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一本新能源领域、碳达峰和碳中和颠覆性技术通识课的力作。
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| 內容簡介： |
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本书由倪维斗院士做序，胡志宇主编，收录了王中林、刘科等30多位院士专家的力作，所介绍的新能源技术方向都是国际前沿研究热点。本书可作为碳中和通识课程和新能源专业的教材或参考书，对于广大读者也是一部内容丰富的专业科普书籍。
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| 關於作者： |
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胡志宇教授，二级教授，博导，上海交通大学“致远”讲席教授，纳微能源研究所所长，在多个国内外学术组织担任会士或理事，是ECS Sensors Plus副主编。发表科研论文160多篇，在国内外获得过数十项科研与教学奖，拥有几十项发明专利，已出版中英文专著/教材5部。主要研究方向是微纳尺度能量转换、微纳发电芯片、先进传感器、纳米构建功能材料等。
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| 目錄：
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第1章实现碳达峰与碳中和目标的挑战
1．1什么是碳足迹、碳达峰与碳中和
1.1.1碳足迹
1.1.2碳达峰
1.1.3碳中和
1．2《京都议定书》与《巴黎协定》
1．2．1《京都议定书》
1．2．2《巴黎协定》
1．3全球气温升高与IPCC第六次气候变化评估报告
1．4关于全球气温升高1．5℃的影响
1．5全球升温的潜在影响及相关风险
1．5．1对气候变化的影响
1．5．2对海平面的影响
1．5．3对陆地的影响
1．5．4对海洋生物的影响
1．5．5对个人健康、生活质量、粮食安全和水供应的
影响
1．5．6对生态系统的影响
1．6符合全球升温1．5℃的排放路径和系统转型
1．6．1没有或有限过冲1．5℃的模式路径情形
1．6．2不高于或略超过1．5℃的模式路径情形
1．6．3在升温不高于或略超过1．5℃的路径加上规模化
使用二氧化碳移除技术应用
1．6．4在可持续发展和努力消除贫困背景下加强全球
响应
1．7实现双碳目标面临的挑战
1．7．1现实阻力
1．7．2城市转型升级
1．7．3能源生产、消费和管理方式的转变挑战
1．7．4对世界经济格局造成的冲击
1．8小结
第2章碳排放权交易的制度设计和法律问题
2．1引言
2．2国际碳排放权交易制度概述
2．2．1国际条约中的碳排放权交易制度
2．2．2美国碳排放权交易制度简介
2．2．3欧盟碳排放权交易制度简介
2．3国外重点碳排放权交易的法律实践
2．3．1欧盟排放交易体系
2．3．2美国区域温室气体减排行动
2．3．3新西兰排放交易体系
2．3．4东京都排出量取引制度
2．4我国碳排放权交易与交易管理制度
2．4．1我国碳排放权交易实践
2．4．2我国碳排放权交易管理制度
2．4．3分配与登记
2．4．4碳排放权定价与风险管理
2．4．5碳排放核查与清缴
2．4．6监督管理和罚则
2．5碳排放权交易发展前瞻与涉及的法律问题
2．5．1我国碳排放权交易发展前瞻
2．5．2碳排放权法律属性
2．5．3碳排放权交易的风险防范
2．6小结
第3章摩擦纳米发电机
3．1引言
3．2摩擦纳米发电机的基本原理
3．3摩擦纳米发电机的工作模式
3．4摩擦纳米发电机和传统电磁发电机的对比
3．5摩擦纳米发电机的特性与应用
3．5．1电荷密度增强与高性能输出
3．5．2电容型阻抗与主动式传感
