能源視角下的中國碳中和構(gòu)想

綠色低碳轉(zhuǎn)型將是今后我國全部經(jīng)濟(jì)活動的內(nèi)核，碳中和是未來中國經(jīng)濟(jì)增長和轉(zhuǎn)型的最大驅(qū)動力，也將成為科學(xué)研究、科技開發(fā)、投資、建設(shè)、生產(chǎn)、消費(fèi)和流通等領(lǐng)域決策的依據(jù)。本文從能源視角，提出科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本途徑。

全球碳元素代謝與我國碳中和的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

從1900年至2000年的百年內(nèi)，全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人類社會創(chuàng)造了高度發(fā)達(dá)的工業(yè)化文明，并正向信息化、智能化時代邁進(jìn)。工業(yè)化進(jìn)程的驅(qū)動力主要依靠化石能源。在這一時段內(nèi)，全球化石燃料排放的二氧化碳（CO2）量約為9860億噸，全球大氣中CO2濃度從290ppm（百萬分之一）上升至380ppm，上升了90ppm。由此可以從表象學(xué)統(tǒng)計(jì)估算出，約每排放110億噸CO2，則大氣中累積的CO2濃度上升約1ppm，100年內(nèi)大氣溫度約上升了0.85℃（置信區(qū)間為0.85±0.18℃）。則可估算每排放11600億噸CO2，可造成氣溫平均上升1℃。

21世紀(jì)以來，全球CO2排放量持續(xù)增加，全球極端氣候現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，據(jù)聯(lián)合國氣候變化委員會（IPCC）的多次公報(bào)，全球氣候變化與大氣中CO2濃度升高的關(guān)聯(lián)度不斷提升，引起了世界各國的高度重視。2020年9月22日的聯(lián)合國大會上，有121個國家主動承諾在2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和。根據(jù)已有協(xié)議，應(yīng)對氣候變化，發(fā)達(dá)國家與發(fā)展中國家有共同但有區(qū)別責(zé)任的原則，中國鄭重承諾在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值，并力爭于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在中國實(shí)現(xiàn)碳中和政策是黨中央經(jīng)過深思熟慮的重大決策，習(xí)近平總書記在2021年3月15日中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議上講道：“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明總體布局?！薄耙獦?gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)?！?/p>

碳中和對一個國家或地區(qū)來講，意味著要把社會所有生產(chǎn)生活中排放的CO2全部回收，或利用、埋藏，實(shí)現(xiàn)凈零CO2排放。從全球角度講，要規(guī)劃全球碳元素的自然生態(tài)代謝和社會生態(tài)代謝，以減少CO2在大氣中的累積，抑制溫室效應(yīng)對氣候的影響。碳元素在自然界的循環(huán)模式是：全世界存在四個大碳元素庫，一是地層沉積碳庫，包括石油、煤炭、天然氣等化石和碳酸鹽等水成巖;二是陸地表層碳庫，包括生物和土壤中的碳元素含量;三是大氣碳庫，大氣中的CO2濃度從工業(yè)化前的含量280ppm到2009年已上升到400ppm以上;四是海洋碳庫，由于降雨可以把大氣中的CO2淋洗到海洋，由海洋浮游生物、細(xì)菌、海藻或硅酸巖轉(zhuǎn)化為以碳酸巖為主組成的碳元素庫。碳元素在四大碳庫間循環(huán)輸運(yùn)。

工業(yè)化社會以來，大量開采化石燃料利用和石灰石制造水泥，把大量的沉積在地層深處的碳元素輸運(yùn)進(jìn)入大氣的速度大幅增加。而二氧化碳在大氣中的積累，造成氣候變化;在海洋中的積累，使海水從工業(yè)革命以來氫離子濃度指數(shù)（pH）值下降，其幅度約0.24，打破了自然界碳元素輸運(yùn)的規(guī)律。碳中和的目的就是使碳元素的代謝回歸自然狀態(tài)，使碳元素的社會生態(tài)循環(huán)與自然生態(tài)相和諧。

