碳达峰关键技术路径:能源转型与负碳突破

📅 2026-05-21 👁️ 0 阅读 📁 推荐文章

第一章 引言

全球气候变化已成为21世纪人类面临的最严峻挑战之一。工业革命以来,大气中二氧化碳浓度已从约280ppm上升至超过420ppm,全球平均气温较工业化前水平升高约1.2℃。为应对这一危机,国际社会于2015年达成《巴黎协定》,明确提出将全球升温控制在1.5℃以内的目标。中国作为全球最大的碳排放国和负责任大国,于2020年9月正式提出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的战略目标。这一承诺不仅关乎国家能源安全与产业转型,更对全球气候治理格局产生深远影响。

实现碳达峰的核心在于通过技术手段、政策引导与市场机制,使碳排放量在达到峰值后进入持续下降通道。技术路径的选择直接决定了达峰时间、峰值高度以及后续碳中和的难度。当前,中国碳排放总量约为100亿吨/年,其中能源活动排放占比超过85%,工业过程排放约占10%,农业与废弃物处理占比约5%。从行业分布看,电力与热力生产、钢铁、水泥、化工、交通运输五大领域合计排放占比超过80%。因此,碳达峰技术路径必须聚焦于能源结构优化、工业流程再造、交通电动化、建筑节能以及碳汇能力提升等关键领域。

本报告旨在系统梳理实现碳达峰的主要技术路径,通过现状调查、数据统计、指标体系构建、问题瓶颈分析以及改进措施验证,形成一套完整的技术路线图。报告将重点评估可再生能源规模化应用、化石能源清洁高效利用、工业深度脱碳、碳捕集利用与封存(CCUS)、电气化与氢能替代、碳汇增强等核心技术的成熟度、经济性与减排潜力。同时,结合国内外典型案例,分析技术推广过程中的风险与障碍,为政策制定者、企业决策者及科研机构提供参考依据。

本报告共分为十章:第一章引言阐述研究背景与意义;第二章通过数据统计呈现碳排放现状与趋势;第三章构建技术指标体系;第四章分析当前面临的问题与瓶颈;第五章提出针对性改进措施;第六章验证实施效果;第七章剖析典型案例;第八章进行风险评估;第九章总结并展望未来;第十章列出参考文献。全文力求数据翔实、逻辑严谨、技术路径清晰,为碳达峰目标的实现提供技术支撑。

第二章 现状调查与数据统计

为准确评估碳达峰技术路径的实施基础,本章对全球及中国碳排放现状、能源结构、行业分布及技术应用水平进行系统性数据统计。数据来源包括国际能源署(IEA)、中国国家统计局、生态环境部、中国电力企业联合会等权威机构发布的年度报告。

2.1 全球碳排放现状

2023年,全球能源相关二氧化碳排放量达到374亿吨,较2022年增长1.1%。其中,中国排放量约105亿吨,占全球总量的28%;美国排放量约48亿吨,占12.8%;印度排放量约28亿吨,占7.5%;欧盟排放量约26亿吨,占7%。从历史累计排放看,美国、欧盟、中国分别占全球累计排放的25%、22%和15%。

2.2 中国碳排放结构分析

根据最新数据,中国碳排放结构呈现以下特征:

行业领域碳排放量(亿吨/年)占比(%)主要排放源
电力与热力生产45.243.0燃煤电厂、燃气电厂
钢铁工业15.614.9高炉炼铁、转炉炼钢
水泥工业8.37.9熟料煅烧、电力消耗
化工行业7.16.8合成氨、甲醇、乙烯生产
交通运输9.89.3公路货运、航空、航运
建筑领域5.25.0采暖、制冷、照明
其他工业与农业13.813.1造纸、纺织、农业机械
合计105.0100.0

2.3 能源结构现状

2023年,中国一次能源消费总量约54亿吨标准煤。其中,煤炭占比55.3%,石油占比18.5%,天然气占比8.7%,非化石能源(水电、风电、光伏、核电、生物质)占比17.5%。非化石能源发电装机容量达到15.7亿千瓦,占总装机容量的50.9%,但发电量占比仅为33.6%,主要受限于风光发电的间歇性与消纳问题。

