院士思维 54 ACADEMICIAN THINKING 中国碳中和框架路线图研究 文／ 丁仲礼 碳中和过程既是挑战又是机遇，其过程将会是经济社会的大转型，将会是一场涉及广泛领域的大变 革。“技术为王”将在此进程中得到充分体现，即谁在技术上走在前面，谁将在未来国际竞争中取得优 势。 DOI:10.19609/j.cnki.cn10-1299/f.2021.08.007 碳中和如何实现？ 2050年要达到碳中和。鉴于美国这么 多年来的反复立场，其如何落实到实 “双碳”行动是应对气候变暖的国际行动的一部分。 欧盟国家是碳中和的首倡者，他们提出要在2050年达到碳 中和。我国2020年9月承诺，2030年碳达峰，2060年达到碳 中和。多年以来，美国由于党派争执，对待气候变化问题的 际行动上，还是要“走着瞧”。现在 有不少国家都在制定碳中和计划，但 我们认为这是一个雄心勃勃但又极其 艰难的目标。 态度一直摇摆不定，但是民主党上台以后，他们提出的目 标还是非常激进的，尤其是提出2035年要达到无碳发电， 图1是一些典型国家1930年到2019 年之间人均碳排放量的变化情况。美 国自1930年以来，一直是人均碳排放 丁仲礼 中国科学院院士 中国工业和信息化 ｜CHINA INDUSTRY & INFORMATION TECHNOLOGY 量最高的国家。1970年代，美国人均 55 工院士思维 中国碳中和框架路线图研究 碳排放量达到了最高峰，之后开始下 25 从人均角度来分析的话，美国、 段，正在走向碳中和。印度的人均排 放量增长刚刚“启动”，大概相当于 我国20世纪60年代的人均排放水平， 尚未真正到达快速增长时期。我国基 本上从2012年、2013年开始就进入了 碳排放的“平台期”。世界上还有许 多农业国家尚未启动工业化，所以还 没有启动碳排放。 现在，我们有两个目标，一个 天花板，也没有设定一个具体目标。 理论上有两种选择，一种是把峰调 高，以后的减排数据会好看一点；另 一种是尽量把峰值压低。我个人认 为，出于改善空气质量的考虑，还是 要追求尽量把峰值压低。所以，碳达 峰其实不需要太多研究，要研究的问 印度 2017 2014 2008 2011 2002 2005 1999 1993 1996 1990 1981 1984 1987 1972 1975 1978 1969 1963 1966 1957 1960 图1 典型国家碳排放变化情况 碳排放量是7.28吨/年，高于全球平均水平，不过比美国要 低很多；从消费端来看，我们的人均排放量比英法美都低； 最核心的是图2最右边图中展示的人均累计排放。一个国家 的发展，尤其是基础设施建设，是逐年累积的，这张从1900 年算起的人均累计排放对比图显示，全球平均水平是209吨/ 人，我国才157吨/人，美国是1218吨/人，欧洲的法国、英国 这些国家都比我国多得多。所以计算人均累计碳排放，我国 远远低于全球平均，这个结论一定要关注。我国现在的碳排 放总量比较高，这和我国经济发展比较快有关。从这个角度 看，我国的碳中和应该会比其他国家要困难一些。 是碳达峰，一个是碳中和。在碳达峰 上，达到什么样的高度，并没有一个 1951 0 1954 80年的时间。 1942 5 1939 国从碳达峰到碳中和实际上是有70到 英国、法国的碳排放已经处于下降阶 美国 10 1933 个表述是不够准确的，欧洲国家和美 英国 15 1936 年时间，而中国只有40年”，其实这 法国 20 1930 讲，“从碳达峰到碳中和，美国有60 人均碳排放（单位：CO 2 /人） 年代到80年代达到最高峰。经常有人 中国 1945 1948 降，英国和法国大概也是在20世纪70 碳中和的概念，就是人为排放的二氧化碳（化石燃料 利用和土地利用），被人为努力（木材蓄积量、土壤有机 碳、工程封存等）和自然过程（海洋吸收、侵蚀—沉积过程 的碳埋藏、碱性土壤的固碳等）所吸收。目前全球每年排放 的二氧化碳大约是400亿吨，其中14%来自土地利用，86% 来自化石燃料利用。排放出来的这些二氧化碳，大约46%留 在大气，23%被海洋吸收，31%被陆地吸收。这个数据可能 不是特别准，但一百年以来碳循环基本上就是这么一个规 律。 题主要是如何实现碳中和。 碳固定过程非常多，笔者在这里举一个不被大家特别 图2显示的是主要国家人均碳排 放的对比。我国的生产端人均二氧化 关注的例子——土壤。干旱、半干旱地区的碱性土壤中含有 很多钙离子，不像南方酸性土壤钙离子很少，这些钙离子和 ｜ 2021 年 8 月刊 院士思维 56 ACADEMICIAN THINKING 生产端人均碳排放（2019） 单位：吨CO 2 /人 20 消费端人均碳排放（2019） 人均累计碳排放（1900-2019） 单位：吨CO 2 /人 20 单位：吨CO 2 /人 1500 17.57 16.10 1218.71 920.33 1000 10 10 8.08 7.28 4.83 6.41 5.53 516.92 6.59 4.75 500 4.75 209.62 157.39 0 中国 法国 英国 美国 全球 0 中国 法国 英国 美国 0 全球 中国 法国 英国 美国 全球 图2 主要国家人均二氧化碳排放比较 大气中的二氧化碳结合，降水的时候就会淋溶形成碳酸钙沉 中国如何达到碳中和 淀，这是一个非常强大的自然过程。