生产端将形成“电力生产低碳化+能源消费电气化”特征，即发电过程中尽量不产生二氧化碳，其他工业生产能用电尽量用电。在生活领域，交通出行将逐渐零碳化，电力、氢能等清洁能源将替代传统化石能源；家庭部门也将向碳中和目标迈进，采暖脱碳、环保施工、绿色建材等方面均有望得到进一步创新和应用。

  碳中和”背后孕育着一次百年级别的能源革命，其中必然伴随着大量的技术进步和创新，人类的生产生活也将因此发生深刻变化。生产端将形成“电力生产低碳化+能源消费电气化”特征，即发电过程中尽量不产生二氧化碳，其他工业生产能用电尽量用电。在生活领域，交通出行将逐渐零碳化，电力、氢能等清洁能源将替代传统化石能源；家庭部门也将向碳中和目标迈进，采暖脱碳、环保施工、绿色建材等方面均有望得到进一步创新和应用。

  碳中和意味着能源结构的巨变，是一次百年级别的能源革命。历史上每一次的能源结构巨变都与工业革命相辅相成，其中伴随着大量的技术进步和创新。中国碳中和时间表十分紧凑，为实现碳中和目标，未来碳权价格必然会逐年走高，绿色转型是企业生存下去的必经之路，企业有动力进行自主研发减少碳排放或者增加碳吸收。从技术层面怎么来实现碳中和？从“碳排放 – 植物碳汇– 人工碳汇 = 0”出发，碳中和需要各行业通过技术改造或技术创新最好能够降低碳排放，或者利用CCUS（碳捕捉、应用与储存）技术进行人工碳汇。

  我们把中国“碳排放大户”分为四类，包括电力部门、工业部门、交运部门和建筑部门。实现碳中和，上述四个部门亟需进行节能技术改造和零碳生产技术创新。其中，电力部门绿色转型是实现碳中和的基础，一方面需要对传统发电公司进行技改，另一方面要大规模应用光伏、风能等清洁能源；工业部门深度脱碳是碳中和的重中之重，钢铁、水泥、化工等生产的全部过程有必要进行燃料替代和化学方程式替代；交运部门要加强化石能源替代速率，实现短途交运电动化、长途交运氢能化；建筑部门要从供暖制冷环节、建筑施工环节、建材生产环节三个方面来实现零碳建造。

  CCUS全称是Carbon Capture, Utilization and Storage，即碳捕捉、应用与储存，是在碳中和领域一套重要的技术组合。能够最终靠四种渠道促进碳中和：一是解决现有能源设施的碳排放问题；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方法；三是在二氧化碳和氢气的合成燃料领域有重要应用；四是从空气中捕获二氧化碳。未来在CCUS中的技术创新预计将围绕捕获、运输、存储和应用四大核心领域开展：一是捕获方面，当前碳捕获的主要技术有化学吸收和物理隔离；二是运输方面，建立安全可靠的基础设施运输二氧化碳是CCUS的重要基础；三是碳利用方面，第一个创新方向是加强完善将碳和氢气一起用来生产碳氢合成燃料的技术，第二个创新方向是将二氧化碳作为化石燃料的替代品用于工业品生产；四是碳储存方面的技术创新。

  从碳排放大户的分类来看，电力部门和工业部门的技术更新对生产场景影响较大，交运部门和建筑部门对于生活场景影响较大。在紧凑的“碳中和”时间表安排下，在生产生活领域进行深度碳中和技术应用将是大势所趋。生产领域将形成“电力生产低碳化+能源消费电气化”特征，即发电过程中尽量不产生二氧化碳，其他工业生产能用电尽量用电。在生活领域，交通出行将逐渐零碳化，电力、氢能等清洁能源将替代传统化石能源；家庭部门也将向碳中和目标迈进，采暖脱碳、环保施工、绿色建材等方面均有望得到进一步创新和应用。

