能源系統一直有兩個重要的職能：一是為人類活動提供所需要的能源服務，這些服務包括電力、熱力和交通移動力；二是通過能源化工，提供人類生活與生產活動所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。國際能源署在2018年發布的《石化行業的未來》【2】報告中指出，為人類生活提供各類必需品（塑料、化肥、包裝、衣服、醫療器具、洗衣粉、汽車輪胎等碳基化合物）的石化行業已經是全球能源行業的重要組成部分，分別占全球石油消費的14%和天然氣消費的8%。然而，因為它提供的是化工產業的原材料而不是能源產品，一直被能源界所忽視。同理，在討論能源轉型時，人們往往只關注能源服務部分，而忽略后者的存在。

在中國，按照楊芊【3】等測算，現代煤化工行業已經占到2020年全國煤炭消費總量的3.9%并還呈增長趨勢，到2025年將提高至6.7%-6.9%。

在未來的人類發展進程中，我們不僅擺脫不了對碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對碳基材料與產品的需求會與日俱增。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，全球塑料產量從200萬噸飆升至4.07億噸，年均復合增長率為8.4%。截至2019年底，中國的初級塑料產品累積總量已經達到10億噸。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系統提供，未來靠什么來替代？在能源系統低碳化的進程中，正確處理能源系統的能源服務和碳基材料兩重性對于能源轉型的路徑設計尤為重要。

隨著地球上人口的繼續增長和生活水平的提高，人類對電力、熱力和交通移動力這三項能源服務的需求以及對碳基化工產品的需求都在上升。碳中和的能源系統學基礎是在滿足這些需求的前提下，如何把能源生產、運輸、轉換和最終使用過程中所產生的CO2排放降到最低，且整個過程具有經濟競爭力。

換言之，能源系統低碳轉型的邊界條件是保障能源供應安全，滿足碳基化合物的需求，并且具有經濟競爭力，即能源系統低碳轉型不應以犧牲經濟合理發展和降低人民生活福祉為代價。

從供應側看，張映紅【4】從人類文明發展的不同紀元角度，將能源轉型分為代際轉型（如農業文明紀元的傳統可再生能源體系向工業文明紀元的化石能源體系轉型）和代內轉型（如化石能源體系內的煤炭時代向石油時代轉型），認為目前我們正處于從工業文明紀元的化石能源體系向未來智慧文明紀元的核聚變能源體系的代際轉型與化石能源體系內石油時代向天然氣時代的代內轉型的重疊期。對于未來有戰略布局的世界主要國家而言，成功的能源結構轉型就是通過新舊動能轉換，在保障國家能源可持續、科技可持續、經濟可持續、環境可持續、文明可持續基礎上，借助新的能源優勢創建更先進的能源文明，并能通達終極能源安全。

通過分析美國、德國和日本1965-2019年能源結構的變化，張映紅發現，那些謀劃未來戰略布局的發達國家在能源轉型問題上是比較謹慎的，僅將一次能源消費總量的40%～50%用于轉型（美國只有50.3%的能源參與能源轉型，德國只有40.6%，日本只有44%），剩下的是保障能源安全、不參與能源轉型的基礎能源。基礎能源主要選擇國家能源技術和/或能源資源控制能力較強、傳統能源工業基礎成熟的中低碳或零碳能源系列（例如美國的水電、石油和核能），而那些國家能源資源不足、能源獲取風險高、受國際能源市場影響明顯的國家，則采用籠統指標，限定用于轉型的比例范圍（如日本），根據國際能源市場變化趨勢進行動態調整。能源轉型過程中，替代方多為天然氣和可再生能源，被替代方主要為煤炭、燃油發電、老化的傳統核能，或比例過高的化石能源。總體上，發達國家能源轉型是一國一策，根據國家的經濟發展水平、產業結構特征、能源資源稟賦、能源工業基礎、能源技術實力等，確定能源結構轉型模式和路線。

由此可見，發達國家的能源轉型也是以保障能源安全為基礎的，在特定的時期選擇一定比例的能源參與能源轉型，而不是一股腦兒將全部的能源都投入進去。

從需求側看，電力、熱力和交通移動力這三項能源服務需求各有特色。電力從負荷到電源已經形成了高度復雜的系統。在這個系統里，各種電源與多樣化負荷，中間的電網以及起著調節功能的儲能設施，在現代信息通信技術的調控下，形成了相互關聯的互動效應。電力來源的多樣性給電力系統的去碳化提供了可能。一方面是以不排放CO2的非化石發電技術（水、核、風、光等）來替代化石能源燃燒發電，使得電源更加清潔；另一方面是對化石能源電廠所排放的CO2進行捕集、利用與封存，消除CO2過量排放產生的負面影響。前者的優勢在于資源非常廣泛且隨著技術進步，既可依靠“電從遠方來”，又可實現“電從身邊取”，并且就近取電的相關成本已經大幅度下降；劣勢在于分光等可再生能源能量密度低且不穩定，雖然通過儲能和氫能的調節可以增加穩定性，但實現100%可再生電源供應還需時日。后者的優勢在于能量密度高且可穩定運行，但需要在CCUS（碳捕捉、封存與利用）方面取得突破。

電力系統最大的挑戰是如何在低碳轉型過程中如何確保供應安全，特別是在分布式能源大規模接入，數字技術大量滲透，氣候變化引起的極端事件越來越頻繁的時代，如何保持強大的系統韌性。

