“双碳”战略目标背景下科技支撑湖北产业转型升级路径研究

邹小伟

(湖北省科技信息研究院,湖北 武汉 430071)

0 引言

实现碳达峰、碳中和是一场硬仗,是一场大考,需要付出极其艰巨的努力。此外,强有力的科技支撑也是必不可少的关键力量。近年来,湖北深入贯彻落实中央关于“双碳”战略目标的决策部署,把碳达峰、碳中和纳入经济社会发展全局,强化科技和制度创新,加快绿色低碳科技革命。2021年10月,湖北省人民政府印发的《湖北省科技创新“十四五”规划》提出,要在“十四五”期间组织实施“绿色低碳科技赋能工程”等七大工程[1]。对此,本文坚持问题导向和目标导向,重点就如何推进科技创新引领支撑碳达峰、碳中和工作进行深入分析,并提出对策建议。

1 国内外推进碳达峰、碳中和经验做法

当前,许多发达国家正在积极布局绿色低碳技术创新战略,以谋求占领关键核心领域的技术制高点。我国从中央部委到地方政府也都在全力推进“双碳”政策落地,湖北作为科技资源大省,应抢抓机遇、奋勇争先,通过科技创新引领“双碳”政策深入实施,并力争走在全国前列。

1.1 全球绿色低碳技术竞争日趋激烈

目前,全球能源相关CO2排放达峰国家已经有62个。这些国家实现碳达峰主要是3个因素综合作用的结果:一是工业化、城镇化进入后期,对化石能源消耗的需求降低;二是技术进步使得能源效率不断提高;三是风能、太阳能、水能等新能源发展较快,森林碳汇不断增加[2]。目前,德国、英国等大多数发达国家实现达峰是因为完成了工业化和城镇化过程,属于发展到特定阶段的自然达峰;巴西等发展中国家实现达峰则归功于生物质能等新能源的发展和森林碳汇的增加。

截至2022年底,全球已有超过130个国家以立法、法律提案、政策文件等形式提出达到碳中和的目标,其中苏里南、不丹两个国家由于其工业碳排放低、森林覆盖率高,已实现了碳中和目标。全球主要经济体推进碳中和的路径主要包括:一是大力发展风能、太阳能等可再生能源,逐步建立零碳电力系统,如英国大力发展海上风电,提出到2030年实现风力发电量翻两番的构想;二是发展以氢能为主的替代燃料,如德国和日本分别出台《国家氢能战略》和《氢能基本战略》,加大绿氢制备和氢能在工业、交通、供暖等各领域的应用;三是对建筑等实施节能改造,通过数字化进程提高能源利用效率,如法国设立了翻新工程补助金,计划帮助700万套高能耗住房达到低能耗建筑标准;四是通过碳税和碳交易机制实现减排目标,如挪威承诺2030年通过碳交易购买碳汇指标实现温室气体中和。此外还有倡导低碳生活、发展CCUS等[3]。

1.2 我国“双碳”科技政策加速推进

2021年10月,我国相继发布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰、碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》[4],加快形成碳达峰、碳中和“1+N”政策体系。科技部成立了碳达峰与碳中和科技工作领导小组,出台《科技支撑碳达峰、碳中和实施方案》《碳中和技术发展路线图》等一系列政策进行支撑[5]。目前已有31个省市针对碳达峰、碳中和战略开展了相关工作,全国已有7个省市出台了“双碳”科技行动实施方案并制定了科技行动举措,正在加速推进“双碳”科技政策的实施。

湖北高度重视碳达峰、碳中和工作,制定了《湖北2030碳排放达峰行动方案》。2022年6月,湖北省第十二次党代会提出,坚持降碳、减污、扩绿、增长协同推进,有序做好碳达峰、碳中和工作。加快布局“双碳”发展新赛道,建立完善绿色低碳循环发展经济体系。加快推进武汉具有全国影响力的科技创新中心建设,支持打造绿色发展中国样板,建设碳达峰、碳中和先行区[6]。2022年12月,湖北省科技厅印发《湖北省碳达峰、碳中和科技创新行动方案》,旨在构建绿色低碳技术创新体系,致力于提高减排降碳增汇关键核心技术攻关能力,抢占碳达峰碳中和技术制高点,打造全国高质量发展的增长极。

