碳中和背景、路徑及源于自然的碳中和熱能解決方案

李揚，王赫陽，王永真，趙軍*

（1.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室，天津300350；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

0 引言

自工業(yè)化以來，人類大量使用煤炭、石油等化石能源，同時大量排放CO2、甲烷、N2O、高全球變暖潛能值（GWP）制冷劑等溫室氣體，使地球大氣中的溫室氣體體積分?jǐn)?shù)不斷增加，導(dǎo)致全球平均溫度不斷上升，即全球變暖。根據(jù)世界氣象組織發(fā)布的報告［1］，2011—2020 年是有記錄以來最熱的10 年，2020年全球平均氣溫約為14.9 ℃，比工業(yè)化前水平（1850—1900 年平均值）高出（1.2±0.1）℃。近年來，颶風(fēng)、熱浪、干旱、洪水等全球極端天氣事件頻發(fā)，盡管上述事件與全球變暖的相關(guān)性還需進(jìn)一步科學(xué)驗證，但聯(lián)合國、政府間氣候變化專門委員會（IPCC）等多個機(jī)構(gòu)的專家均認(rèn)為二者有直接關(guān)系。目前，世界上絕大多數(shù)主要國家均制定了碳中和目標(biāo)及相關(guān)政策。2020 年9 月22 日，中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上莊嚴(yán)宣布了中國的“雙碳”目標(biāo)，即我國CO2排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

在此背景下，本文介紹了全球變暖成因及嚴(yán)峻形勢的科學(xué)共識，梳理了碳中和的主要技術(shù)途徑及具體技術(shù)減碳潛力，并基于不同視角進(jìn)行了計算與分析，提出了源于自然的碳中和熱能解決方案這一概念，以地下儲熱為例分析了其應(yīng)用潛力。

1 2 ℃溫控目標(biāo)任務(wù)艱巨

1.1 CO2對全球變暖影響的科學(xué)共識

美國學(xué)者查理斯·大衛(wèi)·科林是最早研究大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)對全球氣候影響的科學(xué)家之一，其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊觀測并繪制了著名的科林曲線（Keeling Curve）［2］，記錄了1958 年至今的大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的變化，如圖1所示。

圖1 1958—2021年大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)變化Fig.1 Atmospheric CO2 concentrations from 1958 to 2021

從圖1 雖然可以看出CO2體積分?jǐn)?shù)的加速上升趨勢，但由于該曲線的測量持續(xù)時間較短，有部分學(xué)者懷疑其與全球平均溫度升高的實際相關(guān)性，而在南極冰蓋下保存良好的冰層樣本則為研究古代長時間尺度下的氣候變化特性提供了可能。圖2為通過測量南極EPICA Dome C 冰芯得到的近80 萬年地球氣溫［3］和大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)［4］的關(guān)系曲線，可以看出二者具有非常顯著的相似性。

圖2 近80萬年地球氣溫與大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)變化Fig.2 Temperatures and atmospheric CO2 concentrations in the past 800 000 years

為了更好地評估氣候變化相關(guān)的科學(xué)認(rèn)知現(xiàn)狀，世界氣象組織及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在1988年聯(lián)合建立了IPCC。IPCC 至今已發(fā)布了5 次綜合報告，在歷次報告中，人類活動對全球變暖影響的確定性不斷增強(qiáng)，見表1。值得注意的是，第6 次評估報告中的第1 工作組報告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》已于2021 年8 月9 日發(fā)布，其中首次使用了“毫無疑問”（Unequivocal）這個詞來描述人類活動對氣候變化影響的確定性。

表1 IPCC歷次報告中關(guān)于人類活動對全球變暖影響確定性的結(jié)論Tab.1 Definitive conclusions on the impact of human activities on global warming in IPCC reports

1.2 嚴(yán)峻的減排形勢：2 ℃目標(biāo)難以實現(xiàn)

