气候变化是当今全球面临的重大挑战之一。
自第一次工业革命以来，煤、石油、天然气等化石能源的发现和利用极大提高了劳动生产率，推动了人类社会大繁荣、大发展，同时也产生了严重的环境问题和气候变化问题。
200多年来，化石能源燃烧所产生的二氧化碳（CO2）累计已达2.2万亿吨，全球大气中CO2浓度持续上升。特别是近半个多世纪来，CO2浓度呈现快速增长的趋势（图1），2021年4月大气中CO2的体积分数已达到了419×10−6，全球地表平均温度已升高1.1℃。
2018年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布《全球升温1.5℃特别报告》指出已经观察到全球气温升高的事实，以及气温升高给人类造成的影响远远高于早期预测，2℃的温度升高给世界造成的影响将难以承受，人类必须把温度升高控制在1.5℃。
以CO2为主的温室气体排放所导致的全球气候变暖，已成为全球性的非传统安全问题，严重威胁着人类的生存和可持续发展。为了对全球生态文明和构建人类命运共同体作出中国贡献，2020年9月中国宣布二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
我国碳达峰、碳中和承诺的提出，不仅彰显了我国作为世界大国的责任和担当，也是推动我国能源结构、产业结构、经济结构转型升级的自身发展需要，对我国实现高质量发展，建设人与自然和谐共生的社会主义现代化强国具有重要战略意义。
我国实现碳达峰、碳中和目标面临的挑战
改革开放40余年来，我国经济高速发展，2019年国内生产总值（GDP）总量超过14万亿美元，居全球第二位；但人均GDP 刚突破1万美元，排在全球67位（图2）。作为世界最大的发展中国家，我国的发展不平衡不充分问题仍然突出，面临着发展经济、改善民生等一系列艰巨任务；我国能源需求还在不断增加，碳排放仍处于上升阶段，尚未达到峰值。在经济社会发展的同时，如何转变能源结构、产业结构、经济结构，实现碳达峰、碳中和，这是第一大挑战。
从能源消费总量来看，2020 年我国能源消费总量世界第一，占比超过全球总量的 1/4，CO2排放占全球总量的 1/3。从能源消费结构来看（图3），我国仍以化石能源消费为主，2020年占比超过84%；我国能源消费仍有一半以上的来源是煤炭，远高于全球能源消费结构中的煤炭占比。
从我国发电类型来看，2020年全国总发电量中68%来自于火电。根据我国不同行业碳排放数据来看（图4），发电与热力（占比51%）和工业（占比28%）是我国来源最大的两个碳排放行业。从碳达峰时间看，20世纪90年代之前欧盟主要国家已实现碳达峰，美国也于2007年实现碳达峰。
欧盟主要国家提出2050年实现碳中和，从实现碳达峰到碳中和有60年以上时间；而我国因起步较晚，要实现碳达峰（2030年）到碳中和（2060年）的目标，时间只有欧盟主要国家的一半不到。这意味着，我国需要用更短的时间，将占比达84%的化石能源转变成净零碳排放能源体系，时间紧、任务重，这是第二大挑战。
从气候变化和温室气体控制的社会层面看，我国在百姓意愿、企业认同、技术储备、市场机制、法律法规等方面与发达国家相比，明显滞后。
例如：自《京都议定书》生效后，世界主要国家及地区纷纷建立区域内的碳交易体系，以实现碳减排承诺的目标，2005～2015年，已建成遍布四大洲的17个碳交易体系，而2021年7月我国全国碳排放权交易才正式上线。
我国碳交易体系亟待迎头赶上，这是第三大挑战。为应对上述挑战，我国必须加速推进面向碳达峰、碳中和的经济社会系统性变革，进行能源革命，在能源供给、能源消费、能源技术和能源体制等方面实现新突破和新跨越。
