“碳达峰”行动方案使能技术与实现路径

郭齐江/清华大学电机系毕业

清华大学天津高端装备研究院

南京清研绿色制造研究院

副院长

曾任：

天津市制造业信息化生产力促进中心主任

天津市制造业信息化专家组副组长

清华大学昆山产业创新研究院院长助理

联系方式

单位简介

清华大学天津高端装备研究院

清华大学外派专业研究院之一，集协同创新、产业孵化、投融资服务一体的综合性科技研发与转化平台，旨在提升清华大学的社会服务能力，立足国家京津冀协同发展战略，并辐射全国，服务地方产业转型升级，为我国由“制造大国”向“制造强国”转化做出贡献。

南京清研绿色制造研究院

南京清研绿色制造研究院是依托清华大学天津高端装备研究院设立的南京市新型研发机构，其运营公司为南京清研传动装备研究院有限公司。

南京清研致力于推动智能制造、绿色制造科技成果转化，专注于电机高效节能、新能源与环保资源化等领域技术创新研发，科研成果已经应用于电力、石化、轻工、食品、交通、机械等行业。

使命目标

依托清华大学在清洁能源装备领域的研究成果与人才优势，借力大型国际资本，与地方优质产业资源合作，共同建设集“产城融合”、“产教融合”为一体的清洁能源装备创新谷。辐射带动清洁能源装备产业集群发展，实现区域千亿级清洁能源装备产业的增长极。

顾问服务

一、服务形式

帮助地方企业提升装备运行效率，达到减碳、降成本、提升竞争力的目的。

二、服务对象

能源消耗费用占运行成本比较高的使用装备单位和装备制造企业。

三、服务内容

（一）装备节能诊断

现场了解企业装备运行情况，判断装备节能潜力。

（二）装备智能化节能设计

依据企业装备运行情况，结合先进智能化节能技术，完成装备节能方案设计。

（三）装备节能技术服务

为企业装备节能技术改造提供现场技术指导、项目组织、指导实施等服务。

双碳政策

习近平主席在联合国大会上表示：

“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。”

◆2020年12月中央经济工作会议强调做好碳达峰、碳中和工作。我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。要抓紧制定2030年前碳排放达峰行动方案，支持有条件的地方率先达峰。

◆国家发展改革委、国家能源局在2017年联合发布了《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》，明确到2020年，能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内，煤炭消费比重进一步降低，清洁能源成为能源增量主体，能源结构调整取得明显进展，非化石能源占比15%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%。

碳中和目标清洁能源的紧迫需求

国家主席习近平气候雄心峰会上通过视频发表题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话，宣布中国自主贡献一系列新举措。

习近平主席提到：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

风电、光伏应用的主要技术瓶颈：

●风电、光伏的非稳定性发电

●逆变造成对电网的谐波污染

●宽温度高能量密度储电元件

●电能存储调峰成本居高不下

碳达峰、碳中和如何实现？

推动发储用一体化清洁能源电网技术势在必行！

应急供电是家庭必备设备

全球气候变暖导致北极涡旋南下，今年造成了几十年不遇的寒潮（如下图），也造成了美国德州的断电。

在气候变化趋势下，极端天气只会愈演愈烈，如何应对是全球的难题。优秀的应急供电系统，将在十年内成为家庭的必备产品。目前的应急供电系统，只能采用柴油发电。光伏、风能的不稳定性，只有解决了储能才可以实现大规模应用。

电网调蓄方式的落后

双碳环境下，拉闸限电会经常出现

新型工厂储能方式势在必行

现有储能方式的问题

新华社北京10月26日电近日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》。

围绕贯彻落实党中央、国务院关于碳达峰碳中和的重大战略决策，按照《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》工作要求，聚焦2030年前碳达峰目标，对推进碳达峰工作作出总体部署。

“碳达峰十大行动”：

（一）能源绿色低碳转型行动;

（二）节能降碳增效行动;

（三）工业领域碳达峰行动;

（四）城乡建设碳达峰行动;

（五）交通运输绿色低碳行动;

（六）循环经济助力降碳行动;

（七）绿色低碳科技创新行动;

（八）碳汇能力巩固提升行动;

（九）绿色低碳全民行动;

（十）地区梯次有序碳达峰行动。

“碳达峰十大行动”指导思想

以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神，深入贯彻习近平生态文明思想，立足新发展阶段，完整、准确、全面贯彻新发展理念，构建新发展格局，坚持系统观念，处理好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系，统筹稳增长和调结构，把碳达峰、碳中和纳入经济社会发展全局，坚持“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”的总方针，有力有序有效做好碳达峰工作，明确各地区、各领域、各行业目标任务，加快实现生产生活方式绿色变革，推动经济社会发展建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上，确保如期实现2030年前碳达峰目标。

