丁仲禮院士:碳中和的基本邏輯和技術需求

2020年9月,國家主席習近平代表我國向世界作出莊嚴承諾:我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。自此之后,我國各地掀起一股爭取實現“雙碳”目標的熱潮,并為此做了大量人力和物力的投入。


這表明我國上上下下對這個“雙碳”目標的態度是十分嚴肅的,國際社會應該對我們這個“需要在不長時期內作出世上規模最大的碳減排”的國家有充分信心。


但同時我們自己也應深刻認識到:根據我們國家的能源資源稟賦以及目前所處的發展階段,要真正在2060年前實現碳中和,困難非比尋常。這里面最大的困難是我們尚沒有全面支持從“高碳社會”向“碳中和社會”轉型的技術體系,因而綠色低碳的產業體系還需要在研發大量新技術的基礎上才能逐步得到發展和確立。


中國科學院在習近平主席宣布“雙碳”目標后,設立了一個大型咨詢項目,組織百余位來自多個學部的院士和專家,著重就我國實現碳中和需要形成一個什么樣的技術體系這一問題,做了“清單式”的研究,并形成了專門報告和著作。


本文將以這個研究為依據,從碳中和的概念和邏輯入手,重點介紹完成碳中和的“技術需求清單”,并在此基礎上討論幾個公眾比較關心的問題。



一、碳中和的概念

碳中和應從碳排放(碳源)碳固定(碳匯)這兩個側面來理解。碳排放既可以由人為過程產生,又可以由自然過程產生。


人為過程主要來自兩大塊,一是化石燃料的燃燒形成二氧化碳(CO2)向大氣圈釋放,二是土地利用變化(最典型者是森林砍伐后土壤中的碳被氧化成二氧化碳釋放到大氣中);自然界也有多種過程可向大氣中釋放二氧化碳,比如火山噴發、煤炭的地下自燃等。但應該指出:近一個多世紀以來,自然界的碳排放比之于人為碳排放,對大氣二氧化碳濃度變化的影響幾乎可以忽略不計。


碳固定也有自然固定和人為固定兩大類,并且以自然固定為主。最主要的自然固碳過程來自陸地生態系統。陸地生態系統的諸多類型中,又以森林生態系統占大頭。


所謂的人為固定二氧化碳一種方式是把二氧化碳收集起來后,通過生物或化學過程,把它轉化成其他化學品,另一種方式則是把二氧化碳封存到地下深處和海洋深處。


過去幾十年中,人為排放的二氧化碳,大致有54%被自然過程所吸收固定,剩下的46%則留存于大氣中。在自然吸收的54%中,23%由海洋完成,31%由陸地生態系統完成。比如最近幾年,全球每年的碳排放量大約為400億噸二氧化碳,其中的86%來自化石燃料燃燒,14%由土地利用變化造成。這400億噸二氧化碳中的184億噸(46%)加入到大氣中,導致大約2ppmv的大氣二氧化碳濃度增加。


所謂碳中和就是要使大氣二氧化碳濃度不再增加。我們可以這樣設想:我們的經濟社會運作體系,即使到有能力實現碳中和的階段,一定會存在一部分“不得不排放的二氧化碳”,對它們一方面還會有54%左右的自然固碳過程,余下的那部分,就得通過生態系統固碳、人為地將二氧化碳轉化成化工產品或封存到地下等方式來消除。只有當排放的量相等于固定的量之后,才算實現了碳中和。由此可見,碳中和同碳的零排放是兩個不同的概念,它是以大氣二氧化碳濃度不再增加為標志


二、我國二氧化碳排放來源及實現碳中和的基本邏輯


我國當前二氧化碳年排放量大數在100億噸左右,約為全球總排放量的四分之一。這樣較大數量的排放主要由我國的能源消費總量和能源消費結構所決定。我國目前的能源消費總量約為50億噸標準煤,其中煤炭、石油和天然氣三者合起來占比接近85%,其他非碳能源的占比只有15%多一點。在煤、油、氣三類化石能源中,碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我國能源消費結構中,煤炭占比如此之高,在世界主要國家中是絕無僅有的。


約100億噸二氧化碳的年總排放中發電和供熱約占45億噸,建筑物建成后的運行(主要是用煤和用氣)約占5億噸,交通排放約占10億噸,工業排放約占39億噸。工業排放的四大領域是建材、鋼鐵、化工和有色,而建材排放的大頭是水泥生產(水泥以石灰石(CaCO3)為原料,煅燒成氧化鈣(CaO)后,勢必形成二氧化碳排放)。


