丁仲礼：碳中和对中国的挑战和机遇文/丁仲礼中国科学院院士，十三届全国人大常委会副委员长，民盟中央主席，欧美同学会会长中国国家主席习近平于2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上向世界庄严宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”其后，习主席又在多个国际场合对此作出承诺，表明中国政府和中国人民言必信、行必果的决心，为国际社会合作应对全球气候变暖提供了十分强大的助力。众所周知，化石燃料是工业革命以来人类得以发展进步的重要物质基础。在未来的发展进程中，如何逐步摆脱对化石燃料的依赖，真正向低碳社会转型，将是一项十分严峻的挑战。对中国来讲，更是如此。因为中国是工业化过程的后来者，并没有像一些发达国家那样，进入能源消耗已呈下降趋势的后工业化时期。为此，中国科学院学部组织百余位院士专家，从技术和产业层面对我国如何实现碳中和作了较为系统的研究，获得了对碳中和路线图的框架性认识。本文拟对此作一简介。一、中国的二氧化碳排放历史和现状人类大量利用化石燃料，向大气排放二氧化碳，是工业革命以后的事，但大气中二氧化碳浓度有实质性增加，则主要是近100年来出现的现象。中国从19世纪后半叶开始发展工业，但由于社会动荡不安，工业化进程十分缓慢，一直到新中国成立以后，才开始系统性工业化。二氧化碳排放开始进入快速增长时期，则要到1978年改革开放尤其是2001年加入世界贸易组织（WTO）以后。我们来看国际权威数据库提供的基本信息：从1850年到2019年，全球共排放了16100亿吨二氧化碳，其中中国为2200亿吨，占13.7%，远低于我国人口在全球的占比；而美国同期则排放了4100亿吨，占比高达25%以上；七国集团（G7）国家整体上的排放量为7340亿吨，占比高达45.6%，而其人口在全球占比则不到10%。通过计算，我们可获得1850—2019年人均累计二氧化碳排放量（每年的人均排放之加和）：美国2174吨、G7国家1397吨、全球386吨，而中国是182吨——只是美国的8.4%、G7国家的13.0%、全球平均的47.2%。由此可见，中国对全球大气二氧化碳浓度增加的贡献并不高。何况中国自加入WTO以来，一直承担着“世界工厂”的角色，相当一部分的排放是用于生产出口产品。因此，中国绝不像一些西方报刊所描绘的那样，是“全球最大的排放国”。即使以国家作为比较单位，美国对大气二氧化碳浓度增高的历史贡献也远大于中国。如果以人均累计排放量作为评价指标，中国则远低于全球平均，而这其实是最为合理的评价指标，因为不同国家的工业化起步时间有早晚，一个国家的工业化程度、城市化程度、人民生活水平、基础设施水平等，都需要消耗化石能源来提升，都需要时间来建设，都同人口数量相关。脱离了人口、历史这两个因子，比较国与国之间的排放是毫无意义的。但是，我们不得不承认，目前全世界每年总共排放约400亿吨二氧化碳，中国大约占四分之一，即100亿吨左右，年度人均排放已经超过全球人均水平。中国从加入WTO以来，二氧化碳排放量的快速增长，是同我国的压缩式发展分不开的。要发展就得增加能源消耗，在非碳能源技术尚未成熟的背景下，这就意味着排放增加。中国目前的人均国内生产总值（GDP）刚超过1万美元大关。从发达国家走过的历程看，在人均GDP达到1万美元之前，人均能耗的增长非常强劲；从1万美元到4万美元，人均能耗还会缓慢增长；达到4万美元之后，人均能耗将处于逐渐下降阶段，当然这也可能同发达国家将高能耗、高污染产业转移到发展中国家去有关。中国力争在2060年达到碳中和，而从现在到2060年我国正处于人均GDP从1万美元到4万美元的奋斗过程中，人均能源消耗的继续增长是不可避免的。