我国低碳技术的现状和发展前景探讨

低碳技术是伴随着构建低碳经济、绿色革命的兴起提出的技术新概念，属于环境友好型技术，目前还没有一个比较权威的定义。国际能源署从环境友好技术中识别出17项关键技术，并将其命名为低碳技术[1]；蔡林海认为在能源消费和供给领域能够抑制地球变暖的技术就是低碳技术[2]；邢继俊认为低碳技术主要是指提高能源效率来稳定或减少能源需求，和减少对化石燃料依赖程度的主导的技术[3]。本文将能够减少温室气体排放的技术和无碳技术界定为低碳技术。在我国，这类低碳技术主要有提高能效技术、太阳能光伏发电、太阳能热发电、风能、二氧化碳捕集和封存(CCS)、绿色照明(LED)等。
一、我国低碳技术现状综述
技术的价值需要通过产业的发展体现，技术质量是产业持续发展的生命力。作为现代技术的一种类型，低碳技术的创新也遵循一般技术生命周期规律，要经历从基础研究、技术研发、项目示范到市场推广等几个阶段。在我国现有的低碳技术中，有的处于产品推广阶段，已初具产业规模；有的尚处于技术研发阶段，需要资金和政策支持；有的技术处于国际领先地位，正进入示范阶段，可以建立专利池予以保护；有的已经具备一定技术基础但还不掌握核心技术，处在国际低碳技术转移的中低端。总体上看，缺乏核心技术和研发力量不足是大部分低碳技术的共同特点和发展瓶颈。
(一)处于研发示范阶段的低碳技术——二氧化碳捕集和封存(CCS)技术现状
二氧化碳捕集与封存技术(Carbon Dioxide Capture and Storage，CCS)是一项集成了捕集、运输和地质埋存三个环节的系统低碳技术，整体并不成熟。其中捕集和运输技术发展较快，目前已有数座采用氨洗法从烟气中脱除大量的设备；纯氧燃烧在钢铁企业已有250MW级示范，相关的纯氧燃煤方法也正处于示范阶段(IPCC，2005；Henderson et al.，2009)；运输技术在北美已经使用了30多年，每年有超过30Mt通过美国和加拿大境内的6200公里的高压管道网络进行运输；封存方面，将注入地下盐水层是首先方式，但是由于盐水层的勘探和封存潜力尚处于探索阶段，目前的封存项目大部分是将注入油气层，以提高原油采收率(EOR)，项目主要集中在美国和加拿大[4]。
虽然CCS单元技术是现成的，但CCS全流程技术集成和规模化的问题却必须通过建设和运行不同配置的商业规模CCS装置来解决。由于集成技术和系统项目示范经验的缺乏，大多数项目还处于规划研究阶段，按照澳大利亚全球GCCSI研究所的统计，目前世界上有270个CCS项目，其中有70个达到每年封存超过100万t的商业级规模[5]，但是真正在运行的商业化项目不超过10个，并且主要集中在油气生产领域。
我国对CCS技术研究起步较晚，但发展较快。目前，国内正在实施或即将开工的CCS示范工程项目有十个(表1)，部分环节已经形成了独立的技术力量，CCS技术集成创新研发力量正在逐渐形成。有分析认为[6]，国内CCS研发存量的全要素生产率(TFP)是逐年递增的，并且增速越来越快，这种进步主要来源于两方面：第一，国内外的资金支持；第二，国内研发创新的作用，并且国内研发创新的作用略大于国外FDI的作用。

我国早期的CCS工程以国外合作示范项目为主，在FDI的支持下主要针对二氧化碳捕集技术进行示范性研究。如山东的烟台IGCC项目示范工程自从1995年启动以来，欧盟和日本陆续向中国投资了8400万美元，美国和世界环境基金会投资1500万-1800万美元；中国与欧盟签署的合作项目COACH，从2006年开始在中国计划实施CCS工程，获得了包括壳牌、BP、挪威国家石油公司等12家欧盟大型企业160万欧元的资金支持[7]；日本—中国合作强化采油CCS项目，获得了日本经济贸易工业部(Ministry of Economy，Trade，and Industry，METI)200亿-300亿日元的资金支持。上述这些与国外合作的CCS项目从国外吸收了大量的国外直接投资(FDI)，对我国的CCS技术研究和示范起到了积极的促进作用。
