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    丁仲禮院士 | 我國碳中和框架路線圖研究匯編

    發布時間:2022-02-17  來源:理想能源網

    導言

    丁仲禮是中科院學部的“碳中和路線圖”項目牽頭人之一,本文整理匯總了丁院士關于我國碳中和框架路線圖的研究內容。

    (一)丁仲禮:中國碳中和框架路線圖研究

    碳中和是什么?如何實現?

    “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,對待氣候變化問題的態度一直搖擺不定,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”。現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”。世界上還有許多農業國家尚未啟動工業化,所以還沒有”啟動“碳排放。

    現在我們有兩個目標,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,一種是把峰調高,以后的減排數據會好看一點;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,這個結論大家一定要記住。我國現在的碳排放總量比較高,這和我國經濟發展比較快有關。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。

    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。這個數據可能不是特別準,但一百年以來碳循環基本上就是這么一個規律。

    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常說,黃土里面有料姜石,這就是碳酸鈣的結核,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,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,比如海洋吸收的碳就不能歸結為哪個國家的功勞。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、生態碳匯、工程封存等等抵消。

    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

    這個專題要解決的一個核心問題是,在不同時間節點(面向2060),我國居民生活、工業、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展階段相當,產業結構從目前的中低端發展到中高端。

    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,尤其是電力供應系統,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,如何從各種發電、儲能、轉化、輸電、消納等等環節協調發力,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,如何保證穩定輸出,需要一套什么樣的基礎設施來保證穩定輸出,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的能源供應系統,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實。我國現在大約排放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,甚至在內陸地區建廠,把核能充分利用起來。尤其是西部干旱地區的風、光資源,是我們實現碳中和最大的底氣,我們要考慮如何來穩定輸出。

    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、總量有多少。

    我們現在講碳中和,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、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。現在初步認為: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,目前已經在大力發展電動汽車,以后可能用氫能驅動船和飛機等,這個替代可能只是個時間問題;農業領域大部分也可以替代;比較難替代是工業領域,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、光電等輸出不穩定性的問題。未來我們的電力系統如何保證穩定輸出將是需要考慮解決的關鍵問題。美國提出來2035年就要實現無碳電力,中國什么時候實現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,發電端占比約47%,消費端如工業過程、居民生活等等占了53%,要實現碳中和就需要在發電端用更多的非碳能源來發電、在消費端用電和氫能等來替代,構建一個兩端共同發力的系統。

    專題四:非碳能源技術研發迭代需求

    非碳能源技術發展是個迭代的過程,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。

    專題五:陸地生態系統固碳現狀測算

    第五個專題是關于我國陸地生態系統的固碳現狀,就是說我國生態系統現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。

    中科院已經做過一些關于碳收支項目的研究。現在認為,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,數據差別比較大。

    圖6 當前我國陸地生態系統固碳速率

    我國建設的生態工程固碳總量是非常大的,約占我國陸地生態系統年固碳總量的56%,這是一個令人鼓舞的現象。

    專題六:陸地生態系統未來固碳潛力分析

    計算我國陸地生態系統未來固碳的潛力,主要有以下核心問題:

    一是陸地和近海不同生態系統的固碳潛力如何,以及未來在氣候變化影響下,它們會如何變化;二是我國生態恢復、建設工程這些面狀分布區未來的固碳潛力如何;三是新增點狀分布區的固碳潛力如何,比如城市造林綠化等;四是其他一些人為措施,比如南水北調西線工程上馬后西部干旱區變綠、海水淡化等實現之后,在其影響下新增的固碳潛力如何;還有未來陸地生態系統增加碳匯的措施,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、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 全球實現碳中和的主要技術

    這里的核心問題是,這些技術還需要進一步研究,現在還沒有必要馬上就大規模工程封存,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,那樣不產生經濟效益,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。青藏高原在我國境內的面積有250萬平方公里,我國正在建設青藏高原生態屏障,同時我國可能也要開發一些河流的水電,如果能把青藏高原建成一個率先達標示范區,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,所以我們現在要對它進行專題研究。

    另外還要考慮,以后一個地區或一個行業的碳中和程度如何評價,這要從生產端、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?根據目前觀測比例,自然過程可以吸收13億噸,如果生態系統吸收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”過程既是挑戰又是機遇,其過程將會是經濟社會的大轉型,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,即誰在技術上走在前面,誰將在未來國際競爭中取得優勢。國家需要積極研究與謀劃,謀定而動,系統布局,組織力量,特殊支持,力爭以技術上的先進性獲得產業上的主導權,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:完成這個大轉型,需要在能源結構、能源消費、人為固碳“三端發力”,所需之資金將會是天文數字,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,穩步推進。政府的財政資金應主要投入在技術研發、產業示范上,力爭加快我國技術和產業的迭代進步速度。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型,如何在未來國家創新體系中形成布局完善、責任明確的技術研發體系等重大問題,有實質性的指導意義。項目組也認為,我國學術界應該秉持開放的態度,廣泛參與,發揮出想象力和創造力;國家有關部門在確定路線圖的問題上可考慮先經歷一段“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,這個大轉型過程中,整個行業的協調共進非常重要。“減碳、固碳”“電力替代”“氫能替代”均需要增加企業的額外成本,如果某一行業不同企業間不能協調共進,勢必會使“不作為企業”節約了成本,從而出現“劣幣驅逐良幣”現象。由此,分行業設計“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、區域、行業、企業甚至家庭的“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的監測、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?“共同又有區別的責任”未來怎么來體現?西方國家一直在說“資金與技術援助”,但是一直沒做,他們如何兌現?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聲。另外,針對外國對我國綠色產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?以前國際上經常說450ppm二氧化碳當量濃度,現在已經達到了這個濃度,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。

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