环保行业中前沿技术的热点及发展趋势

科学技术创新是实现碳中性的核心驱动力量，推动和依靠绿色技术创新作为实现碳中和目标的共同战略选择，已经成为主要发达国家的共识。从2020年起，发达国家通过制定面向碳中性的科技战略和规划，加快布局绿色低碳技术创新。

比如：美国发布了“清洁能源革命和环境正义计划”，“清洁能源变革解决方案”；英国在“绿色工业革命十大计划”基础上推出“净零创新组合计划”；日本政府相继颁布了《改革环境技术创新战略》《2050碳中和绿色增长战略》等。发展中国家的两条主线是“减少排放”和“增加汇兑”，重点是“零碳能源系统建设”“低碳产业转型”和“生态固碳增汇/碳捕获，利用与封存(CCUS)”3个维度。本论文系统地解读了国际碳中和行动的关键技术前沿热点及发展趋势，并在此基础上提出了对我国碳中和行动战略的启示与建议。

一零碳能源关键技术系统

零碳能源关键技术体系包括传统化石能源系统的低排放转换、新能源的大规模应用与广泛应用。其中的重点有碳基能源高效催化转化、先进高效低排放燃烧发电等关键减排技术，以及氢、太阳能、风能等新能源应用技术。

对传统能源系统进行低碳排放改造是现实中的迫切任务。

1催化过程与过程的革命创新推动了碳基能源的高效催化转化。

为了解决化石能源最本质的碳资源清洁高效转化利用问题，前沿热点方向有：碳基能源催化转化反应途径、催化剂和工艺开发、复杂催化转化系统集成耦合与匹配、转化过程多点源复杂污染物控制等。当前，高效催化转化碳基能源已经有了一些新的发展方向，部分实现了工程示范。展望了今后10-20年煤炭分级分质转化利用技术，CO2催化转化技术将是发展的重点。

2热力循环和高效率热功转换实现清洁燃烧和高效发电。

高效率、高效率、低排放燃烧发电技术可以有效降低化石能源作为燃料的碳排放，前沿热点方向包括：多源型智能发电系统集成和协调控制，高参数的燃煤发电高效热功转换机理、新型工质热循环与高效热功转化创新技术、多污染物协同控制等。今后将继续向高效、节能、节水、低排放、零排放方向发展。2030年，煤电超低排放等先进技术有望在2030年全面推广，这将使煤电接近于零排放，对整个煤炭产业链的环境影响将明显降低。

构建新一代能源系统是实现“中和碳中和”目标的核心工作。

碳零排关键技术，以可再生能源、先进核能、氢能、储能等为代表，是实现碳中和的关键环节，是建设低碳绿色能源体系，实现碳中和目标的关键。

1高比例可再生能源系统被广泛认为是引领全球能源向绿色低碳过渡的主要力量。

建设高比例可再生能源体系，需要突破可再生能源高效、低成本、大规模开发利用等一系列前沿关键科技热点，主要包括：先进可再生能源、灵活友好并网、新一代电力系统、多能互补、供需互动等关键核心技术。今后可再生能源的利用将向多能互补、冷热电联产和综合利用方向发展。在能源结构中，可再生能源的比例不断上升，到2025年，可再生能源有望成为世界上最大的电力来源，2050年达到近90%的发电能力，2/3的能源供应量。在这些方面，重点科技研发方向包括：高效、低成本光伏发电，人工光合系统统制燃料和化学品等新技术；大型风力机组和组件的关键技术，以大数据为基础的风电场设计与运营关键技术、大型风力发电机组试验关键技术、海上风电场设计、建设和开发成套关键技术等；生物质能源清洁制备和高效利用技术，能源植物基因重组育种，生物油的精制原理，氢能转化原理等。

2先进裂变堆研发和核聚变堆实验突破，推动核能向安全、高效、可持续发展迈进。

高级核裂变能前沿热点方向主要集中在开发具有固有安全性特征的第四代反应堆系统、燃料循环利用和废物转化堆技术。目前，在可控核聚变的前沿研究方向主要集中在等离子体理论研究、强中子辐射与高热负荷材料的开发以及示范堆概念设计等领域。据预测，到2030年左右，钠冷快堆等部分成熟的四代堆将进入市场，以后逐步扩大规模。预期到2030年前后，磁控核聚变将完成实验堆的建设和满功率运行，示范堆的工程设计和商业堆的预研与评价工作将在2050年前后展开。

三氢能源是未来碳中和社会技术、产业竞争的新高地。

当前热点方向包括：可再生能源电解制氢等绿色制氢技术、高效、易运储氢技术和基础设施网络建设、以氢能为基础的新型复合系统概念研究和验证等。当前，可再生能源电解水的制氢还处于示范阶段，太阳能光解水制氢等前沿技术还处于实验室发展阶段；预计2030年电解水制氢技术将在2030年大规模投入使用，具有相当于蓝氢制氢(配有碳捕获的矿物燃料)的竞争力。氢能应用正逐步走向灵活、高效的多能量融合场景。

第四代新一代的电化学储能技术正在进入重大突破阶段。

当前热点方向包括：发展全固态锂电池、金属-空气电池、新概念化学电池等潜在的破坏性技术；重点开展充放电循环反应机理的研究、中间产物识别、界面优化、新概念电池材料的开发。今后的电池储能研究将继续向高能量密度、高比功率、快速响应、高安全、长寿命的电池材料发展。动力电池的单体能量密度预计在2025年之前达到400Wh/kg,2030年将达到500Wh/kg，并将加快开发下一代锂离子动力电池和新型动力电池。到21世纪中期，最终实现新的电化学储能技术，即长寿命、低成本、高能量、高安全、易回收。

5多能融合能源系统是各国低碳转型战略竞争的新焦点。

重点前沿方向为能源综合互补、多能量系统规划设计、运营管理、能源系统智慧化等重大科技问题的研究、多能互补系统改造技术的开发等。能源发展的总趋势是构建多功能一体化能源系统，解决能源生产、输配、储存、消费各环节的多能耦合和优化互补核心技术。开发转型智能绿色过程技术体系，支持高碳产业流程再造，解决高碳产业能源转化与工业生产过程中的高能耗、高排放问题，维护能源利用和生态文明协调发展。