電力/熱力生產過程產生的二氧化碳排放,其“賬”應該記到電力消費領域頭上。根據進一步研究,發現這45億噸二氧化碳中,約29億噸最終也應記入工業領域排放,約12.6億噸應記入建筑物建成后的運行排放。所以我們說,我國工業排放約占總排放量的68%,如此之高的占比在所有主要國家中,也是絕無僅有的,這是我國作為“世界工廠”、處在城鎮化快速發展階段、經濟社會出現壓縮式發展等因素所決定的。


根據我國二氧化碳的排放現狀,我們就非常容易作出這樣的推斷:中國的碳中和需要構建一個“三端共同發力體系”


第一端是電力端,即電力/熱力供應端的以煤為主應該改造發展為以風、光、水、核、地熱等可再生能源和非碳能源為主。


第二端是能源消費端即建材、鋼鐵、化工、有色等原材料生產過程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣,水泥生產過程把石灰石作為原料的使用量降到最低,交通用能、建筑用能以綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣。能源消費端要實現這樣的替代,一個重要的前提是全國綠電供應能力幾乎處在“有求必應”的狀態。


第三端是固碳端,可以想見,不管前面兩端如何發展,在技術上要達到零碳排放是不太可能的,比如煤、油、氣化工生產過程中的“減碳”所產生的二氧化碳,又比如水泥生產過程中總會產生的那部分二氧化碳,還有電力生產本身,真正要做到“零碳電力”也只能寄希望于遙遠的將來。因此,我們還得把“不得不排放的二氧化碳”用各種人為措施將其固定下來,其中最為重要的措施是生態建設,此外還有碳捕集之后的工業化利用,以及封存到地層和深海中。



三、電力供應端的技術需求

傳統上,電力供應系統包括了發電、儲能和輸電三大部分,從現在業界經常談到的“新型電力供應系統”的角度,還應把用戶也統籌考慮在內。從實現碳中和的角度,我國未來的電力供應系統應該具備以下六方面特點。


一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發電裝機容量在24億千瓦左右,如果考慮以下因素:(1)未來要實現能源消費端對化石能源的綠電替代和綠氫替代;(2)從世界大部分先發國家走過的歷程看,人均GDP從一萬美元到三四萬美元之間,人均能源消費量還會有比較明顯的增長;(3)風、光等波動性能源的“出工能力”只有傳統火電的三分之一左右,那么我國2060年前的裝機容量至少需要60億到80億千瓦。


二是風、光資源將逐步成為主力發電和供能資源。其中西部風、光資源和沿海大陸架風力資源是主體,各地分散式(尤其是農村)光熱資源是補充。


三是“穩定電源”將從目前的火電為主逐步轉化為以核電、水電以及綜合互補的非碳能源為主。


四是必須利用能量的存儲、轉化、調節等技術,彌補風、光資源波動性大的天然缺陷。


五是火電還得有,但主要作為應急電源和一部分調節電源之用。與此同時,火電應完成清潔、低碳化改造,有條件的情況下,用天然氣代替煤炭,以降低二氧化碳排放強度。


六是在現有基礎上,成倍擴大輸電基礎設施,把西部充沛的電力輸送到中東部消納區。與此同時,加強配電基礎設施建設,增強對分布式能源的消納能力。


在這樣的電力供應系統中,碳中和本身的目標要求未來電力的70%左右來自風、光發電,其他30%的穩定電源、調節電源和應急電源也要盡可能地減少火電的裝機總量。正因為如此,未來需要促進發電技術、儲能技術和輸電技術這三方面的“革命性”進步


發電技術要為綠色低碳電力生產提供支撐。這里面需重點促進可再生能源發電技術的進步,特別是要注重發展以下技術:


(1)光伏發電技術雖已發展到可平價上網的程度,但這類技術在降成本、增效率上還有潛力可挖;


(2)太陽能熱發電技術對電網友好,既可保證穩定輸出,也可用于調峰,但目前發電成本過高,未來應在材料、裝置上尋求突破;


(3)風力發電技術也基本具備平價上網的條件,未來要在大功率風機制造、更高空間風力的利用、更遠的海上風電站建設上下功夫;


(4)地熱分布廣、總量大,但能量密度太低,如要將地熱用于發電,還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術;