一些发达国家在上世纪80年代即达到人均能耗高峰，并且从碳达峰到碳中和至少要用70年时间。和他们不同，中国要从2030年碳达峰后，用30年时间完成碳中和，挑战无疑是巨大的。那么，中国目前每年约100亿吨二氧化碳的排放主要来自何处？了解这一点对如何实现碳中和至关重要，这也是碳中和路线图的逻辑起点。根据国家相关统计，中国目前的一次能源消费总量约为每年50亿吨标准煤（编者注：一次能源是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源，又称天然能源），其中煤炭、石油、天然气的占比分别为57.7%、18.9%、8.1%，非碳能源的占比仅为15.3%。100亿吨二氧化碳的排放，发电（供热）占比45%，建筑占比5%，交通占比10%，工业占比39%，农业占比1%。发电（供热）的主要终端消费者为工业（64.6%）和建筑（28%）。从以上数据可以看出，二氧化碳的终端排放源主要为工业（约占68.1%）、建筑（约占17.6%）和交通（约占10.2%）。因此，实现碳中和工作的着力点也应该集中在这些领域。二、碳中和的基本逻辑和技术支撑碳中和的概念等同于“净零排放”，而不是二氧化碳“零排放”。净零排放的概念就是人类可以排放一定数量的二氧化碳，但这个排放量中的一部分被自然过程吸收而固定，余下部分则通过人为努力而固定（比如通过生态系统建设吸收二氧化碳，或把二氧化碳收集后转为工业品或封存于地下），排放量与固碳量相等，则为碳中和。评价一个国家、一个地区甚至一家企业碳中和与否或碳中和程度，看的就是其排放量和固碳量之比。根据国际上过去几十年来的观测统计，人类排放的所有二氧化碳中有54%被自然过程吸收（其中陆地吸收31%，海洋吸收23%），另外的46%留在大气中，成为大气二氧化碳浓度升高的主要贡献者。海洋吸收主要通过无机过程形成碳酸钙沉积和微体生物合成碳酸钙，陆地吸收则主要通过生态系统固存有机碳和土壤/地下水吸收形成无机碳酸盐，以及在河道、河口中沉积埋藏有机碳。尽管陆地吸收总量是已知的，但到目前为止，各种陆地吸收过程的相对比例并不清楚。根据中国科学院“碳收支”专项研究成果，我国通过自然保护和生态工程建设等，2010—2020年间的陆地生态系统净固碳能力为每年10亿—13亿吨二氧化碳。根据前面介绍的排放来源和吸收过程的数据，我们可以得出结论：碳中和是一个“三端共同发力”的体系，即“发电端”用风、光、水、核等非碳能源替代煤、油、气，“能源消费端”通过工艺流程再造，用绿电、绿氢、地热等替代煤、油、气，“固碳端”用生态建设、碳捕捉—利用—封存（CCUS）等碳固存技术，将碳人为地固定在地表、产品或地层中。这就是碳中和的基本逻辑。一国无论是技术原因，还是市场原因，其“不得不排放”的二氧化碳总量等同于自然吸收量与人为固碳量之和，即可视为“净零排放”，实现了该国的碳中和。由此可见，有先进并廉价的技术可供这“三端”所用，是实现碳中和的前提条件。也就是说，“技术为王”将在碳中和过程中得以充分体现。下面，我们来对这“三端”体系分别作简单介绍。（一）“发电端”之要在构建新型电力系统我国目前的发电装机容量约为22亿千瓦，未来假定：（1）能源消费端要实现电力替代、氢能替代（氢气也主要产自电力）；（2）为实现人均GDP从1万美元增到3万—4万美元，所需的能源明显增长；（3）风、光发电利用小时数难以明显提高，那么估计我国实现碳中和之时，总的电力装机容量会在60亿—80亿千瓦之间。因此，未来新型电力系统的第一个特点是电力装机容量巨大。第二个特点是我国十分丰富的风、光资源将逐步转变为主力发电和供能资源，这既包括西部的风、光资源，也包括沿海大陆架风力资源，更包括各地分散式（尤其是农村）的光热等资源（如屋顶和零星空地）。