3．5．3高电压源与可控驱动
3．5．4能量管理与自驱动系统
3．6小结
第4章热电转换之多层薄膜与器件
4．1热电效应及多层热电薄膜
4．1．1热电效应概述
4．1．2热电性能参数
4．2多层热电薄膜概述
4．2．1多层薄膜制备方法
4．2．2薄膜热导率测试方法
4．2．3Si基多层热电薄膜
4．2．4Sb2Te3基多层热电薄膜
4．3多层热电薄膜传热理论分析
4．3．1多层热电薄膜热传输的界面效应
4．3．2多层热电薄膜界面处的电声子耦合效应
4．4微型热电器件及进展
4．4．1平面型结构
4．4．2垂直型结构
4．5小结
第5章微机电系统技术与芯片上的发电厂
5．1微机电系统简介
5．1．1MEMS技术分类
5．1．2MEMS的发展及应用
5．1．3MEMS的特征
5．1．4MEMS技术在热电器件加工中的应用
5．2微机电系统热电器件结构设计与加工工艺
5．2．1热电器件加工工艺介绍
5．2．2热电器件制备及测试
5．3小结
第6章热电能源转换技术原理及应用
6．1引言
6．2热电转换技术的基本原理
6．2．1热电效应
6．2．2热电转换效率及热电材料性能
6．3热电材料的输运基础理论
6．3．1载流子的输运性质
6．3．2固体中的热传导
6．3．3热电材料的品质因子
6．4热电输运性质的测量
6．4．1电学输运性质
6．4．2热学输运性质
6．5热电材料性能优化策略及典型热电材料
6．5．1载流子浓度调控优化电学性能
6．5．2能带调控提升电学性能
6．5．3声子调控最小化晶格热传导
6．6典型热电材料及其性能优化
6．6．1低温及近室温区域(<300℃)典型热电材料
6．6．2中温区(300~800℃)典型热电材料
6．6．3高温区(>800℃)典型热电材料
6．7块体热电器件的设计与应用
6．7．1热电器件的结构设计
6．7．2热电器件的电极连接与技术界面设计
6．8小结
第7章辐射制冷技术在碳中和的应用
7．1辐射制冷基础
7．1．1传热基础
7．1．2辐射制冷机理
7．1．3辐射制冷理论热分析
7．1．4选择性辐射体结构
7．1．5辐射冷却器的性能指标
7．2辐射制冷材料与器件
7．2．1自然辐射体
7．2．2薄膜基辐射体
7．2．3纳米颗粒基辐射体
7．2．4光子辐射体
7．3辐射制冷在MEMS热电发电中的应用
7．3．1辐射制冷理论
7．3．2辐射体加工原理及方法
7．3．3辐射体结构与性能表征方法
7．3．4辐射制冷发电系统的建立与测试方法
7．3．5辐射体结构与性能表征测试结果
7．3．6基于辐射制冷的热电发电
7．4小结
第8章水热电联产技术
8．1水热电联产技术应用背景
8．1．1北方城镇供热现状及发展分析
8．1．2北方地区水资源概述
8．1．3我国海水淡化产业发展
8．1．4水热电联产技术的意义
8．2水热电联产技术方案
8．2．1海水淡化与水热同产同送技术原理
8．2．2高温淡水制备原理与流程介绍
8．2．3长距离输送
8．2．4末端热量析出
8．3水热电联产案例
8．3．1火电机组水热同送案例
8．3．2核电机组水热同送案例
8．3．3工程应用案例
8．4水热电联产技术应用前景分析
8．4．1我国核电厂现状及供热潜力分析
8．4．2我国火电厂现状及供热潜力分析
8．4．3水热电联产应用前景分析
8．5小结
第9章磁约束核聚变前沿科学技术
9．1核能行业与碳中和
9．2核聚变领域与碳中和
9．2．1可控核聚变的基本原理
9．2．2磁约束核聚变能的开发历程
9．2．3中国聚变工程实验堆
9．2．4托卡马克的材料问题
9．3关于托卡马克的工程问题
9．3．1第一壁结构
9．3．2第一壁结构的工作环境
9．3．3包层结构设计
9．3．4氚工厂
9．4小结
第10章凝聚态核反应
10．1什么是凝聚态核科学
10．2凝聚态核科学简史
10．3凝聚态核科学主要实验结果
10．3．1束靶反应中的屏蔽能异常增高
10．3．2自然界中的核反应
10．3．3钯氘系统
