認(rèn)清碳的身份

陳新華

目前，歐盟、英國、中國、美國、日本、韓國、新加坡等50多個(gè)國家相繼宣布在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和，還有近100個(gè)國家正在研究自己的目標(biāo)，碳中和已成為一場全球規(guī)模的運(yùn)動(dòng)，涉及人類的共同命運(yùn)。

最近在與歐洲機(jī)構(gòu)和企業(yè)交流過程中，發(fā)現(xiàn)歐洲許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)提出的碳中和路徑存在兩大問題：一是碳和二氧化碳（CO₂）不分，存在“逢碳必反”的傾向，沒有正確認(rèn)識(shí)到碳元素在人類當(dāng)今和未來的作用。二是在處理CO₂問題上，強(qiáng)調(diào)以長期地質(zhì)封存為最終目的的碳捕獲與封存（CCS），而對(duì)碳轉(zhuǎn)換和利用不夠重視。

正視這兩大問題并對(duì)此進(jìn)行思辨，對(duì)中國制定基于科學(xué)、切實(shí)可行的碳中和路徑具有重要意義。

碳還是二氧化碳？

在氣候問題成為政治正確的許多歐洲國家，碳幾乎成了一只人人喊打的過街老鼠。在“低碳、減碳、去碳、零碳”的輿論環(huán)境下，不僅是環(huán)保組織強(qiáng)烈反對(duì)任何含碳化石能源的生產(chǎn)和消費(fèi)，一些大型跨國石油公司也在自己的“零碳”戰(zhàn)略中主動(dòng)減少油氣產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的零排放，承諾要將銷售給終端客戶產(chǎn)品的碳足跡也降到零，并將碳捕獲與地質(zhì)封存作為碳中和的主要技術(shù)手段。

挪威與荷蘭，歐洲這兩大天然氣生產(chǎn)大國已在討論禁用天然氣。歐洲投資銀行決定，除了天然氣加CCS（碳捕獲與封存）或生物質(zhì)制氣項(xiàng)目，從今年起不再給天然氣項(xiàng)目貸款。

歐洲許多研究機(jī)構(gòu)提出，能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型路徑要以零碳電力代替化石能源，一些難以減排的領(lǐng)域（如重卡、船舶、石化、水泥和鋼鐵）則以零碳電力制取的綠氫來代替化石能源。國內(nèi)有些機(jī)構(gòu)也沿著這樣的思路在開展國家、企業(yè)和地方的碳中和路徑研究。然而，這些研究沒有正確認(rèn)識(shí)碳的重要性，也忽略了能源系統(tǒng)不僅提供能量還提供化工原材料這一事實(shí)。

碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能夠形成生命的最核心要素，沒有碳，就沒有生命。碳與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。鉛筆的筆芯由碳組成，鉆石也是。米飯蔬果都是以碳為基本元素的化合物組成，衣服和日常用品也全是碳化合物產(chǎn)品。在人類的發(fā)展歷史上，碳不僅是食物的來源、能量的來源，更是材料的來源。

隨著科技的進(jìn)展，碳材料將扮演越來越重要的角色。由二維碳材料組成的石墨烯（Graphene）是一種革命性的材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在包括材料、能源、化工、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由碳原子組成的納米碳材料（碳納米管、碳納米纖維、納米碳球）在硬度、光學(xué)特性、耐熱性、耐輻射特性、耐化學(xué)藥品特性、電絕緣性、導(dǎo)電性、表面與界面特性等方面都比其他材料優(yōu)異，對(duì)未來科技的發(fā)展將起到重要的支撐作用。

所以，問題不在于碳，而在于CO₂。但從嚴(yán)格意義上來說，CO₂本身也不是問題。沒有CO₂，都零碳了，植物靠什么來進(jìn)行光合作用呢？問題的核心是自工業(yè)革命以來，化石能源的大量燃燒帶來的CO2過量排放。隨著大氣中CO2濃度的增加，越來越多地吸收地面反射的紅外線，使得大量進(jìn)入大氣層的太陽輻射能保留在地面附近的大氣中，從而使地球表面變得更暖，類似于溫室截留太陽輻射，這一過程被稱為溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)導(dǎo)致氣候變化，威脅人類在地球上的生存和發(fā)展。