我國要實(shí)現(xiàn)碳中和面臨著巨大的挑戰(zhàn)：

其一，中國是世界最大的CO2排放國，2019年排放量約102億噸，約占世界CO2總排效量330億噸的1/3。其二，從2030年前碳達(dá)峰到2060年前碳中和時間僅為大約30年，而一些發(fā)達(dá)國家如英、法、德等碳達(dá)峰至碳中和有70 ～80年的緩沖期，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)層面可以有更大的彈性操作空間。其三，更為重要的是，我國正處于經(jīng)濟(jì)增長的窗口期，實(shí)現(xiàn)碳中和必須與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行。2020年美國人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）約為6.5萬美元，德國人均GDP為4.8萬美元，而我國僅為1.0萬美元左右。到2049年中華人民共和國成立100年時，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平，將是一個巨大的挑戰(zhàn)。其四，許多國家的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展軌跡，都依循克拉克定律，即從農(nóng)業(yè)到制造業(yè)再到服務(wù)業(yè)。這可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)的金融化、虛體化、空心化，使國家經(jīng)濟(jì)隱藏著危機(jī)。我國多年來一直是世界制造業(yè)大國，必須發(fā)展科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、專利、軟件推廣等，以智力勞動形成“智造業(yè)”推動創(chuàng)新發(fā)展，通過制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、智造業(yè)三者相互依賴的健康發(fā)展模式，保證制造業(yè)永遠(yuǎn)處于創(chuàng)造財(cái)富的主體地位。

既然中國要永久保持制造業(yè)大國、強(qiáng)國地位，當(dāng)然必須有相應(yīng)的能源供應(yīng)，這為碳中和的實(shí)現(xiàn)增加了難度。我國經(jīng)濟(jì)經(jīng)過40多年的高速發(fā)展，持續(xù)發(fā)展面臨的制約是能源、資源的日益匱乏，石油的對外依存度己超過70%（2020年為74%），天然氣的對外依存度也將達(dá)到50%（2020年為42%）。

但碳中和的實(shí)現(xiàn)亦將是我國發(fā)展的機(jī)遇。綠色低碳轉(zhuǎn)型將是今后全部經(jīng)濟(jì)活動的內(nèi)核，碳中和是未來中國經(jīng)濟(jì)增長和轉(zhuǎn)型的最大驅(qū)動力，也將成為科學(xué)研究、科技開發(fā)、投資、建設(shè)、生產(chǎn)、消費(fèi)和流通等領(lǐng)域決策的依據(jù)。我們應(yīng)智慧地、理性地平衡生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展關(guān)系，合理、可承受地推進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平，并與碳中和同步，踐行建設(shè)“人類命運(yùn)共同體”的承諾。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和的必由之路

我國雖然已經(jīng)是世界第二大經(jīng)濟(jì)體，但仍處于工業(yè)經(jīng)濟(jì)時代后期。2020年我國一次能源消費(fèi)中，工業(yè)占57.06%，建筑業(yè)占16.78%，交通占15.30%，其他占10.86%;而能源消費(fèi)以煤炭為主，煤炭消費(fèi)占57%，非化石能源消費(fèi)僅占16%。各種能源中C/H摩爾比：草木1.0/1.0，煤1.5～2.0/1.0，石油1.0/2，天然氣1/4。

我國減少CO2排放的出路只有改產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少單位GDP所用的能耗，通過改變能源結(jié)構(gòu)，大量采用可再生能源，才能實(shí)現(xiàn)。中國制造業(yè)產(chǎn)值已占全球的30%左右，但與美國相比仍有較大差距。同時，位于前列的多是初級產(chǎn)品，如21世紀(jì)20年代初我國鋼鐵產(chǎn)量約為12億噸/年，我國人均鋼產(chǎn)量是美國的3倍，而我國水泥產(chǎn)量約為15億噸/年，我國水泥人均產(chǎn)量為美國的6倍。這些初級產(chǎn)品價(jià)值低，CO2排放大，隨著大型基礎(chǔ)設(shè)施高速鐵路、公路、橋梁、水壩、住房等大規(guī)模建成，社會從工業(yè)化向信息化、智能化時代轉(zhuǎn)化，對這些初級產(chǎn)品的需求將逐步減少。所以發(fā)達(dá)國家CO2排放陸續(xù)達(dá)到峰值，萬元GDP能耗僅為我國的1/4～1/3。

