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于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。自此之后，我國各地掀起一股爭取實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(biāo)的態(tài)度是十分嚴(yán)肅的，國際社會應(yīng)該對我們這個“需要在不長時期內(nèi)作出世上規(guī)模最大的碳減排”的國家有充分信心。
但同時我們自己也應(yīng)深刻認(rèn)識到：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”向“碳中和社會”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)立了一個大型咨詢項目，組織百余位來自多個學(xué)部的院士和專家，著重就我國實現(xiàn)碳中和需要形成一個什么樣的技術(shù)體系這一問題，做了“清單式”的研究，并形成了專門報告和著作。
本文將以這個研究為依據(jù)，從碳中和的概念和邏輯入手，重點介紹完成碳中和的“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：近一個多世紀(jì)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(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)濟社會運作體系，即使到有能力實現(xiàn)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(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，才算實現(xiàn)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(biāo)志。
二、我國二氧化碳排放來源及實現(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總量和能源消費結(jié)構(gòu)所決定。我國目前的能源消費總量約為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。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(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（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(chǎn)過程產(chǎn)生的二氧化碳排放，其“賬”應(yīng)該記到電力消費領(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)濟社會出現(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“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?/span>
第二端是能源消費端，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。能源消費端要實現(xiàn)這樣的替代，一個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。
一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發(fā)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(xiàn)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(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，人均能源消費量還會有比較明顯的增長；（3）風(fēng)、光等波動性能源的“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、水電以及綜合互補的非碳能源為主。
四是必須利用能量的存儲、轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)等技術(shù)，彌補風(fēng)、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(yīng)急電源和一部分調(diào)節(jié)電源之用。與此同時，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度。
六是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，成倍擴大輸電基礎(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，加強配電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增強對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總量。正因為如此，未來需要促進(jìn)發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)和輸電技術(shù)這三方面的“革命性”進(jìn)步。
發(fā)電技術(shù)要為綠色低碳電力生產(chǎn)提供支撐。這里面需重點促進(jìn)可再生能源發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，特別是要注重發(fā)展以下技術(shù)：
（1）光伏發(fā)電技術(shù)雖已發(fā)展到可平價上網(wǎng)的程度，但這類技術(shù)在降成本、增效率上還有潛力可挖；
（2）太陽能熱發(fā)電技術(shù)對電網(wǎng)友好，既可保證穩(wěn)定輸出，也可用于調(diào)峰，但目前發(fā)電成本過高，未來應(yīng)在材料、裝置上尋求突破；
（3）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也基本具備平價上網(wǎng)的條件，未來要在大功率風(fēng)機制造、更高空間風(fēng)力的利用、更遠(yuǎn)的海上風(fēng)電站建設(shè)上下功夫；
（4）地?zé)岱植紡V、總量大，但能量密度太低，如要將地?zé)嵊糜诎l(fā)電，還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術(shù)；
（5）生物質(zhì)能也是可再生能源，目前生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)是成熟的，但其在總的電力供應(yīng)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(shù)有待進(jìn)步；
（7）傳統(tǒng)的水電我國開發(fā)程度已經(jīng)較高，未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發(fā)上還有較大潛力。
