2060中国碳中和

1.院士领衔——本书由我国化工界知名院士金涌先生领衔编著，参编作者均为各个领域有作为的专家，内容涵盖丰富，包含了碳中和各个领域的内容，可参考性强。 2.集众家之长——《2060中国碳中和》内容包含了学术界、工业界、经济界有作为的专家，编写内容均来自自身多年的研究积累，本书集各家单位的研究成果于一身，您在阅读本书时能体会到不同专家的视野，并能在各种技术中启发交叉融合、融汇贯通的研究思路。 3.跨界融合——本书不仅包括生态工业、流程再造低碳技术、二氧化碳利用技术、化石资源低碳利用技术，更有全新的零碳能源技术、碳中和过程中的新能源技术、碳金融等内容，涵盖非常广泛，为学术界、工业界、政府管理界提供了一部跨界融合的专著。 4.技术经济参考——本书涵盖的技术新、领域全，对各地新上马技术，从全国一盘棋调研新技术等有一定帮助，对各地经济技术开发区的调研、定位、引进等提供可以借鉴的参考。

工业革命以来，在大量利用化石能源的过程中，人们逐渐发现燃烧化石能源带来的全球性气候变化。气候变化问题事关人类的生存与发展，是当今世界各国共同面临的热点问题。我国高度重视气候变化问题，在经济社会高速发展的过程中，制定并采取了一系列积极应对气候变化的政策和行动。《巴黎协定》明确了碳中和的目标，中国积极做出国家自主贡献，在2020年气候变化大会上承诺努力在2060年前实现碳中和，以碳中和为契机，将给各行各业带来深刻影响和战略性变革。
20世纪80年代以来，中国的经济发展取得了举世瞩目的成就。同时，长期形成的粗放型增长方式尚未根本改变，工业化、城镇化快速发展与能源资源和生态环境的矛盾日趋突出。为此，控制温室气体排放，加快发展低碳技术和低碳产业，实现低碳绿色增长，是我国长期的基本国策和发展趋势。
碳中和既是挑战，也是机遇。在未来相当长的时期内，碳中和战略将成为撬动行业技术革新、推动技术发展、转变经济增长方式的新动力。能源的资源化和低碳化利用、工业低碳流程再造技术、新型能源技术、二氧化碳转化技术等碳中和技术会成为各个行业技术发展的目标，对全国各行各业来说，能否抓住这次历史变革的机遇，实现跨越式和变革式发展，将对我国经济和社会发展产生极为深远的影响。
目前，碳中和作为当前社会的热点，其目标仍处于起步阶段，尚缺乏比较系统的专著对这一工作提供指导，尤其从工程科学和技术的角度来说更是如此。为此，编著者组织了包括多位院士专家组成的团队，以清华大学化学工程系为主体，联合国家能源集团北京低碳清洁能源研究院、清华大学产业创新研究院、国家能源集团技术经济研究院、山西大学、河北科技大学、中国矿业大学、中国石油大学、北京大学等单位的多位专家，集各家之长形成一个高水平的专业创作团队。本书的资料主要是各位作者多年研究工作的积累。
《2060中国碳中和》具有较高的学术价值和实际意义，为碳中和多个相关学科的发展提供重要指导和参考，为我国未来数十年的可持续发展指出主要的工程科学与技术方向。本书的特点及创新之处在于比较全面系统地对我国碳中和发展前景和技术路径开展了研究和阐述。
本书从绪论、碳中和科学基础—二氧化碳代谢机制、全球气候变化—人类面临的挑战、中国碳达峰路径和预测、中国碳中和路径和前景、中国碳中和目标下能源转型路径、迈向零碳电力系统、开启化石资源低碳利用的新时代、再造基础工业低碳流程、储能技术支撑可再生能源的规模化、氢能替代与零碳能源、二氧化碳的捕集利用封存、二氧化碳的化学转化、新兴碳金融政策、全员行动实现碳中和等十五个方面系统阐述碳中和的现状和我国的发展途径及技术路线。本书尤其侧重未来碳中和重要技术方向，对开展化石资源低碳利用，我国主要行业钢铁冶金、水泥、化肥、建筑、交通等实现互联互通，加速进行低碳技术运用和技术革新有一定的借鉴和指导作用，对管理部门和各行业开展碳达峰碳中和相关工作提供战略参考和技术支撑。
最后，感谢各兄弟单位的大力支持！因时间和精力有限，本书恐存在不足，还请各位同行指正。

