双碳目标下新型科研体系建设

张通

(安徽理工大学深部煤炭开采响应与灾害防控国家重点实验室 安徽淮南 232001)

能源是国家经济社会发展的重要保障，地球是人类赖以生存的家园，生态文明建设已上升至国家战略，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上首次提出“碳达峰、碳中和”的目标[1]。碳达峰、碳中和是一场广泛且深刻的经济社会系统性变革，涉及经济增长、社会发展、能源安全、产业升级、体制机制等多个方面。《2030年前碳达峰行动方案》指出，到2030年，单位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上，森林蓄积量达到190亿m3，到2060 年，碳中和目标顺利实现，生态文明建设取得丰硕成果[2]；《“十四五”规划和2035 年远景目标纲要》提出到2035 年人均国内生产总值达到中等发达国家水平，要求经济增速接近5%[3]。我国面临着保障经济增长与实现零碳发展的双重压力，双碳目标驱动能源结构体系和产业体系变革，带来产业协同发展、低碳技术竞争、生态环境保护、就业创业等诸多颠覆性挑战。

基于社会发展的能源需求，碳排放体量持续增长，以煤为主的能源禀赋，顶层体制机制不健全，高质量低碳人才缺乏的基本国情，及煤炭清洁高效利用，清洁能源多能耦合互补，新型储能技术和规模化，CCUS 关键技术与产业化，绿色金融、碳汇碳市场科学技术难题，我国实现碳中和发展面临诸多难题。积极构筑新型科研体系引领产业绿色转型、助推科技前沿进步、重塑未来发展方式、增强全球竞争力，将提高我国清洁能源水平、保障国家能源安全、经济持续健康发展，塑造大国对国际社会负责的良好形象，双碳目标下新型科研体系构建意义重大。

1 面临机遇与挑战

2021年能源消耗CO2排放量增至363亿t，中国CO2排放量超过119亿t，占全球33%[4]。目前已有超过130个国家和地区提出了碳中和目标，欧盟、美国、日本从碳达峰到碳中和所用时间分别为71年、43年、37年，中国仅有30年时间；同时中国单位GDP 能源消耗410克标煤/美元，是世界平均水平的1.7倍，发达国家平均水平的2.9倍，清洁能源消费量仅占比25.5%，我国实现碳中和面临时间和技术的双重考验。2022年5月习近平总书记在全国两会中强调：“绿色转型是一个过程，不是一蹴而就的事情。要先立后破，而不能够未立先破。实现‘双碳’目标，不能脱离实际、急于求成，搞运动式‘降碳’、踩‘急刹车’。不能把手里吃饭的家伙先扔了，结果新的吃饭的家伙还没拿到手，这不行。[5]”随着我国生态文明建设的不断推进，“绿水青山就是金山银山”的理念日益深入人心。以顶层设计结合试点示范的工作模式，我国先后启动各类低碳试点工作，推动落实中国政府所承诺的二氧化碳排放强度下降目标。通过以点带面的政策示范效应，充分调动了各方面低碳发展的积极性、主动性和创造性，为“双碳”目标的实现注入强大动力。独具中国特色的政策设计逻辑，以及全力打好污染防治攻坚战的政治执行力，充分彰显了我国制度优势，尤其是集中力量办大事的优势。只要我国继续秉持新发展理念，凝聚全社会智慧和力量共同行动，打赢这场硬仗并不是天方夜谭。人类生存、经济增长、能源开发、环境保护协调发展至关重要。

1.1 净零碳经济增长压力巨大

新能源体量增加与传统化石能源消耗减降是实现“双碳”目标的重要支撑。我国具备强大的装备制造能力与国内超大规模市场，掌握核心技术和关键产业链优势，为清洁能源技术的成本降低和推广应用带来无可比拟的优势。2020年我国新增风电装机容量57.8 GW，占全球新增装机容量的60%，新增太阳能光伏装机容量为48.2 GW，新能源技术研发、产品生产及原材料成本较化石能源仍具有很大下调空间[6]。化石能源行业中高投入、高能耗、高污染、低效益特点突出，在国际能源产业链中处于中低端。人工智能、能源互联网、清洁能源技术为代表的新一轮工业革命成果在新能源与传统能源中支撑力度仍需进一步提升，现代化能源结构转型升级面临自主创新欠缺、关键技术“卡脖子”问题突出、能源资源开发智能化水平不足，能源资源清洁利用效率低、固废资源化利用动力不足等挑战，实现净零碳经济高质量增长面临诸多困难。

