“碳中和与绿色能源”专刊前言

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重提出中国碳减排两阶段目标：力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。这彰显了中国积极应对气候变化、参与全球治理、推动构建人类命运共同体的坚定决心。在后疫情时代全球经济复苏的关键时期,构建碳中和目标更是中国实现可持续发展、推动生态文明建设的战略指引和重要机遇。“碳达峰、碳中和”目标的提出意味着中国能源和经济产业结构将迎来深刻变革,也给中长期能源产业的技术发展提出了新要求,指明了方向。与此同时,中国能源转型的加速推进也将促使传统的石油、天然气、煤炭等能源供应系统走上减碳增氢的绿色发展道路。随着世界主要发达及发展中国家相继提出碳中和目标的承诺,针对气候变迁、低碳循环经济、绿色能源、CCUS等国际社会重点关注议题的前沿研究和政策措施显得愈加紧迫和重要。尤其是欧美等主要发达国家从碳达峰到实现碳中和需要50～80年;而中国计划只用30年实现这个目标,因此面临着巨大挑战。这促使 中国需尽快制定“碳达峰、碳中和”战略规划、技术路线和行动方案,同时,加强联合各国学者开展更多的跨学科联合攻关与学术交流。在碳中和与能源转型的进程中,还必须探索适合中国国情的绿色低碳之路,并把技术创新放在首要位置,抓紧部署具有推广前景的低碳、零碳、负碳排放技术研究,提升能源电气化和智能化水平。针对碳中和与能源转型过程中的众多科学技术问题,必须进行认真的思考并开展针对性的研究工作。面向中国能源产业深化改革,建立健全绿色低碳循环发展经济体系的重大战略需求,《工程科学与技术》推出了“碳中和与绿色能源”专刊,重点关注碳中和目标导向下的区域性（地区）战略框架和行动方案、重点行业碳减排路径及发展前景、可再生能源多元转换与储存、CCUS技术等,以促进全球碳减排研究,尤其是为中国“碳中和”政策制定、利益相关者提供借鉴和科学指导。在此,向为本专刊奉献佳作的论文作者表示感谢！同时,也向广大参与碳中和与绿色能源工作的生产及科研人员的辛勤付出致敬！     

碳中和背景下先进制氢原理与技术研究进展

在全球大力倡导"碳中和"的背景下,发展高能效、低成本、零排放的先进可再生能源电解制氢技术将成为实现"碳中和"的关键.然而,当前化石能源制氢技术仍处于主流地位,具有成本低的优势,但存在固有的碳排放,而利用可再生能源电解水制氢则被认为是未来氢能的技术路线,近年来,主流的碱性电解制氢技术发展迅速,有望在可再生能源价格持续下降...     

清洁能源发展场景下电动汽车入网对区域碳排放的系统动力学建模与分析

在"碳达峰、碳中和"发展背景下,电动汽车的推广为实现双碳目标提供有力的支撑.为研究电动汽车对碳排放的影响,首先分析电动汽车规模、区域能源构成及车网互动技术与碳排放之间的耦合关系;然后根据清洁能源发展规律构建区域清洁能源发展路径;最后基于系统动力学原理建立考虑清洁化能源变化下,电动汽车入网对区域碳排放演化的动力学反馈模型.最后,以中国西南某城市的数据为例进行动力学演化仿真,其中以电动汽车的发展规模及清洁能源的发展路径为主要变量,分析多种场景下电动汽车入网对区域碳排放的影响.此外,还通过灵敏度试验验证电动汽车入网具有一定的碳减排效益.上述仿真结果表明,清洁能源的发展对碳减排的影响最显著,且电动汽车车网互动技术具有巨大的碳减排潜力.     

能源与水利结合模式探索 ——以南水北调西线光伏天河工程为例

在国家"3060"双碳能源战略背景下,南水北调工程为西部地区探索碳中和带来了新的机遇.然而,水利工程在建设过程中会造成大量碳排放,在碳约束下,水利工程应规划与部署减碳方案.南水北调作为世界最大的跨流域调水工程,其东线和中线工程一期方案已实施,西线工程的方案尚在论证与优化中.以南水北调西线工程为例,提出将能源与水利结合的...     

