【专家观点】邹才能院士：碳中和目标下中国新能源使命

微信扫码，打开到小程序

减少温室气体排放、遏制全球气温上升，努力实现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。碳中和是涉及多学科多领域的庞大系统工程，实现碳 中和目标需要坚实的理论基础和科学方法的指导，碳中和学应运而生。碳中和学的 理论内涵包含两个“动态平衡”——全球碳排放与碳吸收之间的动态平衡、人类发展与 自然环境之间的动态平衡；技术内涵包括人类生产生活引起的二氧化碳排放、捕 集、利用、封存和移除的全过程及相关的技术体系。能源消费结构从以化石能源为 主向以新能源为主的转型，世界能源生产与消费结构将由当前煤炭、石油、天然气 和新能源的“四分天下”，向以新能源为主的“三小一大”新格局发生根本性转变；在此 过程中，需构建煤炭、石油、天然气、新能源多种能源协同发展。中国能源生产与 消费结构，也将从当前以煤炭能源为主的“一大三小”，向未来以新能源为主的“三小 一大”格局发生革命性转变；新能源将主导我国能源生产与消费结构转型，最终将力 争实现以新能源为主体的“能源独立”。但在能源发展中，始终把能源转型与能源安全 放在同等重要位置。发展新能源是实现碳中和社会、建设绿色宜居地球的关键。碳 中和下新能源是世界能源转型的方向、能源科技创新的前沿、能源强国建设的主 力、绿色地球建设的动力，肩负能源转型、能源安全和“能源独立”的使命。当整个人 类社会都被纳入碳中和体系，我们将获得并长久拥有一个绿色宜居地球。 全球气候问题正在对地球生态环境产生深刻影响，气候变化所涉及的政治、经济、环 境、科学和外交等综合性战略问题，目前已经成为全人类共同面临的巨大历史挑战。在 人类出现之前的地质历史时期，发生过不计其数的重大地质事件，如超级火山爆发、超 大陆聚合、造山运动、天体撞击地球、“雪球地球”事件等，它们均会在一定程度上引发 古大气中二氧化碳（CO2）浓度的突变，从而影响某一地质历史时期的地球表面温度， 进而可能产生极冰面积变化、全球性海平面变化、净初级生产量变化以及生物大灭绝等 多重连锁效应。随着工业化时代大门的开启，人类大规模的化石燃料利用和森林砍伐所 导致的绿植数目锐减，促使全球大气中 CO2 平均浓度达到了近百万年以来的最高水 平，以至“热岛效应”“温室效应”对地球生态系统和人类社会发展均构成了严重威胁。 2021 年，全球极端高温天气频发，15 个“气候临界点”已被激活 9 个，由自然灾害引起 的灾难性事故造成了 2521 亿美元的损失。到 21 世纪末，假如全球平均温度提升高达 2℃，气候方面：飓风风暴将更加频繁、土地荒漠化程度加剧，海平面水位上升高度可 达 36—87 厘米，旱季延长，同时降水量可能下降 14%；生态系统方面：全球珊瑚礁数 量下降 99%，全球约 13% 的陆地生态系统失去生态系统完整性，许多现存的动、植物 种类和数量均会受到严重威胁。因此，减少 CO2 等温室气体的排放乃至实现负排放， 控制全球气温上升幅度，已然成为全人类“绿色地球，绿色家园”建设的共同目标。 2021 年，全球能源燃烧和工业过程产生的 CO2 排放量创下历史新高，达到 363 亿吨， 能源相关 CO2 排放增量超过 20 亿吨，超过 2010 年成为绝对值同比增幅最大的一年。 能源作为全球经济发展物质基础，同时也成为全球 CO2 减排过程中无法规避的重要领 域。 碳中和目标下的能源发展要求 气候变化不断为人类社会敲响警钟，实现碳中和对全球气温快速提升发挥着重要控制作 用，同时碳中和目标将在推动能源绿色低碳转型方面发挥重要作用 。碳中和目标符合能 源学研究主旨，从资源角度揭示地球系统内化石能源与非化石新能源共生分布关系、碳 系能源与氢系能源有序接替转型、能源体系与绿色地球和谐发展的自然变化规律。