1.2 煤炭清洁高效利用面临巨大挑战

我国煤炭消费占比由2012 年的68.5%降至2021年的56%，全国CO2排放总量在100 亿t/a，其中煤炭消费碳排放占比在70%左右，石油和天然气对外依存度分别达到73%和43%，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国[7]。尽管煤炭在国内一次能源消费中的比重正逐年下降，但在相当长的时间内，其主体能源地位仍不会改变。高灵活性智能燃煤发电理论与技术，煤与可再生能源高效耦合发电理论与技术，燃煤烟气多污染物联合脱除理论与资源回收技术，煤炭转化过程废水、废气、废渣高效处理技术，高温熔炼与炉窑污染物深度控制技术，CO2高效活化与定向转化合成强化技，煤制新型碳材料的基础理论及关键技术及煤炭化学燃烧链燃烧技术煤炭清洁高效利用关键核心技术方面攻关力度及成果取得显著度方面仍有待提升。同时化工产业的能源转化基础属性，使得现代煤化工行业发展与此前的能耗“双控”政策环境，碳减排技术与碳综合利用途径发展缓慢，高耗能产业受限引发的产业集中转型与下游产业“红海竞争”间形成重要矛盾。煤炭行业转型升级至精尖行业，实现清洁高效利用面临巨大挑战。

1.3 可再生能源消纳与关键储能问题亟待破解

新能源消费占比由2013 年的15.5%升至2021 年的25.5%，新增风电装机容量57.8 GW，占全球新增装机容量的60%，新增太阳能光伏装机容量为48.2 GW，风电、光伏、光热、地热、潮汐能开发利用得到大幅度提升[8]。然而新能源昼夜波动及分布式分布特点在经济成本与技术创新方面制约了短期内大规模推广应用，在规模化、产业化方面面临调峰、远距离输送、储能等技术掣肘。风电、光伏、光热、潮汐能受限于昼夜和气象条件具有较大波动性；生物质供应源头分散，收集难度大；核电则受限于核燃料资源与核安全。抽水蓄能、空气压缩储能、电化学储能、燃料电池、氢氨储能等方兴未艾，抽水蓄能占据整体储能体系的90%，然而我国抽水蓄能装机容量仅占发电总装机的1.43%，而世界平均水平为10%，新能源+先进储能仍有很长的路要走。中长期煤炭仍将发挥兜底能源角色，保障电力供应的经济性、安全性、连续性。可再生能源向主导能源转变过程中将进行系列的技术装备、系统结构、体制机制、投融资等方面的综合革新。

1.3 工程固碳关键科学技术有待提升

工程固碳是减碳、负碳的重要环节，其中CCUSEOR、BECCS、DACCS 等是重要的技术支撑。具体将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程，是目前实现化石能源低碳化利用的重要技术选择，实现碳中和目标的重要技术保障。南海珠江口盆地启动海底储层中永久封存CO2超146万t，齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS，中国石油将组织推动300万t CCUS规模化应用示范工程建设，广汇能源股份有限公司规划建设的300万t/年二氧化碳捕集、管输及驱油一体化项目等CCUS工程项目相继启动。目前全球二氧化碳捕获能力已经达到4000万t，实现“巴黎协定”的目标，需要全球碳捕获能力达到每年10亿t，约50%的CO2是发电厂、钢铁厂等点源排放，碳捕获成本60～150 美元/t，其他工业和DAC碳捕获成本＞200美元/t。煤电行业应用CCUS 将使能耗增加24%～40%、投资增加20%～30%、效率损失8%～15%，综合发电成本增加70%以上。CCUS技术目前投资和运行成本高昂，发展碳固化和碳循环利用是当前整个行业面临的突出问题，必须依靠科技创新，尽快加大碳减排、碳抵销、碳循环利用的科技攻关力度，降低碳捕集利用与封存（CCUS）技术成本，推进CCUS规模化、工程化、商业化建设运行。

