本书以绿色为主线，重点强调绿色思维与绿色理念。从太阳光、光合作用、能源、能量出发，阐述了碳中和的基本概念，对能源、能量与碳循环的关系进行了讨论；从管理、技术、经济、工程应用与人才培养等方面，对碳中和的实现进行了综合分析和阐述。首先，介绍了双碳目标的发展现状、实现路径和发展趋势；其次，重点阐述了降碳、零碳、负碳技术和绿色经济，并介绍了典型工程应用案例；最后，对碳中和人才需求和人才培养进行了论述。 　　本书内容丰富、设计新颖，采用主册与副册相结合的新型教材设计模式，力争实现因材施教，适合不同专业背景的学生开展个性化学习。 　　本书既可作为碳中和相关专业研究生、本科生、高职学生的先导课程教材，又可作为非碳中和相关专业学生的通识课程教材，也可作为中小学教师和干部培训的教科书，还可供有关专业人员和管理干部参考。

本书立足于坚持绿色低碳，建设一个清洁美丽的世界，面向碳中和人才培养的实际需求，深入浅出地介绍了碳中和的发展与未来，立体化展现了碳中和工程的体系结构与关键技术；在内容安排和形式呈现上兼顾不同读者的需求，是具有创新性的通识课程《碳中和导论》教材，也是全民碳中和科普书。

习近平总书记在党的二十大报告中指出：实现碳达峰碳中和是一场广泛
而深刻的经济社会系统性变革。应对全球气候变化已成为国际社会的共识，
碳中和是人类史无前例的一场自我革命。双碳目标是一项长期、复杂的系
统工程，将从根本上改变我们每个人的生产、生活、消费和思维方式，对社
会的方方面面产生深远的影响和重大变革。
为深入贯彻《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》等文件精神，落实《绿色低碳发展国民教
育体系建设实施方案》和《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工
作方案》等文件要求，在清华大学出版社策划组织下，《碳中和导论》教材编
写组特编写本教材。
实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，对加强新
时代各类人才培养提出了新要求。多措并举培养践行绿色低碳理念、适应绿
色低碳社会、引领绿色低碳发展的新时代人才，发挥好教育系统人才培养、
科学研究、社会服务、文化传承的优势，为实现碳达峰碳中和目标做出教育
行业的特有贡献。
加强绿色低碳教育，推动专业转型升级，加快急需紧缺人才培养，深化产
教融合协同育人，提升人才培养和科技攻关能力，加强师资队伍建设，推进
国际交流与合作，为实现碳达峰碳中和目标提供坚强的人才保障和智力支持。
本书以绿色为主线，重点强调绿色思维与绿色理念。全书由崔世钢
负责总体设计，共分九章。
第1 章由崔世钢编写。万物生长靠太阳，本章从太阳出发，对物质、能量与能源的关
系，能源与社会发展的关系进行分析；以绿色为中心，强调绿色思维和绿色理念，重
点突出绿色低碳发展的重要性和长远意义；统领本书对双碳是什么、为什么、怎么办
展开介绍，内容层层递进，是全书的内容提要及概述。
第2 章由张永立编写。首先，介绍了能源的分类与绿色能源的内涵，着重从宏观到微
观的角度，基于热力学基本原理和物理学基础理论，分析了能源品质与能效的关系，并提
出了按能源品质的分类方法。其次，介绍了绿色能源利用技术的发展过程与现状，并针对
太阳能、风能、水能、核能及其他能源的发展及其关键技术分别进行了较为详细的介绍。
第3 章由杜志强编写。本章主要介绍在保障能源安全的前提下，随着越来越多绿色能
源发电接入，新型电力系统逐步完善并呈现出更多的绿色，最终发展为绿色电力系统。
内容主要围绕建设绿色电力系统的关键技术展开，包括电网新技术、能源高效利用技术及
绿色电力系统市场机制等。
第4 章由杜志强编写。本章主要包括两方面内容：储能技术和绿色燃料。第一部分从
能量储存和转化出发，介绍了绿色电力系统的建设过程、从发电端到能源消耗端储能技术
的发展及应用，主要包括抽水储能技术、储热技术及新型电力储能技术；第二部分以氢燃
料和氢储能为中心，对绿色燃料的发展与应用做了介绍，主要包括绿氢技术、绿氨技术及
绿氢、绿氨与绿电生态体系。
第5 章由李欣颀编写。本章主要以清除碳排放的多余存量为出发点，讲述了碳捕集、
利用与封存（CCUS）技术和生物固碳技术。CCUS 技术通过燃烧前捕集、燃烧后捕集、富
