征途漫漫！丁仲禮院士：中國碳中和框架路線圖研究
發(fā)布日期：2021/7/30
各位院士，針對“雙碳目標”（編者注：”雙碳目標“指碳達峰、碳中和），中國科學院學部設立了一個重大咨詢項目——“中國碳中和框架路線圖研究“，由張濤院士、高鴻鈞院士和我來牽頭，下面我簡單介紹一下這個項目要研究的主要內(nèi)容。
1 碳中和是什么？如何實現(xiàn)？
“雙碳行動”是應對氣候變暖的國際行動的一部分。歐盟國家是“碳中和”的首倡者，他們提出要在2050年達到碳中和。我國去年9月承諾，2030年碳達峰，2060年達到碳中和。多年以來，美國由于黨派爭執(zhí)，對待氣候變化問題的態(tài)度一直搖擺不定，但是民主黨上臺以后，他們提出的目標還是非常激進的，尤其是提出2035年要達到無碳發(fā)電，2050年要達到碳中和。鑒于美國這么多年來的反復立場，其如何落實到實際行動上，還是要“走著瞧”?，F(xiàn)在有不少國家都在制定碳中和計劃，但我們認為這是一個雄心勃勃但又極其艱難的目標。
圖1 不同大國碳排放現(xiàn)狀
圖1是一些典型國家1930年到2019年之間人均碳排放量的變化情況。我們能夠看到，美國自1930年以來，一直是人均碳排放量最高的國家。1970年代，美國人均碳排放量達到了最高峰，之后開始下降，英國和法國大概也是在上世紀七十年代到八十年代達到最高峰。經(jīng)常有人講，“從碳達峰到碳中和，美國有60年時間，而中國只有40年”，其實這個表述是不夠準確的，歐洲國家和美國從碳達峰到碳中和實際上是有70到80年的時間。
從人均角度來分析的話，美國、英國、法國的碳排放已經(jīng)處于下降階段，正在走向碳中和。印度的人均排放量增長剛剛“啟動”，大概相當于我國60年代的人均排放水平，尚未真正到達快速增長時期。我國基本上從2012、2013年開始就進入了碳排放的“平臺期”。世界上還有許多農(nóng)業(yè)國家尚未啟動工業(yè)化，所以還沒有”啟動“碳排放。
現(xiàn)在我們有兩個目標，一個是碳達峰，一個是碳中和。在碳達峰上，達到什么樣的高度，我們并沒有一個天花板，也沒有設定一個具體目標。理論上有兩種選擇，一種是把峰調(diào)高，以后的減排數(shù)據(jù)會好看一點；第二種是盡量把峰值壓低。我個人認為，出于改善空氣質(zhì)量的考慮，還是要追求盡量把峰值壓低。所以，碳達峰其實不需要太多研究，要研究的問題主要是如何實現(xiàn)碳中和。
圖2 主要國家人均二氧化碳排放比較
圖2顯示的是主要國家人均碳排放的對比。我國的生產(chǎn)端人均二氧化碳排放量是7.28噸/年，高于全球平均水平，不過比美國要低很多；從消費端來看，我們的人均排放量比英法美都低；最核心的是圖2最右邊圖中展示的人均累計排放，大家都知道，一個國家的發(fā)展，尤其是基礎設施建設，是逐年累積的，這張從1900年算起的人均累計排放對比圖顯示，全球平均水平是209噸/人，我國才157噸/人，美國是1218噸/人，歐洲的法國、英國這些國家都比我國多得多。所以計算人均累計碳排放，我國遠遠低于全球平均，這個結(jié)論大家一定要記住。我國現(xiàn)在的碳排放總量比較高，這和我國經(jīng)濟發(fā)展比較快有關。從這個角度看，我國的碳中和應該會比其他國家要困難，大家心里應該有數(shù)。
碳中和的概念，就是人為排放的二氧化碳（化石燃料利用和土地利用），被人為努力（木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等）和自然過程（海洋吸收、侵蝕-沉積過程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等）所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大約是400億噸，其中14%來自土地利用，86%來自化石燃料利用。排放出來的這些二氧化碳，大約46%留在大氣，23%被海洋吸收，31%被陸地吸收。這個數(shù)據(jù)可能不是特別準，但一百年以來碳循環(huán)基本上就是這么一個規(guī)律。