随着我国本土研发力量的形成，对CCS的研究与示范逐渐从单元技术扩展到全流程技术集成。与欧盟合作的COACH项目中，中国方面有清华大学、浙江大学、热物理研究所、热电力研究所、地理地质研究所和华能集团等单位参与了该项目的策划和执行过程；NZEC项目、日本—中国EOR项目和SPF项目等，中方参与了研发和项目的运作。国内第一个IGCC示范工程项目“绿色煤电计划”于2005年12月正式启动，它是由中国华能集团等9家大型国内公司共同投资组建，目的是研发和示范整体煤气化、氢生产和氢能发电以及的捕集和封存系统。2008年和2009年，中国华能集团在北京和上海的两个热电厂安装了二氧化碳捕集装置并且投产，捕集的二氧化碳主要用于食品(可乐)灌装。2010年10月神华集团“二氧化碳捕获与封存(CCS)工业化示范项目”在鄂尔多斯开工建设。这是全国第一个，也是亚洲最大规模把二氧化碳封存在盐水层的全流程CCS项目[8]。目前，这种技术只有少数国家有小规模的工业利用。这说明我国的CCS技术已经走在世界前列，如果神华集团的CCS工程顺利建成投产，那么就意味着中国将在这个领域内，跨越大半个世纪的技术积淀走到美国的前面。
(二)产业规模大，缺乏核心技术支撑——风电和太阳能光伏发电技术
我国已经成为全球领先的风机和太阳能光伏电池板的制造大国。目前六个国家①包揽了世界上几乎所有的风机制造，我国是其中之一。2010年我国风电机组34485台，装机容量44733.29MW，风电装机容量全球第一[9]，仅华锐风电科技(集团)有限公司在2010年的新增风电装机容量就位列全球第二[10]。目前我国已经形成国内风电装备制造能力，整机生产能力达到年产500万千瓦，零部件配套生产能力达到年产800万千瓦，是世界最大的风力发电机塔架出口商，2009年我国已经超越美国成为全球最大的风电市场[11]。尽管如此，中国在世界风电技术领域还未能占据领先位置。从20世纪70年代晚期开始，风电就已经成为一个全球性的产业，我国并网风电起步晚了近10年，丹麦、德国、西班牙和美国等国家的风机制造商，由于其进入行业较早而具有“先发优势”，且具备雄厚的技术实力，因此一直走在全球风电技术发展的前列。OECD欧洲国家和美国掌握着风机制造的核心技术，美国的GE等公司在新的风能技术专利上占有绝对优势，全球超过三分之一的风机由丹麦公司生产[12]。
尽管我国具 有较强的风机制造能力，产业规模大，但是技术研发和设备制造能力较弱，关键技术与主要设备仍然依靠进口。主要风机专利仍掌握在外国企业及其在华子公司手中，即，中国企业生产了大量的风电设备，但真正的技术拥有方却是外国公司(主要是OECD欧洲国家)。如，GE(申请专利为155项)，Vestas(51)，Wobben(40)等。
与风电技术类似，根据WTO(2009)报告，我国是世界最大的将太阳能转换为电能的静态变频器出口商、最大的离网光伏系统太阳能电池出口商和最大的太阳能发电系统聚光器出口商。2008年我国光伏电池产量2GW，占据了世界光伏电池的主要市场。但是，由于我国太阳能利用基础材料、关键生产设备和测试仪器长期依赖进口，生产的光伏产品95%用于出口(IEA 2010)，这种“两头在外”特征充分说明我国光伏发电产业缺乏核心技术和持续的市场支撑力，产业发展后劲不足。2003年至2006年间，我国太阳能发明专利数量增长了3倍，但我国太阳能利用技术专利仅占世界太阳能专利的8%，而且专利主要集中于太阳能热利用技术领域，企业并没有成为发明专利的真正创新主体，在世界太阳能光伏产业链中处于加工组装环节，缺乏自主创新，与世界先进水平尚有一定差距。
在培育国内光伏产品市场方面，由于源头核心技术受制于人导致的生产成本高扬，光电转换效率低下，国内对太阳能光伏技术的应用也主要集中在农村电气化和离网型太阳能光伏产品，我国并网型太阳能光伏应用市场目前还远未形成。太阳能非晶硅技术方面，我国在基础研究上和国外是同步的，但是配套技术的缺乏，使我国光伏技术的产业化发展受限。
(三)有望掌握核心技术，占据国际市场——绿色照明技术(LED)
