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    科學技術論文

    “碳中和”的內涵、創新與愿景

    時間:2021年08月04日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:地質作用引起的全球性氣候變化是地質歷史時期5次全球性生物大滅絕的主要誘因之一。人類工業化活動導致生態系統遭到嚴重破壞,大氣CO2溫室效應加劇,生存環境面臨威脅與挑戰。碳中和目標是人類面對氣候變化危機的主動作為和共同追求,探究碳中和學的理

      摘要:地質作用引起的全球性氣候變化是地質歷史時期5次全球性生物大滅絕的主要誘因之一。人類工業化活動導致生態系統遭到嚴重破壞,大氣CO2溫室效應加劇,生存環境面臨威脅與挑戰。碳中和目標是人類面對氣候變化危機的主動作為和共同追求,探究“碳中和學”的理論與技術內涵、科技創新體系和發展前景,具有深遠的意義。研究結論認為:①碳中和體現“能源學”與“碳中和學”的理論內涵,包含碳減排、零碳、負碳、碳交易等;②碳中和催生以CCUS(碳捕集、利用和封存)/CCS(碳捕集與封存)為核心的碳工業和以綠氫為核心的氫工業等新產業;“灰碳”和“黑碳”是CO2的兩種應用屬性,“碳+”“碳-”“碳=”是碳中和的3種產品與技術;③中國實現碳中和目標面臨三大挑戰:一是能源轉型規模大,碳中和實現周期較短;二是能源轉型過程中存在著安全不確定性、利用經濟性、顛覆性技術難預測性等問題;三是轉型后可能面臨新的關鍵技術“卡脖子”和關鍵礦產資源“斷鏈子”等風險;④基于目前的認知預判能源領域的十大顛覆性技術與產業包括煤炭地下氣化、中低熟頁巖油原位開采、CCUS/CCS、氫能與燃料電池、生物光伏發電、天基太陽能發電、光儲智能微網、超級儲能、可控核聚變、智慧能源互聯網,同時碳中和需要實施節能提效、減碳固碳、科技創新、應急儲備、政策支撐五大戰略協同工程;⑤未來我國不同能源類型定位各有側重,煤炭將發揮保障國家能源戰略“儲備”與“兜底”作用,石油將發揮保障國家能源安全“急需”與民生原料用品“基石”作用,天然氣將發揮保障國家能源“安全”與新能源最佳“伙伴”作用,新能源將發揮保障國家能源戰略“接替”與“主力”作用;⑥碳中和是綠色化工業革命、減碳化能源革命、生態化科技革命的重大實踐,將為人類社會、環境與經濟帶來新的深刻變革;⑦碳中和進程中需遵循“技術的顛覆性突破、能源的安全性保障、經濟的可行性實現、社會的穩定性可控”4項原則,重點依靠科技創新與管理變革保障國家能源“獨立自主”與碳中和目標的實現,為宜居地球、綠色發展、生態文明建設做出中國貢獻。

      關鍵詞:碳中和;碳達峰;碳減排;碳工業;氫工業;能源轉型;能源獨立;能源學;碳中和學

    石油學報

      引言氣候變化深刻影響地球環境,這是人類共同面臨的巨大挑戰。為了應對全球氣候變化,實現人類社會文明進步與地球生態系統的可持續發展,第21屆聯合國氣候變化大會通過了《巴黎氣候協定》,提出在2050年左右達到CO2“凈零排放”的目標,即碳中和。廣義上,碳中和是指人類化石能源利用、土地利用及自然界火山噴發碳排放等碳源體系與地球碳循環系統、海洋碳溶解、生物圈碳吸收等碳匯體系間形成動態平衡[1];狹義上,碳中和是指一個組織、團體或個人在一段時期內CO2的排放量,通過森林碳匯、人工轉化、地質封存等技術加以抵消,實現CO2“凈零排放”。