第三个特点是“稳定电源”应从目前火电为主逐步转化为以核电、水电和综合互补的清洁能源为主。第四个特点是必须利用能量的存储、转化及调节等技术，克服风、光资源波动性大的天然缺陷。第五个特点是火电（为减少二氧化碳排放，应逐步用天然气取代煤炭发电）只作为应急电源或一部分调节电源。第六个特点是在现有基础上，成倍扩大输电基础设施，平衡区域资源差异；并加强配电基础建设，增强对分布式资源的消纳能力。为实现碳中和，我国拟以装机总量60亿—80亿千瓦，风力发电、光伏发电共占比70%，“稳定电源”占比30%为目标，规划新型电力系统。在40年内，大致以每十年为一期，顺次走控碳电力、降碳电力、低碳电力最后到近无碳电力之路，并完成超大规模的输变电基础设施建设。要建立这样的新型电力系统，无论是发电，还是储能、转化、消纳、输出等，技术上都有大量需要攻克的关键环节，这将成为实现碳中和目标工作的重中之重。（二）“能源消费端”之要在电力替代、氢能替代以及工艺重构用非碳能源发电、制氢，再用电力、氢能替代煤、油、气用于工业、交通、建筑等领域，从而实现消费端的低碳化甚至非碳化，这是实现碳中和的核心内容。在电力供应充足和廉价的前提下，消费端的低碳化主要通过各种生产工艺流程的再造来完成。消费端的排放大户是工业、交通、建筑三个领域，工业领域的排放大户是钢铁、建材、化工、有色四个产业。从现有技术分析，交通的低碳化甚至非碳化较易实现，即轨道交通和私家车可用电力替代，船舶、卡车、航空可部分用氢能替代。这里关键处是建设私家车的充电体系，建设从制氢到输运再到加氢站的完整体系，当然还有如何保证经济、安全运行等问题。建筑领域的低碳化技术亦基本具备，大致可考虑以下途径：城市以全面电气化为主，加上条件具备的小区以电动热泵（地源热泵、空气源或者长程余热）为补充，少部分情况特殊者可部分利用天然气；农村则以屋顶光伏＋电动热泵＋天然气＋生物沼气＋输入电力的适当组合为主。以上两大领域去碳化的关键是政府与市场做好协调，并以合适节奏推广之。目前，工业领域的钢铁、建材、化工、有色产业还没有用电力、氢能替代化石能源的成熟技术，虽然从理论上讲是可以实现的，但仍需技术层面变革性的突破和行业间的协调。事实上，国内外一些企业与研发单位在氢能＋电力＋煤炭的“混合型”炼铁（如氢冶金）上已有较为成功的先例。从工艺流程再造看，不同工业过程既可考虑先走低碳化的“混合型”再到无碳化的“清洁型”，也可考虑一步取代到位。由此可见，能源消费端的“替代路线”亦需研发大量新技术并布局大量新产业。需要说明的是，水泥一般用石灰石做原料，煅烧过程中不可能不产生二氧化碳，这部分如得不到捕集利用，当在“不得不排放”的二氧化碳之列。此外，煤、油、气作为资源来生产基础化学品、高端材料、航油等，其开采—加工—产品使用的全生命周期中也存在“不得不排放”的二氧化碳。从以上两部分的分析看，无论是发电端还是能源消费端，到2060年都会有相当数量的碳排放存在，需要其他技术予以中和。（三）“固碳端”之要在生态建设学术界对固碳方式已有过很多研究，主要分六大类。第一类是通过对退化生态系统的修复、保育等措施，增强光合作用并将更多碳以有机物的形式固定在植物（尤其是森林）和土壤之中。这是最重要的固碳过程。2010—2020年间，我国陆地生态系统的净固碳能力约为每年10亿—13亿吨二氧化碳。第二类是从烟道中收集二氧化碳，制成各类化学品和燃料，或者用于藻类养殖，形成生物制品。第三类是收集二氧化碳气体，用于油田驱油、驱气过程。第四类是收集二氧化碳，制成碳化水泥。第五类是收集二氧化碳后，封存于地层之中。第六类是生物质燃料利用、采伐树木及秸秆等闷烧还田等。