(5)生物質能也是可再生能源,目前生物質能發電技術是成熟的,但其在總的電力供應上的占比較為有限;


(6)海洋能和潮汐能的總量不小,但其利用技術有待進步;


(7)傳統的水電我國開發程度已經較高,未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發上還有較大潛力。



2022年5月24日,濟南市長清區的風力發電設施 

中新社發 徐舟/攝


除以上可再生能源發電以外,社會公眾還得接受這樣的現實:要達到碳中和,核電還得較大程度地發展,因為核電應作為“穩定電源”的重要組成部分。此外,火電還得在“穩定電源”“應急電源”“調節電源”方面發揮作用,正因為如此,“無碳電力”在很長時期內是難以實現的,除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來再予以封存或利用。


儲能技術在未來的電力供應系統中將占有突出的位置,這是因為風、光發電具有天然波動性,用戶端也有波動性,這就需要用儲能技術作出調節。可以這樣說,如果沒有環保、可靠并相對廉價的儲能技術,碳中和目標就會落空。儲能是最重要的電力靈活性調節方式,包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類,而靈活性調節還有火電機組的靈活性改造、車網互動、電轉燃料、電轉熱等方式和技術。


物理儲能主要有四類。一是抽水蓄能電站,它是最成熟的技術,我國以東部山地為依托,已建、在建和規劃中的抽水蓄能電站總量很大,但可再生能源豐富的西部如何建抽水蓄能電站還得探索。二是壓縮空氣儲能,主要是利用地下鹽穴、礦井等空間,該類技術在我國還處在起步階段。三是重力儲能,簡單地說是利用懸崖、斜坡等地形,電力有余時把重物提起來,需要電力時把重物放下用勢能做功,這類技術我國尚處在試驗階段。四是飛輪儲能,這是成熟的技術,但其能量密度不高。


化學儲能就是利用各類電池,大家熟知的有鋰電池、鈉電池、鉛酸(碳)電池、液流電池、液態金屬電池、金屬空氣電池、燃料電池(氫、甲烷)等。不同的電池有不同的應用場景,它們在未來的電力供應系統中具有不可或缺的地位,但今后會遇到電池回收、環保處理、資源供應等問題。


電磁儲能主要是超級電容器和超導材料儲能,目前看,它的作用還有待觀察。


現有火電機組的靈活性改造是指使其“出工能力”具備靈活性,用電高峰時機組可以發揮100%發電能力,用電低谷時只“出工”20%或30%。這個技術一旦成熟,應該非常管用,尤其在實現“雙碳”目標的早中期階段,應將其作為主打技術。


車網互動是指電動汽車與電網的互動。簡單地說,今后大量的電動汽車整合起來就是一個非常龐大的儲能系統,如果在電網電力有余時,它們中的一部分集中充電,而電力不足時,它們中的一部分向電網輸電,這樣就起到了平滑峰谷的作用。這個想法很美好,也有點“浪漫”,但如何將理論上的可能性轉化為實踐中的可行性,估計還得創新商業模式。


電轉燃料就是把多余電力轉化為氫氣、甲烷等燃料,電力不足時再把燃料用于發電。電轉熱儲能則是用水、油、陶瓷、熔鹽等儲熱材料把多余的電轉化為熱儲存,需要時再為用戶放熱。


新型電力供應系統的第三個主要組成部分是輸電網絡。從實現碳中和的邏輯分析,我國未來的電網將有以下幾個突出特點:


(1)遠距離的輸電規模將在現有的基礎上增加數倍,意味著要把西部的清潔電力輸送到東部消納區,輸電基礎設施建設的需求巨大;(2)為了統籌、引導大空間尺度上的發電資源和用戶需求,大電網應是基本形態;(3)貼近終端用戶(如工業園區、小城鎮等)的分布式微電網建設將受到重視,并將成為大電網的有效補充;(4)為解決波動性強的可再生能源占比高、電力電子裝置比例高的特點,需要在電網的智能化控制技術上實現質的飛躍。


從上面的介紹可知,建立一個新型電力系統,其實是逐步“擠出”火電的過程,或者嚴格地說,是一個把火電裝機量占比減到最小的過程,留下的火電也得作“清潔化”改造。我國具有充足的風能、太陽能,從理論上講,資源絕對足夠。但能不能把這些分布廣、能量密度低的風、光資源利用起來,并保證電價相對便宜,研發出先進的技術,尤其是儲能技術是關鍵中的關鍵!