氧化捕集和化学链捕集等方式，将CO2 从工业生产过程或直接从空气中捕捉出来，经分离、
提纯后，在生物、化工、能源开采等领域循环再利用或直接封存到地下，是一种人工负碳
技术。而在自然界的碳循环中，同样可以通过海洋固碳、陆地固碳等生物固碳技术，充分
利用自然界的内在调节机制，实现CO2 大规模绿色减排。
第6 章由张永立编写。本章分析了节能减碳的本质及其在国民经济发展和现代文明建
设中的重要性。节能减碳的主要内容是节约和提高能效，着重分析了能效提升的两个重要
内容，即能源转化效率和能量利用效率。由于节能减碳涉及的领域极其广泛，难以尽述，
因此，本章主要从化石能源的开发利用与二次能源及能量的利用两个方面，介绍了与工业、
农业、服务业等息息相关的一些关键技术，包括节煤、节油、节气、节电，以及综合能源
管理等方面的节能技术。
第7 章由崔世钢编写。本章主要介绍碳中和的绿色经济手段。首先介绍了促进碳中和
的主要经济手段碳市场、碳税、碳汇及绿色电力交易的基础知识；然后，分别介绍了
全球和中国碳市场的发展历程及绿色金融发展现状。最后，根据绿色评价指标，给出了一
种综合性多元化的绿色评价参考标准。本章既包含绿色经济相关理论知识，又提供了具有
可操作性的绿色评价量化参考标准。
第8 章由李云梅、孟宪阳、皮琳琳、薛利晨、赵元元编写。本章选取国内外四个碳中
和工程典型案例，分别是国内首个碳中和小镇中新天津生态城智慧能源小镇、国内首
个碳中和园区金风科技亦庄智慧园区、首个碳中和奥运会北京2022 冬奥会赛事工
程和首届碳中和世界杯卡塔尔赛事工程。四个案例均坚持绿色发展理念, 采用了多种技
术综合应用，多项措施并举实现碳中和目标。
第9 章由崔世钢、李欣颀编写。本章主要介绍碳中和人才需求、培养及就业。在绿色
低碳发展下，国家将碳达峰碳中和纳入经济社会发展全局，绿色能源及相关绿色产业获得
极大的发展机遇，其相关岗位需求大幅增加，产业需求的变化和技术的变革也带来了人才
需求规格、层次的变化。本章在阐述现阶段碳中和人才需求的转变的基础上，首先介绍了
国内外碳中和人才的培养现状；然后，根据我国碳中和相关岗位人才需求制定了碳中和相
关专业（学科）群人才培养方案；最后，分析了碳中和相关领域（涵盖理、工、农、经、
管、法多个学科门类）的职业发展、人才就业及升学情况。
参加编写工作的研究生有：杨梦玉、蔡兴宗、陈子川、李云飞、孙晨、石兰婷、王晓莉、
孙玉豪、苏继平、李梦婕、索美霞、彭岩超、曲新悦、李小林、邢淼洁、陈扶玺、李学慧、
袁锐舰等。
双碳目标的实现是推动我国经济社会高质量发展的重要路径，也是构建人类命运共
同体、促进人类社会可持续发展的必由之路。
鉴于首次编写《碳中和导论》教材，加之碳中和相关内容具有覆盖面广、战线长、技
术创新迭代快等特点，同时介于编著者知识、能力、视野及认识水平的局限性，教材的内
容和呈现方式距离社会的期待还有差距。但考虑到双碳目标发展对人才需求和人才培
养迫切需求导论教材，所以我们决定抛砖引玉，尽早补上这一空缺。真诚期望各位专家和
读者在使用过程中提出宝贵意见，以便再版时更新和完善。
教材编写组
2023 年9 月

崔世钢 二级教授，工学博士，博士生导师，中国科学院半导体研究所-信息传感与智能控制产学研联合实验室副主任。长期从事机器人与人工智能、半导体能源应用、科学技术哲学等方面的科研和教学工作。主持完成国家863计划、国家自然科学基金等十余项。获省部级科技进步奖七项；国家教学成果一等奖一项，天津市教学成果奖三项。
曾任天津市信息传感与智能控制重点实验室主任，天津市控制科学与工程一级重点学科带头人。第42届世界技能大赛移动机器人项目中国技术指导专家组组长，科技部生产力促进中心协会服务机器人专委会副主任。第二届基础教育课程教材专家工作委员会委员。政协天津市第十三届委员会委员，民革天津市第十二、十三届委员会常委，第二届天津市高校教学名师，享受国务院政府特殊津贴。

1.1　太阳光、能源与碳循环　/ 2
1.1.1　万物生长靠太阳　/ 2
1.1.2　太阳能源之源　/ 3
1.1.3　能源与碳循环　/ 4
1.1.4　能源利用技术进步是人类文明和社会进步的梯级　/ 6
1.2　碳达峰碳中和概述　/ 10
1.2.1　气候变化及应对策略　/ 10