我國“十四五”規(guī)劃提出了高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)思想，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，這是實(shí)現(xiàn)碳中和與社會經(jīng)濟(jì)同步發(fā)展的應(yīng)有之義。我國高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型已經(jīng)有良好的開始，處于領(lǐng)先水平的產(chǎn)業(yè)包括高速鐵路、第五代移動通信（5G）及量子信息傳遞技術(shù)，光電、風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)業(yè)等;處于并跑水平的產(chǎn)業(yè)包括大型工程機(jī)械、純電動車、鋰電池產(chǎn)業(yè)和無人機(jī)等;處于加速追趕的產(chǎn)業(yè)包括民用航空、人工智能、機(jī)器人和芯片等。

此外，各行各業(yè)通過技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排也是減少CO2排放的重要舉措。如2019年我國火力發(fā)電的平均煤耗為306.7克/千瓦·時，而世界先進(jìn)火電的煤耗更低，為270克/千瓦·時，通過技術(shù)進(jìn)步尚有10%～30%的節(jié)能空間。

可再生能源技術(shù)為近零碳電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)

電能是人類社會不可替代的二次能源。它支撐著文明社會的運(yùn)行，2019年中國人均總用電量為0.51萬千瓦·時。我國發(fā)電以煤燃料的火電廠為主，電力系統(tǒng)2020年CO2排放量約占37%。隨著光伏發(fā)電和風(fēng)電發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步，到了21世紀(jì)20年代，光伏發(fā)電成本已降至0.068美元/千瓦·時。風(fēng)電發(fā)電成本為0.053（陸地）美元/千瓦·時、0.115（海上）美元/千瓦·時，已接近同時期的火電成本（約為0.05美元/千瓦·時）。

2021年4月，沙特新建600兆瓦大型光伏電站阿爾舒艾巴（Al-Shuaiba），其電力售價(jià)已降到1.05美分/千瓦·時，所以光伏發(fā)電不但技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)上也可優(yōu)于火電的建設(shè)。更重要的是，太陽所給予地球的可再生能源可以提供全球能源總需求的3078倍（綠色和平組織國際能源革命，2005年9月）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國北部地區(qū)的內(nèi)蒙古，西北地區(qū)的新疆、甘肅、青海、寧夏風(fēng)光能源可開發(fā)量可達(dá)397萬億千瓦·時/年，相當(dāng)于4700個三峽水電站一年的發(fā)電量，因此可再生能源從規(guī)模上是完全可滿足需求的。

采用可再生能源為主的電力供應(yīng)是可以預(yù)期的，我國一次能源消費(fèi)近年為48億噸標(biāo)煤左右，按每300克標(biāo)煤生產(chǎn)一干瓦小時電量計(jì)算，則約折合14萬億千瓦·時/年的電量。根據(jù)我國建設(shè)計(jì)劃，到2030年光伏、風(fēng)電裝機(jī)可達(dá)12億千瓦。若依每年可發(fā)電2000小時計(jì)算，總發(fā)電量約為2.4萬億千瓦·時/年。到2060年只要再增加建設(shè)6倍的風(fēng)電、光伏電站，就相當(dāng)于40億噸標(biāo)煤/年的化石能源的供電量，所以人類完全告別化石能源時代是可能的。

由于風(fēng)電、光伏發(fā)電最大的缺點(diǎn)是不穩(wěn)定，需要相應(yīng)的調(diào)峰裝置和儲電裝置與之相配合組成智能電網(wǎng)，以滿足產(chǎn)業(yè)與生活用電需求。調(diào)峰措施可以通過調(diào)峰用電（如儲熱、制冷、生活用電）和調(diào)峰化石電站來實(shí)現(xiàn)。而儲電技術(shù)包括化學(xué)儲電（鋰硫等電池、釩液流電池）、水力儲能、壓縮空氣儲能、機(jī)械儲能等都是當(dāng)今研發(fā)的重點(diǎn)。除了尚在研發(fā)中的核聚變電臺外，世界已取得共識，認(rèn)為可再生能源（光伏等）加上儲能調(diào)峰技術(shù)組成智能電網(wǎng)，可能是人類未來能源的終極解決方案。

