碳中和背景下低碳科技关键技术发展与机遇前瞻碳中和战略研究院2021年12月目录CONTENT03“碳中和”背景下关键技术创新发展机遇02“碳中和”背景下产业趋势研判01“碳中和”发展环境概述01.2中国实现“碳中和”面临的挑战1.1“碳中和”的发展背景NASA观测数据显示，当前全球温室气体浓度较19世纪升高了1.2℃，过去170年CO2浓度上升47%，这种极速变化使得物种和生态系统的适应时间大大缩短，进而造成全球气候变暖、海平面上升、作物产量降低、人类心血管和呼吸道疾病加剧等种种危害。在此背景下，代表可持续发展的现经济增长与资源消耗脱钩。温室气体排放的危害1.1.1“碳中和”的提出：全球气候变暖CropyielddecreasesTemperatureriseSea-levelriseSea-levelrise“碳中和”目标被提出，即追求净零排放，实资料来源：StockholmEnvironmentInstitute前瞻产业研究院整理Airpollution“碳中和”示意图SLCPsGHGs排放吸收2.5习主席在第七十五届联合国大会发言：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，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。”在“碳中和”大背景下，我国首次明确提出碳达峰、碳中和是在2020年9月份的第七十五届联合国大会一般性辩论上。国家主席习近平向全世界承诺：力争于2030年前达到峰值，2060年前实现“碳中和”的宏远目标。“3060”双碳目标已经上升到国家战略和行动方案1.1.2“碳中和”目标：中国承诺将于2060年实现“碳中和”习近平主席多次在国际会议上宣誓：中国2030年前碳达峰，2060年前碳中和世界经济论坛“达沃斯议程”对话会前瞻产业研究院整理二十国集团领导人利雅得峰会“守护地球”边会第七十五届联合国大会一般性辩论2020年11月22日联合国生物多样性峰会金砖国家领导人第十二次会晤2020年12月12日2020年11月17日2020年9月22日2020年9月30日2020年11月12日2021年1月25日2020年气候雄心峰会第三届巴黎和平论坛资料来源：根据公开资料整理目前，全球约73%的碳排放来源于能源领域。2019年，全球能源相关的CO2排放量约为330亿吨，其中，发达经济体的排放量约占三分之一。截至2020年，全球已有54个国家的碳排放实现达峰，占全球碳排放总量的40%。1.1.2“碳中和”目标：已有54个国家实现碳达峰199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019注：发达经济体：澳大利亚、加拿大、智利、欧盟、冰岛、以色列、日本、韩国、墨西哥、挪威、新西兰、瑞士、土耳其和美国。1990年2000年2010年2020年截至2020年全球已实现“碳达峰”的国家数量（单位：家）1990-2019年全球能源相关的CO2排放量（单位：亿吨）德国、捷克、挪威、乌克兰、匈牙利、哈萨克斯坦、拉脱维亚、罗马尼亚、克罗地亚等法国、卢森堡、丹麦、瑞典、31瑞士、英国、波兰、比利时等资料来源：OurWorldinData；江苏省碳中和联合研究中心等前瞻产业研究院整理加拿大、美国、葡萄50牙、澳大利亚等发达经济体其他地区54巴西、日本等2201131139218全球“碳中和”目标方面，不丹和苏里南已实现了“碳中和”，同时已有29个国家和地区通过颁布政策或立法的方式做出了“碳中和”承诺。预计2021年末，占全球碳排放量65%以上、占全球经济总量70%以上的国家将作出“碳中和”承诺。与美欧国家相比，中国尚处于经济上升期，且实现碳达峰与碳中和的间隔年限较短，实现“碳中和”愿景可谓是“时间紧、任务重”。中国碳达峰中国碳中和30年美国净零排放欧盟碳中和43年71年1970198019902000201020202030204020502060中国美国EU28资料来源：联合国；EDGAR前瞻产业研究院整理1.1.2“碳中和”目标：中国时间紧、任务重2035年2050年中国、美国、EU28：实现碳达峰与碳中和的间隔年限全球主要国家（地区）“碳中和”目标时间表•瑞典•美国加利福利亚丹麦英国日本韩国欧盟等•奥地利•冰岛•不丹•苏里南•挪威•乌拉圭EU28碳达峰美国碳达峰2040年2045年2030年已实现•芬兰•••••120100806040322.98.34032030028026024022020044.20020102011中国201220132014201520162017201820192020近十年来，中国二氧化碳排放量始终居于全球首位，2020年，中国排放二氧化碳近99亿吨，占全球排放比重高达30.66%，到2030年中国碳排放总量预计将进一步上升至104-110亿吨之间的峰值水平。从碳排放结构来看，中国电力与热力部门和工业部门的碳排放占比远超全球整体水平。减小排放绝对量和调整用能结构是中国实现碳中和所面临的一项重大挑战。35.82%9.26%37.04%17.88%41.84%18.60%24.45%15.10%47.92%17.90%19.03%15.15%53.11%28.00%9.17%9.72%0%20%40%60%80%100%电力与热力部门工业部门交运部门其他部门资料来源：英国BP石油公司；国际能源署（IEA）前瞻产业研究院整理1.2.1中国“碳中和”挑战：CO2排放量位列全球第一美国欧盟印度俄罗斯伊朗德国沙特阿拉伯全球（右轴）2010-2020年全球及各国二氧化碳排放量变化（单位：亿吨）2019年全球及主要国家二氧化碳排放结构对比（单位：%）30.77%13.20%31.14%24.89%欧盟美国全球日本中国849957碳排放与经济发展密切相关，经济发展必然伴随着能源消耗需求的增长。中国GDP单位能耗为世界平均水平的1.5倍，表明我国经济对能源的依赖程度还很高。作为发展中国家，中国完成经济发展目标的过程中，由高碳驱动的工业化、城镇化发展将推动“碳达峰”峰值高度抬高，为“碳中和”的实现带来更大的“斜率”压力。1.2.2中国“碳中和”挑战：经济发展离不开能源消耗中国英国日本美国德国全球资料来源：世界银行；红杉中国前瞻产业研究院整理1990-2015年世界主要经济体及世界平均GDP单位能耗对比（单位：2011年不变价购买力平价美元/千克石油当量）实现经济总量翻一番人均GDP达到“高收入国家”标准19901991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015注：2025年城镇化率为十四五规划目标；2035年为中国社科院财经院的《中国城市竞争力第17次报告（总报告）》中的预期水平。到2035年城镇化率70%中国GDP单位能耗“十四五”时期中国经济发展预期性目标181614121086420到2025年63.89%2025E2035E65%2020“富煤、少气、缺油”的能源资源特征决定了我国能源结构以煤炭为主，而煤炭是排放因子最大的一次能源，煤炭为主的能源结构是中国碳排放强度较高的一个重要原因，经济增长的同时调整能源结构将是未来中国实现“碳中和”目标的一道重要关卡。-4.6%煤炭在能源结构中的占比非化石能源占比二氧化碳排放量2015-20202020-20252025-20302030-2050资料来源：国家统计局；清华大学气候变化与可持续发展研究院（ICCSD）等前瞻产业研究院整理碳中和达成所需的各阶段能源结构和排放变化平均速率（单位：%）3.0%1.2.3中国“碳中和”挑战：能源结构以煤炭为主2020年中国能源生产及消费结构（单位：%）“富煤、少气、缺油”的资源特征决定能源消费总量占比56.8%煤炭石油天然气其他煤炭石油天然气其他67.6%能源生产总量占比0.8%0.8%1.0%-1.3%-1.2%-1.2%19.6%15.9%18.9%8.4%6.8%6.0%-1.8%0.8%1.3%第二产业特别是工业的增长仍是当前中国经济快速增长的主要动力之一。作为“世界工厂”，我国生产了全球一半以上的钢铁与水泥，工业生产技术具有明显的高碳消费特征。根据红杉中国测算，中国第二产业的能源终端消费占比高达67%。可见，中国经济产业结构的调整是中国实现“碳中和”过程中的一项必要举措。