碳配额行业优先次序识别和差别管理研究

碳配额行业优先次序的科学识别是落实减排责任的基础，对推进碳交易市场健康有积极意义.以云南省工业部门的32个行业作为研究对象，根据碳排放水平和状态转移概率，研究了行业碳排放水平的差异性和转移特征.研究发现：行业碳排放水平差异显著，6个高碳行业、6个中碳行业、20个低碳行业的碳排放水平分别位于(2 049.46,7 281.28)、(110.25,2 049.46)、(0,110.25)(单位：10⁴t CO₂),且状态稳定；行业碳排放呈现明显的聚集特征，高碳、中碳和低碳行业群体对工业部门碳排放的贡献分别为89.85%、7.58%、2.57%.利用脱钩模型，分析三大群体和成员的碳排放与经济发展的动态关系.研究发现：中碳群体的脱钩状态比较理想，低碳群体的脱钩状态中等，而高碳群体的脱钩状态较糟糕；4个高碳行业、4个中碳行业、7个低碳行业的脱钩状态比较理想，其余比较糟糕.研究得出以下结论：碳配额第一批次为脱钩状态不理想的4个高碳行业，第二批次为脱钩状态较为理想的2个高碳行业，第三批次是脱钩状态理想的4个中碳行业和7个低碳行业，第四批次为其余行业.基于此...     

中国钢铁工业碳足迹与碳赤字分析

本文提出了针对钢铁生产的碳排放和碳足迹计算方法,并通过计算模型计算了两个典型钢铁企业的碳排放和碳足迹,进而研究了整个钢铁工业的碳排放和碳足迹情况.通过对企业所在地和全国整体植被调查,由于绿色植被面积与碳足迹存在差距,导致碳赤字.考虑到绿色植被增速缓慢,碳赤字逐年增加,因此企业内部的能源结构优化和节能技术等碳减排策略,对于钢铁工业的可持续发展具有非常重要的意义.     

健全以降碳为导向的能源统计与管理体系研究

在当前碳达峰、碳中和目标要求下,能耗"双控"制度逐步向碳排放总量和强度双控转变,但当前无论是宏观的能源统计制度和能耗管控机制,还是用能企业能源管理与考核方法,均存在"双碳"目标不适应、不协调的诸多问题.本文在调研分析的基础上,研究提出完善以降碳为导向的能源统计和考核机制的若干措施,以及建立与"双碳"目标相适应的能耗"双...     

基于测度指标的中国低碳经济发展研究

针对我国经济目前处于高耗能、高碳经济时期,低碳经济的发展面临着巨大的压力和挑战的现状,采用碳排放、经济增长与碳排放的脱钩指数等测度指标,定量分析我国低碳经济发展水平,指出影响我国低碳经济发展的原因包括能源结构矛盾突出、碳锁定以及低碳城市建设不力等并相应提出调整能源结构,从技术、企业和制度三个层面着手碳解锁,以及城镇绿色化转型等战略措施。     

考虑碳排放惩罚因子的综合能源系统优化规划

能源行业在碳排放中所占比重较大,是节能减排的主力军,为保证系统的可持续发展,有必要将碳排放考虑到综合能源系统规划.为此建立一种考虑碳排放惩罚因子的综合能源系统规划模型,首先,针对某园区的热、电负荷特征,提出4种规划方案,以净现成本最小为优化目标得到4种规划方案在考虑碳排放惩罚因子场景下的最优容量配置;其次,从经济效益与环境效益两方面对比分析4种规划方案优劣势,并分析综合能源系统的热电供需平衡;最后,针对碳排放惩罚因子进行灵敏度分析.结果表明,考虑碳排放惩罚因子可以减少综合能源系统的碳排放,且可再生能源、储能装置以及燃气轮机都可以减少碳排放,提升环境效益.     

碳中和目标下生态草牧业的物质流分析框架与发展策略

实现碳达峰、碳中和中长期目标,既是国家积极应对气候变化的责任担当,也是生态草牧业高质量发展的必然要求.草牧业作为"草-畜"协调发展、相互依存的有机整体,其生命周期包括从牧草种植和饲草加工,到畜牧养殖、畜产品加工和运输,再到消费、废弃物处理,均与碳排放有关.本文基于物质流分析方法,构建了全生命周期生态草牧业研究框架,分析了不同环节的碳源和碳汇特征、影响因素和存在的问题,探讨了碳中和目标下生态草牧业发展主要途径,提出草牧业高质量发展要兼顾增强草地碳汇能力、控制畜牧生产碳源、提高清洁能源利用率等生态任务,并建议组织多部门联合技术攻关和规划实施草牧业碳中和方案,为实现国家碳中和目标提供支撑.     

