鄒才能，熊波，薛華慶，鄭德溫，葛稚新，王影，蔣璐陽，潘松圻，吳松濤

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

能源是自然界中能為人類生存及社會(huì)進(jìn)步提供的能力資源。人類自第 1次拿起火種之后，能源與水、糧食就構(gòu)成了人類賴以生存的 3大要素?？萍歼M(jìn)步、社會(huì)文明兩大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)了能源發(fā)展。世界能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生兩次轉(zhuǎn)換，第 1次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了薪柴向煤炭的能源革命，第 2次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了煤炭向石油、天然氣的能源革命，當(dāng)前正在經(jīng)歷傳統(tǒng)化石能源向新能源的第 3次重大轉(zhuǎn)換。按照能源發(fā)展規(guī)律，能源形態(tài)從固體（薪柴與煤炭）、液態(tài)（石油）向氣態(tài)（天然氣）轉(zhuǎn)換、能源中碳的數(shù)量從高碳（薪柴與煤炭）、中低碳（石油與天然氣）向無碳（新能源）轉(zhuǎn)換，未來沿著資源類型減碳化、生產(chǎn)技術(shù)密集化、利用方式多樣化 3大趨勢發(fā)展。目前，世界能源正在進(jìn)行化石能源低碳化革命、新能源規(guī)?；锩?、能源管理智能化革命，3場能源革命正在同步進(jìn)行，加快形成“新煤炭”、“新油氣”、“新電網(wǎng)”。

人類生活在同一個(gè)地球、同一個(gè)天空，但呼吸著不同二氧化碳含量的“空氣”。人類進(jìn)入工業(yè)化以來，二氧化碳排放量不斷增加，導(dǎo)致全球氣溫升高、冰川融化、海平面上升等諸多環(huán)境問題，人類賴以生存的環(huán)境面臨著前所未有的威脅與挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)自1850年以來，大氣中二氧化碳的濃度從280×10-6上升至450×10-6，全球氣溫上升了0.9～1.2 ℃，海平面上升了20 cm[1-3]。特別是近30年來，全球氣溫、海平面上升速度加快，氣溫升高速度達(dá)到每10年上升0.2 ℃，海平面上升速度達(dá)到0.32 cm/a[4-6]。到本世紀(jì)末，如果全球氣候升溫達(dá)到2 ℃，海平面升高將達(dá)到36～87 cm，99%的珊瑚礁將消失，陸地上約 13%的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞，許多植物和動(dòng)物面臨著滅絕的風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此，減少二氧化碳等溫室氣體排放，限制全球氣溫上升已經(jīng)成為全人類共同的目標(biāo)。2018年 10月，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）提出了“碳中和”的目標(biāo)，到本世紀(jì)末將全球氣溫升高控制在1.5 ℃。

人類活動(dòng)導(dǎo)致的二氧化碳排放主要來源于化石燃料消費(fèi)。發(fā)展新能源，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，降低化石能源消費(fèi)，構(gòu)建綠色低碳的能源體系，是降低二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)全球碳中和的重要舉措之一。本文總結(jié)主要國家應(yīng)對(duì)碳中和的主要經(jīng)驗(yàn)和做法，分析全球二氧化碳排放的分布情況，提出全球?qū)崿F(xiàn)碳中和所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)措施。新能源已是第 3次能源轉(zhuǎn)換的主角，將在實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)揮主導(dǎo)作用。針對(duì)中國碳中和面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，提出中國實(shí)現(xiàn)碳中和的路線圖與實(shí)施路徑，為2060年順利實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供參考依據(jù)。

1 全球碳中和概況

1.1 “碳”的類型

碳是生命物質(zhì)中的主要元素之一，是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，并以二氧化碳、有機(jī)物和無機(jī)物的形式貯存于地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中。碳元素通過碳固定和碳釋放的方式，在地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中進(jìn)行循環(huán)[8]。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大氣中的二氧化碳、干旱區(qū)鹽堿土吸收二氧化碳、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料等。碳釋放主要來自于植物和動(dòng)物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。本文將大氣圈中被固定或可利用的二氧化碳定義為“灰碳”；將無法被固定或利用，并留存在大氣圈中的二氧化碳定義為“黑碳”。人類進(jìn)入工業(yè)化以來，化石燃料消耗急劇增加，巖石圈中化石能源的碳被釋放到大氣圈中，導(dǎo)致大氣圈中二氧化碳的濃度不斷增加，地球的碳循環(huán)平衡被破壞，造成了大氣圈中“黑碳”含量不斷增加。因此，碳中和主要目的是減少大氣圈中“黑碳”含量，逐步恢復(fù)綠色地球碳循環(huán)平衡，保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，建設(shè)宜居地球。

