丁仲禮院士：從“碳源”和“碳匯”兩方面理解碳中和

地大熱能地熱能開(kāi)發(fā)利用：2020年9月，國家主席習近平代表我國向世界作出莊嚴承諾：我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和。自此之后，我國各地掀起一股爭取實(shí)現“雙碳”目標的熱潮，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這個(gè)“雙碳”目標的態(tài)度是十分嚴肅的，國際社會(huì )應該對我們這個(gè)“需要在不長(cháng)時(shí)期內作出世上規模最大的碳減排”的國家有充分信心。但同時(shí)我們自己也應深刻認識到：根據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)現碳中和，困難非比尋常。這里面最大的困難是我們尚沒(méi)有全面支持從“高碳社會(huì )”向“碳中和社會(huì )”轉型的技術(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)的基礎上才能逐步得到發(fā)展和確立。

中國科學(xué)院在習近平主席宣布“雙碳”目標后，設立了一個(gè)大型咨詢(xún)項目，組織百余位來(lái)自多個(gè)學(xué)部的院士和專(zhuān)家，著(zhù)重就我國實(shí)現碳中和需要形成一個(gè)什么樣的技術(shù)體系這一問(wèn)題，做了“清單式”的研究，并形成了專(zhuān)門(mén)報告和著(zhù)作。本文將以這個(gè)研究為依據，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”，并在此基礎上討論幾個(gè)公眾比較關(guān)心的問(wèn)題。

一、碳中和的概念

碳中和應從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個(gè)側面來(lái)理解。碳排放既可以由人為過(guò)程產(chǎn)生，又可以由自然過(guò)程產(chǎn)生。人為過(guò)程主要來(lái)自?xún)纱髩K，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(guò)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。但應該指出：近一個(gè)多世紀以來(lái)，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(lèi)，并且以自然固定為主。最主要的自然固碳過(guò)程來(lái)自陸地生態(tài)系統。陸地生態(tài)系統的諸多類(lèi)型中，又以森林生態(tài)系統占大頭。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(lái)后，通過(guò)生物或化學(xué)過(guò)程，把它轉化成其他化學(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(guò)去幾十年中，人為排放的二氧化碳，大致有54%被自然過(guò)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(lái)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。我們可以這樣設想：我們的經(jīng)濟社會(huì )運作體系，即使到有能力實(shí)現碳中和的階段，一定會(huì )存在一部分“不得不排放的二氧化碳”，對它們一方面還會(huì )有54%左右的自然固碳過(guò)程，余下的那部分，就得通過(guò)生態(tài)系統固碳、人為地將二氧化碳轉化成化工產(chǎn)品或封存到地下等方式來(lái)消除。只有當排放的量相等于固定的量之后，才算實(shí)現了碳中和。由此可見(jiàn)，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志。

二、我國二氧化碳排放來(lái)源及實(shí)現碳中和的基本邏輯

我國當前二氧化碳年排放量大數在100億噸左右，約為全球總排放量的四分之一。這樣較大數量的排放主要由我國的能源消費總量和能源消費結構所決定。我國目前的能源消費總量約為50億噸標準煤，其中煤炭、石油和天然氣三者合起來(lái)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(lèi)化石能源中，碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我國能源消費結構中，煤炭占比如此之高，在世界主要國家中是絕無(wú)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(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳排放，其“賬”應該記到電力消費領(lǐng)域頭上。根據進(jìn)一步研究，發(fā)現這45億噸二氧化碳中，約29億噸最終也應記入工業(yè)領(lǐng)域排放，約12.6億噸應記入建筑物建成后的運行排放。所以我們說(shuō)，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(wú)僅有的，這是我國作為“世界工廠(chǎng)”、處在城鎮化快速發(fā)展階段、經(jīng)濟社會(huì )出現壓縮式發(fā)展等因素所決定的。