四、能源消費端的技術需求

能源消費端的減碳有兩個關鍵詞,一是替代二是重建。所謂替代就是用綠電、綠氫、地熱等非碳能源替代傳統的煤、油、氣,而重建則強調在替代過程中,一系列工藝過程需要重新建立。


對此,我們可分九個領域,對能源消費端的低碳化所需研發的技術或替代方式分別作出簡單介紹。


1.建筑部門應在三個方面發力首先是對建筑本身作出節能化改造;其次是針對城市的建筑用能,包括取暖/制冷和家庭炊事等,均應以綠電和地熱為主;農村的家庭用能,則可采用屋頂光伏+淺層地熱+生活沼氣+太陽能集熱器+外來綠電的綜合互補方式。


2.交通部門可著眼于五個方面。未來私家車以純電動車為主;重卡、長途客運可以氫燃料電池為主;鐵路運輸以電氣化改造為主,特殊地形和路段可采用氫燃料電池,同時發展磁懸浮高速列車;船舶運輸行業中的內河航運可用蓄電池,遠航宜用氫燃料電池或以二氧化碳排放相對較少的液化天然氣作為動力;航空則可用生物航空煤油達到低碳目標。


3.鋼鐵行業碳排放主要來自煉焦和焦炭煉鐵,它可分兩階段實現低碳化第一階段是對煉焦爐、高爐等的余熱、余能作充分利用,同時用鋼化聯產的方式把煉鋼高爐中的副產品充分利用起來。第二階段是逐步用新的低碳化工藝取代傳統工藝,研發和完善富氧高爐煉鋼工藝,煉鋼過程中以綠氫作還原劑取代焦炭,對廢鋼重煉用短流程清潔煉鋼技術等。


4.我國建材行業的排放主要來自水泥、陶瓷、玻璃的生產,其中80%來自水泥。建材行業低碳化應從三方面研發技術,一是用電石渣、粉煤灰、鋼渣、硅鈣渣、各類礦渣代替石灰石作為煅燒水泥的原料,從原料利用上減少碳排放的可能性;二是煅燒水泥時,盡可能用綠電、綠氫、生物質替代煤炭;三是用綠電作能源生產陶瓷和玻璃。


5.化工排放來自兩大方面,一是生產過程用煤、天然氣作能源,二是用煤、油、氣作原材料生產化工產品時的“減碳”,比如用煤生產乙烯,需要加氫減碳,其中加的氫如果不是綠氫,就會有碳排放,減的碳一般會作為二氧化碳排放到大氣中。因此,化工行業的低碳化應從四個方面入手一是蒸餾、焙燒等工藝過程用綠電、綠氫;二是對余熱、余能作充分的利用;三是適當控制煤化工規模,條件許可時盡量用天然氣作原料;四是對二氧化碳作捕集—利用處理。


6.有色工業中的碳排放主要來自選礦、冶煉兩個過程,在整個冶金行業排放中,鋁工業排放占比在80%以上,因為電解鋁工藝用碳素作陽極,碳素在電解過程中會被氧化成二氧化碳排放。因此,冶金工業的低碳化一是在選礦、冶煉過程中盡可能用綠電;二是研發綠色材料取代電解槽中的碳素陽極三是對電解槽本身作出節能化改造;四是對鋁廢金屬作回收再生利用。


7.在其他工業領域中,食品加工業、造紙業、纖維制造業、紡織行業、醫藥行業等也有一定量的碳排放,其排放來源主要有兩個方面,一是生產加工過程中用的煤、油、氣,二是其廢棄物產生的排放。這些行業的低碳化改造主要在于用綠電替代化石能源,同時做好廢棄物的回收再利用。


8.服務業是一個龐大的領域,但服務業以“間接排放”為主,即服務業用電一般被統計到電力系統碳排放中,運輸過程中的用油一般被統計到交通排放中,建筑物中的用能(包括餐飲業的用氣)則被統計到建筑排放中,似乎“直接排放”的量并不大。但這樣說,并不是說服務業可以置身于低碳化之事外,恰恰相反,服務業亦有可以“主動作為”的地方,這一方面是大力做好節能工作,另一方面是盡可能用電能替代化石能源的使用。