1.2 碳中和的內(nèi)涵及意義

IPCC發(fā)布的《全球升溫1.5 ℃特別報(bào)告》指出，碳中和（Carbon-neutral）是指1個(gè)組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過二氧化碳消除技術(shù)達(dá)到平衡，或稱為凈零二氧化碳排放（net zero CO2emissions）[7]。碳中和目標(biāo)是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年下降約45%，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零二氧化碳排放。

碳中和的首要任務(wù)是到本世紀(jì)末將全球氣候變暖控制在 1.5 ℃。碳中和不僅控制氣候變化，也是人類保護(hù)生態(tài)環(huán)境的根本措施，有助于保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)，避免更多的物種滅絕。碳中和加速了能源系統(tǒng)的低碳綠色轉(zhuǎn)型，為全球帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布的《能源轉(zhuǎn)型 2050》報(bào)告顯示，碳中和為全球帶來 2.4%的 GDP額外增長，額外增加7×106個(gè)能源行業(yè)就業(yè)崗位等[9]。

1.3 碳中和的進(jìn)展與做法

截至 2021年 1月，根據(jù)英國能源與氣候智庫（Energy & Climate Intelligence Unit）統(tǒng)計(jì)顯示[10]，全球已有28個(gè)國家實(shí)現(xiàn)或承諾碳中和目標(biāo)（見表1）。其中，蘇里南共和國和不丹已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和，瑞典、英國、法國等 6個(gè)國家通過立法承諾碳中和，歐盟、加拿大、韓國等 6個(gè)國家及地區(qū)正在制定相關(guān)法律，中國、澳大利亞、日本、德國等14個(gè)國家承諾實(shí)現(xiàn)碳中和。2050年是全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，除 2個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和的國家外，芬蘭承諾最早（2035年）實(shí)現(xiàn)碳中和。另有99個(gè)國家正在討論碳中和目標(biāo)，其中烏拉圭擬將目標(biāo)定于2030年，其余國家均將目標(biāo)擬定于2050年。

表1 各國家及地區(qū)承諾實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)間表（據(jù)文獻(xiàn)[10]修改）

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和的2個(gè)國家具有國土面積小、森林覆蓋率極高等特點(diǎn)，其中蘇里南共和國的森林覆蓋率超過 90%，不丹的森林覆蓋率為72%。碳中和進(jìn)程中，歐盟最為積極，欲建設(shè)首個(gè)碳中和大陸。2019年12月，歐盟委員會(huì)正式發(fā)布《歐洲綠色協(xié)議》，提出到2030年溫室氣體排放量在1990年基礎(chǔ)上減少50%～55%，到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。2020年12月，日本政府推出《綠色增長戰(zhàn)略》，被視為日本2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的進(jìn)度表。從目前已經(jīng)承諾碳中和的國家來看，除了歐盟和日本發(fā)布了碳中和具體的路線圖外，其余國家的碳中和路線尚在進(jìn)一步制定中。

本文分析總結(jié)主要國家和地區(qū)碳中和的做法有如下幾點(diǎn)：①逐步退出煤發(fā)電計(jì)劃。除德國外，已承諾碳中和的歐盟國家煤炭資源較少，國土面積較小，已經(jīng)全部退出煤發(fā)電。德國宣布將于2040年前全部退出煤發(fā)電。煤炭資源豐富或者煤發(fā)電消費(fèi)占比較高的國家（如澳大利亞等），尚未確定退出煤發(fā)電計(jì)劃。②加快太陽能、風(fēng)能、氫能等新能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與推廣。光伏發(fā)電將成為歐盟、日本的第一大電力來源，海上風(fēng)電迎來爆發(fā)式增長。預(yù)計(jì)到2050年，歐盟、日本海上風(fēng)電將增長25倍以上。氫能方面，歐盟注重綠氫制備，日本全面發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)鏈，韓國已就氫能立法，將氫能應(yīng)用拓展至交通運(yùn)輸、冶金、發(fā)電等領(lǐng)域。③發(fā)展碳封存與碳轉(zhuǎn)化技術(shù)。德國將重啟二氧化碳捕集及封存項(xiàng)目，同時(shí)利用豐富的天然氣管網(wǎng)設(shè)施，大力發(fā)展電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)輸。日本發(fā)展碳回收和資源化利用技術(shù)，到2030年實(shí)現(xiàn)二氧化碳回收制燃料的價(jià)格與傳統(tǒng)噴氣燃料相當(dāng)，到2050年二氧化碳制塑料實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的塑料制品價(jià)格相當(dāng)。④出臺(tái)碳定價(jià)機(jī)制，增加碳排放成本。2005年，歐盟開始實(shí)施排放交易體系（EU ETS），是世界上第1個(gè)多國參與的碳排放交易體系。該交易體系采用“總量管制和交易”規(guī)則，在限制溫室氣體排放總量的基礎(chǔ)上，通過買賣行政許可的方式進(jìn)行碳排放交易。該體系還通過限量和設(shè)定交易計(jì)劃，對(duì)各成員國設(shè)置限額，將減排目標(biāo)分解到企業(yè)，明確減排上限強(qiáng)制減排。

