能源系统一直有两个重要的职能：一是为人类活动提供所需要的能源服务，这些服务包括电力、热力和交通移动力；二是通过能源化工，提供人类生活与生产活动所必需的原材料，如塑料、化肥和各种化纤材料。国际能源署在2018年发布的《石化行业的未来》【2】报告中指出，为人类生活提供各类必需品（塑料、化肥、包装、衣服、医疗器具、洗衣粉、汽车轮胎等碳基化合物）的石化行业已经是全球能源行业的重要组成部分，分别占全球石油消费的14%和天然气消费的8%。然而，因为它提供的是化工产业的原材料而不是能源产品，一直被能源界所忽视。同理，在讨论能源转型时，人们往往只关注能源服务部分，而忽略后者的存在。

在中国，按照杨芊【3】等测算，现代煤化工行业已经占到2020年全国煤炭消费总量的3.9%并还呈增长趋势，到2025年将提高至6.7%-6.9%。

在未来的人类发展进程中，我们不仅摆脱不了对碳的依赖，相反，随着人口的增加和生活水平的提高，人类对碳基材料与产品的需求会与日俱增。塑料是最典型的高碳化合物，也是全球使用最普遍的物资。从1950年到2015年，全球塑料产量从200万吨飙升至4.07亿吨，年均复合增长率为8.4%。截至2019年底，中国的初级塑料产品累积总量已经达到10亿吨。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系统提供，未来靠什么来替代？在能源系统低碳化的进程中，正确处理能源系统的能源服务和碳基材料两重性对于能源转型的路径设计尤为重要。

随着地球上人口的继续增长和生活水平的提高，人类对电力、热力和交通移动力这三项能源服务的需求以及对碳基化工产品的需求都在上升。碳中和的能源系统学基础是在满足这些需求的前提下，如何把能源生产、运输、转换和最终使用过程中所产生的CO2排放降到最低，且整个过程具有经济竞争力。

换言之，能源系统低碳转型的边界条件是保障能源供应安全，满足碳基化合物的需求，并且具有经济竞争力，即能源系统低碳转型不应以牺牲经济合理发展和降低人民生活福祉为代价。

从供应侧看，张映红【4】从人类文明发展的不同纪元角度，将能源转型分为代际转型（如农业文明纪元的传统可再生能源体系向工业文明纪元的化石能源体系转型）和代内转型（如化石能源体系内的煤炭时代向石油时代转型），认为目前我们正处于从工业文明纪元的化石能源体系向未来智慧文明纪元的核聚变能源体系的代际转型与化石能源体系内石油时代向天然气时代的代内转型的重叠期。对于未来有战略布局的世界主要国家而言，成功的能源结构转型就是通过新旧动能转换，在保障国家能源可持续、科技可持续、经济可持续、环境可持续、文明可持续基础上，借助新的能源优势创建更先进的能源文明，并能通达终极能源安全。

通过分析美国、德国和日本1965-2019年能源结构的变化，张映红发现，那些谋划未来战略布局的发达国家在能源转型问题上是比较谨慎的，仅将一次能源消费总量的40%～50%用于转型（美国只有50.3%的能源参与能源转型，德国只有40.6%，日本只有44%），剩下的是保障能源安全、不参与能源转型的基础能源。基础能源主要选择国家能源技术和/或能源资源控制能力较强、传统能源工业基础成熟的中低碳或零碳能源系列（例如美国的水电、石油和核能），而那些国家能源资源不足、能源获取风险高、受国际能源市场影响明显的国家，则采用笼统指标，限定用于转型的比例范围（如日本），根据国际能源市场变化趋势进行动态调整。能源转型过程中，替代方多为天然气和可再生能源，被替代方主要为煤炭、燃油发电、老化的传统核能，或比例过高的化石能源。总体上，发达国家能源转型是一国一策，根据国家的经济发展水平、产业结构特征、能源资源禀赋、能源工业基础、能源技术实力等，确定能源结构转型模式和路线。

由此可见，发达国家的能源转型也是以保障能源安全为基础的，在特定的时期选择一定比例的能源参与能源转型，而不是一股脑儿将全部的能源都投入进去。

从需求侧看，电力、热力和交通移动力这三项能源服务需求各有特色。电力从负荷到电源已经形成了高度复杂的系统。在这个系统里，各种电源与多样化负荷，中间的电网以及起着调节功能的储能设施，在现代信息通信技术的调控下，形成了相互关联的互动效应。电力来源的多样性给电力系统的去碳化提供了可能。一方面是以不排放CO2的非化石发电技术（水、核、风、光等）来替代化石能源燃烧发电，使得电源更加清洁；另一方面是对化石能源电厂所排放的CO2进行捕集、利用与封存，消除CO2过量排放产生的负面影响。前者的优势在于资源非常广泛且随着技术进步，既可依靠“电从远方来”，又可实现“电从身边取”，并且就近取电的相关成本已经大幅度下降；劣势在于分光等可再生能源能量密度低且不稳定，虽然通过储能和氢能的调节可以增加稳定性，但实现100%可再生电源供应还需时日。后者的优势在于能量密度高且可稳定运行，但需要在CCUS（碳捕捉、封存与利用）方面取得突破。

电力系统最大的挑战是如何在低碳转型过程中如何确保供应安全，特别是在分布式能源大规模接入，数字技术大量渗透，气候变化引起的极端事件越来越频繁的时代，如何保持强大的系统韧性。

