“碳中和”的内涵、创新与愿景

　　摘要：地质作用引起的全球性气候变化是地质历史时期5次全球性生物大灭绝的主要诱因之一。人类工业化活动导致生态系统遭到严重破坏，大气CO2温室效应加剧，生存环境面临威胁与挑战。碳中和目标是人类面对气候变化危机的主动作为和共同追求，探究“碳中和学”的理论与技术内涵、科技创新体系和发展前景，具有深远的意义。研究结论认为：①碳中和体现“能源学”与“碳中和学”的理论内涵，包含碳减排、零碳、负碳、碳交易等;②碳中和催生以CCUS(碳捕集、利用和封存)/CCS(碳捕集与封存)为核心的碳工业和以绿氢为核心的氢工业等新产业;“灰碳”和“黑碳”是CO2的两种应用属性，“碳+”“碳-”“碳=”是碳中和的3种产品与技术;③中国实现碳中和目标面临三大挑战：一是能源转型规模大，碳中和实现周期较短;二是能源转型过程中存在着安全不确定性、利用经济性、颠覆性技术难预测性等问题;三是转型后可能面临新的关键技术“卡脖子”和关键矿产资源“断链子”等风险;④基于目前的认知预判能源领域的十大颠覆性技术与产业包括煤炭地下气化、中低熟页岩油原位开采、CCUS/CCS、氢能与燃料电池、生物光伏发电、天基太阳能发电、光储智能微网、超级储能、可控核聚变、智慧能源互联网，同时碳中和需要实施节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略协同工程;⑤未来我国不同能源类型定位各有侧重，煤炭将发挥保障国家能源战略“储备”与“兜底”作用，石油将发挥保障国家能源安全“急需”与民生原料用品“基石”作用，天然气将发挥保障国家能源“安全”与新能源最佳“伙伴”作用，新能源将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用;⑥碳中和是绿色化工业革命、减碳化能源革命、生态化科技革命的重大实践，将为人类社会、环境与经济带来新的深刻变革;⑦碳中和进程中需遵循“技术的颠覆性突破、能源的安全性保障、经济的可行性实现、社会的稳定性可控”4项原则，重点依靠科技创新与管理变革保障国家能源“独立自主”与碳中和目标的实现，为宜居地球、绿色发展、生态文明建设做出中国贡献。

　　关键词：碳中和;碳达峰;碳减排;碳工业;氢工业;能源转型;能源独立;能源学;碳中和学

　　引言气候变化深刻影响地球环境，这是人类共同面临的巨大挑战。为了应对全球气候变化，实现人类社会文明进步与地球生态系统的可持续发展，第21届联合国气候变化大会通过了《巴黎气候协定》，提出在2050年左右达到CO2“净零排放”的目标，即碳中和。广义上，碳中和是指人类化石能源利用、土地利用及自然界火山喷发碳排放等碳源体系与地球碳循环系统、海洋碳溶解、生物圈碳吸收等碳汇体系间形成动态平衡[1];狭义上，碳中和是指一个组织、团体或个人在一段时期内CO2的排放量，通过森林碳汇、人工转化、地质封存等技术加以抵消，实现CO2“净零排放”。

　　碳中和是有效控制全球气温快速升高，推动能源利用绿色转型，促进绿色、低碳等技术进步的重要途径，是推动世界经济发展和增长的新动力。实现碳中和将改善人类赖以生存的地球生态环境，减少由人类活动引起的环境问题。2019年，世界卫生组织公布：空气污染和气候变化排在全球十大健康威胁之首。预计2030—2050年，气候变化将导致全球每年新增约25万人死于营养不良、疟疾、腹泻和气温过高，每年将有700万人过早死于癌症、中风、心脏病和肺病等疾病[2-3]。

　　碳中和将推动人类能源体系向绿色、低碳、无碳转型，实现无碳新能源对高碳化石能源的替代，带动新能源产业领域就业岗位增长和国民生产总值增加[1]。预计到2050年，全球能源低碳转型领域年均投资将超过3.2万亿美元，累计投资将超过95万亿美元，提供超1亿个就业岗位[4]。碳中和是全人类的共同目标与追求，以共商共议为主体的全球协作机制是实现碳中和的前提和保障。在全世界积极推动碳中和的进程中，需以科学问题为导向开展碳中和研究。碳中和既是“能源学”和“碳中和学”的重大理论问题，又是实现人类能源利用与地球生态系统可持续发展的重大实践问题，将催生以CCUS(碳捕集、利用和封存)/CCS(碳捕集与封存)为核心的碳工业、以绿氢为核心的氢工业，推动实施节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略工程协同创新发展。