2 碳中和面臨的主要挑戰(zhàn)與對(duì)策

2.1 全球碳排放現(xiàn)狀

據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2019年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量與2018年持平（約330×108t），前 5名碳排放量國家分別為中國、美國、印度、俄羅斯、日本，碳排放量分別為 98×108，48×108，23×108，15×108，11×108t（見圖 1）[11-12]。亞洲的碳排放主要來自中國、印度和日本，美洲的碳排放主要來自美國、加拿大和巴西，歐洲的碳排放主要來自俄羅斯、德國和英國，非洲的碳排放主要來自南非、埃及和阿爾及利亞，大洋洲的碳排放主要來自澳大利亞。

圖1 2000—2019年全球能源相關(guān)主要大洲（a）及主要國家（b）二氧化碳排放量統(tǒng)計(jì)（據(jù)文獻(xiàn)[11-12]修改）

化石燃料消費(fèi)是二氧化碳排放增加的主要來源。2003年以來，煤炭消費(fèi)一直是二氧化碳排放的第1大來源（見圖2）。2019年煤炭、石油、天然氣、其他消費(fèi)所排放的二氧化碳量分別占總排量的 44%、34%、21%、1%[11-12]。電力行業(yè)是最大的碳排放行業(yè)，占總排量的 38%，其次為交通、工業(yè)和建筑等行業(yè)，分別占總排量的24%，23%，9%[12]。

圖2 2000—2019年全球能源相關(guān)的二氧化碳排放量統(tǒng)計(jì)（據(jù)文獻(xiàn)[11-12]修改）

2.2 碳中和面臨的主要問題

碳中和應(yīng)對(duì)全球氣候變化已成為全球共識(shí)，但在實(shí)施過程中還面臨政治、資源、技術(shù)、市場、能源結(jié)構(gòu)等多方面挑戰(zhàn)。

2.2.1 政治層面

實(shí)現(xiàn)碳中和是全球性目標(biāo)，需要世界各國合作應(yīng)對(duì)，聯(lián)合國常任理事國應(yīng)率先在碳中和目標(biāo)上做出表率，但是美國和俄羅斯兩個(gè)常任理事國尚未承諾實(shí)現(xiàn)碳中和。全球碳排放前 5名國家中的印度還沒有承諾實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)間。安哥拉、伊朗、伊拉克、南蘇丹、土耳其、也門等國最初簽署了《巴黎氣候協(xié)定》，但還沒有正式立法批準(zhǔn)。另有99個(gè)國家正在討論碳中和目標(biāo)，能否通過碳中和目標(biāo)尚未定論[9]。

2.2.2 資源層面

新能源替代化石燃料是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本措施。全球太陽能、風(fēng)能等新能源分布存在時(shí)空差異性，為新能源規(guī)模發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。全球太陽能資源主要集中在赤道附近南北回歸線之間，以非洲北部撒哈拉地區(qū)最為豐富，非洲大陸東側(cè)及南部、澳大利亞和中國西北地區(qū)也是太陽能資源豐富區(qū)。風(fēng)能資源主要分布在東亞、東南亞、中亞、美洲30°S—30°N地區(qū)，以及中國北部和東部、蒙古、澳大利亞東北部、非洲撒哈拉沙漠以南等地區(qū)。全球陸地太陽能和風(fēng)能資源存在明顯的地區(qū)性與季節(jié)性差異[13]。

2.2.3 技術(shù)層面

新能源技術(shù)成熟度決定了碳中和進(jìn)程的快慢。太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電總體價(jià)格仍較煤發(fā)電高，峰谷穩(wěn)定性差，調(diào)峰技術(shù)有待進(jìn)一步創(chuàng)新。重工業(yè)和長途運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)電氣化，氫燃料電池是最優(yōu)選擇，但部分關(guān)鍵技術(shù)仍處于示范或原型階段，尚未大規(guī)模推廣和工業(yè)化應(yīng)用。與傳統(tǒng)化石能源制氫（即“灰氫”）相比，可再生能源制氫（即“綠氫”）的成本較高，配套的二氧化碳捕集與封存技術(shù)尚處于示范階段。雖然低碳技術(shù)轉(zhuǎn)移具有顯著的減排和升溫控制效果，但發(fā)達(dá)國家承諾對(duì)發(fā)展中國家提供資金和低碳技術(shù)援助尚未兌現(xiàn)。