2 新型科研体系

富煤贫油少气的能源禀赋，决定了以煤为主的能源结构短期内难以根本改变，对标国家重大战略需求，坚定落实能源认知革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命。聚焦降碳、负碳、零碳创新性技术研发，稳中有序推进节能减排，能源结构调整，碳市场构建，加快推进煤炭清洁高效利用、绿色智能开采、新能源开发、森林碳汇、CCUS 关键核心技术攻关。根据图1可知，从生产端、消费端、固碳端三端协同发力，破解高效生产、多能转化、减固碳核心技术，协同大数据、云计算、区块链现代通信计算技术，优化工艺技术，构筑以煤电+新能源多能互补的净零碳能源体系。

图1 新型科研体系框架图

2.1 人才引育

“碳中和”总投资规模约为70万～180万亿元，年投资规模在3.5 万亿元左右，投资向能源供应领域倾斜，碳排放占比47%的能源供应领域集中了近八成的投资需求，国家战略与金融投资导向下，国家“低碳人才”需求总量巨，“碳中和”拉动人才需求，高校加速“低碳人才队伍建设”。聚焦可再生能源、碳中和技术、煤炭清洁高效利用、固废处理等领域工程型人才、技能型人才、技术型人才、金融型人才及管理型人才引进与培养。加快培养低碳行业专业人才，同时对市场参与主体进行能力培训，为我国低碳转型发展提供人才保障和专业支撑。瞄准国家碳达峰和碳中和战略部署，院校与国内知名碳交易领域交易平台、核查机构、碳资产管理机构、大型能源企业等深度合作，采用“高校+中心”的人才培养运行模式，通过定期实习、联合培养、定向就业等方式提升毕业生的培养质量。加大培养全方位复合型“碳达峰、碳中和”专门人才，加大学科领域硕士点和博士点布局，鼓励开展“理工管融合、企教研协同”创新，增设低碳领域专业，增加研究生指标投放力度，培养宽基础、高素质、强能力双碳复合型人才。进一步健全科技人才评价体系，全方位为碳中和科研人员松绑，拓展科研管理“绿色通道”，完善科技评价机制，优化科技奖励项目，改革重大科技项目立项和组织管理方式，给予科研单位和科研人员更多自主权。

2.2 科研平台建设

建设碳中和国际科技合作创新平台与高校碳中和领域创新引智基地，汇聚海外高层次人才，推进与世界一流大学和学术机构的合作交流，推动高校参与大科学计划和大科学工程，举办高层次碳中和国际学术会议或论坛。创办校企、校地技术研发平台，支持高校联合科技企业建立技术研发中心、产业研究院、中试基地、产教融合创新平台等，积极参与创新联合体建设，促进跨行业、跨领域、跨区域碳中和关键技术集成耦合与综合优化，深化校地合作，支持高校联合地方建设一批碳中和领域省部共建协同创新中心和现代产业学院，构建碳中和技术发展产学研全链条创新网络。布局一批适应未来技术研究所需的科教资源和数字化资源平台，打造引领未来科技发展和有效培养复合型、创新型人才的教学科研高地。加强与人工智能、互联网、量子科技等前沿方向深度融合，推动碳中和相关交叉学科与专业建设。加快与哲学、经济学、管理学、社会学等学科融通发展。加快制订碳中和领域人才培养方案，建设一批国家级碳中和相关一流科研与教学平台。