碳固定過程非常多，我在這里舉一個不被大家特別關注的例子——土壤。干旱、半干旱地區(qū)的堿性土壤中含有很多鈣離子，不像南方酸性土壤鈣離子很少，這些鈣離子和大氣中的二氧化碳結(jié)合，降水的時候就會淋溶形成碳酸鈣沉淀，這是一個非常強大的自然過程。做黃土研究的專家經(jīng)常說，黃土里面有料姜石，這就是碳酸鈣的結(jié)核，還有在溫暖時期沉淀下來的鈣板。我國有大面積的干旱半干旱地區(qū)，這個自然過程對碳的固定，是一個非常重要的過程。
接下來講未來碳中和的主要途徑。我們要考慮到，接近2060年的時候，因為人為排放下降了，二氧化碳分壓降低，海洋吸收可能也會相應降低，但降低的幅度現(xiàn)在很難預測。陸地土壤沉積的固碳過程還是會存在，甚至有可能會加強。所以，不得不排放的二氧化碳，就要通過生態(tài)建設、工程封存等措施去除掉，這樣才能達到中和。
圖3 未來碳中和的主要途徑
需要特別說明的是，自然過程吸收二氧化碳的量，只能理解為自然界存在的一個基數(shù)，比如海洋吸收的碳就不能歸結(jié)為哪個國家的功勞。我們要考慮如何依靠人為努力，比如生態(tài)建設、工程封存、土壤固碳等措施來進行碳固定。也就是說，碳中和等于排放量同自然過程吸收、生態(tài)碳匯、工程封存等等抵消。
2 中國如何達到碳中和
我們這個學部咨詢項目是從排放端、固碳端、政策推動這幾個角度來考慮的。要特別說明，這個項目只是想把碳中和框架設計出來，把問題清單列出來，至于碳中和具體怎么做，還需要大家共同進行大量的研究。我們現(xiàn)在只是設計一個初步路線圖，供大家研討完善。這個咨詢項目設立了九個專題，我把每個專題簡單向大家報告一下。
專題一：未來能源消費總量預測
第一個專題由江億院士他們來負責。這個專題要解決的一個核心問題是，在不同時間節(jié)點（面向2060），我國居民生活、工業(yè)、建筑、交通等重點領域的能源需求以及全社會能源總需求。
這里有個主要的幾個邊界條件要明確：
一個是到2035年，我們GDP比目前還會翻一番，2060年還需要再翻一番，達到人均4萬美元，生活水平也要相應地同發(fā)展階段相當，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從目前的中低端發(fā)展到中高端。
另外一個因素就是人口變動，少子、老齡化這些因素必須考慮進去，要建立一個預測的模型。但預測常常是不準的，2009年有部門預測2020年我國一次能源消費將達到44億噸標準煤，但實際上2020年我國一次能源消費達到50億噸標準煤。所以我們希望高中低都有預測，不要局限于某一種觀點。
專題二：非碳能源占比階段性提高途徑
這個專題要解決的核心問題是，我們需要一個什么樣的新型能源供應系統(tǒng)，尤其是電力供應系統(tǒng)，如何逐步增加非碳能源，特別是風、光、水、地熱、核等的比重。
其次，我們要重點回答，中國西部有豐富的風、光資源，如何從各種發(fā)電、儲能、轉(zhuǎn)化、輸電、消納等等環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)力，讓這些資源得到有效充分利用。
尤其要解決的問題是，由于風、光資源的時空分布不平衡，如何保證穩(wěn)定輸出，需要一套什么樣的基礎設施來保證穩(wěn)定輸出，這是一個非常大的問題，也需要有一個框架。
圖4 目前我國一次能源消費比例
另外關于新型電力系統(tǒng)的能源供應系統(tǒng)，我們需要列出一個技術清單，到底需要哪些技術，作為未來研究方向。圖4是我國2019年一次能源消費情況，可以看出，非碳能源實際上只占15%，另外85%是煤、油、氣，這是一個非常嚴峻的現(xiàn)實。我國現(xiàn)在大約排放100億噸二氧化碳。假如到2060年，我國還不得不排放20到25億噸二氧化碳，在這樣的情景之下，我們該怎么辦？