2022年5月24日，濟南市長清區(qū)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施
中新社發(fā) 徐舟/攝
除以上可再生能源發(fā)電以外，社會公眾還得接受這樣的現(xiàn)實：要達(dá)到碳中和，核電還得較大程度地發(fā)展，因為核電應(yīng)作為“穩(wěn)定電源”的重要組成部分。此外，火電還得在“穩(wěn)定電源”“應(yīng)急電源”“調(diào)節(jié)電源”方面發(fā)揮作用，正因為如此，“無碳電力”在很長時期內(nèi)是難以實現(xiàn)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(shù)在未來的電力供應(yīng)系統(tǒng)中將占有突出的位置，這是因為風(fēng)、光發(fā)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(shù)作出調(diào)節(jié)?？梢赃@樣說，如果沒有環(huán)保、可靠并相對廉價的儲能技術(shù)，碳中和目標(biāo)就會落空。儲能是最重要的電力靈活性調(diào)節(jié)方式，包括物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能三大類，而靈活性調(diào)節(jié)還有火電機組的靈活性改造、車網(wǎng)互動、電轉(zhuǎn)燃料、電轉(zhuǎn)熱等方式和技術(shù)。
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(shù)，我國以東部山地為依托，已建、在建和規(guī)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(shù)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(shù)我國尚處在試驗階段。四是飛輪儲能，這是成熟的技術(shù)，但其能量密度不高。
化學(xué)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(tài)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(yīng)用場景，它們在未來的電力供應(yīng)系統(tǒng)中具有不可或缺的地位，但今后會遇到電池回收、環(huán)保處理、資源供應(yīng)等問題。
電磁儲能主要是超級電容器和超導(dǎo)材料儲能，目前看，它的作用還有待觀察。
現(xiàn)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(fā)揮100%發(fā)電能力，用電低谷時只“出工”20%或30%。這個技術(shù)一旦成熟，應(yīng)該非常管用，尤其在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的早中期階段，應(yīng)將其作為主打技術(shù)。
車網(wǎng)互動是指電動汽車與電網(wǎng)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(tǒng)，如果在電網(wǎng)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(wǎng)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(zhuǎn)化為實踐中的可行性，估計還得創(chuàng)新商業(yè)模式。
電轉(zhuǎn)燃料就是把多余電力轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷等燃料，電力不足時再把燃料用于發(fā)電。電轉(zhuǎn)熱儲能則是用水、油、陶瓷、熔鹽等儲熱材料把多余的電轉(zhuǎn)化為熱儲存，需要時再為用戶放熱。
新型電力供應(yīng)系統(tǒng)的第三個主要組成部分是輸電網(wǎng)絡(luò)。從實現(xiàn)碳中和的邏輯分析，我國未來的電網(wǎng)將有以下幾個突出特點：
（1）遠(yuǎn)距離的輸電規(guī)模將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上增加數(shù)倍，意味著要把西部的清潔電力輸送到東部消納區(qū)，輸電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求巨大；（2）為了統(tǒng)籌、引導(dǎo)大空間尺度上的發(fā)電資源和用戶需求，大電網(wǎng)應(yīng)是基本形態(tài)；（3）貼近終端用戶（如工業(yè)園區(qū)、小城鎮(zhèn)等）的分布式微電網(wǎng)建設(shè)將受到重視，并將成為大電網(wǎng)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(wǎng)的智能化控制技術(shù)上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。
從上面的介紹可知，建立一個新型電力系統(tǒng)，其實是逐步“擠出”火電的過程，或者嚴(yán)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(fēng)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(fēng)、光資源利用起來，并保證電價相對便宜，研發(fā)出先進(jìn)的技術(shù)，尤其是儲能技術(shù)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵！
四、能源消費端的技術(shù)需求
能源消費端的減碳有兩個關(guān)鍵詞，一是替代，二是重建。所謂替代就是用綠電、綠氫、地?zé)岬确翘寄茉刺娲鷤鹘y(tǒng)的煤、油、氣，而重建則強調(diào)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(lǐng)域，對能源消費端的低碳化所需研發(fā)的技術(shù)或替代方式分別作出簡單介紹。
1.建筑部門應(yīng)在三個方面發(fā)力。首先是對建筑本身作出節(jié)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(yīng)以綠電和地?zé)釣橹鳎?/span>農(nóng)村的家庭用能，則可采用屋頂光伏+淺層地?zé)?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(fā)展磁懸浮高速列車；船舶運輸行業(yè)中的內(nèi)河航運可用蓄電池，遠(yuǎn)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(dá)到低碳目標(biāo)。
3.鋼鐵行業(yè)碳排放主要來自煉焦和焦炭煉鐵，它可分兩階段實現(xiàn)低碳化。第一階段是對煉焦?fàn)t、高爐等的余熱、余能作充分利用，同時用鋼化聯(lián)產(chǎn)的方式把煉鋼高爐中的副產(chǎn)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(tǒng)工藝，研發(fā)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?zé)捰枚塘鞒糖鍧崯掍摷夹g(shù)等。