      碳中和是有效控制全球氣溫快速升高,推動能源利用綠色轉型,促進綠色、低碳等技術進步的重要途徑,是推動世界經濟發展和增長的新動力。實現碳中和將改善人類賴以生存的地球生態環境,減少由人類活動引起的環境問題。2019年,世界衛生組織公布:空氣污染和氣候變化排在全球十大健康威脅之首。預計2030—2050年,氣候變化將導致全球每年新增約25萬人死于營養不良、瘧疾、腹瀉和氣溫過高,每年將有700萬人過早死于癌癥、中風、心臟病和肺病等疾病[2-3]。

      碳中和將推動人類能源體系向綠色、低碳、無碳轉型,實現無碳新能源對高碳化石能源的替代,帶動新能源產業領域就業崗位增長和國民生產總值增加[1]。預計到2050年,全球能源低碳轉型領域年均投資將超過3.2萬億美元,累計投資將超過95萬億美元,提供超1億個就業崗位[4]。碳中和是全人類的共同目標與追求,以共商共議為主體的全球協作機制是實現碳中和的前提和保障。在全世界積極推動碳中和的進程中,需以科學問題為導向開展碳中和研究。碳中和既是“能源學”和“碳中和學”的重大理論問題,又是實現人類能源利用與地球生態系統可持續發展的重大實踐問題,將催生以CCUS(碳捕集、利用和封存)/CCS(碳捕集與封存)為核心的碳工業、以綠氫為核心的氫工業,推動實施節能提效、減碳固碳、科技創新、應急儲備、政策支撐五大戰略工程協同創新發展。

      1 碳中和提出的背景

      1.1 氣候變化是引起地質歷史時期生物大滅絕的誘因之一

      地球形成距今約46億年。38億~35億年前,原核生物出現,生命正式登上地球舞臺;距今約600萬年前,原始人類出現。自生物出現以來,地球上已經發生了5次大規模的生物大滅絕事件,分別發生在奧陶紀末、晚泥盆世、二疊紀末、三疊紀末和白堊紀末。

      全球氣候變化引起海平面變化,產生環境—生命互饋效應,導致大量物種滅絕[5-6]。其中,二疊紀末生物大滅絕事件的毀滅程度最大,大約96%的海洋生物、70%的陸地生物物種滅絕。人類出現以前,火山爆發、天體撞擊地球、海洋生物變化等災難性事件引起大氣中CO2濃度發生突變,產生大氣溫室效應,發生全球性海平面變化、生物大滅絕等連鎖效應。生物滅絕也為形成化石能源奠定基礎。

      1.2 大氣CO2溫室效應引起全球氣候變化加劇

      人類進入工業化時代后,全球大氣中CO2平均濃度達到了近百萬年以來的最高水平,氣溫不斷升高,地球生態系統和人類社會發展受到嚴重威脅據統計,過去80萬年至工業化前(1750年前),全球大氣中CO2濃度低于280×10-6。

      2015年CO2濃度突破400×10-6,2019年CO2濃度繼續快速增長,僅4年時間突破了410×10-6。過去70年,大氣中CO2濃度的增長率是末次冰期結束時的100倍左右,1960年末期大氣中CO2濃度年均增速為0.7×10-6,2005—2019年間CO2濃度年均增速達到2×10-6,全球平均溫度也比工業化前升高約1.1℃[7-9]。未來,人類將面臨全球氣溫上升、極端天氣事件增加、海平面上升和海洋、陸地生態系統被破壞等一系列日益嚴重的氣候變化及其連鎖反應。到本世紀末,如果全球氣溫升高達到2℃,海平面高度將上升36~87cm,99%的珊瑚礁將消失,約13%的陸地生態系統將被破壞,許多植物和動物可能瀕臨滅絕[9]。

      1.3 碳中和是全球應對氣候變化的戰略舉措

      目前,氣候異常“突變”、地球不斷“發燒”,是全人類必須共同面對的系統問題,共商共議是實現碳中和目標的必然要求。世界各國應積極采取措施,減少CO2排放量,共同應對氣候變化問題。1997年12月,在日本京都召開的聯合國氣候變化框架公約大會通過了《京都議定書》,并于2005年2月16日正式生效,旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球氣候變暖;該協議書規定到2010年,所有發達國家的溫室氣體排放量要比1990年減少5.2%。

