能源革命和產業轉型的重要方向，一是化石能源清潔低碳利用，二是低碳和可再生能源的規模化應用，三是二氧化碳捕集和利用。
現階段，我國CO2排放80%來自于能源生產和工業利用，可見實現碳中和目標，需要能源變革。
2021年我國GDP總量約114萬億元，CO2排放總量約119億噸，即1萬元GDP排放約1噸CO2，而在上世紀90年代，1萬元GDP排放約12噸CO2，我國在節能減排方面取得巨大進步。
剛剛過去的一年，受俄烏沖突、新冠肺炎疫情、極端天氣頻發等因素疊加影響，全球能源供需嚴重失衡，能源價格飆漲。
以CO2為主的溫室氣體排放所導致的全球氣候變暖，已成為全球性的非傳統安全問題，嚴重威脅人類的生存和可持續發展。根據《巴黎協定》，要實現2℃溫升控制目標，全球要在2065-2070年左右實現碳中和，各國積極響應，紛紛制定碳中和目標。2020年9月，習近平主席在第 75 屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布，中國CO2排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和，不僅彰顯了我國作為世界大國的責任擔當，也是推動我國能源結構、產業結構、經濟結構轉型升級的自身發展需要，對我國實現高質量發展，建設人與自然和諧共生的社會主義現代化強國具有重要戰略意義。
根據國際能源署（IEA）發布的報告，2021年全球與能源相關的CO2排放量增加6%至363億噸，創歷史新高。2021年，我國CO2排放量為119億噸，占全球總量的33%。這里需要說明，一方面，從主要發達國家的發展歷史來看，一個國家的發展程度與人均累計碳排放密切相關，我國人均累計碳排放遠不及世界平均水平。另一方面， 2021年我國GDP總量約114萬億元，CO2排放總量約119億噸，即1萬元GDP排放約1噸CO2，而在上世紀90年代，1萬元GDP排放約12噸CO2，我國在節能減排方面取得巨大進步。
現階段，我國CO2排放80%來自于能源生產和工業利用，可見實現碳中和目標，需要能源變革。黨的二十大報告明確指出，“深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用，加大油氣資源勘探開發和增儲上產力度，加快規劃建設新型能源體系，統籌水電開發和生態保護，積極安全有序發展核電，加強能源產供儲銷體系建設，確保能源安全。”目前科學界認為能源革命和產業轉型的重要方向，一是化石能源清潔低碳利用，二是低碳和可再生能源的規模化應用，三是二氧化碳捕集和利用。
煤炭的清潔高效利用和轉化一直是我國重要的能源發展戰略，這方面已經開展了很多研究工作并取得了一系列重要進展，這里簡單舉幾個例子。2018年，以中科院的技術為核心，全球單套規模*的煤炭液化裝置、年產400萬噸煤制油工程成功投產，實現煤炭資源清潔高效轉化，拓寬我國油品供給渠道，有助于保障能源供應安全，習近平總書記專門致信祝賀。2021年，國家能源集團寧煤煤制油分公司全年產出油化品超過405萬噸，全球單套規模煤制油項目建成投產以來首次達到設計產能。
乙烯、丙烯等低碳烯烴是現代化學工業的基石，日常生活中的塑料杯、保鮮膜、吸管等都是以烯烴為原料生產出來的。烯烴的傳統生產高度依賴于石油資源，中科院大連化物所長期開展煤制烯烴的技術研究。一方面，成功開發了煤經甲醇制取低碳烯烴DMTO成套工業化技術，處于國際*水平。截至目前，DMTO系列技術已經簽訂了31套裝置的技術實施許可合同（含出口1套），烯烴產能達2025萬噸/年，約占全國現有產能的1/3，預計拉動投資超4000億元。已投產的16套工業裝置，烯烴（乙烯+丙烯）產能超過900萬噸/年，新增產值超過900億元/年。另一方面，利用納米限域催化新概念，創立OXZEO催化劑和催化體系，開創煤經合成氣制烯烴新捷徑。合成氣是一氧化碳和氫氣的混合氣，可由煤、天然氣或生物質氣化得到，傳統的合成過程中消耗大量水，會產生廢水和CO2。OXZEO實現了煤經合成氣直接轉化制低碳烯烴等高值化學品，低碳烯烴選擇性超過了80%。這一突破性成果于2016年發表在國際*學術期刊《科學》（Science）上，并得到同行的高度評價和認可，被譽為“里程碑式新進展”和“開創煤制烯烴新捷徑”，入選2016 年度“中國科學十大進展”，并作為重要內容之一，獲2020年國家自然科學獎一等獎。