在未來相當長時間內，電力系統現實可行的解決方案還在于可再生能源和化石能源的組合，兩者之間取長補短，逐步實現電力系統從化石能源為主向可再生能源為主的過渡。在過渡期內，通過技術創新，或找到能夠克服可再生能源劣勢的新型發電技術（如小型可控核聚變），或找到可以克服化石能源CO2排放問題的新技術（如CCUS）。短時間內一步跨入100%可再生電力時代的想法既不現實，在技術經濟層面也很難實現。落實中央提出的“構建以新能源為主體的新型電力系統”任務，不僅需要在技術創新方面加大投入，還需要在電力體制、商業模式和投融資機制等方面加大創新力度。

電力之外，熱力和交通交通移動力也需要在滿足需求的前提下，采用最經濟實惠的去碳化途徑。

熱力需求的核心是溫度要對口（有些應用也需要壓力對口），高溫工業過程（如發電）產生的余熱完全可以是其他中低溫過程所需要的熱能。著名工程熱物理學家吳仲華【5】結合熱力學的第一和第二定律，提出的“分配得當、各得其所、溫度對口、梯級利用”的能量利用16字原則，至今對于熱能的循環利用還具有重要的指導意義。建筑物的暖通需求是能耗和碳排放大戶，應同時做好通過“被動房”和“主動房”技術提升建筑物能效，優化建筑物用能結構。

交通領域亦需要通過電氣化與氫燃料電池等技術路徑，并在全社會提倡低碳出行盡可能減少燃油消費等，積極打造綠色交通體系。但需要注意的是，航空與海運領域在未來較長一段時間內，還需要液態燃料來驅動。包括生物質燃料在內的“零碳”燃料，或者說是“碳中和燃料”將扮演重要角色。

綜上，從能源系統視角，可以看到從單個能源產業角度無法看到的現實，從而避免一些片面的做法。這里涉及的幾個核心問題包括：

首先，由于化石能源一直擔負著能量提供與材料提供的雙重功能，系統分析要求我們在能量的低碳轉型后，必須要為材料的供應尋找新的可行途徑。基于這一點，那些認為未來社會全部由電力驅動的觀點就站不住腳，100%電氣化或者電力加氫能的碳中和技術路徑就可能是一個戰略誤區。從這個角度看，中央提出“構建以新能源為主體的電力系統”，而不是“構建以新能源為主體的能源系統”，是非常科學合理的。

其次，能源低碳化轉型要在保障能源安全的前提下穩妥進行，可參照發達國家的經驗，在未來一定時期（如10-20年）內，將一定比例（如60%）的能源作為保障能源供應安全的基礎能源，拿出剩余的部分參與能源轉型，主要用可再生能源、天然氣和核電來代替煤電。由于我國基本沒有燃油發電，而且油氣具有良好的工業基礎，在核聚變工業化突破之前，石油需要力求總量穩定，為煤炭的產業轉移和核能發展贏得時間和空間。天然氣要穩中有升，對石油進行有序替代，確保油氣行業低碳轉型，最終向零碳過渡。這樣分步滾動實施碳中和計劃，而不是一步到位。

第三，電力、熱力或交通移動力是人類生活與生產活動所需要的能量服務。對于節能減碳而言，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，進而減少碳排放。這就要求相關技術設備在設計指標方面更加精確、嚴苛，盡可能提高各環節轉化和傳輸效率，甚至可以按照有用能量的概念重新設計耗能設備，以此反推能源轉化和供應系統的合理性。這就是為什么在很多耗能領域存在巨大節能空間的原因。2016年，北京國際能源專家俱樂部對杭州泵浦公司的循環水節能技術開展了評估與推廣工作。按該公司介紹，我國的化工、電廠、冶金行業的循環水冷卻系統普遍存在“大馬拉小車”現象，80%以上的循環水系統具備15%以上的節能潛力。

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

能源系統的特征是任何一種資源都可提供多樣的能源服務，而任何一種能源服務都可由不同的能源資源來提供。這就需要圍繞著某一需求，或者某個客戶，針對其能量需求對不同技術和資源進行集成優化、梯級利用，提升整體效率，降低碳排放和客戶綜合成本。并通過先進技術對各種資源進行整合，促進傳統能源系統向更高效、更安全、更清潔、更智能、更協調的現代能源體系轉變。

第五是重視數字技術的推廣應用。當前，數字技術正在以“互聯網+”為主要手段的第一階段向以物聯網、大數據、人工智能和區塊鏈等為主要手段的第二階段進軍，更多的行業將被新的數字化浪潮重塑。數字技術作為新的生產力，可推動不同種類能源在更大范圍內優化配置，構建電力、天然氣、熱力與互聯網運營商之間互惠共贏的能源互聯網生態圈，這對提高能源系統整體能效，降低CO2排放起著關鍵作用。建議國家在電力系統現有“能源互聯網”的整體架構基礎上，籌劃能源化工領域數字化發展的整體架構，明確重點應用領域與試點項目。

第六是全局優化。能源系統是一個互聯互通的體系，碳中和戰略需要全局考慮，不能只考慮局部優化。如將數據中心這樣的電耗“巨獸”轉移到可再生能源富足的西部，必將導致西電東送電量減少；在內蒙古牧區“一刀切”禁止新上發電項目有可能會影響到東北和華北的電力供應。碳中和在需求側應強化節能工作，充分開發身邊的可利用資源，在供應側還應整合各類低碳要素資源，跨領域、跨行業、跨地區進行協同、有序、穩步推進。碳中和在路徑上也應多元化，而不是過分依賴某一技術路徑。

此外，能源基礎設施是城市基礎設施的組成部分，可以通過城市規劃及智慧城市建設，將水、電、通訊、交通、生活垃圾處理等城市基礎設施進行集成優化，產生融合效應。