观察丨中科院院士邹才能：新能源在碳中和中的地位与作用

摘  要： 二氧化碳是全球碳循环的重要介质，具有实现生态系统有机物的转换和造成温室效应的双重属性。将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为“灰碳”；无法被固定或利用，并留存在大气圈中的二氧化碳定义为“黑碳”。碳中和是人类发展的共识，但在实施过程中面临着政治、资源、技术、市场、能源结构等诸多挑战。提出碳替代、碳减排、碳封存、碳循环是实现碳中和的4种主要途径，其中碳替代将是碳中和的中坚力量。新能源已经成为第3次能源转换的主角，未来将成为碳中和的主导。目前，太阳能、风能、水能、核能、氢能等是新能源的主力军，助力电力部门实现低碳排放；“绿氢”是新能源的后备军，助力工业与交通等领域进一步降低碳排放；人工碳转化技术是连接新能源与化石能源的桥梁，有效降低化石能源的碳排放。预测2030年中国碳达峰的峰值约110´108 t。按照高、中、低3种情景预测2060年中国碳排放将分别降至22´108，33´108，44´108 t。针对中国实现碳中和提出7项实施建议。构建中国新的“三小一大”能源结构，推动实现中国能源“独立自主”战略。

引 言

能源是自然界中能为人类生存及社会进步提供的能力资源。人类自第1次拿起火种之后，能源与水、粮食就构成了人类赖以生存的3大要素。科技进步、社会文明两大动力驱动了能源发展。世界能源结构已经发生两次转换，第1次转换实现了薪柴向煤炭的能源革命，第2次转换实现了煤炭向石油、天然气的能源革命，当前正在经历传统化石能源向新能源的第3次重大转换。按照能源发展规律，能源形态从固体（薪柴与煤炭）、液态（石油）向气态（天然气）转换、能源中碳的数量从高碳（薪柴与煤炭）、中低碳（石油与天然气）向无碳（新能源）转换，未来沿着资源类型减碳化、生产技术密集化、利用方式多样化3大趋势发展。目前，世界能源正在进行化石能源低碳化革命、新能源规模化革命、能源管理智能化革命，3场能源革命正在同步进行，加快形成“新煤炭”、“新油气”、“新电网”。

人类生活在同一个地球、同一个天空，但呼吸着不同二氧化碳含量的“空气”。人类进入工业化以来，二氧化碳排放量不断增加，导致全球气温升高、冰川融化、海平面上升等诸多环境问题，人类赖以生存的环境面临着前所未有的威胁与挑战。据统计自1850年以来，大气中二氧化碳的浓度从280´10-6上升至450´10-6，全球气温上升了0.9～1.2 ℃，海平面上升了20 cm[1-3]。特别是近30年来，全球气温、海平面上升速度加快，气温升高速度达到每10年上升0.2 ℃，海平面上升速度达到0.32 cm/a[4-6]。到本世纪末，如果全球气候升温达到2 ℃，海平面升高将达到36～87 cm，99%的珊瑚礁将消失，陆地上约13%的生态系统将遭到破坏，许多植物和动物面临着灭绝的风险[7]。因此，减少二氧化碳等温室气体排放，限制全球气温上升已经成为全人类共同的目标。2018年10月，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）提出了“碳中和”的目标，到本世纪末将全球气温升高控制在1.5 ℃。

人类活动导致的二氧化碳排放主要来源于化石燃料消费。发展新能源，实现能源转型，降低化石能源消费，构建绿色低碳的能源体系，是降低二氧化碳排放，实现全球碳中和的重要举措之一。本文总结主要国家应对碳中和的主要经验和做法，分析全球二氧化碳排放的分布情况，提出全球实现碳中和所面临的挑战和应对措施。新能源已是第3次能源转换的主角，将在实现碳中和发挥主导作用。针对中国碳中和面临的挑战与机遇，提出中国实现碳中和的路线图与实施路径，为2060年顺利实现碳中和目标提供参考依据。

