【文/丁仲禮】

2020年9月，國家主席習(xí)近平代表我國向世界作出莊嚴(yán)承諾：我國二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。自此之后，我國各地掀起一股爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的熱潮，并為此作了大量人力和物力的投入。這表明我國上上下下對(duì)這個(gè)“雙碳”目標(biāo)的態(tài)度是十分嚴(yán)肅的，國際社會(huì)應(yīng)該對(duì)我們這個(gè)“需要在不長時(shí)期內(nèi)作出世上規(guī)模最大的碳減排”的國家有充分信心。

但同時(shí)我們自己也應(yīng)深刻認(rèn)識(shí)到：根據(jù)我們國家的能源資源稟賦以及目前所處的發(fā)展階段，要真正在2060年前實(shí)現(xiàn)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(huì)”向“碳中和社會(huì)”轉(zhuǎn)型的技術(shù)體系，因而綠色低碳的產(chǎn)業(yè)體系還需要在研發(fā)大量新技術(shù)的基礎(chǔ)上才能逐步得到發(fā)展和確立。

中國科學(xué)院在習(xí)近平主席宣布“雙碳”目標(biāo)后，設(shè)立了一個(gè)大型咨詢項(xiàng)目，組織百余位來自多個(gè)學(xué)部的院士和專家，著重就我國實(shí)現(xiàn)碳中和需要形成一個(gè)什么樣的技術(shù)體系這一問題，做了“清單式”的研究，并形成了專門報(bào)告和著作。

本文將以這個(gè)研究為依據(jù)，從碳中和的概念和邏輯入手，重點(diǎn)介紹完成碳中和的“技術(shù)需求清單”，并在此基礎(chǔ)上討論幾個(gè)公眾比較關(guān)心的問題。

一、碳中和的概念

碳中和應(yīng)從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個(gè)側(cè)面來理解。碳排放既可以由人為過程產(chǎn)生，又可以由自然過程產(chǎn)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(fā)、煤炭的地下自燃等。但應(yīng)該指出：近一個(gè)多世紀(jì)以來，自然界的碳排放比之于人為碳排放，對(duì)大氣二氧化碳濃度變化的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

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(tài)系統(tǒng)。陸地生態(tài)系統(tǒng)的諸多類型中，又以森林生態(tài)系統(tǒng)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(xué)過程，把它轉(zhuǎn)化成其他化學(xué)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(tài)系統(tǒng)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(dǎo)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(shè)想：我們的經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)作體系，即使到有能力實(shí)現(xiàn)碳中和的階段，一定會(huì)存在一部分“不得不排放的二氧化碳”，對(duì)它們一方面還會(huì)有54%左右的自然固碳過程，余下的那部分，就得通過生態(tài)系統(tǒng)固碳、人為地將二氧化碳轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品或封存到地下等方式來消除。只有當(dāng)排放的量相等于固定的量之后，才算實(shí)現(xiàn)了碳中和。由此可見，碳中和同碳的零排放是兩個(gè)不同的概念，它是以大氣二氧化碳濃度不再增加為標(biāo)志。

丹麥哥本哈根放棄2025年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。圖源：視覺中國

二、我國二氧化碳排放來源及實(shí)現(xiàn)碳中和的基本邏輯

我國當(dāng)前二氧化碳年排放量大數(shù)在100億噸左右，約為全球總排放量的四分之一。這樣較大數(shù)量的排放主要由我國的能源消費(fèi)總量和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)所決定。

我國目前的能源消費(fèi)總量約為50億噸標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。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(fèi)結(jié)構(gòu)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(fā)電和供熱約占45億噸，建筑物建成后的運(yùn)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(yè)排放約占39億噸。工業(yè)排放的四大領(lǐng)域是建材、鋼鐵、化工和有色，而建材排放的大頭是水泥生產(chǎn)（水泥以石灰石（CaCO?）為原料，煅燒成氧化鈣（CaO）后，勢(shì)必形成二氧化碳排放）。

