长三角碳中和行动系列 | 创新驱动：长三角打造世界级碳中和技术创新高地

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原创：朱加乐文章首发：澎湃研究所“长三角议事厅”专栏

从2020年9月22日习近平总书记在联合国大会一般性辩论上的讲话到2021年4月16日中法德三国领导人的视频峰会，“碳达峰”和“碳中和”不仅成为了世界各国间对话的核心话题，也成了社会各界关注的热点问题。在这一轮碳中和的革新浪潮中，长三角能否再一次涌现出引领者和弄潮儿，需要各级政府、社会、企业能够清楚地认清“碳中和”的本质和规律。千载难逢的历史性机遇正摆在长三角的面前，以首个实现“碳中和”的城市群载入人类史册并掀开人类下一个文明时代不是没有可能。上海中创研究将以连载方式刊出“长三角碳中和行动系列研究”，期望为长三角城市把握碳中和新方向和拥抱未来发展新机遇提供启发。

碳达峰、碳中和是复杂的系统工程，影响因素有很多，其中技术创新是关键因素与核心动力。长三角地区拥有碳中和领域从基础研究到技术创新，再到产业应用的全链条创新资源，将成为我国重要的碳中和技术创新策源地。

一、碳中和技术的总体发展趋势

碳中和技术分为零碳技术、减碳技术和负碳技术。零碳技术是指能源替代，包括光伏、风电、核电、氢能等新能源及相关的储能技术。减碳技术是指节能减排，主要涉及发电、石化、化工、建材、钢铁、有色金属、造纸和国内民用航空等八个高排放行业。负碳技术是指吸收转化二氧化碳，包括农林碳汇，碳捕集、利用与封存应用（CCUS）等。本文重点介绍光伏、氢能、储能以及碳捕捉利用和封存（CCUS）等技术发展趋势。

1、光伏：未来钙钛矿电池有望取代硅晶电池

光伏是推动世界能源变革的重要引擎，也是我国为数不多具有国际竞争优势的产业之一。光伏电池主要包括晶硅电池和钙钛矿电池，目前单晶硅电池应用最广泛，采用PERC技术的P型单晶硅电池平均转换效率最高为22.8%，晶硅电池的理论转化效率极限是29.4%。但钙钛矿电池转化效率更高，理论转化效率最高可达50%左右，近期转化效率有望达到30%。《Rethink Energy》预测，2030年钙钛矿电池全球市场占比将超过29%，未来有望取代硅晶电池的地位。

图1 2020-2030年不同各类型光伏电池市场占比

数据来源：根据公开网络资料整理

2、氢能源：可再生能源制氢和固态储氢是重要方向

氢能是百分百的清洁能源，制约氢能应用的技术瓶颈主要在制氢和储氢两大环节。制氢技术包括化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢、光解水和生物制氢等，目前主要以化石能源制氢和工业副产氢为主，占比97%，随着光伏、风能、核能等可再生能源技术成熟及成本下降，未来可再生能源电解水制氢将成为主流趋势，预计到2030年占比提升至23%，到2050年将达到70%。储氢技术分为高压气态储氢、低温液体储氢、固态储氢和有机物液体储氢等，其中固态储氢技术能量密度高、安全性好，是氢能燃料电池理想的发展方向，但固态储氢的碳基材料、金属有机框架物（MOFs）、多孔聚合物等材料还在实验室研究阶段。

图2 2020-2050各类制氢技术市场占比

数据来源：新时代证券

3、储能：技术呈多元化趋势、电化学储能潜力大

根据能量存储方式不同，分为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能和化学储能等五类。目前抽水蓄能占比最高，超过90%，但受地形制约较大，难以大面积推广。相比之下，锂离子电池为代表的电化学储能受地理条件影响较小，建设周期短，应用范围广、发展潜力大，预计2040年占比达到40%左右。综合考虑技术成熟度与场景适用性，储能技术将呈现多元化发展趋势，压缩空气储能、超导储能、超级电容储能、飞轮储能等新型储能技术将在越来越多的场景实现示范应用，但目前多处于研发阶段。