10．3．4镍氢系统
10．3．5镍合金氢(氘)气系统
10．3．6钛氘系统
10．3．7生物与化学系统
10．4理论解释
10．5凝聚态核科学的影响
10．5．1科学影响
10．5．2技术影响
10．5．3经济、社会和文化影响
第11章功能介孔碳基薄膜的界面组装及能源应用
11．1介孔碳基薄膜材料的合成
11．1．1介孔碳
11．1．2多孔碳基薄膜组件
11．2在能源体系上的应用
11．2．1超级电容器
11．2．2锂离子电池
11．2．3钠离子电池
11．2．4锂硫电池
11．2．5金属锂电池
11．2．6析氢反应和析氧反应
11．2．7氧还原反应
11．2．8二氧化碳还原反应
11．2．9氮气还原反应
11．3小结
第12章分子光储能
12．1引言
12．1．1理想的分子光储热体系
12．1．2常用的分子体系
12．2太阳能的收集与转化
12．2．1分子结构优化
12．2．2提高光子能量
12．3太阳能的储存
12．3．1提高能量密度
12．3．2延长半衰期
12．4释放储存的能量
12．5小结
第13章碳中和误区与实现路径
13．1关于碳中和的误区
13．1．1第一个误区
13．1．2第二个误区
13．1．3第三个误区
13．1．4第四个误区
13．1．5第五个误区
13．1．6第六个误区
13．2为什么前一百年电动车未能战胜燃油车
13．3为什么氢能汽车还没有产业化
13．4为什么甲醇可能是最好的储氢载体
13．5造成雾霾的元凶在哪里
13．6现实的碳中和路径
13．6．1通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统
13．6．2利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术
13．6．3实现光伏与农业的综合发展
13．6．4峰谷电与热储能综合利用
13．6．5利用可再生能源制取甲醇，然后做分布式发电
13．7小结
第14章海阳核电核能供热示范工程探索实践与展望
14．1海阳核电核能供热示范工程建设意义
14．1．1开展核能供热有利于生态环境改善，促进绿色低碳发展
14．1．2开展核能供热有利于解决清洁供热问题，促进地企共赢发展
14．1．3开展核能供热有利于推动核能技术创新，促进企业高质量
发展
14．2开展海阳核电核能供热示范工程的探索与实践
14．2．1海阳核电核能供热技术前期研究论证
14．2．2国家能源核能供热商用示范工程实践
14．2．3积极推进海阳核电核能供热后续项目建设和成果应用
14．3海阳核电核能供热长距离大规模技术研究与规划
14．4小结
总结与展望
参考文献
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| 內容試閱：
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全球共同应对日益严重的气候变化
随着化石能源危机和温室效应日益显著，碳达峰、碳中和已成为当前全球经济发展主题，能源利用的结构已从传统单一能源向多元化的新型洁净能源（风能、太阳能、氢能、核能等）演化。工业革命以来人类活动使得全球气候变暖，这已经成为了人类不得不面对的事实，人们一直在积极寻找能够有效减缓或降低全球气温升高的能源技术。事实上，从工业革命到现在300多年间，人类消耗化石能源已远超地球本身的负碳能力（如植物固碳），从而产生了显著的温室效应。到2020年，美国航空航天局测量地球表面温度已经比工业化前升高了1.2℃左右，距2015年联合国制定的《巴黎协议》所规定的2030年目标1.5℃已经非常接近了，形势日益严峻。联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯呼吁： 实现碳中和是世界上最紧迫的使命。