9.農業的碳排放主要來自農業機械的使用,與此同時,農業中的畜牧養殖業以及種植業是甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)的主要排放源,而這二者的溫室效應能力是同當量二氧化碳的數十倍至數百倍。從這樣的前提出發,農業的低碳化。一是農業機械用綠電、綠氫替代柴油作動力;二是從田間管理的角度,挖掘能減少甲烷和氧化亞氮排放但不影響作物產量的技術;三是研發出減少畜牧業碳排放的技術;四是盡可能增加農業土壤的碳含量。


根據這九方面的介紹,我們可以看出:在能源消費端用綠電、綠氫等替代煤、油、氣,從理論上講是不難做到的,但工藝和設備的再造重建絕不是一件簡單的事。同時我們也可以想象,這樣的替代和重建一定會增加最終消費品的成本。所以說,替代和重建需要時間。



五、固碳端的技術需求

提起固碳,我們首先想到的是自然過程,即通過海洋和陸地表面把大氣中的二氧化碳吸收固定。但這里必須指出,人類活動每年都向大氣中排放二氧化碳,這其中的一部分可以被自然過程所吸收,余下部分如不通過人為手段予以固定,則大氣中的二氧化碳濃度還會逐年增高。所以我們講固碳,主要是指通過人為努力固定下的那部分,而地球自然固碳過程則屬于“天幫忙”,很難歸功于具體的國家或實體。


“人努力”進行固碳一般可分兩大途徑,一是生態系統的保育與修復,二是把二氧化碳捕集起來后,或加工成工業產品,或封埋于地下或海底,這第二方面就是經常談到的“碳捕獲、利用與封存”——CCUS(Carbon Capture and Utilization-Storage)。


公眾對生態系統固碳都比較熟悉,它是利用植物光合作用吸收大氣中的二氧化碳,所吸收的碳有一部分長久保存在植物本身之中(比如樹干),也會有一部分凋落后(比如樹葉)腐爛進入土壤中以有機碳的形式得到較為長期的保存,當然有機碳也會部分轉化成無機碳并同地表系統中的鈣離子結合形成石灰石沉積。地表生態系統盡管類型多樣,但真正起主要作用的還是森林生態系統,這是因為森林中的各種樹木都有很長的生長期,在樹木適齡期內,固碳作用可持續進行;當樹木進入成熟期,固碳能力就會減弱,但人們可以通過砍伐—再造林的方式繼續保持正向固碳作用,而砍伐的木材可以做成家具等產品,不至于把多年來固定的碳快速返還給大氣。


因此,生態系統固碳的重點在于森林生態系統,森林生態系統的管理一在于保育,二在于擴大面積。我國有大量適宜森林生長的山地,這些地區過去生態受到過較大程度的破壞,最近幾十年來,一直處在恢復之中,而這些人工次生林或喬/灌混雜林都很“年輕”,有進一步發育、固碳的潛力。同時,我國又有不少非農用地可作造林之用,包括近海的灘涂種植紅樹林,城市鄉村的綠化用地種植樹木。所以說,生態系統建設在我國實現碳中和過程中將起到至關重要的作用。


人為固碳的另一條途徑是CCUS,它包括碳捕集技術、捕集后的工業化利用技術(分為生物利用和化工利用兩大類)、地質利用和封存技術。對這些技術,國內外尚處在研發階段,真正大面積的應用尚未見到。


碳捕集技術分三大類。一是化學吸收法,它用化學吸收劑同煙道氣中的二氧化碳生成鹽類,再加熱或減壓將二氧化碳釋放并收集。二是吸附法,又細分為化學吸附法和物理吸附法。化學吸附法是用吸附材料同二氧化碳分子先作化學鍵合,再改變條件把二氧化碳分子解吸附并收集;物理吸附法是利用活性炭、天然沸石、分子篩、硅膠等對煙道氣中的二氧化碳作選擇性吸附后再解吸附回收。三是膜分離法,即利用膜對氣體分子透過率的不同,達到分離、收集二氧化碳之目的。在具體操作上,碳捕集還可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、化學鏈燃燒捕集、生物質能碳捕集、從空氣中直接捕集等技術。



