為應對全球氣候變化，中國政府承諾努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，這給各行各業(yè)帶來了戰(zhàn)略性變革。碳中和起步階段，尚缺乏比較系統(tǒng)的指導性策略。《2060中國碳中和》的作者以清華大學化學工程系為主體，聯(lián)合國內多個高校院所，由多位院士專家組成，集各家之長形成高水平創(chuàng)作團隊。內容基于60余位作者多年工作積累，在二氧化碳代謝、氣候變化等基礎內容之上，主要闡述我國碳達峰碳中和的路徑與前景、能源轉型路徑、化石資源低碳利用、再造基礎工業(yè)低碳流程、二氧化碳捕集利用與化學轉化、可再生能源與氫能規(guī)�；玫鹊吞技夹g，比較全面系統(tǒng)地對我國碳中和前景與路徑進行研究和闡述，為我國各級管理部門和各行業(yè)開展碳達峰碳中和相關工作提供戰(zhàn)略參考和技術支撐。本書可供化工、冶金、能源工程等專業(yè)的研究人員，政府機構、管理單位人員參考閱讀，也可供相關專業(yè)高校院所的師生參考。
1.院士領銜本書由我國化工界知名院士金涌先生領銜編著，參編作者均為各個領域有作為的專家，內容涵蓋豐富，包含了碳中和各個領域的內容，可參考性強。2.集眾家之長《2060中國碳中和》內容包含了學術界、工業(yè)界、經(jīng)濟界有作為的專家，編寫內容均來自自身多年的研究積累，本書集各家單位的研究成果于一身，您在閱讀本書時能體會到不同專家的視野，并能在各種技術中啟發(fā)交叉融合、融匯貫通的研究思路。3.跨界融合本書不僅包括生態(tài)工業(yè)、流程再造低碳技術、二氧化碳利用技術、化石資源低碳利用技術，更有全新的零碳能源技術、碳中和過程中的新能源技術、碳金融等內容，涵蓋非常廣泛，為學術界、工業(yè)界、政府管理界提供了一部跨界融合的專著。4.技術經(jīng)濟參考本書涵蓋的技術新、領域全，對各地新上馬技術，從全國一盤棋調研新技術等有一定幫助，對各地經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的調研、定位、引進等提供可以借鑒的參考。
工業(yè)革命以來，在大量利用化石能源的過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)燃燒化石能源帶來的全球性氣候變化。氣候變化問題事關人類的生存與發(fā)展，是當今世界各國共同面臨的熱點問題。我國高度重視氣候變化問題，在經(jīng)濟社會高速發(fā)展的過程中，制定并采取了一系列積極應對氣候變化的政策和行動�！栋屠鑵f(xié)定》明確了碳中和的目標，中國積極做出國家自主貢獻，在2020年氣候變化大會上承諾努力在2060年前實現(xiàn)碳中和，以碳中和為契機，將給各行各業(yè)帶來深刻影響和戰(zhàn)略性變革。
20世紀80年代以來，中國的經(jīng)濟發(fā)展取得了舉世矚目的成就。同時，長期形成的粗放型增長方式尚未根本改變，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展與能源資源和生態(tài)環(huán)境的矛盾日趨突出。為此，控制溫室氣體排放，加快發(fā)展低碳技術和低碳產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)低碳綠色增長，是我國長期的基本國策和發(fā)展趨勢。
碳中和既是挑戰(zhàn)，也是機遇。在未來相當長的時期內，碳中和戰(zhàn)略將成為撬動行業(yè)技術革新、推動技術發(fā)展、轉變經(jīng)濟增長方式的新動力。能源的資源化和低碳化利用、工業(yè)低碳流程再造技術、新型能源技術、二氧化碳轉化技術等碳中和技術會成為各個行業(yè)技術發(fā)展的目標，對全國各行各業(yè)來說，能否抓住這次歷史變革的機遇，實現(xiàn)跨越式和變革式發(fā)展，將對我國經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生極為深遠的影響。
目前，碳中和作為當前社會的熱點，其目標仍處于起步階段，尚缺乏比較系統(tǒng)的專著對這一工作提供指導，尤其從工程科學和技術的角度來說更是如此。為此，編著者組織了包括多位院士專家組成的團隊，以清華大學化學工程系為主體，聯(lián)合國家能源集團北京低碳清潔能源研究院、清華大學產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院、國家能源集團技術經(jīng)濟研究院、山西大學、河北科技大學、中國礦業(yè)大學、中國石油大學、北京大學等單位的多位專家，集各家之長形成一個高水平的專業(yè)創(chuàng)作團隊。本書的資料主要是各位作者多年研究工作的積累。