2 国内碳达峰、碳中和创新发展现状与趋势

2.1 国内碳达峰、碳中和发展现状

2022年,我国温室气体排放总量为139亿吨二氧化碳当量,占全球排放总量的27%。二氧化碳排放总量为116亿吨,其中能源活动排放的二氧化碳量约101亿吨,占全球能源活动排放量的30%左右[7]。我国人均温室气体排放量已达10吨,是全球人均水平的约1.4倍。人均二氧化碳排放量已大于7吨,是全球人均平均水平的1.4倍,已超过英、法等发达国家。我国目前尚处于经济社会发展的上升期,碳排放总量和强度“双高”的情况仍将持续,实现碳达峰、碳中和目标面临较大挑战。

2.2 关键技术需求

碳达峰、碳中和目标与我国“两个一百年”目标高度契合,要实现2030年前二氧化碳排放达峰、2060年前实现碳中和的总体目标,我国需围绕能源供应、能源使用、过程排放与重点/难减领域,全方位加强面向碳中和目标的技术研发。在能源供应方面,需加快零碳能源供给,通过大力发展零碳电力能源技术,降低非化石能源在一次能源供应量中的比重。同时积极发展氢能、生物质能等零碳非电能源技术,满足各类用能需求;在能源使用方面,通过提高能效、终端用能电气化和零碳燃料替代,逐步降低化石燃料的消耗量;在过程排放和重点/难减领域方面,通过应用燃料/原料与过程替代技术,大幅削减工业制造过程中因原料化学反应造成的碳排放;通过发展碳捕集利用与封存(CCUS)/碳汇与负排放技术,抵消难以削减的碳排放。

2.3 技术体系

实现碳中和目标需要从源头替代、过程削减、末端捕集等方面综合考虑。目前国内正积极构建集零碳电力能源、零碳非电能源、燃料/原料与过程替代、CCUS/碳汇与负排放、集成耦合与优化五大类技术为一体的碳中和技术体系。其中,零碳电力能源技术与零碳非电能源技术构建的零碳能源供应系统提供零碳燃料与原料,燃料/原料与过程替代技术提供零碳产品与服务,分别从供给侧与消费侧实现了温室气体深度减排。CCUS/碳汇与负排放技术在实现能源系统净零/负排放和抵消难减部门剩余碳排放的同时,所捕集的CO2可作为“绿碳”成为未来相关生产流程中的原料供给。集成耦合与优化技术为实现上述4类技术在行业、产业、区域层面的深度耦合优化提供支撑。

在零碳电力能源技术方向,国内逐步攻克了太阳能发电、风能发电、核能发电等关键技术,实现了商业化应用;在可再生能源并网、柔性交直流输电、特高压输电等方面,突破了国际技术垄断,完成了多项工程应用。该大类技术整体上处于国际领先水平,但地热发电、海洋能发电、生物质发电等亚类技术与国际先进水平存在差距。

在零碳非电能源技术方向,国内重点部署了氢能燃料、生物质燃料和余热高效利用等技术研发平台,建立了氢能制-储-运-用的产学研研发体系。在氢能燃料技术、生物质燃料技术等方面,具有良好的技术储备。该大类技术成熟度与国际水平相近,但化学储氢、氢燃料/原料利用等亚类技术落后于国际先进水平。

在燃料/原料与过程替代技术方向,我国持续加强工业领域节能增效技术研发,电气化应用、回收与循环利用子类技术成熟度较高,钢铁、水泥等重点行业能源活动减排技术已接近国际先进水平。原料替代、燃料替代和工业流程再造子类技术成熟度偏低。该大类技术整体接近国际先进水平,但建材流程再造、物质/能量回收与循环利用等亚类技术与国际先进水平存在一定差距。