碳捕集后的工業化生物利用技術目前主要有四大類,一是利用二氧化碳在反應器中生產微藻,這些微藻再用作生產燃料、肥料、飼料、化學品的原料。二是將捕集到的二氧化碳注入溫室中,用以增加溫室中作物的光合作用,這個過程又可稱為二氧化碳施肥。三是把二氧化碳同微生物發酵過程相結合,生成有機酸。四是把二氧化碳用于合成人工淀粉。碳捕集后的工業化化工利用又分兩大類技術途徑,一大類是把二氧化碳中的四價態碳還原后加甲烷、氫氣等氣體,再整合成甲醇、烯烴、成品油等產品。另一大類為非還原技術,有二氧化碳加氨氣后制成尿素、加苯酚后合成水楊酸、加甲醇后合成有機酸酯等技術,也有合成可降解聚合物材料、各類聚酯材料等技術。


地質利用技術也有很多類型,這些技術有的已在工業化示范中,有的尚停留在實驗室探索階段。比如利用收集起來的二氧化碳驅油、驅煤層氣、驅天然氣、驅頁巖氣等,這屬于油氣開采領域的應用,這類技術的一個共性是通過生產性鉆孔把超臨界的二氧化碳壓到地層中,利用它驅動孔隙、裂隙中的油、氣流出開采性鉆孔,達到油氣增產或增加油氣采收率的目的,與此同時,二氧化碳則滯留在孔隙、裂隙中得以長期封存。該類技術國內外已有工業應用示范。


而另一些技術則在探索過程中,比如用于開采干熱巖中的地熱。干熱巖埋深在數千米,其內部基本沒有流體存在,溫度在180℃以上,開采干熱巖中的熱能需要打生產井并用壓裂手段使巖石增加裂隙,然后在生產井中注入工作介質,讓其流動并采集熱量,最后從開采井中收集熱量。一些研究表明:用二氧化碳作為工作介質,既起到開采干熱巖熱量的作用,又可把部分二氧化碳封存于地下。


地質封存技術則是把二氧化碳收集后直接通過鉆孔注入地下深處或灌入深部海水中。這里要特別指出:深海對二氧化碳的溶解保存能力是巨大的。


總之,固碳的技術有多種,但這些技術不可避免地需要額外能量加入,因此有可能把最終產品的成本提高一大塊。至于地質封存,盡管理論和實踐上可行,但它似有“空轉”之嫌。從現階段看,只有生態固態才可兼顧經濟效益和社會效益。



六、碳中和的路線圖規劃


實現碳中和,是一個長期過程,需要有一個指導全局性工作的規劃,并根據形勢的發展、技術的進步,能形成不斷完善規劃的工作機制。我國的目標是2060年前實現碳中和,顯然在目前的認知水平下,要做一個能覆蓋近40年時間長度的規劃是不太現實的,但有一點我們是必須一開始就要做到心中有數的,那就是我國到時候還可以排放多少二氧化碳,或者說從目前約100億噸的二氧化碳排放減少到多少才可以宣布完成了碳中和目標。


這個問題不易確切回答,但尋找答案的思路是具備的,那就是“排放量=海洋吸收量+生態系統固碳量+人為固碳量+其他地表過程固碳量”這個公式。對此,我們可以逐項做出分析。


過去幾十年,海洋對人為排放二氧化碳的吸收比例為23%,這個過程還是比較穩定的,盡管我們很難預測未來是否會產生重大改變,但假定海洋將保持這個吸收比例不變,應該是有依據的。


我國陸地生態系統固碳能力非常強。根據相關研究,2010—2020年間我國陸地生態系統每年的固碳量為10億—13億噸二氧化碳;一些專家根據這套數據并采用多種模型綜合分析后,預測2060年我國陸地生態系統固碳能力為10.72億噸二氧化碳/年,如果增強生態系統管理,還可新增固碳量2.46億噸二氧化碳/年,即2060年我國陸地生態系統固碳潛力總量為13.18億噸二氧化碳/年。此外,我國近海的生態系統固碳工程還沒啟動,這塊兒也應該有較大潛力。


至于把碳捕集后作工業化利用及封存的量有多大,這要取決于技術水平與經濟效益,目前要對此作出估計是有難度的。但我們也可以作出這樣的假定:如果屆時實現碳中和有“缺口”,政府將對人為工業化固碳予以補貼,爭取每年達到3億—5億噸二氧化碳的工業化固碳與地質封存。以中國的工業技術發展速度,這個假定還是相對“保守”的。

    
其他地表過程固碳是指地下水系統把有機碳轉化成石灰石沉淀、水土侵蝕作用把有機碳埋藏于河流—湖泊系統之中等地表過程,它一年能固定的碳總量目前沒有系統研究數據,但粗略估計中位數在1億噸二氧化碳左右。

