新能源在碳中和中的地位與作用

鄒才能，熊波，薛華慶，鄭德溫，葛稚新，王影，蔣璐陽(yáng)，潘松圻，吳松濤

（中國(guó)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(wú)碳（新能源）轉(zhuǎn)換，未來(lái)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(shì)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(chǎng)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(lái)，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(wèn)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(lái)，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(lái)，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(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)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(lái)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(guó)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(guó)碳中和面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，提出中國(guó)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(wú)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(guò)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(lái)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(wú)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(lái)，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(guò)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(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)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(lái) 2.4%的 GDP額外增長(zhǎng)，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(guó)能源與氣候智庫(kù)（Energy & Climate Intelligence Unit）統(tǒng)計(jì)顯示[10]，全球已有28個(gè)國(guó)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(guó)和不丹已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和，瑞典、英國(guó)、法國(guó)等 6個(gè)國(guó)家通過(guò)立法承諾碳中和，歐盟、加拿大、韓國(guó)等 6個(gè)國(guó)家及地區(qū)正在制定相關(guān)法律，中國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)等14個(gè)國(guó)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(guó)家外，芬蘭承諾最早（2035年）實(shí)現(xiàn)碳中和。另有99個(gè)國(guó)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(guó)家均將目標(biāo)擬定于2050年。

表1 各國(guó)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(guó)家具有國(guó)土面積小、森林覆蓋率極高等特點(diǎn)，其中蘇里南共和國(guó)的森林覆蓋率超過(guò) 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(zhǎng)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(guó)家來(lái)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(guó)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(guó)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(guó)外，已承諾碳中和的歐盟國(guó)家煤炭資源較少，國(guó)土面積較小，已經(jīng)全部退出煤發(fā)電。德國(guó)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(guó)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(yáng)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(lái)源，海上風(fēng)電迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2050年，歐盟、日本海上風(fēng)電將增長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)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(guò)買賣行政許可的方式進(jìn)行碳排放交易。該體系還通過(guò)限量和設(shè)定交易計(jì)劃，對(duì)各成員國(guó)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(guó)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(guó)家分別為中國(guó)、美國(guó)、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(lái)自中國(guó)、印度和日本，美洲的碳排放主要來(lái)自美國(guó)、加拿大和巴西，歐洲的碳排放主要來(lái)自俄羅斯、德國(guó)和英國(guó)，非洲的碳排放主要來(lái)自南非、埃及和阿爾及利亞，大洋洲的碳排放主要來(lái)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(guó)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(lái)源。2003年以來(lái)，煤炭消費(fèi)一直是二氧化碳排放的第1大來(lái)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(wèn)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(guò)程中還面臨政治、資源、技術(shù)、市場(chǎng)、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(guó)合作應(yīng)對(duì)，聯(lián)合國(guó)常任理事國(guó)應(yīng)率先在碳中和目標(biāo)上做出表率，但是美國(guó)和俄羅斯兩個(gè)常任理事國(guó)尚未承諾實(shí)現(xiàn)碳中和。全球碳排放前 5名國(guó)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(guó)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(guó)家正在討論碳中和目標(biāo)，能否通過(guò)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(yáng)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(lái)挑戰(zhàn)。全球太陽(yáng)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(guó)西北地區(qū)也是太陽(yáng)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(guó)北部和東部、蒙古、澳大利亞?wèn)|北部、非洲撒哈拉沙漠以南等地區(qū)。全球陸地太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(guó)家承諾對(duì)發(fā)展中國(guó)家提供資金和低碳技術(shù)援助尚未兌現(xiàn)。