1、全球碳中和概况

1.1“碳”的类型

碳是生命物质中的主要元素之一，是有机质的重要组成部分，并以二氧化碳、有机物和无机物的形式贮存于地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中。碳元素通过碳固定和碳释放的方式，在地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中进行循环[8]。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大气中的二氧化碳、干旱区盐碱土吸收二氧化碳、含碳元素岩石的形成，以及利用人工技术将二氧化碳转化为化学品或燃料等。碳释放主要来自于植物和动物的呼吸作用、化石燃料的消耗、岩石圈中含碳元素岩石的分解等。本文将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为“灰碳”；将无法被固定或利用，并留存在大气圈中的二氧化碳定义为“黑碳”。人类进入工业化以来，化石燃料消耗急剧增加，岩石圈中化石能源的碳被释放到大气圈中，导致大气圈中二氧化碳的浓度不断增加，地球的碳循环平衡被破坏，造成了大气圈中“黑碳”含量不断增加。因此，碳中和主要目的是减少大气圈中“黑碳”含量，逐步恢复绿色地球碳循环平衡，保护人类赖以生存的生态环境，建设宜居地球。

1.2 碳中和的内涵及意义

IPCC发布的《全球升温1.5 ℃特别报告》指出，碳中和（Carbon-neutral）是指1个组织在1年内的二氧化碳排放通过二氧化碳消除技术达到平衡，或称为净零二氧化碳排放（net zero CO2 emissions）[7]。碳中和目标是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年下降约45%，到2050年实现净零二氧化碳排放。

碳中和的首要任务是到本世纪末将全球气候变暖控制在1.5 ℃。碳中和不仅控制气候变化，也是人类保护生态环境的根本措施，有助于保护生物多样性和生态系统，避免更多的物种灭绝。碳中和加速了能源系统的低碳绿色转型，为全球带来新的经济增长点。根据国际可再生能源机构（IRENA）发布的《能源转型2050》报告显示，碳中和为全球带来2.4%的GDP额外增长，额外增加7´106个能源行业就业岗位等[9]。

1.3 碳中和的进展与做法

截至2021年1月，根据英国能源与气候智库（Energy & Climate Intelligence Unit）统计显示[10]，全球已有28个国家实现或承诺碳中和目标（见表1）。其中，苏里南共和国和不丹已经实现碳中和，瑞典、英国、法国等6个国家通过立法承诺碳中和，欧盟、加拿大、韩国等6个国家及地区正在制定相关法律，中国、澳大利亚、日本、德国等14个国家承诺实现碳中和。2050年是全球实现碳中和的主要时间节点，除2个已经实现碳中和的国家外，芬兰承诺最早（2035年）实现碳中和。另有99个国家正在讨论碳中和目标，其中乌拉圭拟将目标定于2030年，其余国家均将目标拟定于2050年。

已经实现碳中和的2个国家具有国土面积小、森林覆盖率极高等特点，其中苏里南共和国的森林覆盖率达80%，不丹的森林覆盖率为72%。碳中和进程中，欧盟最为积极，欲建设首个碳中和大陆。2019年12月，欧盟委员会正式发布《欧洲绿色协议》，提出到2030年温室气体排放量在1990年基础上减少50%～55%，到2050年实现碳中和目标。2020年12月，日本政府推出《绿色增长战略》，被视为日本2050年实现碳中和目标的进度表。从目前已经承诺碳中和的国家来看，除了欧盟和日本发布了碳中和具体的路线图外，其余国家的碳中和路线尚在进一步制定中。