從化石燃料時代轉(zhuǎn)變?yōu)榛牧蠒r代

不再利用化石來燃燒取能，可使CO2排放減少主要來源，而人類對碳元素的需求卻沒有減少，生物吃的是碳水化合物，人類大量使用的是碳?xì)浠衔?，?dāng)今社會碳元素的來源主要依靠化石供應(yīng)。所以化學(xué)家的任務(wù)是如何重新認(rèn)知“碳”和“氫”元素在自然界的代謝，以及如何安排“碳”和“氫”元素在社會生態(tài)中的運(yùn)輸模式。

當(dāng)今傳統(tǒng)石油煉制產(chǎn)業(yè)，原油的70%～80%被加工成汽油、柴油、煤油和潤滑油被利用，而加工成石腦油最終生產(chǎn)成塑料、橡膠、合成纖維等材料的比例僅為20%～30%。隨著電動車的興起，原油的加工路線必然發(fā)生根本改變。石油將作為材料生產(chǎn)各種高性能的高分子材料。

天然氣由于售價(jià)較高，主要作為家庭炊事、洗浴和取暖的能源。以炊事燒一鍋熱水為例，僅30%多燃燒熱量傳遞到熱水之中，遠(yuǎn)不及用電加熱水的能源利用率。更可惜的是，大量含氫元素的天然氣可用來與CO2反應(yīng)使之成為碳匯，反而被大量燃燒掉了，這從碳中和角度思考是完全不合理的利用方式。天然氣作為最清潔的化石能源，我國2020年產(chǎn)量為1888.5億米3/年，比上一年增加了9.8%，液化天然氣進(jìn)口量為10166萬噸，增加了5.3%。而我國氫氣（H2）的原料43%為煤，13%為石油，16%為天然氣。采用天然氣制氫代替煤制氫應(yīng)是一段時間的重點(diǎn)發(fā)展方向，預(yù)計(jì)到2050年其將在化石能源消費(fèi)量排名第一。我們應(yīng)該大力開發(fā)天然氣作為減排CO2、合成各種材料的技術(shù)。

關(guān)于煤炭如何從燃料變?yōu)椴牧侠?，早?0多年前就開始了這方面的研究與開發(fā)，煤通過甲醇制烯烴在2019年已形成了1300多萬噸/年的產(chǎn)能。煤制乙二醇生產(chǎn)化纖的工藝中乙二醇產(chǎn)能也超過了550萬噸/年。但是從碳中和角度來審視，由于CO2排放量大，水耗大，今后不再可能大量采用。我們需要研究開發(fā)既可達(dá)到轉(zhuǎn)變化石燃料為材料的目的且CO2排放少的技術(shù)。

褐煤等年輕煤種碳元素與氫元素比例可達(dá)1︰0.8。國內(nèi)開發(fā)了許多不同的褐煤分質(zhì)利用技術(shù)，在400℃～500℃下絕氧干餾，可以獲得半焦和碳?xì)浠衔铮ù纸範(fàn)t氣），碳?xì)浠衔锟梢赃M(jìn)一步高溫裂解氫氣，而赤熱的半焦（800℃～1000℃）可以把CO2還原成CO。兩者都可以作為減排CO2的手段，顛覆性地改變褐煤作為燃料的利用方式。

生物技術(shù)在實(shí)現(xiàn)碳中和時應(yīng)起到重要作用。藻類吸收CO2的生長速度和陽光利用率都是陸生植物的數(shù)倍到十?dāng)?shù)倍，且有微藻以甘油三酯形式儲存其所固定光合產(chǎn)物，其合量可達(dá)微藻干物質(zhì)的50%以上。它的發(fā)展?jié)摿κ艿绞澜绲闹匾?，中國新奧能源控股、美國的?？松梨?、德國意昂集團(tuán)等企業(yè)都建設(shè)有開發(fā)基地。