2.2.4 市場層面

碳中和進(jìn)程中，新能源的推廣與應(yīng)用取決于成本優(yōu)勢和應(yīng)用便利程度。目前，新能源成本逐年下降，但相對(duì)于化石能源仍缺乏競爭力。特別是2020年全球原油價(jià)格暴跌，化石能源的成本優(yōu)勢對(duì)新能源轉(zhuǎn)型產(chǎn)生不利影響[14]。新能源配套設(shè)備不完善，應(yīng)用不便利，如充電樁尚未普及、加氫站數(shù)量少等問題推高了新能源汽車的使用成本。

2.2.5 能源結(jié)構(gòu)層面

全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍然以化石能源為主，新能源占比偏低。2019年全球能源消費(fèi)144×108t油當(dāng)量，其中煤炭占27%、石油占33%、天然氣占24%、新能源占 16%[15]。碳中和進(jìn)程中，要大幅度降低煤炭、石油等高碳化石能源消費(fèi)占比，提高新能源占比。目前，化石能源消費(fèi)占比仍然偏高，為能源轉(zhuǎn)型帶來了挑戰(zhàn)。

2.3 實(shí)現(xiàn)碳中和的對(duì)策

減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和的對(duì)策可以分為碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán)4種主要途徑。

碳替代主要包括用電替代、用熱替代和用氫替代等。用電替代是利用水電、光電、風(fēng)電等“綠電”替代火電，用熱替代是指利用光熱、地?zé)岬忍娲剂瞎?，用氫替代是指用“綠氫”替代“灰氫”。

碳減排主要包括節(jié)約能源和提高能效。在建筑行業(yè)主要以提高電器和設(shè)備能效、房屋外加太陽能光伏等為主，開發(fā)新型的水泥和鋼材等材料、減少水泥和鋼材的隱含碳排放量等；在交通行業(yè)主要以使用更高效的動(dòng)力系統(tǒng)和更輕的材料等為主。從源頭減少“黑碳”的排放量。

碳封存是指將大型火力發(fā)電、煉鋼廠、化工廠等產(chǎn)生的二氧化碳收集后，運(yùn)輸至合適場所，利用技術(shù)手段長時(shí)間與大氣隔離封存。地質(zhì)封存是碳封存的主要形式，封存場所主要為油氣藏、地下深部咸水層和廢棄煤礦等。未來油田、氣田采完后，應(yīng)用已有地面與地下設(shè)施，進(jìn)行二氧化碳庫封存，可能是主要舉措。通過技術(shù)減少大氣圈中的“黑碳”數(shù)量。

碳循環(huán)包括人工碳轉(zhuǎn)化和森林碳匯。人工碳轉(zhuǎn)化是指利用化學(xué)或生物手段將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品或燃料，包括二氧化碳合成甲醇、二氧化碳電催化還原制備 CO 或輕烴產(chǎn)品（C1—C3）等。森林碳匯是指植物通過光合作用將大氣中的二氧化碳吸收并固定在植被與土壤中，減少大氣中二氧化碳濃度。發(fā)揮“灰碳”可再利用的作用。

針對(duì)碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán) 4種主要碳中和對(duì)策，依據(jù)技術(shù)成熟度或與常規(guī)化石能源價(jià)格的競爭性，預(yù)測2020—2050年全球碳中和目標(biāo)下二氧化碳減排趨勢（見圖3）。2020—2030年，二氧化碳減排速度相對(duì)較慢，主要原因是新能源的價(jià)格優(yōu)勢尚未顯現(xiàn)，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，且碳封存技術(shù)尚未成熟。2030—2050年，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，新能源成本可與化石能源競爭，新能源項(xiàng)目快速推廣落地，二氧化碳排放大幅度下降。碳封存技術(shù)達(dá)到推廣應(yīng)用要求，為碳中和做出主要貢獻(xiàn)。總體看，碳替代將成為碳中和進(jìn)程中的中堅(jiān)力量，預(yù)測到2050年，貢獻(xiàn)率占全球碳中和的 47%，碳減排、碳封存和碳循環(huán)貢獻(xiàn)率分別占21%，15%，17%。

圖3 2020—2050年4種途徑對(duì)全球碳中和的貢獻(xiàn)