在未来相当长时间内，电力系统现实可行的解决方案还在于可再生能源和化石能源的组合，两者之间取长补短，逐步实现电力系统从化石能源为主向可再生能源为主的过渡。在过渡期内，通过技术创新，或找到能够克服可再生能源劣势的新型发电技术（如小型可控核聚变），或找到可以克服化石能源CO2排放问题的新技术（如CCUS）。短时间内一步跨入100%可再生电力时代的想法既不现实，在技术经济层面也很难实现。落实中央提出的“构建以新能源为主体的新型电力系统”任务，不仅需要在技术创新方面加大投入，还需要在电力体制、商业模式和投融资机制等方面加大创新力度。

电力之外，热力和交通交通移动力也需要在满足需求的前提下，采用最经济实惠的去碳化途径。

热力需求的核心是温度要对口（有些应用也需要压力对口），高温工业过程（如发电）产生的余热完全可以是其他中低温过程所需要的热能。著名工程热物理学家吴仲华【5】结合热力学的第一和第二定律，提出的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”的能量利用16字原则，至今对于热能的循环利用还具有重要的指导意义。建筑物的暖通需求是能耗和碳排放大户，应同时做好通过“被动房”和“主动房”技术提升建筑物能效，优化建筑物用能结构。

交通领域亦需要通过电气化与氢燃料电池等技术路径，并在全社会提倡低碳出行尽可能减少燃油消费等，积极打造绿色交通体系。但需要注意的是，航空与海运领域在未来较长一段时间内，还需要液态燃料来驱动。包括生物质燃料在内的“零碳”燃料，或者说是“碳中和燃料”将扮演重要角色。

综上，从能源系统视角，可以看到从单个能源产业角度无法看到的现实，从而避免一些片面的做法。这里涉及的几个核心问题包括：

首先，由于化石能源一直担负着能量提供与材料提供的双重功能，系统分析要求我们在能量的低碳转型后，必须要为材料的供应寻找新的可行途径。基于这一点，那些认为未来社会全部由电力驱动的观点就站不住脚，100%电气化或者电力加氢能的碳中和技术路径就可能是一个战略误区。从这个角度看，中央提出“构建以新能源为主体的电力系统”，而不是“构建以新能源为主体的能源系统”，是非常科学合理的。

其次，能源低碳化转型要在保障能源安全的前提下稳妥进行，可参照发达国家的经验，在未来一定时期（如10-20年）内，将一定比例（如60%）的能源作为保障能源供应安全的基础能源，拿出剩余的部分参与能源转型，主要用可再生能源、天然气和核电来代替煤电。由于我国基本没有燃油发电，而且油气具有良好的工业基础，在核聚变工业化突破之前，石油需要力求总量稳定，为煤炭的产业转移和核能发展赢得时间和空间。天然气要稳中有升，对石油进行有序替代，确保油气行业低碳转型，最终向零碳过渡。这样分步滚动实施碳中和计划，而不是一步到位。

第三，电力、热力或交通移动力是人类生活与生产活动所需要的能量服务。对于节能减碳而言，提高“有用能量”占总消耗能量的比例，即提高能效，可以减少能源浪费，进而减少碳排放。这就要求相关技术设备在设计指标方面更加精确、严苛，尽可能提高各环节转化和传输效率，甚至可以按照有用能量的概念重新设计耗能设备，以此反推能源转化和供应系统的合理性。这就是为什么在很多耗能领域存在巨大节能空间的原因。2016年，北京国际能源专家俱乐部对杭州泵浦公司的循环水节能技术开展了评估与推广工作。按该公司介绍，我国的化工、电厂、冶金行业的循环水冷却系统普遍存在“大马拉小车”现象，80%以上的循环水系统具备15%以上的节能潜力。

第四是重视对电、热、冷等多种用能需求的集成与优化，提高能量的综合利用效率，降低碳排放。

能源系统的特征是任何一种资源都可提供多样的能源服务，而任何一种能源服务都可由不同的能源资源来提供。这就需要围绕着某一需求，或者某个客户，针对其能量需求对不同技术和资源进行集成优化、梯级利用，提升整体效率，降低碳排放和客户综合成本。并通过先进技术对各种资源进行整合，促进传统能源系统向更高效、更安全、更清洁、更智能、更协调的现代能源体系转变。

第五是重视数字技术的推广应用。当前，数字技术正在以“互联网+”为主要手段的第一阶段向以物联网、大数据、人工智能和区块链等为主要手段的第二阶段进军，更多的行业将被新的数字化浪潮重塑。数字技术作为新的生产力，可推动不同种类能源在更大范围内优化配置，构建电力、天然气、热力与互联网运营商之间互惠共赢的能源互联网生态圈，这对提高能源系统整体能效，降低CO2排放起着关键作用。建议国家在电力系统现有“能源互联网”的整体架构基础上，筹划能源化工领域数字化发展的整体架构，明确重点应用领域与试点项目。

第六是全局优化。能源系统是一个互联互通的体系，碳中和战略需要全局考虑，不能只考虑局部优化。如将数据中心这样的电耗“巨兽”转移到可再生能源富足的西部，必将导致西电东送电量减少；在内蒙古牧区“一刀切”禁止新上发电项目有可能会影响到东北和华北的电力供应。碳中和在需求侧应强化节能工作，充分开发身边的可利用资源，在供应侧还应整合各类低碳要素资源，跨领域、跨行业、跨地区进行协同、有序、稳步推进。碳中和在路径上也应多元化，而不是过分依赖某一技术路径。

此外，能源基础设施是城市基础设施的组成部分，可以通过城市规划及智慧城市建设，将水、电、通讯、交通、生活垃圾处理等城市基础设施进行集成优化，产生融合效应。