現(xiàn)在初步的認識是：非碳能源占比不會是線性提高的，主要靠技術組合和技術突破。煤炭作為主力能源，還會存在較長一段時期，因此煤炭清潔利用技術的進步仍需十分重視。另外一個是核能，我們不該追隨某些“棄核國家”的腳步，還要加強核能利用，甚至在內(nèi)陸地區(qū)建廠，把核能充分利用起來。尤其是西部干旱地區(qū)的風、光資源，是我們實現(xiàn)碳中和最大的底氣，我們要考慮如何來穩(wěn)定輸出。
專題三：不可替代化石能源預測
這個專題的核心問題是，不可替代的化石能源必然會轉(zhuǎn)化為不得不排放的二氧化碳，對于這部分排放要有一個預測，來自于何處、來自于什么行業(yè)、總量有多少。
我們現(xiàn)在講碳中和，首先要考慮替代，就是用電、熱、氫能等來替代，來減少二氧化碳排放。不同行業(yè)、不同領域的替代難度肯定是不一致的，我們能否從目前的情況來按照難易排序，這是非常關鍵的。
其次，我們能否確定不可替代的領域有哪些？在這些領域不得不排放二氧化碳，那就是碳中和需要中和掉的部分，我們就需要進行針對性預測?，F(xiàn)在初步認為：居民生活比較容易用電力、地熱、太陽能來替代，關鍵在于國家如何推動；交通領域，目前已經(jīng)在大力發(fā)展電動汽車，以后可能用氫能驅(qū)動船和飛機等，這個替代可能只是個時間問題；農(nóng)業(yè)領域大部分也可以替代；比較難替代是工業(yè)領域，包括冶金、化工、建材、礦山等等如何替代，還需要特別研究。
另外，我們要克服風電、光電等輸出不穩(wěn)定性的問題。未來我們的電力系統(tǒng)如何保證穩(wěn)定輸出將是需要考慮解決的關鍵問題。美國提出來2035年就要實現(xiàn)無碳電力，中國什么時候?qū)崿F(xiàn)低碳電力或者無碳電力，這也需要認真研究。
目前有很多國家對氫能寄予了很大希望，我們的院士當中也有不同的聲音。氫能戰(zhàn)略也需要國家拿出方案。我國大約100億噸二氧化碳排放中，發(fā)電端占比約47%，消費端如工業(yè)過程、居民生活等等占了53%，要實現(xiàn)碳中和就需要在發(fā)電端用更多的非碳能源來發(fā)電、在消費端用電和氫能等來替代，構(gòu)建一個兩端共同發(fā)力的系統(tǒng)。
專題四：非碳能源技術研發(fā)迭代需求
非碳能源技術發(fā)展是個迭代的過程，需要逐漸進步，但具體分幾步來做是一個問題。大化所的劉中民院士他們提出來三步走，第一步是化石能源的清潔高效利用與耦合替代；第二步，可再生能源多能互補與規(guī)模應用；第三步，低碳能源智能化多能融合。具體怎么做，還需要進一步探討。這個問題最后還要和第二個專題一起“收口”。
圖5 排放端專題分布及關系
前四個專題主要研究排放端。在固碳端，我們也列了四個專題。
專題五：陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀測算
第五個專題是關于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳現(xiàn)狀，就是說我國生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)在到底有多少固碳能力，以及碳匯的功能與速率，不同有機碳之間什么時候會達到平衡？還有我剛才講到的堿性土壤這個問題，目前的研究還很少，也需要加強研究。
中科院已經(jīng)做過一些關于碳收支項目的研究?，F(xiàn)在認為，我國目前地表碳儲量相當于363億噸二氧化碳，每年固碳速率是10到40億噸二氧化碳，我們估計森林在2060年以前將會達到固碳的峰值，之后固碳速率就會降低。干旱半干旱區(qū)的土壤還很難估計。圖6就是用不同的方法測算出來的碳源，數(shù)據(jù)差別比較大。