我国LED产业发展迅速，目前我国LED产业的产量为全球第一，产值位居全球第二。有关专家预计，2011年中国LED产业产值将达到1800亿元[14]。但是产值高不代表利润大。LED产业链主要包括芯片研发生产、外延片生产、LED封装及LED应用等，前两者属于上游产业，利润约占整个LED产业的70%；后两者分别属于中游产业和下游产业，利润很低，国内LED产业集中于封装、散热器等下游应用环节，对上游的外延片、芯片两大关键领域尚没有掌握核心技术。
美国、日本、德国和中国台湾已经成为世界半导体照明产业技术水平最高的国家和地区，大部分专利技术掌握在少数大公司手中，对核心技术、技术研发/示范有很强的保护措施[13]。目前，国外LED芯片企业的产品在国内市场占有率接近100%。2010年广东省知识产权局和广东省信息产业厅联合发布的一份报告显示，美国、日本和欧洲的LED企业，拥有80%以上的LED芯片核心技术专利，而国内企业拥有的同类专利不足10%。正是由于上游产业的被垄断，外延片、芯片、封装等技术环节受到专利保护，国内LED产品生产成本一直居高不下，难以开拓国内市场，对政策扶持的依赖大，而产品市场需求不旺又使企业难以获得大量资金用于芯片研发和创新，循环往复，始终处于产业链低端。
然而，尽管欧美企业掌握了LED的一些关键技术，但是，这些核心技术目前并不成熟，如果我国政府能够对LED核心技术和装备的研发给予积极的政策和资金支持，我国完全有可能占据这一产业的科技制高点，从而摆脱“组装车间”的地位。从这个角度看，我国与发达国家在引领世界LED技术发展上面临着同样的机会。目前，一些研究机构正在积极研发相关技术，如清华同方已经形成了LED外延片、芯片制造及封装、终端产品的生产和应用，到商业及城市景观照明完整的产业链和规模化生产，并拥有LED外延及芯片制造专利近百项。根据正在编制的“十二五”半导体照明产业规划，政府计划到2015年实现LED产值翻两番的目标，在“十二五”期间，政府将对LED产业的支持力度将继续加大，除了财政补贴外，从研发到财税的一揽子政策上都会有所涉及[15]。由于我国已经在LED封装和散热器技术等方面积累了较丰富的经验，一旦掌握上游核心技术，就有可能建立系统的技术专利池，避免跨国巨头如美国Semi LEDs Corporation、荷兰Lemnis公司等庞大的专利封锁网，通过技术领先占据国际LED市场价值链的高端位置。
二、我国低碳技术发展面临的问题
整体上看，我国低碳技术的发展具有起步晚、发展快、涉及面广、关键技术少、低碳技术研发成果产业化不足等特点。作为一种新型的环境友好技术，低碳技术的研发投资规模大、技术生命周期长，具有较高的投资收益不确定性。IEA确定了62种关键低碳技术，在研究力量和资金的限制下，一个国家不可能同时对62种低碳技术进行完全的自主研发；同时，考虑到国家的产业和经济安全，也不能够全盘依赖技术转让，因此，低碳技术的发展面临着自主创新和吸收国外先进技术两条路径。我国的低碳技术发展在自主创新和技术转让方面，面临着一定的问题。
(一)产业发展超前压缩了技术创新空间
从技术/产业发展生命周期看，应该遵循由科学创新、技术攻关逐渐过渡到产品市场推广的道路，技术革新催生出新的产业，产业的发展推动科学进步，各阶段依次渐进的过程促使了科技、产业和市场的良性循环(图1)。随着产业链布局的全球化倾向以及国际分工的细化，一项技术从诞生到出现新的替代技术，很难在一个国家或地区完成其全部生命周期过程，往往是一部分科技强国主导技术创新，获取高额利润；一部分国家在缺乏核心技术或者技术尚不成熟时，参与国际新兴产业链，造成产业与技术错位发展，不得不长期处于加工制造环节。

图1　技术/产业生命周期图
资料来源：王守觉院士在2011年第三届中国科学院博士后学术年会暨新兴产业前沿与发展学术会议上的报告，2011年4月，苏州。
在这种大背景下，在有些领域，我国科学技术的发展滞后于产业的发展。在加快部署战略性新兴产业的大背景下，面对产业发展对核心技术和 装备的迫切需求，从国外引入技术和设备就成为企业家的必然选择。虽然先进技术的引入推动了我国新兴产业的快速发展，但也压缩了我国自主技术创新空间，从长远来看，这种局面不利于我国在国际低碳产业链中占据领先位置，如果没有核心技术的支撑，新兴产业仍然会成为新的低端产业。