谈到实现“双碳”目标，非常重要的一个指标就是大气中的二氧化碳浓度。根据美国国家海洋和大气管理局的权威数据，目前可以说达到了人类历史上最高值，已经达到了419ppm。1751年，大气当中二氧化碳的浓度是275ppm。化石能源极大提升了劳动生产力，但是社会大繁荣、大发展的同时也产生了严重的环境问题和气候变化问题。
2020年9月22日，习近平总书记向世界宣布了我国3060碳达峰、碳中和的目标，在此之后习近平总书记多次就“双碳”问题作出重要指示。2021年10月，在英国格拉斯哥召开COP26会议，各国都纷纷更新减碳目标，有136个国家宣布在2035年前后实现零碳和碳中和。
一、“双碳”的三点重要意义
- 第一，我国已经明确要把“双碳”纳入到生态文明建设的整体布局，这对整个国家的生态文明建设意义极其重大。
原因非常明显，可以看到我国目前煤炭消费占到50%以上，化石能源占到将近85%，温室气体的减排、大气污染特别是PM2.5都是我国发展面临的重大挑战，必须要改变我国以化石能源为主的能源结构，减排我们的二氧化碳，解决大气污染的问题，即解决化石能源燃烧所产生的污染问题。
- 第二，党中央指出能源饭碗必须端在自己的手里，“双碳”对我国发展有重大意义。
如果从2020年看我国石油对外的依赖度已经达到了73%，去年超过了70%，天然气的依赖度超过了40%，2020年到了44%，我国能源安全最大的问题还是石油和天然气的供应安全问题，当然还有保供的问题，这些问题如何通过“双碳”目标的实现来解决，保障我国能源安全，把能源的饭碗端在自己的手上，这也是一个非常重大的意义。
- 第三，实现高质量发展的内在需求。
我国从能源利用效率来看有一个非常重要的指标是单位GDP的能耗。改革开放40多年以来，中国的经济社会、科学技术发展非常快，但是目前我国单位GDP能耗比世界平均水平还要高出50%，几乎是发达国家比如英国、日本的3倍。
我国燃煤、发电的能耗已经处于国际的前列甚至是领先，发动机的效率接近于世界水平，单位GDP能耗高的主要原因是我国还是以大规模能源资源的消耗和投入来换取经济的快速增长，是传统的发展模式，这种发展模式使我国综合能效长期处于世界中下水平，同时也产生了大量的环境污染问题。所以从“双碳”目标的推进来改变我们的产业结构和经济增长方式也是意义极其重大的。
二、“双碳”目标下能源转型的五大趋势
2014年6月13日，在中央财经领导小组第六次会议上，习近平总书记提出了能源的四个革命，指出：“能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要”。
能源的转型问题首先要关注整个人类能源的利用历史。历史上每一次能源转型都是人类文明发展和进步的重要驱动力。从草木时代走向自然动力，用水车、牛来耕地，从自然动力再到煤炭为主，到现在以油气为主的时代，我们可以看到能源的转型过程推动了人类从旧石器时代到农业时代、到工业时代，也产生了农耕文明、工业文明，包括第一次工业革命、第二次工业革命、第三次工业革命。
关于未来能源转型，实际上大家已经有了一个共识，那就是未来要走向以新能源为主体的时代，即零碳时代，要实现零碳和碳中和。随着科学技术的快速发展，包括新能源技术、新材料、人工智能、大数据等等的发展，人类正在逐步走向生态文明的时代，由此我们认为会引发第四次工业革命，第一次工业革命造就了大英帝国，第二、第三次造就了美国让其称霸世界，将来我们要走向零碳时代，而且会引发第四次工业革命，这将对中国、中华民族带来什么机遇值得我们深思。
面向“双碳”特别是碳中和，可以说我们正面临着又一次新的能源转型，这样的能源转型我把它归纳为
五个大的发展趋势：
第一，新能源从补充能源走向新主体能源
目前我国主要还是以化石能源为主，现在人类发电用的最大的形式是百万机组的大发电，未来新能源会走向历史的舞台、变化主体的舞台，实现脱碳的过程，未来会变化可再生能源，虽然可再生能源的波动性、随机性、间歇性比较强，我国要走向主体能源除了建更多的光伏和风电厂之外，非常重要的是要重构能源体系，要建以新能源为主体的新型电力系统。首先，要大力发展可再生能源发电。