本文分析总结主要国家和地区碳中和的做法有如下几点：①逐步退出煤发电计划。除德国外，已承诺碳中和的欧盟国家煤炭资源较少，国土面积较小，已经全部退出煤发电。德国宣布将于2040年前全部退出煤发电。煤炭资源丰富或者煤发电消费占比较高的国家（如澳大利亚等），尚未确定退出煤发电计划。②加快太阳能、风能、氢能等新能源产业应用与推广。光伏发电将成为欧盟、日本的第一大电力来源，海上风电迎来爆发式增长。预计到2050年，欧盟、日本海上风电将增长25倍以上。氢能方面，欧盟注重绿氢制备，日本全面发展氢能产业链，韩国已就氢能立法，将氢能应用拓展至交通运输、冶金、发电等领域。③发展碳封存与碳转化技术。德国将重启二氧化碳捕集及封存项目，同时利用丰富的天然气管网设施，大力发展电转气技术，将二氧化碳转化为甲烷进行管网运输。日本发展碳回收和资源化利用技术，到2030年实现二氧化碳回收制燃料的价格与传统喷气燃料相当，到2050年二氧化碳制塑料实现与现有的塑料制品价格相当。④出台碳定价机制，增加碳排放成本。2005年，欧盟开始实施排放交易体系（EU ETS），是世界上第1个多国参与的碳排放交易体系。该交易体系采用“总量管制和交易”规则，在限制温室气体排放总量的基础上，通过买卖行政许可的方式进行碳排放交易。该体系还通过限量和设定交易计划，对各成员国设置限额，将减排目标分解到企业，明确减排上限强制减排。

2 碳中和面临的主要挑战与对策

2.1 全球碳排放现状

据国际能源署（IEA）统计，2019年全球与能源相关的二氧化碳排放量与2018年持平（为333108 t），前5名碳排放量国家分别为中国、美国、印度、俄罗斯、日本，碳排放量分别为98108，48108，23108，15108，11108 t（见图1）[11-12]。亚洲的碳排放主要来自中国、印度和日本，美洲的碳排放主要来自美国、加拿大和巴西，欧洲的碳排放主要来自俄罗斯、德国和英国，非洲的碳排放主要来自南非、埃及和阿尔及利亚，大洋洲的碳排放主要来自澳大利亚。

图1  2000—2019年全球能源相关主要大洲

（a）及主要国家

（b）二氧化碳排放量统计

化石燃料消费是二氧化碳排放增加的主要来源。2003年以来，煤炭消费一直是二氧化碳排放的第1大来源（见图2）。2019年煤炭、石油、天然气消费所排放的二氧化碳量分别占总排量的45%、43%、22%。电力行业是最大的碳排放行业，占总排量的38%，其次为交通、工业和建筑等行业，分别占总排量的24%、23%和9%[12]。

图2  2000—2019年全球能源相关的二氧化碳排放量统 计

2.2 碳中和面临的主要问题

碳中和应对全球气候变化已成为全球共识，但在实施过程中还面临政治、资源、技术、市场、能源结构等多方面挑战。

2.2.1 政治层面

实现碳中和是全球性目标，需要世界各国合作应对，联合国常任理事国应率先在碳中和目标上做出表率，但是美国和俄罗斯两个常任理事国尚未承诺实现碳中和。全球碳排放前5名国家中的印度还没有承诺实现碳中和时间。安哥拉、伊朗、伊拉克、南苏丹、土耳其、也门等国最初签署了《巴黎气候协定》，但还没有正式立法批准。另有99个国家正在讨论碳中和目标，能否通过碳中和目标尚未定论[9]。

2.2.2 资源层面

新能源替代化石燃料是实现碳中和的根本措施。全球太阳能、风能等新能源分布存在时空差异性，为新能源规模发展带来挑战。全球太阳能资源主要集中在赤道附近南北回归线之间，以非洲北部撒哈拉地区最为丰富，非洲大陆东侧及南部、澳大利亚和中国西北地区也是太阳能资源丰富区。风能资源主要分布在东亚、东南亚、中亚、美洲30S—30N地区，以及中国北部和东部、蒙古、澳大利亚东北部、非洲撒哈拉沙漠以南等地区。全球陆地太阳能和风能资源存在明显的地区性与季节性差异[13]。