3 新能源在碳中和進(jìn)程中的重要地位

新能源是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用，接替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的非化石無碳、可再生清潔能源，主要類型有太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮?、海洋能、核能、新材料?chǔ)能等[16]。與煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)含碳化石能源相比，在理論技術(shù)、利用成本、環(huán)境影響、管理方式等方面有顯著不同。隨著新能源技術(shù)快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、新材料等技術(shù)不斷進(jìn)步，新能源產(chǎn)業(yè)處于突破期，逐漸進(jìn)入黃金發(fā)展期。發(fā)展新能源，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。新能源開發(fā)利用步伐加快，已成為全球能源增長新動(dòng)力，并將逐步替代化石能源，在碳中和進(jìn)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.1 新能源是第3次能源轉(zhuǎn)換的主角

從世界能源發(fā)展歷程看，人類能源利用史經(jīng)歷了從薪柴到煤炭、從煤炭到油氣的兩次轉(zhuǎn)型，正在經(jīng)歷從化石能源到新能源的第3次轉(zhuǎn)型。新能源具有清潔、低碳的特點(diǎn)，符合碳中和發(fā)展需求，將在第 3次能源轉(zhuǎn)換中成為主角。

1925年以來，全球能源變得更加清潔，除生物質(zhì)能外的新能源呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。1925—2019年全球能源的需求量從14×108t油當(dāng)量增加至144×108t油當(dāng)量，增長了 10倍，但新能源在全球能源中的占比從0.6%增加至15.1%，增幅達(dá)到24倍[17]（見圖4）。

圖4 1925—2019年全球能源結(jié)構(gòu)變化趨勢圖（據(jù)文獻(xiàn)[17]修改）

近10年來，全球能源技術(shù)變革顯著加快，光伏發(fā)電、風(fēng)電等成本大幅下降，加速推動(dòng)了能源系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型。據(jù)IRENA報(bào)告，自2010年以來，2019年光伏發(fā)電（PV）、光熱發(fā)電（CSP）、陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的平準(zhǔn)化度電成本分別下降82%、47%、39%和29%[18]。2019年，新投產(chǎn)并網(wǎng)的大規(guī)模新能源發(fā)電裝機(jī)容量中，56%可實(shí)現(xiàn)成本低于最便宜的化石燃料發(fā)電。2010—2019年光伏發(fā)電量從32 TW·h增至699 TW·h，年增幅達(dá)到240%；風(fēng)力發(fā)電量從342 TW·h增至1 404 TW·h，年增幅達(dá)到45%（見圖5）。

圖5 2010—2019年全球光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電量（據(jù)文獻(xiàn)[17]修改）

3.2 新能源是碳中和的主導(dǎo)

從能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)看，世界能源已形成煤、油、氣、新能源“四分天下”的格局。研究預(yù)測，到2030年將是新能源的轉(zhuǎn)折年，多種新能源成本下降至可與化石能源競爭，能源去碳化趨勢持續(xù)加強(qiáng)。預(yù)計(jì)2030年，全球一次能源量將達(dá)到峰值156×108t油當(dāng)量，年均增長1.2%，其中煤炭占19%、石油占28%、天然氣占26%、新能源占27%（見圖6）[15]。預(yù)計(jì)2025年石油需求增速放緩，到2030年石油需求進(jìn)入平臺(tái)期，天然氣由于其低碳屬性，或?qū)⒊蔀槲ㄒ挥型３衷鲩L的化石能源。

圖6 2019—2050年全球能源結(jié)構(gòu)變化趨勢（據(jù)文獻(xiàn)[15]、[17-18]修改）

預(yù)計(jì)2030年后，新能源成本基本低于化石能源。預(yù)計(jì)2030—2050年，世界一次能源消費(fèi)總量將維持在較為平穩(wěn)的水平。到2050年，世界一次能源消費(fèi)量基本與2030年持平，其中煤炭占4%、石油占14%、天然氣占22%、新能源占60%，世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變化，形成以新能源為主的“一大三小”結(jié)構(gòu)，新能源將超過煤炭、石油、天然氣，成為主體能源。

3.3 新能源在碳中和進(jìn)程中的作用

太陽能、風(fēng)能、水能、核能、氫能等是新能源的主力軍，助力電力部門實(shí)現(xiàn)低碳排放。2019年以來，新能源平均發(fā)電成本已實(shí)現(xiàn)低于燃?xì)獍l(fā)電成本，但總體水平較煤發(fā)電仍高出16%[19]。預(yù)計(jì)到2030年左右，大部分新建光伏發(fā)電、風(fēng)電項(xiàng)目平均投資水平將低于新建煤發(fā)電廠，幾乎所有亞太市場可實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)能發(fā)電成本低于煤發(fā)電[19]。預(yù)計(jì)到2050年，新能源發(fā)電可滿足全球電力需求的 80%，其中光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電量累計(jì)占總發(fā)電量的一半以上[9]。