電力/熱力生產(chǎn)過程產(chǎn)生的二氧化碳排放，其“賬”應(yīng)該記到電力消費(fèi)領(lǐng)域頭上。根據(jù)進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)這45億噸二氧化碳中，約29億噸最終也應(yīng)記入工業(yè)領(lǐng)域排放，約12.6億噸應(yīng)記入建筑物建成后的運(yùn)行排放。

所以我們說，我國工業(yè)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(zhèn)化快速發(fā)展階段、經(jīng)濟(jì)社會(huì)出現(xiàn)壓縮式發(fā)展等因素所決定的。

根據(jù)我國二氧化碳的排放現(xiàn)狀，我們就非常容易作出這樣的推斷：中國的碳中和需要構(gòu)建一個(gè)“三端共同發(fā)力體系”。第一端是電力端，即電力/熱力供應(yīng)端的以煤為主應(yīng)該改造發(fā)展為以風(fēng)、光、水、核、地?zé)岬瓤稍偕茉春头翘寄茉礊橹鳌?

第二端是能源消費(fèi)端，即建材、鋼鐵、化工、有色等原材料生產(chǎn)過程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣，水泥生產(chǎn)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?zé)岬忍娲?、油、氣。能源消費(fèi)端要實(shí)現(xiàn)這樣的替代，一個(gè)重要的前提是全國綠電供應(yīng)能力幾乎處在“有求必應(yīng)”的狀態(tài)。

第三端是固碳端，可以想見，不管前面兩端如何發(fā)展，在技術(shù)上要達(dá)到零碳排放是不太可能的，比如煤、油、氣化工生產(chǎn)過程中的“減碳”所產(chǎn)生的二氧化碳，又比如水泥生產(chǎn)過程中總會(huì)產(chǎn)生的那部分二氧化碳，還有電力生產(chǎn)本身，真正要做到“零碳電力”也只能寄希望于遙遠(yuǎn)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(tài)建設(shè)，此外還有碳捕集之后的工業(yè)化利用，以及封存到地層和深海中。

三、電力供應(yīng)端的技術(shù)需求

傳統(tǒng)上，電力供應(yīng)系統(tǒng)包括了發(fā)電、儲(chǔ)能和輸電三大部分，從現(xiàn)在業(yè)界經(jīng)常談到的“新型電力供應(yīng)系統(tǒng)”的角度，還應(yīng)把用戶也統(tǒng)籌考慮在內(nèi)。從實(shí)現(xiàn)碳中和的角度，我國未來的電力供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下六方面特點(diǎn)。

一是電力裝機(jī)容量要成倍擴(kuò)大。我國目前的發(fā)電裝機(jī)容量在24億千瓦左右，如果考慮以下因素：（1）未來要實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)端對(duì)化石能源的綠電替代和綠氫替代；（2）從世界大部分先發(fā)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(fèi)量還會(huì)有比較明顯的增長；（3）風(fēng)、光等波動(dòng)性能源的“出工能力”只有傳統(tǒng)火電的三分之一左右，那么我國2060年前的裝機(jī)容量至少需要60億到80億千瓦。

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

三是“穩(wěn)定電源”將從目前的火電為主逐步轉(zhuǎn)化為以核電、水電以及綜合互補(bǔ)的非碳能源為主。

四是必須利用能量的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)等技術(shù)，彌補(bǔ)風(fēng)、光資源波動(dòng)性大的天然缺陷。

五是火電還得有，但主要作為應(yīng)急電源和一部分調(diào)節(jié)電源之用。與此同時(shí)，火電應(yīng)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(qiáng)度。

六是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，成倍擴(kuò)大輸電基礎(chǔ)設(shè)施，把西部充沛的電力輸送到中東部消納區(qū)。與此同時(shí)，加強(qiáng)配電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增強(qiáng)對(duì)分布式能源的消納能力。

在這樣的電力供應(yīng)系統(tǒng)中，碳中和本身的目標(biāo)要求未來電力的70%左右來自風(fēng)、光發(fā)電，其他30%的穩(wěn)定電源、調(diào)節(jié)電源和應(yīng)急電源也要盡可能地減少火電的裝機(jī)總量。正因?yàn)槿绱耍磥硇枰龠M(jìn)發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和輸電技術(shù)這三方面的“革命性”進(jìn)步。