《2060中國碳中和》具有較高的學術價值和實際意義，為碳中和多個相關學科的發(fā)展提供重要指導和參考，為我國未來數(shù)十年的可持續(xù)發(fā)展指出主要的工程科學與技術方向。本書的特點及創(chuàng)新之處在于比較全面系統(tǒng)地對我國碳中和發(fā)展前景和技術路徑開展了研究和闡述。
本書從緒論、碳中和科學基礎二氧化碳代謝機制、全球氣候變化人類面臨的挑戰(zhàn)、中國碳達峰路徑和預測、中國碳中和路徑和前景、中國碳中和目標下能源轉型路徑、邁向零碳電力系統(tǒng)、開啟化石資源低碳利用的新時代、再造基礎工業(yè)低碳流程、儲能技術支撐可再生能源的規(guī)�；淠芴娲c零碳能源、二氧化碳的捕集利用封存、二氧化碳的化學轉化、新興碳金融政策、全員行動實現(xiàn)碳中和等十五個方面系統(tǒng)闡述碳中和的現(xiàn)狀和我國的發(fā)展途徑及技術路線。本書尤其側重未來碳中和重要技術方向，對開展化石資源低碳利用，我國主要行業(yè)鋼鐵冶金、水泥、化肥、建筑、交通等實現(xiàn)互聯(lián)互通，加速進行低碳技術運用和技術革新有一定的借鑒和指導作用，對管理部門和各行業(yè)開展碳達峰碳中和相關工作提供戰(zhàn)略參考和技術支撐。
最后，感謝各兄弟單位的大力支持！因時間和精力有限，本書恐存在不足，還請各位同行指正。
編著者
2022年5月
第1章 緒論 001
1.1 全球碳元素代謝與我國碳中和的挑戰(zhàn)與機遇 001
1.2 產(chǎn)業(yè)結構轉型是實現(xiàn)碳中和的必由之路 003
1.3 可再生能源技術為近零碳電力系統(tǒng)的基礎 004
1.4 從化石燃料時代轉變?yōu)榛牧蠒r代 005
1.5 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，實現(xiàn)能源梯級利用和資源循環(huán)利用 006
1.6 科技創(chuàng)新是實現(xiàn)碳中和的根本途徑 008
第2章 碳中和科學基礎二氧化碳代謝機制 010
2.1 二氧化碳的自然代謝 010
2.1.1 碳的地球化學特征 010
2.1.2 含碳物質在自然界中的相互作用關系 011
2.1.3 大氣中的二氧化碳含量的變遷 012
2.2 二氧化碳的人為排放 013
2.2.1 溫室氣體的核算范圍 013
2.2.2 溫室氣體排放占比 014
2.2.3 中國的溫室氣體排放清單 016
2.3 中國基本二氧化碳流圖 018
2.3.1 中國二氧化碳排放途徑 018
2.3.2 中國二氧化碳流圖分析 020
2.4 碳循環(huán)經(jīng)濟 022
2.4.1 碳循環(huán)經(jīng)濟的內涵和理論基礎 022
2.4.2 碳循環(huán)經(jīng)濟4R原則 024
2.4.3 碳循環(huán)經(jīng)濟的重要指導意義 026
2.5 碳中和與經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展 027
2.5.1 碳中和對經(jīng)濟增長的短期影響 028
2.5.2 碳中和對經(jīng)濟發(fā)展的長期效應 028
2.5.3 碳中和目標為我國經(jīng)濟發(fā)展帶來的挑戰(zhàn) 030
2.6 碳達峰與碳中和背景下的科技創(chuàng)新 031
2.6.1 能源部門 031
2.6.2 建筑部門 032
2.6.3 交通部門 032
2.6.4 工業(yè)部門 032
2.6.5 負排放技術 033
參考文獻 034
第3章 全球氣候變化人類面臨的挑戰(zhàn) 037
3.1 發(fā)達國家碳達峰歷程的研究、啟示與借鑒 037
3.1.1 經(jīng)濟社會發(fā)展與能源消費及碳排放的關系 037
3.1.2 發(fā)達國家發(fā)展經(jīng)歷對我國的啟示 038
3.2 應對氣候變化已達成共識 038
3.3 巴黎協(xié)定中升溫控制在1.5℃和2℃兩種情景 039
3.4 世界各國應對氣候變化的政策 041
3.4.1 氣候目標歐盟的凈零排放之路 041
3.4.2 美國能源和氣候新計劃 042
3.5 中國的碳達峰與碳中和 045
3.5.1 中國能源結構的特點 045
3.5.2 中國碳排放現(xiàn)狀 047
3.5.3 中國提出的碳達峰與碳中和目標 048
參考文獻 048
第4章 中國碳達峰路徑和預測 050
4.1 中國歷年碳排放 050
4.2 碳排放環(huán)節(jié)分解 051
4.2.1 工藝過程 051
4.2.2 能源活動 051