河南省碳达峰与碳中和战略、技术路线和行动方案

河南省是中国重要的人口、农业、工业及能源消费大省,碳中和战略的实施对推动区域经济绿色低碳高质量发展、促进中国2060年碳中和愿景的实现具有重要意义.但长久以来煤炭主导的较单一能源结构导致河南省面临碳排放基数大、生态治理形势严峻、能源对外依存度持续增长、可再生能源开发程度低等关键问题.为此,详细梳理了河南省当前的能源供需...     

煤炭开发过程碳排放特征及碳中和发展的技术途径

理清煤炭开发过程碳排放特征,是推动煤炭开发过程碳达峰、碳中和的前提和基础.基于煤炭开发全生命周期碳排放清单分析方法,重点从生产用能、瓦斯排放及矿后活动3个环节,建立煤炭开发过程碳排放计算模型,测算煤炭开发过程碳排放量,并分析不同环节碳排放特征,提出煤炭开发过程碳减排技术途径.研究表明:1)生产用能碳排放强度呈下降趋势,...     

CO2的能源化利用技术进展与展望

在当前碳中和背景下，人类向着“少碳、用碳与无碳”的CO2减排之路前行。CO2捕集、利用与封存技术（CCUS）作为最直接的“碳中和”技术策略，为促进大气CO2净减排发挥了重要作用。然而，当前CCUS技术普遍面临着低效率、高能耗、高成本的技术难题，限制了该类技术的大规模应用与推广。近年来，随着可再生电能的不断发展，CO2减排与能源体系耦合的电池技术、储能技术应运而生，这类CO2能源化利用技术有望解决当前CCUS技术体系高能耗、高成本的技术难题，同时有利于新能源的周期性消纳。然而，在这类CO2能源化利用技术中，主要是将CO2作为一种能源介质，对外输出的能量并非来自CO2本身。但是值得我们注意的是，CO2转变为碳酸盐的过程是化学位降低的反应过程，意味着CO2本身也是一种潜在的能源，本文作者正是利用这一热力学有利的反应，成功开发了利用CO2本身蕴含的能量进行深度发电的CO2矿化发电技术，并在最近的研究中将CO2矿化电池的最大功率密度提升至了96.75W/m2。本文依据反应原理对上述提到的CO2能源化利用技术进行了分类总结和探讨，并提出未来CO2能源化利用的发展建议，旨在为CO2减排的碳中和路径提供思路参考。     

大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展

新能源的快速发展为电力和化工行业带来了机遇和挑战，一方面，由于可再生能源电力消纳问题导致大量的弃水、弃光等能源浪费，另一方面，以绿氢为原料替代碳基化石能源合成氨，可以极大地减少化工行业的碳排放。因此，利用水力、光伏等可再生能源电解水制氢，为合成氨提供绿色原料，可显著提升可再生能源消纳能力，降低能耗与碳排放，服务国家“碳达峰、碳中和”目标。然而，可再生能源电力电量的波动性难以适配传统合成氨生产过程的平稳性要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需开展系统性研究突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。对此，本文首先对可再生能源电解水制氢合成氨的工艺组成及过程进行介绍，包括电解水制氢工段、压缩缓冲工段、化工合成氨工段，进而提出该系统建设的关键技术体系，包括可再生能源波动条件下的合成氨工艺流程优化和柔性调控技术、考虑“电-热-质”耦合的大规模电解水制氢系统的模块化集成和集群动态控制技术、计及可再生能源波动性与化工多稳态特性的“源-网-氢-氨”的全系统协同控制技术、计及电、氢、氨等要素的全方位安全防护与市场运营机制。针对适用于柔性生产的合成氨工艺优化及多工段协同调控技术，在考虑氢储供量与催化剂性能下，综合合成塔、压缩机、气体分离、换热网络等子系统开发了合成氨高保真代理模型；研究了可再生能源供给和市场需求波动下，充分考虑操作安全性和过程经济性的电解水制氢合成氨各子系统的适配方案与协同控制技术。针对大规模电制水制氢系统模块化集成和集群动态控制技术，基于奇异摄动和代理模型技术研究了集群系统多时间尺度时域仿真方法，建立了电解集群系统多物理耦合状态空间模型；综合考虑了模块启停组合调度、模块间功率分配调度及模块自身灵活调节，计及安全运行区间及电热气接口特性约束，以提高氢产量、提升能量利用效率、改善水光电源消纳和跟踪电网调峰调频指令为目标，构建了集群系统多目标分层调度与控制模型。针对氢能参与电网的全系统协同控制技术，研究了水光互补发电、电制氢、储氢、合成氨、储氨多工段间稳态运行特性的多工段间灵活运行方法，以及电制氢合成氨系统柔性动态协同控制方法；综合采用了静态等值和参数聚合等方法降维和等值电制氢合成氨系统仿真模型，研究了源网氢氨协同提升系统安全稳定性的优化控制方法和技术指标；结合电网调频和调峰特性，研究了电制氢合成氨系统参与电力辅助服务的策略。建设大规模可再生能源电解水制氢合成氨系统，提高可再生能源本地消纳率和并网调度友好性，降低化工碳排放，具有显著社会效益和战略意义。     

