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            碳中和資訊

            丁仲禮:碳中和對中國的挑戰和機遇

            2022-01-10 碳中和資訊 加入收藏
            文/丁仲禮中國科學院院士,十三屆全國人大常委會副委員長,民盟中央主席,歐美同學會會長中國國家主席習近平于2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上向世界莊嚴宣布:“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,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?!逼浜?,習主席又在多個國際場合對此作出承諾,表明中國政府和中國人民言必信、行必果的決心,為國際社會

            丁仲禮:碳中和對中國的挑戰和機遇(圖1)

            文/丁仲禮

            中國科學院院士,十三屆全國人大常委會副委員長,

            民盟中央主席,歐美同學會會長

            中國國家主席習近平于2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上向世界莊嚴宣布:“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,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?!逼浜?,習主席又在多個國際場合對此作出承諾,表明中國政府和中國人民言必信、行必果的決心,為國際社會合作應對全球氣候變暖提供了十分強大的助力。

            眾所周知,化石燃料是工業革命以來人類得以發展進步的重要物質基礎。在未來的發展進程中,如何逐步擺脫對化石燃料的依賴,真正向低碳社會轉型,將是一項十分嚴峻的挑戰。對中國來講,更是如此。因為中國是工業化過程的后來者,并沒有像一些發達國家那樣,進入能源消耗已呈下降趨勢的后工業化時期。為此,中國科學院學部組織百余位院士專家,從技術和產業層面對我國如何實現碳中和作了較為系統的研究,獲得了對碳中和路線圖的框架性認識。本文擬對此作一簡介。

            一、中國的二氧化碳排放歷史和現狀

            人類大量利用化石燃料,向大氣排放二氧化碳,是工業革命以后的事,但大氣中二氧化碳濃度有實質性增加,則主要是近100年來出現的現象。中國從19世紀后半葉開始發展工業,但由于社會動蕩不安,工業化進程十分緩慢,一直到新中國成立以后,才開始系統性工業化。二氧化碳排放開始進入快速增長時期,則要到1978年改革開放尤其是2001年加入世界貿易組織(WTO)以后。

            我們來看國際權威數據庫提供的基本信息:從1850年到2019年,全球共排放了16100億噸二氧化碳,其中中國為2200億噸,占13.7%,遠低于我國人口在全球的占比;而美國同期則排放了4100億噸,占比高達25%以上;七國集團(G7)國家整體上的排放量為7340億噸,占比高達45.6%,而其人口在全球占比則不到10%。通過計算,我們可獲得1850—2019年人均累計二氧化碳排放量(每年的人均排放之加和):美國2174噸、G7國家1397噸、全球386噸,而中國是182噸——只是美國的8.4%、G7國家的13.0%、全球平均的47.2%。

            由此可見,中國對全球大氣二氧化碳濃度增加的貢獻并不高。何況中國自加入WTO以來,一直承擔著“世界工廠”的角色,相當一部分的排放是用于生產出口產品。因此,中國絕不像一些西方報刊所描繪的那樣,是“全球最大的排放國”。即使以國家作為比較單位,美國對大氣二氧化碳濃度增高的歷史貢獻也遠大于中國。如果以人均累計排放量作為評價指標,中國則遠低于全球平均,而這其實是最為合理的評價指標,因為不同國家的工業化起步時間有早晚,一個國家的工業化程度、城市化程度、人民生活水平、基礎設施水平等,都需要消耗化石能源來提升,都需要時間來建設,都同人口數量相關。脫離了人口、歷史這兩個因子,比較國與國之間的排放是毫無意義的。

            但是,我們不得不承認,目前全世界每年總共排放約400億噸二氧化碳,中國大約占四分之一,即100億噸左右,年度人均排放已經超過全球人均水平。中國從加入WTO以來,二氧化碳排放量的快速增長,是同我國的壓縮式發展分不開的。要發展就得增加能源消耗,在非碳能源技術尚未成熟的背景下,這就意味著排放增加。