森林種植是自然界最重要的CO2捕集利用的手段。成熟森林白天吸收CO2為24.5噸/畝·年，而夜間的排放CO2為17.9噸/畝·年，森林種植作為重要的CO2減排方案，中國森林蓄材量從2005年至2013年約增加60億立方米，中國是世界上森林面積新增加最多的國家。但應(yīng)看到，植物是有生命周期的，每年有大量枝叉、樹葉凋落，它們的腐敗會產(chǎn)生大量甲烷，甲烷是更為嚴(yán)重造成溫室效應(yīng)的氣體。亞馬孫森林曾被視為是地球之肺，是自然界最大的CO2吸收地和氧吧。但最近有巴西研究報(bào)道，由于森林濫伐、氣溫上升自然腐敗和火災(zāi)等原因，每年有10億噸CO2當(dāng)量溫室氣體的排放產(chǎn)生。我國每年秸稈和農(nóng)林廢棄物的產(chǎn)量可達(dá)10億噸以上，除了通過建設(shè)沼氣站轉(zhuǎn)化為農(nóng)村的能源供應(yīng)外，采用更為與碳中和理念相契合的轉(zhuǎn)化方法是，將這些生物質(zhì)進(jìn)行低溫干餾，轉(zhuǎn)化為木醋液和生物碳。生物碳為多孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料，可以大量用于土壤改良修復(fù)，可增加土壤保墑和起到肥料的緩釋作用，顯著提高農(nóng)作物對化肥的利用率。而木醋液可以作為有機(jī)農(nóng)藥，防止蟲害。

發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用和資源循環(huán)利用

市場經(jīng)濟(jì)作為推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要模式已經(jīng)成為世界的共識，但它的發(fā)展必然伴隨著大量原生資源的開采，大量生產(chǎn)、消費(fèi)的進(jìn)行。置于政府和社會群眾監(jiān)管下的，有中國特色的市場經(jīng)濟(jì)雖然倡導(dǎo)高質(zhì)量制造、抑制過度浪費(fèi)等不良不法行為，但“十四五”期間的雙循環(huán)政策，經(jīng)濟(jì)增長仍要依靠消費(fèi)來拉動。大量消耗的不可再生資源及其加工制造過程的能量消耗，都是社會可持續(xù)發(fā)展需要解決的重要問題，根據(jù)艾倫·麥克阿瑟基金會測算，全球若落實(shí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)策略，僅水泥、鋁、鋼鐵、塑料的生產(chǎn)過程，其碳排放將減少40%，2020年至2050年可減排93億噸CO2。

除了我國已大力推行的生態(tài)循環(huán)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的建設(shè)，可使在一定界區(qū)之中，多企業(yè)間物質(zhì)流、能流、資金流、價(jià)值流、廢物流得到優(yōu)化配置外，另外新的更為經(jīng)濟(jì)的循環(huán)利用技術(shù)、再制造技術(shù)、增材制造技術(shù)等也在加速開發(fā)和推廣中。應(yīng)該注意到，由于碳中和的發(fā)展，電動車、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電池等制造對鋰、鈷、鎳、釹等金屬需求將成倍增加，對于退役的電動車、電池等回收和再制造有重大發(fā)展需求。

隨著碳中和進(jìn)程的不斷深入，許多原有高耗能的企業(yè)將會逐步退役，或轉(zhuǎn)產(chǎn)其他產(chǎn)品。例如我國煤制油技術(shù)，其產(chǎn)能已達(dá)到1000萬噸/年以上，不但CO2排放大，而且柴油已過剩，如何盤活其資產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)高碳醇用于增塑劑、化妝品、香精生產(chǎn)或聚合級高碳α-烯烴，對于一些高CO2排放企業(yè)尋找轉(zhuǎn)型、退出機(jī)制也是十分重要的。

根據(jù)國際能源署（IEA）《2050年凈零排放：全球能源行業(yè)路線圖》，2040年全球電力行業(yè)將基本實(shí)現(xiàn)凈零排放，90%電量來自可再生能源，70%來自光伏和風(fēng)電，這時諸多化學(xué)制造過程應(yīng)從熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)，如電解、等離子反應(yīng)過程?；剂系氖褂昧繉恼?/5下降到不足1/5，所以仍需要有一定的CO2捕集、利用、封存技術(shù)（CCUS），碳中和從另一角度講，就是碳元素的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)的熱力學(xué)基礎(chǔ)是通過能量注入把使用后品位降低的物質(zhì)，提升其品位，重新加以利用，如生活和工業(yè)廢水，根據(jù)其不同污染程度，通過處理，達(dá)到不同品位的凈水循環(huán)利用，使其過程更為節(jié)能;或者通過梯級利用來節(jié)約減少消耗，如洗菜、淘米水可用來澆花等。所以雖然物質(zhì)可以循環(huán)利用，但其本質(zhì)是建立在全生命周期考量能量利用效率問題上的，只有通過創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)。