根據我國二氧化碳的排放現狀，我們就非常容易作出這樣的推斷：中國的碳中和需要構建一個(gè)“三端共同發(fā)力體系”。第一端是電力端，即電力/熱力供應端的以煤為主應該改造發(fā)展為以風(fēng)、光、水、核、地熱等可再生能源和非碳能源為主。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(guò)程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣，水泥生產(chǎn)過(guò)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、地熱等替代煤、油、氣。能源消費端要實(shí)現這樣的替代，一個(gè)重要的前提是全國綠電供應能力幾乎處在“有求必應”的狀態(tài)。第三端是固碳端，可以想見(jiàn)，不管前面兩端如何發(fā)展，在技術(shù)上要達到零碳排放是不太可能的，比如煤、油、氣化工生產(chǎn)過(guò)程中的“減碳”所產(chǎn)生的二氧化碳，又比如水泥生產(chǎn)過(guò)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的將來(lái)。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(lái)，其中最為重要的措施是生態(tài)建設，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、電力供應端的技術(shù)需求

傳統上，電力供應系統包括了發(fā)電、儲能和輸電三大部分，從現在業(yè)界經(jīng)常談到的“新型電力供應系統”的角度，還應把用戶(hù)也統籌考慮在內。從實(shí)現碳中和的角度，我國未來(lái)的電力供應系統應該具備以下六方面特點(diǎn)。

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(lái)要實(shí)現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(guò)的歷程看，人均GDP從一萬(wàn)美元到三四萬(wàn)美元之間，人均能源消費量還會(huì )有比較明顯的增長(cháng)；（3）風(fēng)、光等波動(dòng)性能源的“出工能力”只有傳統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（尤其是農村）光熱資源是補充。

三是“穩定電源”將從目前的火電為主逐步轉化為以核電、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、轉化、調節等技術(shù)，彌補風(fēng)、光資源波動(dòng)性大的天然缺陷。

五是火電還得有，但主要作為應急電源和一部分調節電源之用。與此同時(shí)，火電應完成清潔、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。

六是在現有基礎上，成倍擴大輸電基礎設施，把西部充沛的電力輸送到中東部消納區。與此同時(shí)，加強配電基礎設施建設，增強對分布式能源的消納能力。

在這樣的電力供應系統中，碳中和本身的目標要求未來(lái)電力的70%左右來(lái)自風(fēng)、光發(fā)電，其他30%的穩定電源、調節電源和應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(lái)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(diǎn)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(jià)上網(wǎng)的程度，但這類(lèi)技術(shù)在降成本、增效率上還有潛力可挖；（2）太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)對電網(wǎng)友好，既可保證穩定輸出，也可用于調峰，但目前發(fā)電成本過(guò)高，未來(lái)應在材料、裝置上尋求突破；（3）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也基本具備平價(jià)上網(wǎng)的條件，未來(lái)要在大功率風(fēng)機制造、更高空間風(fēng)力的利用、更遠的海上風(fēng)電站建設上下功夫；（4）地熱分布廣、總量大，但能量密度太低，如要將地熱用于發(fā)電，還得重點(diǎn)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）傳統的水電我國開(kāi)發(fā)程度已經(jīng)較高，未來(lái)在雅魯藏布江、金沙江上游開(kāi)發(fā)上還有較大潛力。

除以上可再生能源發(fā)電以外，社會(huì )公眾還得接受這樣的現實(shí)：要達到碳中和，核電還得較大程度地發(fā)展，因為核電應作為“穩定電源”的重要組成部分。此外，火電還得在“穩定電源”“應急電源”“調節電源”方面發(fā)揮作用，正因為如此，“無(wú)碳電力”在很長(cháng)時(shí)期內是難以實(shí)現的，除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來(lái)再予以封存或利用。

