新能源在碳中和中的地位与作用

　　摘要：二氧化碳是全球碳循环的重要介质，具有实现生态系统有机物的转换和造成温室效应的双重属性。本文将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为“灰碳”;无法被固定或利用，并留存在大气圈中的二氧化碳定义为“黑碳”。碳中和是人类发展的共识，但在实施过程中面临着政治、资源、技术、市场、能源结构等诸多挑战。本文提出碳替代、碳减排、碳封存、碳循环是实现碳中和的4种主要途径，其中碳替代将是碳中和的中坚力量。新能源已经成为第3次能源转换的主角，未来将成为碳中和的主导。目前，太阳能、风能、水能、核能、氢能等是新能源的主力军，助力电力部门实现低碳排放;“绿氢”是新能源的后备军，助力工业与交通等领域进一步降低碳排放;人工碳转化技术是连接新能源与化石能源的桥梁，有效降低化石能源的碳排放。预测2030年中国碳达峰的峰值约110108t。按照高、中、低3种情景预测2060年中国碳排放将分别降至22108t、33108t、44108t。针对中国实现碳中和提出7项实施建议。构建中国新的“三小一大”能源结构，推动实现中国能源“独立自主”战略。

　　关键词：新能源;碳达峰;碳中和;“灰碳”;“黑碳”;碳替代;碳减排;碳封存;碳循环

　　0引言

　　能源是自然界中能为人类生存及社会进步提供的能力资源。人类自第1次拿起火种之后，能源与水、 粮食就构成了人类赖以生存的3大要素。科技进步、社会文明两大动力驱动了能源发展。世界能源结构已经发生两次转换，第1次转换实现了薪柴向煤炭的能源革命，第2次转换实现了煤炭向石油、天然气的能源革命，当前正在经历传统化石能源向新能源的第3次重大转换。

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　　按照能源发展规律，能源形态从固体(薪柴与煤炭)、液态(石油)向气态(天然气)转换、能源中碳的数量从高碳(薪柴与煤炭)、中低碳(石油与天然气)向无碳(新能源)转换，未来沿着资源类型减碳化、生产技术密集化、利用方式多样化3大趋势发展。目前，世界能源正在进行化石能源低碳化革命、新能源规模化革命、能源管理智能化革命，3场能源革命正在同步进行，加快形成“新煤炭”，“新油气”“新电网”。人类生活在同一个地球、同一个天空，但呼吸着不同二氧化碳含量的“空气”。

　　人类进入工业化以来，二氧化碳排放量不断增加，导致全球气温升高、冰川融化、海平面上升等诸多环境问题，人类赖以生存的环境面临着前所未有的威胁与挑战。据统计自1850年以来，大气中二氧化碳的浓度从280106上升至450106，全球气温上升了0.9～1.2℃，海平面上升了20cm[1-3]。特别是近30年来，全球气温、海平面上升速度加快，气温升高速度达到每10年上升0.2℃，海平面上升速度达到0.32cm/a[4-6]。

　　到本世纪末，如果全球气候升温达到2℃，海平面升高将达到36～87cm，99%的珊瑚礁将消失，陆地上约13%的生态系统将遭到破坏，许多昆虫、植物和动物面临着灭绝的风险[7]。因此，减少二氧化碳等温室气体排放，限制全球气温上升已经成为全人类共同的目标。2018年10月，联合国政府间气候变化专门委员会(IntergovernmentalPanelonClimate Change，简称IPCC)提出了“碳中和”的目标，到本世纪末将全球气温升高控制在1.5℃。

　　人类活动导致的二氧化碳排放主要来源于化石燃料消费。发展新能源，实现能源转型，降低化石能源消费，构建绿色低碳的能源体系，是降低二氧化碳排放，实现全球碳中和的重要举措之一。本文总结主要国家应对碳中和的主要经验和做法，分析全球二氧化碳排放的分布情况，提出全球实现碳中和所面临的挑战和应对措施。新能源已是第3次能源转换的主角，将在实现碳中和发挥主导作用。针对中国碳中和面临的挑战与机遇，提出中国实现碳中和的路线图与实施路径，为2060年顺利实现碳中和目标提供参考依据。