1.2.4中国“碳中和”挑战：第二产业仍为经济增长主要动力7.70%37.80%54.50%17.70%81.50%中国占比56.5%中国占比55.7%中国钢铁产量、水泥产量居全球第一2019年中国能源终端消费结构资料来源：国家统计局；美国商务部经济分析局；世界钢铁协会；《全球水泥报告》；红杉中国前瞻产业研究院整理第二产业67%第二产业第一产业0.80%2020年中美经济产业结构对比2020年钢铁产量2019年水泥产量第三产业美国中国2021-2030年化投资缺口约2.7万亿元2021-2060年化投资缺口约3.84万亿元根据红杉中国对碳中和资金缺口的测算，2021-2060年，中国绿色投资年化缺口约3.84万亿元；且资金缺口将在“碳达峰”后出现进一步扩大，2031-2060年，中国绿色投资年化缺口将达到4.1万亿元。调动社会资本的参与积极性也是“碳中和”实施过程中的一大考验。20202030204020502060绿色财政投资绿色投资缺口资料来源：红杉中国前瞻产业研究院整理1.2.5中国“碳中和”挑战：达峰后资金缺口将进一步扩大中国碳中和投资需求和缺口预测（2020年价格）（单位：万亿元）1816141210864202031-2060年化投资缺口约4.1万亿元碳中和碳达峰2.1“碳中和”背景下能源结构变化趋势2.2“碳中和”背景下区域结构变化趋势2.3“碳中和”背景下产业结构变化趋势2.4“碳中和”背景下消费结构变化趋势0乘用车商用车航空航海铁路能源生产一次能源石油天然气煤炭太阳能风能核能水能石灰石（CaCO3）等非化石能源矿物农业、畜牧业、林业等我国实现“碳中和”目标的技术路径需要从供给端和需求端共同发力，一方面含“碳”量高的化石能源，煤炭要面对供给侧改革；控制化石能源总量，提高利用效能，从化石能源转换为电能方面需要将继续提高效率；另植物光合作用吸收二氧化碳，植物燃烧和动物呼吸作用排出二氧化碳，植树造林受制于土地面积资料来源：中信证券前瞻产业研究院整理2.1能源结构：化石能源向清洁能源转变能源活动煤、油化工居民生活……一方面在需求侧，依托技术改造的节能减排是核心。终端能源消费生产水泥过程中，石灰石分解会产生二氧化碳，现有技术难以找到脱碳方案注：灰色箭头代表目前主要的能源结构，红色和蓝色箭头代表2060年碳中和时的能源结构2030年前，钢铁、有色等高耗能行业或将出现需求量达峰碳排放来源水泥钢铁玻璃交通工业过程农业等非化石能源化石能源二次能源氢能电力前瞻产业研究院整理能源生产方面，控制化石能源总量、提高能效、大力发展可再生能源发电成为“双碳”目标发展关键点。随着新增装机容量上升，光伏、风能在能源中的比重将大幅提升，预计2050年将超过70%。基于可再生能源的发电（主要是风能和太阳能光伏发电），在2020年至2060年间将增加7倍，届时将占发电总量的约80%。2018-2050年中国清洁能源占比预测（单位：%）光伏风能13.920.130.956.137.6200.85.14.468.730.86.42.1.1能源供给端：可再生能源占比提升2015-2060年中国不同能源年均新增装机容量（单位：GW）2050年不同情景下发电量构成（单位：PWh）其他可再生能源风能太阳能核能天然气煤炭资料来源：IEA；IRENA；清华大学气候变化与可持续发展研究院强化政策情景29%18%15℃情景政策情景2℃情景2015-20202020-20602%4%太阳能发电2030E2050E23%51%2018水电煤电风电工业、建筑、交通是主要终端用能部门，伴随大比例可再生能源电力系统发展，终端消费以电力替代煤炭、石油等化石能源直接利用，可有效减少终端部门乃至全经济尺度的二氧化碳排放。我国2015年电力在终端能源消费比例为21.3%，2030年将超过30%，2050年将达70%左右，将对减排二氧化碳发挥重要作用。2020-2050年中国工业部门终端电气化水平（单位：%）2020-2050年中国工业部门终端CO2排放（单位：亿吨）20202030205069.5%45.442.136.937.737.0%30.0%25.7%4.6政策情景强化政策情景2℃情景15℃情景政策情景强化政策情景2℃情景1.5℃情景化石能源低碳能源2020-2060年一次能源消费情况（单位：EJ）20202021202220232024202520262027202820292030203120322033203420352036203720382039204020412042204320442045204620472048204920502051205220532054205520562057205820592060资料来源：IEA；清华大学气候变化与可持续发展研究院前瞻产业研究院整2.1.2能源消费端：终端能源消费电气化助力碳减排27.8%25.7%31.0%26.1%2020203058.2%25.7%25.7%39.8%205027.626.238.237.737.737.712中国风资源分布图（附风电场）中国太阳能资源分布图（光伏发电潜力）现阶段，我国能源主要依赖于煤炭，而原煤产区主要集中在中部地区，未来光伏、风能等清洁能源在能源中的比重将大幅提升，我国能源中心也将由中部地区向太阳能、风能资源丰富的西部和东部沿海地区扩散。2.2.1区域结构：能源中心将向西部和东部沿海地区扩散资料来源：SOLARGIS；全球能源互联网发展合作组织前瞻产业研究院整理东部沿海地区是中国电力负荷的中心，而西部内陆省份的风能、太阳能等能源资源最为丰富，中国电力资源分布和能源需求存在明显的错配问题。对此，特高压输电和分布式发电成为解决能源供需错配的两大方向：一方面，在大力开发西部清洁能源基地的同时推动特高压输电线路建设，优化能源资源配置；另一方面，因地制宜地发展东中部地区分布式能源，推广屋顶光伏系统及分散式风电系统。清洁能源在长距离输送项目中的占比40825单位：公里43%2025年E特高压工程建设69.17%30.83%集中式光伏分布式光伏2.2.2区域结构：特高压输电和分布式发电为能源供需错配的解决方案能源资源配置优化能源区域供需错配2021年H1中国新增光伏装机规模结构集中式光伏分布式光伏5.36吉瓦分布式发电特高压输电资料来源：国家电网；国家能源局前瞻产业研究院整理2020年中国累计光伏装机规模结构国家电网特高压工程累计线路长度分布式光伏7.65吉瓦2020年2025年E50%2015年2020年3586810977碳排放与产业结构之间互相影响、互相作用，一方面产业结构升级能够减少碳排放、提升碳排放绩效，另一方面碳排放政策对产业结构升级也有推动作用。“碳中和”目标作为硬约束，加速推动传统产业的低碳转型，大力发展新型绿色低碳经济，推进产业结构调整和升级，降低工业产业的能源消费和碳排放，逐步实现经济增长和碳排放的脱钩。资料来源：低碳改造产能置换压减钢铁产能；废钢利用；提高集中度；余热供暖2.3.1产业结构：推动产业转型升级以实现经济增长与碳排放脱钩201920202021E2022E2023E2024E2025E国务院《2030年前碳达峰行动方案》；国家信息中心经济预测部前瞻产业研究院整转变用能方式；原料轻质化；副产气体高效利用；能量梯级利用、物料循环利用清洁能源替代；绿色低碳技术；再生有色金属轻型化、集约化、制品化转型；因地制宜利用可再生能源；低碳建材产品；节能技术设备6.5%35.5%58.0%6.6%36.0%57.4%6.8%36.4%56.8%7.0%36.9%56.1%7.1%38.6%54.3%7.3%37.3%55.4%7.7%37.8%54.5%工业碳减排是“碳达峰、碳中和”目标的重中之重“十四五”时期中国经济产业结构变动趋势预测石化化工行业有色金属行业建材行业第一产业第二产第三产业钢铁行业工业领域业资料来源：《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》；生态环境部《2020中国环保产业发展状况报告》；国务院2030年E前瞻产业研究院整理2020年《2030年前碳达峰行动方案》减少碳排放推动中国产业结构转型升级主要从减少碳排放和增加碳吸收两大方向入手，一方面，为实现碳排放的减少，对于传统高耗能、重化产业要控制新增产能，推动其进行节能改造，与此同时加速发展新能源产业及环保产业；另一方面，通过森林、海洋和土地碳汇增加碳吸收，林业等碳汇相关产业比重将迎来进一步提升。2.3.2产业结构：减少碳排放、增加碳吸收两大转型升级方向ü传统能耗产业注重降低碳排放ü新能源产业供需空间加速扩张ü清洁设备及环保产业需求向好“碳达峰、碳中和”目标下产业转型升级两大方向新能源汽车产业发展规划森林、海洋和土地碳汇10相关产业比重将进一步提高增加碳吸收25%23.04%190亿立方米175亿立方米10新能源车销量达到汽车总销量的20%到2025年到2035年纯电动车成为新销售车辆的主流全国森林蓄积量预测全国森林覆盖率预测环保产业规模预测4.68万亿元1.93万亿元2025年E2030年E2020年2020年根据IEA数据，2019年居民部门碳排放量占我国碳排放总量的3%。