2022年4月20日,航拍安徽省蕪湖市繁昌區平鋪鎮境內岱湖灘上的漁光互補光伏電站 中新社發 肖本祥/攝


為此,我們可以做出這樣的分析,假如我國2060年前后二氧化碳年排放量在25億噸左右,那么海洋可吸收25×23%=5.75億噸二氧化碳,陸地和近海生態系統固碳14億噸二氧化碳工業化固碳和地質封存4億噸二氧化碳左右,基本上可以做到“凈零排放”。


當然,要從100億噸的二氧化碳排放量降到25億噸,難度亦是非常之大的,這需要我們先有一個宏觀的粗線條規劃。根據我國五年規劃的慣例,可考慮以兩個五年規劃為一個階段,分四個階段,四十年時間實現碳中和目標。


第一步為“控碳階段”,爭取到2030年把碳排放總量控制在100億噸之內,即“十四五”期間可比目前增一點,“十五五”期間再減回來。在這第一個十年中,交通部門爭取大幅度增加電動汽車和氫能運輸占比,建筑部門的低碳化改造爭取完成半數左右,工業部門利用煤+氫+電取代煤炭的工藝過程大部分完成研發和示范。這十年間電力需求的增長應盡量少用火電滿足,而應以風、光為主,內陸核電完成應用示范,制氫和用氫的體系完成示范并有所推廣。


第二步為“減碳階段”,爭取到2040年把二氧化碳排放總量控制在85億噸之內。在這個階段,爭取基本完成交通部門和建筑部門的低碳化改造,工業部門全面推廣用煤/石油/天然氣+氫+電取代煤炭的工藝過程,并在技術成熟領域推廣無碳新工藝。這十年火電裝機總量爭取淘汰15%落后產能,用風、光資源制氫和用氫的體系完備及大幅度擴大產能。


第三步為“低碳階段”,爭取到2050年把二氧化碳排放總量控制在60億噸之內。在此階段,建筑部門和交通部門達到近無碳化,工業部門的低碳化改造基本完成。這十年火電裝機總量再削減25%,風、光發電及制氫作為能源主力,經濟適用的儲能技術基本成熟。據估計,我國對核廢料的再生資源化利用技術在這個階段將基本成熟,核電上網電價將有所下降,故用核電代替火電作為“穩定電源”的條件將基本具備


第四步為“中和階段”,力爭到2060年把二氧化碳排放總量控制在25億—30億噸。在此階段,智能化、低碳化的電力供應系統得以建立,火電裝機只占目前總量的30%左右,并且一部分火電用天然氣替代煤炭,火電排放二氧化碳力爭控制在每年10億噸,火電只作為應急電力和一部分地區的“基礎負荷”,電力供應主力為光、風、核、水。除交通和建筑部門外,工業部門也全面實現低碳化。尚有15億噸的二氧化碳排放空間主要分配給水泥生產、化工、某些原材料生產和工業過程、邊遠地區的生活用能等“不得不排放”領域。其余5億噸二氧化碳排放空間機動分配。


“四階段”路線圖只是一個粗略表述,由于技術的進步具有非線性,所謂十年一時期也只是為表達方便而定。


七、碳中和對我國的挑戰和機遇

從前面的介紹可知,實現碳中和,可以理解為經濟社會發展方式的一場大變革,對當今世界的任何一個國家來說,都是一場巨大的挑戰。對我國來說,主要的挑戰在以下幾個方面。


一是我國的能源稟賦以煤為主。在煤、油、氣這三種化石能源中,釋放同樣的熱量,煤炭排放的二氧化碳量大大高于天然氣,也比石油高不少。我國的發電長期以煤為主,這同石油、天然氣在火電中占比很高的那些歐美發達國家比,是資源性劣勢。


二是我國制造業的規模十分龐大。我們在前面的介紹中提到,我國接近70%的二氧化碳排放來自工業,這個占比高出歐美發達國家很多,這同我國制造業占比高、“世界工廠”的地位有關。


三是我國經濟社會還處于壓縮式快速發展階段,城鎮化、基礎設施建設、人民生活水平提升等方面的需求空間巨大。


四是我國的能源需求還在增長,意味著我國的二氧化碳排放無論是總量還是人均都會繼續增長。


五是我國2030年達峰后到2060年中和,其間只有30年時間,而美國、法國、英國從人均碳排放量考察,在20世紀70年代就達峰了,它們從達峰到2050年中和,中間有80年的調整時間。