  “碳中和”背后孕育着一次百年级别的能源革命，其中必然伴随着大量的技术进步和创新，人类的生产生活也将因此发生深刻变化。

  要实现2030年碳达峰和2060年碳中和，中国面临着巨大的现实挑战，技术突破是实现碳中和的必然要求。其一，我国二氧化碳排放总量巨大。中国是世界二氧化碳第一排放大国，排放量超过美国、欧盟、日本的总和，实现碳中和所需的碳减排量远高于其他几个国家。其二，我国“碳中和”的时间安排更加紧凑。中国从“达峰”到“中和”之间仅有30年时间，远远短于发达国家安排。以德国、法国、英国为代表的欧洲国家于上世纪80年代末、90年代初已实现碳达峰，美国2007年实现碳达峰，日本2013年实现碳达峰，距离2050年碳中和目标有37~60年的过渡期。

  “碳中和”时间表紧凑，为实现碳中和目标，未来碳权价格必然会逐年走高。购买碳权会增加额外的企业成本，碳减排技术进步较慢的企业将面临被时代淘汰的命运。从另外一个角度看，对于技术改造较快、技术创造新兴事物的能力强的企业来说，多余的碳权配额成为了其不断增值的稀缺资产。因此，企业通过自主研发减少碳排放或增加碳吸收的动力很强，绿色转型是企业生存下去的必经之路。

  如何实现碳中和？根据联合国政府间气候平均状态随时间的变化专门委员会（IPCC）提供的定义，碳中和，即净零二氧化碳排放，是指在特定时期内全球人为二氧化碳排放量等于二氧化碳消除量。用公式可表示为：

  因此，实现碳中和，从技术层面出发，需要各行业通过技术改造、升级或创新最好能够降低碳排放，或者利用CCUS（碳捕捉、应用与储存）技术进行人工碳汇。碳减排方面着重关注二氧化碳高排放行业，包括电力部门、工业部门、交运部门和建筑部门，之后会逐一分析四个部门的碳减排技术方案。CCUS则是实现碳中和的另一重要保障，一方面CCUS技术能参与到上述碳排放大户的节能减排方案之中，另一方面能直接从空气中捕捉二氧化碳，作为碳中和的最终保障。

  中国碳排放主要是通过生产端的直接排放和消费端的间接排放两个渠道，直接排放指通过燃烧化石燃料排放，间接排放指通过耗电间接排放。考虑直接排放和间接排放两个渠道，我们把中国“碳排放大户”分为四类，包括电力部门、工业部门、交运部门和建筑部门。实现碳中和，上述四个部门亟需进行节能技术改造和零碳生产技术创新。

  电力部门绿色转型是实现碳中和的基础。电力生产低碳化有两种方式：一方面，对现有发电公司进行技术改造，提高能源利用效率，包括热点解耦、低压稳燃等传统技改，以及利用人工智能、大数据、云计算等进行智能化改造；另一方面，寻求以太阳能、风能为代表的可再次生产的能源进行发电，实现电力的零碳生产，除了利用光伏、风能等清洁能源进行发电之外，电力的储存和运输也至关重要。

  工业部门深度脱碳是实现碳中和的重中之重。对于钢铁行业而言，要全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；对于水泥生产而言，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化石燃料，另一方面需要积极探寻水泥原料石灰石的替代品，完全解决石灰石煅烧过程中的大量碳排放问题；对于化工行业而言，应全力发展氢化工，实现对化石能源的替代，另外积极探索生物基高分子材料替代化纤、塑料、橡胶等石化基材料。

  交运部门碳排放占比持续不断的增加，需要加强化石能源替代速率。加快短途交通电动化进程，逐步提升新能源电池的单位体积内的包含的能量和充电速度，推广光伏充电桩一体化的新型建筑配电系统；航空、船舶、铁路等长途交通尝试使用氢能、生物质燃料、液态氨等燃料替代传统化石燃料。另外，利用并发展大数据技术，构建智慧城市交通体系，从宏观层面减少通行里程和道路拥堵。