      2015年12月,第21屆聯合國氣候變化大會通過《巴黎氣候協定》,并于2016年11月4日起正式實施,目標是較之于工業化前,全球氣溫升高幅度控制在2℃以內,力爭將升高幅度控制在1.5℃以內。因此,全球在2050年左右需要實現碳中和。這次氣候變化大會邀請聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估全球升溫1.5℃的影響及溫室氣體的排放途徑。2018年10月8日,IPCC發布了《IPCC全球升溫1.5℃特別報告》,明確了全球升溫1.5℃的潛在影響及可能的減排路徑,并提出了在可持續發展和努力消除貧困的前提下加強全球響應的建議。

      2 碳中和面臨的挑戰

      碳中和已成為全球應對氣候變化的共識性目標,但實現碳中和還面臨以下5個方面的挑戰:①全球CO2排放總量大,大氣中的平均CO2濃度仍在持續增加;②印度、俄羅斯等世界大國尚未承諾實現碳中和的時間;③全球能源消費結構仍以化石能源為主,呈現煤、石油、天然氣、新能源“四分天下”格局,新能源占比偏低,能源轉型面臨挑戰;④全球太陽能、風能等新能源資源存在間歇性、空間分布差異性,給新能源規;l展帶來了挑戰;⑤氫能、CCUS、儲能等技術應用成本較高,尚未實現規模性商業化推廣與應用[10]。我國能源消費和CO2排放大致經歷了緩慢發展(緩坡區)、快速發展(陡坡區)和平穩發展(平臺區)3個階段。

      1980—2001年,我國能源消費處于緩坡區,能源消費量年均新增0.43×108t標煤,CO2排放量年均新增0.93×108t,年增CO2排放量與年增能源消費量比值為2.2;2002—2013年,我國能源消費處于陡坡區,能源消費量年均新增2.06×108t標煤,CO2排放量年均新增4.50×108t,年增CO2排放量與年增能源消費量比值為2.2;2014—2020年,我國能源消費處于平臺區,能源消費量年均新增1.12×108t標煤,CO2排放量年均新增0.81×108t,年增CO2排放量與年增能源消費量比值為0.7。

      目前我國能源生產與消費結構中,主體偏煤炭、油氣偏輕、新能源偏少,中國實現碳中和需要將現階段以煤炭為主的“一大三小”能源消費結構,轉型為以新能源為主的“三小一大”結構,但在實施過程中將面臨以下三大挑戰:①能源轉型規模大,碳中和實現周期較短(僅有40年左右時間),能否按期實現能源結構轉型存在很大困難;②能源轉型過程存在著能源供應安全的不確定性、能源利用的經濟性、能源顛覆性技術的難預測性等問題;③能源轉型后,以新能源為主的“三小一大”能源結構,可能面臨新的關鍵技術“卡脖子”和關鍵礦產資源“斷鏈子”等難題。

      3 碳中和學的內涵

      3.1 碳中和學的理論內涵

      “碳中和學”是指以人類活動引起的碳排放與地球碳循環系統之間的動態平衡為目標,以無碳新能源有序替代化石能源為途徑,以經濟產業政策、能源技術等為內容,研究人類活動足跡對自然環境影響最小化的一門學科,是能源科學與社會科學的交叉學科。“碳中和學”涉及能源科學,以地球、能源、人類三者相互影響與協同演化為核心的能源學研究思路,立足于地球系統演化,從時間尺度、空間尺度研究能源的形成分布、評價選區、開發利用、有序替代、發展前景等[5]。“碳中和學”包含能源學三大核心內容:①地球系統背景下能源的形成和能源消耗對地球氣候與環境的反饋,體現了地球與能源間的相互關系;②地球環境孕育人類演進和人類行為改造地球環境,體現了地球與人類間的相互關系;③人類利用技術開發能源和能源驅動人類社會進步,體現了人類與能源間的相互關系[5]。