為了更加清晰地闡明碳中和對我國的挑戰性,我們下面用幾組碳排放有關的數據,以國際比較的方式,來做進一步說明。


第一組數據是從1900年到2020年間,不同國家的累計二氧化碳排放量(以億噸二氧化碳為單位),美國為4047,歐盟27國為2751,中國為2307,俄羅斯為1152,日本為655,英國為618,印度為545,墨西哥為201,巴西為156。這個累計排放量可大略表明一個國家長期以來積累起來的“家底”,但這樣的統計沒有考慮人口基數


因此我們需要第二組數據,1900年到2020年間的人均累計排放,這套數據以國家為單位,把每年的全國排放除以人口,獲得逐年人均排放,再把這120年來的人均排放加和即可得出(數據以噸二氧化碳為單位),具體為:美國2025,加拿大1522,英國1209,俄羅斯848,歐盟27國713,日本575,墨西哥295,中國190,巴西107,印度58,全球人均累計為375,中國迄今為止只有全球人均的一半,不到美國的十分之一。


第三組數據是目前以國家為單位的排放量(以億噸二氧化碳為單位),具體是:中國100,美國52,歐盟27國30,印度25,俄羅斯16,日本11。如果考慮人均


那么有第四組數據(2016年到2020年人均排放,以噸二氧化碳為單位),具體是:美國15.9,加拿大15.3,俄羅斯11.4,日本9,中國7.2,歐盟27國6.6,巴西2.3,印度1.9。


從以上四組數據可知,我國最近幾十年的發展具有壓縮性特征,故目前的人均和國別排放數據比較高,這也是掌握話語權的西方媒體不斷給我國戴上“最大排放國”,甚至是“最大污染國”帽子的所謂“理由”。但如果考察人均累計排放,我國對全球的“貢獻”非常小。另外,我國的人均GDP已達全球平均水平,而人均累計排放只是全球的一半,這還是在我國能源以煤炭為主、每年凈出口大量制造業產品的基礎上達到的,由此說明我國絕不是如一些研究者所說的是“能源資源消耗型”經濟體。



第五組數據很有意思,它是由國際能源署、世界銀行等建立的居民人均消費碳排放,它考慮了國家間通過進出口而產生的“碳排放轉移”。2018年到2019年間的數據如下(單位為噸二氧化碳):美國15.4,德國7.6,加拿大7.5,日本7.4,俄羅斯7.0,英國5.7,法國4.4,中國2.7,巴西1.5,印度1.1。這組數據說明,世界上一些國家只是“生存型碳排放”,而有的國家早已進入“奢侈型”或“浪費型”國家行列!



前面我們談了碳中和對中國的五方面挑戰,下面再談五點機遇。


一是我國光伏發電技術在世界上已是“一騎絕塵”,風力發電技術處在國際第一方陣,核電技術也跨入世界先進行列,建水電站的水平更是無出其右者。


二是我國西部有大量的風、光資源,尤其是西部的荒漠、戈壁地區,是建設光伏電站的理想場所,光伏電站建設還可帶來生態效益;東部我們有大面積平緩的大陸架,可以為海上風電建設提供大量場所。


三是我國的森林大都處在幼年期,還有不少可造林面積,加之草地、濕地、農田土壤的碳大都處在不飽和狀態,因此生態系統的固碳潛力非常大。


四是我們實現碳中和目標的過程,也是環境污染物排放大大減少的過程,這意味著我們將徹底解決大氣污染問題,其他污染物排放也將實質性降低。


此外,碳中和也意味著我們將實現能源獨立,國內自產的原油、天然氣將能滿足化工原料之需要,進口油氣將大為減少,所謂的“馬六甲困境”將不再是一個實質性威脅。能源獨立從某種程度上還會為糧食安全提供助力。


五是我國的舉國體制優勢將在碳中和歷程中發揮重大作用,因為碳中和涉及大量的國家規劃、產業政策、金融稅收政策等內容,需要真正下好全國一盤棋。這點我們從我國推動光伏產業的歷程中就可以看出,并且諸如此類的經驗未來還會不斷被總結、深化。我們甚至可以預計,即使是堅持自由市場經濟的那些國家,它們如想真正實現碳中和,也將在國家產業政策設計上獲得助力。


(作者為全國人大常委會副委員長、中國科學院院士)

來源:《黨委中心組學習》



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