4.3 碳排放前景分析 052
4.4 碳達峰驅動力模型 052
4.4.1 模型建立 052
4.4.2 模型計算與評價 053
4.4.3 未來預測 055
4.5 碳達峰路徑圖 059
參考文獻 060
第5章 中國碳中和路徑和前景 062
5.1 中國碳中和主要因素 062
5.1.1 工業(yè) 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 基準情景 066
5.2.2 低減排情景 067
5.2.3 高減排情景 068
5.2.4 對比分析 068
5.3 碳中和路線圖 069
5.3.1 降低能耗總量 069
5.3.2 發(fā)展零碳電力 069
5.3.3 化石資源化利用 070
5.3.4 植樹造林與CCUS技術 070
5.3.5 碳中和總體藍圖 070
參考文獻 071
第6章 中國碳中和目標下能源轉型路徑 073
6.1 概述 073
6.1.1 能源及其分類 073
6.1.2 中國能源結構 074
6.2 中國能源流與碳流 076
6.2.1 中國能源流 076
6.2.2 中國能源加工轉換 079
6.2.3 中國能源終端消費 081
6.2.4 中國碳流 083
6.3 碳中和目標下中國能源轉型 084
6.3.1 常規(guī)能源高效利用 085
6.3.2 新能源開發(fā)利用 089
6.3.3 CCUS技術 093
6.4 碳中和目標下中國能源轉型展望 097
參考文獻 098
第7章 邁向零碳電力系統(tǒng) 102
7.1 電力系統(tǒng)發(fā)展總體思路 102
7.1.1 國內外電力系統(tǒng)技術現(xiàn)狀 102
7.1.2 我國電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢 106
7.1.3 電力系統(tǒng)技術瓶頸與挑戰(zhàn) 107
7.2 火電電力 108
7.2.1 火電效率提高技術 110
7.2.2 火電發(fā)展方向：IGCC和調峰電站 113
7.3 新能源電力 117
7.3.1 光伏 117
7.3.2 風能 124
7.3.3 水力發(fā)電（含河流海洋） 133
7.3.4 核能 139
7.3.5 地熱 142
7.3.6 其他新能源電力 150
7.4 以新能源為主體的新型電力系統(tǒng) 154
7.4.1 高比例新能源并網(wǎng)支撐技術 154
7.4.2 新型電力系統(tǒng)運行控制技術 158
7.4.3 多元需求側資源供需互動技術 160
7.4.4 新型電力系統(tǒng)能量存儲技術 163
7.5 碳中和目標下的零碳電力系統(tǒng) 166
7.5.1 氫能制-儲-輸-用全產(chǎn)業(yè)鏈促進電力系統(tǒng)零碳化 166
7.5.2 可再生能源制氫呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢 168
7.5.3 氫轉X具有廣闊的應用前景 169
7.5.4 燃料電池領域核心技術逐步突破 170
參考文獻 171
第8章 開啟化石資源低碳利用的新時代 174
8.1 化石資源利用目標的轉變 174
8.1.1 化石資源利用策略 174
8.1.2 化石資源利用科技創(chuàng)新 174
8.2 石油資源低碳利用 176
8.2.1 從石油到化工品 176
8.2.2 傳統(tǒng)石油的催化裂化技術 177
8.2.3 石油低碳利用新技術 179
8.3 煤低碳利用 184
8.3.1 煤化工產(chǎn)品的高端產(chǎn)品轉化 185
8.3.2 煤低碳利用新技術 195
8.4 天然氣低碳利用 201
8.4.1 天然氣化工概述 201
8.4.2 天然氣傳統(tǒng)化工工藝 203
8.4.3 天然氣氧化制乙炔及乙烯 205
8.4.4 天然氣轉化研究新進展 208
8.4.5 天然氣低碳利用展望 209
8.5 低碳化工下的環(huán)境保護與永續(xù)發(fā)展 210
8.5.1 用碳納米管吸附揮發(fā)性有機化合物 210
8.5.2 工業(yè)尾氣低碳利用技術一氧化碳生物發(fā)酵制乙醇 216
8.5.3 利用工業(yè)廢液作吸收劑捕集廢氣中CO2 220
8.5.4 利用中空纖維膜捕集CO2工藝 223
8.5.5 利用生物法處理揮發(fā)性有機化合物 226
8.6 化石資源零碳利用的新時代 229
參考文獻 229
第9章 再造基礎工業(yè)低碳流程 233
9.1 鋼鐵行業(yè)低碳技術 233
9.1.1 鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 233