　　1　碳中和提出的背景

　　1.1　气候变化是引起地质历史时期生物大灭绝的诱因之一

　　地球形成距今约46亿年。38亿～35亿年前，原核生物出现，生命正式登上地球舞台;距今约600万年前，原始人类出现。自生物出现以来，地球上已经发生了5次大规模的生物大灭绝事件，分别发生在奥陶纪末、晚泥盆世、二叠纪末、三叠纪末和白垩纪末。

　　全球气候变化引起海平面变化，产生环境—生命互馈效应，导致大量物种灭绝[5-6]。其中，二叠纪末生物大灭绝事件的毁灭程度最大，大约96%的海洋生物、70%的陆地生物物种灭绝。人类出现以前，火山爆发、天体撞击地球、海洋生物变化等灾难性事件引起大气中CO2浓度发生突变，产生大气温室效应，发生全球性海平面变化、生物大灭绝等连锁效应。生物灭绝也为形成化石能源奠定基础。

　　1.2　大气CO2温室效应引起全球气候变化加剧

　　人类进入工业化时代后，全球大气中CO2平均浓度达到了近百万年以来的最高水平，气温不断升高，地球生态系统和人类社会发展受到严重威胁据统计，过去80万年至工业化前(1750年前)，全球大气中CO2浓度低于280×10-6。

　　2015年CO2浓度突破400×10-6，2019年CO2浓度继续快速增长，仅4年时间突破了410×10-6。过去70年，大气中CO2浓度的增长率是末次冰期结束时的100倍左右，1960年末期大气中CO2浓度年均增速为0.7×10-6，2005—2019年间CO2浓度年均增速达到2×10-6，全球平均温度也比工业化前升高约1.1℃[7-9]。未来，人类将面临全球气温上升、极端天气事件增加、海平面上升和海洋、陆地生态系统被破坏等一系列日益严重的气候变化及其连锁反应。到本世纪末，如果全球气温升高达到2℃，海平面高度将上升36～87cm，99%的珊瑚礁将消失，约13%的陆地生态系统将被破坏，许多植物和动物可能濒临灭绝[9]。

　　1.3　碳中和是全球应对气候变化的战略举措

　　目前，气候异常“突变”、地球不断“发烧”，是全人类必须共同面对的系统问题，共商共议是实现碳中和目标的必然要求。世界各国应积极采取措施，减少CO2排放量，共同应对气候变化问题。1997年12月，在日本京都召开的联合国气候变化框架公约大会通过了《京都议定书》，并于2005年2月16日正式生效，旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球气候变暖;该协议书规定到2010年，所有发达国家的温室气体排放量要比1990年减少5.2%。

　　2015年12月，第21届联合国气候变化大会通过《巴黎气候协定》，并于2016年11月4日起正式实施，目标是较之于工业化前，全球气温升高幅度控制在2℃以内，力争将升高幅度控制在1.5℃以内。因此，全球在2050年左右需要实现碳中和。这次气候变化大会邀请联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估全球升温1.5℃的影响及温室气体的排放途径。2018年10月8日，IPCC发布了《IPCC全球升温1.5℃特别报告》，明确了全球升温1.5℃的潜在影响及可能的减排路径，并提出了在可持续发展和努力消除贫困的前提下加强全球响应的建议。

　　2　碳中和面临的挑战

　　碳中和已成为全球应对气候变化的共识性目标，但实现碳中和还面临以下5个方面的挑战：①全球CO2排放总量大，大气中的平均CO2浓度仍在持续增加;②印度、俄罗斯等世界大国尚未承诺实现碳中和的时间;③全球能源消费结构仍以化石能源为主，呈现煤、石油、天然气、新能源“四分天下”格局，新能源占比偏低，能源转型面临挑战;④全球太阳能、风能等新能源资源存在间歇性、空间分布差异性，给新能源规模化发展带来了挑战;⑤氢能、CCUS、储能等技术应用成本较高，尚未实现规模性商业化推广与应用[10]。我国能源消费和CO2排放大致经历了缓慢发展(缓坡区)、快速发展(陡坡区)和平稳发展(平台区)3个阶段。

　　1980—2001年，我国能源消费处于缓坡区，能源消费量年均新增0.43×108t标煤，CO2排放量年均新增0.93×108t，年增CO2排放量与年增能源消费量比值为2.2;2002—2013年，我国能源消费处于陡坡区，能源消费量年均新增2.06×108t标煤，CO2排放量年均新增4.50×108t，年增CO2排放量与年增能源消费量比值为2.2;2014—2020年，我国能源消费处于平台区，能源消费量年均新增1.12×108t标煤，CO2排放量年均新增0.81×108t，年增CO2排放量与年增能源消费量比值为0.7。