“碳达峰十大行动”工作原则

更好发挥政府作用，构建新型举国体制，充分发挥市场机制作用，大力推进绿色低碳科技创新，深化能源和相关领域改革，形成有效激励约束机制。

立足我国富煤贫油少气的能源资源禀赋，坚持先立后破，稳住存量，拓展增量，以保障国家能源安全和经济发展为底线，争取时间实现新能源的逐渐替代，推动能源低碳转型平稳过渡，切实保障国家能源安全、产业链供应链安全、粮食安全和群众正常生产生活，着力化解各类风险隐患，防止过度反应，稳妥有序、循序渐进推进碳达峰行动，确保安全降碳。

“碳达峰十大行动”主要目标

产业结构调整取得重大进展，清洁低碳安全高效的能源体系初步建立，重点领域低碳发展模式基本形成，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重进一步提高，煤炭消费逐步减少，绿色低碳技术取得关键突破，绿色生活方式成为公众自觉选择，绿色低碳循环发展政策体系基本健全。到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，顺利实现2030年前碳达峰目标。

实现“碳达峰”、“碳中和”技术路径？

使能技术

综合化能源服务的特点

综合性：实现电、热、冷、气、水等横向协同，实现源-网-荷-储等纵向协同；

就近性：优化保证能源的就地生产、就地平衡、就地消纳；

互动性：实现不同能源主体之间的互动，人人都是能源的产销者；

市场化：市场化的能源价格机制，促进能源利用效率的提高；

智能化：使整个系统有了“大脑”和“神经”，实现互动协同；

低碳化：实现区域能源开发利用的清洁高效。

分布式能源是建立在用户端的能源供应方式，是中国能源结构转型中新能源的重要组成部分。在城镇、产业园区、工业企业、大型公共建筑、大型商业综合体建设分布式光伏发电、分散式风力发电、分布式生物质发电、冷热电三联供等项目，满足终端用户对电、热、冷、气等多种能源的需求。

《电机能效提升计划（2021-2023年）》的通知

工业和信息化部办公厅、市场监管总局办公厅联合印发《计划》提出开展存量电机节能改造。

◆鼓励钢铁、有色、石化、化工、建材、纺织等重点工业行业开展用能设备节能诊断，结合设备能效水平和运行维护情况，评估先进节能技术装备推广应用潜力。引导企业实施电机等重点用能设备更新升级，优先选用高效节能电机，加快淘汰不符合现行国家能效标准要求的落后低效电机。鼓励企业对低效运行的风机、泵、压缩机等电机系统开展匹配性节能改造和运行控制优化等。

◆细分负载特性及不同工况，加大高效节能电机应用力度。

◆针对风机、水泵、压缩机、机床等通用设备，鼓励采用2级能效及以上的电动机。针对变负荷运行工况，推广2级能效及以上的变频调速永磁电机。针对使用变速箱、耦合器的传动系统，鼓励采用低速直驱和高速直驱式永磁电机。大力发展永磁外转子电动滚筒、一体式螺杆压缩机等电动机与负载设备结构一体化设计技术和产品。

“双碳”行动中容易混淆的问题

开源：

●风光发电与“发电+储能”

●风光发电中的“储能”类别

●风光发电的自用与上网

●新能源动力中的“储能”

节流：

●“能源审计”与“节能诊断”

●“高效电机”与“系统节能”

●“智能制造”与“节能减碳”

●“循环利用”与“节能减碳”

清洁能源装备

◎超能电容安全储电装备

◎港口岸电旋转变频装备

◎能量回馈型电磁耦合器

◎电磁行星齿轮增减速器

智能制造技术与产品

◎AI三维视觉技术与系统

◎工业大数据的优化方法

◎智能制造数字孪生系统

资源化环保技术与装备

◎有机废弃物资源化生产装备

◎异味气体生物处理技术装备

超能电容安全储电装备

受光照、风力大小影响不稳定，太阳能、风能发电占比较大时，需要有高性能、大容量的电能存储系统，才能保证电网可靠供电。

现有电力供应峰谷调蓄储能系统，建设成本高，设备昂贵，换电逆变操作复杂。

长寿命、低成本电能存储系统是紧迫急需。

抽水蓄能电站

飞轮储能

液流电池储能

超能电容安全储电装备

采用新型电极材料的超能电容作为存储单元，应用SiC功率器件和高频电磁隔离元件,研发的高质、高效、高功率能量密度的电源变换系统（PCS）和电池管理系统（BMS）,可以为直流母线、交流单相、交流三相提供高质量的中低压交、直流电源，保证用电设备安全，降低系统电能消耗。