圖6 當前我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳速率
大家可以看出來，我國建設的生態(tài)工程固碳總量是非常大的，約占我國陸地生態(tài)系統(tǒng)年固碳總量的56%，這是一個令人鼓舞的現(xiàn)象。
專題六：陸地生態(tài)系統(tǒng)未來固碳潛力分析
計算我國陸地生態(tài)系統(tǒng)未來固碳的潛力，主要有以下核心問題：
一是陸地和近海不同生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力如何，以及未來在氣候變化影響下，它們會如何變化；二是我國生態(tài)恢復、建設工程這些面狀分布區(qū)未來的固碳潛力如何；三是新增點狀分布區(qū)的固碳潛力如何，比如城市造林綠化等；四是其他一些人為措施，比如南水北調(diào)西線工程上馬后西部干旱區(qū)變綠、海水淡化等實現(xiàn)之后，在其影響下新增的固碳潛力如何；還有未來陸地生態(tài)系統(tǒng)增加碳匯的措施，比如秸稈悶燒成碳屑等。我們還需要研究證明這些增匯措施的長期性。
專題七：碳捕集利用封存技術評估
第七個專題是碳捕集利用工程封存技術。我們談到的負排放技術目前有圖8中列出的這些，包括將二氧化碳制成化學品、將二氧化碳制成燃料、微藻的生產(chǎn)、混凝土碳捕集、提高原油采集率、生物能源的碳捕捉和存儲、硅酸鹽巖石的風化和礦物碳化、植樹造林、土壤有機碳和土壤無機碳、農(nóng)作物的秸稈燒成木炭還田等等。這些負排放技術中，前面幾項是國際上所謂的CCUS技術，后面用紅箭頭標出來的這兩項——礦物碳化和生物炭，我國研究得還比較少。
圖8 全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的主要技術
這里的核心問題是，這些技術還需要進一步研究，現(xiàn)在還沒有必要馬上就大規(guī)模工程封存，那是要在2060年之前考慮的問題。目前這方面的技術進步是比較快的，未來會進步到什么程度還不好預測，但是我個人認為，最好不要單純地封存，那樣不產(chǎn)生經(jīng)濟效益，還是要想辦法如何利用二氧化碳。
專題八：青藏高原率先達標示范區(qū)建議
第八個專題是建議在青藏高原建設一個率先達標的示范區(qū)。青藏高原在我國境內(nèi)的面積有250萬平方公里，我國正在建設青藏高原生態(tài)屏障，同時我國可能也要開發(fā)一些河流的水電，如果能把青藏高原建成一個率先達標示范區(qū)，我們就能夠在氣候變化問題上處于一個道德上的制高點。青藏高原固碳的潛力非常之大，因為它有很多退化的草地，所以我們現(xiàn)在要對它進行專題研究。
另外還要考慮，以后一個地區(qū)或一個行業(yè)的碳中和程度如何評價，這要從生產(chǎn)端、消費端共同來做，也需要拿出一個思路。
專題九：政策技術分析研究
第九個專題是政策如何推動的問題，包括如何推動非碳技術，如何進行生態(tài)建設增加碳匯。目前來說，我國在減排問題上，政府約束性政策大于市場機制，以后可能要更多地依靠市場來發(fā)揮作用。
圖9 政策技術分析框架
圖10 咨詢項目的最后情景設計與綜合
如圖10，這個項目最終會做一個情景設計：假如我國每年不得不排放25億噸二氧化碳，這些排放來自哪里？根據(jù)目前觀測比例，自然過程可以吸收13億噸，如果生態(tài)系統(tǒng)吸收8億噸，可能還要考慮用風化和碳酸鈣沉淀吸收2億噸，還有2億噸可能要變成生物炭埋到土壤中。然后就是各種技術如何迭代，最后考慮如何收口。整個情景大概是這么一個設計。到2060年，如果我國能夠做到25億噸二氧化碳排放量，我個人認為是非常了不起了。
最后再說幾個觀點：
