謝文昕

（濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250024）

1 前言

工業(yè)化作為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城市化的引擎，加速了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在過去的兩個(gè)世紀(jì)里，世界經(jīng)濟(jì)已經(jīng)嚴(yán)重依賴于對(duì)自然資源的過度開發(fā)。目前，石油資源的大量使用和森林砍伐等對(duì)生態(tài)不利的做法是全球溫室氣體(GHGs)的人為源排放增加的根源，而GHGs 是氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。預(yù)計(jì)到2050 年，溫室氣體排放將增加50%。如果這些排放繼續(xù)以目前的速度增長(zhǎng)，它將推動(dòng)碳循環(huán)脫離動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致氣候系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)的變化。因此，必須通過各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)干預(yù)，努力減少碳排放和增加碳封存來應(yīng)對(duì)日益加劇的全球溫室效應(yīng)。各國(guó)于2015 年簽署了一項(xiàng)具有里程碑意義的聯(lián)合國(guó)氣候協(xié)議《巴黎協(xié)定》，共同應(yīng)對(duì)溫室氣體排放和氣候變化，努力將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 攝氏度以內(nèi)，并爭(zhēng)取在2050 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

為了實(shí)現(xiàn)碳中和并使地球可持續(xù)地發(fā)展，減少化石燃料等的碳排放，同時(shí)促進(jìn)陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳封存至關(guān)重要。不同的國(guó)家已經(jīng)制定了實(shí)現(xiàn)碳中和的不同戰(zhàn)略路徑[2]，但由于所涉及的通量的規(guī)模，將碳排放減少到凈零是具有挑戰(zhàn)性的。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的說法，如果世界要在2050年達(dá)到碳中和，那么新原油、天然氣和煤炭的開采和開發(fā)必須在2021 年停止。因此，研究和利用無碳來源的可再生能源（即陽(yáng)光、潮汐、風(fēng)和地?zé)崮艿龋┖蜕镔|(zhì)（即來自植物或動(dòng)物的有機(jī)材料）是使二氧化碳凈零排放從理論變成現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。

可再生資源可提供的能源是目前全球能源需求的3000 多倍。過去十年全球?qū)稍偕茉矗ㄒ噪娏?、熱能和生物燃料的形式）的需求大幅擴(kuò)大，但從傳統(tǒng)能源向可再生能源過渡的速度不夠快，因此需要通過多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的合作來實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。除了發(fā)展可再生能源外，還需要優(yōu)化糧食系統(tǒng)的管理，以提高生產(chǎn)效率和減少碳排放，這可以通過開發(fā)新技術(shù)來改善化肥生產(chǎn)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，整合作物-牲畜生產(chǎn)系統(tǒng)，以及開發(fā)碳中和的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。鑒于世界不太可能在短期內(nèi)大幅減少以化石燃料為基礎(chǔ)的二氧化碳排放，利用自然資源從大氣中去除二氧化碳是實(shí)現(xiàn)碳中和的可行途徑。為了減緩氣候變化，人們正在研究通過工業(yè)手段加強(qiáng)大氣中碳的捕獲以及陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中碳的隔離等各種潛在戰(zhàn)略。這些措施包括碳捕獲和儲(chǔ)存的生物能源[3]；通過散布破碎的礦物增強(qiáng)巖石風(fēng)化，這些礦物自然能夠在陸地或海洋中吸附二氧化碳；植樹造林和再造林；通過生物炭、堆肥、生物廢棄物直接摻入和保護(hù)性耕作等方法進(jìn)行土壤碳封存。

已經(jīng)有許多綜述探討了實(shí)現(xiàn)碳中和的途徑，重點(diǎn)是可再生能源、陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的碳捕獲和儲(chǔ)存以及糧食系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。然而，整理文獻(xiàn)所知，沒有任何研究將所有現(xiàn)有新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)從碳中和角度進(jìn)行比較，也沒有強(qiáng)調(diào)這些新技術(shù)在減緩氣候變化方面的不確定性。本次綜述重點(diǎn)關(guān)注在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的新技術(shù)，包括可再生能源和維持地球上最大碳庫(kù)的健康（恢復(fù)和保護(hù)海洋和森林生態(tài)系統(tǒng)）等。本文傳播的信息希望豐富對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和和聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)新途徑的有關(guān)研究。

