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  • 电子商务的增长推动了物流行业的创新和发展。
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  • 网络安全问题成为全球关注的焦点,尤其是个人信息泄露和数据安全。
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  • 教育公平是社会进步的基石。
  • 生物技术在医药领域的应用带来了新的突破和挑战。
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  • 随着全球对COVID-19疫情的持续应对,远程工作已成为新常态。
  • 社交媒体的算法调整引发了公众对隐私保护的担忧。
  • 生物技术在医药领域的应用为治疗复杂疾病提供了新的可能性。
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  • 网络安全漏洞频发,个人信息保护成为公众关注的焦点。
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  • 技术创新是打开碳中和大门的关键抓手

    技术创新是打开碳中和大门的关键抓手

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    国务院发展研究中心 壳牌国际有限公司

    内容提要: 

    本文摘自《面向未来 助力增长:构建中国新型能源体系》一书。该书以“双碳”目标为出发点,充分考虑安全和经济视角,综合采用可计算一般均衡模型(CGE)、长期能源替代规划模型(LEAP)、综合资源战略规划模型(IRSP) 和电力系统优化模型(WeSIM),对能源系统的重构和新能源的发展予以深入研究。本文重点介绍了六大面向未来的能源技术创新,并提出2030年前应侧重零碳电力系统相关技术的研发和应用;2035年左右氢能技术、生物燃料、CCS可以实现商业化;2050年左右受控核聚变等新型核电技术及其他概念性技术力争派上用场;2060年前碳捕集与利用(CCU)循环利用技术及未知重大技术等广泛应用。

    依托当前可预见的技术路径迈向碳中和存在较大的不确定性以及系统安全挑战,应始终跟进能源技术前沿,重视通过技术创新平稳向新能源系统过渡。根据技术重要性及所处发展阶段,我们认为:2030 年前应侧重零碳电力系统相关技术的研发和应用;2035年左右氢能技术、生物燃料、CCS 可以实现商业化;2050年左右受控核聚变等新型核电技术及其他概念性技术力争派上用场;2060年前碳捕集与利用(CCU)循环利用技术及未知重大技术等广泛应用。

    (一)零碳电力系统支持技术:源网荷储全面攻关

    发电方面,水电、地热能和常规核电已较为成熟,风电、光伏和大规模热泵已处于商业化运用阶段。光热发电、海洋能以及煤电+CCS、天然气发电+CCS、生物质发电+CCS等尚处于商业化验证阶段。输电方面,特高压输电技术处于商业化阶段,灵活的高压交流电输送技术处于验证阶段,快速频率响应以及运用虚拟惯性解决风光发电带来的转动惯量较低的问题处于大规模原型试验阶段。充电方面, 快速充电已开始商业化运用, 智能充电则需要集成IT和OT 技术,用以对电动汽车进行协调管理,通过感应线圈与特殊道路材料相结合实现汽车行驶过程中的无线充电属于远期技术。需求响应和储能方面,需求响应技术和电池储能技术已进入商业化验证阶段,化学储能技术基本成熟。

    在交通、工业和建筑电气化转型技术方面,交通领域中铁路相关技术已较为成熟,轻载和重载客运车辆技术已开始商业化运用,船舶的电气化处于验证阶段,航空正在开发和测试电动飞机原型,但考虑到电池能量密度限制,航空用电可能仅限于短途飞行。传统工艺需要大量热能,工业领域中存在着中低温加热、高温加热和电解矿石等工艺需求,通过电能提供热能替代传统燃料正在加紧攻关中,目前较为成熟的技术主要用于电解铝。建筑领域的电气化过程需要引入大量先进的热泵技术,用以实现建筑物的供暖和制冷及空气的流通循环。此外,汽化冷却系统也已开始商业化运用,固态冷却系统尚处于小规模原型试验阶段。工业、建筑、交通领域的节能技术以及创新材料、工艺、设计、制造等技术也须持续深入推进。