降低居民生活消费碳排放总量与占比是“碳中和”行动的重要一环，主要途径包括使用新能源汽车（终端消费电气化）以及低能耗智能家居产品。此外，垃圾分类、对可回收、有价值的材料进行再利用助力循环经济，有助于从居民消费端节能减排。资料来源：中汽协；《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》；AVC等前瞻产业研究院整理2.4消费结构：终端电气化、低能耗家电为消费端减排主要方式循环经济背景下产品生命周期20%废弃处置重复再利用重点家电品类产品零售量智能化渗透率智能彩电智能空调智能洗衣机智能冰箱新能源汽车渗透率持续上升2015201620172018201920202025E原材料的提取和加工使用与维护19.1%17.6%包装运输废物处理回收利用自然资源67.5%64.3%4.7%4.5%5.4%生产2.7%1.8%1.3%20202019201820170203经济转型科技创新16.7碳排量（2050）资料来源：清华大学气候变化与可持续发展研究院；国泰君安前瞻产业研究院整理在“碳中和”目标驱动下，中国将从能源革命、中和的核心驱动力。中国+50.3-18.7-15.5-11.7100.3经济转型和科技创新三个方向促进绿色转型。技术进步将是碳“碳中和”驱动绿色转型方向2.5“碳中和”目标驱动向绿色转型104.7能源变革01经济增长+62.4-12.1负碳技术三大减排贡献因素碳排量（2030）碳排量（2030）碳排量（2020）产业结构产业结构技术进步技术进步经济增长能源结构能源结构104.7-78.2-10.0-50.13.1“碳中和”愿景的技术支撑体系3.2“碳中和”背景下能源供给端技术创新机遇3.3“碳中和”背景下能源消费端技术创新机遇3.4“碳中和”背景下“负碳”技术创新机遇0首先，在实现“碳中和”目标时期，能源供给端应依托新能源发电技术、氢能技术与储能技术实现化石能源的替代；在能源需求端，创新并推广节能减排技术，科技企业利用其数字化技术助力“碳中和”平台搭建和传统企业的绿色化转型；最后，创新并逐步应用CCUS技术，辅助高排放部门有效减碳。3.1“碳中和”愿景的技术支撑体系：供给端和需求端共同发力零碳发电技术新能源发电技术新能源并网技术零碳非电能源技术储能技术氢能技术2021年无化石钢铁技术低碳混凝土技术电能替代技术绿色建筑新能源汽车、氢电力航空等新能源、氢燃料动力ü绿色制氢技术ü氢气储运技术ü氢燃料电池技术等能源需求端碳捕集封存利用能源供给端垂直农场建筑节能技术低碳水泥技术森林碳汇土地碳汇ü能源互联网技术ü分布式能源等ü新兴光伏技术ü风能发电技术等ü电化学储能技术ü长时储能技术电力节能技术钢铁节能技术海洋碳汇资料来源：前瞻产业研究院整理2060年能源互联网新能源发电煤炭、石油、天然气发电侧储能建筑业交通业居民……“零碳”技术是实现能源供给结构转型的关键技术，其中既包括零碳电力技术，也包括零碳非电能源技术。一方面，以零碳电力技术-新能源发电技术为起点，实现对化石能源的大比例替代，从源头“减碳”；其次，通过零碳非电能源技术-储能技术，提升新能源电力的利用率，并贯穿运用于发电侧、输电侧和用户侧；同时，创新研发并推广制氢技术，助力构建多元化清洁能源供应体系。“碳中和”愿景下的能源供给体系3.2能源供给端：以新能源发电技术为起点、推广氢能及储能技术用户侧储能H2氢能汽车工业输电侧储能资料来源：前瞻产业研究院整理输电侧储能技术名称适用范围综合效益技术申报企业10MW海上风电机组设计技术新能源装备制造单台机组每年：13000减少能源消耗碳减排东方风电高效PERC单晶太阳能电池及组件应用技术12052.51GW光伏装机每年:碳减排晶澳太阳能太阳能热发电关键技术687300每kW装机:碳减排/太阳能PERC+P型单晶电池技术每GW光伏电站年均:碳减排正泰新能源复杂工况下直驱永磁风力发电机组技术风力发电与传统风力发电技术相比，发电效率提升2%-3%/3434343434343.78782.3434297702977029770297702977029770根据《绿色技术推广目录（2020年）》及相关规划，风能、太阳能发电技术是“零碳”技术的发展重点。绿色技术推广目录（2020年）-新能源发电领域“十四五”期间重大技术方向ü海上风电规模化开发和智能运维技术ü新能源发电并网主动支撑控制技术ü海量分布式新能源自主运行与智能控制技术ü先进太阳能热发电技术ü新一代核能发电技术在新能源发电技术中，风电和光伏技术是中国能源消费转型的重点。“十四五”时期，我国新能源发电及利用技术的重点如下：3.2.1新能源发电技术：重点推广风能、太阳能发电技术资料来源：《绿色技术推广目录（2020年）》；中国电机工程学会前瞻产业研究院整理发电量节能节能从全球风电新增装机分布来看，我国无论是陆地风电还是海上风电新增装机规模均位列全球第一。随着陆地风电逐渐成熟，中国海上风电自2018年起步入发展快车道，各省开始加紧核准海上风电项目，并于2019年进入抢装潮。伍德麦肯兹分析认为，2019-2021年抢装潮后，中国海上风电或进入短暂低迷期，但高速增长的电力需求与国家发展目标，将促使未来十年中国海上风电的年新增并网装机，仍保持在4-5GW以上。3.2.1新能源发电技术：海上风电进入抢装潮、产业链各环节将受益7.5CAGR=7%655443.062.491.6656%50%2020年中国风电新增装机容量全球占比re（%）2018-2030年中国海上风电新增装机容量预测（GW）资料来源：GWEC；伍德麦肯兹等前瞻产业研究院整理2018201920202021E2022E2023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E2030E陆地风电海上风电CAGR=65%776.56随着社会发展，人类对能源的需求日益增长，太阳能作为一种永不枯竭的绿色清洁能源，得到了广泛的科学研究。根据半导体材料的不同，太阳能电池可被分为第一代晶体硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池，以及第三代新型太阳能电池。在碳中和背景下，太阳能的应用逐渐加深，新型光伏技术迭代加速发展。第三代新型太阳能电池•染料敏化太阳能电池10•有机太阳能电池•钙钛矿太阳能电池第二代薄膜太阳能电池•非晶硅薄膜电池•碲化镉(CdTe)薄膜电池•铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池•砷化镓（GaAs）薄膜电池第一代晶体硅太阳能电池•单晶硅太阳能10电池•多晶硅太阳能电池3.2.1新能源发电技术：新兴光伏技术迭代加速资料来源：前瞻产业研究院整理钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。相比传统转化方式而言，钙钛矿太阳能电池能够提升太阳光的利用水平，此外，还具备价格低、投资小、制备简单等优势。然而，由于钙钛矿材料的耐水性不高，其稳定性和使用寿命较晶硅和无机薄膜材料有明显差距。未来，稳定性或将成为钙钛矿光伏技术商业化应用前景的决定性因素。特色便携式能源技术自驱动装饰ü价格低廉ü设备投资小ü制备简单ü可印刷制备3.2.1新能源发电技术：稳定性将决定钙钛矿光伏技术前景稳定性钙钛矿叠层电池大幅提升太阳光利用水平颠覆性廉价清洁能源技术15-20年3-5年资料来源：OxfordPV前瞻产业研究院整理集中式电站分布式电站大规模发电环境式能源柔性电源室内弱光能源互联网是以互联网技术为基础，以电能为主体载体的绿色低碳、安全高效的现代能源生态系统。遵循信息互联网原则，能源互联网可以若干个能源子网，所有的能源网络可以独自以自己的能源形式在各自的资源网络中实现能源传输与共享能源互联网的体系由下至上可以分为能源层、网络层和应用层：各类传感器和计量仪表3.2.2能源互联网：依托“互联网理念+互联网技术”实现大数据、云计算、移动互联及人机交互有线网络（IP4/IPV6）智能控制器智能控制器发电技术用电输配电储能无线网络（4G，5G，NB-loT）资料来源：中国信息通信研究院前瞻产业研究院整理居民用电等工业用电交通用电新型电池锂离子电池铅酸蓄电池高压传输柔性直流低压配电其他新能源发电火力发电应用层能源层网络层能源物联云PV分布式微网分布式微网（负荷）配电微网能量管理系统eMCS微网能量管理系统区块链、人工智能、大数据和物联网等技术的应用，为建筑运行节能减排提供了一种新的技术路径。