【浙商宏观||李超】碳中和未来技术突破会怎样?

电力部门绿色转型是实现碳中和的基础。作为二次能源，电力是一种效率高且零排放的清洁能源，但目前电力生产过程涉及大量二氧化碳排放。因此，实现“碳中和”有两大关键步骤：其一，电力生产低碳化，其二，能源消费电气化。

电力生产低碳化有两种方式：一方面，对现有发电企业进行技术改造；另一方面，寻求以太阳能、风能为代表的可再生能源进行发电，实现电力的零碳生产。

目前中国发电结构以火电为主，对现有发电企业进行技术改造是有效控制二氧化碳排放的重要方式。传统技改如通过热电解耦、低压稳燃等技术虽然可降低发电出力水平，但是现有技术仍存在响应灵活性差、机组损耗高、运营成本高等问题。相较于此，传统火电厂进行数字化赋能可以全方位减少碳排放、推动碳中和。2019年，南宁国电公司已经成功实施了AI优化火力发电，锅炉热效率提高0.5%。

碳中和目标下，未来以风能、光伏为代表的可再生能源将成为主力能源。近几年，风能、光伏生产成本不断降低，新能源行业从补贴期迈入盈利期，但相较于传统火电，“风光产业”有两大问题亟待解决：时间错配和空间错配。

时间错配是指太阳能、风能、水能等新能源具有季节性和随机性，举例说明，北方地区冬季太阳能的发电量只有夏季的10%左右解决时间错配问题需要低成本的绿色储能技术。空间错配指的是可再生能源的地域分布不均，日照长度、风力强度在全国各地的分布并不均匀，需要通过高效的能源运输技术实现2.0版本的“西电东送”。总而言之，未来可再生能源发电重点需要突破储能和能源运输技术。

储能技术能够抑制间歇性可再生能源输出功率的波动，解决新能源在极端天气下无法灵活供电的问题，提高供电质量、维护电网稳定。现有的储能方式主要有物理储能、电磁储能、电化学储能三大类，其中物理储能技术成熟度最高，电化学储能在光伏发电领域应用最广。目前抽水储能规模最大，但由于对地理环境要求过高，必须毗邻水资源，发展前景弱于以锂电池为代表的电化学储能。电化学储能的主要代表是技术已相对成熟的锂电池和铅蓄电池，分布式光伏多采用铅酸电池，集中式光伏多采用锂电池。由于铅蓄电池对环境危害较大，锂电池或将成为解决可再生能源间歇性特征的重要方式，而液流电池持续放电时间长，也将吸引更多的研发投入。此外，电磁储能技术尚处于研发初期，未来石墨烯超级电容器、超导电磁储能技术可能给能源行业带来巨大变革，除了应用在可再生能源发电上，还可能推广到新能源交通工具方面。

IGBT也是新能源发电领域的重要技术方向，可以降低发电、运电及电力设备运行中的电力损耗，起到节能的效果，是缓解碳排放的有效手段。

风力发电、光伏发电等新能源发电都需要IGBT器件制造的整流器和逆变器。但是我国IGBT技术尚不成熟，特别是高端器件与发达国家差距大，IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等核心技术被发达国家企业握住命脉。加上该技术对设备专业化程度要求高，目前市场供需缺口较大。

工业部门是我国能源最终消费的主要部门，工业部门深度脱碳是实现碳中和的重中之重。IEA数据显示，2018年我国工业过程直接碳排放和因工业部门使用电力间接排放的二氧化碳占比高达58.6%，其中钢铁、水泥、电解铝、化工等高能耗行业贡献较多。

钢铁行业方面，要大力发展短流程电炉炼钢、研发绿氢炼钢流程，并利用碳捕捉技术清除化石燃料产生的碳排放。水泥生产方面，一方面需要燃料端实现零碳排放，比如利用绿氢、生物质燃料等替代传统石化燃料，另一方面积极探寻水泥原料石灰石的替代品，彻底解决石灰石煅烧过程中的碳排放；化工行业方面，应大力发展氢化工，实现对化石能源的替代，另外积极探索生物基高分子材料以替代化纤、塑料、橡胶等石化基材料。

钢铁行业实现碳中和，首先要从生产方式入手，通过短炼钢替代长炼钢，提高电气化程度和废钢利用率；其次要从能量来源入手，以绿氢替代化石燃料，将重点放在降低制氢成本、提高存储及运氢技术的安全性上，实现深度脱碳。此外，还可以利用碳捕捉技术清除化石燃料产生的碳排放。

生产方式方面，钢铁行业推动长流程钢厂转型短流程。相对而言，短流程电气化程度比长流程高，吨钢能耗更低，二氧化碳排放量更低，但由于废钢成本和冶炼电耗成本较高，普及率较低，根据国际钢铁协会数据显示，2019年全球电炉法粗钢产量占比为27.9%，而中国的电炉法粗钢产量占比仅为10.4%。