2 可再生能源

對(duì)不可再生能源的過度消耗加劇了能源短缺、溫室氣體排放、氣候變化和環(huán)境退化，對(duì)人類構(gòu)成威脅。因此，人類的生態(tài)意識(shí)和向低碳或無碳能源的過渡得到史無前例的關(guān)注。為解決這些問題，已在全球范圍內(nèi)制定了一系列政策。在清潔能源中，可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳中和的最重要有效的手段。除了具有低資源消耗、低污染風(fēng)險(xiǎn)的核能和H2能源被確定為保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的戰(zhàn)略途徑外，生物能源也是調(diào)整能源供需結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。下面討論可再生能源的核心技術(shù)以及這些技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和的影響，并對(duì)這些技術(shù)的發(fā)展前景和可行性進(jìn)行了展望。

2.1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的資源。由于其清潔可再生和無處不在的特性，太陽(yáng)能可以在全球可再生能源供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。目前，化石資源仍然占世界能源消費(fèi)的主要地位。相比之下，不產(chǎn)生碳排放的太陽(yáng)能、水力發(fā)電、風(fēng)能和潮汐能只占能源消耗的小部分。要實(shí)現(xiàn)碳中和，就必須增加可再生能源的使用。因此，用來自陽(yáng)光的可再生能源取代傳統(tǒng)的化石燃料是非?？扇〉模瑢?duì)于減少二氧化碳排放和使能源系統(tǒng)脫碳從而實(shí)現(xiàn)碳中和至關(guān)重要。快速發(fā)展的光伏技術(shù)已被公認(rèn)為是利用太陽(yáng)能的有力方法。傳統(tǒng)薄膜太陽(yáng)能電池采用無機(jī)半導(dǎo)體，如硅、砷化鎵(GaAs)、銅、銦、硒化鎵和碲化鎘(CdTe)材料，由于具有高的功率轉(zhuǎn)換效率和顯著的運(yùn)行穩(wěn)定性，已大規(guī)模工業(yè)化。近年來，有機(jī)太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池和其他集成器件等新興的太陽(yáng)能電池已成為有發(fā)展前景的光伏技術(shù)[4]。此外，太陽(yáng)能電池板和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)發(fā)電也至關(guān)重要，并可能加速我們碳中和的進(jìn)程。與光伏技術(shù)不同，太陽(yáng)能熱技術(shù)依靠光熱轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)碳中和操作的熱、蒸汽和電力生產(chǎn)。當(dāng)太陽(yáng)能熱技術(shù)，例如集中太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，被用于商業(yè)和住宅部門以取代天然氣作為能源來源時(shí)，可以觀察到化石燃料的能源消耗和二氧化碳排放均有明顯減少。除了光伏和太陽(yáng)熱技術(shù)，一些將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定化學(xué)燃料的策略也為大規(guī)模利用和儲(chǔ)存太陽(yáng)能以實(shí)現(xiàn)能源脫碳提供了可行的途徑。最近，有人提出了液體陽(yáng)光的新概念，將太陽(yáng)能與捕獲的二氧化碳和水結(jié)合起來，產(chǎn)生綠色液體燃料，如甲醇和酒精，這可能在全球生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生和利用二氧化碳之間實(shí)現(xiàn)生態(tài)平衡循環(huán)。太陽(yáng)能是滿足低碳和無碳社會(huì)能源需求的理想解決方案。基于太陽(yáng)能技術(shù)的一系列有效措施，由于運(yùn)行成本低，是減少碳排放、利用CO2形成清潔儲(chǔ)能的良好選擇，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和具有不可替代的作用。未來幾十年將需要加快發(fā)展先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)技術(shù)，大規(guī)模部署太陽(yáng)能與清潔資源相結(jié)合，促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 風(fēng)能