在“2060年实现碳中和”愿景牵引下，我国能源结构转型按下“加速键”。2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上表示，我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。2020年12月20日召开的中央经济工作会议，明确将“做好碳达峰、碳中和工作”确定为2021年八大重点任务之一。2020年12月21日，国务院新闻办公室发布《新时代的我国能源发展》白皮书，更清晰描绘了我国2060年前实现碳中和的“路线图”。
2021年3月15日习近平主席在主持召开中央财经委员会第九次会议时强调： 推动平台经济规范健康持续发展，把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。2021年4月中央政治局会议上，习近平总书记在主持学习时指出： 实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革……各级党委和政府要拿出抓铁有痕、踏石留印的劲头，明确时间表、路线图、施工图，推动经济社会发展建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上。
万物生长靠太阳，由于有太阳持续的照射，地球会一直保持一定的温度，更重要的是，因为有太阳持续巨大的光能与热能输入到地球，我们就
有可靠、充沛、持续的能源资源。工业革命以来的人类活动使得全球气候变暖，人类消耗了无数的石化能源产生了巨大的温室效应，这已经成为了人类不得不直接面对的事实，为此人们一直在积极寻找能够减缓或降低全球气温升高的技术。
碳中和意味着经济社会活动引起的碳排放和商业碳汇等活动抵消的二氧化碳，以及从空气中吸收的二氧化碳总量相等。由于实际生产生活中不可能不排放二氧化碳，碳中和的概念其实是通过拥有等量碳汇或国外碳信用冲抵自身碳排放，来实现净碳排放接近于零。
针对碳达峰与碳中和的目标，世界各国已经在采取措施与行动：
日本政府宣布将于2050年实现碳中和。一是2035年后禁燃油车，二是2030年后每年使用约1000万吨氢气发电，并加大财政支援，朝实现碳中和目标迈进。日本政府将投入2万亿日元的财政预算用来促进生态友好型的商业模式和创新发展，以尽快落实2050年的碳中和目标，并且强调“日本希望成为环境友好型投资领域的引领者”。2020 年 10 月，时任日本首相菅义伟宣布，到 2050 年，日本的目标是将温室气体排放量减少到净零。菅义伟表示，政府将专注于实现“绿色社会”，他表示“积极的气候变化措施会带来产业结构以及我们的经济和社会的转型，从而带来强劲的经济增长”。
2020年10月28日时任韩国总统文在寅在国会发表演说时提出，“作为积极应对气候变化的努力之一，我们将力争在2050年之前实现碳中和。”报道称，文在寅还表示将“力争”达到这一目标，但并非承诺。
欧盟就为实现碳中和目标采取了积极的行动，早在2014年欧盟就设定了实现碳中和的中期目标，即到2030年欧盟整体温室气体排放量比1990年减少40%。欧盟计划到2050年实现碳中和，即温室气体净排放量到2050年降为零。在2020年12月11日，欧盟27国领导人在比利时布鲁塞尔的欧盟总部，通过了欧盟委员会关于提高实现碳中和中期目标的提议。欧洲理事会主席米歇尔表示： “在抗击气候变化的斗争中，欧盟居领先地位。我们决定，到2030年，欧盟温室气体排放将减少至少55%。”
其他积极参与碳中和行动的国家还包括瑞典、瑞士、英国、芬兰、法国、德国、冰岛、爱尔兰、奥地利、不丹、丹麦、新加坡、斯洛伐克、斐济、匈牙利、西班牙、马绍尔群岛、新西兰、挪威、加拿大、智利、哥斯达黎加、葡萄牙、南非、乌拉圭等国，这些国家都已经公布了碳中和时间表。
