%～50%。该领域的典型项目如浙江石化目前是我国基于原油最大化制化学品技术建设的国内技术含量最高、规模最大的一体化炼化项目，项目秉持分子炼油理念，充分发挥原料多元化和产品丰富化的特点，通过增加加氢装置实现多产化学品，少产油品，以求实现最大限度的物尽其用。项目完全建成后原油加工能力为4000 万吨/年，主要产品为800 万吨/年对二甲苯、200 万吨/年纯苯、280万吨/年乙烯、60万吨/年丙烷脱氢等[30]。

图11 沙特阿美热原油制化学品项目（TC2C）流程示意图

图12 FMN1(单段串联全循环)技术工艺流程

图13 FMN2(两段全循环)技术工艺流程

表5 2020年中国代表性化工产品供需状况

3.2.3 天然气多元化供给

天然气作为清洁、低碳和灵活的化石能源，中长期内倾向于发挥其燃料属性，主要作为民用及新能源汽车燃料等，重点发挥其作为清洁化石能源的优势，保民生、保环境。为了保证天然气资源的有效供给，中国必须坚持“立足国内、海陆并举、多元引进”的原则，搭建国内基础坚实、海外多元合作的能源供给体系。国内资源方面，要依据我国非常规天然气资源地质储备丰富的条件，加大煤层气、页岩气等的开发利用，提高非常规天然气的开采利用量；海外供给方面，要依据国内外能源发展形势，灵活多元开展国际能源合作。随着油气理论和技术的不断创新，未来全球天然气资源供给相对宽松，多元化的液化天然气（LNG）供给市场将有利于填补中国的天然气需求缺口[32]。中国要以西亚、中东油气合作为重点，同时积极开展与非洲、俄罗斯、拉美、澳大利亚和北美的能源合作。一方面积极参与供给端天然气项目建设，探索创新引进管道气的新路径，拓宽管道气传输的渠道方式；另一方面适当提升LNG 和储气库的战略地位，稳步建设LNG 接收站及储气库相关基础设施，保障进口LNG供应。

3.2.4 稳健发展清洁能源

风能、太阳能、氢能、生物质能、核能及水能等是清洁能源发展的主力军，建立低碳多元的能源供给体系，推动能源结构绿色低碳转型是实现碳中和的关键。其中，风能、太阳能、氢能技术的创新是未来构建现代能源体系的重要方向，生物质能、核能和水能的稳健有序应用是构建现代能源体系的有力支撑。

风光发电是我国公认的未来可再生能源发电的重要方式。我国风机、光伏电池产量和装机规模位居世界第一，风电、光伏技术整体上处于国际先进水平。深远海域海上风电开发及超大型海上风机技术等的创新应用是未来风能、太阳能研发的重点。氢能是全球代表性经济体推动能源转型升级的重要选择，我国积极推动氢能产业发展，已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺，在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用，未来会持续加强基础研究、关键技术和颠覆性技术的创新，加快推进质子交换膜燃料电池技术的攻坚，打造制氢、储氢、输氢、用氢全链条的氢能利用体系。目前，国内外已经开始将氨作为氢的储运介质进行研究，以氨储氢、供氢、代氢是氢能发展的趋势之一。

生物质能具有零碳、绿色、可再生的特点，并且兼具燃料和原料双重属性，是未来代替化石燃料和化工原料的重要载体。中国是著名的农业、林业大国，生物质能源极其丰富，生物质发电、生物质制氢和生物质热电联产等有广阔的发展前景，高效利用生物质等绿色资源生产化学品和液体燃料，有可能会成为化工原料多元化发展的重要突破口[33]。新一代核能技术具有更高效、更安全、更经济的特征，与之相关的技术研发及其多样化应用是全球核能科技创新的重要方向。中国已经形成了较完备的大型压水堆核电装备产业体系，海洋核动力平台、模块化小型堆等先进核反应堆技术的攻关和示范是近期的重点任务。水电是绿色清洁、灵活可靠、极具规模的可再生清洁能源，大力发展抽水蓄能、水风光一体化等对于调节电网、大规模能源消纳有重要的促进作用。

