◎编辑彭扬封面故事认清碳的身份碳中和如何科学理性在人类的发展历史上，碳不仅是食物的来源、能量的来源，更是材料的来源。26GrandGardenofScience目前，欧盟、英国、中国、美国、日本、韩国、新加坡等50多个国家相继宣布在本世纪中叶实现碳中和，还有近100个国家正在研究自己的目标，碳中和已成为一场全球规模的运动，涉及人类的共同命运。最近在与欧洲机构和企业交流过程中，发现欧洲许多企业和机构提出的碳中和路径存在两大问题：一是碳和二氧化碳（CO2）不分，存在“逢碳必反”的倾向，没有正确认识到碳元素在人类当今和未来的作用。二是在处理CO2问题上，强调以长期地质封存为最终目的的碳捕获与封存（CCS），而对碳转换和利用不够重视。正视这两大问题并对此进行思辨，对中国制定基于科学、切实可行的碳中和路径具有重要意义。———————————————碳还是二氧化碳？———————————————在气候问题成为政治正确的许多欧洲国家，碳几乎成了一只人人喊打的过街老鼠。在“低碳、减碳、去碳、零碳”的舆论环境下，不仅是环保组织强烈反对任何含碳化石能源的生产和消费，一些大型跨国石油公司也在自己的“零碳”战略中主动减少油气产量，实现生产过程的零排放，承诺要将销售给终端客户产品的碳足迹也降到零，并将碳捕获与地质封存作为碳中和的主要技术手段。挪威与荷兰，欧洲这两大天然气生产大国已在讨论禁用天然气。欧洲投资银行决定，除了天然气加CCS（碳捕获与封存）或生物质制气项目，从今年起不再给天然气项目贷款。欧洲许多研究机构提出，能源系统的低碳转型路径要以零碳电力代替化石能源，一些难以减排的领域（如重卡、船舶、石化、水泥和钢铁）则以零碳电力制取的绿氢来代替化石能源。国内有些机构也沿着这样的思路在开展国家、企业和地方的碳中和路径研究。然而，这些研究没有正确认识碳的重要性，也忽略了能源系统不仅提供能量还提供化工原材料这一事实。碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能够形成生命的最核心要素，没有碳，就没有生命。碳与我们日常生活息息相关。铅笔的笔芯由碳组成，钻石也是。米饭蔬果都是以碳为基本元素的化合物组成，衣服和日常用品也全是碳化合物产品。在人类的发展历史上，碳不仅是食物的来源、能量的来源，更是材料的来源。随着科技的进展，碳材料将扮演越来越重要的角色。由二维碳材料组成的石墨烯（Graphene）是一种革命性的材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在包括材料、能源、化工、生物医学、航空航天等多个领域具有广阔的应用前景。由碳原子组成的纳米碳材料（碳纳米管、碳纳米纤维、纳米碳球）在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面都比其他材料优异，对未来科技的发展将起到重要的支撑作用。所以，问题不在于碳，而在于CO2。但从严格意义上来说，CO2本身也不是问题。没有CO2，都零碳了，植物靠什么来进行光合作用呢？问题的核心是自工业革命以来，化石能源的大量燃烧带来的CO2过量排放。随着大气中CO2浓度的增加，越来越多地吸收地面反射的红外线，使得大量进入大气层的太阳辐射能保留在地面附近的大气中，从而使地球表面变得更暖，类似于温室截留太阳辐射，这一过程被称为温室效应。温室效应导致气候变化，威胁人类在地球上的生存和发展。因此，需要以控制地表温度上升为目的，控制温室气体在大气中的浓度，使得全球气候处于适合人类居住的范围内。但是，能够产生温室效应的气体除了CO2，还有甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、以及氢氟碳化物（HFCs），含氯氟烃HCFCs、六氟化硫（SF6）等人造气体。据美国环境署统计，2015年全球温室气体排放由CO2(76%)，CH4（16%），N2O（6%）和其他气体（2%）构成。由于CO2在所有温室气体中占有绝对优势，它就成为控排和减排的主要对象。“碳中和”就是把某个实体（如一个企业、一个城市、一个国家等）在某一时期的CO2排放量减到最低限度，实在无法减少的则通过对冲手段来中和，使得人类活动往大气中排放的CO2总量为零，而“气候中和”则包括所有的温室气体，比“碳中和”更进一步。能源系统一直有两个重要的职能：一是为人类活动提供所需要的能源服务，这些服务包括电力、热力和交通移动力；二是通过能源化工，提供人类生活与生产活动所必需的原材料，如塑料、化肥和各种化纤材料。在未来的人类发展进程中，我们不仅摆脱不了对碳的依赖，相反，随着人口的增加和生活水平的提高，人类对碳基材料与产品的需求会与日俱增，即使在未来实现碳中和的年代，人类对碳基材料的需求还会保持在高位。因此，正确处理能源系统的能源服务和碳基材料两重性对于能源转型的路径设计尤为重要。GrandGardenofScience27———————————————碳封存还是碳利用？