第一， “碳中和”過程既是挑戰(zhàn)又是機遇，其過程將會是經(jīng)濟社會的大轉(zhuǎn)型，將會是一場涉及廣泛領域的大變革。“技術為王”將在此進程中得到充分體現(xiàn)，即誰在技術上走在前面，誰將在未來國際競爭中取得優(yōu)勢。國家需要積極研究與謀劃，謀定而動，系統(tǒng)布局，組織力量，特殊支持，力爭以技術上的先進性獲得產(chǎn)業(yè)上的主導權，使之成為民族復興的重要推動力，我們必須要積極地看待這個問題。
第二，我們項目組強調(diào)：完成這個大轉(zhuǎn)型，需要在能源結(jié)構(gòu)、能源消費、人為固碳“三端發(fā)力”，所需之資金將會是天文數(shù)字，決不可能依靠政府財政補貼得以滿足，必須堅持市場導向，鼓勵競爭，穩(wěn)步推進。政府的財政資金應主要投入在技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)示范上，力爭加快我國技術和產(chǎn)業(yè)的迭代進步速度。在此過程中，特別要防止能源價格明顯上漲，影響居民生活和產(chǎn)品出口。
第三，本項目只能先給出一個框架性建議，以供科技界討論、修正、完善。期望匯聚眾智后，學部的建議對我國如何推動此大轉(zhuǎn)型，如何在未來國家創(chuàng)新體系中形成布局完善、責任明確的技術研發(fā)體系等重大問題，有實質(zhì)性的指導意義。項目組也認為，我國學術界應該秉持開放的態(tài)度，廣泛參與，發(fā)揮出想象力和創(chuàng)造力；國家有關部門在確定路線圖的問題上可考慮先經(jīng)歷一段“百家爭鳴”時期，千萬不要急于“收口”，千萬不要急于強力推進。
第四，這個大轉(zhuǎn)型過程中，整個行業(yè)的協(xié)調(diào)共進非常重要。“減碳、固碳”“電力替代”“氫能替代”均需要增加企業(yè)的額外成本，如果某一行業(yè)不同企業(yè)間不能協(xié)調(diào)共進，勢必會使“不作為企業(yè)”節(jié)約了成本，從而出現(xiàn)“劣幣驅(qū)逐良幣”現(xiàn)象。由此，分行業(yè)設計“碳中和”路線圖及有效的激勵/約束制度需盡早完成，這個非常關鍵。
第五，評價國家、區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)甚至家庭的“碳中和程度” ，需從收、支兩端計量。從能源消費角度論，“支”（即排放）相對容易計量；“收”（即固碳）由于類型多樣，過程復雜，很難精確計量，尤其是“人為努力”下的固碳增量不易確定。由此，國家要盡早建立系統(tǒng)的監(jiān)測、計算、報告、檢核的標準體系，以期針對我國的碳收支狀況，保證話語權在我。
當然，這里面還有國際上的合作與斗爭，比如未來的排放權如何分配？未來排放的天花板應該如何確定？“共同又有區(qū)別的責任”未來怎么來體現(xiàn)？西方國家一直在說“資金與技術援助”，但是一直沒做，他們?nèi)绾蝺冬F(xiàn)？每個國家排放量如何計量？另外我國該如何應對西方國家的輿論抹黑，比如西方國家總說中國是第一污染大國，其實從圖2看，我國人均累計排放量遠遠低于世界平均，但是我們沒有人就此問題發(fā)聲。另外，針對外國對我國綠色產(chǎn)品比如太陽能電池板設立高額關稅，我國該如何應對？這里面有很多的問題需要思考。
還有一些基礎性的科學問題需要研究，比如到底1.5℃、2.0℃增溫對應什么樣的二氧化碳當量濃度？以前國際上經(jīng)常說450ppm二氧化碳當量濃度，現(xiàn)在已經(jīng)達到了這個濃度，但增溫并沒有達到1.5℃。我個人認為，格陵蘭冰蓋融化之前，變暖對中國是有利的，融化之后海平面要上升，對中國就不利了，所以我們還是要有一個研究目標。
總之，科技界任重道遠。
謝謝大家！
來源：科學大院 作者：丁仲禮
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