4.我國建材行業(yè)的排放主要來自水泥、陶瓷、玻璃的生產(chǎn)，其中80%來自水泥。建材行業(yè)低碳化應(yīng)從三方面研發(fā)技術(shù)，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(zhì)替代煤炭；三是用綠電作能源生產(chǎn)陶瓷和玻璃。
5.化工排放來自兩大方面，一是生產(chǎn)過程用煤、天然氣作能源，二是用煤、油、氣作原材料生產(chǎn)化工產(chǎn)品時的“減碳”，比如用煤生產(chǎn)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(yè)的低碳化應(yīng)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(dāng)控制煤化工規(guī)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(yè)中的碳排放主要來自選礦、冶煉兩個過程，在整個冶金行業(yè)排放中，鋁工業(yè)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(yè)的低碳化一是在選礦、冶煉過程中盡可能用綠電；二是研發(fā)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(jié)能化改造；四是對鋁廢金屬作回收再生利用。
7.在其他工業(yè)領(lǐng)域中，食品加工業(yè)、造紙業(yè)、纖維制造業(yè)、紡織行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)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(chǎn)加工過程中用的煤、油、氣，二是其廢棄物產(chǎn)生的排放。這些行業(yè)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(wù)業(yè)是一個龐大的領(lǐng)域，但服務(wù)業(yè)以“間接排放”為主，即服務(wù)業(yè)用電一般被統(tǒng)計到電力系統(tǒng)碳排放中，運輸過程中的用油一般被統(tǒng)計到交通排放中，建筑物中的用能（包括餐飲業(yè)的用氣）則被統(tǒng)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(wù)業(yè)可以置身于低碳化之事外，恰恰相反，服務(wù)業(yè)亦有可以“主動作為”的地方，這一方面是大力做好節(jié)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(nóng)業(yè)的碳排放主要來自農(nóng)業(yè)機械的使用，與此同時，農(nóng)業(yè)中的畜牧養(yǎng)殖業(yè)以及種植業(yè)是甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）的主要排放源，而這二者的溫室效應(yīng)能力是同當(dāng)量二氧化碳的數(shù)十倍至數(shù)百倍。從這樣的前提出發(fā)，農(nóng)業(yè)的低碳化。一是農(nóng)業(yè)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(chǎn)量的技術(shù)；三是研發(fā)出減少畜牧業(yè)碳排放的技術(shù)；四是盡可能增加農(nóng)業(yè)土壤的碳含量。
根據(jù)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(shè)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(shù)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?qū)嶓w。
“人努力”進(jìn)行固碳一般可分兩大途徑，一是生態(tài)系統(tǒng)的保育與修復(fù)，二是把二氧化碳捕集起來后，或加工成工業(yè)產(chǎn)品，或封埋于地下或海底，這第二方面就是經(jīng)常談到的“碳捕獲、利用與封存”——CCUS（Carbon Capture and Utilization-Storage）。
公眾對生態(tài)系統(tǒng)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(jìn)入土壤中以有機碳的形式得到較為長期的保存，當(dāng)然有機碳也會部分轉(zhuǎn)化成無機碳并同地表系統(tǒng)中的鈣離子結(jié)合形成石灰石沉積。地表生態(tài)系統(tǒng)盡管類型多樣，但真正起主要作用的還是森林生態(tài)系統(tǒng)，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(nèi)，固碳作用可持續(xù)進(jìn)行；當(dāng)樹木進(jìn)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(xù)保持正向固碳作用，而砍伐的木材可以做成家具等產(chǎn)品，不至于把多年來固定的碳快速返還給大氣。
因此，生態(tài)系統(tǒng)固碳的重點在于森林生態(tài)系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)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(qū)過去生態(tài)受到過較大程度的破壞，最近幾十年來，一直處在恢復(fù)之中，而這些人工次生林或喬/灌混雜林都很“年輕”，有進(jìn)一步發(fā)育、固碳的潛力。同時，我國又有不少非農(nóng)用地可作造林之用，包括近海的灘涂種植紅樹林，城市鄉(xiāng)村的綠化用地種植樹木。所以說，生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)在我國實現(xiàn)碳中和過程中將起到至關(guān)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(shù)、捕集后的工業(yè)化利用技術(shù)（分為生物利用和化工利用兩大類）、地質(zhì)利用和封存技術(shù)。對這些技術(shù)，國內(nèi)外尚處在研發(fā)階段，真正大面積的應(yīng)用尚未見到。
碳捕集技術(shù)分三大類。一是化學(xué)吸收法，它用化學(xué)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(xì)分為化學(xué)吸附法和物理吸附法。化學(xué)吸附法是用吸附材料同二氧化碳分子先作化學(xué)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(dá)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(xué)鏈燃燒捕集、生物質(zhì)能碳捕集、從空氣中直接捕集等技術(shù)。