运用物联网智能传感器等新技术对各种能量流进行智能平衡调控，达到能源的循环往复利用，实现能耗的精细化管理。右图中的“能源即服务”的分布式园区智慧能源管理解决方案，可满足一体化运维与多元化服务需求。...运维服务投资服务运营服务用户服务能源微服务引擎EaaS能源服务平台3.2.2分布式能源：物联网智慧能源系统是未来发展趋势区块链人工智能大数据分布式微网（负荷）eCloud平台燃机分布式微网（源/储）资料来源：前瞻产业研究院整理多元化投资服务多租户用户服务配电其他储风一体化运维一体化运营电网已初步商业化，适用于新能源汽车、电网领域储能技术是支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术之一。目前，抽水储能技术是发展最成熟、建设规模最大的蓄能方式；以锂电池为代表的电化学储能技术已经初步进入商业化、规模化应用。3.2.3储能技术：支撑新能源发电规模化发展不同储能技术的特点及应用现状储能技术主要应用领域资料来源：中国科学院工程热物理研究所；董舟、王宁等《储能技术分类及市场需求分析》前瞻产业研究院整理新能源汽车能源互联网氢领域发电站可实现跨天、跨月，乃至跨季节充放电循环的储能系统为长时储能系统。此时我国正处在短时平稳电网波动阶段，储能项目主要是和风光配套，来增加消纳以及减少电网波动，现阶段仍以锂电储能为主，待其他储能成本下降以及新能源发电到达一定比例后，长时储能将走上发展的快车道。长时储能要想突破短时储78液流电池资料来源：ARPA-E‘sDAYS2020、南方能源观察等前瞻产业研究院整理展示其在更长时间维度的经济价值。长时储能前沿技术研究方向3.2.3储能技术：长时储能迎来发展机遇铁空气技术电池固态电池液态空气液态金属“热岩”储能重力储能石灰石基材储能能的商业壁垒，必须要解决短时储能技术当前所无法解决的痛点，长时储能成本长时储能价值对抗极端天气提升新能源稳定性延缓设备重置削峰填谷电价套利辅助市场锂电池成本时长（小时）成本（￥）423651可再生能源的能量存储能力一直是阻碍可再生能源发展的一大障碍，来自麻省理工学院（MIT）的一组研究人员开发出了一种新型全液态金属电池系统，这种系统能够在更低的温度下工作，具有更长的使用寿命以及更低的主题成本。在测试中发现，经过十年的日常充放电后，这种电池仍能保持初始转化效率的85%（初始转化效率约为70%）。电流将它们加热到500摄氏度，金属和盐电解质转移到熔融状态；然后在重力的作用下，根据它们的密度将它们分离出来；锑下沉，熔盐停留在中间，钙合金上升到顶部固体锑和钙合金在室温下与固体电解质结合，并放在一个用陶瓷材料绝缘的密封室中。锑比钙的负电性更强，它们之间存在电位差。当设备被放置在电路中时，钙合金分解成钙离子和电子，离子被吸引到锑上，电子通过外部电路流到那里。放电后，这个系统会产生一种全新的锑和钙的合金，上面还有熔融的电解液。3.2.3储能技术：新型液态金属电池为革命性储能技术充电过程放电过程初始状态资料来源：MIT前瞻产业研究院整理“热岩”储能技术也是长时储能的一大前沿技术。其基本原理是空气中的热能从一个大的储气罐移动到另一个储气罐，然后再返回，在某个点截取能量作为有用功的输出。“热岩”储能系统包括两个进程——第一个进程为系统充电，第二个进程为其放电。把空气从热储气罐中抽出，通过另一个涡轮膨胀机。将空气通过发电机来产生电能。这种能量传递将空气的热量从600℃降低到385℃，并送入冷储气罐的顶部。-30℃的空气从冷储气罐的底部被拉出，并产生陡峭的温度梯度。冷空气通过压缩机加热到75℃，并在极热的空气从顶部流出时将其推入热储气罐的底部，再次保持系统优化效率所需的陡峭的温度梯度。初始状态充电过程充电状态放电过程放电状态热空气从1号储气罐的顶部抽出来，经过压缩机，加热到600℃。泵入2号储气罐，将热能传递到碎石中。同时从2号储气罐底部抽出75℃的空气，通过热交换器降到25℃。通过涡轮膨胀机降到-30℃，然后将其送入1号储气罐底部，取代从顶部拉出的热空气。两个气罐中空气的推拉会产生冷热之间非常陡峭的温度梯度，以确保系统中的能量损失最小化。3.2.3储能技术：“热岩”储能为前沿长时储能技术之一两个装有碎石和空气的气罐第一罐的温度：385℃第二罐的温度：75℃储存着600℃热能的热储气罐；还有一个-30℃的冷储气罐。系统完全放电后，回到初始状态资料来源：前瞻产业研究院整理近年来，西门子一直在研究通过加热岩石来储存可再生能源。虽然目前岩石储能是一项冷门的技术，但市场关注度却十分高涨。相对于电池储能技术而言，它的原料易得，拥有极大地成本优势，更为重要的是，这一储能技术更为环保安全。热岩储能系统示意图3.2.3储能技术：热岩长时储能技术市场关注度高涨资料来源：CSPPLAZA前瞻产业研究院整理氢能是最环保、最容易获得的能源，可以做到“零”排放，被誉为是一种“终极清洁能源”。氢能是未来能源变革的重要组成部分。氢能产业科技含量高、资本投入大、产业链长、带动的产业范围广，是推动我国能源结构调整、装备制造业转型升级和动力系统革命的战略性新兴产业。氢能源有望开启下一个万亿级市场。MCH有机氢化物CH33H2MCH3.2.4氢能技术：终极“零碳”绿色清洁能源脱氢NH3氨气LH2液态储氢天然气石油煤炭可再生能源化石燃料燃烧CCUS电解水制氢绿氢（无碳排放）灰氢（较高排放）蓝氢（较低排放）直接使用气化发电燃料电池氨燃烧炉燃料电池燃料电池汽车氨气直燃轮机储氢&运氢资料来源：前瞻产业研究院整理加氢用氢制氢tolueneCH3水电解制氢方式两级室分隔物电极电解槽结构电解液电解槽内电传导方式PEM水电解制氢分子级微孔离子膜，不易产生氢反渗漏零极距催化电极，反应面积大，转换效率高电解槽重量轻，体积小，重量仅为相同产氢量普通电解槽1/3纯水，无腐蚀性液体，无污染，气体纯度高氢离子在具有活性的质子交换膜中移动，阴极产生还原氢气碱性水电解制氢非分子级微孔，易产生氢反渗漏电极间有最小距离限制，发热量高，转换效率低槽内两极室集电器无弹性，电热损失高，转换效率低腐蚀性强，易产生冲液污染负载管路正、负离子在水溶液中分别运动，在两极产生氢氧气体PEM电解槽相比于碱水电解槽，由于两级室的分隔物、电极、电解槽结构、电解液，电解槽内的电传导方式不同，在反应过程中，具有一系列结构上带来的优势。在双碳背景下，能源结构的调整，可再生能源应用的大幅上升，PEM水电解槽最主要的优势是系统响应速度快，适应动态操作，因此更加适合可再生能源发电的间歇性与不均匀性，未来发展空间较大，预计2050年渗透率有望达到40%，制氢规模有望达到2713万吨。100008000600040002000070%40%355027110%3%2050E3.2.4电解水制氢：PEM电解水制氢技术优势明显、市场空间广阔12000氢需求总量（万吨）电解水制氢渗透率PEM水电解制氢规模（万吨）PEM电解槽占比PEM水电解制氢相比于碱性水电解制氢的优点PEM水电解市场空间预测资料来源：中国氢能联盟研究院、《基于可再生能源纯水电解制氢技术展望》、《2020中国氢能产业发展报告》、申万宏源等前瞻产业研究院整理80%70%60%50%40%30%20%10%0%2030E2025E5%9690371537.25.33储运方式运输工具压力（MP）载氢量（kg/车）体积储氢密度（kg/m3）质量储氢密度（wt%）成本（元/kg）能耗（kwh/kg）经济距离（km）气态储运长管拖车20300-40014.51.12.021-1.3≤150管道1-4/3.2/0.30.2≥500液态储运液氢槽罐车0.67000641412.2515≥200固体储运货车4300-400501.2/10-13.3≤150有机液体储运槽罐车常压200040-50415/≥200氢气固有的物理化学性质,给大规模存储和运输带来诸多困难和挑战。氢气的单位体积能量密度极低且液化极其困难，而且容易引发燃烧和爆炸，导致储运成本高。氢能储运技术突破在于提高储氢密度和安全性，因此优良氢载体的选择也成为构建氢能源系统的关键。此外，基于氨的清洁运输燃料方式也是一个方向。有机物储氢（CH3OH等）装置复杂，副产物多，催化效率低氨储氢氨的生产、储存和运输设施和技术十分成熟且成本相对较低，催化效率低注：体积和重量储氢密度均以储氢装置计算。