2021年8月9日，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）召开记者会，介绍IPCC第六次气候变化评估报告第一工作组报告《2021年气候变化： 自然科学基础》。该委员会历时3年多，邀请来自全球66个国家的234位作者，通过对14000多篇科研文献的综合评估而完成报告。编写过程经过两次政府与专家评审和一次针对决策者摘要（summary for policymakers， SPM）的政府评审，共收到近8万条政府/专家评审意见。发现“人类活动已经导致全球气温急剧上升”，委员会大声疾呼，这样急剧的气候变化给人类“一个红色警告”，未来各种极端天气的发生率将会大幅上升，全球必须采取果断措施，大幅减少温室气体的排放量。
根据该报告数据，几十年来，地球正在经历几千年来前所未有的变暖，并且最近的气候变化是迅速的、广泛的，且还在不断加剧。该报告指出过去10年中全球气温比1850—1900年平均高出约1.1℃，自工业化以来每个过去的40年都是记录中最热的。自1970年以来，全球表面温度的上升速度超过了过去2000年来，甚至更长时间里的任何时候的变化速度。气候变化已经影响到地球上每个区域，造成许多极端天气和气候事件，人类活动正在使得包括干旱、洪灾、火灾、热浪、强降水在内的各种极端气候事件变得更频繁和更严重。气候变化已经在通过不同方式影响着全球各个区域，工业化以来人为气候影响正在导致复合型极端事件（即并发极端事件）增加，而这样的变化未来将随着气候增暖而增强。
2021年11月联合国COP26气候大会在苏格兰的格拉斯哥召开，通过了《格拉斯哥气候公约》（Glasgow Climate Pact），为期两周的紧张会谈集中讨论了如何让1.5℃温控目标仍可实现。大会达成了一系列有关停止和扭转森林损失、土地退化并逐步淘汰煤炭和控制甲烷排放的专项协议，还进一步就车辆电气化和逐步淘汰石油和天然气达成了一致。中国和美国在大会期间发布的强化气候行动联合宣言，受到了联合国秘书长与相关国家的欢迎。
我国碳排放的主要来源分析
目前从我国的能源消费结构和碳排放现状来看，在自然资源先天条件的约束下，我国的能源结构仍然以化石能源为主，我国目前是全球碳排放量最多的国家（见图0.1）。由于各个国家工业化进程阶段的不同，欧盟已经在1990年完成了碳达峰，美国也在2007年完成了碳达峰，全世界已经有49个国家的碳排放实现达峰，占全球碳排放总量的36%，能源消费总量保持稳定且下降的态势。与其他国家相比，我国电热行业排放了40%以上的碳，这与其他国家（如美国）排放量类似。此外，在我国除了电热行业之外，一些高耗能制造业（如建材行业）也贡献了较多的碳，如每生产1 t水泥就要产生0.86 t二氧化碳（除了燃煤以外，水泥制造过程本身就有大量二氧化碳产生）。而在全球，第二大碳排放来源是包括公路、航空与水运等的交通运输业。
图0.1中国、美国与欧盟碳排放走势
根据全球碳项目（Global Carbon Project，GCP）公布的数据，伴随着我国经济的高速增长，2000年后二氧化碳排放量也迅速攀升，我国二氧化碳排放量增速在2003年曾一度高达17.7%，随后在2006年，我国超过美国成为了全球碳排放量最大的经济体。从图0.1可以看到，我国二氧化碳排放曲线自2012年起已趋于平缓，总的排放量增速明显下降，在2015年和2016年连续两年实现了碳排放总量的下降。受到总体经济发展与产业活跃度的影响，虽然2017年后我国二氧化碳排放量略有反弹，2017年和2018年碳排放增速分别为1.4%和2.3%，但这个增速已远低于2012年以前的水平。
根据我国生态环境部于2019年11月发布的《中国应对气候变化的政策与行动2019年度报告》，2018年我国单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放比2005 年累计下降了45.8%，已提前完成了我国在2009年向国际社会承诺的到2020年碳强度比2005年下降40%~45%的目标。我国碳强度逐步下降，已提前完成2020年的阶段性目标。2019年，我国煤炭消费占比57.5%，石油消费占比18.9%，天然气消费占比8.1%，化石能源消费总量占比接近85%。不断增长的能源需求以及化石能源为主的能源消费结构导致我国二氧化碳排放量较高，这给我们实现碳达峰与碳中和目标带来了很大的压力。目前我国由化石能源消费产生的碳排放量接近1010 t，而从分品种化石能源碳排放来看，煤炭消耗导致的二氧化碳排放量已经超过7.5×109 t，占化石能源碳排放总量超过75%； 其次为石油和天然气消耗导致的二氧化碳排放，其占比大致为14%和7%。