對于氫元素的利用，地球上沒有單質(zhì)氫元素的存在，氫的化學(xué)活性高，在地球演化及生命形成過程中起著重要作用。當(dāng)前人類社會的重要化學(xué)制品如合成氨、甲醇等和煉油工藝都需要大量氫氣，中國2020年氫氣產(chǎn)能4100萬噸，產(chǎn)量為2000萬～3000萬噸。不同制氫方法的成本和CO2排放分別是：煤氣化（成本0.79元/米3，CO2排放11千克CO2/1千克H2），天然氣轉(zhuǎn)化（成本1.5元/米3，CO2排放5.5千克CO2/1千克H2），重油制氫（成本1.6元/米3，CO2排放7千克CO2/1千克H2），甲醇制氫（成本1.9元/米3，CO2排放7千克CO2/1千克H2），電解水（成本2.4元/米3，0千克CO2排放）。電解水制氫之所以成本高，是因?yàn)殡娊馑哪芰坷寐实?，僅為30%～50%。如果耗能得到降低，應(yīng)該首先代替原有化石能源制氫大量CO2排放的技術(shù)，氫氣作為產(chǎn)品合成原料，或者用來與CO2反應(yīng)，作為碳匯資源。與成熟高效的二次能源——電能相比，氫在創(chuàng)造、輸運(yùn)、儲存等各方面都不是一個可廣泛使用的二次能源。氫燃料電池的出現(xiàn)提供了一個鋰電池以外的可移動電源。由于燃料電池由氫重新轉(zhuǎn)換為電能時，能源轉(zhuǎn)換效率僅為50%左右，從電網(wǎng)用電制氫，再由氫轉(zhuǎn)換為可移動電源作為交通能源過程的全生命周期考量，能量利用率只有30%左右，所以氫燃料電池僅在重載運(yùn)輸、潛艇、貨輪等領(lǐng)域有發(fā)展空間。雖然近來文獻(xiàn)中有建議采用分解氨氣來解決移動交通工具中貯氫的難題，但從循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念來考慮更是難于接受的，因此，碳中和進(jìn)程中要精算能源利用率的問題。

提高人居環(huán)境的舒適程度，建筑節(jié)能是碳中和的重要途徑。目前，我國人均建筑面積已超過46平方米，已接近日本、歐洲水平，所以利用光熱、地?zé)帷⒐I(yè)余熱等能源，以及采用保暖建筑材料、相變建材、調(diào)峰制冷等技術(shù)來減少建筑物的運(yùn)行能耗，是十分重要的向題。在建筑物設(shè)計(jì)過程中，也應(yīng)體現(xiàn)碳中和的理念。據(jù)2020年統(tǒng)計(jì)，中國有150米以上高樓2395座，200米以上高樓823座，300米以上高樓95座，都居世界第一位。這樣的建筑物從建設(shè)成本、耗材、運(yùn)行能耗、安全防火、光污染各個角度考慮，都會嚴(yán)重劣于一般樓宇建設(shè)，2021年7月，國家發(fā)改委已宣布，將對250米以上高層建筑施行嚴(yán)格審批制度，而500米以上建筑將嚴(yán)令禁止。早在2008年，聯(lián)合國環(huán)境署為了提倡低碳生活方式，主張人人參與，從微末之處參與減排CO2。如不用洗衣機(jī)甩干，而是自然晾干，即可減排CO22.3千克/天·人。如此種種，不因善小而不為。