可供用电单位储存谷价电和风光清洁电能，在用电高峰时使用，通过独有的电源变换技术以及智能负载切换技术，实现企业不停电备用电源切换，后备电源采用谷值供电段的能量和太阳能进行补充，解决备用电源安全问题、短时峰值与供电扩容等问题，大幅度降低用电成本和电力设备建设成本，达到了低碳、减排的目标。

①超能电容安全储电装备

锂离子电池，安全性差，功率密度低，温度性能差。

超级电容，体积庞大，能量密度低，造价昂贵

超能电容，新型电极材料技术，能量密度、功率密度、温度特性与安全性相结合的划时代产品。

具体型号参数以及与锂电性能对比

超能电容的性能突破

港口岸电旋转变频装备

我国年港口货物吞吐量居世界之首，全球十大集装箱港口中有七个在中国。进出港口的船舶和货车虽然带来了货物和经济发展，但也加剧了对港口和周边地区的空气污染，一艘集装箱船一天排放的PM2.5污染物相当于50万辆国IV货车同一天的排放量！远洋船废气排放于距离海岸线400公里内的海域和内陆地区。

消除污染的办法是关闭船上发电机改用岸上电源——港口岸基电源。根据国际市场研究机构MarketsandMarkets2018年报告到2024年，全球港口岸电市场规模将从2019年的14亿美元增长至27亿美元，期间年复合增长率为13.3%。德国西门子、芬兰瓦锡兰、瑞士ABB、法国施耐德电气以及瑞士的Cavotec将成为全球领先的岸电市场解决方案供应商。

但国内电网的国标电源需要转换为60HZ国际船级社标椎电源，使得国际远洋船只的接入率非常低，而使得远洋港口的岸电接入建设和维护成本居高不下，成为推广岸电接入的瓶颈。

岸基电源的接入在中国具有巨大发展空间

“碳达峰十大行动”：交通运输绿色低碳行动;

港口岸电旋转变频装备

高校电机与系统节能

电动机广泛应用于工业、农业、国防、民生等各领域中的机械装备。其用电量占世界总用电量40%以上，占工业用电量的60%以上。提高电动机效率对于能源节约、环境保护具有重要意义。

能量回馈型电磁耦合器

采用无位置传感器矢量控制，在不同转速机械轴之间实现非接触式转矩传递，特别适合于风机泵类负载的调速和变速恒频风力发电机组，所需变频器功率容量小于传递功率的1/6。实测的MW级传输效率接近99%。

替代变频调速、效率更高、成本更低、可靠性高

电磁行星齿轮增减速器

依据电磁感应原理实现行星齿轮的非接触传动，与机械行星齿轮的三层径向嵌套结构一致，二者稳态外特性完全相同。

电磁行星齿轮增减速器

30kW样机效率与转矩密度与液力传动箱接近，随着电磁设备功率增大，效率及转矩密度会进一步上升，有望超越机械传动齿轮箱。

电磁行星齿轮有益效果：

◎非接触啮合解决了高速摩擦润滑问题

◎柔性、抗冲击转矩、振动隔离能力

◎具备功率分流功能、传输效率η>90%)

◎不产生涡流、保证永磁体磁稳定性

◎良好的动态性能

◎不额外引进电源、控制器

◎免维护、可靠性高，适于无人值守

◎加工难度低、常规材料、结构件

资源化环保技术与装备

◎有机废弃物资源化生产装备

◎异味气体生物处理技术装备

“碳达峰十大行动”：循环经济助力降碳行动;

大力推进生活垃圾减量化资源化。

探索适合我国厨余垃圾特性的资源化利用技术。

有机废弃物资源化生产装备

将有机固体废弃物(包括畜禽粪便，农作物秸秆、树叶、枝娅、腐殖土、有机生活垃圾、活性污泥、发酵工业废渣、工业植物水解渣)调节好碳氮比后，先经2一3小时的中、高温厌氧发酵的酸化水解阶段，使之产生大量的混合有机酸，以此做为催化剂，再经2一10分钟的高温高压化学催化水解反应，可使之快速降解为小分子氮化物和碳化物，再经固氨催化剂作用下，只需0.5一1小时就形成了稳定化的氮碳复合物即肥效很高的没有恶臭和异味的水溶性有机肥，如在有机肥基础上再加入无机营养，可生产有机一无机复合肥。能有效应用于环保与制肥领域。

处理时间短：3-6小时。

化学催化水解形成小分子有机营养成份

◎蛋白质及水解产物

◎蛋白质是氨基酸为单元通过肽健连接的有机高分子化合物

◎水解产物：蛋白质多肽低聚肽寡肽氨基酸

1.工艺路线：

水解小分子、化肥有机化、超声波强化稳定化

2.工艺特点◎整个生产周期处理时间短，只要6小时，整个处理过程无臭和异味，全程自控，操作人员4人。◎不排废气、不排废水，分拣出的不确定性杂物不超过1%。◎使产品中所加化肥有机化，无害化，无氮的氨化挥发损失，无硝态氮的淋溶损失，无磷、钾的土壤固定损失。增加热焓值，强化吸收。◎可利用垃圾中转站，可建在市区。◎设备占地面积小，节省土地资源。