做黄土研究的专家经常 说，黄土里面有料姜石，这就是碳酸钙的结核，还有在温暖 时期沉淀下来的钙板。我国有大面积的干旱半干旱地区，这 个自然过程对碳的固定，是一个非常重要的过程。 我们是从排放端、固碳端、政 策推动这几个角度来考虑的。要特别 说明，这只是想把碳中和框架设计出 来，把问题清单列出来，至于碳中和 接下来，再看看未来碳中和的主要途径。我们要考虑 到，接近2060年时，因为人为排放下降了，二氧化碳分压降 低，海洋吸收可能也会相应降低，但降低的幅度现在很难预 测。陆地土壤沉积的固碳过程还是会存在，甚至有可能会加 强。所以，不得不排放的二氧化碳，就要通过生态建设、工 具体怎么做，还需要大家共同进行大 量研究。我们现在只是设计一个初步 路线图，供大家研讨完善。相关的这 个咨询项目设立了九个专题，下面把 每个专题简单地做一个介绍。 程封存等措施去除掉，这样才能达到中和。 需要特别说明的是，自然过程吸收二氧化碳的量，只能 理解为自然界存在的一个基数，比如海洋吸收的碳就不能归 结为哪个国家的功劳。我们要考虑如何依靠人为努力，比如 生态建设、工程封存、土壤固碳等措施来进行碳固定。也就 是说，碳中和等于排放量同自然过程吸收、生态碳汇、工程 封存等抵消。 未来能源消费总量预测 这个专题要解决的一个核心问题 是，在不同时间节点（面向2060）， 我国居民生活、工业、建筑、交通等 重点领域的能源需求以及全社会能源 总需求。这里有几个主要的边界条件 要明确。 中国工业和信息化 ｜CHINA INDUSTRY & INFORMATION TECHNOLOGY 57 工院士思维 中国碳中和框架路线图研究 一是到2035年，我国GDP比目前 另外关于新型电力系统的能源供应系统，我们需要 还会翻一番，2060年还需要再翻一 列出一个技术清单，到底需要哪些技术，作为未来研究方 番，达到人均4万美元，生活水平也要 向。图3是我国2019年一次能源消费情况，可以看出，非 相应地同发展阶段相当，产业结构从 碳能源实际上只占15%，另外85%是煤、油、气，这是一 目前的中低端发展到中高端。 个非常严峻的现实。我国现在大约排放100亿吨二氧化碳。 另外一个因素就是人口变动，少 子、老龄化这些因素必须考虑进去， 假如到2060年，我国还不得不排放20亿吨到25亿吨二氧化 碳，在这样的情景之下，我们该怎么办？ 要建立一个预测模型。但预测常常是 现在初步的认识是：非碳能源占比不会是线性提高 不准的，2009年有部门预测2020年 的，主要靠技术组合和技术突破。煤炭作为主力能源，还会 我国一次能源消费将达到44亿吨标准 存在较长一段时期，因此煤炭清洁利用技术的进步仍需十分 煤，但实际上2020年我国一次能源消 重视。另外一个是核能，我们不该追随某些“弃核国家”的 费达到50亿吨标准煤。所以我们希望 脚步，还要加强核能利用，甚至在内陆地区建厂，把核能充 高中低都有预测，不要局限于某一种 分利用起来。尤其是西部干旱地区的风、光资源，是我们实 观点。 现碳中和最大的底气，我们要考虑如何来稳定输出。 非碳能源占比阶段性提高途径 不可替代化石能源预测 首先，这个专题要解决的核心问 这个专题的核心问题是，不可替代的化石能源必然会 题是，我们需要一个什么样的新型能 转化为不得不排放的二氧化碳，对于这部分排放要有一个预 源供应系统，尤其是电力供应系统， 测，来自于何处、来自于什么行业、总量有多少。 如何逐步增加非碳能源，特别是风、 光、水、地热、核等的比重。 其次，我们要重点回答，中国西 现在讲碳中和首先要考虑替代，就是用电、热、氢能 等来替代，来减少二氧化碳排放。不同行业、不同领域的替 代难度肯定是不一致的，能否从目前的情况来按照难易排 部有丰富的风、光资源，如何从各种 发电、储能、转化、输电、消纳等环 水电 8% 节协调发力，让这些资源得到有效充 分利用。 核能 2% 可再生能源 5% 天然气 8% 尤其要解决的问题是，由于风、 光资源的时空分布不平衡，如何保证 石油 20% 煤炭 57% 稳定输出，需要一套什么样的基础设 施来保证稳定输出，这是一个非常大 的问题，也需要有一个框架。 图3 目前我国一次能源消费比例 ｜ 2021 年 8 月刊 院士思维 58 ACADEMICIAN THINKING 序，这是非常关键的。 但具体分几步来做是一个问题。大连 其次，能否确定不可替代的领域有哪些？在这些领域不 得不排放二氧化碳，那就是碳中和需要中和掉的部分，我们 就需要进行针对性地预测。现在初步认为：居民生活比较容 易用电力、地热、太阳能来替代，关键在于国家如何推动； 交通领域，目前已经在大力发展电动汽车，以后可能用氢能 驱动船和飞机等，这个替代可能只是个时间问题；农业领域 大部分也可以替代；比较难替代的是工业领域，包括冶金、 化工、建材、矿山等，如何替代还需要特别研