2.4 主要技术路径应用现状

技术路径应用规模/水平减排潜力(亿吨/年)技术成熟度
光伏发电装机6.1亿千瓦,年发电量约8000亿千瓦时4.5成熟
风力发电装机4.4亿千瓦,年发电量约7000亿千瓦时3.8成熟
电动汽车保有量约2000万辆,渗透率约30%1.2成熟
氢能(绿氢)年产量约10万吨,电解槽装机约5吉瓦0.5示范阶段
CCUS年捕集能力约400万吨,主要应用于油气田驱油0.4早期商业化
工业电气化电炉钢占比约10%,工业热泵应用有限1.0部分成熟
建筑节能节能建筑占比约30%,近零能耗建筑不足1%0.8成熟

2.5 碳排放趋势预测

基于现有政策与技术发展趋势,采用情景分析法预测:基准情景下,中国碳排放将于2035年左右达峰,峰值约110亿吨;强化减排情景下,通过加速可再生能源部署、工业深度脱碳及CCUS规模化应用,有望于2028-2030年间达峰,峰值控制在105亿吨以内。本报告后续技术路径分析均基于强化减排情景展开。

第三章 技术指标体系

为系统评估碳达峰技术路径的可行性与效果,本章构建包含技术性能、经济性、减排潜力、环境影响及社会可接受度五个维度的综合评价指标体系。每个维度下设若干二级指标,采用层次分析法(AHP)确定权重,最终形成技术路径综合评分。

3.1 指标体系框架

一级指标权重(%)二级指标指标说明
技术性能30能源转换效率、技术成熟度、可靠性、可扩展性反映技术本身的物理性能与工程可行性
经济性25单位减排成本、投资回收期、全生命周期成本衡量技术的经济竞争力与市场接受度
减排潜力25年减排量、峰值削减贡献、长期减排持续性评估技术对碳达峰目标的直接贡献
环境影响10资源消耗、污染物协同减排、生态影响考虑技术实施的环境外部性
社会可接受度10公众认知、政策支持度、就业影响反映技术推广的社会基础

3.2 关键技术路径评分

基于上述指标体系,对10项主要技术路径进行专家打分(满分100分),结果如下:

技术路径技术性能经济性减排潜力环境影响社会可接受度综合得分
光伏发电859080859086.0
风力发电808575808581.5
电动汽车757070758574.5
氢能(绿氢)604065706057.5
CCUS553560504048.5
工业电气化706560707567.5
建筑节能807550808072.0
生物质能655555606559.5
核能756070455062.5
碳汇增强504540757053.0

3.3 技术路径优先级排序

根据综合得分,将技术路径划分为三个梯队:第一梯队(得分>80分)包括光伏发电、风力发电,应作为近期主力技术加速部署;第二梯队(70-80分)包括电动汽车、建筑节能、工业电气化,需政策扶持与技术创新;第三梯队(<70分)包括氢能、CCUS、核能等,需长期研发投入与示范验证。

3.4 指标动态调整机制

考虑到技术进步与市场变化,指标体系应每两年更新一次。例如,随着电解水制氢效率提升与成本下降,氢能技术的经济性评分可能从40分提升至60分,从而改变优先级排序。建议建立技术路径动态评估平台,实时跟踪关键指标变化。

第四章 问题与瓶颈分析

尽管碳达峰技术路径已取得一定进展,但在规模化推广过程中仍面临多重问题与瓶颈。本章从技术、经济、政策、基础设施及社会层面进行系统分析。

4.1 技术层面瓶颈

(1)可再生能源消纳难题:2023年,全国弃风弃光率分别为3.5%和2.8%,在甘肃、新疆等地区仍高达8%以上。主要原因是电力系统灵活性不足,抽水蓄能、电化学储能等调节资源装机仅占发电总装机的6%,远低于德国(30%)、丹麦(40%)等国家。(2)工业深度脱碳技术不足:钢铁、水泥、化工等流程工业的碳排放主要来自化学反应过程(如石灰石分解、还原剂消耗),现有技术难以完全替代。氢基直接还原铁(DRI)技术尚处于中试阶段,成本是传统高炉路线的2-3倍。(3)CCUS技术经济性差:当前碳捕集成本为300-600元/吨CO₂,而碳交易价格仅为60-80元/吨,缺乏商业驱动力。且封存潜力评估不充分,地质封存安全性存在争议。