编著者
2022年5月

为应对全球气候变化，中国政府承诺努力争取2060年前实现碳中和，这给各行各业带来了战略性变革。碳中和起步阶段，尚缺乏比较系统的指导性策略。
《2060中国碳中和》的作者以清华大学化学工程系为主体，联合国内多个高校院所，由多位院士专家组成，集各家之长形成高水平创作团队。内容基于60余位作者多年工作积累，在二氧化碳代谢、气候变化等基础内容之上，主要阐述我国碳达峰碳中和的路径与前景、能源转型路径、化石资源低碳利用、再造基础工业低碳流程、二氧化碳捕集利用与化学转化、可再生能源与氢能规模化利用等低碳技术，比较全面系统地对我国碳中和前景与路径进行研究和阐述，为我国各级管理部门和各行业开展碳达峰碳中和相关工作提供战略参考和技术支撑。
本书可供化工、冶金、能源工程等专业的研究人员，政府机构、管理单位人员参考阅读，也可供相关专业高校院所的师生参考。

第1章 绪论 001
1.1 全球碳元素代谢与我国碳中和的挑战与机遇 001
1.2 产业结构转型是实现碳中和的必由之路 003
1.3 可再生能源技术为近零碳电力系统的基础 004
1.4 从化石燃料时代转变为化石材料时代 005
1.5 发展循环经济，实现能源梯级利用和资源循环利用 006
1.6 科技创新是实现碳中和的根本途径 008

第2章 碳中和科学基础—二氧化碳代谢机制 010
2.1 二氧化碳的自然代谢 010
2.1.1 碳的地球化学特征 010
2.1.2 含碳物质在自然界中的相互作用关系 011
2.1.3 大气中的二氧化碳含量的变迁 012
2.2 二氧化碳的人为排放 013
2.2.1 温室气体的核算范围 013
2.2.2 温室气体排放占比 014
2.2.3 中国的温室气体排放清单 016
2.3 中国基本二氧化碳流图 018
2.3.1 中国二氧化碳排放途径 018
2.3.2 中国二氧化碳流图分析 020
2.4 碳循环经济 022
2.4.1 碳循环经济的内涵和理论基础 022
2.4.2 碳循环经济“4R”原则 024
2.4.3 碳循环经济的重要指导意义 026
2.5 碳中和与经济的协调发展 027
2.5.1 “碳中和”对经济增长的短期影响 028
2.5.2 “碳中和”对经济发展的长期效应 028
2.5.3 “碳中和”目标为我国经济发展带来的挑战 030
2.6 碳达峰与碳中和背景下的科技创新 031
2.6.1 能源部门 031
2.6.2 建筑部门 032
2.6.3 交通部门 032
2.6.4 工业部门 032
2.6.5 负排放技术 033
参考文献 034

第3章 全球气候变化—人类面临的挑战 037
3.1 发达国家碳达峰历程的研究、启示与借鉴 037
3.1.1 经济社会发展与能源消费及碳排放的关系 037
3.1.2 发达国家发展经历对我国的启示 038
3.2 应对气候变化已达成共识 038
3.3 巴黎协定中升温控制在1.5℃和2℃两种情景 039
3.4 世界各国应对气候变化的政策 041
3.4.1 气候目标—欧盟的净零排放之路 041
3.4.2 美国能源和气候新计划 042
3.5 中国的碳达峰与碳中和 045
3.5.1 中国能源结构的特点 045
3.5.2 中国碳排放现状 047
3.5.3 中国提出的碳达峰与碳中和目标 048
参考文献 048

第4章 中国碳达峰路径和预测 050
4.1 中国历年碳排放 050
4.2 碳排放环节分解 051
4.2.1 工艺过程 051
4.2.2 能源活动 051
4.3 碳排放前景分析 052
4.4 碳达峰驱动力模型 052
4.4.1 模型建立 052
4.4.2 模型计算与评价 053
4.4.3 未来预测 055
4.5 碳达峰路径图 059
参考文献 060