碳捕集后的工業(yè)化生物利用技術(shù)目前主要有四大類，一是利用二氧化碳在反應(yīng)器中生產(chǎn)微藻，這些微藻再用作生產(chǎn)燃料、肥料、飼料、化學(xué)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(fā)酵過程相結(jié)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(yè)化化工利用又分兩大類技術(shù)途徑，一大類是把二氧化碳中的四價態(tài)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(chǎn)品。另一大類為非還原技術(shù)，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(shù)，也有合成可降解聚合物材料、各類聚酯材料等技術(shù)。
地質(zhì)利用技術(shù)也有很多類型，這些技術(shù)有的已在工業(yè)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(qū)油、驅(qū)煤層氣、驅(qū)天然氣、驅(qū)頁巖氣等，這屬于油氣開采領(lǐng)域的應(yīng)用，這類技術(shù)的一個共性是通過生產(chǎn)性鉆孔把超臨界的二氧化碳壓到地層中，利用它驅(qū)動孔隙、裂隙中的油、氣流出開采性鉆孔，達(dá)到油氣增產(chǎn)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(shù)國內(nèi)外已有工業(yè)應(yīng)用示范。
而另一些技術(shù)則在探索過程中，比如用于開采干熱巖中的地?zé)?。干熱巖埋深在數(shù)千米，其內(nèi)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(chǎn)井并用壓裂手段使巖石增加裂隙，然后在生產(chǎn)井中注入工作介質(zhì)，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(zhì)，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(zhì)封存技術(shù)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(shù)有多種，但這些技術(shù)不可避免地需要額外能量加入，因此有可能把最終產(chǎn)品的成本提高一大塊。至于地質(zhì)封存，盡管理論和實踐上可行，但它似有“空轉(zhuǎn)”之嫌。從現(xiàn)階段看，只有生態(tài)固態(tài)才可兼顧經(jīng)濟效益和社會效益。
六、碳中和的路線圖規(guī)劃
實現(xiàn)碳中和，是一個長期過程，需要有一個指導(dǎo)全局性工作的規(guī)劃，并根據(jù)形勢的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，能形成不斷完善規(guī)劃的工作機制。我國的目標(biāo)是2060年前實現(xiàn)碳中和，顯然在目前的認(rèn)知水平下，要做一個能覆蓋近40年時間長度的規(guī)劃是不太現(xiàn)實的，但有一點我們是必須一開始就要做到心中有數(shù)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(biāo)。
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(tài)系統(tǒng)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(wěn)定的，盡管我們很難預(yù)測未來是否會產(chǎn)生重大改變，但假定海洋將保持這個吸收比例不變，應(yīng)該是有依據(jù)的。
我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力非常強。根據(jù)相關(guān)研究，2010—2020年間我國陸地生態(tài)系統(tǒng)每年的固碳量為10億—13億噸二氧化碳；一些專家根據(jù)這套數(shù)據(jù)并采用多種模型綜合分析后，預(yù)測2060年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力為10.72億噸二氧化碳/年，如果增強生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)固碳工程還沒啟動，這塊兒也應(yīng)該有較大潛力。
至于把碳捕集后作工業(yè)化利用及封存的量有多大，這要取決于技術(shù)水平與經(jīng)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(xiàn)碳中和有“缺口”，政府將對人為工業(yè)化固碳予以補貼，爭取每年達(dá)到3億—5億噸二氧化碳的工業(yè)化固碳與地質(zhì)封存。以中國的工業(yè)技術(shù)發(fā)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(tǒng)把有機碳轉(zhuǎn)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(tǒng)之中等地表過程，它一年能固定的碳總量目前沒有系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)，但粗略估計中位數(shù)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(qū)平鋪鎮(zhèn)境內(nèi)岱湖灘上的漁光互補光伏電站 中新社發(fā) 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(tài)系統(tǒng)固碳14億噸二氧化碳，工業(yè)化固碳和地質(zhì)封存4億噸二氧化碳左右，基本上可以做到“凈零排放”。
當(dāng)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(guī)劃。根據(jù)我國五年規(guī)劃的慣例，可考慮以兩個五年規(guī)劃為一個階段，分四個階段，四十年時間實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