儲能技術(shù)在未來(lái)的電力供應系統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(dòng)性，用戶(hù)端也有波動(dòng)性，這就需要用儲能技術(shù)作出調節?？梢赃@樣說(shuō)，如果沒(méi)有環(huán)保、可靠并相對廉價(jià)的儲能技術(shù)，碳中和目標就會(huì )落空。儲能是最重要的電力靈活性調節方式，包括物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能三大類(lèi)，而靈活性調節還有火電機組的靈活性改造、車(chē)網(wǎng)互動(dòng)、電轉燃料、電轉熱等方式和技術(shù)。

物理儲能主要有四類(lèi)。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(lèi)技術(shù)在我國還處在起步階段。三是重力儲能，簡(jiǎn)單地說(shuō)是利用懸崖、斜坡等地形，電力有余時(shí)把重物提起來(lái)，需要電力時(shí)把重物放下用勢能做功，這類(lèi)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(lèi)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用場(chǎng)景，它們在未來(lái)的電力供應系統中具有不可或缺的地位，但今后會(huì )遇到電池回收、環(huán)保處理、資源供應等問(wèn)題。

電磁儲能主要是超級電容器和超導材料儲能，目前看，它的作用還有待觀(guān)察。

現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(shí)機組可以發(fā)揮100%發(fā)電能力，用電低谷時(shí)只“出工”20%或30%。這個(gè)技術(shù)一旦成熟，應該非常管用，尤其在實(shí)現“雙碳”目標的早中期階段，應將其作為主打技術(shù)。車(chē)網(wǎng)互動(dòng)是指電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的互動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，今后大量的電動(dòng)汽車(chē)整合起來(lái)就是一個(gè)非常龐大的儲能系統，如果在電網(wǎng)電力有余時(shí)，它們中的一部分集中充電，而電力不足時(shí)，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(gè)想法很美好，也有點(diǎn)“浪漫”，但如何將理論上的可能性轉化為實(shí)踐中的可行性，估計還得創(chuàng )新商業(yè)模式。

電轉燃料就是把多余電力轉化為氫氣、甲烷等燃料，電力不足時(shí)再把燃料用于發(fā)電。電轉熱儲能則是用水、油、陶瓷、熔鹽等儲熱材料把多余的電轉化為熱儲存，需要時(shí)再為用戶(hù)放熱。

新型電力供應系統的第三個(gè)主要組成部分是輸電網(wǎng)絡(luò )。從實(shí)現碳中和的邏輯分析，我國未來(lái)的電網(wǎng)將有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：（1）遠距離的輸電規模將在現有的基礎上增加數倍，意味著(zhù)要把西部的清潔電力輸送到東部消納區，輸電基礎設施建設的需求巨大；（2）為了統籌、引導大空間尺度上的發(fā)電資源和用戶(hù)需求，大電網(wǎng)應是基本形態(tài)；（3）貼近終端用戶(hù)（如工業(yè)園區、小城鎮等）的分布式微電網(wǎng)建設將受到重視，并將成為大電網(wǎng)的有效補充；（4）為解決波動(dòng)性強的可再生能源占比高、電力電子裝置比例高的特點(diǎn)，需要在電網(wǎng)的智能化控制技術(shù)上實(shí)現質(zhì)的飛躍。

從上面的介紹可知，建立一個(gè)新型電力系統，其實(shí)是逐步“擠出”火電的過(guò)程，或者嚴格地說(shuō)，是一個(gè)把火電裝機量占比減到最小的過(guò)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(yáng)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(lái)，并保證電價(jià)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(gè)關(guān)鍵詞，一是替代，二是重建。所謂替代就是用綠電、綠氫、地熱等非碳能源替代傳統的煤、油、氣，而重建則強調在替代過(guò)程中，一系列工藝過(guò)程需要重新建立。

對此，我們可分九個(gè)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(jiǎn)單介紹。

1.建筑部門(mén)應在三個(gè)方面發(fā)力。首先是對建筑本身作出節能化改造；其次是針對城市的建筑用能，包括取暖/制冷和家庭炊事等，均應以綠電和地熱為主；農村的家庭用能，則可采用屋頂光伏+淺層地熱+生活沼氣+太陽(yáng)能集熱器+外來(lái)綠電的綜合互補方式。