按不同行业的碳排放来看，作为一个已经高度工业化的国家，我国的碳排放主要集中于发电、建材、钢铁等行业，此外，随着全国公路网的覆盖面进一步拓宽，我国机动车年度销售量已经超过2400万辆，成为世界上第一大机动车生产与销售国，这导致与交通相关的碳排放也占有较大的份额，而居民、商业、农业和公共服务等行业的碳排放相对较低。具体分析一下各个行业，发电行业作为一个国家的经济命脉，在国民生活中具有不可或缺的地位。目前我国的电能源结构仍然是以煤电为主，截至2019年底，燃煤发电装机容量占发电装机总容量的51.8%，2019年燃煤发电量则占总发电量的62.2%。根据2020年国际能源署（International Energy Agency，IEA）的最新数据，全球电力和热力生产行业贡献42%的二氧化碳排放，工业、交通运输业分别贡献为18.4%和24.6%，而我国的情况是，电力和热力生产行业贡献了51.4%，工业、交通运输业分别贡献了27.9%、9.7%。也就是说在我国，二氧化碳排放来自电热、工业的占比相比全球更高，这给我们后续要实现碳达峰与碳中和带来了较大的压力。
从其他工业端来看，能源加工行业、钢铁行业以及化学原料制造业等相关高耗能行业不仅是煤炭消费的主要用户，也是二氧化碳排放的主要来源。在电力和热力生产行业之外，其他工业行业贡献了将近30%的化石能源碳排放。最后，从交通行业来看，随着我国城镇化的持续推进，交通行业的能源消费和碳排放也呈现出显著递增趋势。我国的交通行业以石油消费为主，目前贡献了大概10%的化石能源碳排放，而在其他国家（如美国）交通行业的化石能源碳排放要高很多（超过20%）。
实现碳中和目标的对策
我国在2030年实现碳达峰之后，需要在接下来的30年内完成碳中和目标，考虑到如此巨大的碳排放总量，时间很有限、任务十分艰巨！为此，国家自然科学基金委组织专家进行了评估，如果还是按部就班地靠现有的技术手段与工作模式，是完全无法实现这个宏伟目标的。在如此紧迫的形势下，要求我们国家的管理人员和科技人员对我国能源技术与管理运行系统进行一场革命性与颠覆性的改变。未来需要一批颠覆性技术来大幅加速推广可再生能源、储能、节能等相关低碳、零碳以及负碳行业，用可再生能源替代化石能源，使之成为碳中和目标实现的主导方向。但是，由于不同减排技术与运行模式的成本收益差异较大，针对不同行业的实施难易度也有较大的不同，需要按照行业具体情况统筹规划、分类分步实施。
对于电力行业来说，由于我国煤电占比超过60%，在电力系统开展深度脱碳的技术改造是我国实现碳中和目标的关键着力点。随着信息化、现代化与城市化进程的推进，电气化与电力化发展非常快速，未来全国性的电力管理营运系统将进一步整合，增强系统性、协调性与整体性，形成以可再生能源与高效储能为主的电力供给体系。我们看到在过去的十年中，可再生能源（光伏与风电等）的发电成本已经显著下降，尤其是光伏发电成本在过去十多年间下降超过90%，在部分地区，光伏上网电价与煤电相差无几。目前，我国生产了全世界90%的光伏组件，这样规模与幅度的巨大变化在十年前是完全不可想象的。存在的问题是光伏与风电的年平均有效发电时间有限，并且可发电时间与发电量受气候影响很大，在大部分地区有效光伏发电时间不足1/5（每年有8760 h，而年平均光伏发电时间在1000~1600 h），并且发电时间受到光照、气候等的严格限制，如果出现长时间无光照（如梅雨季节或极寒大雪天气），光伏与风供电缺口还需要传统火电与核电等来保障。