完成 能源消费结构从化石能源为主体向零碳新能源为主体的转型，是实现碳中和目标的首要 任务。 为应对全球气候极端变化趋势，碳中和已经成为共识性目标，其既是人类维护生态环境 的基本举措，也是全人类去碳化能源革命和生态化科技革命，它必将给人类社会和经济 的发展带来一场全新的改革。从能源革命的角度来看，碳中和必然会加速世界能源体系 向着“低碳化”和“无碳化”的方向转型；与此同时，世界能源消费结构也将从根本上由“四 分天下”格局（煤炭、石油、天然气和新能源）转变为“三小一大”格局（以新能源为 主）。从科技革命的角度来看，目前世界正处在新一轮科技革命和产业变革进程中，生 物工程技术、空间技术、智能化技术和原子能技术等成为主要技术标志，新材料、新能 源、生物工程、信息技术等成为主要技术领域。实现碳中和在人类命运共同体建设中具 有里程碑意义，将大幅提升人类幸福感，为建设人类生态文明与宜居地球作出重要贡 献。在碳中和目标下，人类社会政治、经济、文化等领域均将受到深远影响和重大变 革。 当前，世界各国对能源系统的投入正在逐步由化石能源向可再生能源过渡，根据国际可 再生能源机构（IRENA）发布的预测，到 2050 年全球实现净零碳排放，可再生能源将 占能源系统总投资的 29%，而化石能源仅占 17%。在碳中和目标下，人类能源消费结 11 碳中和对能源发展的指导意义 构必将由“一次能源”占绝对优势向“二次能源”占绝对优势过渡，电能也必将成为能源的 主要载体。到 2050 年，我国建筑行业的直接电气化率、交通运输产业电气化率、电动 汽车销售量与保有量，以及其他产业电气化水平持续提高，这些都会对人类生活产生根 本性改变和深层影响。碳中和将促使能源从资源依赖转向技术依赖，实现人与自然和谐 共生，建设人类的绿色宜居地球。 碳中和为人类社会发展与经济增长提供了源源不竭的新动力，可再生能源的加速利用及 能源转型将推动能源复苏。预计到 2050 年，碳中和将贡献全球 2.4% 的国内生产总值 （GDP）增长。其中，世界范围内与可再生能源有关的就业岗位将会增加 3 倍，高达 4200 万个；与能源有关的工作岗位也将增长到 1 亿个，与目前的就业岗位相比，增幅 达 72%。 为了应对全球气候问题，碳中和在国际关系中的作用已超越传统地缘政治范畴，从而成 为人类命运共同体建设中具有里程碑意义的议题。全球有必要构建一个基于共赢、生态 化、互信、合作、协同、参与和分享的科技创新、国际合作新格局，更有必要提倡“人 类命运共同体”的意识。建立在碳中和目标基础上，并得到保证的生态文明，将使人类 物质文明和地球生态系统达到和谐统一。 1992 年 5 月，全球首个控制 CO2 排放和解决全球气候变暖问题的国际公约——《联合 国 气 候 变 化 框 架 公 约 》 （ United Nations Framework Convention on Climate Change，以下简称《公约》）是联合国政府间谈判委员会通过的。1994 年 3 月 21 日，《公约》生效，其目标是人为控制大气中温室气体的浓度，防止气候系统受到温室 气体的危害。 1997 年 12 月，《公约》第 3 次缔约方大会通过了第 1 部限制各国温室气体排放的国际 法案——《京都议定书》，其目的是限制发达国家的温室气体排放，从而遏制全球气候 变暖。 2015 年 12 月，《公约》第 21 次缔约方大会暨第 21 届联合国气候变化大会最终达成 《巴黎协定》。为实现《巴黎协定》确定的温控目标，全球温室气体排放要求到 2030 碳中和的历程 年前削减一半，2050 年前后实现“净零排放”，即“碳中和”。 《全球升温 1.5℃ 特别报告》由联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）于 2018 年 10 月发布，该报告厘清了全球升温 1.5℃ 可能带来的影响，以及可能采取的减排路 径，为可持续发展与努力消除贫困的同时强化全球响应建言献策。 