因此，需要以控制地表溫度上升為目的，控制溫室氣體在大氣中的濃度，使得全球氣候處于適合人類居住的范圍內(nèi)。

但是，能夠產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體除了CO₂，還有甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、以及氫氟碳化物（HFCs），含氯氟烴HCFCs、六氟化硫（SF6）等人造氣體。據(jù)美國環(huán)境署統(tǒng)計(jì)，2015年全球溫室氣體排放由CO₂（76%），CH₄（16%），N₂O（6%）和其他氣體（2%）構(gòu)成。

由于CO₂在所有溫室氣體中占有絕對(duì)優(yōu)勢，它就成為控排和減排的主要對(duì)象?！疤贾泻汀本褪前涯硞€(gè)實(shí)體（如一個(gè)企業(yè)、一個(gè)城市、一個(gè)國家等）在某一時(shí)期的CO₂排放量減到最低限度，實(shí)在無法減少的則通過對(duì)沖手段來中和，使得人類活動(dòng)往大氣中排放的CO₂ 總量為零，而“氣候中和”則包括所有的溫室氣體，比“碳中和”更進(jìn)一步。

能源系統(tǒng)一直有兩個(gè)重要的職能：一是為人類活動(dòng)提供所需要的能源服務(wù)，這些服務(wù)包括電力、熱力和交通移動(dòng)力;二是通過能源化工，提供人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。

在未來的人類發(fā)展進(jìn)程中，我們不僅擺脫不了對(duì)碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對(duì)碳基材料與產(chǎn)品的需求會(huì)與日俱增，即使在未來實(shí)現(xiàn)碳中和的年代，人類對(duì)碳基材料的需求還會(huì)保持在高位。因此，正確處理能源系統(tǒng)的能源服務(wù)和碳基材料兩重性對(duì)于能源轉(zhuǎn)型的路徑設(shè)計(jì)尤為重要。

碳封存還是碳利用？

按照物質(zhì)不滅定律，地球上（包括地下和地表大氣）的碳元素總量是穩(wěn)定的，自遠(yuǎn)古到今天，既不會(huì)增加也不會(huì)減少，只是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)。

碳固定是指植物的光合作用吸收CO₂、海水溶解大氣中的CO₂、干旱區(qū)鹽堿土吸收CO₂、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術(shù)將CO₂轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料等。碳釋放主要來自植物和動(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。

中國科學(xué)院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院副院長鄒才能在最近發(fā)表的文章中指出，CO₂是地球碳循環(huán)的重要介質(zhì)，具有實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物轉(zhuǎn)換和造成地球表面溫室效應(yīng)的雙重屬性。對(duì)應(yīng)這兩種屬性，他將大氣圈中的CO2分成兩類，可以被固定或可利用的CO₂為“灰碳”， 而無法被固定或利用并留存在大氣圈中的CO₂被稱為“黑碳”。碳中和的任務(wù)，是捕獲和循環(huán)利用“灰碳”，通過可再生能源替代化石能源和通過節(jié)能等方式從源頭上減少“黑碳”排放，并對(duì)CO₂進(jìn)行捕集與地質(zhì)封存，將CO₂與大氣隔離。

值得關(guān)注的是碳封存與碳利用之間的選擇，因?yàn)檫@不僅是碳減排技術(shù)路徑之爭，更是體現(xiàn)了東西方文化的差異。2010年，時(shí)任國家能源局局長張國寶會(huì)見來訪的美國能源部長朱棣文時(shí)，就此話題進(jìn)行了有趣的對(duì)話。朱棣文極力推崇 CCS，認(rèn)為這是解決氣候問題的主要技術(shù)手段之一。但張國寶認(rèn)為，這種做法事倍功半，效果甚微。

張國寶指出，且不論能否確保這些封存于地下的CO₂將來不會(huì)泄漏到大氣中來，單說為了捕捉CO₂所需消耗的能源，CCS是否值得就令人懷疑？即便能夠捕捉到一億噸的CO₂，和全球每年排放到大氣中的300多億噸總量相比，也是一個(gè)微乎其微的數(shù)據(jù)，對(duì)氣候變化的影響很小?；ㄟ@些代價(jià)，莫如綠化荒漠，多種樹種草，通過植物的光合作用來捕集CO₂，也許更經(jīng)濟(jì)適用，事半功倍。

當(dāng)然，光靠植樹造林所吸收的那些量是解決不了全球CO₂排放問題的。但10年來全球CCS的發(fā)展證明張國寶當(dāng)時(shí)的疑慮是對(duì)的。盡管西方各國對(duì)CCS都寄予厚望，但該技術(shù)的進(jìn)展并不盡如人意。2005年，歐盟提出要在2015年前建成12個(gè)CCS示范項(xiàng)目，至今仍一個(gè)都沒有落實(shí)。