气态储氢（35MPa,70MPa）体积密度小、建站运营成本高、高压风险大液态储氢（-253C）能耗高，成本高3.2.4氢能储运：提高储氢密度和安全性及降低成本成为关键固态储氢质量密度低，热效率低资料来源：中国钢研科技集团、中国氢能联盟研究院前瞻产业研究院整理H2液氢氨液态有机氢载体工艺和技术成熟度转化小规模：高大规模：低高中等罐储高高高运输船运：低管输：高罐车：高船运：高管输：高罐车：高船运：高管输：高罐车：高再转化高中等中等供应链整合中等/高高中等风险可燃；无气味或明火可燃；急性毒性；空气污染的前兆；腐蚀性甲苯；易燃物；中等毒性转换和再转换所需能量目前：25-30%将来：18%转换过程：7-18%再转换过程：＜20%目前：35-40%将来：25%改进技术、扩大需求生产装置效率；蒸发管理提高转换效率提高再转换过程效率液氨储氢技术是指将氢气与氮气反应生成液氨，作为氢能的载体进行利用。在同等条件下，液氨在标准大气压下-33℃就能够实现液化，与之相比，如果直接运输液氢温度则需要降至-253℃左右，液氨运输难度相对更低；且液态氨单位质量储氢密度高达17.8wt%、单位体积储氢密度高达10.7kgH2/100L（常温，10个大气压），因3.2.4液氨储氢：基于氨的清洁运输燃料方式成为发展方向注：1）成熟度高-已得到验证且已实现商业化，成熟度中等-处于原型演示阶段，成熟度低-已通过论证或正处于开发阶段；2）小规模：<5吨/天；大规模：>100吨/天。此氨（NH3）被认为是最佳的氢载体之一。氢燃料电池汽车氨燃料电池汽车内燃机汽车资料来源：IEA等前瞻产业研究院整理H2N2氨流化床锅炉直接还原炼铁氨分解制氢可再生能源氨合成氨运输加氢站电网铁H2燃料电池发电成本元/kWh543210电池效率提升60元/kWh氢气价格下降30元/kWh锂离子电池汽车“电”成本0.60.70.80.91电池工作电压V降低发电成本提高功率密度推动燃料电池汽车商业化发展将主要围绕降低燃料电池发电成本、降低燃料电池铂催化剂的单位用量、提高催化剂耐久性和提高电堆功率密度四个技术方向展开。3.2.4氢燃料电池：燃料电池汽车商业化技术路径先进水平功率密度（丰田）国际目标功率密度（2030）资料来源：工程与材料科学部；平安证券前瞻产业研究院整理燃料电池催化剂铂载量发展目标0.4g/kW燃料电池电堆功率密度发展目标6~9kW/L催化剂耐久性对比（归一化）2.5国内水平先进水平目标水平进口催化剂高性能燃料电池催化剂0.2g/kW降低铂使用量提高耐久性0.09g/kW4.4kW/L国内催化剂1.251氢能源汽车里的燃料电池系统就如同燃油车里的发动机，是整车最核心的部件。我国的氢燃料电池产业正处于产业导入的关键时期，但是由于关键材料与零部件的核心技术并未完全掌握，产业链条并不完备，国产化程度仍然较低，导致国内氢燃料电池产品的发电效率、功率、成本、可靠性与耐久性与国际先进水平相比仍具有很大差距。3.2.4氢能燃料电池：关键材料与零部件的核心技术突破固体氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料电池碱性燃料电池硝酸盐燃料电池质子交换膜燃料电池600-1000℃650-800℃60-120℃160-210℃50-120℃阳极：2H2®4H++4e-阴极：4H++4e-+O2®2H2资料来源：前瞻产业研究院整理PEM质子燃料电池构造及作用示意图燃料气阳极CO2O2O2H2OH2O2H2OO2H2H2H2OH2H22H24e-燃料电池类别气体扩散层4H+CO2H2OCOCO2H2OCOH+电解质双极板质子交换层阳极尾气阴极尾气荷载膜电极CO32-空气阴极OH-O2O2O2-H+H2可再生能源——氢电航空航空业占交通运输排放总量的12%以上，且航空排放是在高海拔地区释放气体，航空排放对环境的影响是类似地源排放的2-4倍。目前，可以通过光伏与风力发电，电流通往氢气电解槽，电解槽里会进行水电解制氢。所制备的氢气会快速填充至氢气罐，氢气罐位于机翼处。同时氢燃料电池系统为电动机提供动力，推出氢气，同时氧气气流流入，这个系统所排出的物质有且仅有水，从而达到环保的目的。3.2.4氢能燃料电池：以可再生能源为动力的氢电力航空技术优势新颖的零排放动力系统有助于降低成本75%50%燃料和维护成本降低总行程成本降低资料来源：前瞻产业研究院整理根据“生产过程的能耗和排放口径”口径统计，钢铁、化工、建筑、交通等工业部门为我国主要温室气体排放来源。在“碳达峰、碳中和”愿景下，高能耗产业不得不优化产业布局，调整能源结构及供给方式，同时国家发改委也提出了新要求——研究制定钢铁、有色金属、建材等行业碳达峰方案。建筑,8%能源生产与转换,47%化工,6%建材,8%钢铁,17%1010103.3能源消费端：高排放行业节能减排势在必行10•••化工节能减排技术•火电厂降低煤耗技术•油田采油污水余热综合利用技术•变换气制碱及其清洗新工艺技术钢铁节能减排技术•废铁回收利用之电弧炉炼钢技术•氢气直接还原炼钢•氨气直接还原铁矿石技术中国温室气体排放核算方法及排放结构燃烧火炬过程回收净购入电力/热力•装配式建筑——建设过程减排•暖通系统——使用过程减排•建材节能——建筑材料减排纯电动汽车——电动化公共交通/共享交通——共享化智能交通——智能化建筑节能减排技术交通节能减排技术资料来源：国家统计局、清华大学气候变化与可持续发展研究院等前瞻产业研究院整理高排放工业部门代表性节能减排技术交通,9%其他工业,5%炼铁H2+H2O可再生能源发电电解水制氢H2储氢电弧炉长远来看，使用氢气代替煤将铁矿石还原为铁是钢铁行业最具可持续性和技术前景的替代方案。目前具有代表性的低碳先进技术为瑞典的突破性氢能炼铁技术（HYBRIT）项目，该项目由钢铁生产商SSAB、铁矿石开采公司LKAB和电力公司Vattenfall共同开发，SSAB计划在2045年完全实现无化石钢铁制造。相较于焦炭与高炉系统的现有炼钢工艺而言，由氢还原与电弧炉组成的HYBRIT技术能够将二氧化碳排放降至现有炼钢排放的2.8%。3.3.1无化石钢铁：氢还原铁无化石钢为最终解决方案注：HYBRIT为SSAB、LKAB和Vattenfall三家公司的合作研发项目，得到瑞典能源署的财政支持，该项目预计将为瑞典碳减排10%。试验研究示范阶段中试阶段HYBRIT-无化石氢还原铁矿石炼钢工艺示意图HYBRIT项目推进计划资料来源：HYBRIT前瞻产业研究院整理203020192022201820172016202020452025铁矿石球团矿轧钢201612840H2NH3生产和运输注：氨值标准化为氢。NH3生产、运输和15天储存NH3生产、运输和182天储存尽管氢还原铁是钢铁领域减碳的一种有效方法，但氢气的储运一直是氢动力技术发展的主要瓶颈。相较于氢气，氨气更容易液化，在同等条件下，液氨在标准大气压下-33℃就能够实现液化，而直接运输液氢温度则需要降至-253℃左右，氨气的储运成本远低于氢气且燃料效率更高。因此，氨直接还原铁技术逐渐受到关注，国外相关研究表明，氨还原相较于传统炼铁工艺，所需的温度较低，能够最大限度地减少温室气体排放。Fe2O3+2NH3530℃2Fe+N2+3H2O氨气与氢气生产、运输和储存成本对比成本（$/kgH2）生产运输储存3.3.1无化石钢铁：氨还原铁技术同为未来发展方向资料来源：AfeasibilitystudyofimplementinganAmmoniaEconomyIronmakingwithAmmoniaatLowTemperature前瞻产业研究院整理氨直接还原铁工艺直接还原炼铁可再生能源氨合成氨运输H2H2N2H2煅烧36%过程排放56%机器驱动8%混凝土成分60-75%碳排放在90%以上10-15%1-8%空气水水泥骨料水泥碳排放大骨料占比最大碳捕获&注入混凝土CarbonCure改变混合方式Solidia钢渣替代水泥CarbiCrete碳捕获&碳固化骨料BluePlanet混凝土是地球上消耗量仅次于水的第二大耗材，而水泥作为混凝土的粘合剂是混凝土中碳排放最大的成分。水泥的碳排放过半源自于制作过程中的释放。中国是水泥生产大国，减少水泥的使用量或降低水泥熟料系数是混凝土领域的主要减碳措施。此外，基于砂石骨料在混凝土中的重量占比达60%以上，发展骨料减碳技术也是一条很好的思路。5CaCO32SiO21500℃高温加热(3CaOSiO2)+(2CaOSiO2)5CO23.3.2低碳混凝土：降低混凝土碳排放的关键点为水泥和骨料注：每生产一吨水泥直接排放0.55吨二氧化碳；混凝土成分为重量占比。资料来源：中国建筑节能协会前瞻产业研究院整理低碳混凝土主要技术路径水泥碳排放来源结构水泥生成化学原理14-20%减少水泥碳排放的一个解决方案是将二氧化碳排放困在混凝土中。