碳中和应对全球气候变化问题已经成为全球共识，但各个国家在实施过程中必然会 面临环境、政治、资源、技术、市场、能源结构等多方面挑战。 环境层面 美国夏威夷的冒纳罗亚太阳天文台（MLSO）作为全世界 CO2 浓度连续观测站，2021 年 4 月检测值高达 421.21×10−6 ，成为全球有记录以来的极值，且较工业化前水平高 出 50%。全球大气中 CO2 含量的持续增加，对海洋生态系统中非钙化自养生物具有一 定促进作用，从而可在一定程度上提升水体初级生产力，并有效增加海洋生物固碳能 力。但是，海洋中 CO2 含量的持续高水平必然会对水体酸化程度及生物种群分布带来 巨大的负面影响。在陆地生态系统方面，尽管高 CO2 浓度促进陆地碳汇，但陆地生态 系统的碳汇功能将随着各国碳中和战略的持续发力，由持续上升转为持续下降并最终趋 于零。因此，全球 CO2 浓度的持续增加对海洋生态系统和陆地生态系统的影响是极其 复杂的，仍有大量未知有待解决。 政治层面 截至 2021 年 10 月，全球 137 个国家对实现碳中和的时间作出明确承诺；其中已立法 国家只包括德国、日本、丹麦、法国、爱尔兰、西班牙等在内的 18 个国家，占比仅 13%。在碳中和立法国家中，丹麦议会在 2019 年通过了首部《气候法案》，制定了 实现碳中和面临问题和挑战 1 2 2050 年 实 现 净 零 排 放 的 明 确 目 标 ； 但 2022 年 哥 本 哈 根 市 阿 迈 厄 岛 资 源 中 心 （Amager Resource Centre）的碳捕集和封存计划未能如期推进，该市市长索菲 · 安 诺生在同年 8 月宣布哥本哈根暂时放弃 2025 年实现碳中和目标。德国在 2021 年通过 了《联邦气候保护法》修订案，不仅将该国碳中和时间提前到 2045 年，还明确了不同 行业的减排目标；但在国际地缘冲突和欧洲能源形势等多因素影响下，2022年 7 月德 国联邦议院（下议院）通过了《可再生能源法》修订案——燃煤和燃油发电机组可能重 返电力市场，进而推迟了原计划 2035 年前实现 100% 可再生能源发电的目标。 能源结构层面 在世界能源消费结构中，新能源增长速度虽已超过整体能源增长速度，但全球能源消费 结构仍以化石能源为主。但是，煤炭、石油、天然气、新能源“四分天下”格局短时间内 难以打破，其中 17% 的新能源占比仍处于较低水平，新能源占比的提升为能源转型带 来巨大的挑战。 资源层面 由于全球近地层风速和地表太阳辐射存在显著的年代际变化和区域差异，且全球气候变 化也会相应影响太阳能和风能资源的分布：随着全球变暖的加剧，南半球和热带地区的 平均近地风能将有所增大，而北半球中纬度地区则与之相反；随着全球变暖的加剧，以 欧洲地表太阳辐射变化趋势为例，其中部和南部的太阳辐射整体增幅 5%—10%，而东 部和北部最大下降可达 15%。因此，全球陆地太阳能、风能等新能源分布极不均匀， 具有间歇性，同时这些间歇性能源还具有时空互补性差异较大的特点 ，这给新能源的规 模化发展带来了极大的挑战。 技术层面 3 4 5 电气结构、支架结构及人工成本的变化空间较大使得光伏太阳能发电成本具有较高单价 跨度；风力发电初始投资成本构成中的风机购置、工程安装及建筑工程等费用仍处于较 高水平。因此，以太阳能和风能为代表的新能源发电总体的价格整体仍然高于煤发电， 其峰谷稳定性和调峰技术均需要进一步改革、创新。氢燃料电池是长途运输和重工业等 领域电气化的最佳选择，但膜电极组件（质子交换膜、催化剂、气体扩散膜等）、双极 板和氢燃料电池系统的技术成熟度仍需要重点攻关。