    (二)氢能技术:产业链条系统发力

    氢能源的利用,特别是低碳氢能的利用尚未达到商业化规模的水平。目前许多涉及制氢、储运氢、用氢等的必要技术,处于不同的阶段并面临着特定的挑战。

    在制氢环节,目前以灰氢为主,可再生能源电解制氢仍存在成本高和效率低的问题, 须加快技术迭代进程。氢能的运输储存需要和众多基础设施相关技术结合,目前较为成熟的技术主要是管道输送技术和箱储技术,氨水箱储气和盐穴储气技术处于早期商业化阶段,天然气管道混输技术处于商业化验证阶段,液态氢储存和液态氢气运输尚处于大规模试验阶段。

    氢能的使用主要集中在能源转型、工业、交通、建筑和发电方面。在能源转型方面, 合成甲烷的相关技术处于商业化验证阶段,合成液态烃的技术处于大规模试验阶段。在工业中,电解甲醇和氨对氢能的利用处于商业化验证阶段,氢能用于钢铁行业的技术处于大规模试验阶段。在交通领域, 使用氢燃料电池的轻型乘用车已进入商业化阶段,大型车辆、船舶和铁路的运用仍处于验证阶段,而直接运用氢能的引擎技术和使用氨的船舶也处于大规模试验阶段。在建筑领域,使用氢的锅炉和氢燃料电池均已开始商业化运用,使用氢能驱动的热泵处于商业化验证阶段。在发电领域,高温燃料电池已开始商业化运用,使用氢能的燃气轮机已开始商业化验证,与氨混合使用的煤电技术还处于大规模试验阶段。

    (三)生物质能技术:供用两端同时推进

    生物质能主要涉及供应端技术和应用端技术。其中,供应端技术主要有生物质获取、生物燃料生产和生物质发电。应用端,在工业、交通和建筑领域均有着广阔的前景和潜力。

    直接获取生物质核心的技术是双季作物栽培技术,即在粮食作物种植的闲置时段种植能源作物,从而缓解粮食与能源之间的紧张关系,该项技术尚处于小规模试验阶段。生物燃料的制备目前已开始商业化的技术包括生物乙醇、生物甲烷、生物柴油和生物沼气技术,和CCUS技术相结合的生物乙醇、生物甲烷技术开始商业化验证,与CCUS技术相结合的生物柴油,以及以藻类为基础的生物柴油、沼气技术尚处于小规模试验阶段。生物质能发电技术较为成熟,基于生物气体或生物液体的内燃机技术开始商业化运用,固体生物质循环发电技术和搭配CCUS的生物质技术尚处于商业化验证阶段。

    生物质能应用范围较广, 部分技术成熟度很高。在工业领域,生物质能作为工业燃料的技术已较为成熟,运用生物质进行甲醇制备和其他化工产品生产的相关技术已进入商业化验证阶段,运用生物质进行氢、氨制备的技术尚处于大规模试验阶段。在交通领域,生物柴油或生物乙醇作为燃料的乘用车和轻型卡车相关技术已进入商业化运用阶段,生物柴油作为燃料的船舶和生物燃料飞机的相关技术尚处于商业化验证阶段。在建筑领域,生物质燃料供暖和生物质炉灶已开始商业化运用。

    (四)CCS:使化石能源继续成为重要选项

    CCS是实现化石能源净零排放的唯一技术选择,即使未来大力发展以风能、光能等可再生能源为主的现代化能源体系,仍然需要依靠CCS削减来自化石能源的排放。生物质能—碳捕集与封存、直接空气碳捕获和储存(DACCS)等负排放技术更是实现碳中和目标的托底技术保障。

    碳捕集技术进展较快。化工领域,氨生产过程中的化学捕集方式较为成熟,物理捕集方式和甲醇的化学捕集方式已开始商业化运用。钢铁领域, 铁的直接还原中的化学捕集方式已进入商业化运用阶段,富氧冶炼还原的物理捕集方式还处在验证阶段,富氢高炉工艺的化学捕集处在大规模试验阶段。水泥领域,化学捕集技术和水泥—钙循环技术已进入商业化验证阶段,其余技术还处于大规模试验阶段。发电过程中的碳捕集主要涉及煤电、天然气发电和生物质发电,煤电的碳捕集已进入商业化阶段, 其余尚处于商业化验证阶段。直接空气碳捕获技术主要包括固态、液态两种,均处在大规模试验阶段。