            中國目前的人均國內生產總值(GDP)剛超過1萬美元大關。從發達國家走過的歷程看,在人均GDP達到1萬美元之前,人均能耗的增長非常強勁;從1萬美元到4萬美元,人均能耗還會緩慢增長;達到4萬美元之后,人均能耗將處于逐漸下降階段,當然這也可能同發達國家將高能耗、高污染產業轉移到發展中國家去有關。中國力爭在2060年達到碳中和,而從現在到2060年我國正處于人均GDP從1萬美元到4萬美元的奮斗過程中,人均能源消耗的繼續增長是不可避免的。一些發達國家在上世紀80年代即達到人均能耗高峰,并且從碳達峰到碳中和至少要用70年時間。和他們不同,中國要從2030年碳達峰后,用30年時間完成碳中和,挑戰無疑是巨大的。

            那么,中國目前每年約100億噸二氧化碳的排放主要來自何處?了解這一點對如何實現碳中和至關重要,這也是碳中和路線圖的邏輯起點。根據國家相關統計,中國目前的一次能源消費總量約為每年50億噸標準煤(編者注:一次能源是指自然界中以原有形式存在的、未經加工轉換的能量資源,又稱天然能源),其中煤炭、石油、天然氣的占比分別為57.7%、18.9%、8.1%,非碳能源的占比僅為15.3%。100億噸二氧化碳的排放,發電(供熱)占比45%,建筑占比5%,交通占比10%,工業占比39%,農業占比1%。發電(供熱)的主要終端消費者為工業(64.6%)和建筑(28%)。從以上數據可以看出,二氧化碳的終端排放源主要為工業(約占68.1%)、建筑(約占17.6%)和交通(約占10.2%)。因此,實現碳中和工作的著力點也應該集中在這些領域。

            二、碳中和的基本邏輯和技術支撐

            碳中和的概念等同于“凈零排放”,而不是二氧化碳“零排放”。凈零排放的概念就是人類可以排放一定數量的二氧化碳,但這個排放量中的一部分被自然過程吸收而固定,余下部分則通過人為努力而固定(比如通過生態系統建設吸收二氧化碳,或把二氧化碳收集后轉為工業品或封存于地下),排放量與固碳量相等,則為碳中和。評價一個國家、一個地區甚至一家企業碳中和與否或碳中和程度,看的就是其排放量和固碳量之比。

            根據國際上過去幾十年來的觀測統計,人類排放的所有二氧化碳中有54%被自然過程吸收(其中陸地吸收31%,海洋吸收23%),另外的46%留在大氣中,成為大氣二氧化碳濃度升高的主要貢獻者。海洋吸收主要通過無機過程形成碳酸鈣沉積和微體生物合成碳酸鈣,陸地吸收則主要通過生態系統固存有機碳和土壤/地下水吸收形成無機碳酸鹽,以及在河道、河口中沉積埋藏有機碳。盡管陸地吸收總量是已知的,但到目前為止,各種陸地吸收過程的相對比例并不清楚。根據中國科學院“碳收支”專項研究成果,我國通過自然保護和生態工程建設等,2010—2020年間的陸地生態系統凈固碳能力為每年10億—13億噸二氧化碳。

            根據前面介紹的排放來源和吸收過程的數據,我們可以得出結論:碳中和是一個“三端共同發力”的體系,即“發電端”用風、光、水、核等非碳能源替代煤、油、氣,“能源消費端”通過工藝流程再造,用綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣,“固碳端”用生態建設、碳捕捉—利用—封存(CCUS)等碳固存技術,將碳人為地固定在地表、產品或地層中。這就是碳中和的基本邏輯。

            一國無論是技術原因,還是市場原因,其“不得不排放”的二氧化碳總量等同于自然吸收量與人為固碳量之和,即可視為“凈零排放”,實現了該國的碳中和。由此可見,有先進并廉價的技術可供這“三端”所用,是實現碳中和的前提條件。也就是說,“技術為王”將在碳中和過程中得以充分體現。下面,我們來對這“三端”體系分別作簡單介紹。

