能源系統(tǒng)一直有兩個(gè)重要的職能：一是為人類活動(dòng)提供所需要的能源服務(wù)，這些服務(wù)包括電力、熱力和交通移動(dòng)力；二是通過(guò)能源化工，提供人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。國(guó)際能源署在2018年發(fā)布的《石化行業(yè)的未來(lái)》【2】報(bào)告中指出，為人類生活提供各類必需品（塑料、化肥、包裝、衣服、醫(yī)療器具、洗衣粉、汽車輪胎等碳基化合物）的石化行業(yè)已經(jīng)是全球能源行業(yè)的重要組成部分，分別占全球石油消費(fèi)的14%和天然氣消費(fèi)的8%。然而，因?yàn)樗峁┑氖腔ぎa(chǎn)業(yè)的原材料而不是能源產(chǎn)品，一直被能源界所忽視。同理，在討論能源轉(zhuǎn)型時(shí)，人們往往只關(guān)注能源服務(wù)部分，而忽略后者的存在。

在中國(guó)，按照楊芊【3】等測(cè)算，現(xiàn)代煤化工行業(yè)已經(jīng)占到2020年全國(guó)煤炭消費(fèi)總量的3.9%并還呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2025年將提高至6.7%-6.9%。

在未來(lái)的人類發(fā)展進(jìn)程中，我們不僅擺脫不了對(duì)碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對(duì)碳基材料與產(chǎn)品的需求會(huì)與日俱增。塑料是最典型的高碳化合物，也是全球使用最普遍的物資。從1950年到2015年，全球塑料產(chǎn)量從200萬(wàn)噸飆升至4.07億噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4%。截至2019年底，中國(guó)的初級(jí)塑料產(chǎn)品累積總量已經(jīng)達(dá)到10億噸。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系統(tǒng)提供，未來(lái)靠什么來(lái)替代？在能源系統(tǒng)低碳化的進(jìn)程中，正確處理能源系統(tǒng)的能源服務(wù)和碳基材料兩重性對(duì)于能源轉(zhuǎn)型的路徑設(shè)計(jì)尤為重要。

隨著地球上人口的繼續(xù)增長(zhǎng)和生活水平的提高，人類對(duì)電力、熱力和交通移動(dòng)力這三項(xiàng)能源服務(wù)的需求以及對(duì)碳基化工產(chǎn)品的需求都在上升。碳中和的能源系統(tǒng)學(xué)基礎(chǔ)是在滿足這些需求的前提下，如何把能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換和最終使用過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放降到最低，且整個(gè)過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

換言之，能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的邊界條件是保障能源供應(yīng)安全，滿足碳基化合物的需求，并且具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，即能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型不應(yīng)以犧牲經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展和降低人民生活福祉為代價(jià)。

從供應(yīng)側(cè)看，張映紅【4】從人類文明發(fā)展的不同紀(jì)元角度，將能源轉(zhuǎn)型分為代際轉(zhuǎn)型（如農(nóng)業(yè)文明紀(jì)元的傳統(tǒng)可再生能源體系向工業(yè)文明紀(jì)元的化石能源體系轉(zhuǎn)型）和代內(nèi)轉(zhuǎn)型（如化石能源體系內(nèi)的煤炭時(shí)代向石油時(shí)代轉(zhuǎn)型），認(rèn)為目前我們正處于從工業(yè)文明紀(jì)元的化石能源體系向未來(lái)智慧文明紀(jì)元的核聚變能源體系的代際轉(zhuǎn)型與化石能源體系內(nèi)石油時(shí)代向天然氣時(shí)代的代內(nèi)轉(zhuǎn)型的重疊期。對(duì)于未來(lái)有戰(zhàn)略布局的世界主要國(guó)家而言，成功的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型就是通過(guò)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，在保障國(guó)家能源可持續(xù)、科技可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、環(huán)境可持續(xù)、文明可持續(xù)基礎(chǔ)上，借助新的能源優(yōu)勢(shì)創(chuàng)建更先進(jìn)的能源文明，并能通達(dá)終極能源安全。

