正版 2060中国碳中和 金涌,胡山鹰,张强 化学工业出版社 97871224

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

6.3.3CCUS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CO2220

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CO435

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

13.4.3CO2/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

13.5.3CO2与烯烃直接环氧化和环加成制环状碳酸酯458

13.6CO2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

13.6.2CO2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

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。

"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。"