            (一)“發電端”之要在構建新型電力系統

            我國目前的發電裝機容量約為22億千瓦,未來假定:(1)能源消費端要實現電力替代、氫能替代(氫氣也主要產自電力);(2)為實現人均GDP從1萬美元增到3萬—4萬美元,所需的能源明顯增長;(3)風、光發電利用小時數難以明顯提高,那么估計我國實現碳中和之時,總的電力裝機容量會在60億—80億千瓦之間。因此,未來新型電力系統的第一個特點是電力裝機容量巨大。

            第二個特點是我國十分豐富的風、光資源將逐步轉變為主力發電和供能資源,這既包括西部的風、光資源,也包括沿海大陸架風力資源,更包括各地分散式(尤其是農村)的光熱等資源(如屋頂和零星空地)。

            第三個特點是“穩定電源”應從目前火電為主逐步轉化為以核電、水電和綜合互補的清潔能源為主。

            第四個特點是必須利用能量的存儲、轉化及調節等技術,克服風、光資源波動性大的天然缺陷。

            第五個特點是火電(為減少二氧化碳排放,應逐步用天然氣取代煤炭發電)只作為應急電源或一部分調節電源。

            第六個特點是在現有基礎上,成倍擴大輸電基礎設施,平衡區域資源差異;并加強配電基礎建設,增強對分布式資源的消納能力。

            為實現碳中和,我國擬以裝機總量60億—80億千瓦,風力發電、光伏發電共占比70%,“穩定電源”占比30%為目標,規劃新型電力系統。在40年內,大致以每十年為一期,順次走控碳電力、降碳電力、低碳電力最后到近無碳電力之路,并完成超大規模的輸變電基礎設施建設。

            要建立這樣的新型電力系統,無論是發電,還是儲能、轉化、消納、輸出等,技術上都有大量需要攻克的關鍵環節,這將成為實現碳中和目標工作的重中之重。

            (二)“能源消費端”之要在電力替代、氫能替代以及工藝重構

            用非碳能源發電、制氫,再用電力、氫能替代煤、油、氣用于工業、交通、建筑等領域,從而實現消費端的低碳化甚至非碳化,這是實現碳中和的核心內容。在電力供應充足和廉價的前提下,消費端的低碳化主要通過各種生產工藝流程的再造來完成。

            消費端的排放大戶是工業、交通、建筑三個領域,工業領域的排放大戶是鋼鐵、建材、化工、有色四個產業。

            從現有技術分析,交通的低碳化甚至非碳化較易實現,即軌道交通和私家車可用電力替代,船舶、卡車、航空可部分用氫能替代。這里關鍵處是建設私家車的充電體系,建設從制氫到輸運再到加氫站的完整體系,當然還有如何保證經濟、安全運行等問題。

            建筑領域的低碳化技術亦基本具備,大致可考慮以下途徑:城市以全面電氣化為主,加上條件具備的小區以電動熱泵(地源熱泵、空氣源或者長程余熱)為補充,少部分情況特殊者可部分利用天然氣;農村則以屋頂光伏+電動熱泵+天然氣+生物沼氣+輸入電力的適當組合為主。

            以上兩大領域去碳化的關鍵是政府與市場做好協調,并以合適節奏推廣之。

            目前,工業領域的鋼鐵、建材、化工、有色產業還沒有用電力、氫能替代化石能源的成熟技術,雖然從理論上講是可以實現的,但仍需技術層面變革性的突破和行業間的協調。事實上,國內外一些企業與研發單位在氫能+電力+煤炭的“混合型”煉鐵(如氫冶金)上已有較為成功的先例。從工藝流程再造看,不同工業過程既可考慮先走低碳化的“混合型”再到無碳化的“清潔型”,也可考慮一步取代到位。

            由此可見,能源消費端的“替代路線”亦需研發大量新技術并布局大量新產業。

            需要說明的是,水泥一般用石灰石做原料,煅燒過程中不可能不產生二氧化碳,這部分如得不到捕集利用,當在“不得不排放”的二氧化碳之列。此外,煤、油、氣作為資源來生產基礎化學品、高端材料、航油等,其開采—加工—產品使用的全生命周期中也存在“不得不排放”的二氧化碳。