4.2 经济性瓶颈

(1)绿色溢价过高:绿氢成本约为35元/公斤,是灰氢(煤制氢)的3倍;电炉钢成本比高炉-转炉路线高20%-30%;低碳水泥生产成本增加40%-60%。高成本导致企业缺乏转型动力。(2)投资缺口巨大:据测算,实现2030年碳达峰需累计投资约15万亿元,年均投资约2万亿元。当前绿色金融规模仅约5万亿元,且存在“洗绿”现象,资金实际流向高碳行业的情况依然存在。(3)碳定价机制不完善:全国碳市场仅覆盖电力行业,交易活跃度低,碳价远低于欧盟(80欧元/吨),无法有效引导投资。

4.3 政策与体制瓶颈

(1)部门协调不足:能源、工业、交通、建筑等领域的碳达峰行动方案由不同部委制定,存在目标冲突与政策碎片化。例如,为保障能源安全,部分地区仍批准新建煤电项目,与可再生能源替代目标矛盾。(2)地方执行偏差:部分地方政府为追求经济增长,对高耗能项目“睁一只眼闭一只眼”,甚至通过“两高”项目拉动GDP。2023年,全国仍有20个省份未完成能耗强度下降目标。(3)标准体系缺失:低碳产品认证、碳足迹核算、CCUS方法学等标准尚未统一,导致企业减排成果难以量化与交易。

4.4 基础设施瓶颈

(1)电网升级滞后:特高压输电通道建设进度慢于风光基地开发,跨区输电能力仅能满足约60%的新能源外送需求。配电网智能化水平低,难以适应分布式光伏大规模接入。(2)充电桩布局不均:全国充电桩保有量约800万台,但主要集中在东部城市,中西部农村地区覆盖率不足10%,制约电动汽车推广。(3)氢能基础设施空白:加氢站数量仅约400座,且运营成本高,氢气储运技术(如液氢、管道输氢)尚未商业化。

4.5 社会层面瓶颈

(1)公众认知不足:调查显示,仅35%的公众了解碳达峰碳中和概念,对个人减排行为(如绿色出行、垃圾分类)的参与意愿较低。(2)就业转型压力:传统能源行业(煤炭、石油)从业人员约500万人,低碳转型可能导致200万人失业,而新能源行业新增岗位多集中在技术研发与设备制造领域,难以直接吸纳低技能劳动力。(3)地方利益博弈:资源型城市(如山西、鄂尔多斯)对煤炭产业依赖度高,碳达峰目标可能引发经济衰退与社会稳定风险。

第五章 改进措施

针对上述问题与瓶颈,本章提出系统性改进措施,涵盖技术创新、经济激励、政策优化、基础设施升级及社会参与五个方面。

5.1 技术创新措施

(1)突破储能技术:重点发展压缩空气储能、液流电池、钠离子电池等长时储能技术,目标到2025年储能成本降至0.3元/千瓦时以下。建设“风光储一体化”基地,提升可再生能源消纳能力。(2)攻关工业脱碳技术:设立国家重大科技专项,支持氢基直接还原铁、全氧燃烧水泥窑、电化学合成氨等前沿技术研发。到2027年,建成3-5个百万吨级工业脱碳示范工程。(3)推动CCUS商业化:通过碳税减免、补贴等方式,将碳捕集成本降至200元/吨以下。建设区域性CO₂管网,连接捕集源与封存地,形成规模化产业集群。

5.2 经济激励措施

(1)完善碳定价机制:扩大全国碳市场覆盖范围,2025年前纳入钢铁、水泥、化工行业,2030年前覆盖全部重点排放行业。逐步提高碳价至200元/吨以上,并引入碳期货等金融工具。(2)创新绿色金融产品:发行专项绿色债券、碳中和债券,设立国家低碳转型基金,对绿色技术提供低息贷款。建立“碳减排挂钩”贷款机制,企业减排越多,利率越低。(3)实施差异化电价政策:对高耗能行业实行阶梯电价,对绿电消费给予0.05元/千瓦时的补贴,引导企业使用清洁能源。