  建筑部门是碳排放量最高的终端消费来源，包括住户供暖制冷的直接排放、建筑施工环节的直接排放以及建材生产的全部过程中的间接排放。其一，供暖设备脱碳，使用热泵技术或积极探索生物质能、地热能等供暖技术；其二，建筑施工环节使用装配式建筑降低碳排放；其三，借助工业脱碳技术或新材料的替代实现零碳建造。

  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，但目前电力生产的全部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，对现有发电公司进行技术改造；另一方面，寻求以太阳能、风能为代表的可再次生产的能源进行发电，实现电力的零碳生产。

  目前中国发电结构以火电为主，对现有发电公司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，但是现存技术仍存在响应灵活性差、机组损耗高、经营成本高等问题。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、光伏为代表的可再次生产的能源将成为主力能源。近几年，风能、光伏生产所带来的成本不断降低，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是需要低成本的绿色储能技术。空间错配指的是可再次生产的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，一定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，未来可再次生产的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次生产的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。目前抽水储能顶级规模，但由于对地理环境要求过高，必须毗邻水资源，发展前途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次生产的能源间歇性特征的重要方式，而液流电池持续放电时间长，也将吸引更加多的研发投入。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非常大变革，除了应用在可再次生产的能源发电上，还可能推广到新能源交通工具方面。

  空间错配问题，即光照资源丰富的西北地区与用电需求强劲的中东部地区之间的供需错配问题。一方面，我们大家可以通过建设高效的能源运输网络（特高压）实现2.0版本的“西电东送”；另一方面，我们能够最终靠分布式光伏充分利用“头顶的太阳”，实现一定程度上的能源“自给自足”，未来分布式光伏应用布局或将超越集中式光伏，近年来国家政策已逐渐向分布式光伏倾斜。

  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。

  交运部门碳排放占比不断增加，需要加强化石能源替代速率。一方面，短途交运应推进电动化进程，利用新能源电池作为供能来源，从而实现脱碳。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。另一方面，考虑到电池续航能力有限，航空、船舶、铁路等长途交运应尝试使用氢能、生物质燃料、液态氨等燃料替代传统化石燃料。这需要推进配套的基础设施建设，以降低“绿色溢价”，实现新燃料的经济性。此外，利用并发展大数据技术，构建智慧城市交通体系，能够提高能源使用效率，从宏观层面实现碳减排。

  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。

  交运部门除了在能源端实现脱碳，还可以利用大数据技术，提高能源使用效率，从宏观层面实现碳减排。一方面，利用大数据构建智慧城市交通体系，全面掌握城市交通状况，助力城市交通基础设施建设，优化出行安排。另一方面，利用大数据技术，发展自动驾驶、智能车联网等技术，推动电动交运工具的人性化服务体验，从而提高电动交运工具的市场渗透率，从市场需求端为电动化助力。

  建筑部门是碳排放最高的终端消费来源，包括住户供暖制冷的直接排放、建筑施工环节的直接排放以及建材生产过程中的间接排放。实现建筑部门的碳中和必须多方举措、同时进行：其一，供暖设备脱碳，使用热泵技术或积极探索生物质能、地热能等供暖技术；其二，建筑施工环节使用装配式建筑降低碳排放；其三，借助工业脱碳技术或绿色材料的替代实现零碳建造。

  一方面，热泵技术具有巨大的节能潜力，是实现建筑采暖用能电气化的主要手段。

  热泵系统能使低温位热能向高温位热能转移，目前已经广泛应用于空调、供暖、制冷、烘干、热水等领域。以热源形式划分，热源系统主要包括空气源热泵、地源热泵、水源热泵等。以地源热泵为例，热泵机组能在冬季从大地吸收热量，夏季放出热量，无污染地向建筑物供冷供热，且运行和维护费用低，可广泛应用于各类建筑物。