2.交通部門(mén)可著(zhù)眼于五個(gè)方面。未來(lái)私家車(chē)以純電動(dòng)車(chē)為主；重卡、長(cháng)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(shí)發(fā)展磁懸浮高速列車(chē)；船舶運輸行業(yè)中的內河航運可用蓄電池，遠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(dòng)力；航空則可用生物航空煤油達到低碳目標。

3.鋼鐵行業(yè)碳排放主要來(lái)自煉焦和焦炭煉鐵，它可分兩階段實(shí)現低碳化。第一階段是對煉焦爐、高爐等的余熱、余能作充分利用，同時(shí)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(lái)。第二階段是逐步用新的低碳化工藝取代傳統工藝，研發(fā)和完善富氧高爐煉鋼工藝，煉鋼過(guò)程中以綠氫作還原劑取代焦炭，對廢鋼重煉用短流程清潔煉鋼技術(shù)等。

4.我國建材行業(yè)的排放主要來(lái)自水泥、陶瓷、玻璃的生產(chǎn)，其中80%來(lái)自水泥。建材行業(yè)低碳化應從三方面研發(fā)技術(shù)，一是用電石渣、粉煤灰、鋼渣、硅鈣渣、各類(lèi)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(shí)，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(lái)自?xún)纱蠓矫?，一是生產(chǎn)過(guò)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(shí)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(huì )有碳排放，減的碳一般會(huì )作為二氧化碳排放到大氣中。因此，化工行業(yè)的低碳化應從四個(gè)方面入手，一是蒸餾、焙燒等工藝過(guò)程用綠電、綠氫；二是對余熱、余能作充分的利用；三是適當控制煤化工規模，條件許可時(shí)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(lái)自選礦、冶煉兩個(gè)過(guò)程，在整個(gè)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(yáng)極，碳素在電解過(guò)程中會(huì )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(guò)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(yáng)極；三是對電解槽本身作出節能化改造；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)、醫藥行業(yè)等也有一定量的碳排放，其排放來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一是生產(chǎn)加工過(guò)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(shí)做好廢棄物的回收再利用。

8.服務(wù)業(yè)是一個(gè)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)用電一般被統計到電力系統碳排放中，運輸過(guò)程中的用油一般被統計到交通排放中，建筑物中的用能（包括餐飲業(yè)的用氣）則被統計到建筑排放中，似乎“直接排放”的量并不大。但這樣說(shuō)，并不是說(shuō)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(dòng)作為”的地方，這一方面是大力做好節能工作，另一方面是盡可能用電能替代化石能源的使用。

9.農業(yè)的碳排放主要來(lái)自農業(yè)機械的使用，與此同時(shí)，農業(yè)中的畜牧養殖業(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能力是同當量二氧化碳的數十倍至數百倍。從這樣的前提出發(fā)，農業(yè)的低碳化一是農業(yè)機械用綠電、綠氫替代柴油作動(dòng)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)；四是盡可能增加農業(yè)土壤的碳含量。

根據這九方面的介紹，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，但工藝和設備的再造重建絕不是一件簡(jiǎn)單的事。同時(shí)我們也可以想象，這樣的替代和重建一定會(huì )增加最終消費品的成本。所以說(shuō)，替代和重建需要時(shí)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(guò)程，即通過(guò)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(lèi)活動(dòng)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(guò)程所吸收，余下部分如不通過(guò)人為手段予以固定，則大氣中的二氧化碳濃度還會(huì )逐年增高。所以我們講固碳，主要是指通過(guò)人為努力固定下的那部分，而地球自然固碳過(guò)程則屬于“天幫忙”，很難歸功于具體的國家或實(shí)體。