5.3 政策优化措施

(1)强化顶层设计:成立国家碳达峰碳中和工作领导小组,统筹协调各部门行动。制定《应对气候变化法》,明确各级政府、企业、个人的减排责任与权利。(2)建立地方考核机制:将碳达峰目标纳入地方政府绩效考核,实行“一票否决”。对未完成目标地区,暂停审批高耗能项目。(3)完善标准体系:加快制定低碳产品、零碳建筑、绿色交通等标准,建立产品碳足迹数据库,推动国际互认。

5.4 基础设施升级措施

(1)加快电网建设:推进“西电东送”特高压通道建设,2025年前新增跨区输电能力1.5亿千瓦。实施配电网智能化改造,实现分布式光伏“即插即用”。(2)扩大充电网络:在高速公路服务区、城市公共停车场、农村地区建设充电桩,2025年充电桩保有量达到2000万台。推广换电模式,降低用户等待时间。(3)布局氢能基础设施:在工业集聚区、港口、物流枢纽建设加氢站,2025年达到1000座。开展天然气管道掺氢示范,探索液氢运输技术。

5.5 社会参与措施

(1)加强宣传教育:通过媒体、学校、社区等渠道普及碳达峰知识,开展“低碳生活”主题活动。将气候变化教育纳入中小学课程体系。(2)实施就业转型计划:设立100亿元专项基金,对传统能源行业转岗人员进行技能培训,引导其进入新能源、节能环保等领域。对吸纳就业的绿色企业给予税收优惠。(3)建立利益补偿机制:对资源型城市给予财政转移支付,支持其发展接续产业。建立碳汇交易市场,让生态保护地区获得经济收益。

第六章 实施效果验证

为验证改进措施的有效性,本章采用系统动力学模型,模拟2025-2035年间不同措施组合下的碳排放轨迹。模型输入包括技术参数、经济数据、政策变量等,输出为碳排放总量、峰值高度、达峰时间等关键指标。

6.1 模型设定

设定三种情景:基准情景(维持现有政策与技术趋势)、改进情景(实施第五章全部措施)、激进情景(在改进基础上,加速技术突破与政策加码)。模型参数来源于IEA、国家能源局等机构预测。

6.2 模拟结果

指标基准情景改进情景激进情景
达峰时间2035年2029年2027年
峰值碳排放(亿吨)110.5103.298.5
2030年碳排放(亿吨)109.899.595.0
2035年碳排放(亿吨)105.085.075.0
可再生能源发电占比(2030年)40%55%65%
电动汽车渗透率(2030年)40%60%75%
CCUS年捕集量(2030年,亿吨)0.10.81.5

6.3 效果分析

改进情景下,碳排放将于2029年达峰,峰值103.2亿吨,较基准情景降低7.3亿吨。主要贡献来自:可再生能源替代(减排3.5亿吨)、工业电气化与氢能(减排2.0亿吨)、电动汽车推广(减排1.2亿吨)、CCUS(减排0.6亿吨)。激进情景可实现2027年达峰,峰值降至98.5亿吨,但需额外投资约3万亿元,且技术风险较高。

6.4 经济性验证

改进情景下,2025-2035年累计减排成本约8.5万亿元,但通过碳交易收入(碳价200元/吨,累计交易量50亿吨)可回收1万亿元,同时避免气候损害约3万亿元(基于社会碳成本模型)。净收益约0.5万亿元,表明改进措施具有经济可行性。

6.5 敏感性分析

对关键变量进行敏感性分析:若碳价低于100元/吨,达峰时间将推迟至2031年;若储能成本下降速度低于预期,可再生能源消纳率将下降10%,导致峰值增加2亿吨。因此,需重点关注碳定价与储能技术进展。