在CCUS/碳汇与负排放技术方向,我国建立了全流程CCUS技术体系,具备了十万吨级CCUS技术示范能力,处于工业示范阶段。同时,发展了陆地生态碳汇和海洋碳汇关键技术,并在BECCS和直接空气捕集(DAC)等负排放技术领域开展了有效探索。目前,该大类技术整体接近国际先进水平,但捕集技术、地质利用与封存技术、碳移除技术还存在一定差距。

在集成耦合与优化技术方向,我国开展了可再生能源耦合与系统集成优化、污染物综合治理与固废资源化利用示范,开发了应对气候变化数值预报系统,自主研发的气候模式系统进入世界先进行列。该大类技术整体接近国际先进水平,能源互联、节能减碳子类技术较为成熟,但产业协同、管理支撑子类技术成熟度较低,全产业链低碳技术集成与耦合等亚类技术落后于国际先进水平。

当前,我国五大类技术中已实现商业化应用的成熟技术约占总量的20%,在全行业加速推广是实现高质量达峰的重要支撑;处于中试阶段与工业示范阶段的技术约占50%,经过10～15年技术攻关将具备商业化应用能力,可实现在稳中有降期与去峰期对重点领域碳排放的快速削减;处于基础研究与概念阶段的颠覆性技术约占30%,重点解决在碳中和期难减领域的深度脱碳难题。

3 湖北省双碳发展创新现状与优势

3.1 碳排放现状

“十三五”期间,湖北省在推进绿色低碳发展方面作出了巨大努力,尤其是在工业、建筑、交通等碳密集行业采取了一系列减碳措施,高技术产业的快速发展使碳排放量减少,并呈现出不断下降趋势。全省丰富的森林、湿地等资源作为生态系统的固碳主体,为全国提供了可观的碳汇增长潜力;全国碳排放权注册登记结算系统落户湖北,推进我省生态产业化和产业生态化,支撑全省提前超额完成“十三五”减排目标,但是湖北省碳排放量与我国碳中和目标的实现还存在较大差距。

3.1.1 “高碳”经济特征明显,能源结构急需转型

近年来,湖北省大力推进新能源开发利用,新能源装机规模持续扩大,利用比例不断提升,促进了湖北省能源结构优化升级。截至2020年底,湖北省风电、光伏发电总装机容量1 200万千瓦,其中风电装机502万千瓦,占全省发电总装机容量的6.07%;光伏发电装机698万千瓦,占比8.43%,超过湖北省“十三五”可再生能源规划。五年来,湖北电网消纳全省风电和太阳能发电513亿千瓦时,相当于减少电煤消耗0.22亿吨、减排二氧化碳0.39亿吨。但是,湖北省“高碳”经济特征依然明显,目前,湖北省碳排放量已进入3.2亿吨规模的平台期,碳排放量在全国所有省市中位于第12位左右(图1),需要采取其他手段加大减排力度。

图1 湖北省碳排放量全国排名年份趋势变化

由图2可知湖北省能源消费总量由2013年的1.57亿吨标准煤增长至2019年的1.73亿吨标准煤,整体呈现明显增长趋势。煤炭消费占比虽呈下降趋势,但占比仍较高,近几年维持在48%左右,经济增长严重依赖于煤炭等化石能源的投入[8]。

图2 2010-2019年湖北省能源结构

3.1.2 产业集中在中下游的制造阶段,附加值不高

自2010年以来,湖北省地区生产总值呈增长趋势,2022年的增速为4.3%,2022年全省完成生产总值5.37万亿元,2022年湖北经济总量居全国第七。其中,第一产业增加值4 986.72亿元,增长3.8%;第二产业增加值21 240.61亿元,增长6.6%;第三产业增加值27 507.59亿元,增长2.7%。三次产业结构由2021年的9.3∶38.6∶52.1调整为9.3∶39.5∶51.2。湖北省还处于工业化后阶段,新中国成立之后,以武钢、武重、武船为代表的“武字头”企业成就了“中国钢城”。 汽车零部件制造和智造是湖北省区域性优势特色产业。2018年之前,湖北省第二产业的比例长期稳定在42%左右,三产结构还有待优化。