1.2.2　碳中和的本质与绿色思维　/ 12
1.2.3　碳中和工程与绿色能源　/ 13
1.3　碳达峰碳中和的发展现状　/ 15
1.3.1　全球碳中和进展　/ 15
1.3.2　中国碳中和发展现状　/ 16
1.4　碳中和的实现路径和发展方向　/ 19
1.4.1　中国的碳中和策略　/ 20
1.4.2　实现双碳目标的技术路径　/ 21
1.4.3　绿色理念与公众生活　/ 22
1.4.4　碳中和未来发展方向　/ 23
1.5　本书内容提要　/ 24
思考题　/ 25
第1 章
绪　论
1
>>> 碳中和导论 主册
C H A P T E R 2
2.1　概述　/ 28
2.1.1　能源利用与分类　/ 28
2.1.2　能源的品质及其分类　/ 29
2.1.3　能源利用与生态文明　/ 34
2.1.4　绿色能源的发展　/ 35
2.2　光伏发电技术　/ 35
2.2.1　太阳能电池原理与分类　/ 36
2.2.2　太阳能电池制造关键技术　/ 38
2.2.3　太阳能光伏发电系统　/ 40
2.2.4　光伏技术的机遇与挑战　/ 42
2.3　风力发电技术　/ 42
2.3.1　风力发电设备和技术　/ 43
2.3.2　风力发电的运维与回收技术　/ 47
2.3.3　其他风能技术　/ 47
2.3.4　风能技术的机遇与挑战　/ 48
2.4　水力发电技术　/ 49
2.4.1　水力发电的特点　/ 49
2.4.2　水资源的开发利用技术　/ 51
2.4.3　水力发电关键技术　/ 51
2.4.4　水力发电机遇与挑战　/ 53
2.5　核能发电技术　/ 53
2.5.1　核能发电的基本原理　/ 53
2.5.2　核反应堆类型　/ 54
2.5.3　核能利用的关键技术　/ 54
2.5.4　核能利用的机遇与挑战　/ 56
2.6　其他绿色能源技术　/ 56
2.6.1　太阳能光热技术　/ 57
2.6.2　海洋能及相关技术　/ 60
2.6.3　地热能及相关技术　/ 63
2.6.4　其他能源技术的机遇与挑战　/ 65
2.7　绿色能源的互补利用　/ 65
2.7.1　绿色能源转型的必要性　/ 65
2.7.2　构建智能化绿色能源综合体系　/ 66
思考题　/ 67
第2 章
绿色
能源
27
VII
>>> 目　录
C H A P T E R 3
3.1　概述　/ 70
3.2　绿色电力系统关键技术　/ 70
3.2.1　绿色电力系统概念　/ 70
3.2.2　传统电力系统的特征与面临的挑战　/ 72
3.2.3　大力发展储能技术在绿色电力系统中的战略意义　/ 75
3.2.4　火电转型升级　/ 78
3.2.5　关键技术　/ 80
3.2.6　安全保障机制　/ 81
3.3　电网新技术　/ 84
3.3.1　先进输电网技术　/ 84
3.3.2　先进配电网技术　/ 87
3.4　能源高效利用技术　/ 90
3.4.1　电能生产消费融合互动技术　/ 90
3.4.2　多能源低碳供能技术　/ 92
3.4.3　消费终端电气化替代技术　/ 93
3.5　绿色电力系统市场机制　/ 94
3.5.1　电力市场发展路径　/ 94
3.5.2　电碳协同电力市场机制　/ 95
3.5.3　绿色电力交易　/ 96
思考题　/ 97
第3 章
绿色电力
系统
69
C H A P T E R 4
4.1　概述　/ 100
4.1.1　能量的储存与转化　/ 100
4.1.2　储能技术的分类与应用　/ 101
4.2　抽水储能技术　/ 102
4.2.1　抽水储能发展概述　/ 102
4.2.2　抽水储能原理　/ 102
4.2.3　抽水储能的主要功能　/ 103
4.2.4　抽水储能机遇与挑战　/ 104
第4 章
储能技
术与绿
色燃料
99
VIII
>>> 碳中和导论 主册
C H A P T E R 5
5.1　概述　/ 128
5.2　碳捕集技术　/ 130
5.2.1　什么时候捕集二氧化碳　/ 130
5.2.2　如何捕集二氧化碳　/ 133
5.3　二氧化碳利用与封存技术　/ 135
5.3.1　生物利用　/ 135
5.3.2　化工利用　/ 136
5.3.3　物理利用与封存　/ 138
5.4　生物固碳　/ 144
5.4.1　海洋固碳　/ 144
5.4.2　陆地固碳　/ 145
思考题　/ 148