“人努力”進(jìn)行固碳一般可分兩大途徑，一是生態(tài)系統的保育與修復，二是把二氧化碳捕集起來(lái)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(cháng)久保存在植物本身之中（比如樹(shù)干），也會(huì )有一部分凋落后（比如樹(shù)葉）腐爛進(jìn)入土壤中以有機碳的形式得到較為長(cháng)期的保存，當然有機碳也會(huì )部分轉化成無(wú)機碳并同地表系統中的鈣離子結合形成石灰石沉積。地表生態(tài)系統盡管類(lèi)型多樣，但真正起主要作用的還是森林生態(tài)系統，這是因為森林中的各種樹(shù)木都有很長(cháng)的生長(cháng)期，在樹(shù)木適齡期內，固碳作用可持續進(jìn)行；當樹(shù)木進(jìn)入成熟期，固碳能力就會(huì )減弱，但人們可以通過(guò)砍伐—再造林的方式繼續保持正向固碳作用，而砍伐的木材可以做成家具等產(chǎn)品，不至于把多年來(lái)固定的碳快速返還給大氣。

因此，生態(tài)系統固碳的重點(diǎn)在于森林生態(tài)系統，森林生態(tài)系統的管理一在于保育，二在于擴大面積。我國有大量適宜森林生長(cháng)的山地，這些地區過(guò)去生態(tài)受到過(guò)較大程度的破壞，最近幾十年來(lái)，一直處在恢復之中，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(shí)，我國又有不少非農用地可作造林之用，包括近海的灘涂種植紅樹(shù)林，城市鄉村的綠化用地種植樹(shù)木。所以說(shuō)，生態(tài)系統建設在我國實(shí)現碳中和過(guò)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(lèi)）、地質(zhì)利用和封存技術(shù)。對這些技術(shù)，國內外尚處在研發(fā)階段，真正大面積的應用尚未見(jiàn)到。

碳捕集技術(shù)分三大類(lèi)。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(lèi)，再加熱或減壓將二氧化碳釋放并收集。二是吸附法，又細分為化學(xué)吸附法和物理吸附法?；瘜W(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(guò)率的不同，達到分離、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(lèi)，一是利用二氧化碳在反應器中生產(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(gè)過(guò)程又可稱(chēng)為二氧化碳施肥。三是把二氧化碳同微生物發(fā)酵過(guò)程相結合，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(lèi)技術(shù)途徑，一大類(lèi)是把二氧化碳中的四價(jià)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(lèi)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(lèi)聚酯材料等技術(shù)。

地質(zhì)利用技術(shù)也有很多類(lèi)型，這些技術(shù)有的已在工業(yè)化示范中，有的尚停留在實(shí)驗室探索階段。比如利用收集起來(lái)的二氧化碳驅油、驅煤層氣、驅天然氣、驅頁(yè)巖氣等，這屬于油氣開(kāi)采領(lǐng)域的應用，這類(lèi)技術(shù)的一個(gè)共性是通過(guò)生產(chǎn)性鉆孔把超臨界的二氧化碳壓到地層中，利用它驅動(dòng)孔隙、裂隙中的油、氣流出開(kāi)采性鉆孔，達到油氣增產(chǎn)或增加油氣采收率的目的，與此同時(shí)，二氧化碳則滯留在孔隙、裂隙中得以長(cháng)期封存。該類(lèi)技術(shù)國內外已有工業(yè)應用示范。而另一些技術(shù)則在探索過(guò)程中，比如用于開(kāi)采干熱巖中的地熱。干熱巖埋深在數千米，其內部基本沒(méi)有流體存在，溫度在180℃以上，開(kāi)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(dòng)并采集熱量，最后從開(kāi)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(kāi)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(guò)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(shí)踐上可行，但它似有“空轉”之嫌。從現階段看，只有生態(tài)固態(tài)才可兼顧經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

