数字智慧方案5588丨碳中和背景下低碳科技关键技术发展与机遇

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011.2

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。体排放的危害1.1.1

“碳中和”的提出：全球气候变暖

Crop

yield

decreasesTemperaturer

iseSea-

levelriseSea-

levelr

ise“碳中和”目标被提出，即追求净零排放，实Air

pol

lut

ion“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1990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820191990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19701980199020002010

2020

2030

2040

2050

2060

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••

•

•

•120100806040322.98.34032030028026024022020044.2002010

2011

中国

日本 韩国2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020注：以上为2020年二氧化碳前十排放国。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；某著名企业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。2020

2030204020502060

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02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：

某著名企业证券

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强化政策情景29%18%15℃情景政策情景2℃情景

2015-2020

2020-20602%

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） 2020

2030

205069.5%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

1

5℃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；某著名企业气候变化与可持续发展研究院

前瞻产业研究院整理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%

2020

203058.2%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2020年中国累计光伏装机规模结构某著名企业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钩2019

2020

2021E

2022E

2023E

2024E2025E国务院《2030年前碳达峰行动方案》；国家信息中心经济预测部

前瞻产业研究院整理转变用能方式；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。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2015

2016

2017

2018

2019

2020

2025E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%202020192018201702

03经济转型

科技创新16.7碳排量（2050）资料来源：某著名企业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03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%65

54

43.062.491.6656%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）2018201920202021E2022E2023E2024E2025E2026E2027E

2028E

2029E

2030E陆地

风

电海

上风

电CAGR=65%7

76.56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

、某著名企业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）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）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某著名企业已初步商业化，适用于新能源汽车、某著名企业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某著名企业波动阶段，

储能项目主要是和风光配套，

来增加消纳以及减少某著名企业波动，

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7

8

液流电池资料来源：

ARPA-E

‘s

DAYS

2020

、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“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某著名企业到另一个储气罐，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

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：385℃第二罐的：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，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氢能是最环保、最容的能源，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，

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；；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10.7

kgH2/100L（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

输加氢站某著名企业铁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0.6

0.7

0.8

0.9

1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203020192022201820172016202020452025铁矿石球团矿轧钢20161284

0

H2NH3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，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，所需的低，能够最大限度地减少体排放。Fe2O3

+

2NH3530℃2Fe+N2

+3H2O氨气与氢气生产、运输和储存成本对比成本（$/kg

H2

）

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

Blue

Planet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。5CaCO3

2SiO21500℃高(

3CaO

SiO2

)

+

(

2CaO

SiO2

)

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低至1200℃左右，能源使用减少可在制造过程中减少30-40%的

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%

28

days20℃14

days

28days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1

kg

CO2ü

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VS