3.2.5 聚焦重点用能领域节能降碳

聚焦钢铁、化工、建筑、交通等高耗能、高碳排放行业，实施节能降碳行动是我国提高能源利用效率，稳步实现碳中和的重要路径。要持续深化重点用能行业能效提升、清洁生产和进行绿色低碳改造，推动产业体系向高端化、低碳化发展，为此要做到以下几点。第一，加强工业领域节能和能效提升。要加快工业节能标准的完善，布局节能降碳的技术、工艺和装备。例如，推进钢铁行业短流程技术改造和清洁能源替代；优化化工行业原料结构，推动能量梯级利用等。第二，引导建材行业向轻型化、集约化转型。一方面大力推进绿色建筑高质量建设，推广应用被动式超低能耗建筑，全面使用绿色低碳建材，特别是可生物降解材料，积极稳妥推广装配式、可循环利用建筑方式。另一方面要加大建筑节能改造，通过合同能源管理等市场化机制，合理优化建筑用能结构，推进建筑用能的电气化、低碳化。第三，构建绿色低碳交通运输体系。要鼓励船舶领域、重载卡车应用LNG 等清洁燃料，通过“公转铁”“公转水”及“多式联运”等模式优化交通运输结构，打造绿色交通运输服务体系。

4 碳中和目标下中国能源结构优化的远期展望

4.1 完善能源领域碳中和的政策机制

能源领域低碳转型不仅是一个技术问题，还是一个政策问题。我国在碳中和的政策执行上较为“刚性”，在立法上则较为谨慎。鉴于出台政策法规、建立完善碳排放权交易市场已经成为全球代表性经济体应对气候变化的重要手段，建议我国可以适当开展碳达峰、碳中和的立法工作，完善能源领域碳中和的顶层设计和整体规划。一方面，修订完善能源领域法规制度，健全清洁低碳能源标准。应加快完善和制定可再生能源发电、氢能、核能等领域的技术标准和安全规范，提升能源标准的国际化水平，引领能源行业绿色低碳转型。另一方面，完善碳排放权交易市场运行机制。中国目前的碳排放权交易市场尚处于初级发展阶段，亟须进一步完善碳排放权交易市场的配套准则，明确碳排放权交易相关方的行为规范。要对标碳达峰、碳中和目标，建立碳排放核算核查机制，编制碳排放核算指南，开展碳排放计量统计；在绿色金融制度上，加大对新能源、二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术等的金融支持，完善和健全绿色信贷、绿色基金等绿色金融体系，推动能源行业的科技创新和低碳转型。

4.2 构建清洁低碳、多元共生的能源体系

4.2.1 化石能源＋CCUS的能源保障体系

能源领域低碳转型是我国实现碳达峰碳中和的重要方向，但是这并不意味着要盲目“去煤”，完全退出化石能源。我国以煤为主的能源资源禀赋和经济社会发展的实际需要决定未来一段时间内煤炭仍是我国不可或缺的重要资源，是我国能源发展的“压舱石”和“稳定器”。为了实现大规模化石能源利用的净零排放，CCUS 的研发创新是核心。碳捕集、利用与封存技术可以捕集发电和工业生产中使用化石燃料排放的约90%的二氧化碳，是提高能源系统弹性和韧性的关键技术之一。我国高度重视碳捕集、利用与封存技术的创新、研发与推广，CCUS 各环节技术均已取得卓越进展，部分技术具备了商业化应用潜力。当前，我国已投运或建设的碳捕集、利用与封存技术示范项目约有40 个，捕集能力约300万吨/年[34]。建议未来要着重加强高性价比的二氧化碳吸收/吸附材料研发，开展长距离CO2管道运输等核心技术攻关，进行大规模的CCUS项目示范和建设全流程CCUS产业集群。

4.2.2 新能源发电+储能的能源发展体系

由于可再生能源发电易受天气、温度等自然因素制约，存在间歇性、波动性和不确定性，给电网功率平衡及安全稳定高效运行造成了严峻的挑战。变革“源随荷动”的传统电力供给方式，提升电力系统的韧性与灵活性是构建新型电力系统的重要内容，为此亟须从以下方向进行突破。一是大力发展储能技术。储能作为电能的核心载体，可以高效地平抑大规模新能源发电并入电网带来的波动，增加电网运行的可靠性、安全性与灵活性[35]。抽水蓄能是目前最为成熟的储能技术，钠离子电池、液流电池、铅炭电池、新型锂离子电池、压缩空气储能、热（冷）储能、氢（氨）储能等是国内外重点攻克研发的新型储能技术。二是建设分布式供能系统。能源生产逐步向集中式与分散式并重转变是能源系统多元发展的核心趋势，加快推进负荷中心及周边区域分布式光伏及分散式风电建设，依托分布式新能源、智能微电网等配置新型储能，可以有效促进可再生能源消纳，保证电网的供需平衡。建设完善“新能源发电＋储能”的电力供给体系，推广示范“风光水火储一体化”多能互补模式有望使风电、光伏发电等成为高质量的稳定电源，是未来构建新型电力系统的主流发展方向。

