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丁仲礼:碳中和对中国的挑战和机遇

日期:2022-01-14    来源:中国新闻发布  作者:丁仲礼

国际新能源网

2022
01/14
08:46
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关键词: 碳排放 化石燃料 碳中和

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。

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。

广东省珠海市的海上风力发电场 视觉中国/供图

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

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(无人机视角)

视觉中国 / 供图

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,需要百万亿人民币数量级的投资,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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