通過(guò)分析美國(guó)、德國(guó)和日本1965-2019年能源結(jié)構(gòu)的變化，張映紅發(fā)現(xiàn)，那些謀劃未來(lái)戰(zhàn)略布局的發(fā)達(dá)國(guó)家在能源轉(zhuǎn)型問(wèn)題上是比較謹(jǐn)慎的，僅將一次能源消費(fèi)總量的40%～50%用于轉(zhuǎn)型（美國(guó)只有50.3%的能源參與能源轉(zhuǎn)型，德國(guó)只有40.6%，日本只有44%），剩下的是保障能源安全、不參與能源轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)能源?；A(chǔ)能源主要選擇國(guó)家能源技術(shù)和/或能源資源控制能力較強(qiáng)、傳統(tǒng)能源工業(yè)基礎(chǔ)成熟的中低碳或零碳能源系列（例如美國(guó)的水電、石油和核能），而那些國(guó)家能源資源不足、能源獲取風(fēng)險(xiǎn)高、受國(guó)際能源市場(chǎng)影響明顯的國(guó)家，則采用籠統(tǒng)指標(biāo)，限定用于轉(zhuǎn)型的比例范圍（如日本），根據(jù)國(guó)際能源市場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，替代方多為天然氣和可再生能源，被替代方主要為煤炭、燃油發(fā)電、老化的傳統(tǒng)核能，或比例過(guò)高的化石能源。總體上，發(fā)達(dá)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型是一國(guó)一策，根據(jù)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征、能源資源稟賦、能源工業(yè)基礎(chǔ)、能源技術(shù)實(shí)力等，確定能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模式和路線。

由此可見，發(fā)達(dá)國(guó)家的能源轉(zhuǎn)型也是以保障能源安全為基礎(chǔ)的，在特定的時(shí)期選擇一定比例的能源參與能源轉(zhuǎn)型，而不是一股腦兒將全部的能源都投入進(jìn)去。

從需求側(cè)看，電力、熱力和交通移動(dòng)力這三項(xiàng)能源服務(wù)需求各有特色。電力從負(fù)荷到電源已經(jīng)形成了高度復(fù)雜的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里，各種電源與多樣化負(fù)荷，中間的電網(wǎng)以及起著調(diào)節(jié)功能的儲(chǔ)能設(shè)施，在現(xiàn)代信息通信技術(shù)的調(diào)控下，形成了相互關(guān)聯(lián)的互動(dòng)效應(yīng)。電力來(lái)源的多樣性給電力系統(tǒng)的去碳化提供了可能。一方面是以不排放CO2的非化石發(fā)電技術(shù)（水、核、風(fēng)、光等）來(lái)替代化石能源燃燒發(fā)電，使得電源更加清潔；另一方面是對(duì)化石能源電廠所排放的CO2進(jìn)行捕集、利用與封存，消除CO2過(guò)量排放產(chǎn)生的負(fù)面影響。前者的優(yōu)勢(shì)在于資源非常廣泛且隨著技術(shù)進(jìn)步，既可依靠“電從遠(yuǎn)方來(lái)”，又可實(shí)現(xiàn)“電從身邊取”，并且就近取電的相關(guān)成本已經(jīng)大幅度下降；劣勢(shì)在于分光等可再生能源能量密度低且不穩(wěn)定，雖然通過(guò)儲(chǔ)能和氫能的調(diào)節(jié)可以增加穩(wěn)定性，但實(shí)現(xiàn)100%可再生電源供應(yīng)還需時(shí)日。后者的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高且可穩(wěn)定運(yùn)行，但需要在CCUS（碳捕捉、封存與利用）方面取得突破。

電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是如何在低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中如何確保供應(yīng)安全，特別是在分布式能源大規(guī)模接入，數(shù)字技術(shù)大量滲透，氣候變化引起的極端事件越來(lái)越頻繁的時(shí)代，如何保持強(qiáng)大的系統(tǒng)韌性。