加拿大公司CarbonCure的技术将回收的CO2在搅拌时注入新鲜混凝土中，二氧化碳遇水生成的碳酸盐CO3就会与水泥中的钙离子发生反应，形成纳米大小的矿物碳酸钙，使其经过固化过程并永久嵌入。这项技术能够在锁定二氧化碳的同时，增加混凝土的压缩强度，减少水泥的使用量。Ca2+CO32-CaCO33.3.2低碳混凝土：CarbonCure通过锁碳和水泥减量实现可持续2CarbonCureCO2利用（Mt）预拌4.265.30.4再造水95.8砌体和预制资料来源：CarbonCure官网前瞻产业研究院整理166再生骨料总计WithoutCO减少水泥（Mt）净影响（Mt）CarbonCure的可持续混凝土解决方案CarbonCure混凝土的特性与减排影响80.7229.6130.312.3368519126.1294.912.7/特性一致美国的一家初创企业Solidia提出了一种通过改变混合方式并利用二氧化碳进行固化的混凝土减碳方案。首先通过水泥和砂石比例的调整将反应温度降低至1200℃左右，能源使用减少可在制造过程中减少30-40%的温室气体排放。其次，Solidia采用新型的二氧化碳固化工艺，在现有设备和相同原材料的基础上，利用少量的水和大量二氧化碳实现固化效率和混凝土性能的双重提升。现有设备相同的原材料更小的碳足迹更短的时间性能提升3.3.2低碳混凝土：Solidia混凝土可实现减碳和节水的双重效益砂粒Solidia水泥与CO2反应生成碳酸钙和二氧化硅，使结构硬化，形成Solidia混凝土将5.5:4.5的固体水泥粉和沙石混合，形成的松散结构Solidia混凝土Solidia水泥普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥混凝土Solidia混凝土砂石砂石小于1天混凝料H2O最多28天CO2混凝料Solidia混凝土的比较优势空隙用少量水和大量二氧化碳填充Solidia混凝土技术原理资料来源：Solidia官网前瞻产业研究院整理少量H2O和多量CO2碳酸钙和硅胶213固化达到设计强度的95~100%28days20℃14days28days加拿大的一家创业公司CarbiCrete开发了无水泥负碳混凝土技术，这家公司的碳化活化过程用炼钢产生的矿物废料代替水泥，并利用二氧化碳来固化混凝土混合物。这种“负碳”混凝土技术每生产一个18公斤的标准混凝土砌块，就可因避免生产水泥而节省2公斤的二氧化碳，并在固化过程中锁住1公斤二氧化碳，同时，还能减少水资源的浪费，并在更短的时间内降低材料成本、提升产品性能。ü更低的材料成本：降低20%标准设备ü更快的完全固化：24小时之内1kgCO2ü更好的抗压强度：提升30%3.3.2低碳混凝土：CarbiCrete推出无水泥负碳混凝土解决方案VSCarbiCrete无水泥混凝土注：CarbiCrete表示每个典型工厂采用该项技术生产混凝土能够减少2万吨的二氧化碳排放。资料来源：CarbiCrete官网前瞻产业研究院整理CarbiCrete无水泥负碳混凝土与传统水泥基混凝土的对比Conventional传统水泥基混凝土CarbiCrete特有吸收室CMUCMU其他材料1kgCO21kgCO2钢渣水泥骨料强度水T不同于其他技术从水泥的角度减排，BluePlanet基于生物进化引发对石灰石形成的思考，研发出从骨料角度切入的永久性碳捕获混凝土技术。该技术将砂石或工业废料浸泡在注入CO2的特定溶液中，反应后会在废料表面形成光滑的CaCO3结晶涂层。每吨BluePlanet的CaCO3骨料可实现440公斤CO2的永久性捕获封存，即使BluePlanet骨料混凝土建成的建筑物达到使用寿命并被拆除，二氧化碳仍会作为矿物质被锁定在聚合体中。100806040200BluePlanet骨料替换比例（%）3.3.2低碳混凝土：BluePlanet从骨料切入实现减碳创新碳酸盐矿化室注：骨料在混凝土的成分中重量占比达到60%以上；BluePlanet表示，若将现有砂石骨料的16%都替换为BluePlanet骨料，便可以在2050年实现二氧化碳储存量将温度上升保持在1.5℃以下。CO2600400200碳排放0BluePlanet骨料替换传统砂石骨料的减排效果BluePlanet的CaCO3骨料制作工艺示意图每吨BluePlanet骨料包含440kg或970lb的CO2液体重整罐-200-400隐含碳-600(lb/CO2y3)资料来源：BluePlanet官网前瞻产业研究院整理砂石/钢渣/混凝土废料/铝土矿渣等烟道气中捕集的二氧化碳耗尽CO2的气体气体吸收室高矿物质水碳酸铵水氨盐水负碳氨水从能源终端碳排放来看，建筑部门的碳排放量与工业和交通领域大体相当；但若从建筑全过程的碳排放来看，建筑部门几乎是碳排放量最高的部门。由此可见，建筑领域推行高标准的节能技术，是实现碳中和目标的重要手段。节能建筑通过被动式技术手段及可再生能源，大幅提高能源设备与系统效率，降低建筑能耗水平。100%60%-75%50%3.3.3建筑行业“碳减排”技术：高耗能推动节能技术发展其他,48.8%其他,0.512注：被动式节能指通过节能保温材料和施工手段达到节能目的，如：多层玻璃的窗户、最大程度利用日光；主动式节能指从用电量源头着手，比如使用1级能效标识的空调、冰箱等。建筑领域全过程碳排放占比节能建筑发展技术阶段超低能耗建筑-不借助可再生能源+自然气候条件+被动式技术手段，提供日常供能近零能耗建筑-利用可再生能源+自然气候条件+被动式技术手段，提供日常供能定义—节能率（供暖、空调、照明及可再生能源）零能耗建筑-可再生能源大于等于建筑物自身用能城镇居建、公共建筑、农村建筑……钢铁、水泥、铝材……资料来源：中国建筑节能协会等前瞻产业研究院整理建筑材料,28.3%运行阶段,21.9%施工阶段,1.0%根据IEA的数据，以空调为主的空间制冷设备已经占据全球电力消耗的10%以上，未来将进一步增长。压缩机作为空调最主要的耗能部件，是空调系统节能减排技术的突破重点。Magtor公司利用磁铁的正负极转向来推动可移动部件的往复运动，形成完全线性的双向压缩机。在相同的功耗下，Magtor以0.98的最佳性能比，提供了高出普通压缩机平均水平90%的压力，比目前市场上最好的压缩机设备还高出约29%。能比（barxlpm/W）0.98压缩机平均性能比Magtopressor运行范围0.90.80.70.60.50.40.30.20.10气压（bar）0.980.773.3.3暖通空调系统：线性磁铁压缩机打开空调节能新思路全球空间制冷设备耗电量占比16%Magtopressor™性能明显优于所有传统往复式压缩机Air传统的往复式压缩机运行范围注：上图耗电量占比为空间制冷设备在所有建筑用电设备耗电量中的比重。0.770.680.55资料来源：IEA；Magtor官网前瞻产业研究院整理Magtopressor™运作简图0123456789101112131415最先进往复式压缩机的性能比范围Magtopressor性能比范围10%+40%+13%+88%+29%2050EPoC2016Air0.52性1冷却模式热水器尽管热泵在许多国家已成为新建房屋中最常见的技术，但截至2019年热泵仅满足全球建筑供暖需求的5%左右，而化石燃料供热设备的需求仍占据了56.5%。地源热泵技术利用地下相对温度冬暖夏凉的稳定特性，形成一个完全封闭的循环，建筑物通过供暖与冷却系统模式的转换，可节省20-40%的空调电费。全球供暖技术市场需求结构及可持续情景预测地源热泵系统示意图3.3.3暖通空调系统：地源热泵技术为低密度建筑未来主要方式201020192025E2030E化石燃料设备电气设备区域供热可再生能源和氢基设备热泵注：左图的比例为居民购买供热和热水设备的选择占比；2025年和2030年的数据为实现IEA可持续发展情景的目标比例。2.9%59.7%4.9%56.5%15.4%40.2%22.1%35.3%资料来源：IEA等前瞻产业研究院整理加热模式水器散热吸热热热水器是建筑运行阶段最常用的一种耗能设备，传统的热水器通常为整罐加热，多余的热水需要继续耗能保温或直接冷却，长期将造成大量的热量损失和能源浪费。Mixergy公司基于此研发了一种节能热水器，利用水热量传导速度较慢的原理，在储水罐内部进行自上而下的加热。Mixergy热水储罐产生可使用热水的速度大约是普通储罐的五倍，并且，通过减少热损失和智能化控制加热时间可最大限度利用能源，降低高达20%的能耗。Mixergy热水器分层加热水体热分层线3.3.3建筑节能技术：热水储存技术可最大限度利用能源电力热泵资料来源：Mixergy官网前瞻产业研究院整理燃气锅炉太阳热能或光伏容积式加热智能大脑多种热源注：长方体从左到右为加热过程中储水罐内部水温变化情况。