4.3 推进“三碳”技术与能源数字化技术协同创新

技术创新是能源转型和高质量发展的核心驱动力。在推进“三碳”技术与能源数字化技术协同创新方面，中国应从以下四个角度入手。第一，研发应用“碳减排”技术。源头节能降碳、革新工艺技术流程、推广应用绿色低碳材料等是工业、交通及建筑等高耗能行业主要的“碳减排”技术路径。第二，构建“碳零排”能源体系。“碳零排”能源技术体系涉及新能源大规模应用与广泛部署，重点包括氢能、核能、太阳能等的高效利用和多能互补技术等。第三，大力推广“碳负排”技术。“碳负排”技术主要包括生态系统固态增汇和碳捕集、利用与封存技术等，其中直接空气碳捕集与封存技术（DACCS）与生物质能碳捕集与封存技术（BECCS）是各国研发突破的重点。“碳负排”技术可以解决生产活动中难以通过技术手段减排的CO2，是实现碳中和目标的重要技术支撑。第四，发展能源数字化和智能化技术。有序推进大数据、人工智能等信息技术与能源生产、传输、存储和消费等环节有机融合，可以引发能源领域的重大变革，促进能源产业转型升级。

4.4 建设完善综合智慧能源系统

在碳达峰碳中和的背景下，综合智慧能源系统具有广阔的发展前景。综合智慧能源系统通过能源生产技术（分布式冷热电联供技术、热泵技术、太阳能/风能/生物质能利用技术、氢能技术等）、能源输送技术（电力输送、热能输送、氢气输送等）、能源存储技术（储电技术、储热/冷技术、储气技术等）、能源消费技术（能效提升技术、低碳排放技术、用户侧互动技术等）、能源智慧化技术（物联网、大数据等）将化石能源和新能源有机结合，将“以化石能源为主”的传统能源结构转变为“以清洁能源为主，化石能源为辅”的新型能源结构，并且将“以集中式能源为主”的能源供应模式转变为“分布式与集中式并重”的能源供应模式[36]。贴近客户、高效用能、低碳清洁、智能控制的综合智慧能源将是未来能源发展的核心方向，逐步完善建设综合智慧能源系统，可以实现能源供应的清洁化、能源利用的高效化、能源消费的电气化、能源服务的多元化及能源配置的智慧化。

4.5 建立动态多元的能源战略储备体系和能源合作机制

当前国际局势复杂演变，国家能源价格持续高位波动，各种政治、经济因素导致的突发事件此起彼伏，给我国的能源安全和经济平稳运行带来了一定的挑战。为此，中国有必要建立动态多元的能源战略储备体系和能源合作机制，保证能源的稳定供应，确保开放条件下的能源安全。在加强能源战略储备方面，我国可以积极参与全球能源治理，以共建“一带一路”为引领，加强与沿线国家的深入合作，通过海外投资、海外建厂等方式建设海外动态能源战略储备中心，巩固拓展海外的能源资源保障能力。此外，我国还需要持续关注国际政治与经济环境的变动情况，将开发利用可再生能源与加强国家的能源战略储备密切关联起来，实时调整和优化我国的能源发展战略。在开展多元能源合作方面，我国应该采取积极的能源外交政策，在科技创新、安全协同等方面实施大范围、深层次、宽领域的能源开放合作，推动完善全球能源治理体系。要巩固和拓展与石油、天然气等能源资源出口大国的互利共赢合作，充分利用俄罗斯、中东等地区的油气资源；加强与欧盟国家在可再生能源发电、储能、氢能等先进能源技术领域的务实合作，加强与欧洲的对话与协调，以避免类似碳边境调节机制的举措成为中欧合作的“绿色贸易壁垒”；积极参与国际能源标准的制定，推动我国能源技术标准与国际接轨，稳步提升我国能源领域应对气候变化的能力，彰显我国积极应对全球气候挑战的大国担当。

5 结语

当前，世界能源格局正在加速向清洁低碳、高效多元的方向转变。中国能源发展要统筹兼顾“双碳”目标实现、能源结构优化和能源安全三大目标，立足我国能源资源禀赋和能源的本质属性，清洁低碳利用煤炭、高效资源化利用石油、多元供给天然气、稳健发展清洁能源以及持续推动高耗能行业节能减排。能源领域碳中和的前提是完善相关的政策机制，并以此为引领构建清洁低碳、多元共生的能源体系，持续推进“三碳”技术与能源数字化技术协同创新，建设综合智慧能源系统。此外，由于国际局势复杂演变，中国有必要建立动态多元的能源战略储备体系和能源合作机制，确保开放条件下的能源安全。