“綠氫”是新能源的后備軍，助力工業(yè)與交通等領(lǐng)域進(jìn)一步降低碳排放。電價(jià)占電解水制氫成本的60%～70%，隨著電價(jià)大幅度下降，“綠氫”成本將快速下降。到 2030年左右，“綠氫”有望比化石燃料制氫更具成本優(yōu)勢[20]。到2050年，全球氫能占終端能源消費(fèi)比重有望達(dá)到18%，“綠氫”技術(shù)完全成熟，大規(guī)模用于難以通過電氣化實(shí)現(xiàn)零排放的領(lǐng)域[21-23]，主要包括鋼鐵、煉油、合成氨等工業(yè)用氫，以及重卡、船舶等長距離交通運(yùn)輸領(lǐng)域。

人工碳轉(zhuǎn)化技術(shù)是連接新能源與化石能源的橋梁，有效降低化石能源碳排放，將過剩電量轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品或燃料進(jìn)行儲(chǔ)存，對(duì)新能源電網(wǎng)起到削峰填谷作用。電轉(zhuǎn)氣是人工碳轉(zhuǎn)化的主要形式，可以將二氧化碳重整制甲烷，被視為是歐洲實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。預(yù)計(jì)到2050年，歐盟工業(yè)部門10%～65%的能源消耗來自電轉(zhuǎn)氣，供熱行業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè) 30%～65%的能源來自于電轉(zhuǎn)氣[23-24]。

4 中國碳中和實(shí)施路徑

4.1 中國碳中和目標(biāo)與路線圖

中國政府承諾實(shí)現(xiàn)碳中和，制定政策積極推進(jìn)碳中和進(jìn)程。2020年9月，習(xí)近平在聯(lián)合國大會(huì)上表示“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[25]。同年12月，發(fā)布《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》白皮書，全面闡述了新時(shí)代新階段中國能源安全發(fā)展戰(zhàn)略的主要政策和重大舉措。

《中國長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》報(bào)告指出，預(yù)計(jì)到2025年前后，中國二氧化碳排放進(jìn)入峰值平臺(tái)期，力爭2030年前可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)峰，化石能源消費(fèi)的二氧化碳峰值排放量控制在110×108t之內(nèi)，到2035年二氧化碳排放量將比峰值年份顯著下降[26]。按照二氧化碳排放峰值的減排程度，本文分低、中、高3種情景預(yù)測中國2060年碳排放量（見圖7）。低情景下，二氧化碳減排至峰值的40%，排放量降低至44×108t；中情景下，二氧化碳減排至峰值的 30%，排放量降低至33×108t；高情景下，二氧化碳減排至峰值的20%，排放量降低至22×108t。剩余排放量主要通過二氧化碳封存及利用、人工碳轉(zhuǎn)化、森林碳匯等方式消納。中、高情景下對(duì)二氧化碳封存及利用、人工碳轉(zhuǎn)化、森林碳匯等碳中和技術(shù)需求較大，應(yīng)該加強(qiáng)這些領(lǐng)域的投入。

圖7 中國碳排放量趨勢預(yù)測圖

4.2 中國碳中和實(shí)施路徑

與其他國家相比，中國在實(shí)現(xiàn)碳中和道路上將面臨碳排放量大、能源消費(fèi)以化石能源為主、碳達(dá)峰到碳中和緩沖時(shí)間短等諸多挑戰(zhàn)。中國是全球最大的二氧化碳排放國，2019年二氧化碳排放量占全球總排放量的 29.8%，比美國（14.4%）、印度（7.0%）和俄羅斯（4.7%）的總和還要多。目前，中國能源消費(fèi)仍然以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，特別是煤炭比重占一半以上。2019年，中國能源消費(fèi)總量為 34×108t油當(dāng)量，煤炭占58%，石油占19%[18]。中國從碳達(dá)峰到碳中和經(jīng)歷只有短短30年，即碳達(dá)峰后需要快速下降，走向碳中和。歐盟承諾的碳達(dá)峰到碳中和時(shí)間為60～70年，緩沖時(shí)間是中國的2倍。針對(duì)中國國情，不能復(fù)制國外碳中和模式，需要制定符合中國資源稟賦及國情的碳中和實(shí)施路線。在實(shí)現(xiàn)碳中和的道路上，中國需要在電力、工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域共同努力，減少“黑碳”的排放量和發(fā)揮“灰碳”的可利用性（見表2）。