表1-储能技术分类

4、碳捕捉、利用与封存技术（CCUS）：从长远看，CCUS有望成为应对全球气候变化的关键技术之一

碳捕捉、利用与封存技术（CCUS）是将生产过程中排放的二氧化碳提纯，继续投入到后续生产过程中，实现对碳的循环再利用。碳捕捉技术分为燃烧前、燃烧后和富氧燃烧捕捉等，碳封存技术分为陆上封存、海洋封存、化工封存等。目前许多CCUS技术普遍还在实验室阶段，由于投资成本高及各国政策支持力度差异，CCUS在全球的发展进程比较缓慢，2020年全球碳捕获能力仅为4000万吨，但长远看，随着CCUS技术的不断进步，到2040年全球碳捕获能力有望超过10亿吨每年， CCUS将成为人类应对全球气候变化的关键技术之一。目前我国已开展了华能集团上海石洞口碳捕捉示范项目、神华集团鄂尔多斯CCS项目和中石化胜利油田CCUS项目等系列工业技术示范，但总体来说起步较晚，与欧美发达国家在技术与应用方面还有较大差距。

二、我国碳中和技术创新主体资源丰富

碳中和事关全球人类命运，全社会各个群体均在行动，我国高校、科研院所、科技企业等各类创新主体均在加快碳中和技术研发步伐。

1、“双一流”高校加强碳中和基础学科建设

碳中和技术涉及环境、能源、物理、化学、机械、电子等多个专业的交叉融合，高校作为科技创新的前沿阵地，在碳中和技术领域也不遑多让。全国42所“一流大学”建设高校均设置有与碳中和技术相关的院系，其中以清华、中科大、上海交大、浙江大学等工科强校优势明显，在碳中和技术领域积累颇深。

2、中科院系统深耕碳中和前沿技术研究

笔者通过梳理发现，中科院高能所、大气物理研究所、上海技术物理研究所、中科院深圳先进技术研究院、中科院广州能源研究所等19个研究所正在积极开展碳中和技术研究，涉及光伏、风电、核电、氢能、储能、CCUS等多个碳中和技术方向。其中中科院大气物理研所于2020年底，正式在北京成立中科院大气物理研所碳中和研究中心，是全国首家从事碳中和基础研究的机构。

3、科技企业前瞻布局碳中和技术创新

我国在光伏、氢能、储能和CCUS领域涌现出一批具有重大影响力的龙头企业，光伏领域有全球最大的单晶硅光伏产品制造商的隆基股份、全球光伏组件市场排名前两位的晶科能源和晶澳科技等；氢能源领域有京城股份、富瑞特装、安泰科技等；储能领域有全球动力电池老大宁德时代、新能源汽车龙头比亚迪等；CCUS技术领域有华能集团、中国石化、中国神华、大唐集团等。

图3 碳中和科技龙头企业图谱

注：根据公开资料整理

三、长三角地区碳中和创新资源丰富、产业优势明显

1、“华东八校”引领碳中和基础研究

长三角地区有25所“双一流”高校设置了碳中和相关专业，复旦、上海交大、同济、浙大、南大、中科大、东南大学、华东师范大学等“华东八校”更是走在前列。成立了一批专业研究院所，从事光伏、氢能、储能、CCUS等领域前沿技术创新研究，如复旦的新能源研究院、上海交大的能源研究院和氢科学中心、浙大的可持续能源研究院、东南大学的长三角碳中和战略研究院等。在碳中和前沿技术创新突破方面也屡有斩获，如复旦大学詹义强团队破解了钙钛矿稳定性难题，南京大学朱嘉团队打破了钙钛矿串联电池当时的转换效率世界记录，上海交大邹建新和邬剑波团队在镁基固态储氢领域取得重大进展等。此外“华东八校”于今年4月共同发起组建“长三角可持续发展大学联盟”，发布了《促进碳达峰碳中和高校行动倡议》。

2、科研院所深耕碳中和技术创新

以中科院系统为例，中科院在全国设有114家研究单位，长三角有28家，占到24.6%。其中，中科院上海光学精密器械研究所、上海高等研究院、上海应用物理研究所、上海技术物理研究所和宁波材料技术与工程研究所等多家研究所在低碳技术领域长期耕耘，积累了深厚的创新优势。同时，以江苏省产业技术研究院为代表的新型研发机构，也在积极布局碳中和技术创新。

图4 长三角地区碳中和技术部分重点高校院所

注：根据公开资料整理

3、科技企业奠定碳中和产业优势

长三角地区建立了光伏、氢能、储能等碳中和相关领域的完整产业链，产业规模和技术水平均处于全国领先地位，拥有天合光能、中天科技、上海电气、协鑫集成、东方日升、阳光能源等一批行业龙头，20多家行业相关企业获批国家级企业技术中心。协鑫集成旗下苏州协鑫纳米科技有限公司率先建成大面积钙钛矿组件中试生产线；纤纳光电总规划5GW衢州基地钙钛矿电池生产线投产；上海氢枫如皋 “固态金属储氢项目”建成投运，首座镁基固态储氢示范站落成；中盐金坛联合华能集团、清华大学共建盐穴压缩空气储能国家试验示范项目预计于今年并网发电。

