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丁仲礼:碳中和对中国的挑战和机遇

  中国国家主席习近平于2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上向世界庄严宣布:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”其后,习主席又在多个国际场合对此作出承诺,表明中国政府和中国人民言必信、行必果的决心,为国际社会合作应对全球气候变暖提供了十分强大的助力。

  众所周知,化石燃料是工业革命以来人类得以发展进步的重要物质基础。在未来的发展进程中,如何逐步摆脱对化石燃料的依赖,真正向低碳社会转型,将是一项十分严峻的挑战。对中国来讲,更是如此。因为中国是工业化过程的后来者,并没有像一些发达国家那样,进入能源消耗已呈下降趋势的后工业化时期。为此,中国科学院学部组织百余位院士专家,从技术和产业层面对我国如何实现碳中和作了较为系统的研究,获得了对碳中和路线图的框架性认识。本文拟对此作一简介。

文/丁仲

中国科学院院士,十三届全国人大常委会副委员长,

民盟中央主席,欧美同学会会长

 一、中国的二氧化碳排放历史和现状

  人类大量利用化石燃料,向大气排放二氧化碳,是工业革命以后的事,但大气中二氧化碳浓度有实质性增加,则主要是近100年来出现的现象。中国从19世纪后半叶开始发展工业,但由于社会动荡不安,工业化进程十分缓慢,一直到新中国成立以后,才开始系统性工业化。二氧化碳排放开始进入快速增长时期,则要到1978年改革开放尤其是2001年加入世界贸易组织(WTO)以后。

  我们来看国际权威数据库提供的基本信息:从1850年到2019年,全球共排放了16100亿吨二氧化碳,其中中国为2200亿吨,占13.7%,远低于我国人口在全球的占比;而美国同期则排放了4100亿吨,占比高达25%以上;七国集团(G7)国家整体上的排放量为7340亿吨,占比高达45.6%,而其人口在全球占比则不到10%。通过计算,我们可获得1850—2019年人均累计二氧化碳排放量(每年的人均排放之加和):美国2174吨、G7国家1397吨、全球386吨,而中国是182吨——只是美国的8.4%、G7国家的13.0%、全球平均的47.2%。

  由此可见,中国对全球大气二氧化碳浓度增加的贡献并不高。何况中国自加入WTO以来,一直承担着“世界工厂”的角色,相当一部分的排放是用于生产出口产品。因此,中国绝不像一些西方报刊所描绘的那样,是“全球最大的排放国”。即使以国家作为比较单位,美国对大气二氧化碳浓度增高的历史贡献也远大于中国。如果以人均累计排放量作为评价指标,中国则远低于全球平均,而这其实是最为合理的评价指标,因为不同国家的工业化起步时间有早晚,一个国家的工业化程度、城市化程度、人民生活水平、基础设施水平等,都需要消耗化石能源来提升,都需要时间来建设,都同人口数量相关。脱离了人口、历史这两个因子,比较国与国之间的排放是毫无意义的。

  但是,我们不得不承认,目前全世界每年总共排放约400亿吨二氧化碳,中国大约占四分之一,即100亿吨左右,年度人均排放已经超过全球人均水平。中国从加入WTO以来,二氧化碳排放量的快速增长,是同我国的压缩式发展分不开的。要发展就得增加能源消耗,在非碳能源技术尚未成熟的背景下,这就意味着排放增加。

  中国目前的人均国内生产总值(GDP)刚超过1万美元大关。从发达国家走过的历程看,在人均GDP达到1万美元之前,人均能耗的增长非常强劲;从1万美元到4万美元,人均能耗还会缓慢增长;达到4万美元之后,人均能耗将处于逐渐下降阶段,当然这也可能同发达国家将高能耗、高污染产业转移到发展中国家去有关。中国力争在2060年达到碳中和,而从现在到2060年我国正处于人均GDP从1万美元到4万美元的奋斗过程中,人均能源消耗的继续增长是不可避免的。一些发达国家在上世纪80年代即达到人均能耗高峰,并且从碳达峰到碳中和至少要用70年时间。和他们不同,中国要从2030年碳达峰后,用30年时间完成碳中和,挑战无疑是巨大的。

