第1章绪论
全球范围内的碳中和行动正加速经济社会向零碳社会的转型进程。在这一转型过程中，能源、电力、工业、环境和基础设施等相关的技术体系与社会运行保障体系也将迎来重大变革。世界主要发达国家、地区及国际组织聚焦碳中和相关的重要科技问题，正在加快部署相关的规划、政策和行动。
1.1能源清洁低碳利用
1.1.1国际政策行动
美国能源部2020年发布的《化石能源路线图》提出未来10年开发高效低碳燃煤发电（包括碳捕集）、煤基原料/废物生产稀土氧化物等高价值产品、化石能源智能基础设施等技术。2020年拜登团队在竞选演讲中提出《清洁能源革命和环境正义计划》，扩大可再生能源等清洁能源利用，加快电力部门脱碳进程，确保电力部门在2035年实现碳净零排放。美国将核能作为国家战略能源技术，出台多项相关战略与计划以推动核能技术研发。美国还致力于打造氢经济，2020年发布《氢能计划发展规划》，明确未来10年将在制氢、输运氢、储氢、氢转化和终端应用等领域开展研发活动；2021年推出氢能攻关计划，提出到2030年使清洁氢成本降低80%，以加速氢能技术创新并刺激清洁氢能需求。
欧盟2020年公布《海上可再生能源战略》，提出到2050年需要投资近8000亿欧元大力发展海上风电、海洋能等，助力欧盟实现碳中和目标；并在同年推出《欧洲氢能战略》，计划分三步实现2050年可再生能源制氢技术的大规模部署。
德国2020年6月发布《国家氢能战略》，强调实施“应用创新实验室”创新资助形式，支持基于氢能的综合能源网络研究，构建未来融合高比例可再生能源的清洁能源系统。
日本2020年发布《2050碳中和绿色增长战略》提出*大限度部署可再生能源，推动电力部门深度脱碳，到2050年可再生能源发电量占比达50%～60%；其中还特别指出了利用国际合作推进快堆研发，示范小型模块化反应堆技术，加速推进“常阳”堆重启相关的准备，计划到2030年建立高温气冷堆制氢相关基础技术。
国际原子能机构2021年8月发布《小堆部署技术路线图》，向成员方展示了小型模块化反应堆技术的部署路线、部署前景和面临的障碍等内容。
英国将核能利用视为脱碳道路上的关键一环，2021年2月推出《氢能路线图》，对大型反应堆和小型模块堆生产清洁氢的途径进行了概述，指出核能和可再生能源将成为英国未来生产绿色氢的主要能源，明确了核能制氢的愿景目标、途径及促进核能制氢部署的政策建议。
俄罗斯积极推动先进核裂变能系统开发，保障国家能源安全。俄罗斯能源部2020年6月发布《俄罗斯2035年前能源战略》，计划实现快堆核燃料闭式循环以降低对自然环境的损害，并于2035年实现核能发电量增加270亿～450亿kW h，较2018年增长11%～20%。
1.1.2关键科技问题
实现化石能源清洁高效转化利用：重点研究含能化学键的有效活化、结构再造与能量存储新路线等关键科学问题，发展新型热力循环与高效热功转换系统、碳基能源高效催化转化、多点源污染物一体化控制等清洁低碳技术，推进化石能源利用重心由碳基燃料向碳基材料转变，实现碳基能源资源高附加值利用。
构建高比例可再生能源系统：突破可再生能源高效、低成本、规模化开发利用的关键科学问题，重点研发太阳能高效低成本光电光热转化、深海高空风电高效转化、生物质高效转化利用、多能互补与供需互动、灵活友好并网等关键核心技术，促进高比例可再生能源电力消纳与多能源载体综合利用，大幅增加可再生能源在能源生产和消费中的比例，支撑可再生能源在碳中和时代成为主体能源。
发展安全、高效、经济、可持续的先进核能系统：近中期攻克先进核裂变能燃料循环、裂变燃料增殖与嬗变及核能多用途利用等问题。瞄准长远持续推进聚变堆实验与示范，攻关磁约束聚变和惯性约束聚变核物理基础科学与关键技术问题，到21世纪中叶实现聚变商用，充分发挥核能的战略性能源作用。
推动氢和氨等新能源化学体系的建立：加快发展低碳高效的绿氢（利用可再生能源电解制氢）/氨制备、储运及利用技术，开发不同场景下基于氢/氨的新型系统概念，以氢/氨作为关键能源载体实现多种能源资源的灵活互补，并通过转化为电/热/气或作为替代原料促进多个难减排工业部门的脱碳。
1.2新型电力系统
1.2.1国际政策行动
美国能源部2020年和2021年相继启动“储能大挑战计划”和“长时储能攻关计划”，发布《国家锂电蓝图2021—2030》，旨在打造美国本土的锂电池制造价值链，在未来10年内将电网规模、长时储能成本降低90%，并依托西北太平洋国家实验室（PNNL）建立国家*电力储能研发中心。2021年发布《综合能源系统：协同研究机遇》报告，提出构建燃煤发电复合能源系统、聚光太阳能多能流系统、核能-可再生能源等多能流综合能源系统。