    从碳封存潜力看,中国地质理论封存潜力为1.21万亿~4.13万亿吨,是仅次于美国、排名第二的碳封存潜力大国。就运输和封存技术来说,目前成熟的运输方式为管道运输,海运的商业化情况尚待验证。封存技术主要包括陆上封存和离岸封存两种方式。其中,各个技术类别处于不同发展阶段,强化采油和浸采采矿技术发展最为成熟,能够实现商业化应用;强化深部咸水开采与封存技术从概念阶段发展到工业示范水平;驱替煤层气技术初步达到工业示范水平。

    2035年前的主要任务是推动技术由工业示范转向商业化阶段。2035年左右技术将趋于成熟,逐步实现完全商业化运行。根据学习曲线研究, 2040年后火电加装CCS的度电成本可以控制在0.15元。到2060 年CCS广泛应用,与之耦合的BECCS和DACCS等负排放技术得到全面推广。初步测算, 2060年CCS总的减排贡献将超过10亿吨二氧化碳。

    (五)受控核聚变技术: 期待破局之选

    核聚变是一种理想的未来绿色能源。核聚变的主要过程是在高温下将氢的同位素氘和氚融合在一起形成氦,而这一过程会以热量形式释放出巨大能量。通过核聚变可以在全球范围内实现仅从廉价材料中获取少量燃料,就能长期得到近乎无限的清洁电力能源。现有研究数据表明:海水中储藏超过40万亿吨氘,1升水可以电离0.03克的氘,仅这0.03克的氘反应释放的能量相当于燃烧300升的汽油,如果把自然界的氘和氚全部用于聚变反应,释放出来的能量足够人类使用100 亿年。更重要的是,相比核裂变,核聚变是安全的,因为它不会引起“失控”链式反应。

    各国普遍看好受控核聚变,不断实现新突破。根据国际原子能机构发布的数据,截至2021年底,全球在运营的核聚变装置有96座。2021年12月21日,欧洲的研究团队实现了受控核聚变能量的新突破,在目前世界上最大的聚变反应堆欧洲联合环(JET)中,将氢的同位素氘和氚加热到了1.5 亿摄氏度并稳定保持了5秒钟, 同时核聚变反应发生,原子核融合在了一起,释放出59兆焦耳的能量。美国在另一条技术路线上也取得了突破,利用192 个激光器制造一个和人类头发丝直径差不多大的微小热点,从而在100万亿分之一秒内产生超过10万亿瓦的聚变能量。2006 年以来,欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国正在进行一项名为“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”的项目,相当于建造一个大规模的“人造太阳”,该项目预计2025年底实现第一次点火, 2035年进入运行阶段。中国受控核聚变技术处于第一梯队, 2035年后具备商业化的可能。

    中国受控核聚变研究几乎与国际同步,部分技术水平走在了前列。2020年12月4日,新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M) 在成都建成并实现首次放电, 标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术。2021年12月30日, 全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环(EAST)实现了1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。据最新评估,中国最早可在2035年实现核聚变投入小于产出,为商业化创造条件。

    (六)CCU技术:二氧化碳循环利用革命

    二氧化碳可作为生产原料使用。二氧化碳主要可用于制备尿素、混凝土、甲醇、合成甲烷及合成液态碳氢化合物。用于制备甲烷的技术较为成熟,制备混凝土的技术已开始商业化应用,制备甲醇、合成甲烷的技术还在商业化验证中,制备合成液态碳氢化合物的技术尚在大规模试验阶段。

    CCU加可再生能源制氢合成燃料有望实现二氧化碳循环利用。利用二氧化碳加氢合成甲醇的循环模式可作为应对油气时代过后能源紧缺问题的一条解决途径。目前,二氧化碳加氢制甲醇已经成为全球研究热点,并开发出催化剂及不同的技术路线,建成了一批示范装置。此外,二氧化碳和氢合成汽油技术也取得突破,中国首个试验量产。一旦“源源不断的可再生能源电解制氢+捕集燃料消耗产生的二氧化碳,合成变成燃料”这一循环成为现实,碳中和格局将迎来深远变化。

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