　　1全球碳中和概况

　　1.1“碳”的类型

　　碳是生命物质中的主要元素之一，是有机质的重要组成部分，并以二氧化碳、有机物和无机物的形式贮存于地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中。碳元素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[8]。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大气中的二氧化碳、干旱区盐碱土吸收二氧化碳、含碳元素岩石的形成，以及利用人工技术将二氧化碳转化为化学品或燃料等。碳释放主要来自于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。

　　本文将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为“灰碳”;将无法被固定或利用，并留存在大气圈中的二氧化碳定义为“黑碳”。人类进入工业化以来，化石燃料消耗急剧增加，岩石圈中化石能源的碳被释放到大气圈中，导致大气圈中二氧化碳的浓度不断增加，地球的碳循环平衡被破坏，造成了大气圈中“黑碳”含量不断增加。因此，碳中和主要目的是减少大气圈中“黑碳”含量，逐步恢复绿色地球碳循环平衡，保护人类赖以生存的生态环境，建设宜居地球。

　　1.2碳中和的内涵及意义

　　IPCC发布的《全球升温1.5℃特别报告》指出，碳中和(Carbon-neutral)是指1个组织在1年内的二氧化碳排放通过二氧化碳消除技术达到平衡，或称为净零二氧化碳排放(netzeroCO2emissions)[7]。碳中和目标是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年下降约45%，到2050年达到近零排放，实现碳中和。碳中和的首要任务是到本世纪末将全球气候变暖控制在1.5℃。

　　碳中和不仅控制气候变化，也是人类保护生态环境的根本措施，有助于保护生物多样性和生态系统，避免更多的物种灭绝。碳中和加速了能源系统的低碳绿色转型，为全球带来新的经济增长点。根据国际可再生能源机构(IRENA)发布的《能源转型2050》报告显示，碳中和为全球带来2.4%的GDP额外增长，额外增加7×106个能源行业就业岗位等[9]。

　　1.3碳中和的进展与做法

　　截至2021年1月，根据英国能源与气候智库(Energy&ClimateIntelligenceUnit)统计显示[10]，全球已有28个国家实现或承诺碳中和目标。其中，苏里南共和国和不丹已经实现碳中和，瑞典、英国、法国等6个国家通过立法承诺碳中和，欧盟、加拿大、韩国等6个国家及地区正在制定相关法律，中国、澳大利亚、日本、德国等14个国家承诺实现碳中和。2050年是全球实现碳中和的主要时间节点，除2个已经实现碳中和的国家外，芬兰承诺最早(2035年)实现碳中和。另有99个国家正在讨论碳中和目标，其中乌拉圭拟将目标定于2030年，其余国家均将目标拟定于2050年。已经实现碳中和的2个国家具有国土面积小、森林覆盖率极高等特点，其中苏里南共和国的森林覆盖率达80%，不丹的森林覆盖率为72%。

　　碳中和进程中，欧盟最为积极，欲建设首个碳中和大陆。2019年12月，欧盟委员会正式发布《欧洲绿色协议》，阐明了欧洲迈向气候中性循环经济体的行动路线，提出到2030年温室气体排放量在1990年基础上减少50%～55%，到2050年实现净零排放目标。2020年12月，日本政府推出《绿色增长战略》，被视为日本2050年实现碳中和目标的进度表。从目前已经承诺碳中和的国家来看，除了欧盟和日本发布了碳中和具体的路线图外，其余国家的碳中和路线尚在进一步制定中。