能量来源方面，以“绿氢”替代化石燃料作还原剂，可以实现钢铁行业深度脱碳。无论是长流程还是短流程生产，都需要使用煤炭、天然气等化石燃料作还原剂，导致生产过程排放大量二氧化碳。由于氢能具有燃烧性能好、燃烧损耗小、无毒无污染的优点，以绿氢作还原剂可以实现高效、清洁炼钢。

工业制氢分为灰氢、蓝氢、绿氢三种。目前95%以上的氢能来自于化工制氢，因为制氢过程会产生二氧化碳，被称之为“灰氢”，生产方式包括化石能源制氢、工业副产氢；化工制氢的过程中结合CCUS技术以实现碳中和的氢气被称之“蓝氢”；由可再生能源电解而来的氢气完全不产生碳排放，被称之为“绿氢”，生产方式包括电解水制氢、光解水制氢和生物质能制氢等。具体而言，化石能源制氢产量大、成本低，技术最为成熟，但是碳排放高；电解水制氢较为环保，但是制氢成本过高，还处于技术突破期，无法实现规模化，未来发展方向主要包括质子交换膜电解槽（PEM）膜电极材料创新、固态氧化物电解槽（SOEC）等新技术路线突破；光解水制氢、生物质能制氢零碳排放，但是尚在技术研发阶段。短期中国仍以通过煤制氢配合CCUS技术制造“蓝氢”为主，将工业副产氢将作为制氢过渡性方法，长期将实现利用可再生能源电解水制氢。

水泥行业碳排放主要来源于两个方面，一是水泥生产过程中所需的高温由燃烧化石燃料提供，二是煅烧石灰石的化学过程直接排放二氧化碳，这两者分别占碳排放总量的40%和60%。因此水泥实现碳中和，一方面要从燃料端入手，以氢能、生物质燃料替代传统化石燃料，减少供热过程碳排放；另一方面要从原料端入手，寻找水泥原料石灰石的替代品，实现水泥行业深度减排。

燃料端方面，绿氢、生物质燃料具有零碳排放特点，能够有效降低水泥生产过程中的碳排放。原料端方面，用非石化基材料替代石灰石原材料有利于实现深度脱碳。水泥生产过程分为熟料生产和水泥生产两个阶段，其中熟料生产中使用石灰石作为原材料，其分解、燃烧产生大量二氧化碳。现阶段多使用工业固废作为熟料替代品，降低熟料与水泥的比例，如电石渣、石粉、镁渣、钢渣、硅钙渣、高炉矿渣、砖渣等。但是未来只有用非石化基材料完全替代石灰石原材料，才能真正实现深度脱碳。

化工行业对石油、天然气等化石能源依赖性强，生产过程产生大量二氧化碳。实现碳中和，一方面要积极推动氢化工，实现燃料端脱碳；另一方面要推动生物基高分子材料替代石化基材料，实现原料端脱碳。

氢化工方面，与钢铁、水泥行业类似，氢化工有利于降低燃料燃烧碳排放。目前氢化工技术尚在突破阶段，未来技术突破主要在氢气制造、储藏和运输领域。生物基高分子材料方面，化工行业主要产品包括塑料、合成纤维和合成橡胶，塑料制品中的塑料瓶原料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），若用生物基高分子材料（淀粉基生物塑料、聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA））进行可降解替代，对实现碳中和有利。类似的，化纤原料尼龙的原料聚酰胺（PA）也可用生物基PA56、PA6替代。使用生物基高分子材料替代传统化石燃料应用广泛、前景广阔，目前生物基高分子材料技术尚在探索阶段。 

随着新能源汽车技术的不断成熟，电动化是公路交通最具发展前景的脱碳方式，并有望扩大使用场景，实现城市交通、城际铁路等短途交运的全面电动化。这需要进一步提升新能源电池的能量密度和充电速度，并推广光伏充电桩一体化的新型建筑配电系统。

新能源汽车电动化的核心技术在于电池、电机和电控。电池方面，中国动力电池规模和产量均居世界首位，目前基本掌握主流锂电池等核心技术，以宁德时代、比亚迪为代表。电机方面，中国企业已形成规模经济，目前主流电机包括永磁同步电机和交流异步电机。电控方面，受益于国家政策扶持，中国企业基本实现自产自用，比亚迪、中车在IGBT芯片领域技术领先，但是市场渗透率不及国外品牌。