表2 中國實(shí)現(xiàn)“碳中和”路徑主要途徑與技術(shù)成熟度

4.2.1 推進(jìn)煤炭高效清潔化利用

中國煤炭資源豐富，是主體能源類型和重要工業(yè)原料。大力推進(jìn)煤炭高效清潔化利用既可有效控制二氧化碳排放，還能發(fā)揮煤炭保障國家能源安全的主力作用。煤炭高效清潔利用包括煤的安全、高效、綠色開采，煤燃燒中的污染控制與凈化，新型清潔煤燃燒，先進(jìn)燃煤發(fā)電和煤潔凈高效轉(zhuǎn)化等。煤炭地下氣化是清潔利用的重要途徑，可從根本上改變中深層煤炭開采利用模式，減少煤炭在開采和應(yīng)用中造成的環(huán)境負(fù)面影響。要力爭實(shí)現(xiàn)中國陸上埋深1 000～3 000 m煤炭資源氣化利用，預(yù)估這部分煤炭資源氣化開采可產(chǎn)甲烷、氫氣等氣體（272～332）×1012m3[27]。中國約50%的煤炭消費(fèi)總量用于發(fā)電，解決燃煤發(fā)電的清潔高效問題是煤炭高效清潔利用的重中之重?，F(xiàn)代煤化工主要以潔凈能源和精細(xì)化學(xué)品為主，包括煤制氣、煤制油、煤制化工品等。

4.2.2 加快清潔用能替代

加快實(shí)施清潔用能替代，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系是中國實(shí)現(xiàn)碳中和的重要舉措。依靠技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步降低太陽能、風(fēng)能發(fā)電成本，利用風(fēng)電-光電-儲(chǔ)能耦合模式替代火電，發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)快速響應(yīng)、雙向調(diào)節(jié)、能量緩沖優(yōu)勢，提高新能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和上網(wǎng)穩(wěn)定性。利用光熱-地?zé)狁詈夏Ｊ教娲济汗嵊媚埽l(fā)揮太陽能光熱和地?zé)岬母髯詢?yōu)勢，形成互補(bǔ)供熱用能。

4.2.3 提升天然氣在低碳轉(zhuǎn)型中的現(xiàn)實(shí)伙伴到未來橋梁作用

天然氣是低碳清潔能源，是能源從高碳到零碳過渡的伙伴與橋梁，在實(shí)現(xiàn)碳中和中是化石能源的主體與保障能源安全的基石。在碳中和背景下，中國天然氣需求增長強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)到2035年，需求量將可能快速增長至（6 500～7 000）×108m3。以四川、鄂爾多斯、塔里木等盆地為重點(diǎn)，建成多個(gè)百億立方米級(jí)天然氣生產(chǎn)基地。促進(jìn)常規(guī)天然氣增產(chǎn)，重點(diǎn)突破非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)。完善儲(chǔ)氣庫、進(jìn)口通道等產(chǎn)業(yè)布局與政策體系，保持天然氣安全利用。

4.2.4 大力發(fā)展“綠氫”工業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈

中國需要像煤炭、油氣等工業(yè)一樣，加快構(gòu)建氫能工業(yè)，推動(dòng)實(shí)施“氫能中國”戰(zhàn)略。中國氫能需求旺盛，但仍以化石能源制氫（即“灰氫”）為主。利用“綠氫”替代“灰氫”可有效降低二氧化碳排放。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2030年中國將處于氫能市場發(fā)展中期，氫氣年均需求量達(dá)3 500×104t，在終端能源消費(fèi)中占5%；2050年氫氣年均需求量達(dá)6 000×104t，“綠氫”占?xì)錃鈦碓吹?70%，在終端能源消費(fèi)中占比至少到10%[28]，可減排二氧化碳約7×108t。此外，加快推進(jìn)儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、氫燃料電池及加氫站等產(chǎn)業(yè)鏈整體發(fā)展，與油氣工業(yè)深入融合，利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)和加油氣站等基礎(chǔ)設(shè)施，在產(chǎn)氫、加氫等產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)發(fā)揮油氣公司先天優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)“油、氣、氫、電”四站合建，推進(jìn)氫工業(yè)體系高質(zhì)量發(fā)展。

4.2.5 加大二氧化碳埋藏及封存應(yīng)用與推廣

二氧化碳埋藏與封存能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳大規(guī)模減排，是化石能源清潔化利用的配套技術(shù)。中國以煤炭為主的資源稟賦決定，必須加大二氧化碳的埋藏及封存應(yīng)用與推廣，發(fā)揮其在碳中和進(jìn)程中的作用，推動(dòng)煤炭高效清潔化利用。未來可利用開采油氣后的枯竭油田、氣田和地下“水田”，形成埋藏及封存二氧化碳的“人工二氧化碳?xì)馓铩保ㄒ妶D8、圖9）。目前，中國石油已在吉林油田、新疆油田、大慶油田開展二氧化碳驅(qū)油等技術(shù)攻關(guān)，形成年產(chǎn)近100×104t驅(qū)油產(chǎn)量，二氧化碳驅(qū)油技術(shù)取得新的突破。