第5章 中国碳中和路径和前景 062
5.1 中国碳中和主要因素 062
5.1.1 工业 062
5.1.2 建筑 063
5.1.3 交通 063
5.1.4 可再生能源 063
5.1.5 碳捕集利用 065
5.2 碳中和情景分析 065
5.2.1 基准情景 066
5.2.2 低减排情景 067
5.2.3 高减排情景 068
5.2.4 对比分析 068
5.3 碳中和路线图 069
5.3.1 降低能耗总量 069
5.3.2 发展零碳电力 069
5.3.3 化石资源化利用 070
5.3.4 植树造林与CCUS技术 070
5.3.5 碳中和总体蓝图 070
参考文献 071

第6章 中国碳中和目标下能源转型路径 073
6.1 概述 073
6.1.1 能源及其分类 073
6.1.2 中国能源结构 074
6.2 中国能源流与碳流 076
6.2.1 中国能源流 076
6.2.2 中国能源加工转换 079
6.2.3 中国能源终端消费 081
6.2.4 中国碳流 083
6.3 碳中和目标下中国能源转型 084
6.3.1 常规能源高效利用 085
6.3.2 新能源开发利用 089
6.3.3 CCUS技术 093
6.4 碳中和目标下中国能源转型展望 097
参考文献 098

第7章 迈向零碳电力系统 102
7.1 电力系统发展总体思路 102
7.1.1 国内外电力系统技术现状 102
7.1.2 我国电力系统发展趋势 106
7.1.3 电力系统技术瓶颈与挑战 107
7.2 火电电力 108
7.2.1 火电效率提高技术 110
7.2.2 火电发展方向：IGCC和调峰电站 113
7.3 新能源电力 117
7.3.1 光伏 117
7.3.2 风能 124
7.3.3 水力发电（含河流海洋） 133
7.3.4 核能 139
7.3.5 地热 142
7.3.6 其他新能源电力 150
7.4 以新能源为主体的新型电力系统 154
7.4.1 高比例新能源并网支撑技术 154
7.4.2 新型电力系统运行控制技术 158
7.4.3 多元需求侧资源供需互动技术 160
7.4.4 新型电力系统能量存储技术 163
7.5 碳中和目标下的零碳电力系统 166
7.5.1 氢能制-储-输-用全产业链促进电力系统零碳化 166
7.5.2 可再生能源制氢呈现高速发展趋势 168
7.5.3 氢转X具有广阔的应用前景 169
7.5.4 燃料电池领域核心技术逐步突破 170
参考文献 171

第8章 开启化石资源低碳利用的新时代 174
8.1 化石资源利用目标的转变 174
8.1.1 化石资源利用策略 174
8.1.2 化石资源利用科技创新 174
8.2 石油资源低碳利用 176
8.2.1 从石油到化工品 176
8.2.2 传统石油的催化裂化技术 177
8.2.3 石油低碳利用新技术 179
8.3 煤低碳利用 184
8.3.1 煤化工产品的高端产品转化 185
8.3.2 煤低碳利用新技术 195
8.4 天然气低碳利用 201
8.4.1 天然气化工概述 201
8.4.2 天然气传统化工工艺 203
8.4.3 天然气氧化制乙炔及乙烯 205
8.4.4 天然气转化研究新进展 208
8.4.5 天然气低碳利用展望 209
8.5 低碳化工下的环境保护与永续发展 210
8.5.1 用碳纳米管吸附挥发性有机化合物 210
8.5.2 工业尾气低碳利用技术—一氧化碳生物发酵制乙醇 216
8.5.3 利用工业废液作吸收剂捕集废气中CO2 220
8.5.4 利用中空纤维膜捕集CO2工艺 223
8.5.5 利用生物法处理挥发性有机化合物 226
8.6 化石资源零碳利用的新时代 229
参考文献 229