科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本途徑

碳中和是涉及全球人類生存質(zhì)量和永續(xù)發(fā)展的課題，世界各國都是倉促上陣應(yīng)對的，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面并沒有完備的方案。僅中國實(shí)現(xiàn)碳中和的資金投入預(yù)算就高達(dá)150萬億～300萬億元人民幣，只有在40年之內(nèi)，研究開發(fā)出“異想天開”的顛覆性科學(xué)技術(shù)和智慧的政策管理制度才可能順利實(shí)現(xiàn)。以下為筆者建議的發(fā)展方向：

第一，用天然氣制氫及與CO2反應(yīng)作為碳匯來利用。天然氣是含氫最多的化石資源，建議可以用于制氫及與CO2反應(yīng)作為碳匯來利用。當(dāng)前已探明在海底巖層中有大量的天然氣水合物（可燃冰）的蘊(yùn)藏，可以在海上建設(shè)發(fā)電站，開采天然氣水合物作為發(fā)電燃料，把CO2轉(zhuǎn)變成CO2水合物永久封存，由于兩種水合物的熱力學(xué)生成條件是近似的，從理論上來說或可行。

第二，建立跨歐亞美的“日不落電網(wǎng)”，減少智能電網(wǎng)對儲電設(shè)施的投入。采用光伏、風(fēng)電等可再生能源是全世界共同實(shí)現(xiàn)零碳排放的途徑，但遇到最大的難題是可再生電源的不穩(wěn)定性和儲電難度大、投資大。設(shè)想從白令海峽東經(jīng)180°經(jīng)歐亞大陸至倫敦東經(jīng)0°跨12個時區(qū)，而從白令海峽西經(jīng)180°到北美大陸西端西經(jīng)60°共跨8個時區(qū)。如果建立一個跨歐亞美的“日不落電網(wǎng)”則可大大減少智能電網(wǎng)對儲電設(shè)施的投入。

第三，火電廠的優(yōu)化轉(zhuǎn)型。未來火電廠生存的唯一機(jī)會是改造成調(diào)峰電站，組成智能電網(wǎng)。從科學(xué)原理已知，采用超臨界狀態(tài)的水進(jìn)行電解制氫是省能的方案，而先進(jìn)的火力發(fā)電廠都是超臨界、超超界蒸氣發(fā)電，如果開發(fā)出這種先進(jìn)的電解制氫技術(shù)與之相配合，則可低成本制氫，又可以發(fā)電—制氫相互切換，達(dá)到調(diào)峰的目的。如果能順利實(shí)現(xiàn)可以盤活巨大的“退役資產(chǎn)”。

第四，核聚變電站的研發(fā)建設(shè)。核聚變能的工程應(yīng)用，早已進(jìn)入科學(xué)技術(shù)界的視野，它的發(fā)電質(zhì)量高，沒有放射性廢物產(chǎn)生，而且可供利用的核燃料氘、氚在海水中的蘊(yùn)藏量可供使用百萬年，是理想中的能源開發(fā)方向，期待未來在商業(yè)應(yīng)用方面的突破。此外，設(shè)想中的空間太陽能電站也是把幻想變成現(xiàn)實(shí)的嘗試。以上設(shè)想僅是拋磚引玉，未來40年科學(xué)技術(shù)突破會產(chǎn)生諸多奇跡，各種大大小小的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本保證?？傊?，碳中和是未來中國經(jīng)濟(jì)增長和轉(zhuǎn)型發(fā)展的最大驅(qū)動力，它將成為今后科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)、投資、消費(fèi)和流通所有經(jīng)濟(jì)活動決策的依據(jù)，并通過理性的、智慧的生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行，通過研發(fā)創(chuàng)新、規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式推進(jìn)。2060年前中國碳中和的實(shí)現(xiàn)，是工業(yè)化時代轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒?、智能化時代;是以可再生能源為主導(dǎo)或核聚變電站商業(yè)運(yùn)營時代;是化石燃料轉(zhuǎn)型為化石材料時代;是資源循環(huán)利用時代;是科技顛覆性創(chuàng)新和人才輩出的時代。

（金涌為清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、中國工程院院士，胡山鷹為清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，朱兵為清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院院長。清華大學(xué)化工系副教授陳定江、博士生張臻燁對本文亦有貢獻(xiàn)。本文編輯/秦婷）