3.1.3 能源需求总量大,碳减排任重道远

湖北省能源消费总量由2013年的15 703万吨标准煤增长至2019年的17 316.28万吨标准煤,期间除了2015年稍有降低以外,整体呈现明显增长趋势。目前,我省处于工业化中后期发展阶段和经济结构转型升级的关键时期,碳排放主要集中在工业、能源生产及加工转换、交通运输、建筑(含服务业及居民生活)和农业领域[9],见表1。这些行业正好是碳密集型行业同时又是省内经济增长的主力行业,工业减排压力巨大。

表1 湖北省碳排放结构现况及预测目标 (单位:%)

湖北省碳排放主要呈现以下6个特征:碳排放总量呈升高态势,增速在波动中逐渐趋缓;碳强度持续降低,下降幅度逐步收窄;煤炭碳排放占主导地位,占比呈下降态势;工业为主要碳排放来源,农业占比较低;“一主两副”碳排放占比高,神农架林区占比低;在区域中碳排放比重稳中有升,人均碳排放和碳排放强度在中部和长江经济带“中游徘徊”。

3.2 湖北双碳科技创新发展优势

我省在低碳领域拥有武汉大学、华中科技大学、华中农业大学、湖北三峡实验室、中建三局等一批优势科研单位。在科研平台建设方面,建有国家和省级平台21个,其中包括1个国家实验室、3个国家重点实验室、1个国家工程技术研究中心、6个省级重点实验室、10个省级工程技术研究中心。在科技领军人才方面,有杨春和、丁烈云、潘垣、张勇传、程时杰、王焰新、谢树成等院士以及一大批科研骨干和青年科技人才。在技术研发方面,在零碳电力能源技术、零碳非电能源技术、CCUS/碳汇与负排放技术等三大关键技术领域取得了大量科研成果。

3.2.1 零碳电力能源技术方向

新能源方面,华中科技大学开发的薄膜电池效率达11.5%,处于国际先进水平(居世界第3位);武汉日新科技公司首创国内BIPV产业化模式,BIPV产品及集成技术达到了世界先进、国内领先水平,并参与了国家行业标准的制定;“大规模风电联网高效规划与脱网防御关键技术及应用”获国家科技进步二等奖;武汉凯迪电力公司的电厂施工管理、生物质发电核心装备设计等领域已处于全球领先水平。

储能和智能电网方面,我省研发出新能源电池高效储能、梯级电站大型储能等新型储能应用技术以及相关并网、储能安全技术,“电源技术与成套系统”“电力电子化关键技术与系列装备”等一批成果获国家科技进步二等奖。华中科技大学研制的535kV混合式高压直流断路器,在张北直流电网示范工程(康保站)投运,推动了世界首个直流电网建设,为北京绿色冬奥会建设提供了重要支撑。

煤电灵活性及节能减排方面,华中科技大学主持的“以空气为载体基于余热蒸发浓缩高盐废水及零排放技术”项目实现脱硫废水零排放、细颗粒物(PM2.5)高效脱除和三氧化硫有效控制。

3.2.2 零碳非电能源技术方向

氢能领域,我省制储氢技术、膜电极、电堆、系统集成与控制等核心技术领域均取得重要突破。由武汉理工大学发明的膜电极高技术产品大批量出口美国、德国、韩国等20多个国家和地区,实现了国产膜电极的规模应用和对国际垄断的反向输出,获得2021年度年湖北科学技术发明奖一等奖。

生物质燃料领域,华中农业大学在上游生物能源植物的选育、农作物秸杆和树木薪材中纤维素降解等领域研究处于国内领先水平。

3.2.3 CCUS/碳汇与负排放技术方向

我省重点推动碳捕集利用与封存(CCUS)技术的全生命周期能效提升、CCUS 与清洁能源融合的工程技术研发,华中科技大学实现了富氧燃烧碳捕集技术及工程示范,发展了富氧燃烧系统集成设计、运行控制和性能试验的技术导则和标准,获得了国际最佳的82.7%高浓度CO2富集,引领了富氧燃烧技术的发展,该成果被国际能源署和全球碳捕集封存研究院评述为“里程碑”进展。武汉大学完成我国首套温室气体(CO2/CH4)激光雷达设备,实现对温室气体全天候、高精度的三维监测。中国科学院武汉岩土力学研究所开发了CCUS风险矩阵评价方法、井下原位取样监测和低渗储层安全调控技术。