(二)我国技术基础薄弱，缺乏配套技术和装备，不利于低碳技术系统性发展
在世界57个主要国家和地区中，2007年我国科学基础设施竞争力为世界第15位，居世界中上游行列；技术基础设施竞争力位居27位，处于世界中间水平[16]。但是，由于我国基础科学发展失衡，在材料、控制、系统集成等基础技术方面差距显著，导致在某些领域中即便出现了高端技术创新，但是由于缺乏共生技术支持，仍然不能形成系统技术，高科技成果转化困难。如，由于我国太阳能利用基础理论特别是光伏物理学科发展薄弱，使大部分光伏材料长期依赖进口，没有自主技术。从产业发展看，我国已经成为全球领先的风机和太阳能光伏电池板的制造大国，在国际低碳产品市场上占有一席之地，但是缺乏核心技术支持；目前我国部分低碳技术在世界处于领先地位。如，系列化光伏并网发电逆变器及控制系统、智能电网规划与可靠性技术、分布式储能技术等。但是，由于国内低碳技术的研发成果比较零碎，缺乏系统化和工程化，这些先进技术成果转化为现实生产力水平较低。在核心技术或相关配套技术不到位的情况下，低碳产业的发展必然受制于他国，不仅压缩了企业利润空间，也削弱了我国低碳技术自主创新的动力。
(三)成本和信息障碍
低碳技术的研发和示范需要高额的投资；同时，由于技术尚不成熟，生产成本较高，即便引进先进的低碳技术，在短时间内也难以实现商业化应用。根据IEA预测，要实现蓝图情景下的减排目标，到2050年我国在风电技术上的投资总额高达1.1万亿美元(表2)。2008年，欧洲陆上风电项目风力发电投资费用(包括风机、并网、基座、基础设施等)在145万-260万美元/兆瓦之间。在北美，投资费用的范围在140万-190万美元/兆瓦之间；中国在100万美元/兆瓦左右(全球风能理事会，2009)。根据吴昌华(2010)的研究，风电、太阳能、CCS和LED技术的商业推广都存在不同程度的成本障碍[17]。在低碳技术应用方面，以CCS技术为例，目前国内CO[,2]捕集成本最低的IGCC电厂即使能够通过强化采油(EOR)和清洁发展机制(CDM)取得收益，也不能获得净利润，常规煤粉电厂(PC)和NGCC更是入不敷出。

在技术引进过程中，由于发达国家的先进技术往往受到严格的知识产权保护，转让费用较高，即便引进也失去了商业化的意义，更何况，掌握着最先进技术的发达国家企业并没有转让新技术的动力。即使知识产权保护的问题和国内技术本地化问题得到解决，发展中国家企业获得专利许可，也不一定就能开始使用这些技术，缺乏技术开发阶段的实际经验也可能成为技术推广的障碍。隐性知识和其他相关知识(如商业秘密)往往没有申请专利，但却可能是技术有效实施必不可少的(Ockwell et al.，2009)。
三、低碳技术发展模式建议
低碳技术的创新和应用是实现社会低碳化发展的重要手段，自主创新与技术转让的完美结合能够在保持低碳产业快速发展的同时促进国内科技创新，使自主技术逐渐取代进口技术，继而占据国际领先地位，在这种情况下，国内企业才有可能从加工制造环节上升到国际低碳产业的价值链高端位置，实现产业与技术的良性循环。这就要求在设计低碳技术发展模式时，综合考虑我国自主创新和技术转让面临的有利和不利条件，提出有利于低碳技术发展的政策建议。
(一)调整扶持政策，扩大技术创新空间
在国内加快部署战略性新兴产业的大背景下，对低碳产业进行财政补贴是主要的政策扶持手段。从目前的政策对象看，大多以项目为单位进行补贴，如为快速启动国内光伏发电市场，财政部对13个城市使用节能与新能源汽车提供补贴[18]。又如，我国推出的“节能产品惠民工程”中，向购买节能产品的消费者提供每台300-850元人民币的补贴[19]。还有以行政区域为单位进行补贴的，如，国家将对100个绿色能源示范县投入46亿元的财政补贴；对纳入建筑节能试点的城市，每平方米将享受20元的政府补贴[20]。在这种情况下，财政补贴的直接受益者是地区和产业，固然对低碳经济的发展起到了推动作用，但是对科研机构和企业进行低碳技术创新没有形成直接激励。对关键核心技术的研发需要假以时日，一些地区为了快速发展低碳产业，将资金主要用于从国外引入设备和技术，对关键技术研发的投入不足。因此，建议政府对低碳经济的扶持政策重心从产业向技术转移，侧重对具有原创性的技术创新或者技术改良进行补贴，弥补我国科技研发总经费不足，激发科研机构和企业的技术创新动力，防止低碳产业发展陷入“技术空心化”的局面，只有强化企业的技术实力，才能使我国的低碳产业逐渐走出低端的“国际加工”环节。