石油化工是化工產業鏈上游基礎，為國民經濟的運行提供能源和基礎原料，從排放總量的角度看，石油和化工行業對于全國碳排放總量的貢獻較小，但單位能耗和單位碳排放強度較大。目前，原油加工市場逐漸趨于飽和，且新能源汽車迅速發展，石油化工行業的發展趨勢是煉化一體化，煉油企業應大力發展煉化一體化生產模式，提高原油制化學品收率。代表性技術有埃克森美孚技術，將布倫特原油直接進行蒸汽裂解，化學品收率大于60%；沙特阿美技術，采用一體化的加氫裂化、蒸汽裂解和深度催化裂化工藝直接加工阿拉伯輕質原油，化學品收率接近50%。國內中國石油、中國石化等大型企業，以及中科院過程工程研究所、中國石油大學（華東）等科研機構和高校也相繼開展相關工作。
據統計，2021年，我國煤炭和石油消費量分別占能源消費總量的56.0%和18.5%，比上年分別下降0.8和0.4個百分點。天然氣、水電、核電、風電、太陽能發電等清潔能源消費量占能源消費總量的25.5%，較上年上升1.2個百分點，比2012年提高了約11個百分點，我國能源消費結構向清潔低碳加快轉變。根據預測，到2060年實現碳中和目標時，清潔能源消費量占比要達到80%，低碳清潔能源的規模化應用是實現碳中和目標的關鍵。
近年來，我國非化石能源發展迅速，截至2021年底，全國全口徑非化石能源發電裝機容量達11.2億千瓦，同比增長13.4%，占總發電裝機容量比重約為47%，比上年提高2.3個百分點，歷史上首次超過煤電裝機比重。其中，水電裝機容量3.9億千瓦、風電裝機容量3.3億千瓦、太陽能發電裝機容量3.1億千瓦、核電裝機容量5326萬千瓦、生物質發電裝機容量3798萬千瓦。非化石能源利用水平繼續提升，2021年，我國風電、太陽能發電和水能利用率分別達到96.9%、98%和97.8%。廣東、廣西、云南、貴州、海南五省區風電、太陽能發電利用率均達99.8%，區域能源結構轉型成效顯著，“棄水”“棄風”“棄光”狀況明顯緩解。
由于以風電、光伏為代表的可再生能源普遍存在間歇性、波動性、隨機性的特點，要實現其大規模融合利用，儲能是關鍵。根據預測，2060年我國儲能規模達到420GW（42000萬千瓦）。2021年是我國儲能行業從商業化初期向規模化發展轉變的一年。根據統計，2021年，我國已投運電力儲能項目累計裝機46.1GW，約占全球市場總規模的22%，同比增長30%，仍有較大發展空間。比如，國家能源局2021年8月發布的《抽水蓄能中長期發展規劃（2021-2035年）》，到2025年，中國抽水蓄能累計裝機量要達到62GW以上，到2030年達到120GW，截至2021年底，抽水蓄能裝機規模僅為39.8GW。這意味著9年間有3倍的成長空間，復合年均增長率為13%。
儲能技術路徑主要分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能和其他儲能。機械儲能中的抽水蓄能技術成熟，是目前儲能市場上應用廣、占比高的技術，但其對地理條件依賴度高；壓縮空氣儲能可以不依賴地理條件，中科院工程熱物理研究所開發的100MW壓縮空氣儲能技術，今年9月30日張家口并網運行，效率達到70%，接近抽水儲能效率。電化學儲能是通過電池完成的能量儲存、釋放和管理的過程，具有配置靈活、建設期短、響應快速，可以有效提高可再生能源消納水平，是未來儲能技術發展的重要方向。主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉系高溫電池和金屬-空氣電池等。其中鋰離子電池技術較為成熟，已進入規模化量產階段，是目前發展快、占比較高的電化學儲能技術。鈣鈦礦電池是電化學儲能的新方向，具有吸光能力強、低成本和易制備、弱光效率高等優勢和特點，但存在穩定性較差和大面積應用時的效率損失兩個短板，成為當前研究的熱點之一。根據中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會數據，2021年，我國新增儲能項目146個。其中，抽水蓄能項目5個，電化學儲能項目131個。在電化學儲能項目中，鋰離子電池儲能項目高達120個。