            從以上兩部分的分析看,無論是發電端還是能源消費端,到2060年都會有相當數量的碳排放存在,需要其他技術予以中和。

            (三)“固碳端”之要在生態建設

            學術界對固碳方式已有過很多研究,主要分六大類。第一類是通過對退化生態系統的修復、保育等措施,增強光合作用并將更多碳以有機物的形式固定在植物(尤其是森林)和土壤之中。這是最重要的固碳過程。2010—2020年間,我國陸地生態系統的凈固碳能力約為每年10億—13億噸二氧化碳。第二類是從煙道中收集二氧化碳,制成各類化學品和燃料,或者用于藻類養殖,形成生物制品。第三類是收集二氧化碳氣體,用于油田驅油、驅氣過程。第四類是收集二氧化碳,制成碳化水泥。第五類是收集二氧化碳后,封存于地層之中。第六類是生物質燃料利用、采伐樹木及秸稈等悶燒還田等。

            由于生態建設是“國之大者”,而后面五類“碳固存技術”的應用均需額外耗能,且未必經濟合算,因此,固碳端的工作當首先聚焦于生態建設。在2060年之前,對非生態碳固存技術先做深入研究和技術儲備,力爭掌握知識產權和工程技術,大幅度降低成本;臨近2060年時,根據我國“不得不排放”的二氧化碳量和生態固碳貢獻狀況,再相機推動這些技術的應用。

            三、中國碳中和需制定分階段實施方案

            在已有的經濟社會發展邏輯之下,不管是由于技術上不具備還是經濟上不合算,到本世紀中葉,一定會產生一部分“不得不人為排放”的二氧化碳。因此,我們在對標碳中和時,首先要搞清楚一個問題:我們減排到什么程度,即可達到碳中和?

            過去的全球碳循環數據表明,人為排放二氧化碳中的54%被陸地和海洋的自然過程所吸收,假定未來幾十年碳循環方式基本不變,尤其是海洋吸收23%的比例不變,則各國排放的留在大氣中的46%那部分應該是“中和對象”。但事實上,陸地吸收的31%,一部分是通過生態過程,一部分是通過其他過程,二者之間的比例目前尚未研究清楚。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。

            根據以上分析,如果我國2060年排放25億—30億噸二氧化碳,則海洋可吸收5.75億—6.9億噸,生態建設吸收13億噸,陸地總吸收的31%中,生態吸收以外的其他過程如果占比17%,則為4.25億—5.1億噸,那么吸收總數將在23億—25億噸之間;在此基礎上,如果發展5億噸規模的CCUS技術固碳,則大致能達到碳中和。

            如果我們將2060年“不得不排放”的二氧化碳設定為25億—30億噸,則需要在目前100億噸的基礎上減排70%—75%,挑戰性非常之大。這就需要制定分階段減排規劃。理論上講,我國可考慮“四步走”的減排路徑,從現在起用40年左右的時間達到碳中和目標。

            第一步為“控碳階段”,爭取到2030年把二氧化碳排放總量控制在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,交通領域爭取大幅度增加電動汽車和氫能運輸占比,建筑領域的低碳化改造爭取完成半數左右,工業領域利用煤+氫+電取代煤炭的工藝過程完成大部分研發和示范。這十年間增長的電力需求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,爭取基本完成交通領域和建筑領域的低碳化改造,工業領域全面推廣用煤/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%的落后產能,用風、光資源制氫和用氫的體系完備并大幅度擴大產能。

            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,建筑領域和交通領域達到近無碳化,工業領域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承擔一部分地區的“基礎負荷”,電力供應主力為光、風、核、水。除交通和建筑領域外,工業領域也全面實現低碳化。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5億噸的二氧化碳排放空間機動分配。