2.2.4 市場(chǎng)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(shì)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(jìng)爭(zhēng)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(shì)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(wèn)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(lái)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幔脷涮娲侵赣谩熬G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(yáng)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(chǎng)所，利用技術(shù)手段長(zhǎng)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(chǎng)所主要為油氣藏、地下深部咸水層和廢棄煤礦等。未來(lái)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(kù)封存，可能是主要舉措。通過(guò)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)性，預(yù)測(cè)2020—2050年全球碳中和目標(biāo)下二氧化碳減排趨勢(shì)（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(shì)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(jìng)爭(zhēng)，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)?？傮w看，碳替代將成為碳中和進(jìn)程中的中堅(jiān)力量，預(yù)測(cè)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(wú)碳、可再生清潔能源，主要類型有太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、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(zhǎng)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(lái)，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(shì)。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(zhǎng)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(shì)圖（據(jù)文獻(xiàn)[17]修改）

近10年來(lái)，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(lái)，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(cè)，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(jìng)爭(zhēng)，能源去碳化趨勢(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)的化石能源。

圖6 2019—2050年全球能源結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)（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(guò)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(yáng)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(lái)，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(chǎng)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(shì)[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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(lái)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(lái)自于電轉(zhuǎn)氣[23-24]。

4 中國(guó)碳中和實(shí)施路徑

4.1 中國(guó)碳中和目標(biāo)與路線圖

中國(guó)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(guó)大會(huì)上表示“中國(guó)將提高國(guó)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(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)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(guó)能源發(fā)展》白皮書，全面闡述了新時(shí)代新階段中國(guó)能源安全發(fā)展戰(zhàn)略的主要政策和重大舉措。

《中國(guó)長(zhǎng)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(guó)二氧化碳排放進(jìn)入峰值平臺(tái)期，力爭(zhēng)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(cè)中國(guó)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(guò)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(guó)碳排放量趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖

4.2 中國(guó)碳中和實(shí)施路徑

與其他國(guó)家相比，中國(guó)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(guó)是全球最大的二氧化碳排放國(guó)，2019年二氧化碳排放量占全球總排放量的 29.8%，比美國(guó)（14.4%）、印度（7.0%）和俄羅斯（4.7%）的總和還要多。目前，中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)的2倍。針對(duì)中國(guó)國(guó)情，不能復(fù)制國(guó)外碳中和模式，需要制定符合中國(guó)資源稟賦及國(guó)情的碳中和實(shí)施路線。在實(shí)現(xiàn)碳中和的道路上，中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhēng)實(shí)現(xiàn)中國(guó)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(guó)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(wèn)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(guó)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(yáng)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(shì)，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?，發(fā)揮太陽(yáng)能光熱和地?zé)岬母髯詢?yōu)勢(shì)，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(lái)橋梁作用

天然氣是低碳清潔能源，是能源從高碳到零碳過(guò)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(guó)天然氣需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)到2035年，需求量將可能快速增長(zhǎng)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(kù)、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(guó)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(guó)”戰(zhàn)略。中國(guó)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(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，2030年中國(guó)將處于氫能市場(chǎng)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?lái)源的 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(shì)，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(guó)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(lái)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(guó)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(guó)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(cè)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(cè)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(lái)，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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)與物理研究所提出的“液態(tài)陽(yáng)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(guó)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(yáng)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(guó)西南、東北等重要林區(qū)的碳匯能力很大。2010—2016年，中國(guó)陸地植被年均固碳能力約11×108t，約等于在此期間中國(guó)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(chǎng)機(jī)制控制碳排放

建立健全全國(guó)碳排放交易市場(chǎng)，利用市場(chǎng)機(jī)制控制碳排放。建立碳市場(chǎng)，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(guó)當(dāng)前碳排放交易市場(chǎng)尚處于構(gòu)建初期，要進(jìn)一步完善碳排放交易市場(chǎng)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(guó)家碳排放交市場(chǎng)體系。

5 結(jié)語(yǔ)

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(guó)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(guó)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)；2030—2050年新能源將大規(guī)模推廣應(yīng)用，碳排放下降趨勢(shì)加快。2050年全球大部分地區(qū)和國(guó)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耙淮蟆睘樾履茉矗叭　睘槊禾?、石油、天然氣）。未?lái)中國(guó)也將逐步向世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)新趨勢(shì)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(guó)“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(lái)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。