  那么,中国目前每年约100亿吨二氧化碳的排放主要来自何处?了解这一点对如何实现碳中和至关重要,这也是碳中和路线图的逻辑起点。根据国家相关统计,中国目前的一次能源消费总量约为每年50亿吨标准煤(编者注:一次能源是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源,又称天然能源),其中煤炭、石油、天然气的占比分别为57.7%、18.9%、8.1%,非碳能源的占比仅为15.3%。100亿吨二氧化碳的排放,发电(供热)占比45%,建筑占比5%,交通占比10%,工业占比39%,农业占比1%。发电(供热)的主要终端消费者为工业(64.6%)和建筑(28%)。从以上数据可以看出,二氧化碳的终端排放源主要为工业(约占68.1%)、建筑(约占17.6%)和交通(约占10.2%)。因此,实现碳中和工作的着力点也应该集中在这些领域。

 二、碳中和的基本逻辑和技术支撑

  碳中和的概念等同于“净零排放”,而不是二氧化碳“零排放”。净零排放的概念就是人类可以排放一定数量的二氧化碳,但这个排放量中的一部分被自然过程吸收而固定,余下部分则通过人为努力而固定(比如通过生态系统建设吸收二氧化碳,或把二氧化碳收集后转为工业品或封存于地下),排放量与固碳量相等,则为碳中和。评价一个国家、一个地区甚至一家企业碳中和与否或碳中和程度,看的就是其排放量和固碳量之比。

  根据国际上过去几十年来的观测统计,人类排放的所有二氧化碳中有54%被自然过程吸收(其中陆地吸收31%,海洋吸收23%),另外的46%留在大气中,成为大气二氧化碳浓度升高的主要贡献者。海洋吸收主要通过无机过程形成碳酸钙沉积和微体生物合成碳酸钙,陆地吸收则主要通过生态系统固存有机碳和土壤/地下水吸收形成无机碳酸盐,以及在河道、河口中沉积埋藏有机碳。尽管陆地吸收总量是已知的,但到目前为止,各种陆地吸收过程的相对比例并不清楚。根据中国科学院“碳收支”专项研究成果,我国通过自然保护和生态工程建设等,2010—2020年间的陆地生态系统净固碳能力为每年10亿—13亿吨二氧化碳。

  根据前面介绍的排放来源和吸收过程的数据,我们可以得出结论:碳中和是一个“三端共同发力”的体系,即“发电端”用风、光、水、核等非碳能源替代煤、油、气,“能源消费端”通过工艺流程再造,用绿电、绿氢、地热等替代煤、油、气,“固碳端”用生态建设、碳捕捉—利用—封存(CCUS)等碳固存技术,将碳人为地固定在地表、产品或地层中。这就是碳中和的基本逻辑。

  一国无论是技术原因,还是市场原因,其“不得不排放”的二氧化碳总量等同于自然吸收量与人为固碳量之和,即可视为“净零排放”,实现了该国的碳中和。由此可见,有先进并廉价的技术可供这“三端”所用,是实现碳中和的前提条件。也就是说,“技术为王”将在碳中和过程中得以充分体现。下面,我们来对这“三端”体系分别作简单介绍。

 (一)“发电端”之要在构建新型电力系统

  我国目前的发电装机容量约为22亿千瓦,未来假定:(1)能源消费端要实现电力替代、氢能替代(氢气也主要产自电力);(2)为实现人均GDP从1万美元增到3万—4万美元,所需的能源明显增长;(3)风、光发电利用小时数难以明显提高,那么估计我国实现碳中和之时,总的电力装机容量会在60亿—80亿千瓦之间。因此,未来新型电力系统的第一个特点是电力装机容量巨大。

  第二个特点是我国十分丰富的风、光资源将逐步转变为主力发电和供能资源,这既包括西部的风、光资源,也包括沿海大陆架风力资源,更包括各地分散式(尤其是农村)的光热等资源(如屋顶和零星空地)。

  第三个特点是“稳定电源”应从目前火电为主逐步转化为以核电、水电和综合互补的清洁能源为主。

  第四个特点是必须利用能量的存储、转化及调节等技术,克服风、光资源波动性大的天然缺陷。

  第五个特点是火电(为减少二氧化碳排放,应逐步用天然气取代煤炭发电)只作为应急电源或一部分调节电源。

  第六个特点是在现有基础上,成倍扩大输电基础设施,平衡区域资源差异;并加强配电基础建设,增强对分布式资源的消纳能力。

  为实现碳中和,我国拟以装机总量60亿—80亿千瓦,风力发电、光伏发电共占比70%,“稳定电源”占比30%为目标,规划新型电力系统。在40年内,大致以每十年为一期,顺次走控碳电力、降碳电力、低碳电力最后到近无碳电力之路,并完成超大规模的输变电基础设施建设。