  另一方面，推进可再生能源供热的广泛应用，能对减排脱碳形成积极补充。目前可再生能源供热相关的关键技术主要为高温型热泵可靠运行、井下高效换热、中深层地热能“取热不取水”开发利用技术、中深层地下热水采灌均衡、地热尾水回灌和水处理技术。未来相关政策将进一步推动技术进步，提高经济性以实现存量替代。

  碳中和背景下装配式建筑拥有广泛的技术优势和政策支持，未来有望成为建筑行业减排中和的技术路线。装配式建筑是指使用预制的构件和配件建造的建筑。与传统的现浇住宅相比，装配式建筑可在建造、装修、使用等全寿命周期内的各个环节实现减碳。

  建筑材料是建筑部门碳排放的主要来源，钢材、水泥、铝材等建材的生产均有高排放、高耗能特点。因此，实现零碳建造必须大规模应用新一代绿色材料，除了上文提到的绿氢炼钢和低碳水泥技术之外，还包括环保型木质复合、金属复合、优质化学建材及新型建筑陶瓷等绿色建材。另外，建材行业消纳废弃物能力较强，应进一步提升工业副产品在建筑材料领域的循环利用率和利废技术水平。

  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。

  一是解决现有能源设施的碳排放问题。能够最终靠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。

  未来在CCUS中的技术创新预计将围绕捕获、运输、存储和应用四大核心领域开展。

  一是捕获方面，当前碳捕获的主要技术有化学吸收和物理隔离。化学吸收分两个环节，首先使用可以吸收二氧化碳的化学溶剂捕获含二氧化碳等多种化学物质的气体，此后在溶剂中分离出纯净的二氧化碳。这一技术目前在全球范围的多个CCUS设施中广泛应用，主要应用于发电厂和工业设施。物理隔离则是利用活性炭、氧化铝、金属氧化物或沸石等物质吸收含二氧化碳的气体，而后通过温度或压力调节释放纯净的二氧化碳，该技术主要应用于天然气厂。

  此外，还有膜分离、钙循环、化学循环等技术正在探索之中，未来可能成为重要的创新方向。膜分离技术的基础是选择性捕获二氧化碳气体的化合物装置，可以高效的捕获和分离二氧化碳气体，目前美国国家碳捕获中心、天然气技术协会、能源部能源技术实验室正在加速研发多种膜分离技术。钙循环也是一种新型碳捕获技术，使用生石灰（CaO）作为吸附剂来捕获二氧化碳并形成碳酸钙（CaCO3），随后碳酸钙进行分解产生生石灰和纯净的二氧化碳，前者可以进行循环利用，这一技术在钢铁和水泥生产领域有较好的应用前景。化学循环是使用金属氧化物对碳气体进行捕捉的技术，在煤炭、天然气和石油等能源领域有广泛应用空间。碳捕获技术的最大难点在于根据二氧化碳浓度、操作压力、温度、气体的流速以及设备成本选择合适的技术解决方案，伴随着捕获技术的不断创新，未来碳捕获的能力和效率将进一步提升。

  二是运输方面，建立安全可靠的基础设施运输二氧化碳是CCUS的重要基础。当前最主要的运输手段是管道，其次是船舶（采用液化的方式运输）；当前北美已经有了总长超过8000公里的二氧化碳运输管网。这一领域的创新方向主要是对现有的油气运输管道进行评估和改造再利用，改造成本往往比新建管道的成本更低。根据IEA估算，改造现有管道所需的投资估计为新建管道成本的1-10%。这一领域的技术难点在于如何增加老管道的抗压能力。石油或天然气运输要求的压强较低，二氧化碳运输要求的压强较高，需要通过进一步创新解决这一技术难点。