———————————————按照物质不灭定律，地球上（包括地下和地表大气）的碳元素总量是稳定的，自远古到今天，既不会增加也不会减少，只是通过碳固定和碳释放的方式，在地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中进行循环。碳固定是指植物的光合作用吸收CO2、海水溶解大气中的CO2、干旱区盐碱土吸收CO2、含碳元素岩石的形成，以及利用人工技术将CO2转化为化学品或燃料等。碳释放主要来自植物和动物的呼吸作用、化石燃料的消耗、岩石圈中含碳元素岩石的分解等。中国科学院院士、中国石油勘探开发研究院副院长邹才能在最近发表的文章中指出，CO2是地球碳循环的重要介质，具有实现生态系统有机物转换和造成地球表面温室效应的双重属性。对应这两种属性，他将大气圈中的CO2分成两类，可以被固定或可利用的CO2为“灰碳”，而无法被固定或利用并留存在大气圈中的CO2被称为“黑碳”。碳中和的任务，是捕获和循环利用“灰碳”，通过可再生能源替代化石能源和通过节能等方式从源头上减少“黑碳”排放，并对CO2进行捕集与地质封存，将CO2与大气隔离。值得关注的是碳封存与碳利用之间的选择，因为这不仅是碳减排技术路径之争，更是体现了东西方文化的差异。2010年，时任国家能源局局长张国宝会见来访的美国能源部长朱棣文时，就此话题进行了有趣的对话。朱棣文极力推崇CCS，认为这是解决气候问题的主要技术手段之一。但张国宝认为，这种做法事倍功半，效果甚微。张国宝指出，且不论能否确保这些封存于地下的CO2将来不会泄漏到大气中来，单说为了捕捉CO2所需消耗的能源，CCS是否值得就令人怀疑？即便能够捕捉到一亿吨的CO2，和全球每年排放到大气中的300多亿吨总量相比，也是一个微乎其微的数据，对气候变化的影响很小。花这些代价，莫如绿化荒漠，多种树种草，通过植物的光合作用来捕集CO2，也许更经济适用，事半功倍。当然，光靠植树造林所吸收的那些量是解决不了全球CO2排放问题的。但10年来全球CCS的发展证明张国宝当时的疑虑是对的。尽封面故事28GrandGardenofScience自2016年开始，国际社会已经将CO2处置的重点从封存转移到利用上，即CCU，将捕获到的CO2转换成有规模化市场需求的燃料、化工产品或建筑材料。“”管西方各国对CCS都寄予厚望，但该技术的进展并不尽如人意。2005年，欧盟提出要在2015年前建成12个CCS示范项目，至今仍一个都没有落实。技术不成熟与成本居高不下造成此类项目无法实现市场化运营，而没有市场化运营就难以扩大应用规模。根据现有项目估算，CCS项目的商业化运行成本需要每吨CO270美元左右（美国一机构最近评估需要95美元）的碳价，而无论欧盟、美国还是中国，这样的碳价还是过高。国际专利文献检索发现，自2016年开始，国际社会已经将CO2处置的重点从封存转移到利用上，即CCU，将捕获到的CO2转换成有规模化市场需求的燃料、化工产品或建筑材料。一方面通过现有的基础设施有效减少碳增量排放，另一方面以多种高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存，实现高排放产业的循环经济，并为未来以产品的方式进行封存打下基础。今年3月22日，日本东芝宣布开发出全球最高效的CO2电催化技术，比之前技术处理的速度提高了60倍。每年最多可将一吨CO2转化成一氧化碳，然后再加氢合成为燃料或化工原料。在国内，中海油于2020年9月实现了年产500吨的CO2加氢制甲醇试点项目；北京光合新能科技有限公司的等离激元技术，利用电厂余热或太阳能光热，在常温常压下低成本地将CO2合成为清洁燃料，目前已经完成了实验室小试而进入了中等规模工业示范阶段。———————————————科学理性的碳中和之路———————————————在低碳转型实践上，欧美国家有着非常丰富的经验，值得我们学习与借鉴。但我们要保持清醒的头脑，走科学理性、符合自己国情且富有中国特色的碳中和之路。首先，应该将碳中和问题聚焦于CO2的过量排放上。正确理解碳元素对于人类社会生存与发展的重要性，以及碳和CO2的关系，围绕CO2的过量排放来寻找气候变化问题的解决方案。其次，应该以科学的态度与方法研究CO2过量排放问题的系统性解决方案，方案需要包括循环和资源化利用的“顺治”，而不是简单粗暴、事倍功半地封存的“逆治”。第三，碳中和不应以牺牲经济的合理发展和老百姓的生活福祉为代价。按照中央财经委员会的要求，“以系统观念推进碳中和的工作，处理好减污降碳和能源安全、产业链供应链安全、粮食安全、群众正常生活的关系”，避免碳系统与能源系统之间、能源系统与经济系统之间的顾此失彼。鉴于能源系统具有提供能源产品与化工原材料的双重功能，能源系统需要考虑的不只是能量，还有物料。未来的能源系统肯定是以电力为核心，但全面电气化的能源系统无法提供人类社会需要的碳基原材料。在能量去碳化的进程中，需要考虑如何满足碳基物料的需求和相关产业链、供应链的安全。第四，采取渐进而不是冒进的方法来解决问题。在碳中和问题上，我们可以借鉴欧洲很多好的做法，但不能仿效部分欧洲机构否定所有化石能源，避免逢碳必反，急躁冒进。———————————————◎撰文陈新华（国际能源署前署长特别助理）◎来源财经杂志（有删减）GrandGardenofScience29