環保行業中前沿技術的熱點及發展趨勢

來源:admin 時間:2021-10-25 05:51:34

科學技術創新是實現碳中性的核心驅動力量,推動和依靠綠色技術創新作為實現碳中和目標的共同戰略選擇,已經成為主要發達國家的共識。從2020年起,發達國家通過制定面向碳中性的科技戰略和規劃,加快布局綠色低碳技術創新。

比如:美國發布了“清潔能源革命和環境正義計劃”,“清潔能源變革解決方案”;英國在“綠色工業革命十大計劃”基礎上推出“凈零創新組合計劃”;日本政府相繼頒布了《改革環境技術創新戰略》《2050碳中和綠色增長戰略》等。發展中國家的兩條主線是“減少排放”和“增加匯兌”,重點是“零碳能源系統建設”“低碳產業轉型”和“生態固碳增匯/碳捕獲,利用與封存(CCUS)”3個維度。本論文系統地解讀了國際碳中和行動的關鍵技術前沿熱點及發展趨勢,并在此基礎上提出了對我國碳中和行動戰略的啟示與建議。

一零碳能源關鍵技術系統

零碳能源關鍵技術體系包括傳統化石能源系統的低排放轉換、新能源的大規模應用與廣泛應用。其中的重點有碳基能源高效催化轉化、先進高效低排放燃燒發電等關鍵減排技術,以及氫、太陽能、風能等新能源應用技術。

對傳統能源系統進行低碳排放改造是現實中的迫切任務。

1催化過程與過程的革命創新推動了碳基能源的高效催化轉化。

為了解決化石能源最本質的碳資源清潔高效轉化利用問題,前沿熱點方向有:碳基能源催化轉化反應途徑、催化劑和工藝開發、復雜催化轉化系統集成耦合與匹配、轉化過程多點源復雜污染物控制等。當前,高效催化轉化碳基能源已經有了一些新的發展方向,部分實現了工程示范。展望了今后10-20年煤炭分級分質轉化利用技術,CO2催化轉化技術將是發展的重點。

環保行業中前沿技術的熱點及發展趨勢(圖1)

2熱力循環和高效率熱功轉換實現清潔燃燒和高效發電。

高效率、高效率、低排放燃燒發電技術可以有效降低化石能源作為燃料的碳排放,前沿熱點方向包括:多源型智能發電系統集成和協調控制,高參數的燃煤發電高效熱功轉換機理、新型工質熱循環與高效熱功轉化創新技術、多污染物協同控制等。今后將繼續向高效、節能、節水、低排放、零排放方向發展。2030年,煤電超低排放等先進技術有望在2030年全面推廣,這將使煤電接近于零排放,對整個煤炭產業鏈的環境影響將明顯降低。

構建新一代能源系統是實現“中和碳中和”目標的核心工作。

碳零排關鍵技術,以可再生能源、先進核能、氫能、儲能等為代表,是實現碳中和的關鍵環節,是建設低碳綠色能源體系,實現碳中和目標的關鍵。

1高比例可再生能源系統被廣泛認為是引領全球能源向綠色低碳過渡的主要力量。

建設高比例可再生能源體系,需要突破可再生能源高效、低成本、大規模開發利用等一系列前沿關鍵科技熱點,主要包括:先進可再生能源、靈活友好并網、新一代電力系統、多能互補、供需互動等關鍵核心技術。今后可再生能源的利用將向多能互補、冷熱電聯產和綜合利用方向發展。在能源結構中,可再生能源的比例不斷上升,到2025年,可再生能源有望成為世界上最大的電力來源,2050年達到近90%的發電能力,2/3的能源供應量。在這些方面,重點科技研發方向包括:高效、低成本光伏發電,人工光合系統統制燃料和化學品等新技術;大型風力機組和組件的關鍵技術,以大數據為基礎的風電場設計與運營關鍵技術、大型風力發電機組試驗關鍵技術、海上風電場設計、建設和開發成套關鍵技術等;生物質能源清潔制備和高效利用技術,能源植物基因重組育種,生物油的精制原理,氫能轉化原理等。

2先進裂變堆研發和核聚變堆實驗突破,推動核能向安全、高效、可持續發展邁進。

高級核裂變能前沿熱點方向主要集中在開發具有固有安全性特征的第四代反應堆系統、燃料循環利用和廢物轉化堆技術。目前,在可控核聚變的前沿研究方向主要集中在等離子體理論研究、強中子輻射與高熱負荷材料的開發以及示范堆概念設計等領域。據預測,到2030年左右,鈉冷快堆等部分成熟的四代堆將進入市場,以后逐步擴大規模。預期到2030年前后,磁控核聚變將完成實驗堆的建設和滿功率運行,示范堆的工程設計和商業堆的預研與評價工作將在2050年前后展開。

三氫能源是未來碳中和社會技術、產業競爭的新高地。

當前熱點方向包括:可再生能源電解制氫等綠色制氫技術、高效、易運儲氫技術和基礎設施網絡建設、以氫能為基礎的新型復合系統概念研究和驗證等。當前,可再生能源電解水的制氫還處于示范階段,太陽能光解水制氫等前沿技術還處于實驗室發展階段;預計2030年電解水制氫技術將在2030年大規模投入使用,具有相當于藍氫制氫(配有碳捕獲的礦物燃料)的競爭力。氫能應用正逐步走向靈活、高效的多能量融合場景。

環保行業中前沿技術的熱點及發展趨勢(圖2)

第四代新一代的電化學儲能技術正在進入重大突破階段。

當前熱點方向包括:發展全固態鋰電池、金屬-空氣電池、新概念化學電池等潛在的破壞性技術;重點開展充放電循環反應機理的研究、中間產物識別、界面優化、新概念電池材料的開發。今后的電池儲能研究將繼續向高能量密度、高比功率、快速響應、高安全、長壽命的電池材料發展。動力電池的單體能量密度預計在2025年之前達到400Wh/kg,2030年將達到500Wh/kg,并將加快開發下一代鋰離子動力電池和新型動力電池。到21世紀中期,最終實現新的電化學儲能技術,即長壽命、低成本、高能量、高安全、易回收。

5多能融合能源系統是各國低碳轉型戰略競爭的新焦點。

重點前沿方向為能源綜合互補、多能量系統規劃設計、運營管理、能源系統智慧化等重大科技問題的研究、多能互補系統改造技術的開發等。能源發展的總趨勢是構建多功能一體化能源系統,解決能源生產、輸配、儲存、消費各環節的多能耦合和優化互補核心技術。開發轉型智能綠色過程技術體系,支持高碳產業流程再造,解決高碳產業能源轉化與工業生產過程中的高能耗、高排放問題,維護能源利用和生態文明協調發展。


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