欧盟2017～2019年陆续建立了欧洲电池产业联盟、“电池欧洲”技术创新平台、“电池2030+”联合研究计划、电池战略研究议程，推进电池相关技术的研发工作，加速建立具有全球竞争力的欧洲电池产业。此外，欧盟自2018年以来发布一系列短、中、长期研发规划，推动发展高度融合可再生能源、深度电气化、广泛数字化、完全碳中和的泛欧综合能源系统。欧盟2021年正式启动“能源部门数字化行动计划”，以加速在能源供应、基础设施和消费部门实施数字解决方案与现代能源系统集成。
英国2021年发布智能系统与灵活性计划、能源数字化战略，提出智能和灵活的能源系统愿景，将低碳电力、热力和运输整合到能源系统中，为能源安全和向碳净零排放过渡奠定基础；提出利用数字化优化能源系统中的低碳技术（包括太阳能光伏、电动汽车和热泵），促进新的消费者服务，降低能源系统脱碳的成本。
1.2.2关键科技问题
新型低成本规模化储能：开发超越传统体系的储能新材料与新系统，研究电/热/机械能与化学能之间相互转化的规律，重点推进大规模长寿命物理储能技术应用，发展新型电化学能量储存与转化机制以变革锂离子电池为代表的储能体系，实现长寿命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型储能技术广泛应用。
多能融合智慧能源系统：攻克能源生产、输配、存储、消费等环节的多能耦合和优化互补核心科技问题，并深度融合新一代信息技术形成智慧能源新产业，保障能源利用与生态文明同步协调发展。
1.3工业过程低碳化
1.3.1国际政策行动
美国2021年2月成立新的气候创新工作组，无碳热量和工业过程成为该工作组的议程重点之一。同时，美国能源部通过Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E)变革性能源技术解决方案资助提高工业效率并实现减排的材料技术，如热回收技术及相关设备、节能高效的先进制造等。5月，美国能源部2022财年预算提出工业部门脱碳资助重点是支持依靠氢等可再生能源和燃料为工业过程提供动力的方法及碳捕集、利用与封存（carbon capture，utilizes and storage，CCUS）技术。
英国2020年以来陆续发布《绿色工业革命十点计划》《工业脱碳战略》《国家氢能战略》等涉及工业碳减排的重要战略，提出部署低成本技术、提高能源和资源效率及加快低碳技术创新是实现工业结构转变的关键。聚焦工业低碳燃料替代、CCUS及产业集群中规模化综合部署零碳解决方案等，并通过净零创新组合投资、“工业能源转型基金”、“工业战略转型基金”及工业燃料转换竞赛等多种基金和项目形式推动工业低碳技术创新与示范。
欧盟2019年12月发布《欧洲绿色协议》，提出在2030年之前在关键工业部门开发突破性技术的首批商业应用，包括氢及其他替代燃料、工业CCUS。2020年3月，欧盟《新工业战略》中提出发展工业数字技术以提高工业效率，包括数字孪生、机器人、增材制造等，并向循环经济模式过渡大幅提高工业能源和资源利用效率。欧洲过程工业协会2021年10月发布《战略研究与创新议程》，重点探索钢铁和有色金属行业生物煤与氢气替代煤炭、氢还原炼铁及基于熔融还原炼铁技术结合碳捕集与封存（carbon capture and storage，CCS)等减排技术；水泥行业重点发展替代燃料、水泥窑的电加热技术，以及开发新的熟料替代材料，远期开发电化学技术应用。
日本2020年以来陆续发布《革新环境技术创新战略》《2050碳中和绿色增长战略》，提出工业领域重点发展电气化、氢燃料、氢还原炼钢、金属塑料等循环利用、CO2循环利用等技术;提出氢还原炼钢到2030～2040年实现技术成熟，2040年开始部署。
1.3.2关键科技问题
工业燃料/原料低（零）碳化：重点研发电气化、氢、生物质或废物等低碳、零碳替代燃料工业规模化应用涉及的设备、转换、运输和储存等整套解决方案，开发和测试工业氢容器（如氢锅炉或熔炉）及工业电器（如电锅炉、窑炉等）。研究推动氢和氨在钢铁、化工行业的原料替代。
提高能源资源利用效率：重点推进利用数字技术增强材料开发和产品设计，优化制造工艺流程及管理。例如，高性能计算、增材制造；提高工业的余热回收和再利用；开发金属高效回收技术（如电弧炉回收废钢）；加强资源的全生命周期管理与利用。
绿色冶金工业过程工程：可持续、环境友好的金属精炼和冶炼的创新工艺开发，如湿法冶金、生物冶金及其颠覆性工艺流程再造；研发基于氢气和绿色电力的钢铁生产工艺；推进“直接还原-电炉”短流程新冶金技术体系，深度融合CO2低成本捕集、合成化学品等减排技术的钢化联产工艺。
可持续绿色化工材料与工艺过程：突破新的分子炼油与分子转化平台技术，推进化工转化以油品为主向高附加值的化学品、材料转型。研发适应零排放电力的新化工设备、新型高效催化剂系统和分离技术；
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