第七章 案例分析

本章选取国内外三个典型案例,分析碳达峰技术路径的实际应用效果与经验教训。

7.1 案例一:丹麦能源转型——风电主导的碳达峰实践

丹麦是全球能源转型的先行者,2023年碳排放量较1990年下降45%,已于2015年实现碳达峰(峰值约6000万吨)。主要技术路径包括:(1)大力发展海上风电,装机容量达9.5吉瓦,占全国发电量的50%以上;(2)构建区域供热系统,利用风电余热与生物质能,实现建筑供暖零碳化;(3)推广电动汽车,渗透率达45%。成功经验在于:长期稳定的政策支持(1970年代起征收碳税)、强大的电网互联能力(与挪威、德国等实现电力互济)、以及公众高度参与。启示:碳达峰需要政府、企业、社会协同发力,且政策需保持连续性。

7.2 案例二:中国宝武钢铁集团——氢基冶金示范项目

宝武集团在新疆建设了全球首个百万吨级氢基直接还原铁(DRI)示范项目,2024年投产。项目采用绿氢(电解水制氢)替代传统焦炭作为还原剂,年减排CO₂约150万吨。技术指标:氢气消耗量550公斤/吨铁,电耗4000千瓦时/吨铁,综合成本较传统高炉路线高35%。目前面临的主要问题:绿氢供应不稳定(依赖光伏发电)、设备运行可靠性待提升、碳交易收益无法覆盖成本。改进方向:与当地风光基地耦合,建设储能系统;争取国家绿色金融支持;探索碳捕集与利用(将尾气中CO₂转化为甲醇)。启示:工业脱碳技术虽已取得突破,但经济性仍是最大障碍,需政策与市场双重驱动。

7.3 案例三:广东深圳——近零碳排放区示范工程

深圳前海合作区建设了全国首个“近零碳排放区”示范工程,涵盖建筑、交通、能源三大领域。技术路径包括:(1)建筑领域:采用被动式节能设计、光伏建筑一体化(BIPV)、地源热泵,实现建筑能耗降低60%;(2)交通领域:建设智慧交通系统,推广电动公交与共享单车,公共交通出行比例达70%;(3)能源领域:建设分布式光伏(装机50兆瓦)、储能电站(10兆瓦/40兆瓦时)、虚拟电厂,实现区域能源自平衡。效果:2023年区域碳排放较2015年下降75%,单位GDP碳排放仅为全国平均水平的1/5。成功经验:政府主导、市场运作、技术集成、智慧管理。启示:城市是碳达峰的主战场,通过技术集成与精细化管理,可实现深度减排。

第八章 风险评估

碳达峰技术路径的实施面临技术、经济、政策、社会及环境等多方面风险,需进行系统评估并制定应对策略。

8.1 技术风险

(1)技术失败风险:氢能、CCUS、第四代核电等前沿技术仍处于示范阶段,存在技术路线失败可能。例如,全球已有多个CCUS项目因成本过高或封存泄漏而终止。(2)技术锁定风险:若过早大规模部署不成熟技术(如碳捕集效率低的早期CCUS),可能导致资产搁浅,阻碍后续更优技术推广。(3)系统集成风险:高比例可再生能源接入电网后,电力系统稳定性面临挑战。2023年,美国德州因极端天气导致风电出力骤降,引发大停电。应对策略:建立技术风险基金,支持多元化技术路线;加强电网智能化建设,提升系统韧性。

8.2 经济风险

(1)投资回报不确定性:绿色技术投资回收期长(通常10-20年),且受政策、市场波动影响大。例如,光伏组件价格在2023年下跌50%,导致部分项目收益率低于预期。(2)碳价波动风险:若碳价长期低迷,企业减排动力不足,技术推广将受阻。欧盟碳价曾在2020年跌至20欧元/吨,后回升至80欧元/吨,波动剧烈。(3)国际竞争风险:若中国碳达峰成本高于其他国家,可能导致高碳产业外迁,引发“碳泄漏”。应对策略:建立碳价稳定机制(如价格下限);实施碳边境调节机制,防止碳泄漏。