第5 章
负碳
技术
127
4.3　储热技术　/ 105
4.3.1　储热技术发展概述　/ 105
4.3.2　储热技术的分类和基本原理　/ 106
4.3.3　电热储能　/ 107
4.3.4　储热技术的机遇与挑战　/ 107
4.4　新型电力储能技术　/ 107
4.4.1　新型电力储能技术概述　/ 108
4.4.2　基本工作原理　/ 108
4.4.3　发展趋势及拟突破的关键技术　/ 112
4.4.4　新型电力储能技术比较　/ 115
4.5　绿色燃料　/ 116
4.5.1　绿氢技术　/ 117
4.5.2　绿氨技术　/ 123
4.5.3　绿氢、绿氨与绿电生态体系　/ 124
思考题　/ 126
IX
>>> 目　录
C H A P T E R 6
6.1　概述　/ 150
6.2　化石能源节能减碳技术　/ 151
6.2.1　煤炭的节能减碳技术　/ 151
6.2.2　石油的节能减碳技术　/ 153
6.2.3　天然气的节能减碳技术　/ 156
6.2.4　其他节能增效技术　/ 158
6.2.5　工艺改造与节能意识　/ 160
6.3　能量利用的节能减碳技术　/ 160
6.3.1　节电技术　/ 160
6.3.2　节油技术　/ 165
6.3.3　节气技术 　/ 168
6.4　综合能源管理节能技术　/ 168
6.4.1　信息与通信技术　/ 169
6.4.2　综合能源管理系统　/ 169
6.4.3　能源路由器　/ 170
思考题　/ 171
第6 章
节能减
碳技术
149
C H A P T E R 7
7.1　概述　/ 174
7.1.1　碳交易市场　/ 175
7.1.2　碳税和碳关税　/ 177
7.1.3　碳汇　/ 178
7.1.4　绿色电力交易　/ 180
7.2　全球碳市场的现状与发展趋势　/ 181
7.2.1　全球碳市场的现状　/ 181
7.2.2　全球碳市场的发展趋势　/ 183
7.3　中国碳市场的现状与发展趋势　/ 184
7.3.1　中国碳市场的现状　/ 184
7.3.2　中国碳市场的发展趋势　/ 187
7.4　绿色金融　/ 188
第7 章
绿色
经济
173
X
>>> 碳中和导论 主册
C H A P T E R 8
8.1　国内首个碳中和小镇中新天津生态城智慧能源小镇　/ 196
8.1.1　绿色能源技术应用　/ 197
8.1.2　绿色电力技术应用　/ 199
8.1.3　节能减碳技术应用　/ 202
8.1.4　负碳技术应用　/ 204
8.1.5　零碳示范单元标准体系　/ 204
8.1.6　小结　/ 205
8.2　国内首个碳中和园区金风科技亦庄智慧园区　/ 205
8.2.1　绿色能源技术应用　/ 206
8.2.2　绿色电力技术应用　/ 208
8.2.3　节能减碳技术应用　/ 208
8.2.4　绿色经济运行　/ 210
8.2.5　小结　/ 210
8.3　首个碳中和奥运会北京2022 冬奥会赛事工程　/ 210
8.3.1　绿色能源技术应用　/ 211
8.3.2　节能减碳技术应用　/ 214
8.3.3　负碳技术应用　/ 217
8.3.4　绿色经济运行　/ 218
8.3.5　小结　/ 219
8.4　首届碳中和世界杯卡塔尔赛事工程　/ 219
8.4.1　绿色能源技术应用　/ 220
8.4.2　节能减碳技术应用　/ 221
8.4.3　负碳技术应用　/ 225
8.4.4　碳汇经济实施　/ 225
8.4.5　小结　/ 226
8.5　总结　/ 227
第8 章
碳中和工
程典型应
用案例
195
7.5　绿色评价　/ 190
7.5.1　概述　/ 190
7.5.2　绿色量化评价　/ 190
7.5.3　绿色评价应用举例　/ 193
思考题　/ 194
XI
>>> 目　录
C H A P T E R 9
9.1　碳中和人才需求　/ 230
9.1.1　能源行业发展对碳中和人才需求　/ 230
9.1.2　碳中和相关人才需求　/ 231
9.2　碳中和人才培养　/ 232
9.2.1　碳中和人才培养现状　/ 232
9.2.2　碳中和人才培养特点和课程体系　/ 233
9.3　碳中和人才就业　/ 237
第9 章
碳中和人
才需求与
人才培养
229
参考文献　/ 239