　　目前我国能源生产与消费结构中，主体偏煤炭、油气偏轻、新能源偏少，中国实现碳中和需要将现阶段以煤炭为主的“一大三小”能源消费结构，转型为以新能源为主的“三小一大”结构，但在实施过程中将面临以下三大挑战：①能源转型规模大，碳中和实现周期较短(仅有40年左右时间)，能否按期实现能源结构转型存在很大困难;②能源转型过程存在着能源供应安全的不确定性、能源利用的经济性、能源颠覆性技术的难预测性等问题;③能源转型后，以新能源为主的“三小一大”能源结构，可能面临新的关键技术“卡脖子”和关键矿产资源“断链子”等难题。

　　3　碳中和学的内涵

　　3.1　碳中和学的理论内涵

　　“碳中和学”是指以人类活动引起的碳排放与地球碳循环系统之间的动态平衡为目标，以无碳新能源有序替代化石能源为途径，以经济产业政策、能源技术等为内容，研究人类活动足迹对自然环境影响最小化的一门学科，是能源科学与社会科学的交叉学科。“碳中和学”涉及能源科学，以地球、能源、人类三者相互影响与协同演化为核心的能源学研究思路，立足于地球系统演化，从时间尺度、空间尺度研究能源的形成分布、评价选区、开发利用、有序替代、发展前景等[5]。“碳中和学”包含能源学三大核心内容：①地球系统背景下能源的形成和能源消耗对地球气候与环境的反馈，体现了地球与能源间的相互关系;②地球环境孕育人类演进和人类行为改造地球环境，体现了地球与人类间的相互关系;③人类利用技术开发能源和能源驱动人类社会进步，体现了人类与能源间的相互关系[5]。

　　4　碳中和核心技术体系

　　4.1　碳工业体系

　　碳中和的核心是降低甚至消除CO2排放量。CCUS/CCS可以发挥重要作用，以CCUS/CCS为核心的碳工业将成为碳中和目标下的新兴产业。CO2具有实现生态系统有机物转换和产生温室效应的双重属性，可以分为可供人类利用或固定的“灰碳”和 不可利用或固定的“黑碳”[10]。在地球碳循环系统中CO2主要来源于能源消费、农林用地、土地利用、垃圾排放等。利用生态系统碳汇、CO2生产化工产品、CO2人工绿色转化、CO2地质驱油等技术，可以增加“灰碳”的利用率，有效减少大气中CO2的浓度。

　　在碳中和目标下，以CCUS/CCS为核心的碳工业技术体系涵盖碳捕集、碳运输、碳驱油、碳封存、碳产品、碳金融等业务，是彻底消除“黑碳”的革命性技术。因此，以CCUS/CCS为基础的低成本、高能效的碳工业将是世界各国实现碳中和目标的关键产业和新兴产业之一。未来它将利用地下具有巨量储集空间的枯竭性油田、气田、水田等为碳中和做出大贡献。此外，建立和完善碳税制度、碳交易制度、复合碳排放权交易体系、财政补贴等碳经济与政策杠杆，有效控制CO2排放量。

　　5　实现碳中和的原则、意义及前景

　　5.1　实现碳中和过程中遵循的原则

　　实现碳中和过程中需要遵循“技术的颠覆性突破、经济的可行性实现、能源的安全性保障、社会的稳定性可控”4项原则。实现碳中和目标，需要依靠节能提效降低能源需求量，还要有颠覆性技术的突破与支撑，加快能源生产与消费结构革命性转型。依靠科技与管理创新，降低能源生产和消费成本，实现新能源与相关产业经济性利用。

　　保障能源安全，是国家发展中的重要底线。同时还要确保在能源消费以煤炭、油气等为主的城市或地区，实现转型升级中人员社会的稳定。碳中和要重新定位不同能源的功能，煤炭、石油将作为国家中长远应急保供与极端条件下的战略储备资源，保障国家能源安全可控与社会稳定发展;天然气是化石能源向清洁低碳能源转型过程中的“最佳伙伴”和支撑可再生能源大规模开发利用的“稳定器”，需进一步强化天然气应急保障能力建设。

　　未来，化石能源将成为国家能源安全的“兜底”储备资源保障，CCUS/CCS将成为国家实现碳中和的“兜底”技术保障，需加快构建资源、技术“两个兜底”的战略储备。以经济可行为导向，依靠技术创新推动碳中和目标的实现，技术的经济可行性是衡量碳中和技术的前提。在实现碳中和目标的过程中，需要统筹考虑传统化石能源工业、企业、城市转型问题，坚持社会稳定性可控，确保转型平稳过渡。