　　2碳中和面临的主要挑战与对策

　　2.1全球碳排放现状

　　据国际能源署(IEA)统计，2019年全球与能源相关的二氧化碳排放量与2018年持平(为333108t)，前5名碳排放量国家分别为中国、美国、印度、俄罗斯、日本，碳排放量分别为98108t、48108t、23108t、15108t、11108t[11-12]。亚洲的碳排放主要来自中国、印度和日本，美洲的碳排放主要来自美国、加拿大和巴西，欧洲的碳排放主要来自俄罗斯、德国和英国，非洲的碳排放主要来自南非、埃及和阿尔及利亚，大洋洲的碳排放主要来自澳大利亚。化石燃料消费是二氧化碳排放增加的主要来源。

　　2003年以来，煤炭消费一直是二氧化碳排放的第1大 来源。2019年煤炭、石油、天然气消费所排放的二氧化碳量分别占总排量的45%、43%、22%。电力行业是最大的碳排放行业，占总排量的38%，其次为交通、工业和建筑等行业，分别占总排量的24%、23%和9%[12]。

　　2.2碳中和面临的主要问题碳中和应对全球气候变化已成为全球共识，但在实施过程中还面临政治、资源、技术、市场、能源结构等多方面挑战。

　　2.2.1政治层面实现碳中和是全球性目标，需要世界各国合作应对，联合国常任理事国应率先在碳中和目标上做出表率，但是美国和俄罗斯两个常任理事国尚未承诺实现碳中和。全球碳排放前5名国家中的印度还没有承诺实现碳中和时间。安哥拉、伊朗、伊拉克、南苏丹、土耳其、也门等国最初签署了《巴黎气候协定》，但还没有正式立法批准。另有99个国家正在讨论碳中和目标，能否通过碳中和目标尚未定论[9]。

　　2.2.2资源层面新能源替代化石燃料是实现碳中和的根本措施。全球太阳能、风能等新能源分布存在时空差异性，为新能源规模发展带来挑战。全球太阳能资源主要集中在赤道附近南北回归线之间，以非洲北部撒哈拉地区最为丰富，非洲大陆东侧及南部、澳大利亚和中国西北地区也是太阳能资源丰富区。风能资源主要分布在东亚、东南亚、中亚、美洲30S—30N地区，以及中国北部和东部、蒙古、澳大利亚东北部、非洲撒哈拉沙漠以南等地区。全球陆地太阳能和风能资源存在明显的地区性与季节性差异[13]。

　　2.3实现碳中和的对策

　　减少碳排放，实现碳中和的对策可以分为碳替代、碳减排、碳封存、碳循环4种主要途径。碳替代主要包括用电替代、用热替代和用氢替代等。用电替代是利用水电、光电、风电等“绿电”替代火电，用热替代是指利用光热、地热等替代化石燃料供热，用氢替代是指用“绿氢”替代“灰氢”。碳减排主要包括节约能源和提高能效。

　　在建筑行业主要以提高电器和设备能效、房屋外加太阳能光伏等为主，开发新型的水泥和钢材等材料、减少水泥和钢材的隐含碳排放量等;在交通行业主要以使用更高效的动力系统和更轻的材料等为主。从源头减少“黑碳”的排放量。碳封存是指将大型火力发电、炼钢厂、化工厂等产生的二氧化碳收集后，运输至合适场所，利用技术手段长时间与大气隔离封存。地质封存是碳封存的主要形式，封存场所主要为油气藏、地下深部咸水层和废弃煤矿等。

　　3新能源在碳中和进程中的重要地位

　　新能源是指在新技术基础上加以开发利用，接替传统能源的非化石无碳、可再生清洁能源，主要类型有太阳能、风能、生物质能、氢能、地热能、海洋能、核能、新材料储能等[16]。与煤炭、石油、天然气等传统含碳化石能源相比，在理论技术、利用成本、环境影响、管理方式等方面有显著不同。随着新能源技术快速发展和互联网+、人工智能、新材料等技术不断进步，新能源产业处于突破期，逐渐进入黄金发展期。发展新能源，推动能源结构转型是实现碳中和的关键。新能源开发利用步伐加快，已成为全球能源增长新动力，并将逐步替代化石能源，在碳中和进程中发挥关键作用。