風(fēng)是由于太陽(yáng)對(duì)地球表面不均勻加熱而產(chǎn)生的空氣運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，這意味著風(fēng)能可以被看作是間接的太陽(yáng)能。與太陽(yáng)能一樣，風(fēng)能將在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)上發(fā)揮關(guān)鍵作用。地球上有豐富的風(fēng)資源，主要分布在草原、沙漠、沿海地區(qū)和島嶼。選址對(duì)風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和實(shí)施具有重要影響。世界各國(guó)都高度重視并大力支持風(fēng)能的發(fā)展[5]。然而，阻礙風(fēng)能利用的一個(gè)問題是風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪聲，降低或最小化風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪聲，進(jìn)一步合理利用風(fēng)力資源的策略是迫切需要的。關(guān)于風(fēng)能生產(chǎn)的另一個(gè)問題是，如果風(fēng)力渦輪機(jī)的位置不合適，它們可能會(huì)通過碰撞、破壞棲息地破壞對(duì)鳥類產(chǎn)生不利影響。盡管地球上的風(fēng)能資源豐富，但風(fēng)力資源在陸地上的分布不均給風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能的運(yùn)輸帶來了挑戰(zhàn)。而風(fēng)在速度和方向上的不可預(yù)測(cè)性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電的相位、振幅和頻率變得不穩(wěn)定，這可能會(huì)使其難以并入電網(wǎng)，造成風(fēng)能的浪費(fèi)。安裝風(fēng)力渦輪機(jī)的成本目前相當(dāng)高，這也阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛采用，有必要加大力度探索和開發(fā)風(fēng)能技術(shù)，以滿足能源用戶的需求。

2.3 海洋能源

海洋能源是指海洋水體中所含的既可再生又清潔的能源。海洋能源在全球范圍內(nèi)儲(chǔ)備是巨大的，足以為整個(gè)世界提供能源。通常有五種不同的能量形式：潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能及鹽度梯度能。不同能源形態(tài)的地理分布差異很大，利用技術(shù)也有很大差異。潮汐能是源于海水與月球或太陽(yáng)的引力相互作用，包括與水位有關(guān)的勢(shì)能和潮流的動(dòng)能。據(jù)估計(jì)，潮汐能每年約為1200 太瓦時(shí)，這在所有海洋能量形式中是相對(duì)較低的，因?yàn)榭梢允占毕艿牡攸c(diǎn)有限。采用攔潮壩來收集潮汐勢(shì)能的技術(shù)相對(duì)成熟。潮汐壩于20 世紀(jì)60 年代開始運(yùn)行，目前潮汐能在被開發(fā)的海洋能源中占最大份額。波浪能是水波的動(dòng)能和勢(shì)能，分布廣泛，它主要來自風(fēng)，風(fēng)將部分動(dòng)能傳遞到海洋表面的水。全球波浪能的潛力是每年29500 太瓦時(shí)，收集波浪能的技術(shù)不如收集潮汐能的技術(shù)成熟，許多不同類型的裝置正在進(jìn)行小規(guī)模的商業(yè)化試驗(yàn)。除了使用電磁發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)大型設(shè)備外，基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)也正在發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)有效的、經(jīng)濟(jì)的波浪能收集。海流能儲(chǔ)存在全球海水的大循環(huán)中，它是水流的動(dòng)能，這種能源的供應(yīng)是穩(wěn)定的，波動(dòng)很小，它可以用渦輪機(jī)來提取，該設(shè)備需要部署在深海和遠(yuǎn)離海岸的地方，因此，在利用這種能源方面投入的精力較少。海洋溫差能來自太陽(yáng)的照射，它加熱了海水的上層，使其溫度不同于深海的水，這種溫差可以主要利用熱循環(huán)發(fā)電，由于提高效率所需的高溫差異，這種形式的能源主要分布在熱帶地區(qū)，這種能源的潛力估計(jì)為每年44000 太瓦時(shí)，但對(duì)于這種能源的利用還處于研究階段。鹽度梯度能是存在于不同鹽濃度水體之間的能量，海水的鹽度在全球范圍內(nèi)不是均勻的，這種能量的利用依賴于在海水中表現(xiàn)強(qiáng)勁的高性能膜。目前正在試驗(yàn)兩種主要技術(shù)：壓滯滲透和反向電滲析。鹽度梯度能仍然是一種概念能源，還沒有做好商業(yè)化的準(zhǔn)備。海洋能源儲(chǔ)備在全球范圍內(nèi)是巨大的，足以為整個(gè)世界提供能源。收集潮汐能和波浪能的技術(shù)已經(jīng)接近商業(yè)化。收集海流能、海水溫差能和鹽度梯度能的技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段。海洋能源開發(fā)的主要挑戰(zhàn)在于惡劣海洋環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)、成本、競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)可靠性。通過克服這些挑戰(zhàn)，海洋能源將為世界提供豐富的清潔能源。

