“雙碳”基礎研究指導綱要尋找最大化發(fā)展和最小化排放之間全方位平衡

編者按7月18日，國家自然科學基金委員會發(fā)布《“雙碳”基礎研究指導綱要》。該《綱要》強調，實施“雙碳”戰(zhàn)略，將引發(fā)廣泛而深刻的系統(tǒng)變革，需要在最大化發(fā)展和最小化排放兩個臨界點之間實現(xiàn)各要素全方位平衡和協(xié)調，需要自然科學、技術、人文社會科學的綜合支撐，并提出從“雙碳”戰(zhàn)略路徑選擇、“雙碳”政策與管理、科學原理與數(shù)據(jù)等六個方面應對基礎科學挑戰(zhàn)與關鍵技術瓶頸。該《綱要》為我國“雙碳”領域的科學發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展、持續(xù)發(fā)展提供了系統(tǒng)性思考和重要科技支撐，本刊特此摘編刊載，以饗讀者。

2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和（以下簡稱“雙碳”），是我國的重大戰(zhàn)略決策。實施“雙碳”戰(zhàn)略是破解資源環(huán)境約束、實現(xiàn)高質量可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是應對世界大變局、構建人類命運共同體、促進人與自然和諧共生的必然選擇。

實現(xiàn)“雙碳”目標，需要變革傳統(tǒng)的經(jīng)濟社會發(fā)展模式，促進能源結構和經(jīng)濟結構的轉型升級；需要轉變發(fā)展理念，立足國情，先立后破，穩(wěn)中求進，科學理性，依靠科技進步，穩(wěn)步建立經(jīng)濟社會綠色發(fā)展的新格局。

實施“雙碳”戰(zhàn)略，將引發(fā)廣泛而深刻的系統(tǒng)變革，需要在最大化發(fā)展和最小化排放兩個臨界點之間實現(xiàn)各要素全方位平衡和協(xié)調；需要處理好發(fā)展和減排、整體和局部、長遠目標和短期目標、政府和市場四個基本關系；需要厘清氣候-生態(tài)系統(tǒng)、能源結構、產(chǎn)業(yè)結構、科技發(fā)展和社會經(jīng)濟等多要素互動的復雜網(wǎng)絡關系，優(yōu)化“雙碳”戰(zhàn)略布局，重塑自然-社會-經(jīng)濟系統(tǒng)的相互關系，提高“雙碳”目標與經(jīng)濟社會發(fā)展目標的協(xié)調優(yōu)化能力。

實施“雙碳”戰(zhàn)略，迫切需要自然科學、技術、人文社會科學的綜合支撐。其中，當前面臨的基礎科學挑戰(zhàn)與關鍵技術瓶頸主要體現(xiàn)在圖1所示的六個方面：具有頂層戰(zhàn)略意義的“雙碳”路徑選擇和優(yōu)化；支撐頂層戰(zhàn)略的政策與管理體系構建；支撐戰(zhàn)略決策和行動計劃的科學原理與科學數(shù)據(jù)；具有核心地位的能源結構重塑；基于新型能源體系的產(chǎn)業(yè)結構重構；適應能源結構轉型和產(chǎn)業(yè)結構調整的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化。

為了應對以上挑戰(zhàn)，國家自然科學基金委員會在前期組織相關領域專家調研、研討基礎上，制定《“雙碳”基礎研究指導綱要》，旨在加強上述六方面的基礎研究（圖1），為優(yōu)化完善“雙碳”戰(zhàn)略路徑，全面實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標提供基礎性、前瞻性和引領性的科技支撐。

圖1 《“雙碳”基礎研究指導綱要》重點研究方向概覽

一、“雙碳”戰(zhàn)略路徑選擇

總體目標：圍繞“雙碳”目標與經(jīng)濟社會協(xié)同發(fā)展的路徑選擇和優(yōu)化等關鍵科學問題，建立健全全球-全國-區(qū)域-地方多層次經(jīng)濟社會復雜系統(tǒng)戰(zhàn)略路徑選擇的理論與方法體系，提升隨時可根據(jù)技術和資源可及性科學優(yōu)化“雙碳”戰(zhàn)略路徑的能力。