　　3.1新能源是第3次能源转换的主角

　　从世界能源发展历程看，人类能源利用史经历了从薪柴到煤炭、从煤炭到油气的两次转型，正在经历从化石能源到新能源的第3次转型。新能源具有清洁、低碳的特点，符合碳中和发展需求，将在第3次能源转换中成为主角。1925年以来，全球能源变得更加清洁，除生物质能外的新能源呈现加速发展态势。1925—2019年全球能源的需求量从14108t油当量增加至144108t油当量，增长了10倍，但新能源在全球能源中的占比从0.6%增加至15.1%，增幅达到24倍[17]。

　　4中国碳中和实施路径

　　4.1中国碳中和目标与路线图

　　中国政府承诺实现碳中和，制定政策积极推进碳中和进程。2020年9月，习近平在联合国大会上表示“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”[25]。同年12月，发布《新时代的中国能源发展》白皮书，全面阐述了新时代新阶段中国能源安全发展战略的主要政策和重大举措。《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》报告指出，预计到2025年前后，中国二氧化碳排放进入峰值平台期，力争2030年前可实现稳定达峰，化石能源消费的二氧化碳峰值排放量控制在110108t之内，到2035年二氧化碳排放量将比峰值年份显著下降[26]。按照二氧化碳排放峰值的减排程度，本文分低、中、高3种情景预测中国2060年碳排放量。

　　低情景下，二氧化碳减排至峰值的40%，排放量降低至44108t;中情景下，二氧化碳减排至峰值的30%，排放量降低至33108t;高情景下，二氧化碳减排至峰值的20%，排放量降低至22108t。剩余排放量主要通过二氧化碳封存及利用、森林碳汇等方式消纳。中、高情景下对二氧化碳封存及利用、森林碳汇等碳中和技术需求较大，应该加强这些领域的投入。

　　5结语

　　当今世界正经历百年未有之大变局。生态环境事关人类生存和永续发展，需要各国团结合作，共同应对挑战。碳中和是人类应对全球气候变化达成的共识，世界各国积极承诺实现碳中和目标。碳替代、碳减排、碳封存、碳循环是实现碳中和的4种主要途径，碳替代是实现碳中和的中坚力量，预计到2050年将贡献47%的二氧化碳减排量。碳中和进程加速了全球能源从化石能源向新能源转型，新能源已成为第3次能源转换主角，未来将在碳中和发挥主导作用。预计2030年是新能源发展的转折年，新能源成本下降至可与化石能源相竞争;2030—2050年新能源将大规模推广应用，碳排放下降趋势加快。

　　2050年全球大部分地区和国家将实现碳中和，新能源走上能源舞台中央成为主体能源。预计到2100年，能源消费结构由现阶段的“四分天下”转变为“一大三小”新格局(“一大”为新能源，“三小”为煤炭、石油、天然气)。未来中国也将逐步向世界能源消费结构新趋势靠拢发展，实现从现阶段“一大三小”(“一大”为煤炭，“三小”为石油、天然气、新能源)向“三小一大”(“三小”为煤炭、石油、天然气，“一大”为新能源)跨越。本文观点是目前阶段性认识，未来不同时期，随着科技与世界格局变化，碳中和的认识将不断革新和发展。

　　参考文献：

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　　[6]MARTINS,RICHARDBA,ERICR,etal.Twenty-firstcenturysea-levelrisecouldexceedIPCCprojectionsforstrong-warmingfutures[J].OneEarth,2020,3(6):691-703.

　　作者：邹才能，熊波，薛华庆，郑德温，葛稚新，王影，蒋璐阳，潘松圻，吴松涛

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