當前我國儲能技術發展仍然面臨一些問題和挑戰。一方面，我國在儲能領域基礎性、原創性、突破性創新不足，具有“領跑”意義的先進技術還不多，儲能轉化的相關機理、技術及系統的研究還不夠成熟，尤其是在設計軟件、設計標準與理念方面缺少話語權。另一方面，大規模儲能技術推廣，受電力系統市場機制不完善等方面限制，存在儲能市場主體地位不明晰、市場機制不完善導致儲能價值收益難以得到合理補償等問題，現階段還未建立成熟的競爭性電力市場運行機制，很難合理核定各類電力輔助服務的價格，從而造成儲能的價值和收益難以對接。近年來這些方面都已經有所進步和改善，但問題依然突出。
根據預測，到2060年，仍有25～30億噸CO2總排放量，其中一部分可以由海洋、陸地無機過程和陸地生態系統吸收，另一部分需要通過CCUS（碳捕集-利用-封存）技術進行去除。
碳捕獲與封存（CCS）技術是指將CO2從工業或相關排放源中分離出來，輸送到封存地點，并長期與大氣隔絕的過程。根據國際能源機構的估計，到2050年，CCS要想對緩解氣候變化產生顯著影響，至少需要有6,000個項目。每個項目每年在地下存儲100萬噸CO2，而全世界只有三個如此規模的項目。可以說，如果CCS在未來20年不能進化為主流技術，情況將不容樂觀。CCS技術無法迅速得到推廣的主要原因是其高昂的成本，根據測算，封存1噸CO2需要200~300美元，就是說1噸煤燃燒排放2噸CO2，至少需要400美元進行CO2封存處理，將來如果技術沒有突破性進展，這件事根本不可能做到。另外，其推廣過程還存在諸多不確定因素，對環境也存在一定的影響。
碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術是應對全球氣候變化的關鍵技術之一，受到世界各國的高度重視，紛紛加大研發力度，并取得一些研究成果。2021年9月，中科院天津工生所從CO2人工合成淀粉的成果引起了廣泛的關注，有網友將此比作空氣變饅頭。這是國際上第一次不需要依賴植物光合作用，而是采用人工手段，將自然的代謝過程重新拆解、組裝，以CO2、水和氫能為原料，生產出了人工的淀粉。目前，淀粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定CO2生產，合成與積累涉及約60步代謝反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。天津工生所從頭設計出11步主反應的非自然CO2固定與人工合成淀粉新途徑，在實驗室中首次實現從CO2到淀粉分子的全合成，合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設計自然、超越自然目標的實現邁進一大步，為創建新功能的生物系統提供了新科學基礎，是典型的從0到1的原創性成果。當然該成果目前尚處于實驗室階段，離實際應用還有一段距離。今年4月，電子科技大學、中科院深圳先進院在《自然—催化》發表研究成果，電催化結合生物合成的方式，能將CO2高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。有科學家認為，該工作耦合人工電催化與生物酶催化過程，發展了一條由水和CO2到含能化學小分子乙酸，后經工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游離的脂肪酸等高附加值產物的新途徑，為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術。
據媒體報道，中國農科院與首鋼朗澤新能源公司合作，全球首次實現從一氧化碳到飼料蛋白質的一步合成，并已形成萬噸級工業產能。該項研究以含CO、CO2的工業尾氣和氨水為主要原料，制造新型飼料蛋白資源，將無機的氮和碳轉化為有機的氮和碳，開辟了一條低成本非傳統動植物資源生產優質飼料蛋白質的新途徑。
2月，美國西北大學和郎澤科技公司研究人員在《自然》發表論文稱，他們在一項新的試點研究中，將一種梭菌進行遺傳工程改造，用于合成此前它們無法產生的化合物，這種選擇、設計和優化細菌菌株的過程，成功地證明了其將CO2轉化為丙酮和異丙醇的能力。這種新的氣體發酵過程不僅可從大氣中去除溫室氣體，還可避免使用化石燃料，而化石燃料通常是生成丙酮和異丙醇所必需的。
碳達峰、碳中和目標是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。科技創新，特別是能源的科技創新是同時實現經濟社會發展和碳達峰、碳中和的關鍵。
雙碳產業
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