自2016年開始，國際社會(huì)已經(jīng)將CO2處置的重點(diǎn)從封存轉(zhuǎn)移到利用上，即CCU，將捕獲到的CO2轉(zhuǎn)換成有規(guī)?；袌鲂枨蟮娜剂稀⒒ぎa(chǎn)品或建筑材料。

技術(shù)不成熟與成本居高不下造成此類項(xiàng)目無法實(shí)現(xiàn)市場化運(yùn)營，而沒有市場化運(yùn)營就難以擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模。根據(jù)現(xiàn)有項(xiàng)目估算，CCS項(xiàng)目的商業(yè)化運(yùn)行成本需要每噸CO2 70美元左右（美國一機(jī)構(gòu)最近評(píng)估需要95美元）的碳價(jià)，而無論歐盟、美國還是中國，這樣的碳價(jià)還是過高。

國際專利文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，自2016年開始，國際社會(huì)已經(jīng)將CO₂處置的重點(diǎn)從封存轉(zhuǎn)移到利用上，即CCU，將捕獲到的CO₂轉(zhuǎn)換成有規(guī)模化市場需求的燃料、化工產(chǎn)品或建筑材料。一方面通過現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施有效減少碳增量排放，另一方面以多種高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存，實(shí)現(xiàn)高排放產(chǎn)業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，并為未來以產(chǎn)品的方式進(jìn)行封存打下基礎(chǔ)。

今年3月22日，日本東芝宣布開發(fā)出全球最高效的CO₂電催化技術(shù)，比之前技術(shù)處理的速度提高了60倍。每年最多可將一噸CO₂轉(zhuǎn)化成一氧化碳，然后再加氫合成為燃料或化工原料。

在國內(nèi)，中海油于2020年9月實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)500噸的CO₂加氫制甲醇試點(diǎn)項(xiàng)目;北京光合新能科技有限公司的等離激元技術(shù)，利用電廠余熱或太陽能光熱，在常溫常壓下低成本地將CO₂合成為清潔燃料，目前已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室小試而進(jìn)入了中等規(guī)模工業(yè)示范階段。

科學(xué)理性的碳中和之路

在低碳轉(zhuǎn)型實(shí)踐上，歐美國家有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，值得我們學(xué)習(xí)與借鑒。但我們要保持清醒的頭腦，走科學(xué)理性、符合自己國情且富有中國特色的碳中和之路。

首先，應(yīng)該將碳中和問題聚焦于CO₂的過量排放上。正確理解碳元素對(duì)于人類社會(huì)生存與發(fā)展的重要性，以及碳和CO₂的關(guān)系，圍繞CO₂的過量排放來尋找氣候變化問題的解決方案。

其次，應(yīng)該以科學(xué)的態(tài)度與方法研究CO₂過量排放問題的系統(tǒng)性解決方案，方案需要包括循環(huán)和資源化利用的“順治”，而不是簡單粗暴、事倍功半地封存的“逆治”。

第三，碳中和不應(yīng)以犧牲經(jīng)濟(jì)的合理發(fā)展和老百姓的生活福祉為代價(jià)。按照中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)的要求，“以系統(tǒng)觀念推進(jìn)碳中和的工作，處理好減污降碳和能源安全、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全、糧食安全、群眾正常生活的關(guān)系”，避免碳系統(tǒng)與能源系統(tǒng)之間、能源系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的顧此失彼。

鑒于能源系統(tǒng)具有提供能源產(chǎn)品與化工原材料的雙重功能，能源系統(tǒng)需要考慮的不只是能量，還有物料。未來的能源系統(tǒng)肯定是以電力為核心，但全面電氣化的能源系統(tǒng)無法提供人類社會(huì)需要的碳基原材料。在能量去碳化的進(jìn)程中，需要考慮如何滿足碳基物料的需求和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的安全。

第四，采取漸進(jìn)而不是冒進(jìn)的方法來解決問題。在碳中和問題上，我們可以借鑒歐洲很多好的做法，但不能仿效部分歐洲機(jī)構(gòu)否定所有化石能源，避免逢碳必反，急躁冒進(jìn)。

◎ 來源|財(cái)經(jīng)雜志（有刪減）