重點領域與優(yōu)先方向：

（1）全球視野下的“雙碳”目標與路徑措施：國際應對全球氣候變化挑戰(zhàn)的最佳路徑；因地制宜的、與產(chǎn)業(yè)結構相協(xié)調的“雙碳”現(xiàn)實路徑分析等。

（2）現(xiàn)有能源結構、科技和經(jīng)濟社會背景下的潛在路徑：實現(xiàn)“雙碳”目標的各主要路徑的碳足跡、碳成本和碳效應評價模型構建；高碳領域的低碳發(fā)展路徑；低碳領域碳排近零發(fā)展路徑；固碳端負碳化發(fā)展路徑；多路徑耦合的儲能技術路徑量化調控研究等。

（3）“雙碳”目標變革性技術與發(fā)展路徑：面向“雙碳”目標的現(xiàn)實綜合路徑；新型能源體系構建路徑；新能源高效安全利用的變革性技術路徑；各種先進儲能技術的基礎研究及技術比較等。

（4）“雙碳”路徑預測與動態(tài)優(yōu)化：“雙碳”路徑新研究范式的構建；多層次多要素相互作用復雜網(wǎng)絡構筑；預測系統(tǒng)與路徑動態(tài)優(yōu)化研究。

二、“雙碳”政策與管理

總體目標：圍繞實現(xiàn)碳中和的成本、效益、風險及激勵約束機制等關鍵科學問題，研究不同“雙碳”戰(zhàn)略路徑下優(yōu)化經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的政策與管理體系，探索貫徹人類命運共同體理念的全球氣候治理機制，提升基礎治理能力。

重點領域與優(yōu)先方向：

（1）綜合影響評估與數(shù)值模擬：碳排放與社會經(jīng)濟互饋機理；碳減排的社會經(jīng)濟影響評估；極端氣候和天氣事件的社會經(jīng)濟影響評估；面向構建人類命運共同體的氣候-經(jīng)濟復雜系統(tǒng)綜合評估建模及數(shù)值模擬等。

（2）碳中和經(jīng)濟政策與管理：碳社會成本評估；碳定價及監(jiān)管機制設計；碳減排產(chǎn)業(yè)組織；綠色金融激勵機制；宏觀經(jīng)濟周期與碳減排協(xié)同管理；碳減排中的社會公正等。

（3）碳中和技術政策與管理：碳移除技術政策；商業(yè)模式與監(jiān)管機制；顛覆性能源技術政策；碳中和技術標準和規(guī)范管理等。

（4）碳中和實施方案設計：區(qū)域協(xié)同減排方案與激勵機制；重點行業(yè)協(xié)同減排方案與激勵機制；二氧化碳和非二氧化碳協(xié)同減排方案；碳減排與保障經(jīng)濟社會安全協(xié)同等。

（5）氣候適應策略研究：氣候適應能力評估和宏觀策略；企業(yè)和居民適應行為及策略；氣候適應技術與政策管理等。

（6）氣候治理：構建人類命運共同體的全球氣候治理機制；國際碳泄漏評估及對策；國際氣候治理與合作；國際低碳技術和資金政策；碳中和法律法規(guī)體系建設等。

三、科學原理與數(shù)據(jù)

總體目標：圍繞氣候變化與碳循環(huán)的互饋機制及氣候變化的敏感度等關鍵科學問題，構建“可測量、可報告、可核查”的“雙碳”觀測與數(shù)據(jù)系統(tǒng)，發(fā)展新一代地球系統(tǒng)模式，實現(xiàn)碳排放空間的準確預估，為“雙碳”戰(zhàn)略路徑的選擇和優(yōu)化提供支撐。

