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能源是自然界中能為人類生存及社會(huì)進(jìn)步提供的能力資源。人類自第1次拿起火種之后，能源與水、糧食就構(gòu)成了人類賴以生存的3大要素。科技進(jìn)步、社會(huì)文明兩大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)了能源發(fā)展。世界能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生兩次轉(zhuǎn)換，第1次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了薪柴向煤炭的能源革命，第2次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了煤炭向石油、天然氣的能源革命，當(dāng)前正在經(jīng)歷傳統(tǒng)化石能源向新能源的第3次重大轉(zhuǎn)換。
按照能源發(fā)展規(guī)律，能源形態(tài)從固體（薪柴與煤炭）、液態(tài)（石油）向氣態(tài)（天然氣）轉(zhuǎn)換、能源中碳的數(shù)量從高碳（薪柴與煤炭）、中低碳（石油與天然氣）向無(wú)碳（新能源）轉(zhuǎn)換，未來(lái)沿著資源類型減碳化、生產(chǎn)技術(shù)密集化、利用方式多樣化3大趨勢(shì)發(fā)展。目前，世界能源正在進(jìn)行化石能源低碳化革命、新能源規(guī)?；锩⒛茉垂芾碇悄芑锩?，3場(chǎng)能源革命正在同步進(jìn)行，加快形成“新煤炭”、“新油氣”、“新電網(wǎng)”。
人類生活在同一個(gè)地球、同一個(gè)天空，但呼吸著不同二氧化碳含量的“空氣”。人類進(jìn)入工業(yè)化以來(lái)，二氧化碳排放量不斷增加，導(dǎo)致全球氣溫升高、冰川融化、海平面上升等諸多環(huán)境問(wèn)題，人類賴以生存的環(huán)境面臨著前所未有的威脅與挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)自1850年以來(lái)，大氣中二氧化碳的濃度從280X10-6上升至450X10-6，全球氣溫上升了0.9～1.2℃，海平面上升了20cm。
特別是近30年來(lái)，全球氣溫、海平面上升速度加快，氣溫升高速度達(dá)到每10年上升0.2℃，海平面上升速度達(dá)到0.32cm/a。到本世紀(jì)末，如果全球氣候升溫達(dá)到2℃，海平面升高將達(dá)到36～87cm，99%的珊瑚礁將消失，陸地上約13%的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞，許多植物和動(dòng)物面臨著滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，減少二氧化碳等溫室氣體排放，限制全球氣溫上升已經(jīng)成為全人類共同的目標(biāo)。2018年10月，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IntergovernmentalPanelonClimateChange，簡(jiǎn)稱IPCC）提出了“碳中和”的目標(biāo)，到本世紀(jì)末將全球氣溫升高控制在1.5℃。
人類活動(dòng)導(dǎo)致的二氧化碳排放主要來(lái)源于化石燃料消費(fèi)。發(fā)展新能源，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，降低化石能源消費(fèi)，構(gòu)建綠色低碳的能源體系，是降低二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)全球碳中和的重要舉措之一。本文總結(jié)主要國(guó)家應(yīng)對(duì)碳中和的主要經(jīng)驗(yàn)和做法，分析全球二氧化碳排放的分布情況，提出全球?qū)崿F(xiàn)碳中和所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)措施。新能源已是第3次能源轉(zhuǎn)換的主角，將在實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)揮主導(dǎo)作用。針對(duì)中國(guó)碳中和面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，提出中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的路線圖與實(shí)施路徑，為2060年順利實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供參考依據(jù)。
1全球碳中和概況
1.1“碳”的類型