在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)可行的解決方案還在于可再生能源和化石能源的組合，兩者之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，逐步實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)從化石能源為主向可再生能源為主的過(guò)渡。在過(guò)渡期內(nèi)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，或找到能夠克服可再生能源劣勢(shì)的新型發(fā)電技術(shù)（如小型可控核聚變），或找到可以克服化石能源CO2排放問(wèn)題的新技術(shù)（如CCUS）。短時(shí)間內(nèi)一步跨入100%可再生電力時(shí)代的想法既不現(xiàn)實(shí)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面也很難實(shí)現(xiàn)。落實(shí)中央提出的“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”任務(wù)，不僅需要在技術(shù)創(chuàng)新方面加大投入，還需要在電力體制、商業(yè)模式和投融資機(jī)制等方面加大創(chuàng)新力度。

電力之外，熱力和交通交通移動(dòng)力也需要在滿足需求的前提下，采用最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的去碳化途徑。

熱力需求的核心是溫度要對(duì)口（有些應(yīng)用也需要壓力對(duì)口），高溫工業(yè)過(guò)程（如發(fā)電）產(chǎn)生的余熱完全可以是其他中低溫過(guò)程所需要的熱能。著名工程熱物理學(xué)家吳仲華【5】結(jié)合熱力學(xué)的第一和第二定律，提出的“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的能量利用16字原則，至今對(duì)于熱能的循環(huán)利用還具有重要的指導(dǎo)意義。建筑物的暖通需求是能耗和碳排放大戶，應(yīng)同時(shí)做好通過(guò)“被動(dòng)房”和“主動(dòng)房”技術(shù)提升建筑物能效，優(yōu)化建筑物用能結(jié)構(gòu)。

交通領(lǐng)域亦需要通過(guò)電氣化與氫燃料電池等技術(shù)路徑，并在全社會(huì)提倡低碳出行盡可能減少燃油消費(fèi)等，積極打造綠色交通體系。但需要注意的是，航空與海運(yùn)領(lǐng)域在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，還需要液態(tài)燃料來(lái)驅(qū)動(dòng)。包括生物質(zhì)燃料在內(nèi)的“零碳”燃料，或者說(shuō)是“碳中和燃料”將扮演重要角色。

綜上，從能源系統(tǒng)視角，可以看到從單個(gè)能源產(chǎn)業(yè)角度無(wú)法看到的現(xiàn)實(shí)，從而避免一些片面的做法。這里涉及的幾個(gè)核心問(wèn)題包括：

首先，由于化石能源一直擔(dān)負(fù)著能量提供與材料提供的雙重功能，系統(tǒng)分析要求我們?cè)谀芰康牡吞嫁D(zhuǎn)型后，必須要為材料的供應(yīng)尋找新的可行途徑?；谶@一點(diǎn)，那些認(rèn)為未來(lái)社會(huì)全部由電力驅(qū)動(dòng)的觀點(diǎn)就站不住腳，100%電氣化或者電力加氫能的碳中和技術(shù)路徑就可能是一個(gè)戰(zhàn)略誤區(qū)。從這個(gè)角度看，中央提出“構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)”，而不是“構(gòu)建以新能源為主體的能源系統(tǒng)”，是非常科學(xué)合理的。

其次，能源低碳化轉(zhuǎn)型要在保障能源安全的前提下穩(wěn)妥進(jìn)行，可參照發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在未來(lái)一定時(shí)期（如10-20年）內(nèi)，將一定比例（如60%）的能源作為保障能源供應(yīng)安全的基礎(chǔ)能源，拿出剩余的部分參與能源轉(zhuǎn)型，主要用可再生能源、天然氣和核電來(lái)代替煤電。由于我國(guó)基本沒(méi)有燃油發(fā)電，而且油氣具有良好的工業(yè)基礎(chǔ)，在核聚變工業(yè)化突破之前，石油需要力求總量穩(wěn)定，為煤炭的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和核能發(fā)展贏得時(shí)間和空間。天然氣要穩(wěn)中有升，對(duì)石油進(jìn)行有序替代，確保油氣行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，最終向零碳過(guò)渡。這樣分步滾動(dòng)實(shí)施碳中和計(jì)劃，而不是一步到位。