由于生态建设是“国之大者”，而后面五类“碳固存技术”的应用均需额外耗能，且未必经济合算，因此，固碳端的工作当首先聚焦于生态建设。在2060年之前，对非生态碳固存技术先做深入研究和技术储备，力争掌握知识产权和工程技术，大幅度降低成本；临近2060年时，根据我国“不得不排放”的二氧化碳量和生态固碳贡献状况，再相机推动这些技术的应用。三、中国碳中和需制定分阶段实施方案在已有的经济社会发展逻辑之下，不管是由于技术上不具备还是经济上不合算，到本世纪中叶，一定会产生一部分“不得不人为排放”的二氧化碳。因此，我们在对标碳中和时，首先要搞清楚一个问题：我们减排到什么程度，即可达到碳中和？过去的全球碳循环数据表明，人为排放二氧化碳中的54%被陆地和海洋的自然过程所吸收，假定未来几十年碳循环方式基本不变，尤其是海洋吸收23%的比例不变，则各国排放的留在大气中的46%那部分应该是“中和对象”。但事实上，陆地吸收的31%，一部分是通过生态过程，一部分是通过其他过程，二者之间的比例目前尚未研究清楚。根据相关研究，2010—2020年间我国陆地生态系统每年的固碳量为10亿—13亿吨二氧化碳。一些专家根据这套数据采用多种模型综合分析后，预测2060年我国陆地生态系统固碳能力为10.72亿吨二氧化碳/年，如果增强生态系统管理，还可新增固碳量2.46亿吨二氧化碳/年，即2060年我国陆地生态系统固碳潜力总量为13.18亿吨二氧化碳/年。根据以上分析，如果我国2060年排放25亿—30亿吨二氧化碳，则海洋可吸收5.75亿—6.9亿吨，生态建设吸收13亿吨，陆地总吸收的31%中，生态吸收以外的其他过程如果占比17%，则为4.25亿—5.1亿吨，那么吸收总数将在23亿—25亿吨之间；在此基础上，如果发展5亿吨规模的CCUS技术固碳，则大致能达到碳中和。如果我们将2060年“不得不排放”的二氧化碳设定为25亿—30亿吨，则需要在目前100亿吨的基础上减排70%—75%，挑战性非常之大。这就需要制定分阶段减排规划。理论上讲，我国可考虑“四步走”的减排路径，从现在起用40年左右的时间达到碳中和目标。第一步为“控碳阶段”，争取到2030年把二氧化碳排放总量控制在100亿吨之内，即“十四五”期间可比目前增一点，“十五五”期间再减回来。在这第一个十年中，交通领域争取大幅度增加电动汽车和氢能运输占比，建筑领域的低碳化改造争取完成半数左右，工业领域利用煤＋氢＋电取代煤炭的工艺过程完成大部分研发和示范。这十年间增长的电力需求应尽量少用火电满足，而应以风、光为主，内陆核电完成应用示范，制氢和用氢的体系完成示范并有所推广。第二步为“减碳阶段”，争取到2040年把二氧化碳排放总量控制在85亿吨之内。在这个阶段，争取基本完成交通领域和建筑领域的低碳化改造，工业领域全面推广用煤/石油/天然气＋氢＋电取代煤炭的工艺过程，并在技术成熟领域推广无碳新工艺。这十年，火电装机总量争取淘汰15%的落后产能，用风、光资源制氢和用氢的体系完备并大幅度扩大产能。第三步为“低碳阶段”，争取到2050年把二氧化碳排放总量控制在60亿吨之内。在此阶段，建筑领域和交通领域达到近无碳化，工业领域的低碳化改造基本完成。这十年，火电装机总量再削减25%，风、光发电及制氢作为能源主力，经济适用的储能技术基本成熟。据估计，我国对核废料的再生资源化利用技术在这个阶段将基本成熟，核电上网电价将有所下降，故用核电代替火电作为“稳定电源”的条件将基本具备。第四步为“中和阶段”，力争到2060年把二氧化碳排放总量控制在25亿—30亿吨。在此阶段，智能化、低碳化的电力供应系统得以建立，火电装机只占目前总量的30%左右，并且一部分火电用天然气替代煤炭，火电排放二氧化碳力争控制在每年10亿吨，火电只作为应急电力和承担一部分地区的“基础负荷”，电力供应主力为光、风、核、水。