圖8 二氧化碳地下埋藏與封存地質(zhì)模式圖

圖9 二氧化碳地下埋藏與封存模型

中國近海二氧化碳海底地質(zhì)封存潛力大，封存總?cè)萘考s為2.5×1012t[29]。初步預(yù)測鄂爾多斯盆地深部咸水層和油藏的二氧化碳有效封存量分別為133×108t和19.1×108t，吐哈盆地油氣藏、深部咸水層和煤層二氧化碳有效封存量為44×108t。預(yù)測沁水盆地煤層二氧化碳的吸附和封存量可達(dá)1 280×108t，其中吸附量占96%以上[30-32]。此外，二氧化碳驅(qū)油、驅(qū)氣不僅可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳埋存，還可以提高油氣采收率[33]。

未來，可在松遼、渤海灣、鄂爾多斯、大慶等大型油氣區(qū)，將采完的油田、氣田建設(shè)成為“人工二氧化碳?xì)馓铩甭癫嘏c封存示范基地。

4.2.6 發(fā)展碳轉(zhuǎn)化及森林碳匯

發(fā)展碳轉(zhuǎn)化，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品或燃料，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。中國科學(xué)院大連化學(xué)與物理研究所提出的“液態(tài)陽光”技術(shù)，將“綠氫”與二氧化碳反應(yīng)制成甲醇，生產(chǎn)1 t甲醇可固定1.375 t二氧化碳。中國甲醇產(chǎn)能是8 000×104t左右，主要從天然氣和煤中制取，如果全部采用“液態(tài)陽光”技術(shù)生產(chǎn)甲醇，可固定上億噸二氧化碳[34]。

大力發(fā)展森林碳匯，中國西南、東北等重要林區(qū)的碳匯能力很大。2010—2016年，中國陸地植被年均固碳能力約11×108t，約等于在此期間中國每年排放量的45%[35]。植樹造林可在碳中和的進(jìn)程中發(fā)揮有利作用。

4.2.7 建立市場機(jī)制控制碳排放

建立健全全國碳排放交易市場，利用市場機(jī)制控制碳排放。建立碳市場，增加化石碳類利用成本，有利于從源頭減少化石能源消費(fèi)，降低二氧化碳和大氣污染物排放。中國當(dāng)前碳排放交易市場尚處于構(gòu)建初期，要進(jìn)一步完善碳排放交易市場配套細(xì)則，實(shí)施相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，明晰碳交易相關(guān)方的行為標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，健全國家碳排放交市場體系。

5 結(jié)語

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局。生態(tài)環(huán)境事關(guān)人類生存和永續(xù)發(fā)展，需要各國團(tuán)結(jié)合作，共同應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。碳中和是人類應(yīng)對(duì)全球氣候變化達(dá)成的共識(shí)，世界各國積極承諾實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán)是實(shí)現(xiàn)碳中和的 4種主要途徑，碳替代是實(shí)現(xiàn)碳中和的中堅(jiān)力量，預(yù)計(jì)到 2050年將貢獻(xiàn)47%的二氧化碳減排量。

碳中和進(jìn)程加速了全球能源從化石能源向新能源轉(zhuǎn)型，新能源已成為第3次能源轉(zhuǎn)換主角，未來將在碳中和發(fā)揮主導(dǎo)作用。預(yù)計(jì)2030年是新能源發(fā)展的轉(zhuǎn)折年，新能源成本下降至可與化石能源相競爭；2030—2050年新能源將大規(guī)模推廣應(yīng)用，碳排放下降趨勢加快。2050年全球大部分地區(qū)和國家將實(shí)現(xiàn)碳中和，新能源走上能源舞臺(tái)中央成為主體能源。預(yù)計(jì)到2100年以前，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)階段的“四分天下”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙淮笕　毙赂窬郑ā耙淮蟆睘樾履茉?，“三小”為煤炭、石油、天然氣）。未來中國也將逐步向世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)新趨勢靠攏發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)階段“一大三小”（“一大”為煤炭，“三小”為石油、天然氣、新能源）向“三小一大”（“三小”為煤炭、石油、天然氣，“一大”為新能源）跨越。加快氫能、新材料儲(chǔ)能、可控核聚變等顛覆性技術(shù)攻關(guān)及工業(yè)化，以新能源為主實(shí)現(xiàn)中國“能源獨(dú)立”戰(zhàn)略，為宜居地球、綠色地球作出貢獻(xiàn)。本文觀點(diǎn)是目前階段性認(rèn)識(shí)，未來不同時(shí)期，隨著科技與世界格局變化，碳中和的認(rèn)識(shí)將不斷革新和發(fā)展。