      4 碳中和核心技術體系

      4.1 碳工業體系

      碳中和的核心是降低甚至消除CO2排放量。CCUS/CCS可以發揮重要作用,以CCUS/CCS為核心的碳工業將成為碳中和目標下的新興產業。CO2具有實現生態系統有機物轉換和產生溫室效應的雙重屬性,可以分為可供人類利用或固定的“灰碳”和 不可利用或固定的“黑碳”[10]。在地球碳循環系統中CO2主要來源于能源消費、農林用地、土地利用、垃圾排放等。利用生態系統碳匯、CO2生產化工產品、CO2人工綠色轉化、CO2地質驅油等技術,可以增加“灰碳”的利用率,有效減少大氣中CO2的濃度。

      在碳中和目標下,以CCUS/CCS為核心的碳工業技術體系涵蓋碳捕集、碳運輸、碳驅油、碳封存、碳產品、碳金融等業務,是徹底消除“黑碳”的革命性技術。因此,以CCUS/CCS為基礎的低成本、高能效的碳工業將是世界各國實現碳中和目標的關鍵產業和新興產業之一。未來它將利用地下具有巨量儲集空間的枯竭性油田、氣田、水田等為碳中和做出大貢獻。此外,建立和完善碳稅制度、碳交易制度、復合碳排放權交易體系、財政補貼等碳經濟與政策杠桿,有效控制CO2排放量。

      5 實現碳中和的原則、意義及前景

      5.1 實現碳中和過程中遵循的原則

      實現碳中和過程中需要遵循“技術的顛覆性突破、經濟的可行性實現、能源的安全性保障、社會的穩定性可控”4項原則。實現碳中和目標,需要依靠節能提效降低能源需求量,還要有顛覆性技術的突破與支撐,加快能源生產與消費結構革命性轉型。依靠科技與管理創新,降低能源生產和消費成本,實現新能源與相關產業經濟性利用。

      保障能源安全,是國家發展中的重要底線。同時還要確保在能源消費以煤炭、油氣等為主的城市或地區,實現轉型升級中人員社會的穩定。碳中和要重新定位不同能源的功能,煤炭、石油將作為國家中長遠應急保供與極端條件下的戰略儲備資源,保障國家能源安全可控與社會穩定發展;天然氣是化石能源向清潔低碳能源轉型過程中的“最佳伙伴”和支撐可再生能源大規模開發利用的“穩定器”,需進一步強化天然氣應急保障能力建設。

      未來,化石能源將成為國家能源安全的“兜底”儲備資源保障,CCUS/CCS將成為國家實現碳中和的“兜底”技術保障,需加快構建資源、技術“兩個兜底”的戰略儲備。以經濟可行為導向,依靠技術創新推動碳中和目標的實現,技術的經濟可行性是衡量碳中和技術的前提。在實現碳中和目標的過程中,需要統籌考慮傳統化石能源工業、企業、城市轉型問題,堅持社會穩定性可控,確保轉型平穩過渡。

      5.2 碳中和是全球綠色低碳可持續發展的重大實踐

      碳中和是全人類的一場綠色化工業革命、減碳化能源革命、生態化科技革命,將給人類社會與經濟發展帶來新的深刻變革,是實現人類能源利用與地球生態系統可持續發展的重大實踐。

      6 結束語

      全球CO2過度排放,導致地球平均氣溫不斷升高,人類賴以生存的地球環境面臨前所未有的考驗。為了應對全球氣候變化,全球提出了2050年實現碳中和的發展目標。碳中和是全人類實現可持續發展的共同目標,世界各國需團結合作,共同應對挑戰。中國實現碳中和目標面臨三大挑戰:①能源轉型規模大、碳中和實現周期較短;②能源轉型過程中存在著能源供應安全的不確定性、能源利用的經濟性、顛覆性技術突破的難預測性等問題;③能源轉型后可能面臨新的關鍵技術“卡脖子”和關鍵礦產資源“斷鏈子”等風險。碳中和既是“能源學”與“碳中和學”的重大理論問題,又是碳減排、零碳、負碳、碳交易等技術問題。