碳捕集、利用和封存/碳捕集和封 存（CCUS/CCS）技术的推广和普及会受到应用场景和地质条件等情况的约束，加之 CCUS/CCS 技术目前表现出的高成本、高能耗特点，其技术研发仍需加强，成本能耗 亟须降低。储能技术无论从规模、成本还是寿命上都不能充分满足应用的需要，其产品 安全标准体系也亟待完善，其部分核心技术还处于原型阶段——液流电池储能、本质安 全水系锌离子电池等新型储能技术并未完全实现规模化应用。氢能、CCUS/CCS 和储 能等技术规模商业化的推广应用还存在各式各样的挑战。 市场层面 新能源市场逐渐由起步萌芽期向快速发展期转变，这与新能源的成本连年降低及应用便 利程度不断增加密切相关。虽然，目前新能源的技术成本与化石能源相比缺乏显著竞争 力，这与新能源的配套设备不足且使用不便，以及化石能源的成本优势具有密切关系； 但是，伴随着新能源新兴产业链的不断完善，全球市场机遇的增加与突破性技术创新的 涌现将不断凸显新能源成本优势。 碳中和学概念及理论技术框架 广义上，碳中和是指人类化石能源利用、土地利用及自然界碳排放等碳源体系与地球碳 循环系统、海洋碳溶解、生物圈碳吸收等温室气体系统间形成动态平衡；狭义上，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 封存等技术抵消，从而实现 CO2“净零排放”。碳中和学是研究人类活动足迹对自然环境 6 22 影响最小化的一门学科，研究对象是以 CO2 为核心的地球、气候、能源和人类之间有 效的协同发展。 全球自然灾害形势复杂，极端气候灾害事件多发，碳中和是应对气候变化的必然之路和 有效措施。碳中和是一项涵盖节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备和政策支撑的 重大协同工程。这项系统性、革命性、多维度、多领域的协同战略工程需要统筹协调、 明确路径、综合施策，重点把握理论基础的稳固性和指导方法的科学性。2021 年，笔 者团队首次提出了“碳中和学”的概念，尝试建立碳中和学的理论体系，形成碳中和学的 技术内涵及框架体系，构建实现碳中和五大战略工程的科学体系，以期助力碳中和目标 如期实现。2022 年，笔者团队将地球系统中的“碳”分为 3 类——黑碳、灰碳和蓝碳； 3 种“碳”在地球系统内部相互转化，减小黑碳比例、提高灰碳特别是蓝碳比例是推动碳 中和的关键。碳中和学体现碳中和愿景下，建设“绿色地球、宜居家园”的生态文明需 求。碳中和学技术框架主要包括碳科学技术和碳经济技术。 碳中和学是以碳循环为主线，重点研究宜居地球、能源利用、人类幸福的绿色协同与可 持续发展，依托五大理论和技术体系支撑，是实现 CO2 利用与“净零排放”的一门学科。 理论体系主要包括气候变化理论、碳平衡理论、能源理论、碳中和经济理论和战略理 论；技术体系主要包括无碳或减碳关键技术、零碳排关键技术、负碳排关键技术、碳排 放评价技术和碳交易。 碳中和学的理论内涵，包含两个“动态平衡”：第 1 个“动态平衡”是指一定时期内，全球 CO2 排放量与吸收量达到动态平衡；第 2 个“动态平衡”旨在强调，人类赖以生存的自然 环境与人类社会发展之间达到动态平衡。 碳中和学的技术内涵，涉及 CO2 的产生、捕集、输送、利用、封存等全过程技术体 系，主要有 4 个方面的表现： 碳中和学的提出 碳中和学的概念、内涵 1. 减碳技术，以传统化石能源节能减排技术为主，涵盖化石能源清洁利用、节能提 效、资源回收利用等。 2.零碳技术，以无碳排放为基本特征的清洁能源技术，涵盖水能、风能、生物质能、 地热能、潮汐能、太阳能等可再生能源，同时还涵盖核能、新材料能源以及具备设备 智能、信息对称、系统扁平、多能协调等特征的“智慧能源”。 3.负碳技术，捕集、利用、封存、转化 CO2 的技术，以及湿地、冻土、森林、草原、 海洋等生态系统固碳技术。 4.