第9章 再造基础工业低碳流程 233
9.1 钢铁行业低碳技术 233
9.1.1 钢铁行业发展现状 233
9.1.2 钢铁行业低碳关键技术 235
9.1.3 在碳中和发展中的展望 238
9.2 有色金属行业低碳技术 239
9.2.1 有色金属行业发展现状 239
9.2.2 有色金属行业低碳关键技术 239
9.2.3 在碳中和发展中的展望 242
9.3 水泥金属行业低碳技术 243
9.3.1 效能提高技术 243
9.3.2 水泥窑协同处置技术 244
9.3.3 熟料替代技术 244
9.3.4 替代燃料技术 245
9.3.5 替代原材料技术 246
9.4 化肥行业低碳技术 248
9.4.1 有机肥的制备与施用 248
9.4.2 微生物肥的制备与施用 251
9.4.3 配方施肥策略 252
9.5 零碳建筑 253
9.5.1 建筑运行过程中的直接碳排放 253
9.5.2 建筑运行过程中的间接碳排放 254
9.5.3 建筑建造和维修导致的间接碳排放 255
9.5.4 建筑运行过程中非二氧化碳类温室气体排放 256
9.6 零碳交通 256
9.6.1 交通运输部门能耗和碳排放现状 256
9.6.2 电能的应用及展望 258
9.6.3 氢能的利用与展望 259
9.6.4 生物质能的利用与发展 260
9.6.5 总结与展望 261
9.7 新型低碳工业 261
9.7.1 能源互联网 262
9.7.2 新型绿色电力体系 263
9.7.3 新型绿色工业园区 265
9.7.4 蓬勃发展的新型低碳工业 266
参考文献 268

第10章 储能技术支撑可再生能源的规模化 274
10.1 储能技术与产业 274
10.1.1 可再生能源与储能技术的关系 274
10.1.2 发展规模化储能技术基本准则 277
10.1.3 电化学储能技术性能比较 278
10.2 物理储能 280
10.2.1 抽水蓄能 280
10.2.2 压缩空气储能 285
10.2.3 飞轮储能 290
10.2.4 储热 295
10.2.5 储冷 300
10.2.6 新型物理储能 304
10.3 电化学储能 311
10.3.1 锂离子电池 311
10.3.2 锂硫电池 314
10.3.3 固态电池 317
10.3.4 钠离子电池 320
10.3.5 液流电池 323
10.3.6 水系电池 331
10.3.7 电介质薄膜电容器 332
10.3.8 超级电容器 335
10.3.9 高功率电池 342
10.3.10 液态金属电池 345
10.3.11 新型化学储能 346
参考文献 352

第11章 氢能替代与零碳能源 357
11.1 碳中和背景下的氢能 357
11.1.1 能源载体的评价指标体系 357
11.1.2 零碳替代技术路线判据 358
11.1.3 现有工业体系中的氢 358
11.1.4 碳中和推动“物质氢”向“能源氢”转变 362
11.2 可再生清洁能源制氢技术 362
11.2.1 电解水制氢技术概述 362
11.2.2 电解水制氢催化材料 363
11.2.3 电解水制氢膜材料 365
11.2.4 电解水制氢过程 367
11.2.5 可再生能源电解水制氢展望 372
11.3 零碳排放的氢能应用 373
11.3.1 燃料电池 373
11.3.2 零碳排放的新型化工系统 382
11.4 未来氢能产业发展 386
11.4.1 制氢技术与产业格局的演变 386
11.4.2 氢能应用场景预测与分析 388
11.4.3 氢能产业发展的机遇与挑战 390
参考文献 391

第12章 二氧化碳的捕集、利用和封存 394
12.1 二氧化碳捕集技术 394
12.1.1 二氧化碳分离方法 394
12.1.2 燃烧前捕集技术 398
12.1.3 燃烧后捕集技术 399
12.1.4 富氧燃烧捕集技术 399
12.1.5 捕集技术的总结 401
12.2 二氧化碳利用技术 402
12.2.1 驱油 402
12.2.2 驱水 405
12.2.3 驱气 407
12.2.4 二氧化碳矿化 411
12.2.5 二氧化碳其他新应用 420
12.3 二氧化碳封存技术 424
12.3.1 封存技术的分类及原理 424
12.3.2 封存技术的发展现状 425
12.3.3 封存技术的挑战及发展趋势 427
参考文献 428