盡管絕大多數(shù)主要國家都已認(rèn)識到人類活動對全球變暖等氣候變化的影響，并制定了相關(guān)減排政策和目標(biāo)，但包含聯(lián)合國報告、Nature及其子刊在內(nèi)的多項研究指出，即使當(dāng)前各國的減排政策都按計劃實施，也很難實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中“把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2 ℃之內(nèi)”的目標(biāo)。

Rogelj 等［5］于2016 年在Nature 刊文指出，即使所有國家的國家自主貢獻(xiàn)（NDC）都實現(xiàn)且之后保持減排速度，2100 年全球平均溫升也只有50%的可能控制在2.7 ℃以內(nèi)。Raftery 等［6］于2017 年在Nature Climate Change刊文指出，基于已有效果的減排政策進(jìn)行計算，2100 年全球平均溫升可能范圍是2.0～4.9 ℃，中值為3.2 ℃，只有5%的可能控制在2.0 ℃以內(nèi)。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署于2020年發(fā)表報告指出：即使所有NDC 都實現(xiàn)，2100 年全球平均溫升也只有66%的可能控制在3.0 ℃以內(nèi)；而如果延續(xù)當(dāng)前減排政策，則該溫升會提高到3.5 ℃［7］。

事實上，即使全球平均溫升控制在2 ℃，也會對生態(tài)產(chǎn)生顯著的惡劣影響，因此《巴黎協(xié)定》中還要求“努力將氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上1.5 ℃之內(nèi)”。IPCC 于2019 年發(fā)布了《全球升溫1.5 ℃》特別報告，對比了全球溫升2 ℃和1.5 ℃對人類及生態(tài)的影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

表2 全球溫升1.5 ℃與2 ℃對人類和生態(tài)的影響Tab.2 Influence of 1.5 ℃and 2 ℃temperature rise on human and ecosystem

2 我國實現(xiàn)碳中和的難度分析

2.1 我國與其他主要國家/地區(qū)CO2排放對比

圖3 為2019 年世界211 個國家/地區(qū)的CO2排放情況，圖中數(shù)據(jù)來自牛津大學(xué)數(shù)據(jù)庫［8］。從CO2排放總量角度看，中國為世界第1，其總量超過美國和歐盟的總和；從人均CO2排放角度看，中國目前已超過世界人均線，但與美加澳等部分發(fā)達(dá)國家相比仍有不小的差距；從近10 年CO2排放年均增長速度角度看，對于美日英法德意澳等已經(jīng)實現(xiàn)碳達(dá)峰的發(fā)達(dá)國家，其CO2排放量逐年下降，而中國、巴西、印度等發(fā)展中國家目前仍然處于CO2排放正增長的階段。

圖3 中國與其他國家/地區(qū)CO2排放情況Fig.3 CO2 emissions of China and other countries/regions

2.2 我國參與氣候變化治理國際行動里程碑

在上述背景下，我國積極參與氣候變化治理的各項國際行動，1988 年IPCC 成立時，時任世界氣象組織主席的原國家氣象局局長鄒競蒙就推動了其創(chuàng)建；1998 年，中國簽署了《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》，人類首次以法規(guī)形式限制溫室氣體排放；2009 年，時任國務(wù)院總理溫家寶在哥本哈根氣候大會上承諾，我國2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的CO2排放比2005 年下降40%～45%，該目標(biāo)已提前3年完成；2016年，時任國務(wù)院副總理張高麗作為習(xí)近平主席特使在巴黎氣候大會上簽署了《巴黎協(xié)定》并做出了包括2030 年前后實現(xiàn)碳達(dá)峰等四大承諾；2020年9月，國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國大會上做出了“雙碳”目標(biāo)的承諾；同年12 月，國家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會宣布我國將進(jìn)一步提高NDC 力度，提出到2030 年，中國單位GDP 的CO2排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60 億m3，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1 200 GW以上。