3.3 湖北省“双碳”达标存在短板弱项

科技创新是湖北省同步实现碳达峰、碳中和以及加快推动经济社会发展全面绿色转型的关键。但湖北省科技创新要对“双碳”达标形成更加强有力的支撑和引领,亟待补齐以下5个短板。

3.3.1 绿色低碳技术供给不足

近年来,湖北省部分重点行业如钢铁、有色、铸造、水泥、石化等生产技术水平还不高,主要体现在数量多规模小、产品结构雷同、技术含量不高、装备自动化水平低,具有一定的公共属性的节能减碳关键核心技术仍处在瓶颈期,对标国际前沿的节能低碳技术积累不够,严重制约全省重点行业绿色水平。如铸造行业制砂模环节自动化水平较低、规模总体偏小;陶瓷行业未采用全自动配料系统或连续球磨机;石化行业工艺有机废气等未全部收集处理;汽车整车制造、工业涂装行业原辅材料未采用低挥发性溶剂涂料,工艺废气未使用吸附浓缩+燃烧或燃烧等高效治理技术;平板玻璃等行业脱硝未采用低氮燃烧+SNCR(非选择性催化还原法)或SCR(选择性催化还原法)先进处理工艺等。

3.3.2 绿色低碳技术工业化应用不深

全省科教资源丰富、创新优势突出,二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)、高耗能行业集成系统诊断、空气源热泵、炼焦荒煤气显热回收利用等低碳技术取得突破性进展,但先进低碳技术研发体系尚未形成。高校、科研院所关注前沿科学发展和新技术的试验,企业自身组织力量进行绿色清洁技术的研发缺乏内生动力,围绕绿色低碳技术多方参与的系统性科技创新体系尚未形成。工业清洁技术替代体系尚未形成。目前对钢铁、化工、有色金属冶炼等碳排放高的行业,需重点研发氧气高炉、氢能冶炼和新型低碳工艺等技术,由于涉及新装备研发、工艺安全和技术成熟等原因,上述技术短期替代难。CCUS技术体系尚不成熟。目前CCUS技术多处于实验阶段,成本较高,大规模工业化应用尚不成熟,以现有的技术水平在部署CCUS时将使一次能耗增加10%～20%,企业整体运行成本和能耗都会增加。

3.3.3 高碳排放行业绿色技术替代动力不强

湖北省六大高耗能行业的碳排放量占全省碳排放总量的69.04%,且逐年递增,主要原因在于缺乏绿色技术替代的动力。高碳行业产业规模大,技术和装备更新成本高,我省钢铁、炼油和化工行业产能位居全国前列,仍将继续增加,这也使得大规模技术和装备更新成本加大。能源、化工等高碳行业资源垄断性特征明显,科技创新程度低,结构调整慢。省内大型企业虽然设有相应研究院所进行技术创新,但新工艺研发缓慢,新技术工业化应用比例低,产业升级主要依靠扩大产能。部分中小型企业在理念、技术、装备、管理上与先进企业差距较大,挖掘全行业节能减碳潜力仍有大量工作要做,高耗能行业重点领域企业名录仍未建立,高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平仍未确定,高耗能行业重点领域企业技术改造实施方案仍未出台,能效水平相对落后企业采用节能先进适用技术装备实施改造升级的动力不足,绿色低碳技术替代迫在眉睫。

3.3.4 第三产业清洁技术创新支撑不够

居民生活、交通运输、仓储和邮政、批发和零售、住宿和餐饮等第三产业领域二氧化碳排放呈增长态势,与工业领域二氧化碳主要来源于固定消耗不同,第三产业二氧化碳排放主要为移动源消耗。湖北省汽车保有量长期处于中西部地区领跑地位,相应的碳排放稳定增长。替代汽油的动力电池技术、替代柴油的燃烧电池技术,以及AI、大数据等赋能的数字交通技术在实现绿色低碳转型上仍无法提供有效支撑。