其中，动力电池是新能源汽车的“起搏器”，电池技术突破将降低产业链成本，推动短途交运电动化。动力电池主要包括镍氢电池、锂离子蓄电池和铅酸电池，铅酸电池对环境有害，后期可能被逐渐淘汰，镍氢电池在混动车型种应用较多，锂离子电池是新能源汽车动力电池主流。具体而言，锂离子蓄电池中，钴酸锂、三元材料由于能量密度高、续航能力强，故而受到特斯拉青睐，但安全性较低，而我国新能源汽车多采用锰酸锂、磷酸铁锂等安全性高的材料作为动力电池原料。锰酸锂作为主流动力电池，综合性能最强，未来有望被重点研究推广。随着汽车电力存储系统升级，太阳能、风能等清洁能源或将用于发电，中国向实现碳中和又迈进一步。

此外，光伏充电桩一体化的新型建筑配电系统，可满足新能源电池的充电需求，从而布局新型充电模式，支持城市、城际电动化短途交运的持续稳定运作。配套设施的广泛建设也有利于进一步降低电动化的成本，实现清洁性和经济性的共生。

由于电池续航能力有限、充电间隔时间长等问题，长途交运电动化实现难度较大，因此可以尝试发展替代燃料，如用氢能、生物质、液态氨等燃料替代传统化石燃料。这一方面需要在新燃料的清洁制备和稳定储存方面实现技术突破，另一方面还需要推进配套的基础设施建设，实现新燃料的经济性和持续性。

氢能燃料有望在长途或重型运输行业大放异彩。根据FCH欧洲氢能路线图，氢能在重型卡车、电车和铁路、公交车和长途客车、飞机、轮船领域潜力巨大。氢能具有轻便易携、能量密度高、加气时间短的优点，对于长途或重型运输十分有利。虽然氢气易泄露，但在行驶状态和开阔地带下，氢气密度小、易扩散，反而很难引起爆炸，安全性明显高于汽油、甲烷。目前中国氢燃料电池交通车已投产使用，未来绿色氢气可能成为飞机、火车等交通工具的主要燃料。除了氢气之外，液态氨、生物质燃料技术也有进步空间。

CCUS全称是Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)，即碳捕捉、应用与储存。顾名思义，CCUS是在碳中和领域一套重要的技术组合，包括如何从发电厂、使用化石能源的工业设备甚至空气中捕获以二氧化碳为代表的含碳废气，而后对其进行循环利用或者选择安全的方式对捕获的碳进行永久储存（储存方式比如注入地壳深层）。此外，如何对碳气体进行压缩和运输也是该技术组合中的关键。

当前对CCUS的投资显著不足，每年的投资额在全球清洁能源技术投资中占比不到0.5%。伴随技术的进步，全球范围内对CCUS的投资热情正在逐渐增加，自2017年以来全年范围内宣布了超过30个CCUS基础设施的建设计划，主要分布在美国和欧洲，在澳大利亚、中国、韩国、中东和新西兰也有类似的项目计划，总投资规模接近270亿美元。上述计划的投资方向涵盖发电、水泥、氢气等设施领域，全部投产后预计可以将全球范围内的碳捕捉规模在当前每年4000万吨的规模上实现翻一番。

CCUS具体可以通过以下几种渠道促进碳中和：

一是解决现有能源设施的碳排放问题。可以通过CCUS对现有的发电厂和工厂进行改造并减少其碳排放。根据IEA估算，全球当前的能源设备在它们的剩余生命周期内还能排放6000亿吨二氧化碳（相当于当前每年碳排放量的20倍）。典型部门如煤炭，2019年全球1/3的碳排放来自于煤炭排放，其中60%的设备在2050年仍将处于运营状态且多数设备位于我国（我国煤炭设备的平均剩余寿命约为13年）。对于这类部门，积极运用CCUS是实现节能减排为数不多的技术解决方案。

二是重工业占全球二氧化碳排放量的20%，而CCUS是攻克工业领域碳减排的核心技术手段。CCUS当前主要应用于天然气以及化肥生产领域，原因是这些领域当前可以以较低的成本捕获碳气体。在其他重工业生产领域，CCUS已经是最具性价比的减排手段，但当前使用深度仍然显著不足，例如CCUS是水泥生产领域深度减排的唯一技术解决方案，也是目前实际应用中减少钢铁和化工领域排放最具性价比的技术手段。

三是在二氧化碳和氢气的合成燃料领域有重要应用，根据国际能源署的可持续发展设想，CCUS是生产低碳氢气的两种主要方法之一；到2070年，可持续发展情景下全球的氢气使用量将增加7倍，达到5.2亿吨。其中60%将源自水电解，40%将源自于配备了CCUS设备的化石燃料生产设备。如果全球在2050年实现碳中和，则CCUS的投资规模至少需要在当前的规划基础上增加50%。

四是从空气中捕获二氧化碳，根据国际能源署的中性预测，当全球实现碳中和后，以交通和工业为主的部门仍将产生29亿吨的碳排放，这部分排放必须依靠从空气或生物能源中捕获二氧化碳并进行储存处理的方式才能抵消。当前已经有小部分设备处于运行状态，弊端在于成本过高需要通过技术进步的方式改善。