普通热水器整体加热VS智能控制智能窗户的变动与管理均可在移动设备上完成节能降本可降低空调和照明成本高达20%视野开拓根据室外环境自动调节着色，阻隔光热的同时保持视野的开拓硅谷的View团队开发了一种智能电致变色窗户，通过微小电压改变窗户的着色，动态调节太阳辐射能的透过率，使得室内的温度和亮度发生变化。这种智能窗户能够最大程度的利用自然光热，降低空调和照明的能耗，从而3.3.3建筑节能技术：智能窗户可减少空调和照明的能耗达到节能减排的效果。View电致变色智能窗户产品设计光热阻隔色调越深，阻挡的太阳辐射和眩光越多，从而为居住者优化光照水平和温度电压当对玻璃施加微小的电压时，离子在金属氧化物层之间移动，导致玻璃着色智能涂层多层金属氧化物薄层在玻璃内部形成电致变色涂层资料来源：View官网前瞻产业研究院整理View智能窗户的价值太阳热量可视光231玻璃玻璃氢燃料电池和热电联供的使用是建筑物供热用氢的一种潜在使用方式，日本、德国和英国等国家均在积极推进此类项目，以提高能源的利用效率，实现建筑节能。以日本松下电器的ENE-FARM技术为代表，相较于传统发电方式，ENE-FARM燃料电池提高电能利用率的同时，幅提升。典型热电氢联供型微电网系统结构天然气3.3.3建筑节能技术：热电联供分布式能源技术实现能源高效利用电送废电能流热能流氢能流天然气流能够减少热能的浪费，通过热电联产实现综合能源效率的大35%5%60%综合能源效率提升电能利用40%热能利用40%排热20%热母线松下电器ENE-FARM技术能量利用效率示意图李奇等《基于氢储能的热电联供型微电网优化调度方法》；松下电器前瞻产业研究院整理燃料能量100%80%燃料能量100%35%电损失热电能热能电能热能热负荷及电负荷资料来源：燃料电池光伏发电风力发电燃料电池燃气锅炉发电厂能利用储氢罐蓄电池蓄热槽电锅炉电母线电解槽LAVO开发了全球首个家用氢电池，光伏与氢燃料电池构成的绿色储能系统的使用寿命是锂电池的两倍，该系统通过混合逆变器连接到太阳能光伏系统，并通过净化系统连接到自来水，可使内部电解槽将多余的能量把水转化为氢气，储存在储氢罐中。使用能量时，通过燃料电池将能量输送到家庭，并添加一个5千瓦时的小型缓冲锂电池以实现瞬时响应。可再生能源与电解水制氢的结合，有效实现零碳的可持续功能。LAVO氢电池储能系统示意图固体材料储氢体积密度明显高于其他储氢方式3.3.3建筑节能技术：小型氢电池储能系统实现可持续零碳供能电池电解器净水器转换器混合逆变器高压气态储氢低温液态储氢有机液态储氢固体材料储氢资料来源：LAVO官网前瞻产业研究院整理注：LAVO储能系统可以储存40千瓦时的能量，是特斯拉Powerwall2的三倍，足够一个普通家庭使用两天。功率计储氢质量百分比（wt%）106燃料电池体积储氢密度（kg/m3）240VAC电网电源太阳能光伏列阵自来水供应氢储罐净化水循环水空气73.770.76.75.77.67.6H2H240纯电动汽车是新能源汽车最重要的一个分支，其销量会随着新能源汽车销量的不断扩大而扩大。纯电动乘用车生命周期碳减排潜力较大，到2060年可实现减排至17%（以2020年为基准）,具体来看，对纯电动车减排贡献最大因素为电网清洁化，随着时间的发展，动力蓄电池碳排放的对纯电动车碳减排的作用越加明显；使用能效与电网清洁化两者共同作用于纯电动车燃料周期的碳减排。2016-2020年中国纯电动汽车销量及占新能源汽车比重情况纯电动乘用车2020-2060年生命周期碳减排潜力百分比3.3.4交通行业“碳减排”技术：纯电动汽车减碳潜力较大资料来源：中汽协、《中国汽车低碳行动计划研究报告2021》等前瞻产业研究院整理纯电动汽车销量新能源汽车销量纯电动汽车销量占比90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%16014012010080604020020162017201820192020136.7111.650.740.981.6%80.5%80.7%78.3%83.9%120.6125.698.497.165.277.71、照明：植物需要光合作用必须的电磁波谱才能生长1）垂直农场专用LED灯价格下降（不到10美元）；2）效率大大提高（可用50年）；3）灯光散发热量低，为植物生长创造了完美的环境；4）太阳光由多种波长的光组合而成，LED灯可筛除不必要的光，只留如红光和蓝光等可使植物达到最佳生长状态的光。2、无土栽培系统水培法——优点：不用土，省水，水可反复利用，易扩大规模雾培——优点：减少多达90%的用水，植物可以摄入更多矿物质鱼菜共生（将鱼放在室内池塘中，鱼产生营养丰富的废物后，将其提供给植物，而植物又可过滤和净化这些废水）——优点：养鱼不换水，种菜不施肥1、免去远程输送。传统农场上种植的作物通常要经过1500至2000英里的路程，垂直农场往往离最终目的地更近。2、减少碳排放。由于运输距离减短，汽车运输产生的碳排放也能减少。3、地点不限，不受爬坡条件影响。4、可全年种植农作物。3.3.5农业节能技术：垂直农场优势明显垂直农场——新型室内种植方式资料来源：前瞻产业研究院整理负排放技术路径碳移除/碳捕捉途径形成的可利用产品碳移除/碳利用潜力（亿吨CO2/年）成本（美元，负值表示盈利）二氧化碳制化学品烟道气等来源CO2→化学产品甲醇、尿素和塑科等0.1-0.3/3-6-80-320二氧化碳制燃料烟道气等来源CO2→燃料、催化氢化甲醇、甲烷等0/10-420-670微藻的生产CO2→微藻生物水产养殖饲科等生物制品0/2-9230-920混凝土碳捕集烟道气等来源CO2→水泥建筑物、混凝土碳化的水泥、混凝土1-14-30-70提高原油采收率烟道气等来源CO2→储油池石油1-18-60-45生物能源的碳捕捉和储存植物的生长农作物、植物等5-5060-16矿物碳化CO2→粉状硅酸盐岩石农作物利用形成生物质20-40少于200植树造林森林的光合作用森林、木材等5-36/0.7-11-40-10土壤碳封存技术CO2→土壤有机碳农作物利用形成生物质23-53/9-19-90--20生物炭CO2→木炭农作物利用形成生物质3-20/1.7-10-70--60当前，负排放技术主要包含碳捕集封存（CCUS）及生态碳汇技术。如果以绿色植物（秸秆等）作为燃料，并辅以碳捕捉技术，有望净减少大气中的二氧化碳。我国目前生态系统每年固碳速率在10到40亿吨二氧化碳左右，约抵消人为碳源10%-40%。3.4“负碳”技术：碳封存及生态固碳有助于CO2吸收中国陆地生态系统固碳速率（亿吨CO2/年）40中央经济工作会议碳中和部署任务之一：开展大规模国土绿化行动，提升生态系统碳汇能力化石燃料燃烧、工业生产、废弃物处理、农业及土地利用Piao,etal.Nature遥感评估Wang,etal.NatureJu,etalChen,etal,NC生态碳汇：植树造林资料来源：中国科学院Nature2019等前瞻产业研究院整理若碳捕捉成本低于碳价，则这一技术将拥有正收益。碳中和人为碳排放人为碳吸收CCUS211389碳捕集、利用与封存（CarbonCapture,UtilizationandStorage，简称CCUS），即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。CCUS技术可实现化石燃料利用过程的二氧化碳近零排放，可以在为经济发展保障能源安全稳定供应的前提下，既降低碳排放总量，同时显著控制总减03通过工程技术手段将捕集的二氧以生物转化为主要手段，将二氧化碳储存于地质构造中，实现与化碳用于生物质合成大气长期隔绝的过程利用与封存以化学转化为主要手段，将二氧化碳将二氧化碳注入地下，生产或强和共反应物转化成目标产物，实现二化能源、资源开采的过程氧化碳资源化利用的过程化工利用3.4.1碳捕集、利用与封存技术：推动生产活动CO2减排01捕集将化工、电力、钢铁、水泥等行业利用化石能源过程中产生的二氧化碳进行分离和富集的过程；可分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集02运输将捕集的二氧化碳运送到利用或封存地的过程，包括陆地或海底管道、船舶、铁路和公路等输送方式CCUS主要过程和技术环节资料来源：IEA全球碳捕集与封存研究院等前瞻产业研究院整理排成本。生物利用地质利用地质封存从捕集环节来看，部分技术已达到或接近达到商业化应用阶段；从运输环节来看，二氧化碳陆路车载运输和内陆船舶运输技术已成熟；从利用环节来看，化工利用取得较大进展，整体处于中试阶段；从封存环节来看，中国已完成了全国二氧化碳理论封存潜力评估。