而随着国家大力推进扩大清洁能源的发展，在规模经济的作用下，其光伏成本有望进一步下降20%~30%，使之成为具有强大竞争力的规模化电力供给方式。可再生能源中风电、光伏具有显著的间接性和波动性的特点，在大规模并网之后，会对电力系统和电网的稳定性产生冲击。进一步推进储能技术与再生能源发电的结合，可以大幅改善可再生能源发电随时间与气候变化的波动性，储能系统可以通过多模式负荷管理进行电网调峰。可再生能源与储能系统的结合不仅可以有效提升可再生能源发电的可靠性和稳定性，同时可以有效降低电力系统的碳排放，推动碳中和目标的实现。但是，目前超大功率的电池储能技术还不是很完善，安全性还需提高，而其他储能技术（如抽水储能），效率比较低，并且受地域条件等应用场景的限制比较多。
从总体工业端来看，未来我国必须摆脱“高能耗、高污染”的产业结构模式。随着城镇化建设的逐步完成，我国对水泥、钢铁、装修等产品的需求可能出现较大幅度的下降，这样工业部门的化石能源的消耗和碳排放将会大幅下降。煤炭、石油等化石能源将主要作为工业原材料投入使用，排放的二氧化碳较少。而要实现工业端的完全零碳排放，需要结合先进的规模化废热回收发电技术，提高工业端的总能源使用效率、控制煤炭消费以及加快煤炭替代则是降低碳排放的重要手段。
对于交通部门来说，随着新能源汽车技术的发展以及交通基础设施的快速发展与完善，未来电动汽车将对传统燃油汽车实现有效替代，路面交通将实现完全电气化。过去5年，动力电池的容量按平均每年20%提升，同时价格平均每年下降20%。同时，电池组件与电控系统的安全性持续得到改善。未来随着钠离子电池等新型高效电池的的规模化推广，电池的成本将大幅下降。按照欧盟的要求，2035年后将不得再销售纯油车，欧洲部分城市与地区甚至宣布不允许任何以化石能源为动力的车辆进入城市道路。因此，电动汽车加上完善的交通基础设施将是路面交通部门实现脱碳的重要途径。同时存在的挑战是我国总体汽车的普及率与人均保有率（目前汽车保有量仅仅为发达国家的1/4左右）还在一个快速提升的阶段，而目前电力的主要来源是煤，即使未来都是电动汽车，如果改变不了以煤电为主的能源结构，就仍然不能到达减碳的目的。未来第一阶段的主要工作是提高能源使用效率，逐步替代发电和工业端的煤炭消费，控制煤炭消费总量，大力发展可再生能源，推进新能源汽车对传统燃油汽车的替代，引导消费者向低碳生活方式转型。第二阶段是需要系统性地改造路网系统，更好地保障电动汽车的普及，包括实现交通部门全面电力化、智能化与网络化。
据统计，2020年，我国二氧化碳排放大约是1010 t，其中，超过95%的碳排放来自煤炭、石油、天然气的使用，另外一部分是来自沼气、生物质等的排放。在碳达峰目标实现之后，我国需要在接下来的30年内将超过1010 t的碳排放实现净零排放，因此在开始的15年内，我国需要快速降低碳排放。要实现深度脱碳，实现碳中和目标，仅仅依靠现有技术手段是不够的，未来还需要加强新兴技术的研发和创新，本书介绍了一些正在研发中的颠覆性技术，未来这些技术的广泛应用，能够保障我国碳中和目标的实现。特别是需要鼓励全社会的积极参与，面对未来巨大的市场，相关的国营与民营企业应该尽早入局，利用雄厚的资金和成熟的技术与积累的市场优势，“借船出海”成为新一代清洁、低碳、安全、高效的能源体系下的重要参与者和获利者。
实现碳达峰与碳中和，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。我们应该积极参与能源国际合作，成为全球碳减排进程的重要参与者。目前全球提出了碳中和目标的国家已经超过120个，我国作为目前全球最大的碳排放和煤炭消费国，我国对于碳中和目标的努力必然会加快全球气候变化治理进程。碳排放关系全人类未来的发展，加强国际合作不仅可以提升我国的国际影响力、话语权与领导力，同时可以通过合作、创新，在相关技术上互补不同国家之间在节能减排、低碳、零碳以及负碳等方面的不足，最终实现互惠互利、合作共赢，最后最大的赢家就是我们所有人都赖以生存的地球。