  三是碳利用方面的技术创新。全球当前每年二氧化碳消费量约2.3亿吨，最大的消费行业是化肥生产业，每年二氧化碳消费量约1.3亿吨；其次是石油和天然气行业，为提高石油采收率每年消费二氧化碳约7000-8000万吨。未来应通过技术创新开辟更多二氧化碳的利用途径。第一个创新方向是进一步完善将碳和氢气一起用于生产碳氢合成燃料的技术，目前正在运行的最大工厂是位于冰岛的乔治奥拉工厂，该工厂每年利用可再生电力产生的氢气将大约5600吨二氧化碳转化为甲醇；第二个创新方向是将二氧化碳作为化石燃料的替代品用于工业品生产（部分化学品需要融入碳元素以增强其结构的稳定性），目前已有一家德国公司Covestro对该技术进行初步运用，该公司每年可以生产约5000吨的聚合物，二氧化碳在生产的全部过程中替代了20%的化石燃料。第三个创新方向是将二氧化碳用于建筑材料生产，例如二氧化碳可以在混凝土中替代水的作用，这一技术被称为“二氧化碳养护”，二氧化碳可以与矿物质反应生成碳酸盐并加固混凝土。与传统建筑材料相比，一些加入二氧化碳的建筑材料具有更为优越的性能。典型案例如两家北美公司CarbonCure和Solida在二氧化碳固化技术研究领域处于领先状态，预计2021年将有5-6座工厂正式投产。上述技术尚未成熟，大多尚未展开大规模应用，伴随技术的持续创新将产生更广泛的应用空间。

  四是碳储存方面的技术创新。当前主要的碳储存方式是将捕获的二氧化碳注入地下深处，当前适合储存二氧化碳的深度为含盐地层以及油气地层。为了适应不同地理位置的储存需要，未来可以通过技术创新进一步开拓更多的碳储存地点，例如玄武岩层和盐碱含水层具备储存碳的条件，当前的技术研发正在积极探索其碳储存的可能性，当前的研究认为北美、非洲、俄罗斯以及澳大利亚都有较强的碳储存潜力。除了陆地储存外，海洋也有较大的潜在存储空间。根据当前的研究现状，如何因地制宜开发合适的碳储存场所，如何防止二氧化碳泄露回到大气层或污染地下水，如何合理控制碳储存的成本都是碳储存的研究难点。根据IEA分析，碳储存场所的开发可能成为未来推进CCUS和碳中和的重要制约因素。

  从碳排放大户的分类来看，电力部门和工业部门的技术更新对生产场景影响较大，交运部门和建筑部门对于生活场景影响较大。在紧凑的“碳中和”时间表安排下，在生产生活领域进行深度碳中和技术应用将是大势所趋。

  生产领域将形成“电力生产低碳化+能源消费电气化”特征，即发电过程中尽量不产生二氧化碳，其他工业生产能用电尽量用电。发电方面，光伏、风能发电技术已日臻成熟，伴随储能、特高压、IGBT等技术不断创新，未来“风光”将成为主力能源。工业方面，伴随清洁电能的成本逐渐降低和碳权价格不断上升，生产中所需要的高温环境将由可再次生产的能源提供，生产过程中的化学方程式等号右边出现温室气体的比重也将逐渐降低，炼钢行业“绿氢+电炉”、水泥行业“清洁供热+熟料替代”、化工行业“氢化工+新材料”将逐渐成为主流。

  除此之外，生活的部分领域也可能涉及碳中和技术。交运方面，乘用车将逐渐由汽油车向新能源汽车转化，包括电动车、氢能源车等，这一转变已经逐渐发生。建筑部门方面，主要是住户供暖制冷产生的直接碳气体排放，这一领域可能通过CCUS技术体系中碳捕获技术的发展实现。当前物理吸附技术仍处在持续创新状态，未来技术发展可能使得物理吸附设备的迷你化、家用化成为可能，以活性炭、金属氧化物等物质为基础，发展出小型物理吸附设备用于家用供暖与制冷设备，吸收含二氧化碳的气体，从而减少家庭碳排放。在这一过程中可能需要解决两项技术难点：一方面是需要研究使用对人体无害的碳吸附物质以及相关设备；另一方面是需要对家用设备管道做改造，通过温度或压力调节释放纯净的二氧化碳并循环使用碳吸附物质，同时对捕获的碳气体进行传输和集中处理。