小分子有机水溶肥的快速吸收和农田应用效果

1.小分子水溶肥产品特点

检测报告

具备国家CMA认证的权威第三方检测报告（水溶性肥），各项指标大幅度优于GB17419-2018标准！

餐厨垃圾资源化利用生产装备

异味气体生物处理一体化设备

克服了传统工艺设备中消耗大量能源，并产生大量二次污染的缺点，提供一种采用生物的方法、将废气中的有异味物质被填料吸附，在填料表面生物作用下，进入生物细胞体内，在各种细胞内酶（如脱氢酶、氧化酶等）的催化作用下，生物对其进行氧化分解，同时进行合成代谢产生新的生物细胞。

工艺特点：

本工艺优于目前国内外市场上使用的化学吸收、催化氧化和生物过滤等常规方法，有效地解决同类技术在工程中运行效果差、稳定性不好等缺点。操作控制简单、维护管理方便、运行费用低；滤料使用寿命长，无需更换。

运行效果：

经异味气体生物处理一体化设备处理完后的气体优于国家恶臭污染物放标准，可基本实现无味排放。一体化设备对于甲醛、丁酮的去除率达90%以上，对于硫化氢、甲硫醇、二甲基硫醚等的去除率达到90%～100%，对于VOCs的去除率达到90%以上，废气中恶臭物质去除率大于99%。

智能制造技术与产品——智能制造数字孪生系统

应用数字孪生技术，不再依赖通过开发实际的物理原型来验证设计理念，也无需通过复杂的物理实验才能验证产品的可靠性，不需要进行小批量试制就可以直接预测生产，甚至不需要去现场就可以洞悉产品运行情况。

其众多技术的融合和创新势必会对制造业产生深远的影响，可以有效提升产品的质量稳定性和生产效率，并满足多品种、小批量、柔性化、智能化生产需求。

智能制造技术与产品——AI三维视觉技术与系统

1、数据采集技术

主要包含以设备现场总线数据和三维视觉技术。

2、智能识别技术

通过人工智能识别，进行瑕疵、缺陷、生产关键数据、流程等多种工业现场应用的无固定数学模型特征，通过样本训练，建立具有人脑思维能力的识别系统。

3、三维实时仿真技术

通过三维模型以及三维模型运动，实时捕捉人、机器人、机床、AGV等多种空间元素的动作，实现三维空间的虚拟化代入与浸入式感知。

4、虚拟现实技术

通过增强现实、虚拟现实等，提升设备操作观感，进行危险操作员工提前培训以及机器人替代人进行危险操作。

人工智能三维视觉一体化数字孪生系统

视觉引导协作机器人完成铝罐车全自动化焊接，智能工业MES管理；车间从400名操作工人降低至100名，预期产能可提升1倍以上。

应用案例-新能源车电池拆解线

智能制造技术与产品小结

通过数字孪生系统、智能机器人、增材制造设备、高性能润滑与摩擦改性技术、智能机器人视觉跟踪焊接技术，工业MES管理技术，针对非标、无批量或者多品种小批量的复杂生产实现智能制造管理。

目前该技术已经在天津汽车模具股份有限公司，河北宏泰专用汽车有限公司、格林美城市矿山公司等进行应用，实现绿色智能制造示范与推广应用，大幅度降低企业生产成本，提升生产能力和品质，取得了显著的经济社会效益。

柔性制造技术以视觉和人工智能决策为核心改变传统流水线自动化生产线的模式。

碳达峰行动前景展望机遇与挑战

“碳达峰”行动必将使我国产业结构和能源结构调整优化实现重大进展，清洁低碳安全高效的能源体系初步建立，重点领域低碳发展模式基本形成，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重进一步提高，煤炭消费逐步减少，绿色低碳技术取得关键突破，绿色生活方式成为公众自觉选择，绿色低碳循环发展政策体系基本健全。

绿色低碳装备是一个具有数万亿市场规模的新型产业，是我国驱动经济发展新旧动能转换的关键环节，上述绿色低碳装备领域所列技术均为我国自主创新、国际领先的技术，如将其中部分在创新谷落地转化，即可打造成为中国制造新动能的增长极，对促进地方产业升级具有十分重要的意义。

国家一次比一次更加强调提出要实现2030年碳达峰和2060年碳中和的宏伟目标。碳中和毕竟是今后30年270万亿的大市场！

以上相关技术和文章最终解释权归

清华大学天津高端装备研究院

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