碳是生命物質(zhì)中的主要元素之一，是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，并以二氧化碳、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的形式貯存于地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中。碳元素通過(guò)碳固定和碳釋放的方式，在地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中進(jìn)行循環(huán)。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大氣中的二氧化碳、干旱區(qū)鹽堿土吸收二氧化碳、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料等。碳釋放主要來(lái)自于植物和動(dòng)物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。本文將大氣圈中被固定或可利用的二氧化碳定義為“灰碳”；將無(wú)法被固定或利用，并留存在大氣圈中的二氧化碳定義為“黑碳”。
人類進(jìn)入工業(yè)化以來(lái)，化石燃料消耗急劇增加，巖石圈中化石能源的碳被釋放到大氣圈中，導(dǎo)致大氣圈中二氧化碳的濃度不斷增加，地球的碳循環(huán)平衡被破壞，造成了大氣圈中“黑碳”含量不斷增加。因此，碳中和主要目的是減少大氣圈中“黑碳”含量，逐步恢復(fù)綠色地球碳循環(huán)平衡，保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，建設(shè)宜居地球。
1.2碳中和的內(nèi)涵及意義
IPCC發(fā)布的《全球升溫1.5℃特別報(bào)告》指出，碳中和（Carbon-neutral）是指1個(gè)組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過(guò)二氧化碳消除技術(shù)達(dá)到平衡，或稱為凈零二氧化碳排放（netzeroCO2emissions）。碳中和目標(biāo)是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年下降約45%，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零二氧化碳排放。
碳中和的首要任務(wù)是到本世紀(jì)末將全球氣候變暖控制在1.5℃。碳中和不僅控制氣候變化，也是人類保護(hù)生態(tài)環(huán)境的根本措施，有助于保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)，避免更多的物種滅絕。碳中和加速了能源系統(tǒng)的低碳綠色轉(zhuǎn)型，為全球帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布的《能源轉(zhuǎn)型2050》報(bào)告顯示，碳中和為全球帶來(lái)2.4%的GDP額外增長(zhǎng)，額外增加7106個(gè)能源行業(yè)就業(yè)崗位等。
1.3碳中和的進(jìn)展與做法
截至2021年1月，根據(jù)英國(guó)能源與氣候智庫(kù)（Energy&Climate Intelligence Unit）統(tǒng)計(jì)顯示，全球已有28個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)或承諾碳中和目標(biāo)。其中，蘇里南共和國(guó)和不丹已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和，瑞典、英國(guó)、法國(guó)等6個(gè)國(guó)家通過(guò)立法承諾碳中和，歐盟、加拿大、韓國(guó)等6個(gè)國(guó)家及地區(qū)正在制定相關(guān)法律，中國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)等14個(gè)國(guó)家承諾實(shí)現(xiàn)碳中和。2050年是全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，除2個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和的國(guó)家外，芬蘭承諾最早（2035年）實(shí)現(xiàn)碳中和。另有99個(gè)國(guó)家正在討論碳中和目標(biāo)，其中烏拉圭擬將目標(biāo)定于2030年，其余國(guó)家均將目標(biāo)擬定于2050年。