      碳中和將催生以CCUS/CCS為核心的碳工業技術體系,涵蓋碳捕集、碳運輸、碳驅油、碳封存、碳產品、碳金融等業務;并產生以綠氫為核心的氫工業技術系列,涵蓋氫制備、氫儲存、氫運輸、氫加注、氫利用、氫檢測及氫安全等業務,涉及氫交通、氫儲能、氫化工、氫冶金等領域。“灰碳”和“黑碳”是CO2的兩種應用屬性,“碳+”“碳-”“碳=”是碳中和的3種產品與技術。

      煤炭地下氣化、中低熟頁巖油原位開采、CCUS/CCS、氫能與燃料電池、生物光伏發電、天基太陽能發電、光儲智能微網、超級儲能、可控核聚變、智慧能源互聯網十大顛覆性技術與產業領域,將推動能源生產與消費結構革命性轉型,保障實現碳中和目標與國家能源安全可控。中國實現碳中和目標,需遵循“技術的顛覆性突破、能源的安全性保障、經濟的可行性實現、社會的穩定性可控”4項原則,實施節能提效、減碳固碳、科技創新、應急儲備、政策支撐五大戰略工程協同創新發展。

      碳中和目標下,未來煤炭將發揮保障國家能源戰略“儲備”與“兜底”作用,石油將回歸“原料屬性”,發揮保障國家能源安全“急需”與民生原料用品“基石”作用;天然氣將成為能源安全的穩定器,發揮保障國家能源“安全”與新能源最佳“伙伴”作用;新能源成為能源供給和消費的主體,將發揮保障國家能源戰略“接替”與“主力”作用。碳中和與綠色低碳發展尊重自然、順應自然、呵護自然,實現人類與自然和諧共生,是生態文明建設重要組成部分與共識性愿景。

      碳中和又是綠色化工業革命、減碳化能源革命、生態化科技革命的重大實踐,將為人類社會、環境與經濟帶來新的深刻變革,大幅度提升人類的幸福指數。碳中和加快我國能源生產與消費結構革命性轉型,推動實現“能源獨立”戰略,提升生態文明建設的內涵和質量,保障“美麗中國”的目標早日實現。由于我國人口多,能源消費量大,當前以煤炭為主的“一大三小”能源生產與消費結構特點,決定我國需要通過高效協同,依靠顛覆性技術突破與變革性管理創新,完成以新能源為主的“三小一大”能源生產與消費結構轉型,如期實現能源“獨立自主”與碳中和兩大目標,為宜居地球、綠色發展、生態文明建設做出中國貢獻。本文觀點與數據,是基于目前初步認識和引用,或有不妥和不完善之處。隨著世界科技與管理創新、全球政治與經濟格局等變化,相關認識也勢必不斷完善和發展。

      參考文獻:

      [1]鄒才能,何東博,賈成業,等.世界能源轉型內涵、路徑及其對碳中和的意義[J].石油學報,2021,42(2):233-247.ZOUCaineng,HEDongbo,JIAChengye,etal.Connotationandpathwayofworldenergytransitionanditssignificanceforcarbonneutral[J].ActaPetroleiSinica,2021,42(2):233-247.

      [2]HELLIWELLJF,LAYARDR,SACHSJD,etal.Worldhappinessreport2020[R].NewYork:SustainableDevelopmentSolutionsNetwork,2020.

      [3]PanAmericanHealthOrganization,WorldHealthOrganization.Tenthreatstoglobalhealthin2019[EB/OL].(2019-01-17)[2021-05-09]. https://www.paho.org/en/news/17-1-2019-ten-threatsglobal-health-2019.

      [4]IRENA.Renewableenergyandjobs–annualreview2020[R].AbuDhabi:InternationalRenewableEnergyAgency,2020.

      作者:鄒才能1 薛華慶1 熊波1 張國生1 潘松圻1 賈成業1王影1 馬鋒1 孫倩2 關春曉1 林敏捷

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