9.1.2 鋼鐵行業(yè)低碳關鍵技術 235
9.1.3 在碳中和發(fā)展中的展望 238
9.2 有色金屬行業(yè)低碳技術 239
9.2.1 有色金屬行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 239
9.2.2 有色金屬行業(yè)低碳關鍵技術 239
9.2.3 在碳中和發(fā)展中的展望 242
9.3 水泥金屬行業(yè)低碳技術 243
9.3.1 效能提高技術 243
9.3.2 水泥窯協(xié)同處置技術 244
9.3.3 熟料替代技術 244
9.3.4 替代燃料技術 245
9.3.5 替代原材料技術 246
9.4 化肥行業(yè)低碳技術 248
9.4.1 有機肥的制備與施用 248
9.4.2 微生物肥的制備與施用 251
9.4.3 配方施肥策略 252
9.5 零碳建筑 253
9.5.1 建筑運行過程中的直接碳排放 253
9.5.2 建筑運行過程中的間接碳排放 254
9.5.3 建筑建造和維修導致的間接碳排放 255
9.5.4 建筑運行過程中非二氧化碳類溫室氣體排放 256
9.6 零碳交通 256
9.6.1 交通運輸部門能耗和碳排放現(xiàn)狀 256
9.6.2 電能的應用及展望 258
9.6.3 氫能的利用與展望 259
9.6.4 生物質能的利用與發(fā)展 260
9.6.5 總結與展望 261
9.7 新型低碳工業(yè) 261
9.7.1 能源互聯(lián)網(wǎng) 262
9.7.2 新型綠色電力體系 263
9.7.3 新型綠色工業(yè)園區(qū) 265
9.7.4 蓬勃發(fā)展的新型低碳工業(yè) 266
參考文獻 268
第10章 儲能技術支撐可再生能源的規(guī)�；� 274
10.1 儲能技術與產(chǎn)業(yè) 274
10.1.1 可再生能源與儲能技術的關系 274
10.1.2 發(fā)展規(guī)�；瘍δ芗夹g基本準則 277
10.1.3 電化學儲能技術性能比較 278
10.2 物理儲能 280
10.2.1 抽水蓄能 280
10.2.2 壓縮空氣儲能 285
10.2.3 飛輪儲能 290
10.2.4 儲熱 295
10.2.5 儲冷 300
10.2.6 新型物理儲能 304
10.3 電化學儲能 311
10.3.1 鋰離子電池 311
10.3.2 鋰硫電池 314
10.3.3 固態(tài)電池 317
10.3.4 鈉離子電池 320
10.3.5 液流電池 323
10.3.6 水系電池 331
10.3.7 電介質薄膜電容器 332
10.3.8 超級電容器 335
10.3.9 高功率電池 342
10.3.10 液態(tài)金屬電池 345
10.3.11 新型化學儲能 346
參考文獻 352
第11章 氫能替代與零碳能源 357
11.1 碳中和背景下的氫能 357
11.1.1 能源載體的評價指標體系 357
11.1.2 零碳替代技術路線判據(jù) 358
11.1.3 現(xiàn)有工業(yè)體系中的氫 358
11.1.4 碳中和推動物質氫向能源氫轉變 362
11.2 可再生清潔能源制氫技術 362
11.2.1 電解水制氫技術概述 362
11.2.2 電解水制氫催化材料 363
11.2.3 電解水制氫膜材料 365
11.2.4 電解水制氫過程 367
11.2.5 可再生能源電解水制氫展望 372
11.3 零碳排放的氫能應用 373
11.3.1 燃料電池 373
11.3.2 零碳排放的新型化工系統(tǒng) 382
11.4 未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展 386
11.4.1 制氫技術與產(chǎn)業(yè)格局的演變 386
11.4.2 氫能應用場景預測與分析 388
11.4.3 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn) 390
參考文獻 391
第12章 二氧化碳的捕集、利用和封存 394
12.1 二氧化碳捕集技術 394
12.1.1 二氧化碳分離方法 394
12.1.2 燃燒前捕集技術 398
12.1.3 燃燒后捕集技術 399
12.1.4 富氧燃燒捕集技術 399
12.1.5 捕集技術的總結 401
12.2 二氧化碳利用技術 402
12.2.1 驅油 402
12.2.2 驅水 405
12.2.3 驅氣 407
12.2.4 二氧化碳礦化 411
12.2.5 二氧化碳其他新應用 420
12.3 二氧化碳封存技術 424