重整制备合成气制备液体燃料合成甲醇合成有机碳酸酯合成可降解聚合物合成聚合物多元醇合成异氰酸酯/聚氨酯钢渣矿化利用石膏矿化利用低品位矿加工联合矿化转化为食品和饲料转化为生物肥料转化为化学品和生物燃料气肥利用陆地咸水层封存海底咸水层封存枯竭气田封存枯竭油田封存燃烧前-化学吸收燃烧前-物理吸收燃烧前-物理吸附燃烧前-膜分离燃烧后-化学吸收燃烧后-吸附法燃烧后-膜分离富氧燃烧-常压富氧燃烧-增压富氧燃烧-化学链车运陆地管道海底管道海上船舶强化石油开采强化煤层气开采强化天然气开采强化页岩气开采增强地热开采铀矿地浸开采强化深部咸水开采3.4.1碳捕集、利用与封存技术：各环节进展速度加快20112018资料来源：中国碳捕集利用与封存技术发展路线图（2019）前瞻产业研究院整理概念阶段基础研究中试阶段工业示范商业应用概念阶段基础研究中试阶段工业示范商业应生物利用地质封存化工利用地质利用20112018输送捕集用CO2资源化利用是解决温室效应、发展绿色能源、实现碳中和的重要途径。加氢催化转化是CO2最有效的利用方式之一。CO2选择性转化为CO、CH4、CH3OH、二甲醚，烯烃，芳烃、碳氢化合物和高级醇已被广泛研究，主要是通过多相和多功能催化。机遇挑战3.4.1碳捕集、利用与封存技术：加氢催化推动CO2资源化利用CO2催化加氢反应的转化率和收率较低工艺过程仍存在用能过大的问题来源氢供给成本较高α-烯烃是高端化工原料，需求增长下游产业链及技术链趋于成熟反应条件接近高温费托合成CO2加氢催化转化利用CO2加氢催化转化技术的机遇与挑战CO2+H2COCH4HigheralcoholsCH3OCH3Olefins资料来源：公开资料前瞻产业研究院整理HydrocarbonsHCONR2HCOOH工艺流程主要包括林分结构特征调研与评估、林窗大小、数量与布局的确定和设计、疏伐对象的确定与标记、疏伐时间选择、疏伐作业操作与采伐剩余物处理、补充操作与完善等过程秸秆清洁制浆及其废液肥料资源化利用技术工艺流程典型案例山东泉林纸业有限责任公司年处理150万吨秸秆综合利用项目典型用户山东泉林纸业有限责任公司、吉林泉德秸秆综合利用有限公司、黑龙江泉林生态农业有限公司、山东和润浆纸有限公司等典型案例凤仪林场云杉人工林疏伐技术示范项目、凤仪林场油松人工林疏伐技术示范项目典型用户四川茂县林业局、四川壤塘林业局等森林碳汇技术原理基于林木群体稀疏理论与森林林窗镶崁演替理论，模拟林窗形成，采取有限的人为疏伐措施，消减冠层乔木间的竞争自耗（碳排放），去激活乔木活力，进而提高乔木净生产力。耕地碳汇技术原理通过锤式备料、亚氨法置换蒸煮、机械疏解-氧脱木素工艺，实现木素高效脱除、降低黑液粘度并提高黑液提取率，形成适于秸秆的本色纸浆及纸制品制造技术关键技术总体疏伐强度控制技术林窗大小组合与布局应用技术关键技术锤式备料技术草浆置换蒸煮技术机械疏解-氧脱木素技术本色浆技术制浆黑液制有机肥技术3.4.2碳汇技术：森林、耕地碳汇扮演重要角色资料来源：《国家重点推广的低碳技术目录》前瞻产业研究院整理人工小林窗疏伐经营技术大陆海岸线：1.8万公里岛屿海岸线：1.4万公里海洋物理固碳藻类固碳深海封储固碳珊瑚礁固碳海洋生物固碳贝类固碳海滨湿地固碳海洋生态体系固碳海洋碳汇是利用海洋活动及海洋生物吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在海洋中的过程、活动和机制。海洋不仅储存了地球上93%的二氧化碳，每年还可吸收约30%的二氧化碳，是陆地碳汇的3倍。3.4.2碳汇技术：海洋碳汇发展潜力较大我国具备发展海洋碳汇的优良条件（海岸带海洋碳汇生态系统生境总面积1623~3850平方公里、碳储存量34.9~83.5万吨/年）海洋生态系统固定了全球55%的碳，每年吸收约30%的人类活动排放到大气中的二氧化碳55%30%海洋碳汇技术资料来源：中国自然资源报等前瞻产业研究院整理海洋碳储量是大气碳库的海洋碳储量是陆地碳库的海洋人工上升流能量泵技术，能够通过上升流能量泵阵列，人为地从500米深海将富含营养物质的深海海水提升至阳光能够照射到的浅海表面，加速浅海区域浮游生物的生长。深度超过300米的海水具有高浓度的溶解硝酸盐、磷酸盐和铁等微量矿物质。当深层海水在阳光下混合时，会生长出浮游植物，这些植物状的生物会吸收二氧化碳并产生氧气。当这些浮游生物死亡后，它们的尸体将会牢牢锁住二氧化碳，并将其永远沉在深海的海底当中，从而增加海洋固碳，促进海洋碳汇。可大规模推广地球表面积65%均为海洋，只要是海洋环境都可以部署这一技术部署在远离珊瑚礁的区域，无需占用土地、无需消耗水资源、渔业友好人工上升流能量泵的寿命可达80年以上，并且大部分维护可以在现场完成，无需带回工厂维修3.4.2碳汇技术：海洋人工上升流能量泵每个动力泵都配备有GPS以进行跟踪，并配备其他传感器来监控运行状态利用无限的海浪能量作为动能，无需耗费额外能源资料来源：前瞻产业研究院整理环境友好经济实惠可测量耐用前瞻四大自研专利数据库+10大产业链服务1.5亿产业大数据98%全国政策大数据产业规划产业招商中国产业链服务领创者前瞻产业研究院于1998年在北京清华园成立，现已上市并立足于中国粤港澳大湾区深圳先行示范中心，依托前瞻产业研究智库、政府决策智库、产业规划智库、产业IPO智库、前瞻大数据平台、产业新媒体平台的多元化优势，致力于为政府、企业、科研院所等单位的提供产业链综合服务。历经23年发展，前瞻以“数据平台+资源整合”为基石，以“研究规划+落地实践”为方法，助力各大单位实现增长目标，已服务全国逾2000家政府单位，影响着93%中国500强企业，以及决策人、技术专家、科研人员和终端消费者。国家高新技术资质、产业大数据获得“双软”认证的产业咨询机构国家商务部指定为粤港澳大湾区唯一“应对贸易摩擦区域性工作站”中华人民共和国国家统计局涉外调查许可证深圳市国际交流平台指定智库服务商长春市政府决策支持最佳智库机构新型城镇化建设与产业发展促进中心指定产业规划智库清华大学研究院“产业、空间规划、运营一体化服务”指定机构部分荣誉与资质全产业链智慧招商大数据2.6亿企业大数据项目投资资源对接产业定位市场调研产业升级产业研究产业IPO园区匹配「前瞻碳中和战略研究院」将聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询，帮助各大单位节能减排低碳转型提供解决方案,促进绿色低碳和高质量发展。INTRODUTION关于前瞻碳中和战略研究院行业知识技术应用深度融合战略举措碳中和计划企业效率创新城市高效治理完善治理CarbonNeutralStrategicResearch>><<政策支持Insitute强化世界竞争力促进绿色金融经济价值商业价值商业价值社会价值行业国家保障民生落地单元方向引导产品升级产品升级转型升级业态转型承接战略以人为本降本增效GENERALSCHEME整体方案解决路径实质分析>分析、评估可能带来的机遇及风险实际诊断>全面盘查企业在产品、运营及供应链层面的碳排放情况，识别并分析在不同排放边界内的脱碳潜力及机会点目标设定>通过全球广泛认可的工具及方法论，帮助企业设定基于科学的脱碳目标路径规划>帮助企业系统设计和梳理脱碳路径，通过建设能源管理体系、开展能源审计及使用可再生能源等管理和技术措施实现脱碳目标；帮助企业筛选可投资的碳清除项目以抵消不可避免的碳排放，帮助企业开发碳减排项目以获得可交易的碳减排量并参与市场化碳交易；为企业宣传、推广和引进低碳技术及低碳产品提供策划及实施方案能力培训>以既定的脱碳目标为导向，基于选定的脱碳路径，通过实际教学与管理方式的内训模式，让相关单位在实现目标时更精准信息披露>根据适用的碳排放信息披露制度及规范要求，帮助企业对直接排放、间接排放、其他间接排以及脱碳行动计划执行情况进行定期信息披露，并通过实施第三方核查加强碳排放信息的可信度碳中和认证>颁发第三方认证（证书及标识）证明企业通过采取脱碳及抵消措施，其温室气体排放或/及产品碳足迹已实现“净零CarbonNeutralStrategicResearchInsitute运营分部：北京/上海/成都/长沙/厦门徐文强前瞻产业研究院院长、前瞻首席科学家加州大学伯克利分校博士国家特聘专家Tel∶15921686858前瞻官网：www.qianzhan.com.cn运营总部：深圳市南山中心区粤海街道高新南一道飞亚达科技大厦西区3楼全层前瞻20万+国内外服务客户THANKS「前瞻产业研究院」「前瞻经济学人」「前瞻官网」