中国首批低碳试点省份碳足迹的时空格局分析

通过计算广东、辽宁、湖北、陕西、云南等5个中国首批低碳试点省份2002—2011年的碳源、碳汇数据,描绘5个省份的碳足迹时空格局。研究发现,碳排放未得到有效遏制,大气中的二氧化碳逐步增加;退耕还林能增强森林对二氧化碳的吸收能力,但过快的碳排放增长速度远大于其取得的成果;能源生产结构与碳足迹有密切联系,以煤炭为主的能源生产结构是碳足迹居高不下的重要原因之一;产业结构是决定碳排放量大小的关键。对此,有针对性地提出提高能源生产效率和利用效率;加强各省城市绿化与林地建设;优化产业结构,淘汰高耗能、高污染产业等有效政策。     

碳中和背景下的水资源利用与保护

实现水资源高效智慧的利用与保护,是国家推进能源结构调整,促进低碳技术发展和环境保护,应对全球气候变化,实现"碳达峰、碳中和"战略目标的共性关键基础.为此,本文从水资源科技发展对碳中和的重大促进作用视角出发,回顾总结了水资源利用与保护的历史和战略发展趋势,阐明了水资源利用对开拓清洁能源应用潜力、促进国家能源结构低碳化的关...     

河南省水、土、能资源综合利用效率与碳排放强度的关系研究

水、土、能等资源是人类社会各种经济活动的重要基础,研究区域各种资源开发利用与碳排放的相互影响机制,对于推动资源节约和经济社会低碳转型具有重要意义。采用河南省18个地级市2006—2014年的相关统计数据,分析了河南省碳排放的时空变化特征,对水、土、能等资源利用效率和碳排放强度的关系进行了初步探讨。得出以下结论:1河南省总体碳排放量呈逐年递增趋势,但地市之间差异明显;2在河南全省及三大区域的空间大尺度上,资源利用效率与碳排放之间存在明显的相关性;3在河南省地级市空间尺度上,资源利用效率与碳排放强度的对应关系并不完全吻合;4对于不同区域而言,在今后的发展过程中,应综合考虑碳排放强度和资源利用效率的关系,对碳减排和资源利用效率提升的目标应该有所侧重和区分,采取差别化的发展策略,这对于河南省未来经济社会的低碳转型具有重要意义。     

二氧化碳电化学还原用铜基催化剂研究进展

随着经济高速发展,对能源的需求持续增加,二氧化碳(CO₂)气体的排放量也日益增长。CO₂电化学还原(ERC)制备燃料和化学品技术是实现CO₂转化利用及可再生能源储存的有效途径。铜(Cu)基催化剂是一类能够以较高效率将CO₂直接还原为高附加值化学品（如碳氢化合物）的催化剂,因而是ERC技术的研究重点之一。重点综述了近几年ERC技术用Cu基催化剂的主要研究进展。首先概述了ERC的反应原理及其存在的技术挑战,然后从铜金属催化剂、多金属铜基催化剂、铜氧化物及其衍生催化剂和铜?有机物复合催化剂方面,讨论了Cu催化剂结构、组成的协同调控策略。此外,还分析了Cu基催化剂的研究进展和仍待解决的问题,最后对该类催化剂的发展方向进行了展望。     

基于VAR模型的云南省能源需求预测

分析了云南省经济发展过程中能源消费发展趋势,对其1978--2010年能源消费和经济增长进行了深入分析,利用VAR模型对云南省2020年的能源需求进行了预测,得到云南省2020年能源需求总量为23476．24万t标准煤,同时预狈4云南省2020年GDP为18185．29万元,不能完成国家制定的2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％的目标,根据预测结果,提出了云南省关于能源发展的对策建议。