开展颠覆性创新面临的挑战与机遇
能源与环境保护是关系到我国国民经济发展和国家安全的重大问题。当今世界，能源安全是各国国家安全的重要组成部分，我国作为世界最大的能源消费国，如何有效保障国家能源安全、有力保障国民经济和社会发展，始终是我国能源发展的首要问题。世界正处于能源革命的浪潮中，本次能源革命的发展趋势主要呈现以下几个特点： ①一次能源结构正处于由高碳向低碳转变的进程； ②新能源和可再生能源将成为未来世界能源结构低碳演变的重要方向； ③电力将成为终端能源消费的主体； ④能源技术创新将在能源革命中起决定性作用。科技发展是当今世界的主题，我国已进入了世界舞台，我国制造更需向世界展现实力和威力。近100年来我们一直在学习国外先进的科学技术，“山寨”目前在我国仍有很大市场。我国要成为世界强国，必须采取“超越”战略，占领科技制高点，引领经济发展，从“跟踪模仿和学习”转向“原始创新与超越”。
如果还是亦步亦趋地模仿他国科技，我国科技将一直落后。即使我们紧跟世界先进科技步伐，最多只能学到“N-1代”的技术。“山寨”和模仿需要投入大量的人力、财力和物力，关键是大规模的投入之后技术还是处于落后状态。以我国引进彩色电视机生产线为例，20世纪80年代，我国从世界各国引进了200多条显像管彩色电视机生产线，到2002年我国生产的显像管彩色电视机占据了80%以上的国际市场。索尼、飞利浦等厂家纷纷把显像管彩色电视机方面的设计、专利和生产线高价卖给我国厂家。可就仅仅过了3年，正当我国厂家为了争夺市场，竞相降价恶性竞争时，这些国际厂家把数字高清平板电视拿了出来，我国厂家又开始一代又一代地去购买生产线和专利技术，重复30年前的过程。
近30年来，我国经济的快速发展使得国家和企业能够在科研项目中投入大量资金，但资金买不来创新，真正的创新不依赖大量的资金。据相关统计，1976年至2020年，美国共产生了249位诺贝尔物理、化学、生物医学和经济学奖获得者，按照这45年间美国的科技投入累计计算，平均每花费237.1亿美元左右（合约1527.2亿人民币），就可产生1位诺贝尔奖获得者。如果单从成本产出考量，我国2020年全社会科技投入为2.4万亿元人民币，如按此产出比例我国应该产生15.7位诺贝尔奖获得者。
我国科技投入回报率低的根本原因是科技成果和科研人才评价体制中的片面性和局限性。研发体系内存在太多规避风险的意识，限制了创新。我国科学家需要更多的独立性和自由从事高风险研究的机会。未来我国需要进一步开展科技体制改革，大幅提升我国国际科技竞争力与科技贡献率。
例如： 美国的巴特尔纪念研究所是为了纪念美国钢铁实业家戈登·巴特尔于1923年成立的，巴特尔纪念研究所是世界上最大的独立研究机构，单独管理或共同管理着隶属于美国能源部和国土安全部的6个实验室，同时还参与管理英国国家核实验室。该研究所一直是“科学技术转化成生产力”“专利转化为生产力”运动的实践者和领导者，致力于“让沉睡在学术刊物上的研究成果站立起来”，投入到实际应用中去，这与我国目前促进科技成果转化的政策不谋而合。
目前我国的科技项目侧重应用和产品的研发，基础研究所占比例只有5%，与其他国家15%~20%的基础研究相比投入比例过低，这也是我国科学家难以获得注重基础科学研究的诺贝尔科学奖的重要原因。许多科研人员不得不从事一些没有相关性的短期研究以维持实验室运转，无法专心治学治研。
微纳技术作为现代最前沿的科技，其最典型的应用就是我们被“卡脖子”的半导体芯片制造技术。芯片制造需要以广泛厚实的基础研究为依托，加上技术、技巧和技能长期积累。芯片制造是国产短板，美国用芯片来卡我们的脖子。但我国有像华为一样的企业，有国家与社会群体的支持，从长期来看，我国芯片将会站在世界的顶峰。
特别感谢国家自然科学基金（51776126）的资助！
胡志宇
2022年11月
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