　　5.2　碳中和是全球绿色低碳可持续发展的重大实践

　　碳中和是全人类的一场绿色化工业革命、减碳化能源革命、生态化科技革命，将给人类社会与经济发展带来新的深刻变革，是实现人类能源利用与地球生态系统可持续发展的重大实践。

　　6　结束语

　　全球CO2过度排放，导致地球平均气温不断升高，人类赖以生存的地球环境面临前所未有的考验。为了应对全球气候变化，全球提出了2050年实现碳中和的发展目标。碳中和是全人类实现可持续发展的共同目标，世界各国需团结合作，共同应对挑战。中国实现碳中和目标面临三大挑战：①能源转型规模大、碳中和实现周期较短;②能源转型过程中存在着能源供应安全的不确定性、能源利用的经济性、颠覆性技术突破的难预测性等问题;③能源转型后可能面临新的关键技术“卡脖子”和关键矿产资源“断链子”等风险。碳中和既是“能源学”与“碳中和学”的重大理论问题，又是碳减排、零碳、负碳、碳交易等技术问题。

　　碳中和将催生以CCUS/CCS为核心的碳工业技术体系，涵盖碳捕集、碳运输、碳驱油、碳封存、碳产品、碳金融等业务;并产生以绿氢为核心的氢工业技术系列，涵盖氢制备、氢储存、氢运输、氢加注、氢利用、氢检测及氢安全等业务，涉及氢交通、氢储能、氢化工、氢冶金等领域。“灰碳”和“黑碳”是CO2的两种应用属性，“碳+”“碳-”“碳=”是碳中和的3种产品与技术。

　　煤炭地下气化、中低熟页岩油原位开采、CCUS/CCS、氢能与燃料电池、生物光伏发电、天基太阳能发电、光储智能微网、超级储能、可控核聚变、智慧能源互联网十大颠覆性技术与产业领域，将推动能源生产与消费结构革命性转型，保障实现碳中和目标与国家能源安全可控。中国实现碳中和目标，需遵循“技术的颠覆性突破、能源的安全性保障、经济的可行性实现、社会的稳定性可控”4项原则，实施节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略工程协同创新发展。

　　碳中和目标下，未来煤炭将发挥保障国家能源战略“储备”与“兜底”作用，石油将回归“原料属性”，发挥保障国家能源安全“急需”与民生原料用品“基石”作用;天然气将成为能源安全的稳定器，发挥保障国家能源“安全”与新能源最佳“伙伴”作用;新能源成为能源供给和消费的主体，将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用。碳中和与绿色低碳发展尊重自然、顺应自然、呵护自然，实现人类与自然和谐共生，是生态文明建设重要组成部分与共识性愿景。

　　碳中和又是绿色化工业革命、减碳化能源革命、生态化科技革命的重大实践，将为人类社会、环境与经济带来新的深刻变革，大幅度提升人类的幸福指数。碳中和加快我国能源生产与消费结构革命性转型，推动实现“能源独立”战略，提升生态文明建设的内涵和质量，保障“美丽中国”的目标早日实现。由于我国人口多，能源消费量大，当前以煤炭为主的“一大三小”能源生产与消费结构特点，决定我国需要通过高效协同，依靠颠覆性技术突破与变革性管理创新，完成以新能源为主的“三小一大”能源生产与消费结构转型，如期实现能源“独立自主”与碳中和两大目标，为宜居地球、绿色发展、生态文明建设做出中国贡献。本文观点与数据，是基于目前初步认识和引用，或有不妥和不完善之处。随着世界科技与管理创新、全球政治与经济格局等变化，相关认识也势必不断完善和发展。

　　参考文献：

　　[1]邹才能,何东博,贾成业,等.世界能源转型内涵、路径及其对碳中和的意义[J].石油学报,2021,42(2):233-247.ZOUCaineng,HEDongbo,JIAChengye,etal.Connotationandpathwayofworldenergytransitionanditssignificanceforcarbonneutral[J].ActaPetroleiSinica,2021,42(2):233-247.

　　[2]HELLIWELLJF,LAYARDR,SACHSJD,etal.Worldhappinessreport2020[R].NewYork:SustainableDevelopmentSolutionsNetwork,2020.

　　[3]PanAmericanHealthOrganization,WorldHealthOrganization.Tenthreatstoglobalhealthin2019[EB/OL].(2019-01-17)[2021-05-09]. https://www.paho.org/en/news/17-1-2019-ten-threatsglobal-health-2019.

　　[4]IRENA.Renewableenergyandjobs–annualreview2020[R].AbuDhabi:InternationalRenewableEnergyAgency,2020.

　　作者：邹才能1　薛华庆1　熊波1　张国生1　潘松圻1　贾成业1王影1　马锋1　孙倩2　关春晓1　林敏捷