这方面我国非常有底气，我国可再生能源发展规模一直稳居世界第一，去年可再生能源发电量占全社会用电量的30%，而且有非常好的科技和装备业的优势，现在全球排名前十的光伏发电组件的企业有八家在中国。其次，要降低新能源成本。
实际上可再生能源，特别是光伏和风能这些年发电成本下降非常大，在2021年国家电投报出了一个最低的上网价格——目前国内光伏电厂最低价是0.118元，以前光伏界有一个目标，希望尽早进入一美分的时代，现在看起来也是值得期待的，为时不远。再次，要构建新型电力系统。
从源、网、储、荷生动协同的未来技术发展方向来构建新型电力系统。光伏发电有波动性和随机性，要对光、风进行精确的预测使它成为主体性的发电系统；同时由于它的间歇性和波动性，储能就变得很重要，不仅要中长期储能，还要长期的储能和能源转换，在用户处要建更多的可终端负荷和虚拟电厂，从网端来说需要更多的智能电网，同时要进一步发展电力交易市场和进行电力体制的改革。
因此，使电力成为新能源主体是未来的发展方向，未来应该从现在的集中大发电的百万机组的特高压电网进一步发展到微电网分布式的发电系统，当然集中式还是必须要有的，但是更多的是需要分布式的能源系统。
另外发展趋势是会从原来生产和消费者相对独立，以前能源生产和消费是各自独立的，而未来是变化一个产销者的概念，既是能源的生产者又是消费者，更多的是从原来的源随荷动进一步发展到源网储荷深度互动。
第二，化石能源从主体能源走向保障性能源
未来会有大量的可再生能源，形成更多的零碳电力，不仅是风电、光伏、水源，实际上除了可再生能源以外燃煤发电、天然气发电也应该要走向零碳化。未来我们可以看到，比如说化石能源发电，包括燃煤发电和风电加上CCUS等技术会成为一种标配，由此实现大规模化石能源发电的零碳排放。
但是化石能源依然非常重要，因为它可以补偿获得平衡可再生能源发电的波动性，具备灵活调整气电、煤电的能力，是提高电网灵活性的重要手段，是保障性能源和保障性电力。将来新能源发电将作为主体能源，而化石能源将会从主体能源逐渐走向保障性能源，为保障能源供给，发挥重要作用。
第三，储能将成为零碳电力不可或缺的技术组合
通过可再生能源获得大量的零碳电力，但是零碳电力又有一定的波动性、随机性，因此未来储能变成了一个非常重要的技术组合。目前讲到储能，大家想到最多的是抽水蓄能，由于地理位置限制不是所有地方都能建，跟水库资源、水利资源是相对的。
实际上讲到储能就会讲到锂电池储能等等，是电化学储能的一种，但是对我们未来的发展，非常重要的一种储能就是化学储能，即可再生燃料的概念，储能除了电化储能以外，未来化学储能、燃料储能也是非常重要的，主要是利用这些储能能够转化，克服风、光资源的波动性大的缺陷。关于化学储能，目前我国出台了氢能、燃料电池的产业政策，也在发展氢能经济，氢作为化学储能的一个方面，最重要的价值所在是储能，它可以把可再生能源发的电存储为电能。
除了生产氢以外，由于氢的外在条件极低温或者高压，在输运、储放、安全性方面需要突破。近几年，氨和二氧化碳制作合成的燃料受到关注，这些都是现在化学储能用可再生绿电来做储能的非常重要的方式，有了这些燃料我们可以驱动用到车、船、航空器上，变成储能的重要形式，特别是对于未来电气化行业的去碳化会发生重要的作用，所以我认为第三个发展趋势就是储能包括化学储能会和零碳电力合在一起变成不可或缺的技术组合。
关于化学储能目前有一种源、网、荷、储的强关联，未来如果可以把燃料作为储能的重要形式，就改变了源储和离线可再生能源利用的全新形式，这种可再生燃料也包括了氢、氨和合成染料，可以就地消纳富裕的绿电，可以把它做成合成燃料，大大提高消纳水平，而且便于运输和分享。