            “四步走”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述方便而劃分。

            四、實現碳中和需發揮我國的制度優勢

            2060年實現碳中和,對我國固然是一個非常嚴峻的挑戰,但我們也應看到,這中間蘊含著巨大的機遇。

            首先,我國盡管煤炭資源相當豐富,但油氣資源不足,大量進口油氣資源又面臨地緣政治上的風險,而煤炭作為一種十分寶貴的資源,當作燃料用于發電、供熱,確實是“大材小用”,況且煤炭燃燒時所排放的硫化物、硝化物和粉塵對大氣環境有明顯破壞作用。我國如能夠大規模利用可再生能源而逐漸擺脫對煤炭的依賴,將在資源和環境兩大方面收獲實實在在的好處。

            其次,我國的風、光資源相當豐富,有專家曾做過測算,如果能把鄂爾多斯高原、阿拉善高原、柴達木盆地這60多萬平方千米的干旱區的一半區域覆蓋上太陽能電池板,就能夠滿足全國的能源需求。實踐證明,太陽能電池板安裝以后,對干旱區的生態恢復大有幫助。也就是說,在干旱區建太陽能發電站,將在清潔能源和生態恢復兩方面獲得效益。

            再次,我國在非碳能源領域的技術相對先進,包括太陽能發電技術、核能技術、儲能技術、特高壓輸電技術等。舉個例子,一些國家對我國的太陽能電池板設置100%的關稅,一方面說明他們實施貿易保護主義,違反WTO規則;另一方面則說明了我們在這個領域中的絕對領先地位。在全世界的綠色轉型大潮中,我們的綠色技術將支撐新興產業的發展,成為經濟增長的新動能,并為我國的民族復興大業提供強大助力。

            因此,實現碳中和,并不全是國際社會強加于我們的事情,也是我國經濟社會發展到一定程度之后的內在要求。當然,在這樣廣泛而深遠的綠色轉型中,我們一定要自己掌握自己的節奏,不能引起能源短缺危機;同時,也要使能源的價格保持在相對低廉的水平,既給老百姓的生活帶來真真切切的便利,又能使我們的制造業繼續在世界上保持足夠競爭力。

            碳中和要求經濟社會大轉型,涉及廣闊的領域,需要在黨和政府的堅強領導下,發揮出全國一盤棋的體制性優勢。其中,有三個方面需要做好協調。

            一是統籌全國的研發力量,形成一個完整的、有足夠競爭力的研發體系。從前面的介紹即可看出,碳中和說到底是技術為王,只有靠先進的技術才能獲得產業的競爭力。我國有一支龐大的圍繞綠色產業的科技研發隊伍,各個領域都有專門人才和研究團隊。未來我們需要進一步協調和優化的工作是在國家規劃目標的引領下,把這些團隊和人才組織起來,把不足的研發短板補齊,形成一個以目標為導向的研發網絡或責任體系,從而支撐與碳中和相關的產業健康有序發展。

            二是在向碳中和目標挺進的過程中,政府和市場要做好協調,扮演好各自的角色,從而做到“兩只手”均發揮出最大效能。據估計,我國實現碳中和,需要百萬億人民幣數量級的投資,絕非政府一家能夠單獨提供,投資主體還是應該來自市場。但在引導投資過程中,政府可在法律、行政法規、稅收、補貼、產業政策、碳配額投放、綠色金融政策等方面發揮十分有力的作用?;叵胧畮啄昵?,我國政府以《可再生能源促進法》為依據,推動光伏發電、風力發電、儲能技術、電動汽車等產業的迭代進步,現在已收到十分明顯的成效。以光伏發電為例,十年前尚需對上網電價提供高額補貼,現在已經可以競爭平價上網。這是政府和市場形成合力的典型案例,也是我們未來必須堅持發揮的體制優勢。

            三是在構建人類命運共同體的旗幟下,做好國際合作。技術、產業都需要開放的環境,都需要在交流的過程中發展進步,因此在政府的推動下,做好科技界和產業界的國際合作工作,是我國實現碳中和的重要保證。


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