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(nèi)，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(shù)左右，工業(yè)部門利用煤+氫+電取代煤炭的工藝過程大部分完成研發(fā)和示范。這十年間電力需求的增長應(yīng)盡量少用火電滿足，而應(yīng)以風(fēng)、光為主，內(nèi)陸核電完成應(yīng)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(nèi)。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(yè)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(shù)成熟領(lǐng)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(chǎn)能，用風(fēng)、光資源制氫和用氫的體系完備及大幅度擴大產(chǎn)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(nèi)。在此階段，建筑部門和交通部門達(dá)到近無碳化，工業(yè)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(fēng)、光發(fā)電及制氫作為能源主力，經(jīng)濟適用的儲能技術(shù)基本成熟。據(jù)估計，我國對核廢料的再生資源化利用技術(shù)在這個階段將基本成熟，核電上網(wǎng)電價將有所下降，故用核電代替火電作為“穩(wěn)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(yīng)系統(tǒng)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(yīng)急電力和一部分地區(qū)的“基礎(chǔ)負(fù)荷”，電力供應(yīng)主力為光、風(fēng)、核、水。除交通和建筑部門外，工業(yè)部門也全面實現(xiàn)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(chǎn)、化工、某些原材料生產(chǎn)和工業(yè)過程、邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用能等“不得不排放”領(lǐng)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(shù)的進(jìn)步具有非線性，所謂十年一時期也只是為表達(dá)方便而定。
七、碳中和對我國的挑戰(zhàn)和機遇
從前面的介紹可知，實現(xiàn)碳中和，可以理解為經(jīng)濟社會發(fā)展方式的一場大變革，對當(dāng)今世界的任何一個國家來說，都是一場巨大的挑戰(zhàn)。對我國來說，主要的挑戰(zhàn)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(fā)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(fā)達(dá)國家比，是資源性劣勢。
二是我國制造業(yè)的規(guī)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(yè)，這個占比高出歐美發(fā)達(dá)國家很多，這同我國制造業(yè)占比高、“世界工廠”的地位有關(guān)。
三是我國經(jīng)濟社會還處于壓縮式快速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、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(xù)增長。
五是我國2030年達(dá)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(jì)70年代就達(dá)峰了，它們從達(dá)峰到2050年中和，中間有80年的調(diào)整時間。
為了更加清晰地闡明碳中和對我國的挑戰(zhàn)性，我們下面用幾組碳排放有關(guān)的數(shù)據(jù)，以國際比較的方式，來做進(jìn)一步說明。
第一組數(shù)據(jù)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(tǒng)計沒有考慮人口基數(shù)
因此我們需要第二組數(shù)據(jù)，1900年到2020年間的人均累計排放，這套數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)可知，我國最近幾十年的發(fā)展具有壓縮性特征，故目前的人均和國別排放數(shù)據(jù)比較高，這也是掌握話語權(quán)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(xiàn)”非常小。另外，我國的人均GDP已達(dá)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(yè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上達(dá)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(jīng)濟體。
第五組數(shù)據(jù)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(jìn)出口而產(chǎn)生的“碳排放轉(zhuǎn)移”。2018年到2019年間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jìn)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(zhàn)，下面再談五點機遇。
一是我國光伏發(fā)電技術(shù)在世界上已是“一騎絕塵”，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)處在國際第一方陣，核電技術(shù)也跨入世界先進(jìn)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(fēng)、光資源，尤其是西部的荒漠、戈壁地區(qū)，是建設(shè)光伏電站的理想場所，光伏電站建設(shè)還可帶來生態(tài)效益；東部我們有大面積平緩的大陸架，可以為海上風(fēng)電建設(shè)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(nóng)田土壤的碳大都處在不飽和狀態(tài)，因此生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力非常大。
四是我們實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過程，也是環(huán)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(zhì)性降低。
此外，碳中和也意味著我們將實現(xiàn)能源獨立，國內(nèi)自產(chǎn)的原油、天然氣將能滿足化工原料之需要，進(jìn)口油氣將大為減少，所謂的“馬六甲困境”將不再是一個實質(zhì)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(yōu)勢將在碳中和歷程中發(fā)揮重大作用，因為碳中和涉及大量的國家規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策、金融稅收政策等內(nèi)容，需要真正下好全國一盤棋。這點我們從我國推動光伏產(chǎn)業(yè)的歷程中就可以看出，并且諸如此類的經(jīng)驗未來還會不斷被總結(jié)、深化。我們甚至可以預(yù)計，即使是堅持自由市場經(jīng)濟的那些國家，它們?nèi)缦胝嬲龑崿F(xiàn)碳中和，也將在國家產(chǎn)業(yè)政策設(shè)計上獲得助力。
（作者為全國人大常委會副委員長、中國科學(xué)院院士）
來源：《黨委中心組學(xué)習(xí)》