已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和的2個(gè)國(guó)家具有國(guó)土面積小、森林覆蓋率極高等特點(diǎn)，其中蘇里南共和國(guó)的森林覆蓋率達(dá)80%，不丹的森林覆蓋率為72%。碳中和進(jìn)程中，歐盟最為積極，欲建設(shè)首個(gè)碳中和大陸。2019年12月，歐盟委員會(huì)正式發(fā)布《歐洲綠色協(xié)議》，提出到2030年溫室氣體排放量在1990年基礎(chǔ)上減少50%～55%，到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。2020年12月，日本政府推出《綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》，被視為日本2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的進(jìn)度表。從目前已經(jīng)承諾碳中和的國(guó)家來(lái)看，除了歐盟和日本發(fā)布了碳中和具體的路線圖外，其余國(guó)家的碳中和路線尚在進(jìn)一步制定中。
本文分析總結(jié)主要國(guó)家和地區(qū)碳中和的做法有如下幾點(diǎn)：
①逐步退出煤發(fā)電計(jì)劃。除德國(guó)外，已承諾碳中和的歐盟國(guó)家煤炭資源較少，國(guó)土面積較小，已經(jīng)全部退出煤發(fā)電。德國(guó)宣布將于2040年前全部退出煤發(fā)電。煤炭資源豐富或者煤發(fā)電消費(fèi)占比較高的國(guó)家（如澳大利亞等），尚未確定退出煤發(fā)電計(jì)劃。
②加快太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等新能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與推廣。光伏發(fā)電將成為歐盟、日本的第一大電力來(lái)源，海上風(fēng)電迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2050年，歐盟、日本海上風(fēng)電將增長(zhǎng)25倍以上。氫能方面，歐盟注重綠氫制備，日本全面發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)鏈，韓國(guó)已就氫能立法，將氫能應(yīng)用拓展至交通運(yùn)輸、冶金、發(fā)電等領(lǐng)域。
③發(fā)展碳封存與碳轉(zhuǎn)化技術(shù)。德國(guó)將重啟二氧化碳捕集及封存項(xiàng)目，同時(shí)利用豐富的天然氣管網(wǎng)設(shè)施，大力發(fā)展電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)輸。日本發(fā)展碳回收和資源化利用技術(shù)，到2030年實(shí)現(xiàn)二氧化碳回收制燃料的價(jià)格與傳統(tǒng)噴氣燃料相當(dāng)，到2050年二氧化碳制塑料實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的塑料制品價(jià)格相當(dāng)。
④出臺(tái)碳定價(jià)機(jī)制，增加碳排放成本。2005年，歐盟開始實(shí)施排放交易體系（EUETS），是世界上第1個(gè)多國(guó)參與的碳排放交易體系。該交易體系采用“總量管制和交易”規(guī)則，在限制溫室氣體排放總量的基礎(chǔ)上，通過(guò)買賣行政許可的方式進(jìn)行碳排放交易。該體系還通過(guò)限量和設(shè)定交易計(jì)劃，對(duì)各成員國(guó)設(shè)置限額，將減排目標(biāo)分解到企業(yè)，明確減排上限強(qiáng)制減排。
2碳中和面臨的主要挑戰(zhàn)與對(duì)策
2.1全球碳排放現(xiàn)狀
據(jù)國(guó)際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2019年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量與2018年持平（為333億t），前5名碳排放量國(guó)家分別為中國(guó)、美國(guó)、印度、俄羅斯、日本，碳排放量分別為98億，48億，23億，15億，11億t。亞洲的碳排放主要來(lái)自中國(guó)、印度和日本，美洲的碳排放主要來(lái)自美國(guó)、加拿大和巴西，歐洲的碳排放主要來(lái)自俄羅斯、德國(guó)和英國(guó)，非洲的碳排放主要來(lái)自南非、埃及和阿爾及利亞，大洋洲的碳排放主要來(lái)自澳大利亞。
化石燃料消費(fèi)是二氧化碳排放增加的主要來(lái)源。2003年以來(lái)，煤炭消費(fèi)一直是二氧化碳排放的第1大來(lái)源。2019年煤炭、石油、天然氣消費(fèi)所排放的二氧化碳量分別占總排量的45%、43%、22%。電力行業(yè)是最大的碳排放行業(yè)，占總排量的38%，其次為交通、工業(yè)和建筑等行業(yè)，分別占總排量的24%、23%和9%。