重點領域與優(yōu)先方向：

（1）“雙碳”背景與氣候變化：氣候變化的敏感度；氣候彈性與閾值；碳中和措施的氣候效應；“雙碳”路徑對未來氣候的影響等。

（2）碳循環(huán)及其與氣候變化的互饋：自然碳匯的形成與維持機制；碳循環(huán)與氣候變化的互饋機理；不同溫室氣體的協(xié)同效應；不同溫控目標的排放空間評估等。

（3）新一代地球系統(tǒng)模式：基于多層次復雜結構網(wǎng)絡的新一代全球及區(qū)域地球系統(tǒng)模式關鍵子系統(tǒng)研發(fā)；數(shù)據(jù)同化方法與相關技術研發(fā)；通用支撐技術研發(fā)等。

（4）觀測與數(shù)據(jù)：陸地碳循環(huán)參數(shù)立體化觀測；海洋和近海碳循環(huán)參數(shù)立體化觀測；溫室氣體觀測與反演；排放因子數(shù)據(jù)庫及高分辨率排放清單等。

四、能源結構重塑

總體目標：圍繞清潔低碳安全高效能源體系的構建和優(yōu)化等關鍵科學問題，突破可再生能源規(guī)模發(fā)展、核電安全高效利用、智能電網(wǎng)調控、各類儲能等關鍵技術背后的基礎科學瓶頸，研發(fā)支持可再生能源發(fā)展的能量儲存和轉換特性的材料與器件，支撐從化石能源為主向可再生能源為主的能源結構轉型。

重點領域與優(yōu)先方向：

（1）可再生能源的高效利用：光伏、風電等清潔能源高效生產(chǎn)及大規(guī)模并網(wǎng)構建的理論與技術；濾儲、電網(wǎng)智能高效調控體系構建；多能互補模塊化體系構建；多能多附加值利用原理；地熱資源高效利用原理等。

（2）核電共性關鍵技術：低品位核資源開采理論與技術；高性價比核安全體系構建；利用可控高反應性快中子干式核嬗變-增殖-產(chǎn)能的可調燃燒機制；核燃料全閉環(huán)循環(huán)體系構建；抗快中子輻照材料研制；可控熱核聚變機制；高效熱發(fā)電原理等。

（3）氫能等二次能源與低碳化工協(xié)同體系構建：化石能源低碳高效制氫原理；氫能“制儲輸用”一體化產(chǎn)業(yè)體系構建及關鍵材料研制；高效經(jīng)濟的氫燃料電池的過程機理；高值流程制造業(yè)體系構建等。

（4）電網(wǎng)調控及儲能配套理論：水力智能電網(wǎng)調控原理；水電快速啟動、經(jīng)濟長壽固定電池機理；間歇性可再生能源智慧調配機制；電熱氫多源儲能系統(tǒng)構建理論；新型電力系統(tǒng)實現(xiàn)途徑等。

（5）移動儲能電源及交通應用：移動電池的高效安全利用原理；鋰資源高效開采理論；高效儲能材料研制；高效相變儲熱材料研制等。

（6）能源資源綜合開發(fā)與固碳：陸相油氣等能源資源高效勘探開發(fā)原理；煤炭清潔化利用機制；二氧化碳高效驅油機制；地質碳捕獲與碳封存原理；水電資源綜合開發(fā)原理等。

（7）碳中和能源結構動態(tài)優(yōu)化：重大變革性技術預判；能源革命關鍵技術評估；轉型風險評估與關鍵環(huán)節(jié)優(yōu)化等。

五、產(chǎn)業(yè)結構重構

總體目標：圍繞碳氫氧化學鍵重構、工藝過程與系統(tǒng)、材料結構調控、電氣化流程、智能化管控等關鍵科學問題，以綠色碳科學理念及多層次、多尺度研究范式，探索石化、冶金、建材、交通等產(chǎn)業(yè)的全生命周期碳減排機制與轉型路徑，實現(xiàn)基于未來能源結構和供給方式的產(chǎn)業(yè)重構與技術突破。