2.2.3 技术层面

新能源技术成熟度决定了碳中和进程的快慢。太阳能、风能等新能源发电总体价格仍较煤发电高，峰谷稳定性差，调峰技术有待进一步创新。重工业和长途运输等领域难以实现电气化，氢燃料电池是最优选择，但部分关键技术仍处于示范或原型阶段，尚未大规模推广和工业化应用。与传统化石能源制氢（即“灰氢”）相比，可再生能源制氢（即“绿氢”）的成本较高，配套的二氧化碳捕集与封存技术尚处于示范阶段。虽然低碳技术转移具有显著的减排和升温控制效果，但发达国家承诺对发展中国家提供资金和低碳技术援助尚未兑现。

2.2.4 市场层面

碳中和进程中，新能源的推广与应用取决于成本优势和应用便利程度。目前，新能源成本逐年下降，但相对于化石能源仍缺乏竞争力。特别是2020年全球原油价格暴跌，化石能源的成本优势对新能源转型产生不利影响[14]。新能源配套设备不完善，应用不便利，如充电桩尚未普及、加氢站数量少等问题推高了新能源汽车的使用成本。

2.2.5 能源结构层面

全球能源消费结构仍然以化石能源为主，新能源占比偏低。2019年全球能源消费144108 t油当量，其中煤炭占27%、石油占33%、天然气占24%、新能源占16%[15]。碳中和进程中，要大幅度降低煤炭、石油等高碳化石能源消费占比，提高新能源占比。目前，化石能源消费占比仍然偏高，为能源转型带来了挑战。

2.3 实现碳中和的对策

减少碳排放，实现碳中和的对策可以分为碳替代、碳减排、碳封存、碳循环4种主要途径。

碳替代主要包括用电替代、用热替代和用氢替代等。用电替代是利用水电、光电、风电等“绿电”替代火电，用热替代是指利用光热、地热等替代化石燃料供热，用氢替代是指用“绿氢”替代“灰氢”。

碳减排主要包括节约能源和提高能效。在建筑行业主要以提高电器和设备能效、房屋外加太阳能光伏等为主，开发新型的水泥和钢材等材料、减少水泥和钢材的隐含碳排放量等；在交通行业主要以使用更高效的动力系统和更轻的材料等为主。从源头减少“黑碳”的排放量。

碳封存是指将大型火力发电、炼钢厂、化工厂等产生的二氧化碳收集后，运输至合适场所，利用技术手段长时间与大气隔离封存。地质封存是碳封存的主要形式，封存场所主要为油气藏、地下深部咸水层和废弃煤矿等。未来油田、气田采完后，应用已有地面与地下设施，进行二氧化碳库封存，可能是主要举措。通过技术减少大气圈中的“黑碳”数量。

碳循环包括人工碳转化和森林碳汇。人工碳转化是指利用化学或生物手段将二氧化碳转化为有用的化学品或燃料，包括二氧化碳合成甲醇、二氧化碳电催化还原制备CO或轻烃产品（C1—C3）等。森林碳汇是指植物通过光合作用将大气中的二氧化碳吸收并固定在植被与土壤中，减少大气中二氧化碳浓度。发挥“灰碳”可再利用的作用。

针对碳替代、碳减排、碳封存、碳循环4种主要碳中和对策，依据技术成熟度或与常规化石能源价格的竞争性，预测2020—2050年全球碳中和目标下二氧化碳减排趋势（见图3）。2020—2030年，二氧化碳减排速度相对较慢，主要原因是新能源的价格优势尚未显现，未能实现大规模应用，且碳封存技术尚未成熟。2030—2050年，随着相关技术的成熟，新能源成本可与化石能源竞争，新能源项目快速推广落地，二氧化碳排放大幅度下降。碳封存技术达到推广应用要求，为碳中和做出主要贡献。总体看，碳替代将成为碳中和进程中的中坚力量，预测到2050年，贡献率占全球碳中和的47%，碳减排、碳封存和碳循环贡献率分别占21%、15%和17%。

图3  2020—2050年4种途径对全球碳中和的贡献

3 新能源在碳中和进程中的重要地位