  要建立这样的新型电力系统,无论是发电,还是储能、转化、消纳、输出等,技术上都有大量需要攻克的关键环节,这将成为实现碳中和目标工作的重中之重。

 (二)“能源消费端”之要在电力替代、氢能替代以及工艺重构

  用非碳能源发电、制氢,再用电力、氢能替代煤、油、气用于工业、交通、建筑等领域,从而实现消费端的低碳化甚至非碳化,这是实现碳中和的核心内容。在电力供应充足和廉价的前提下,消费端的低碳化主要通过各种生产工艺流程的再造来完成。

  消费端的排放大户是工业、交通、建筑三个领域,工业领域的排放大户是钢铁、建材、化工、有色四个产业。

  从现有技术分析,交通的低碳化甚至非碳化较易实现,即轨道交通和私家车可用电力替代,船舶、卡车、航空可部分用氢能替代。这里关键处是建设私家车的充电体系,建设从制氢到输运再到加氢站的完整体系,当然还有如何保证经济、安全运行等问题。

  建筑领域的低碳化技术亦基本具备,大致可考虑以下途径:城市以全面电气化为主,加上条件具备的小区以电动热泵(地源热泵、空气源或者长程余热)为补充,少部分情况特殊者可部分利用天然气;农村则以屋顶光伏+电动热泵+天然气+生物沼气+输入电力的适当组合为主。

  以上两大领域去碳化的关键是政府与市场做好协调,并以合适节奏推广之。

  目前,工业领域的钢铁、建材、化工、有色产业还没有用电力、氢能替代化石能源的成熟技术,虽然从理论上讲是可以实现的,但仍需技术层面变革性的突破和行业间的协调。事实上,国内外一些企业与研发单位在氢能+电力+煤炭的“混合型”炼铁(如氢冶金)上已有较为成功的先例。从工艺流程再造看,不同工业过程既可考虑先走低碳化的“混合型”再到无碳化的“清洁型”,也可考虑一步取代到位。

  由此可见,能源消费端的“替代路线”亦需研发大量新技术并布局大量新产业。

  需要说明的是,水泥一般用石灰石做原料,煅烧过程中不可能不产生二氧化碳,这部分如得不到捕集利用,当在“不得不排放”的二氧化碳之列。此外,煤、油、气作为资源来生产基础化学品、高端材料、航油等,其开采—加工—产品使用的全生命周期中也存在“不得不排放”的二氧化碳。

  从以上两部分的分析看,无论是发电端还是能源消费端,到2060年都会有相当数量的碳排放存在,需要其他技术予以中和。

 (三)“固碳端”之要在生态建设

  学术界对固碳方式已有过很多研究,主要分六大类。第一类是通过对退化生态系统的修复、保育等措施,增强光合作用并将更多碳以有机物的形式固定在植物(尤其是森林)和土壤之中。这是最重要的固碳过程。2010—2020年间,我国陆地生态系统的净固碳能力约为每年10亿—13亿吨二氧化碳。第二类是从烟道中收集二氧化碳,制成各类化学品和燃料,或者用于藻类养殖,形成生物制品。第三类是收集二氧化碳气体,用于油田驱油、驱气过程。第四类是收集二氧化碳,制成碳化水泥。第五类是收集二氧化碳后,封存于地层之中。第六类是生物质燃料利用、采伐树木及秸秆等闷烧还田等。

  由于生态建设是“国之大者”,而后面五类“碳固存技术”的应用均需额外耗能,且未必经济合算,因此,固碳端的工作当首先聚焦于生态建设。在2060年之前,对非生态碳固存技术先做深入研究和技术储备,力争掌握知识产权和工程技术,大幅度降低成本;临近2060年时,根据我国“不得不排放”的二氧化碳量和生态固碳贡献状况,再相机推动这些技术的应用。

位于伊吾县淖毛湖镇戈壁滩上的新疆首座光热发电站——哈密 50 兆瓦熔盐塔式光热发电站  视觉中国 / 供图  位于伊吾县淖毛湖镇戈壁滩上的新疆首座光热发电站——哈密 50 兆瓦熔盐塔式光热发电站  视觉中国 / 供图

 三、中国碳中和需制定分阶段实施方案

  在已有的经济社会发展逻辑之下,不管是由于技术上不具备还是经济上不合算,到本世纪中叶,一定会产生一部分“不得不人为排放”的二氧化碳。因此,我们在对标碳中和时,首先要搞清楚一个问题:我们减排到什么程度,即可达到碳中和?