3.3.5 全链条绿色技术创新的体系化能力欠缺

以企业为主体、市场为导向,产学研深度融合、资源配置高效、成果转化顺畅的绿色技术创新体系尚未形成。高校、科研院所关注前沿科学发展和新技术的试验,短期内难以形成规模化、商业化应用;企业缺乏组织力量进行绿色清洁技术研发的内生动力;工业清洁技术替代体系尚未形成;钢铁、化工、有色金属冶炼等碳排放高的行业所需的氧气高炉、氢能冶炼和新型低碳工艺等技术短期内难以实现替代;CCUS技术体系尚不成熟。

4 对策与建议

鉴于上述分析,湖北省必须加强碳中和工作统筹,统筹规划“技术链-创新链-应用链”系统。

4.1 统筹谋划,全省“一盘棋”

从全国一盘棋的角度,研究制定湖北省碳中和发展路线图,确定湖北省碳中和工作的重点任务。能源行业,加速推进能源结构转型,提高能源利用效率;化工行业,推动低碳化技术提升,推进清洁化生产;钢铁行业,推进低碳高效生产,促进资源循环利用;汽车行业,推进节能技术研发,强化碳排放管理;建筑行业,推动低碳建材、结构及体系应用技术,推动城乡建设绿色低碳发展应用[10];农业与生态系统领域,发展生态系统固碳增汇和绿色低碳农业。

4.2 加强攻关,突破关键技术

组织实施一批重点研发计划,对于国内外空白、省内具有优势的科技领域,采用择优委托、赛马制、揭榜挂帅等方式,签订“军令状”,建立适应颠覆式创新的研发组织模式,强化低碳、零碳、负碳关键核心技术攻关,做大做强。

4.3 强化支撑,打造战略力量

构建梯队化人才培养体系,在全国率先建成“双碳”人才高地。优化布局国家实验室、技术创新中心等重大创新平台,支持湖北东湖科学城建设全球碳中和工程科技创新中心。

4.4 示范联动,打造湖北“样板”

强化科技创新引领作用,统筹考虑碳中和技术的成熟度、经济可行性、技术风险与社会环境效益,有序推动技术在多领域、多层级、多方位的应用推广。结合重点区域、城市及可持续发展实验区、高新区等典型示范区的碳达峰、碳中和行动,探索碳达峰、碳中和试点范例和创新模式。

5 结语

“十四五”以来,湖北省在推进绿色低碳发展作出了巨大努力,从产业、能源、交通、环境、基础设施、节能、创新等多个角度,全面统筹规划部署气候变化应对和节能减排工作,推进产业结构转型发展、能源结构优化,促进低碳技术创新发展,积极建设碳排放权交易市场,取得了显著成效[11]。在推动产业结构优化方面,碳中和目标实现要求深化供给侧结构性改革,推进产业结构绿色化发展,加快构建低碳工业体系,加速湖北省淘汰高耗能和高碳产业[12];在推进能源结构调整方面,碳中和意味着湖北省要改变以煤炭为主的高碳能源结构和电力系统,转向以清洁能源为主的低碳能源结构和构建以新能源为主体的新型电力系统,为湖北省“清洁低碳、安全高效”能源体系的建立提供良好契机;在绿色低碳技术研发推广方面,碳中和目标对新型低碳/零碳/负碳技术、装备和产品提出更加迫切的需求,为相关领域基础研究、技术研发、工程应用提供了方向指引,为绿色低碳技术体系的建立和发展提供动力。基于此,在国家“双碳”战略背景下,湖北要抢抓机遇,打好“五个一”(一张路线图、一批新技术、一批“新物种”企业、一本评估账、一套平台体系)组合拳,筑牢“双碳”科技创新支撑体系,将湖北打造成引领中部地区绿色崛起的科技创新支点和全国“双碳”目标的推动者、示范者、引领者。