2.2碳中和面臨的主要問(wèn)題
碳中和應(yīng)對(duì)全球氣候變化已成為全球共識(shí)，但在實(shí)施過(guò)程中還面臨政治、資源、技術(shù)、市場(chǎng)、能源結(jié)構(gòu)等多方面挑戰(zhàn)。
2.2.1政治層面
實(shí)現(xiàn)碳中和是全球性目標(biāo)，需要世界各國(guó)合作應(yīng)對(duì)，聯(lián)合國(guó)常任理事國(guó)應(yīng)率先在碳中和目標(biāo)上做出表率，但是美國(guó)和俄羅斯兩個(gè)常任理事國(guó)尚未承諾實(shí)現(xiàn)碳中和。全球碳排放前5名國(guó)家中的印度還沒(méi)有承諾實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)間。安哥拉、伊朗、伊拉克、南蘇丹、土耳其、也門等國(guó)最初簽署了《巴黎氣候協(xié)定》，但還沒(méi)有正式立法批準(zhǔn)。另有99個(gè)國(guó)家正在討論碳中和目標(biāo)，能否通過(guò)碳中和目標(biāo)尚未定論。
2.2.2資源層面
新能源替代化石燃料是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本措施。全球太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源分布存在時(shí)空差異性，為新能源規(guī)模發(fā)展帶來(lái)挑戰(zhàn)。全球太陽(yáng)能資源主要集中在赤道附近南北回歸線之間，以非洲北部撒哈拉地區(qū)最為豐富，非洲大陸東側(cè)及南部、澳大利亞和中國(guó)西北地區(qū)也是太陽(yáng)能資源豐富區(qū)。風(fēng)能資源主要分布在東亞、東南亞、中亞、美洲30°S—30°N地區(qū)，以及中國(guó)北部和東部、蒙古、澳大利亞?wèn)|北部、非洲撒哈拉沙漠以南等地區(qū)。全球陸地太陽(yáng)能和風(fēng)能資源存在明顯的地區(qū)性與季節(jié)性差異。
2.2.3技術(shù)層面
新能源技術(shù)成熟度決定了碳中和進(jìn)程的快慢。太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電總體價(jià)格仍較煤發(fā)電高，峰谷穩(wěn)定性差，調(diào)峰技術(shù)有待進(jìn)一步創(chuàng)新。重工業(yè)和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)電氣化，氫燃料電池是最優(yōu)選擇，但部分關(guān)鍵技術(shù)仍處于示范或原型階段，尚未大規(guī)模推廣和工業(yè)化應(yīng)用。與傳統(tǒng)化石能源制氫（即“灰氫”）相比，可再生能源制氫（即“綠氫”）的成本較高，配套的二氧化碳捕集與封存技術(shù)尚處于示范階段。雖然低碳技術(shù)轉(zhuǎn)移具有顯著的減排和升溫控制效果，但發(fā)達(dá)國(guó)家承諾對(duì)發(fā)展中國(guó)家提供資金和低碳技術(shù)援助尚未兌現(xiàn)。
2.2.4市場(chǎng)層面
碳中和進(jìn)程中，新能源的推廣與應(yīng)用取決于成本優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用便利程度。目前，新能源成本逐年下降，但相對(duì)于化石能源仍缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。特別是2020年全球原油價(jià)格暴跌，化石能源的成本優(yōu)勢(shì)對(duì)新能源轉(zhuǎn)型產(chǎn)生不利影響。新能源配套設(shè)備不完善，應(yīng)用不便利，如充電樁尚未普及、加氫站數(shù)量少等問(wèn)題推高了新能源汽車的使用成本。
2.2.5能源結(jié)構(gòu)層面
全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍然以化石能源為主，新能源占比偏低。2019年全球能源消費(fèi)144億t油當(dāng)量，其中煤炭占27%、石油占33%、天然氣占24%、新能源占16%。碳中和進(jìn)程中，要大幅度降低煤炭、石油等高碳化石能源消費(fèi)占比，提高新能源占比。目前，化石能源消費(fèi)占比仍然偏高，為能源轉(zhuǎn)型帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
2.3實(shí)現(xiàn)碳中和的對(duì)策
減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和的對(duì)策可以分為碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán)4種主要途徑。碳替代主要包括用電替代、用熱替代和用氫替代等。用電替代是利用水電、光電、風(fēng)電等“綠電”替代火電，用熱替代是指利用光熱、地?zé)岬忍娲剂瞎幔脷涮娲侵赣谩熬G氫”替代“灰氫”。