(二)加强配套和共生技术的发展，提高低碳技术的系统性
配套技术和产业化共生技术平台对一项新技术从实验室成功过渡到市场至关重要。我国风电、太阳能光伏发电等难以真正市场化的障碍之一，就是缺乏多学科、跨领域的系统性支持，如电网建设滞后导致风电并网困难、材料科学的薄弱制约了光伏产业的发展。建议针对我国的关键低碳技术和产业制定详尽的发展路线图，对该项技术以及产业在其生命周期重要阶段所需的材料技术、配套技术和其他设备进行综合分析和前瞻性研究，有针对性地进行系统研发或国际技术合作，避免在技术形成或者成果转化过程中因为一个局部环节的不足限制了整个产业的发展。在这个过程中，要高度注意专利池的构建，从对配套技术的专利保护入手，将产业发展所需的相关专利纳入专利池，围绕核心技术形成产业技术保护环，为我国低碳技术和产业发展争取最大的空间。
(三)多角度辨识低碳技术，科学设计发展路径，解决技术、成本和信息问题
建议多角度区分低碳技术类型，根据不同类型特征和发展需求，提出相应的发展战略，解决技术、成本和信息等问题。如从国内外技术差距入手，将低碳技术分为追赶型和引领型技术。对于中国尚无完整研发支撑体系或自主研发在时间上已经无法满足产业需求的技术，而国外在这方面已经较为成熟，国内外技术成熟度差距较大的低碳技术，主 要以引进—消化—吸收为主，辅以本土化应用研究；对那些和国外先进技术几乎处于同一起跑线的技术，或者国外将来可能实行技术封锁的技术，集中力量进行核心技术的创新和研发工作，加强相关技术的专利池建设，以利于该产业的形成和发展，占据国际有利位置；对那些我国已经比较成熟，具有特色的低碳产业，如生物质发电、太阳能热发电等，未来主要侧重于技术的商业化推广；在中国与合作方都有巨大潜在市场时，科研投资过大的战略储备技术或中国有一定研究基础的技术，可将联合开发作为主要途径。
从成本和信息问题入手，可以将低碳技术分为独立技术与合作技术。对那些研发成本较低和技术转化时存在较少隐形知识和商业秘密的低碳技术，以我国独立研发为主；对那些成本高昂，或者我国在引进时存在信息障碍的技术，可以通过联合研发、鼓励这些先进技术在我国建立示范工程项目的方式，解决成本问题，突破信息障碍。目前低碳技术大部分都处于不成熟阶段，即便引进相关的技术和设备，也难以在短期内商业化，因此，争取更多的高新低碳技术的示范工程在我国执行，比引进一项技术或一台设备更具有经济和技术效益。而且，通过这种方式，我国能够可以获得项目的早期市场经验，有利于在技术扩散过程中快速消化、吸收和本土化运作。
(四)审时度势，优选低碳技术发展的制高点和切入点
低碳技术的发展战略必须考虑三个重要因素：一是本国技术水平在世界同类技术中所处的位置；二是技术应用前景；三是本国的资源优势和经济实力。我国有丰富的太阳能和风能资源，应用前景广阔，但是缺乏核心技术和配套技术，与发达国家技术水平差距较大。在这种情况下，应该扬长避短，根据我国实际情况制定技术发展战略，如投入资金研发分散式小风电上网项目，解决当地用电问题，比大风电接入电网长途输电，在当前更具可行性[21]。再如CCS项目由于成本和技术不确定性问题，没有得到足够的重视。事实上，我国以煤炭为主的一次能源结构，决定了CCS是实现我国低碳目标不可或缺的关键技术手段，中国是煤炭直接液化领域的先驱，并且在二氧化碳捕获与封存所需的组件和工艺过程的示范项目上已经取得进展，具备研发CCS技术的资源和技术基础。目前CCS技术整体上还没有在世界范围内商业运行[22]，这既是挑战也是机会，一旦CCS的全球产业体系建立起来，掌握了CCS全流程的核心集成技术就意味着占据了国际低碳市场的先机，获得巨额财富。如果我国目前能够投入资金、集中科研力量抓紧研发，充分利用技术和资源优势，可以抢占技术和产业先机，在未来全球CCS市场上占据领导地位，为全球可持续发展完成了极为重要的技术储备。