六、碳中和的路線(xiàn)圖規劃

實(shí)現碳中和，是一個(gè)長(cháng)期過(guò)程，需要有一個(gè)指導全局性工作的規劃，并根據形勢的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，能形成不斷完善規劃的工作機制。我國的目標是2060年前實(shí)現碳中和，顯然在目前的認知水平下，要做一個(gè)能覆蓋近40年時(shí)間長(cháng)度的規劃是不太現實(shí)的，但有一點(diǎn)我們是必須一開(kāi)始就要做到心中有數的，那就是我國到時(shí)候還可以排放多少二氧化碳，或者說(shuō)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。

這個(gè)問(wèn)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)系統固碳量+人為固碳量+其他地表過(guò)程固碳量”這個(gè)公式。對此，我們可以逐項做出分析。

過(guò)去幾十年，海洋對人為排放二氧化碳的吸收比例為23%，這個(gè)過(guò)程還是比較穩定的，盡管我們很難預測未來(lái)是否會(huì )產(chǎn)生重大改變，但假定海洋將保持這個(gè)吸收比例不變，應該是有依據的。

我國陸地生態(tài)系統固碳能力非常強。根據相關(guān)研究，2010—2020年間我國陸地生態(tài)系統每年的固碳量為10億—13億噸二氧化碳；一些專(zhuān)家根據這套數據并采用多種模型綜合分析后，預測2060年我國陸地生態(tài)系統固碳能力為10.72億噸二氧化碳/年，如果增強生態(tài)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(tài)系統固碳潛力總量為13.18億噸二氧化碳/年。此外，我國近海的生態(tài)系統固碳工程還沒(méi)啟動(dòng)，這塊兒也應該有較大潛力。

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(shí)實(shí)現碳中和有“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(gè)假定還是相對“保守”的。

其他地表過(guò)程固碳是指地下水系統把有機碳轉化成石灰石沉淀、水土侵蝕作用把有機碳埋藏于河流—湖泊系統之中等地表過(guò)程，它一年能固定的碳總量目前沒(méi)有系統研究數據，但粗略估計中位數在1億噸二氧化碳左右。

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(gè)宏觀(guān)的粗線(xiàn)條規劃。根據我國五年規劃的慣例，可考慮以?xún)蓚€(gè)五年規劃為一個(gè)階段，分四個(gè)階段，四十年時(shí)間實(shí)現碳中和目標。

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，即“十四五”期間可比目前增一點(diǎn)，“十五五”期間再減回來(lái)。在這第一個(gè)十年中，交通部門(mén)爭取大幅度增加電動(dòng)汽車(chē)和氫能運輸占比，建筑部門(mén)的低碳化改造爭取完成半數左右，工業(yè)部門(mén)利用煤+氫+電取代煤炭的工藝過(guò)程大部分完成研發(fā)和示范。這十年間電力需求的增長(cháng)應盡量少用火電滿(mǎn)足，而應以風(fēng)、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(gè)階段，爭取基本完成交通部門(mén)和建筑部門(mén)的低碳化改造，工業(yè)部門(mén)全面推廣用煤/石油/天然氣+氫+電取代煤炭的工藝過(guò)程，并在技術(shù)成熟領(lǐng)域推廣無(wú)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。在此階段，建筑部門(mén)和交通部門(mén)達到近無(wú)碳化，工業(yè)部門(mén)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。據估計，我國對核廢料的再生資源化利用技術(shù)在這個(gè)階段將基本成熟，核電上網(wǎng)電價(jià)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一部分地區的“基礎負荷”，電力供應主力為光、風(fēng)、核、水。除交通和建筑部門(mén)外，工業(yè)部門(mén)也全面實(shí)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(chǎn)、化工、某些原材料生產(chǎn)和工業(yè)過(guò)程、邊遠地區的生活用能等“不得不排放”領(lǐng)域。其余5億噸二氧化碳排放空間機動(dòng)分配。