2.3 管理体制建设

建立灵活的人才机制，集聚一批能源、“双碳”方向的海内外领军人才、高层次人才和创新团队。深入推进“新工科”建设，创建面向“双碳”的未来技术学院和现代产业学院。坚持和加强党对人才的全面领导，完善党管人才体制机制，健全人才工作目标责任制，以责任落实推动任务落实。加强人才体制机制建设，提高人才的成就感，激发科技人才工作热情，产出更高质量科技成果。通过设置准入门槛、树立典型和召开经验交流会，做好政策的宣传，提高人才的竞争感，就要不断地提高自己的能力，表现自身的优势，从而形成一种争先创优的良好局面。积极实施人才激励政策，营造良好的科研氛围，激发科研人才荣誉感、责任感，塑造科研人才的信赖感，提高人才的归属感，更好地为党和国家贡献自己的力量。加快形成有利于人才成长的培养机制、有利于竞相成长各展其能的激励机制、有利于各类人才脱颖而出的竞争机制，促成人人渴望成才、人人努力成才的良好局面。

3 未来发展方向

双碳目标下能源结构转型发展要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，大力发展新能源、提升新能源消纳能力，同时推动化石能源和新能源优化组合，进一步提升CO2消纳能力、发展大规模碳存储和转化利用技术。“先立后破，一脉相承”，推进新型电力系统的建设，通过碳金融等工具完善碳配额成本传导机制，推进绿色技术示范应用。

3.1 抢占新能源与先进储能科技高地

增加新能源消纳能力，打破发展掣肘，下好“先手棋”，提升新能源在能源电力结构中的占比，增加新能源消纳能力，推进配网投资、电源侧灵活性改造、储能、电网改造、需求侧响应等。推进大规模储能技术发展，保障新能源安全稳定联网，构建分布式智能电网与特高压输电，多网联动保障能源需求，降低能源消耗，大力发展大规模储能技术：电池关键材料、超级电容器。聚力绿色低碳技术攻关，科技创新引领碳中和与经济社会同步发展，围绕可再生能源、储能、氢能、CCUS 等领域，重点开展新一代太阳能电池、电化学储能、催化制氢、直接空气CO2捕集、CO2分子断键与重构、生物直接转化CO2等方向机制、方法研究等基础前沿重大创新。强化应用基础协同创新，聚焦低碳、零碳、负碳关键技术需求，促进新能源、新材料、生物技术、新一代信息技术等融合，通过协同创新重点推进规模化可再生能源储能、多能互补智慧能源系统、CO2捕集利用协同污染物治理等研究。

3.2 提升能源清洁利用与碳封存技术

煤炭工业要勇当科技和产业创新的开路先锋，调整、优化和升级产业结构，控制能源消费总量增长。加快建设全国用能权、碳排放权交易市场，完善能源消费强度和总量的双控制度。聚焦煤炭绿色智能开发、煤炭清洁高效燃烧及污染防控、现代煤化工及高效利用、废弃矿井安全开发利用、碳捕集利用与封存等重要方向和战略领域，推进基础研究和关键技术、核心装备研发。加快煤炭清洁利用基础理论与技术研究，破解煤炭清洁高效燃烧及污染防控关键科学问题，实现煤炭安全、绿色、低碳、高效利用。做到煤炭清洁高效利用方向上战略抉择、技术上集成创新、行动上引领实践。有序研发应用CCUS技术，探索CO2资源化能源化利用机理和方法，探索煤矿区CO2封存机理和方法，加强CO2驱替煤层气研究。聚焦碳捕集与利用，加快研发碳捕集先进材料、专用大型CO2分离与换热装备、CO2资源化利用等关键核心技术，突破烟气CO2捕集、CO2矿化及微藻利用技术，部署直接空气CO2捕集等负排放技术。

4 结语

双碳战略目标将引发新一轮产业变革和技术革命，科技创新是实现净零碳经济增长的重要保障，人才是科技创新的第一要素，构筑多学科交叉产学研结合科研创新平台，营造自由探索、良性竞争、成就感与获得感的科研环境，建立完善的科研管理体制，制定行之有效的激励措施，是激发科研人才产出高质量科研成果的重要保障，也是攻关关键核心“卡脖子”技术难题的必然需求。加强新能源与新型储能及煤炭清洁高效燃烧与减降碳领域科研体系部署，加快推进重大科研成果产出，助力实现双碳战略目标，保障清洁能源安全供给。