碳中和应对全球气候变化问题已经成为全球共识，但各个国家在实施过程中必然会面临环境、、资源、技术、市场、能源结构等多方面挑战。
美国夏威夷的冒纳罗亚太阳天文台（MLSO）作为全世界 CO2 浓度连续观测站，2021 年 4 月检测值高达 421.21×106 ，成为全球有记录以来的极值，且较工业化前水平高出 50%。全球大气中 CO2 含量的持续增加，对海洋生态系统中非钙化自养生物具有一定促进作用，从而可在一定程度上提升水体初级生产力，并有效增加海洋生物固碳能力。但是，海洋中 CO2 含量的持续高水平必然会对水体酸化程度及生物种群分布带来巨大的负面影响。在陆地生态系统方面，尽管高 CO2 浓度促进陆地
功能将随着各国碳中和战略的持续发力，由持续上升转为持续下降并最终趋于零。因此，全球 CO2 浓度的持续增加对海洋生态系统和陆地生态系统的影响是极其复杂的，仍有大量未知有待解决。
截至 2021 年 10 月，全球 137 个国家对实现碳中和的时间作出明确承诺；其中已立法国家只包括德国、日本、丹麦、法国、爱尔兰、西班牙等在内的 18 个国家，占比仅 13%。在碳中和立法国家中，丹麦议会在 2019 年通过了首部《气候法案》，制定了 2050 年实现净零排放的明确目标；但 2022 年哥本哈根市阿迈厄岛资源中心（Amager Resource Centre）的
和封存计划未能如期推进，该市市长索菲 安诺生在同年 8 月宣布哥本哈根暂时放弃 2025 年实现碳中和目标。德国在 2021 年通过了《联邦气候保》修订案，不仅将该国碳中和时间提前到 2045 年，还明确了不同行业的减排目标；但在国际地缘冲突和欧洲能源形势等多因素影响下，2022年 7 月德国联邦议院（下议院）通过了《可再生能源法》修订案燃煤和燃油发电机组可能重返电力市场，进而推迟了原计划 2035 年前实现 100% 可再生能源发电的目标。
在世界能源消费结构中，新能源增长速度虽已超过整体能源增长速度，但全球能源消费结构仍以化石能源为主。但是，煤炭、石油、天然气、新能源“四分天下”格局短时间内难以打破，其中 17% 的新能源占比仍处于较低水平，新能源占比的提升为能源转型带来巨大的挑战。
由于全球近地层风速和地表太阳辐射存在显著的年代际变化和区域差异，且全球气候变化也会相应影响太阳能和风能资源的分布：随着全球变暖的加剧，南半球和热带地区的平均近地风能将有所增大，而北半球中纬度地区则与之相反；随着全球变暖的加剧，以欧洲地表太阳辐射变化趋势为例，其中部和南部的太阳辐射整体增幅 5%10%，而东部和北部最大下降可达 15%。因此，全球陆地太阳能、风能等新能源分布极不均匀，具有间歇性，同时这些间歇性能源还具有时空互补性差异较大的特点 ，这给新能源的规模化发展带来了极大的挑战。
电气结构、支架结构及人工成本的变化空间较大使得光伏太阳能发电成本具有较高单价跨度；风力发电初始投资成本构成中的风机购置、工程安装及建筑工程等费用仍处于较高水平。因此，以太阳能和风能为代表的新能源发电总体的
整体仍然高于煤发电，其峰谷稳定性和调峰技术均需要进一步改革、创新。氢燃料电池是长途运输和重工业等领域电气化的最佳选择，但膜电极组件（质子交换膜、催化剂、气体扩散膜等）、双极板和氢燃料电池系统的技术成熟度仍需要重点攻关。碳捕集、利用和封存/碳捕集和封存（
技术目前表现出的高成本、高能耗特点，其技术研发仍需加强，成本能耗亟须降低。储能技术无论从规模、成本还是寿命上都不能充分满足应用的需要，其产品安全标准体系也亟待完善，其部分核心技术还处于原型阶段液流电池储能、本质安全水系锌离子电池等新型储能技术并未完全实现规模化应用。氢能、CCUS/CCS 和储能等技术规模商业化的推广应用还存在各式各样的挑战。
新能源市场逐渐由起步萌芽期向快速发展期转变，这与新能源的成本连年降低及应用便利程度不断增加密切相关。虽然，目前新能源的技术成本与化石能源相比缺乏显著竞争力，这与新能源的配套设备不足且使用不便，以及化石能源的成本优势具有密切关系；但是，伴随着新能源新兴产业链的不断完善，全球市场机遇的增加与突破性技术创新的涌现将不断凸显新能源成本优势。
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