第13章 二氧化碳的化学转化 434
13.1 碳还原CO2制CO 435
13.1.1 碳还原CO2制CO热力学 435
13.1.2 碳还原CO2制CO动力学 436
13.1.3 碳还原CO2制CO反应器 437
13.2 甲烷-二氧化碳重整制合成气 440
13.2.1 甲烷-CO2重整反应热力学 440
13.2.2 甲烷-CO2重整反应催化剂 441
13.2.3 甲烷-CO2重整反应器 442
13.3 二氧化碳合成甲醇 444
13.3.1 二氧化碳直接加氢合成甲醇热力学 444
13.3.2 二氧化碳直接加氢合成甲醇反应机理 445
13.3.3 二氧化碳直接加氢合成甲醇动力学 446
13.3.4 二氧化碳直接合成甲醇反应器 446
13.3.5 二氧化碳直接加氢合成甲醇工业实施 448
13.3.6 二氧化碳间接法制甲醇 448
13.3.7 电催化CO2还原制甲醇 449
13.4 二氧化碳合成乙醇 449
13.4.1 二氧化碳加氢直接合成乙醇 449
13.4.2 二氧化碳通过逆水煤气变换合成乙醇 451
13.4.3 CO2/CH4重整制乙醇 452
13.4.4 光/电催化CO2还原制乙醇 452
13.4.5 生物质热解+CO2重整+CO发酵制乙醇 453
13.5 二氧化碳合成碳酸酯 453
13.5.1 二氧化碳与环氧化合物合成环状碳酸酯 454
13.5.2 二氧化碳与环氧化合物直接合成聚碳酸酯 457
13.5.3 CO2与烯烃直接环氧化和环加成制环状碳酸酯 458
13.6 CO2加氢直接制航空燃料 460
13.6.1 绿色航空燃料与传统制备工艺 460
13.6.2 CO2加氢直接制航空燃料 460
参考文献 462

第14章 新兴碳金融政策 465
14.1 碳税分析 466
14.1.1 碳税理论分析 466
14.1.2 碳税面临的一些问题 466
14.1.3 各国碳税法律制度的比较及借鉴 467
14.1.4 文献分析 468
14.2 碳交易分析 471
14.2.1 碳排放权理论分析 471
14.2.2 碳排放权交易面临的问题 472
14.2.3 碳排放权制度借鉴 473
14.3 碳金融创新 474
14.3.1 绿色债券 474
14.3.2 期货市场的建立 476
14.3.3 碳排放权质押 476
14.3.4 碳交易保险和碳主题基金 477
14.3.5 绿债支持生态产品价值实现的实践效果 477
参考文献 480

第15章 全员行动实现碳中和 482
15.1 生活消费减碳 482
15.1.1 生活消费范围界定及其碳排放构成 482
15.1.2 客观社会因素对生活消费碳排放的影响 485
15.1.3 主观心理因素对生活消费碳排放的影响 487
15.1.4 生活消费减碳的系统策略 489
15.2 饮食：食品与生态农业 490
15.2.1 中国饮食正在经历快速变革 490
15.2.2 饮食带来的碳足迹不容忽视 490
15.2.3 低碳农业对饮食碳减排的作用 491
15.2.4 减少食物浪费对饮食碳减排的作用 492
15.3 住房：低能耗建筑，零碳取暖制冷 493
15.4 出行：新能源车与共享交通 496
15.4.1 发展新能源交通工具 496
15.4.2 完善绿色公共交通系统 498
15.4.3 建设电动汽车充电基础设施 499
15.4.4 倡导共享交通出行模式 500
15.5 其他：垃圾分类与固废处理 500
15.5.1 中国生活垃圾排放现状 500
15.5.2 生活固废收运与处理中的碳排放 502
15.5.3 生活固体废物的碳减排策略 504
15.6 全员碳账户测算和实践 506
15.6.1 实践路径 506
15.6.2 企业碳账户场景 507
15.6.3 公众碳账户场景 509
15.6.4 区域“碳家底”场景 509
15.6.5 未来展望 509
参考文献 510

跋 512