碳減排主要包括節(jié)約能源和提高能效。在建筑行業(yè)主要以提高電器和設(shè)備能效、房屋外加太陽(yáng)能光伏等為主，開發(fā)新型的水泥和鋼材等材料、減少水泥和鋼材的隱含碳排放量等；在交通行業(yè)主要以使用更高效的動(dòng)力系統(tǒng)和更輕的材料等為主。從源頭減少“黑碳”的排放量。
碳封存是指將大型火力發(fā)電、煉鋼廠、化工廠等產(chǎn)生的二氧化碳收集后，運(yùn)輸至合適場(chǎng)所，利用技術(shù)手段長(zhǎng)時(shí)間與大氣隔離封存。地質(zhì)封存是碳封存的主要形式，封存場(chǎng)所主要為油氣藏、地下深部咸水層和廢棄煤礦等。未來(lái)油田、氣田采完后，應(yīng)用已有地面。
與地下設(shè)施，進(jìn)行二氧化碳庫(kù)封存，可能是主要舉措。通過(guò)技術(shù)減少大氣圈中的“黑碳”數(shù)量。碳循環(huán)包括人工碳轉(zhuǎn)化和森林碳匯。人工碳轉(zhuǎn)化是指利用化學(xué)或生物手段將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品或燃料，包括二氧化碳合成甲醇、二氧化碳電催化還原制備CO或輕烴產(chǎn)品（C1—C3）等。
森林碳匯是指植物通過(guò)光合作用將大氣中的二氧化碳吸收并固定在植被與土壤中，減少大氣中二氧化碳濃度。發(fā)揮“灰碳”可再利用的作用。
針對(duì)碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán)4種主要碳中和對(duì)策，依據(jù)技術(shù)成熟度或與常規(guī)化石能源價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)性，預(yù)測(cè)2020—2050年全球碳中和目標(biāo)下二氧化碳減排趨勢(shì)。2020—2030年，二氧化碳減排速度相對(duì)較慢，主要原因是新能源的價(jià)格優(yōu)勢(shì)尚未顯現(xiàn)，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，且碳封存技術(shù)尚未成熟。
2030—2050年，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，新能源成本可與化石能源競(jìng)爭(zhēng)，新能源項(xiàng)目快速推廣落地，二氧化碳排放大幅度下降。碳封存技術(shù)達(dá)到推廣應(yīng)用要求，為碳中和做出主要貢獻(xiàn)?？傮w看，碳替代將成為碳中和進(jìn)程中的中堅(jiān)力量，預(yù)測(cè)到2050年，貢獻(xiàn)率占全球碳中和的47%，碳減排、碳封存和碳循環(huán)貢獻(xiàn)率分別占21%、15%和17%。
3新能源在碳中和進(jìn)程中的重要地位
新能源是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用，接替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的非化石無(wú)碳、可再生清潔能源，主要類型有太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、核能、新材料?chǔ)能等。與煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)含碳化石能源相比，在理論技術(shù)、利用成本、環(huán)境影響、管理方式等方面有顯著不同。隨著新能源技術(shù)快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、新材料等技術(shù)不斷進(jìn)步，新能源產(chǎn)業(yè)處于突破期，逐漸進(jìn)入黃金發(fā)展期。發(fā)展新能源，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。新能源開發(fā)利用步伐加快，已成為全球能源增長(zhǎng)新動(dòng)力，并將逐步替代化石能源，在碳中和進(jìn)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
3.1新能源是第3次能源轉(zhuǎn)換的主角
從世界能源發(fā)展歷程看，人類能源利用史經(jīng)歷了從薪柴到煤炭、從煤炭到油氣的兩次轉(zhuǎn)型，正在經(jīng)歷從化石能源到新能源的第3次轉(zhuǎn)型。新能源具有清潔、低碳的特點(diǎn)，符合碳中和發(fā)展需求，將在第3次能源轉(zhuǎn)換中成為主角。
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