2.3 我國與其他國家/地區(qū)“雙碳”目標(biāo)對比

目前全球已有30多個國家制訂了碳中和目標(biāo)，圖4為各典型國家/地區(qū)碳達(dá)峰及碳中和/凈零排放年份（碳達(dá)峰年份來自牛津大學(xué)數(shù)據(jù)庫［8］，碳中和/凈零排放年份參考公開報道［9］），可以看出雖然我國承諾的碳中和年份相對最晚，但從碳達(dá)峰到碳中和的時間卻顯著短于其他國家，尤其是英法德等早已自然達(dá)峰的老牌資本主義國家，體現(xiàn)了大國的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

圖4 中國與其他典型國家/地區(qū)碳達(dá)峰、碳中和/凈零排放年份對比Fig.4 Comparison of the years of CO2 peak emissions and carbon neutrality/net zero emissions between China and other typical countries/regions

值得注意的是，“雙碳”目標(biāo)提出時，尚未明確碳中和是針對CO2還是指針對所有溫室氣體的凈零排放。根據(jù)IPCC 官方術(shù)語定義［10］，碳中和（Carbon Neutrality）是指“在規(guī)定時期內(nèi)人為CO2移除在全球范圍抵消人為CO2排放”，而凈零排放（Net Zero Emissions）是指“規(guī)定時期內(nèi)人為移除抵消排入大氣的溫室氣體人為排放量”。

2021 年7 月，中國氣候變化事務(wù)特使解振華首次明確了我國的碳中和目標(biāo)是針對所有溫室氣體［11］。由于全球變暖實際上是受CO2、甲烷、氫氟碳化物等所有溫室氣體的共同影響，因此我國將2060年的目標(biāo)明確為溫室氣體凈零排放，不僅是控制全球變暖的應(yīng)有之義，也彰顯了我國承擔(dān)減排責(zé)任、推動構(gòu)建人類命運共同體的決心。

2.4 我國與GDP前10國家CO2排放強(qiáng)度對比

圖5 為我國和其他GDP 總量（以美元計）前10國家CO2排放強(qiáng)度的對比，數(shù)據(jù)來自世界資源研究所［12］?？梢钥闯?，我國在1990 年的CO2排放強(qiáng)度顯著高于其他國家，之后便迅速下降，2018 年已低于印度，1990—2018 年的年均下降比例達(dá)到6.8%，為10 個國家中最高。我國1990—2018 年的GDP 年均增長速度達(dá)9.6%［13］，說明我國在取得巨大經(jīng)濟(jì)發(fā)展成就的同時顯著降低了CO2排放強(qiáng)度，這在世界范圍內(nèi)是絕無僅有的、了不起的成就；另一方面，在已有碳中和目標(biāo)的9 個國家中，我國實現(xiàn)碳中和所需的CO2排放強(qiáng)度下降速度也是最高的，減排任務(wù)十分艱巨。

圖5 中國與其他GDP總量前10國家CO2排放強(qiáng)度對比Fig.5 Comparison of CO2 emission intensities between China and other nine top 10 countries by GDP

3 碳中和主要路徑

3.1 碳中和技術(shù)路徑

目前，碳中和的技術(shù)路徑主要分為以下4類：碳替代、碳減排、碳循環(huán)、碳封存。

（1）碳替代。主要是采用零碳能源替代傳統(tǒng)化石能源：通過光伏、風(fēng)電等替代燃煤發(fā)電；通過地?zé)?、光熱、空氣能等替代燃煤、燃?xì)夤┡煌ㄟ^可再生能源制氫/甲醇等替代化石燃料。

（2）碳減排。主要通過節(jié)能和減排技術(shù)提高能源的綜合利用率：通過優(yōu)化工藝及提高能效避免能源浪費或降低能耗；采用新型低碳排放工藝實現(xiàn)工業(yè)過程的余能回收；通過互聯(lián)互濟(jì)提高能源的利用率等。

（3）碳循環(huán)。主要包括人工固碳和生態(tài)固碳：人工固碳包括CO2制甲醇、CO 等；生態(tài)固碳包括森林固碳、草原固碳、湖泊固碳、綠地濕地固碳、堿性土壤固碳等。