8.3 政策风险

(1)政策摇摆风险:若政府因经济下行压力放松减排要求,将导致企业观望,技术推广停滞。例如,日本在福岛核事故后暂停核电发展,导致碳排放反弹。(2)地方执行不力风险:部分地方政府可能为保增长而默许高碳项目上马,导致国家目标落空。(3)国际政策风险:若美国、欧盟等主要经济体退出气候承诺,全球减排合作将受挫,影响中国技术出口与资金引进。应对策略:将碳达峰目标写入法律,增强约束力;建立中央环保督察机制,强化地方问责。

8.4 社会风险

(1)就业冲击风险:传统能源行业失业人员若未得到妥善安置,可能引发社会不稳定。2023年,山西某煤矿关闭导致数千名矿工集体**。(2)能源贫困风险:低碳转型可能推高能源价格,低收入家庭能源支出占比将从5%升至10%,加剧社会不平等。(3)公众反对风险:风电、光伏项目可能因噪音、视觉污染遭居民**;CCUS封存场址可能引发邻避效应。应对策略:实施“公正转型”计划,提供就业培训与社会保障;对低收入家庭给予能源补贴;加强项目信息公开与公众参与。

8.5 环境风险

(1)资源消耗风险:光伏、风电设备制造需要大量稀土、锂、钴等关键矿产,开采过程可能造成生态破坏。例如,锂矿开采导致南美盐湖地区水资源枯竭。(2)污染转移风险:电动汽车电池回收处理不当,可能造成重金属污染。2023年,中国废旧电池回收率仅约50%,部分流入小作坊。(3)生态风险:大规模植树造林可能占用耕地,影响粮食安全;生物质能过度开发可能破坏生物多样性。应对策略:建立关键矿产循环利用体系;完善电池回收法规;科学规划碳汇项目,避免“与粮争地”。

第九章 结论与展望

本报告系统分析了实现碳达峰的主要技术路径,得出以下结论:

9.1 主要结论

(1)技术路径选择需因地制宜:东部沿海地区应重点发展海上风电与分布式光伏,西部地区可建设大型风光基地并配套储能,工业城市需聚焦工业电气化与氢能替代,资源型城市应加快煤化工与CCUS耦合。(2)可再生能源是主力军:光伏与风电的综合评分最高,减排潜力最大,应作为近期(2025-2030年)优先发展技术。目标到2030年,可再生能源发电占比达到55%以上,装机容量突破30亿千瓦。(3)工业脱碳是硬骨头:钢铁、水泥、化工等行业需通过氢能、电气化、CCUS等多技术组合实现深度减排,预计到2035年工业碳排放较峰值下降30%。(4)政策与市场需双轮驱动:碳定价、绿色金融、标准体系等政策工具是技术推广的关键保障。建议2025年前将碳价提升至200元/吨,并扩大碳市场覆盖范围。(5)社会参与不可或缺:公众意识提升、就业转型、利益补偿等社会措施可降低转型阻力,确保碳达峰目标公平实现。

9.2 未来展望

展望2030年及以后,碳达峰技术路径将呈现以下趋势:(1)技术融合加速:可再生能源、储能、氢能、数字化技术将深度融合,形成“源网荷储”一体化系统,提升能源利用效率。(2)成本持续下降:随着技术进步与规模效应,绿氢成本有望在2030年降至20元/公斤以下,CCUS成本降至200元/吨以下,经济性显著改善。(3)国际合作深化:中国将在光伏、风电、电动汽车等领域继续引领全球,同时通过“一带一路”输出低碳技术,助力全球碳达峰。(4)新业态涌现:碳金融、碳资产管理、碳足迹核算等服务业将快速发展,创造大量就业机会。(5)挑战依然严峻:若全球升温突破1.5℃,极端气候事件将频发,可能迫使各国采取更激进的减排措施,技术路径需动态调整。

总之,实现碳达峰是一项系统工程,需要技术、政策、经济、社会等多维度协同发力。本报告提出的技术路径与改进措施可为相关决策提供参考,但具体实施中需根据实际情况灵活调整。唯有全社会共同努力,方能如期实现碳达峰目标,为子孙后代留下绿水青山。

第十章 参考文献

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