除交通和建筑领域外，工业领域也全面实现低碳化。尚有15亿吨的二氧化碳排放空间主要分配给水泥生产、化工、某些原材料生产和工业过程、边远地区的生活用能等“不得不排放”领域。其余5亿吨的二氧化碳排放空间机动分配。“四步走”路线图只是一个粗略表述，由于技术的进步具有非线性，所谓十年一时期也只是为表述方便而划分。四、实现碳中和需发挥我国的制度优势2060年实现碳中和，对我国固然是一个非常严峻的挑战，但我们也应看到，这中间蕴含着巨大的机遇。首先，我国尽管煤炭资源相当丰富，但油气资源不足，大量进口油气资源又面临地缘政治上的风险，而煤炭作为一种十分宝贵的资源，当作燃料用于发电、供热，确实是“大材小用”，况且煤炭燃烧时所排放的硫化物、硝化物和粉尘对大气环境有明显破坏作用。我国如能够大规模利用可再生能源而逐渐摆脱对煤炭的依赖，将在资源和环境两大方面收获实实在在的好处。其次，我国的风、光资源相当丰富，有专家曾做过测算，如果能把鄂尔多斯高原、阿拉善高原、柴达木盆地这60多万平方千米的干旱区的一半区域覆盖上太阳能电池板，就能够满足全国的能源需求。实践证明，太阳能电池板安装以后，对干旱区的生态恢复大有帮助。也就是说，在干旱区建太阳能发电站，将在清洁能源和生态恢复两方面获得效益。再次，我国在非碳能源领域的技术相对先进，包括太阳能发电技术、核能技术、储能技术、特高压输电技术等。举个例子，一些国家对我国的太阳能电池板设置100%的关税，一方面说明他们实施贸易保护主义，违反WTO规则；另一方面则说明了我们在这个领域中的绝对领先地位。在全世界的绿色转型大潮中，我们的绿色技术将支撑新兴产业的发展，成为经济增长的新动能，并为我国的民族复兴大业提供强大助力。因此，实现碳中和，并不全是国际社会强加于我们的事情，也是我国经济社会发展到一定程度之后的内在要求。当然，在这样广泛而深远的绿色转型中，我们一定要自己掌握自己的节奏，不能引起能源短缺危机；同时，也要使能源的价格保持在相对低廉的水平，既给老百姓的生活带来真真切切的便利，又能使我们的制造业继续在世界上保持足够竞争力。碳中和要求经济社会大转型，涉及广阔的领域，需要在党和政府的坚强领导下，发挥出全国一盘棋的体制性优势。其中，有三个方面需要做好协调。一是统筹全国的研发力量，形成一个完整的、有足够竞争力的研发体系。从前面的介绍即可看出，碳中和说到底是技术为王，只有靠先进的技术才能获得产业的竞争力。我国有一支庞大的围绕绿色产业的科技研发队伍，各个领域都有专门人才和研究团队。未来我们需要进一步协调和优化的工作是在国家规划目标的引领下，把这些团队和人才组织起来，把不足的研发短板补齐，形成一个以目标为导向的研发网络或责任体系，从而支撑与碳中和相关的产业健康有序发展。二是在向碳中和目标挺进的过程中，政府和市场要做好协调，扮演好各自的角色，从而做到“两只手”均发挥出最大效能。据估计，我国实现碳中和，需要百万亿人民币数量级的投资，绝非政府一家能够单独提供，投资主体还是应该来自市场。但在引导投资过程中，政府可在法律、行政法规、税收、补贴、产业政策、碳配额投放、绿色金融政策等方面发挥十分有力的作用。回想十几年前，我国政府以《可再生能源促进法》为依据，推动光伏发电、风力发电、储能技术、电动汽车等产业的迭代进步，现在已收到十分明显的成效。以光伏发电为例，十年前尚需对上网电价提供高额补贴，现在已经可以竞争平价上网。这是政府和市场形成合力的典型案例，也是我们未来必须坚持发挥的体制优势。三是在构建人类命运共同体的旗帜下，做好国际合作。技术、产业都需要开放的环境，都需要在交流的过程中发展进步，因此在政府的推动下，做好科技界和产业界的国际合作工作，是我国实现碳中和的重要保证。