（4）碳封存。主要包括將CO2封存在地下油氣層、深部咸水層、廢棄煤礦、深海海底等。

3.2 76種具體碳中和技術(shù)及分視角討論

Project Drawdown 是一個致力于提供氣候變化解決方案的國際性非營利組織，其編寫的圖書Drawdown被評為《紐約時報》暢銷書，曾被Science等權(quán)威期刊引用。該組織針對數(shù)十種碳中和技術(shù)研究了不同情景下的減排潛力并在不斷更新與擴(kuò)充［14］，表3 列舉了76 種碳中和技術(shù)在“21 世紀(jì)內(nèi)溫升控制在2 ℃以內(nèi)”這一情景下的減排潛力，并按照碳中和路徑、技術(shù)進(jìn)步或行為改變、是否與自然相關(guān)、是否與熱能相關(guān)4個視角進(jìn)行了分類與討論。

表3 2020—2050年76種碳中和技術(shù)年均減碳潛力［14］Tab.3 76 carbon neutrality technologies and their annual average CO2 reduction potential from 2020 to 2050［14］

3.2.1 按碳中和路徑分類視角

經(jīng)計算，76種碳中和技術(shù)中：碳替代類共14項，合計年均減碳潛力為7.3 Gt CO2e，占比21.9%；碳減排類共34項，合計年均減碳潛力為13.8 Gt CO2e，占比41.6%；碳循環(huán)類共28 項，合計年均減碳潛力為12.1 Gt CO2e，占比36.5%。計算結(jié)果表明，碳減排相關(guān)技術(shù)的減碳潛力最大，雖然采用光伏、風(fēng)電等碳替代技術(shù)同樣十分重要，但應(yīng)建立在充分節(jié)能降耗的前提下，這也佐證了杜祥琬院士［15］、謝克昌院士［16］等專家將節(jié)能提效作為碳中和首要路徑的觀點。

3.2.2 按技術(shù)進(jìn)步或行為改變視角

技術(shù)進(jìn)步類技術(shù)指主要依靠科技創(chuàng)新、研發(fā)新技術(shù)來實現(xiàn)減碳，該類技術(shù)共51 項，合計年均減碳潛力為15.8 Gt CO2e，占比47.5%。該類技術(shù)中以碳替代技術(shù)為主，合計年均減碳潛力在該類中占比46.2%。值得注意的是，與制冷劑相關(guān)的制冷劑替代與制冷劑管理合計年均減碳潛力達(dá)3.4 Gt CO2e，若合并為一項技術(shù)則在所有技術(shù)中排名第一。我國政府已充分認(rèn)識到制冷劑相關(guān)技術(shù)對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要性，積極參與包括簽訂《基加利修正案》在內(nèi)的各項國際行動，并已開展制冷劑替代、回收、跟蹤等方面的研究工作［17］。

行為改變類技術(shù)指主要依賴個人或決策者改變行為方式來實現(xiàn)減碳，該類技術(shù)雖然數(shù)量不足技術(shù)進(jìn)步類的一半，僅有25 項，但其年均減碳潛力在該類中占比達(dá)52.5%，表明行為改變可比技術(shù)進(jìn)步實現(xiàn)更好的減碳效果。

當(dāng)然，上述討論并非要在技術(shù)進(jìn)步和行為改變間厚此薄彼，二者各有其優(yōu)勢及挑戰(zhàn)。技術(shù)進(jìn)步類的優(yōu)勢在于便于集中科研力量攻克重點難題，且相關(guān)從業(yè)人員對碳中和的共識高、政策規(guī)劃易于落實。最典型的例子就是我國在新能源發(fā)電方面取得的巨大成就［18］：截至2020 年年底，我國太陽能及風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)530 GW，占全國總裝機(jī)容量的24.3%，裝機(jī)容量連續(xù)3 年位居世界第一，是排名第二的美國2倍以上；此外，棄風(fēng)棄光問題得到明顯改善，2020 年全國光伏及風(fēng)電平均利用率分別達(dá)98%和97%。

先進(jìn)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的不確定性會帶來一些新問題和新挑戰(zhàn)，高比例可再生能源電力系統(tǒng)安全事故多發(fā)就是一個典型問題，見表4。因此，我國提出的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建也是以系統(tǒng)彈性和韌性為約束的。