第三，電力、熱力或交通移動(dòng)力是人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)所需要的能量服務(wù)。對(duì)于節(jié)能減碳而言，提高“有用能量”占總消耗能量的比例，即提高能效，可以減少能源浪費(fèi)，進(jìn)而減少碳排放。這就要求相關(guān)技術(shù)設(shè)備在設(shè)計(jì)指標(biāo)方面更加精確、嚴(yán)苛，盡可能提高各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化和傳輸效率，甚至可以按照有用能量的概念重新設(shè)計(jì)耗能設(shè)備，以此反推能源轉(zhuǎn)化和供應(yīng)系統(tǒng)的合理性。這就是為什么在很多耗能領(lǐng)域存在巨大節(jié)能空間的原因。2016年，北京國(guó)際能源專家俱樂(lè)部對(duì)杭州泵浦公司的循環(huán)水節(jié)能技術(shù)開展了評(píng)估與推廣工作。按該公司介紹，我國(guó)的化工、電廠、冶金行業(yè)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，80%以上的循環(huán)水系統(tǒng)具備15%以上的節(jié)能潛力。

第四是重視對(duì)電、熱、冷等多種用能需求的集成與優(yōu)化，提高能量的綜合利用效率，降低碳排放。

能源系統(tǒng)的特征是任何一種資源都可提供多樣的能源服務(wù)，而任何一種能源服務(wù)都可由不同的能源資源來(lái)提供。這就需要圍繞著某一需求，或者某個(gè)客戶，針對(duì)其能量需求對(duì)不同技術(shù)和資源進(jìn)行集成優(yōu)化、梯級(jí)利用，提升整體效率，降低碳排放和客戶綜合成本。并通過(guò)先進(jìn)技術(shù)對(duì)各種資源進(jìn)行整合，促進(jìn)傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向更高效、更安全、更清潔、更智能、更協(xié)調(diào)的現(xiàn)代能源體系轉(zhuǎn)變。

第五是重視數(shù)字技術(shù)的推廣應(yīng)用。當(dāng)前，數(shù)字技術(shù)正在以“互聯(lián)網(wǎng)+”為主要手段的第一階段向以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和區(qū)塊鏈等為主要手段的第二階段進(jìn)軍，更多的行業(yè)將被新的數(shù)字化浪潮重塑。數(shù)字技術(shù)作為新的生產(chǎn)力，可推動(dòng)不同種類能源在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置，構(gòu)建電力、天然氣、熱力與互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商之間互惠共贏的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，這對(duì)提高能源系統(tǒng)整體能效，降低CO2排放起著關(guān)鍵作用。建議國(guó)家在電力系統(tǒng)現(xiàn)有“能源互聯(lián)網(wǎng)”的整體架構(gòu)基礎(chǔ)上，籌劃能源化工領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展的整體架構(gòu)，明確重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域與試點(diǎn)項(xiàng)目。

第六是全局優(yōu)化。能源系統(tǒng)是一個(gè)互聯(lián)互通的體系，碳中和戰(zhàn)略需要全局考慮，不能只考慮局部?jī)?yōu)化。如將數(shù)據(jù)中心這樣的電耗“巨獸”轉(zhuǎn)移到可再生能源富足的西部，必將導(dǎo)致西電東送電量減少；在內(nèi)蒙古牧區(qū)“一刀切”禁止新上發(fā)電項(xiàng)目有可能會(huì)影響到東北和華北的電力供應(yīng)。碳中和在需求側(cè)應(yīng)強(qiáng)化節(jié)能工作，充分開發(fā)身邊的可利用資源，在供應(yīng)側(cè)還應(yīng)整合各類低碳要素資源，跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨地區(qū)進(jìn)行協(xié)同、有序、穩(wěn)步推進(jìn)。碳中和在路徑上也應(yīng)多元化，而不是過(guò)分依賴某一技術(shù)路徑。

此外，能源基礎(chǔ)設(shè)施是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，可以通過(guò)城市規(guī)劃及智慧城市建設(shè)，將水、電、通訊、交通、生活垃圾處理等城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行集成優(yōu)化，產(chǎn)生融合效應(yīng)。