  过去的全球碳循环数据表明,人为排放二氧化碳中的54%被陆地和海洋的自然过程所吸收,假定未来几十年碳循环方式基本不变,尤其是海洋吸收23%的比例不变,则各国排放的留在大气中的46%那部分应该是“中和对象”。但事实上,陆地吸收的31%,一部分是通过生态过程,一部分是通过其他过程,二者之间的比例目前尚未研究清楚。根据相关研究,2010—2020年间我国陆地生态系统每年的固碳量为10亿—13亿吨二氧化碳。一些专家根据这套数据采用多种模型综合分析后,预测2060年我国陆地生态系统固碳能力为10.72亿吨二氧化碳/年,如果增强生态系统管理,还可新增固碳量2.46亿吨二氧化碳/年,即2060年我国陆地生态系统固碳潜力总量为13.18亿吨二氧化碳/年。

  根据以上分析,如果我国2060年排放25亿—30亿吨二氧化碳,则海洋可吸收5.75亿—6.9亿吨,生态建设吸收13亿吨,陆地总吸收的31%中,生态吸收以外的其他过程如果占比17%,则为4.25亿—5.1亿吨,那么吸收总数将在23亿—25亿吨之间;在此基础上,如果发展5亿吨规模的CCUS技术固碳,则大致能达到碳中和。

  如果我们将2060年“不得不排放”的二氧化碳设定为25亿—30亿吨,则需要在目前100亿吨的基础上减排70%—75%,挑战性非常之大。这就需要制定分阶段减排规划。理论上讲,我国可考虑“四步走”的减排路径,从现在起用40年左右的时间达到碳中和目标。

  第一步为“控碳阶段”,争取到2030年把二氧化碳排放总量控制在100亿吨之内,即“十四五”期间可比目前增一点,“十五五”期间再减回来。在这第一个十年中,交通领域争取大幅度增加电动汽车和氢能运输占比,建筑领域的低碳化改造争取完成半数左右,工业领域利用煤+氢+电取代煤炭的工艺过程完成大部分研发和示范。这十年间增长的电力需求应尽量少用火电满足,而应以风、光为主,内陆核电完成应用示范,制氢和用氢的体系完成示范并有所推广。

  第二步为“减碳阶段”,争取到2040年把二氧化碳排放总量控制在85亿吨之内。在这个阶段,争取基本完成交通领域和建筑领域的低碳化改造,工业领域全面推广用煤/石油/天然气+氢+电取代煤炭的工艺过程,并在技术成熟领域推广无碳新工艺。这十年,火电装机总量争取淘汰15%的落后产能,用风、光资源制氢和用氢的体系完备并大幅度扩大产能。

  第三步为“低碳阶段”,争取到2050年把二氧化碳排放总量控制在60亿吨之内。在此阶段,建筑领域和交通领域达到近无碳化,工业领域的低碳化改造基本完成。这十年,火电装机总量再削减25%,风、光发电及制氢作为能源主力,经济适用的储能技术基本成熟。据估计,我国对核废料的再生资源化利用技术在这个阶段将基本成熟,核电上网电价将有所下降,故用核电代替火电作为“稳定电源”的条件将基本具备。

  第四步为“中和阶段”,力争到2060年把二氧化碳排放总量控制在25亿—30亿吨。在此阶段,智能化、低碳化的电力供应系统得以建立,火电装机只占目前总量的30%左右,并且一部分火电用天然气替代煤炭,火电排放二氧化碳力争控制在每年10亿吨,火电只作为应急电力和承担一部分地区的“基础负荷”,电力供应主力为光、风、核、水。除交通和建筑领域外,工业领域也全面实现低碳化。尚有15亿吨的二氧化碳排放空间主要分配给水泥生产、化工、某些原材料生产和工业过程、边远地区的生活用能等“不得不排放”领域。其余5亿吨的二氧化碳排放空间机动分配。