表4 世界近年來高比例可再生能源電力系統(tǒng)安全事故Tab.4 Recent safety accidents of power systems with high-proportion renewable energy in the world

行為改變類的優(yōu)勢在于人口基數(shù)大，總減碳潛力高以及單一行為復(fù)雜度低、不確定性小。以減碳潛力最高的減少食物浪費為例，據(jù)統(tǒng)計目前全世界溫室氣體排放中有34%與食物系統(tǒng)相關(guān)［19］，而供應(yīng)鏈或消費者側(cè)浪費造成的排放約占全世界溫室氣體排放的6.2%［20］。若按2018 年全世界溫室氣體排放總量48.9 億t CO2e［12］計算，食物浪費導(dǎo)致的溫室氣體排放約30.3 億t CO2e，相當(dāng)于世界第5 大排放國。

另一方面，由于個體間經(jīng)濟(jì)情況、教育背景等存在較大差距，如何提高全社會對“雙碳”目標(biāo)重要性的共識是一大挑戰(zhàn)。如法國“黃背心”運動持續(xù)近1 年，其導(dǎo)火索即為政府為控制碳排放而計劃提高燃油稅；BP、殼牌等五大石油公司每年花費超2億美元用來游說政府，以控制、延遲或阻礙氣候政策［21］；特朗普政府退出《巴黎協(xié)定》，其支持者中有30%不相信全球變暖［22］。

3.2.3 按自然相關(guān)技術(shù)視角

經(jīng)計算，與自然密切相關(guān)的技術(shù)共35 項，總減碳潛力為15.3 Gt CO2e，占比達(dá)45.9%。根據(jù)世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）的定義［23］，與自然相關(guān)的技術(shù)中包括基于自然的（Nature-based）和源于自然的（Nature Derived）。其中基于自然的解決方案通過對自然或人工生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、修復(fù)和可持續(xù)管理來減緩氣候變化［24］。具體技術(shù)包括熱帶森林恢復(fù)、林牧一體、泥炭地保護(hù)與恢復(fù)等共25 項，總減碳潛力在該類中占比65.0%。源于自然的解決方案指通過源于自然的方案來滿足低碳需求，但這些方案并不直接基于生態(tài)系統(tǒng)，而是對其實現(xiàn)轉(zhuǎn)換利用。如對太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能等的利用等［23］，具體技術(shù)包括陸上風(fēng)電、大規(guī)模光伏、地?zé)崮芾玫裙?0項，總減碳潛力在該類中占比35.0%。

3.2.4 按熱能相關(guān)技術(shù)視角

經(jīng)計算，與熱能密切相關(guān)的技術(shù)共26 項，總減碳潛力為11.8 Gt CO2e，占比達(dá)35.5%。該類技術(shù)可細(xì)分為可再生熱能利用、提高供能系統(tǒng)及交通系統(tǒng)能源利用效率、優(yōu)化制冷劑、清潔炊事以及減少散熱損失等。

4 源于自然的碳中和熱能解決方案

4.1 自然在碳循環(huán)中的重要作用

雖然人類活動是全球變暖的主要原因，但在地球碳循環(huán)中，人類活動與大氣間的碳通量（Carbon Flux）實際上遠(yuǎn)低于自然界間的碳通量。據(jù)統(tǒng)計［25］，大氣與森林及土壤間的碳通量約為120.0 Gt/a，與海洋間的碳通量約為90.0 Gt/a，而相比之下人類向大氣排放的碳通量僅為5.5 Gt/a。

圖6 為美國航空航天局（NASA）模擬的全球2006 年4 月1 日和8 月1 日CO2體積分?jǐn)?shù)分布［26］（顏色越接近紫色說明CO2體積分?jǐn)?shù)越高）。由圖6 可以看出，4 月北半球CO2體積分?jǐn)?shù)很高，而到8 月北半球植物勃發(fā)后，CO2體積分?jǐn)?shù)顯著下降，體現(xiàn)了自然在碳循環(huán)中的重要作用。