12.3.1 封存技術的分類及原理 424
12.3.2 封存技術的發(fā)展現(xiàn)狀 425
12.3.3 封存技術的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢 427
參考文獻 428
第13章 二氧化碳的化學轉化 434
13.1 碳還原CO2制CO 435
13.1.1 碳還原CO2制CO熱力學 435
13.1.2 碳還原CO2制CO動力學 436
13.1.3 碳還原CO2制CO反應器 437
13.2 甲烷-二氧化碳重整制合成氣 440
13.2.1 甲烷-CO2重整反應熱力學 440
13.2.2 甲烷-CO2重整反應催化劑 441
13.2.3 甲烷-CO2重整反應器 442
13.3 二氧化碳合成甲醇 444
13.3.1 二氧化碳直接加氫合成甲醇熱力學 444
13.3.2 二氧化碳直接加氫合成甲醇反應機理 445
13.3.3 二氧化碳直接加氫合成甲醇動力學 446
13.3.4 二氧化碳直接合成甲醇反應器 446
13.3.5 二氧化碳直接加氫合成甲醇工業(yè)實施 448
13.3.6 二氧化碳間接法制甲醇 448
13.3.7 電催化CO2還原制甲醇 449
13.4 二氧化碳合成乙醇 449
13.4.1 二氧化碳加氫直接合成乙醇 449
13.4.2 二氧化碳通過逆水煤氣變換合成乙醇 451
13.4.3 CO2/CH4重整制乙醇 452
13.4.4 光/電催化CO2還原制乙醇 452
13.4.5 生物質熱解 CO2重整 CO發(fā)酵制乙醇 453
13.5 二氧化碳合成碳酸酯 453
13.5.1 二氧化碳與環(huán)氧化合物合成環(huán)狀碳酸酯 454
13.5.2 二氧化碳與環(huán)氧化合物直接合成聚碳酸酯 457
13.5.3 CO2與烯烴直接環(huán)氧化和環(huán)加成制環(huán)狀碳酸酯 458
13.6 CO2加氫直接制航空燃料 460
13.6.1 綠色航空燃料與傳統(tǒng)制備工藝 460
13.6.2 CO2加氫直接制航空燃料 460
參考文獻 462
第14章 新興碳金融政策 465
14.1 碳稅分析 466
14.1.1 碳稅理論分析 466
14.1.2 碳稅面臨的一些問題 466
14.1.3 各國碳稅法律制度的比較及借鑒 467
14.1.4 文獻分析 468
14.2 碳交易分析 471
14.2.1 碳排放權理論分析 471
14.2.2 碳排放權交易面臨的問題 472
14.2.3 碳排放權制度借鑒 473
14.3 碳金融創(chuàng)新 474
14.3.1 綠色債券 474
14.3.2 期貨市場的建立 476
14.3.3 碳排放權質押 476
14.3.4 碳交易保險和碳主題基金 477
14.3.5 綠債支持生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)的實踐效果 477
參考文獻 480
第15章 全員行動實現(xiàn)碳中和 482
15.1 生活消費減碳 482
15.1.1 生活消費范圍界定及其碳排放構成 482
15.1.2 客觀社會因素對生活消費碳排放的影響 485
15.1.3 主觀心理因素對生活消費碳排放的影響 487
15.1.4 生活消費減碳的系統(tǒng)策略 489
15.2 飲食：食品與生態(tài)農(nóng)業(yè) 490
15.2.1 中國飲食正在經(jīng)歷快速變革 490
15.2.2 飲食帶來的碳足跡不容忽視 490
15.2.3 低碳農(nóng)業(yè)對飲食碳減排的作用 491
15.2.4 減少食物浪費對飲食碳減排的作用 492
15.3 住房：低能耗建筑，零碳取暖制冷 493
15.4 出行：新能源車與共享交通 496
15.4.1 發(fā)展新能源交通工具 496
15.4.2 完善綠色公共交通系統(tǒng) 498
15.4.3 建設電動汽車充電基礎設施 499
15.4.4 倡導共享交通出行模式 500
15.5 其他：垃圾分類與固廢處理 500
15.5.1 中國生活垃圾排放現(xiàn)狀 500
15.5.2 生活固廢收運與處理中的碳排放 502
15.5.3 生活固體廢物的碳減排策略 504
15.6 全員碳賬戶測算和實踐 506
15.6.1 實踐路徑 506
15.6.2 企業(yè)碳賬戶場景 507
15.6.3 公眾碳賬戶場景 509
15.6.4 區(qū)域碳家底場景 509
15.6.5 未來展望 509
參考文獻 510
跋 512
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