碳经济技术，主要依赖完善的碳税制度、体系化的碳交易市场、公平的复合碳排放 权交易体系、调控性的碳财政补贴，以及其他有效的碳产业和碳经济政策等共同构 筑。 碳中和学的理论框架体系，以 CO2 的排放和消除为核心，涵盖了碳中和自然科学和碳 中和社会科学。碳中和自然科学，包括三大理论基础： 1. 气候变化理论，目标在于抑制全球气候变暖； 2. 能源理论，目标在于绿色低碳； 3. 碳平衡理论，以 CCUS/CCS 为核心。 碳中和社会科学，包括：以碳排放交易体系为核心的碳中和经济理论，以建设人类命运 共同体与“绿色地球、宜居家园”为目标的碳中和战略理论等。 碳中和学的技术框架体系，包括碳科学技术和碳经济技术。碳科学技术，包括：以化石 能源清洁利用、重点行业节能提效、能源系统智慧运行为主的减碳技术；以零碳能源规 模利用、能源转化与储能为主的零碳技术；以碳捕集、碳封存、碳利用、碳汇集为主的 负碳技术。碳经济技术，包括：以碳足迹核算、碳资产评估为主的碳评价技术；以交易 制度、交易市场、交易监管为主的碳交易技术。 碳中和学的框架体系 碳中和学的提出进一步明确“碳中和实施路径”的主要发展方向，树立共建“绿色地球、宜 居家园”的终极目标，有助于“碳中和系统科学与技术”学科体系的建设和完善，有助于推 动“能源绿色低碳”的高质量转型，在全球应对气候变化进程中具有里程碑式的意义。 我国新能源发展方向和目标 在碳中和愿景下，能源发展目标将以“新能源”+“智能源”体系为主，其具有智能化、清 洁化和高效化能源体系特点，同时能源体系的形态、技术、结构、管理等主体要素将发 生转变： 1.能源形态，将从高碳排放的化石能源向低碳或无碳排放的新能源转变； 2.能源技术，将从能源资源型转变为能源技术型，即技术优势替代资源优势成为能源 技术的主导； 3.能源结构，以天然能源为主的一次能源消费将被二次能源消费取代主导地位； 4.能源管理，传统式能源管理将逐步被智能化平衡式管理所替代。 碳中和学提出“节能提效”“化石能源低碳化”“清洁能源规模化”“终端用能电气化”“能源系 统智慧化”等减碳路径，加大新能源利用是实现清洁能源规模化主要手段，也是实现碳 中和目标的必由之路。我国产业结构偏重、能源结构偏煤，更要加大新能源的利用，这 对于调整我国能源供给方式，促进能源结构转型，最终实现我国能源独立意义重大。 能源作为推动文明发展的基石，在人类文明发展历程中经历 3 次大的转型：第 1 次转型 是从薪柴时代向煤炭时代转型，第 2 次转型是煤炭时代向油气时代转型，目前全球正在 经历第三次能源转型——由化石能源向新能源转型。前 2 次能源转型推动了传统工业化 33 新能源是实现碳中和的主要途径 进程的历史性跃进，而碳中和驱动的第 3 次能源转型具备清洁化、低碳化的发展趋势， 并将在低碳工业化进程的推动中发挥重要角色。 伴随着世界能源工业中的化石能源消费结构持续调整，新能源消费占比不断升高。截至 2021 年，全球能源消费中石油占比 31%、天然气占比 24%、煤炭占比 27%、新能源 占比 18%，形成了“四分天下”的全新能源格局。当前，煤炭、石油、天然气和新能源 4 种主要能源都进入了各自新的发展时期：煤炭对应“转型期”；石油对应“稳定期”；天然 气对应“鼎盛期”；新能源的消费量和占比稳步上升，已经跨入了“黄金期”。当前，新能 源的市场竞争力逐步稳定上升，且成本具有逐年缓慢降低的发展趋势。相较于高成本的 传统化石能源，“成本领先”这一关键竞争要素从根本上对新能源产业的发展以及传统能 源的替代起到了决定性的推动，也是第三次能源转型的重要“内驱力”。 世界主要经济体均加快以新能源为主的能源结构转型调整，构建绿色、低碳、安全、高 效的新型能源供应体系。目前，以新能源为主的能源结构转型调整在全球各个国家和地 区能源清洁化进程中正在加速展开。欧盟能源供给不足，消