图5 长三角碳中和领域国家企业技术中心

注：根据公开资料整理

四、长三角打造世界级碳中和技术创新高地的思路建议

1、瞄准“策源地、集聚区、试验场”三大目标

一是打造碳中和全球创新策源地。围绕碳中和相关领域的科学新发现、技术新发明进行前沿科学研究布局，支持高校、科研院所加大基础研究和应用基础研究力度，争取国家重大科技基础设施布局，引进碳中和技术领域的全球顶尖科研人才和创新团队。

二是打造碳中和高端产业集聚区。围绕光伏、氢能、储能以及CCUS等领域，支持龙头企业引领构建产业链与创新链，重点培育一批掌握关键核心技术、具有全球竞争力的龙头企业，加快构建世界级碳中和产业集群。

三是打造碳中和前沿技术试验场。统筹碳中和应用场景规划布局，打通长三角区域碳中和应用市场，为各类技术创新成果率先应用以及规模化发展创造最佳的市场环境，吸引全国乃至全球碳中和先进技术在长三角交易和转化。

2、提升长三角碳中和技术创新策源力的若干关键抓手

一是培育碳中和领域世界级学科和研究机构。支持“长三角可持续发展大学联盟”，围绕碳中和技术领域，优化学科结构和专业布局，发挥各自优势学科带动作用，加强合作创新，培养碳中和科技人才，打造世界一流学科。鼓励开展针对碳中和技术领域基础研究的自由探索，注重学科间的交叉融合，鼓励自由探索和十年磨一剑的长期科研探索。支持以中科院为首的科研院所、以江苏省产业技术研究院为引领的新型研发机构，加大碳中和前沿技术领域布局，打造一批世界级碳中和研究机构。

二是加强碳中和领域科技重大基础设施布局。聚焦碳中和关键技术领域，积极组建全球碳中和顶尖科学家委员会，征求专家组意见，加快推动相关重大基础设施布局。依托重大科学基础设施，发起碳中和技术领域国际大科学计划，全面加强与国际国内高水平研究机构和研究团队的交流合作。支持有能力有意愿的高校科研院所牵头申报组建碳中和国家实验室，建立符合科学规律的实验室运行管理机制，聚焦碳中和技术前沿领域，全力推动关键技术攻关。

三是支持企业牵头开展应用为导向的产学研合作。围绕钙钛矿、固态储氢、电化学储能和CCUS等关键核心碳中和技术领域，积极促进长三角地区企业、高校、科研院所加强科研合作和技术攻关，搭建以企业为核心的产学研平台体系，支持行业领军企业牵头建立产学研战略联盟，培育碳中和产业科技人才。建立碳中和重大技术研发需求发布平台，支持行业领军企业面向长三角乃至全国全球的研究机构发布技术研发需求。

四是建立长三角碳中和技术联盟。聚焦碳中和相关产业领域，支持行业龙头企业发起建立长三角乃至全国性的产业技术联盟，依托产业联盟积极申报国家级重大创新平台。积极推动碳中和领域知识产权联盟建设，支持龙头企业引领建设专利池，深化产业专利协同应用，促进知识产权与产业发展深度融合，加快碳中和技术领域创新，争取引领碳中和相关行业技术标准。

五是营造利于创新的生态系统。强化碳中和技术资金支持，建议三省一市政府设立碳中和技术重大科技专项，加大相关研发资金投入，探索设立长三角碳中和政府引导基金，引导社会资本参与，做好碳中和技术培育孵化。完善科技成果转化服务，定期举办科技成果交易展示会，打造“线上线下”融合的科技成果展示交易集市，促进各方创新资源的精准对接，鼓励全球碳中和科技创新成果在长三角转移转化。大力支持碳中和创新成果应用服务，建议三省一市开放公共应用场景，鼓励企业积极开展碳中和创新成果应用示范。

中创未来能源与零碳经济实验室

1、介绍

作为上海中创产业创新研究中心的一次全新探索，面向未来中心发展的开放性需求，致力于下一代能源与碳中和经济的基础性研究工作，形成覆盖交通、楼宇、产业、城市、园区等各领域的碳中和产品设计和解决方案，为政府、企业和社会提供科学的高水平的碳中和咨询服务。

2、研究方向