圖6 NASA模擬制作的全年全球CO2體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Annual global CO2 concentration distribution simulated by NASA

4.2 我國豐富的自然熱能資源

我國的自然熱能資源十分豐富，包括地?zé)崮?、太陽能、海洋熱能等，每年可利用量在我國中低溫?zé)崮苤姓急瘸^99%［27］。

對于地?zé)崮?，我國地級及以上城市淺層地?zé)崮苣昕衫昧考s7 億t標(biāo)準(zhǔn)煤，水熱型地?zé)崮苣昕衫昧考s19 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，二者合計總量超過當(dāng)前我國集中供暖能耗［13］的19 倍。作為淺層地?zé)崮艿淖钪饕眯问?，地源熱泵在我國發(fā)展迅速，截至2019 年全國地源熱泵供能面積已達(dá)8.41 億m2［28］，連續(xù)多年位居世界第一，近5 年的年均增長率超過20%。將地源熱泵已供面積［29］與可供面積［30］相除，則可得到各省級行政區(qū)淺層地?zé)崮芾寐省＝?jīng)計算，我國2015 年淺層地?zé)崮芷骄寐蕛H為0.5%，利用率最高的河北省不足3.0%，尚有巨大的發(fā)展?jié)摿?。若全部開發(fā)利用，每年可減少CO2排放9.32 億t［30］。

對于太陽能，我國陸地每年接收的太陽能輻射總量約為1.8 萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤［31］，相當(dāng)于2019 年我國全國能耗［13］的370.9倍。我國不僅在光伏裝機(jī)容量方面連續(xù)多年世界第一［32］，在太陽能熱利用方面也取得了巨大的發(fā)展。目前，我國太陽能熱水利用規(guī)模已遠(yuǎn)超世界其他國家，截至2020年年底裝機(jī)容量約364.4 GWth，占全世界總量的72.7%，比排名第二的土耳其高出18 倍以上［32］。在聚焦式光熱發(fā)電方面，我國近年來也取得了很大進(jìn)步，截至2020 年年底，裝機(jī)容量達(dá)520 MWe，排名世界第三［32］，但與我國太陽能資源量相比，當(dāng)前已利用量可以忽略不計，開發(fā)潛力巨大。

對于海洋熱能，我國近海及毗鄰海域的溫差能合計約520 Gt 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中南海、東海、黃海的資源量分別占比85.4%，13.7%，0.9%［33］。雖然海洋溫差能品位和利用效率較低，當(dāng)前我國還沒有商業(yè)化的海洋溫差能利用項目，但由于其儲量大，對于一些特殊場景仍有一定的應(yīng)用潛力。

綜上所述，自然在碳循環(huán)中具有十分重要的作用，而我國具有豐富的自然熱能資源，若將二者有機(jī)結(jié)合，形成源于自然的碳中和熱能解決方案，可為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出特殊貢獻(xiàn)。

4.3 方案示例：利用自然進(jìn)行儲熱

在未來高比例新能源電力系統(tǒng)（即新型電力系統(tǒng)）大規(guī)模應(yīng)用的情景下，由于光伏和風(fēng)電年利用小時數(shù)低（如圖7所示），假設(shè)不考慮儲能、靈活性電源以及需求側(cè)響應(yīng)等資源，新型電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量需數(shù)倍于需求側(cè)負(fù)荷［34-35］。因此，受新能源波動性、間歇性、反調(diào)峰特性的影響，未來電網(wǎng)的安全運行及經(jīng)濟(jì)調(diào)度將受到極大考驗，新能源發(fā)電波動對應(yīng)的功率可能相當(dāng)于整個負(fù)荷總量，而大規(guī)模、多元化的儲能則成為新型電力系統(tǒng)必要的支撐之一［36-37］。

圖7 中國光伏、風(fēng)電及用電負(fù)荷典型年利用小時數(shù)Fig.7 Typical annual utilization hours of photovoltaic，wind power and electrical load in China