重點領域與優(yōu)先方向：

（1）低碳流程工業(yè)：低碳化學化工過程耦合機制；綠氫煉化流程調控機制；碳基資源催化轉化機理；電化學零碳負碳機制；全廢鋼電爐流程高能效與品質耦合原理；低碳流程再造的物化原理與調控機制等。

（2）低碳建筑體系：碳酸鹽分解耦合原位還原機制；綠氫及生物質燃料替代過程機制；冶金廢渣利用機理；柔性智能碳中和建筑設計與運行維護機制等。

（3）綠色交通體系：車輛體系能效提升與減排策略；新能源汽車關鍵材料與系統(tǒng)優(yōu)化機制；基于交通大數(shù)據(jù)的運輸結構優(yōu)化機制等。

（4）產(chǎn)業(yè)低碳轉型路徑：產(chǎn)業(yè)低碳轉型新技術路徑選擇策略；氫基流程與電氣化流程變革路徑；智能控制與資源循環(huán)利用的全產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等。

（5）碳化工與碳利用：基于綠色合成理念的人工光合作用機制；二氧化碳化工轉化途徑機制；生物質碳氧結構聯(lián)用高效定向轉化；熔鹽電解耦合固碳機制等。

（6）低碳工業(yè)智能化：大數(shù)據(jù)和機理分析相結合的工業(yè)碳排放智能預測與溯源；生產(chǎn)全流程智能低碳運行控制機制；工業(yè)低碳制造的協(xié)同優(yōu)化機制；重大耗能設備智能低碳運行控制機制等。

六、生態(tài)環(huán)境優(yōu)化

總體目標：圍繞“雙碳”目標、生態(tài)環(huán)境和人類健康的互饋機制等關鍵科學問題，研究生態(tài)系統(tǒng)碳匯鞏固和提升的科學原理及適應能源和產(chǎn)業(yè)結構變化的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化措施，評估“雙碳”目標下的生態(tài)環(huán)境污染治理成效、生物安全、生物多樣性和人群健康效益等。

重點領域與優(yōu)先方向：

（1）陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯精準計算及預測：陸地生態(tài)系統(tǒng)（森林、草地、農(nóng)田、灌叢）全組分碳源匯的精準評估與比較；人為管理措施下和氣候變化背景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力評估等。

（2）陸海生態(tài)系統(tǒng)碳匯穩(wěn)固：生態(tài)系統(tǒng)碳匯的穩(wěn)定性及維持機制；生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)動態(tài)過程與驅動機制；國家自然保護地體系的碳匯功能；生物多樣性保護與碳匯鞏固協(xié)同的理論與技術原理等。

（3）陸海生態(tài)系統(tǒng)碳匯提升：生物和生態(tài)系統(tǒng)碳捕獲、利用與封存前沿技術；區(qū)域生態(tài)工程增匯原理與效應；生態(tài)工程增匯技術的模式系統(tǒng)集成；生態(tài)工程增匯效益及區(qū)域示范；碳匯國土空間管理的科學基礎等。

（4）治污增碳和減污降碳協(xié)同：固碳減污微生物分子機制及應用設計；農(nóng)業(yè)“雙減”與“雙碳”關系；農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)減排增匯與糧食安全；海洋污染防治與藍碳增匯原理與技術；城市污染防治與降碳增匯等。

（5）“雙碳”目標與生物安全：植物高效光合固碳機制與分子設計；新型高光效生物碳捕獲與利用；生物入侵和遷移與碳匯；有害生物流行與碳匯；“雙碳”目標下的生物安全評估等。

（6）“雙碳”目標與人類健康：碳中和與人類健康收益及潛在風險；碳中和行動的新型污染物的健康危害；人群病原生物流行的監(jiān)測及健康風險預警評估；極端氣候變化與人類健康風險等。

在“雙碳”目標約束下，實現(xiàn)發(fā)展與減排、整體與局部、長遠目標與短期措施、政府與市場等多層次復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)的優(yōu)化與調控。