第四，电力逐渐走向零碳化
零碳的电力非常重要，有了大量的零碳电力以后，再电气化就成为碳中和的极为重要的路径。第二次工业革命、第三次工业革命中人类发明了电灯、电话、电动机、发动机等等，当时说第二次工业革命人类进入了电气化时代，但是从数据来看，目前从终端能源消费的水平来说电气化的水平不高，全球19%，我国是25%—26%之间，将来我们逐渐能走向电力脱碳以后，再电气化就成为了碳中和的极为重要的路径，前提是零碳电力的再电气化，因此预计到2050年全球电气化水平会提高到50%—70%。根据IEA的结果，2060年1/4的减碳主要是在电气化的贡献，未来一个非常大的趋势就是进一步加大对电力供应、建筑交通再电气化，提高能源效率。
第五，从基于自然禀赋的开发利用进一步走向基于技术创新的新能源开发
能源开发基于化石能源的开发和利用，而这些资源全球总量占前5位的国家占全球煤炭资源总量的75%，这些资源是全球少数国家所富有的，而未来会走向基于技术创新的新能源开发利用，因为所有的国家和地区虽然资源利用量有所不同，但是大家都有风、都有光，利用技术进步把太阳能、光和风转换成新能源的电力是未来的重要发展方向，即从基于自然禀赋的资源开发走向基于技术创新的新能源的开发利用。
未来我们会构建一个发展趋势就是零碳能源体系，它是以高比例可再生能源为主体，化学能源、核能为保障能源，构成以绿电为基础的高效、清洁、安全的能源体系。
我有一个愿景，太阳每天可以为我们提供无穷无尽的能源，过去的世界是依赖于上亿年以前的阳光照耀的产物就是化石能源，我们想今后的世界每天的阳光都会为我们提供取之不尽、用之不竭的热、电、可再生能源，通过技术的进步，通过光伏、风电把它转化成电能，来提供热、电和可再生的燃料。
三、“双碳”工作中的三个关系
一是如何正确理解碳达峰和碳中和的关系
我认为碳达峰是碳中和的起点，碳中和是碳达峰的终极目标。碳达峰是量变，碳中和是质变，如果没有能源变革和绿色革命是不可能实现碳中和这个远大目标的，所以面向碳中和核心是有一系列颠覆性的变革性的能源技术作为战略支撑，来支撑“双碳”目标。
二是如何正确理解“双碳”与经济社会发展的关系
大家都很关心“双碳”会不会影响经济社会发展和企业发展，“双碳”实际上和经济社会发展不是独立和矛盾的关系，也不是赛道超车的概念，它完全是换赛道的概念，是重新定义人类对资源的利用方式，将会引领构建一种全新的零碳的产业体系，大家都有共识，会引发数以百万计的产业和投资计划，会诞生大量的商业模式，所以它的确是挑战，但更是机遇。
三是如何正确理解“双碳”工作中的破与立的关系
我们不是一谈“双碳”就是弃煤，绝对不能在碳达峰的过程中去冲高峰、攀高峰，碳中和的能源变革和能源转型绝不仅仅是一个能源问题、环境问题，而是一个全局性、系统性问题，“双碳”不是一蹴而就，而是循序渐进的，要先立后破，最终化石能源将实现零碳排放的体系仍将是不可或缺的保障性能源。另外能源变革和能源转型一定要基于技术、管理、政策法规和市场机制进行多个层面的顶层的科学设计。
最后我想讲，过去人类社会的发展从石器时代开始，我们的先人并不是说把石头都用完了。所以碳中和是在重新定义人类对资源的利用方式和模式，也是人类的理想彼岸，党中央下了非常大的决心，我相信在党中央的坚强领导下我们一定可以步履坚定实现目标！
黄震中国工程院院士黄震深耕发动机燃烧研究三十多年，以科学家的敏锐与执着，在国际上创建了发动机燃料设计与燃烧控制新方法；他以智者的前瞻与视野，为国家能源、环境问题提出解决方案。他将自己的研究与国家经济、社会发展中最迫切需要解决的问题紧紧贴在一起。这些系统性和创造性的研究成果对中国发动机节能减排和降低中国石油对外依赖度，保障能源安全具有重要战略意义，同时为中国从发动机制造大国走向制造强国作出了贡献。
本文来自碳达峰碳中和研究中心，详情请查看原文链接