“四階段”路線(xiàn)圖只是一個(gè)粗略表述，由于技術(shù)的進(jìn)步具有非線(xiàn)性，所謂十年一時(shí)期也只是為表達方便而定。

七、碳中和對我國的挑戰和機遇

從前面的介紹可知，實(shí)現碳中和，可以理解為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展方式的一場(chǎng)大變革，對當今世界的任何一個(gè)國家來(lái)說(shuō)，都是一場(chǎng)巨大的挑戰。對我國來(lái)說(shuō)，主要的挑戰在以下幾個(gè)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(cháng)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)達國家比，是資源性劣勢。二是我國制造業(yè)的規模十分龐大。我們在前面的介紹中提到，我國接近70%的二氧化碳排放來(lái)自工業(yè)，這個(gè)占比高出歐美發(fā)達國家很多，這同我國制造業(yè)占比高、“世界工廠(chǎng)”的地位有關(guān)。三是我國經(jīng)濟社會(huì )還處于壓縮式快速發(fā)展階段，城鎮化、基礎設施建設、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(cháng)，意味著(zhù)我國的二氧化碳排放無(wú)論是總量還是人均都會(huì )繼續增長(cháng)。五是我國2030年達峰后到2060年中和，其間只有30年時(shí)間，而美國、法國、英國從人均碳排放量考察，在20世紀70年代就達峰了，它們從達峰到2050年中和，中間有80年的調整時(shí)間。

為了更加清晰地闡明碳中和對我國的挑戰性，我們下面用幾組碳排放有關(guān)的數據，以國際比較的方式，來(lái)做進(jìn)一步說(shuō)明。第一組數據是從1900年到2020年間，不同國家的累計二氧化碳排放量（以?xún)|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(gè)累計排放量可大略表明一個(gè)國家長(cháng)期以來(lái)積累起來(lái)的“家底”，但這樣的統計沒(méi)有考慮人口基數，因此我們需要第二組數據，1900年到2020年間的人均累計排放，這套數據以國家為單位，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(lái)的人均排放加和即可得出（數據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。

第三組數據是目前以國家為單位的排放量（以?xún)|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，那么有第四組數據（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。從以上四組數據可知，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據比較高，這也是掌握話(huà)語(yǔ)權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”非常小。另外，我國的人均GDP已達全球平均水平，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)品的基礎上達到的，由此說(shuō)明我國絕不是如一些研究者所說(shuō)的是“能源資源消耗型”經(jīng)濟體。

第五組數據很有意思，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(guò)進(jìn)出口而產(chǎn)生的“碳排放轉移”。2018年到2019年間的數據如下（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。這組數據說(shuō)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，下面再談五點(diǎn)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(wú)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，是建設光伏電站的理想場(chǎng)所，光伏電站建設還可帶來(lái)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)電建設提供大量場(chǎng)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、農田土壤的碳大都處在不飽和狀態(tài)，因此生態(tài)系統的固碳潛力非常大。四是我們實(shí)現碳中和目標的過(guò)程，也是環(huán)境污染物排放大大減少的過(guò)程，這意味著(zhù)我們將徹底解決大氣污染問(wèn)題，其他污染物排放也將實(shí)質(zhì)性降低。此外，碳中和也意味著(zhù)我們將實(shí)現能源獨立，國內自產(chǎn)的原油、天然氣將能滿(mǎn)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(gè)實(shí)質(zhì)性威脅。能源獨立從某種程度上還會(huì )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劃、產(chǎn)業(yè)政策、金融稅收政策等內容，需要真正下好全國一盤(pán)棋。這點(diǎn)我們從我國推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的歷程中就可以看出，并且諸如此類(lèi)的經(jīng)驗未來(lái)還會(huì )不斷被總結、深化。我們甚至可以預計，即使是堅持自由市場(chǎng)經(jīng)濟的那些國家，它們如想真正實(shí)現碳中和，也將在國家產(chǎn)業(yè)政策設計上獲得助力。