儲能技術(shù)主要可分為物理儲電、化學(xué)儲電、儲熱等，而當(dāng)前非熱儲能技術(shù)仍存在較多問題。

（1）續(xù)航較短。當(dāng)前儲能續(xù)航時間普遍為2～8 h，難以應(yīng)對連日不利氣象條件導(dǎo)致的長時間用電缺口。如新疆電網(wǎng)曾出現(xiàn)風(fēng)電平均出力連續(xù)4 d 不足裝機(jī)容量10%的情況［34］。

（2）安全性仍有待提高。近年來國內(nèi)外安全事故時有發(fā)生，如2021 年4 月北京大紅門儲能電站著火爆炸，導(dǎo)致2名消防員犧牲，系統(tǒng)中包含25 MW·h鋰電儲能；2021 年8 月北京順義區(qū)發(fā)生飛輪儲能試驗系統(tǒng)事故，造成3人遇難。

（3）成本較高。1 kW·h 儲電成本是儲熱的10～30 倍［38］，而能量衰減、報廢處理等也對成本造成了顯著影響。

儲熱技術(shù)可扮演多個關(guān)鍵角色。

（1）對標(biāo)熱能為主的終端需求。據(jù)統(tǒng)計，終端能源消費中有51%是熱能需求［32］，因此與采用電鍋爐等路徑相比，可采用可再生熱能→熱用戶的方式，以提高能源利用效率，降低能源損耗。

（2）提高光熱發(fā)電效果?？捎糜谄揭痔柲懿▌有?，提高聚焦式光熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及能效水平，降低度電成本。

（3）可用于實現(xiàn)低成本卡諾電池?？ㄖZ電池也稱熱泵蓄電，其原理是在用電低谷時通過熱泵循環(huán)來存儲熱量和冷量，用電高峰時通過布雷頓循環(huán)等方式發(fā)電實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰。其初投資成本比常規(guī)鋰電池儲能低40%左右［39］。

根據(jù)麻省理工學(xué)院（MIT）發(fā)表在Joule 上的研究［40］，當(dāng)能源系統(tǒng)中可再生能源占比達(dá)100%時，配套儲能系統(tǒng)的初投資必須降至20 美元/（kW·h）以下時才具備經(jīng)濟(jì)性，而目前抽水蓄能、鋰電池、壓縮空氣儲能等常規(guī)儲能方式的初投資均高出其數(shù)倍。

在此背景下，若將儲熱與自然相結(jié)合，可進(jìn)一步發(fā)揮儲熱低成本的顯著優(yōu)勢，如利用或改造地下土壤等自然系統(tǒng)進(jìn)行儲熱。表5為丹麥地下水池式跨季節(jié)儲熱案例統(tǒng)計［41］，該類技術(shù)的初投資成本可低至0.5 美元/（kW·h）以下。若將地下儲熱與卡諾電池技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)低成本的電網(wǎng)調(diào)峰，將具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

表5 丹麥地下水池儲熱案例Tab.5 Underground heat-storage reservoirs in Denmark

5 結(jié)束語

本文首先介紹了CO2對全球變暖影響的科學(xué)共識及嚴(yán)峻的減排形勢，分析了我國CO2排放的歷史及現(xiàn)狀并與世界其他主要國家進(jìn)行了對比。之后梳理了碳中和的主要路徑及具體技術(shù)方案并從不同視角進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：碳減排類技術(shù)比碳替代、碳循環(huán)類技術(shù)具有更大的減碳潛力；行為改變類技術(shù)的減碳潛力超過技術(shù)進(jìn)步類；與自然和熱能相關(guān)技術(shù)的減碳潛力占比分別達(dá)到45.9%和35.5%。最后提出了源于自然的碳中和熱能解決方案，并以地下儲熱為例介紹了其應(yīng)用潛力。

值得注意的是，上述減碳技術(shù)均非孤立存在，各技術(shù)間存在互動與集成優(yōu)化的可能。如何突破體制機(jī)制壁壘，形成以自然熱能為主的多能耦合互補能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)1+1＞2 的效果，應(yīng)被引起足夠的重視。