  “四步走”路线图只是一个粗略表述,由于技术的进步具有非线性,所谓十年一时期也只是为表述方便而划分。

内蒙古草原上风力涡轮机和太阳能电池板内蒙古草原上风力涡轮机和太阳能电池板

 四、实现碳中和需发挥我国的制度优势

  2060年实现碳中和,对我国固然是一个非常严峻的挑战,但我们也应看到,这中间蕴含着巨大的机遇。

  首先,我国尽管煤炭资源相当丰富,但油气资源不足,大量进口油气资源又面临地缘政治上的风险,而煤炭作为一种十分宝贵的资源,当作燃料用于发电、供热,确实是“大材小用”,况且煤炭燃烧时所排放的硫化物、硝化物和粉尘对大气环境有明显破坏作用。我国如能够大规模利用可再生能源而逐渐摆脱对煤炭的依赖,将在资源和环境两大方面收获实实在在的好处。

  其次,我国的风、光资源相当丰富,有专家曾做过测算,如果能把鄂尔多斯高原、阿拉善高原、柴达木盆地这60多万平方千米的干旱区的一半区域覆盖上太阳能电池板,就能够满足全国的能源需求。实践证明,太阳能电池板安装以后,对干旱区的生态恢复大有帮助。也就是说,在干旱区建太阳能发电站,将在清洁能源和生态恢复两方面获得效益。

  再次,我国在非碳能源领域的技术相对先进,包括太阳能发电技术、核能技术、储能技术、特高压输电技术等。举个例子,一些国家对我国的太阳能电池板设置100%的关税,一方面说明他们实施贸易保护主义,违反WTO规则;另一方面则说明了我们在这个领域中的绝对领先地位。在全世界的绿色转型大潮中,我们的绿色技术将支撑新兴产业的发展,成为经济增长的新动能,并为我国的民族复兴大业提供强大助力。

  因此,实现碳中和,并不全是国际社会强加于我们的事情,也是我国经济社会发展到一定程度之后的内在要求。当然,在这样广泛而深远的绿色转型中,我们一定要自己掌握自己的节奏,不能引起能源短缺危机;同时,也要使能源的价格保持在相对低廉的水平,既给老百姓的生活带来真真切切的便利,又能使我们的制造业继续在世界上保持足够竞争力。

  碳中和要求经济社会大转型,涉及广阔的领域,需要在党和政府的坚强领导下,发挥出全国一盘棋的体制性优势。其中,有三个方面需要做好协调。

  一是统筹全国的研发力量,形成一个完整的、有足够竞争力的研发体系。从前面的介绍即可看出,碳中和说到底是技术为王,只有靠先进的技术才能获得产业的竞争力。我国有一支庞大的围绕绿色产业的科技研发队伍,各个领域都有专门人才和研究团队。未来我们需要进一步协调和优化的工作是在国家规划目标的引领下,把这些团队和人才组织起来,把不足的研发短板补齐,形成一个以目标为导向的研发网络或责任体系,从而支撑与碳中和相关的产业健康有序发展。

  二是在向碳中和目标挺进的过程中,政府和市场要做好协调,扮演好各自的角色,从而做到“两只手”均发挥出最大效能。据估计,我国实现碳中和,需要百万亿数量级的投资,绝非政府一家能够单独提供,投资主体还是应该来自市场。但在引导投资过程中,政府可在法律、行政法规、税收、补贴、产业政策、碳配额投放、绿色金融政策等方面发挥十分有力的作用。回想十几年前,我国政府以《可再生能源促进法》为依据,推动光伏发电、风力发电、储能技术、电动汽车等产业的迭代进步,现在已收到十分明显的成效。以光伏发电为例,十年前尚需对上网电价提供高额补贴,现在已经可以竞争平价上网。这是政府和市场形成合力的典型案例,也是我们未来必须坚持发挥的体制优势。

  三是在构建人类命运共同体的旗帜下,做好国际合作。技术、产业都需要开放的环境,都需要在交流的过程中发展进步,因此在政府的推动下,做好科技界和产业界的国际合作工作,是我国实现碳中和的重要保证。


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