3 氧化碳捕獲、利用和儲(chǔ)存技術(shù)

CO2捕獲、利用和儲(chǔ)存(CCUS)技術(shù)包括三個(gè)不同的過程：從排放源分離CO2、CO2轉(zhuǎn)換和利用運(yùn)輸和與大氣長(zhǎng)期隔離的地下儲(chǔ)存。CCUS 是實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)的必要技術(shù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)預(yù)測(cè)，僅靠提高能源利用效率和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)不能完成減排任務(wù)，到2050 年必須捕獲和儲(chǔ)存19%的CO2排放，才能將全球氣溫上升控制在2℃以下。如果沒有CCUS，到2050 年，CO2減排的總成本將上升70%。

4 結(jié)論和未來展望

目前，隨著全球朝著碳中和的方向發(fā)展，國(guó)際社會(huì)必須從不可再生能源轉(zhuǎn)向可再生能源，以維持當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)，并解決氣候變化問題，以保護(hù)人類健康和環(huán)境。如本文所述，在能源和工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中利用可再生資源，促進(jìn)陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳封存，被視為實(shí)現(xiàn)碳中和和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的可能途徑。然而，目前的研究水平還沒有解決在生產(chǎn)系統(tǒng)中有效利用可再生資源和減少依賴化石燃料的問題，許多問題仍然需要科學(xué)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)政治和技術(shù)解決方案，旨在全球范圍內(nèi)減少溫室氣體排放。

首先，鑒于全球可再生能源資源的潛力超過全球能源需求，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要加強(qiáng)可再生能源的生產(chǎn)，逐步淘汰化石燃料的使用。太陽(yáng)能、風(fēng)能和其他可再生能源的間歇性是限制用可再生能源替代化石燃料的主要挑戰(zhàn)之一。能源儲(chǔ)存顯然是解決一些可再生能源間歇性的辦法。然而，儲(chǔ)能的可擴(kuò)展性和成本效益受到許多約束和限制。儲(chǔ)能的發(fā)展和推廣帶來了科學(xué)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，以及必須解決的經(jīng)濟(jì)和監(jiān)管問題，以推動(dòng)儲(chǔ)能行業(yè)的投資和競(jìng)爭(zhēng)。由于節(jié)約能源和減緩氣候變化之間有著明顯的聯(lián)系，盡量減少最終用途部門的能源消耗將有助于可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

其次，盡管CCUS 方法在我們追求碳中和的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但目前CCUS 技術(shù)的采用受到其高能耗和高成本的阻礙。碳捕獲和碳存儲(chǔ)需要科技創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)低能耗甚至凈零能耗。多聯(lián)產(chǎn)、化學(xué)循環(huán)燃燒以及結(jié)合化石燃料和可再生能源捕獲二氧化碳的技術(shù)可能為CCUS 開啟一個(gè)新時(shí)代。

最后，鑒于監(jiān)測(cè)來自空間的溫室氣體排放對(duì)確保世界順利實(shí)現(xiàn)其減緩氣候變化的目標(biāo)至關(guān)重要，需要進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)來自衛(wèi)星的溫室氣體排放的準(zhǔn)確性和時(shí)空分辨率，以便更全面和及時(shí)地監(jiān)測(cè)溫室氣體排放源和速率。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的能力和準(zhǔn)確性也需要提高。海洋碳匯潛力遙感監(jiān)測(cè)需要新的理論突破。基于陸?？章?lián)合觀測(cè)進(jìn)行準(zhǔn)確的碳預(yù)算計(jì)算是碳峰值和碳中和決策的重要依據(jù)。

總之，本文闡明了構(gòu)建碳中和未來技術(shù)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和前景。然而，為了滿足重組全球發(fā)展體系和保護(hù)自然資源的迫切需要，需要世界各國(guó)采取協(xié)作行動(dòng)來減少溫室氣體排放，促進(jìn)技術(shù)和自然系統(tǒng)的碳封存。此外，促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)的全球科技創(chuàng)新必須得到財(cái)政和戰(zhàn)略上的支持，以加速實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。