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陈曦
财新ESG30人/碳中和首席科学家
霖和气候科技（北京）有限公司首席科学家
哥伦比亚大学地球工程中心主任、终身教授

 

本文首发于  《财新》观点

 
导语：推进碳达峰、碳中和，一定需要从全产业链角度、全生命周期角度，以及对全社会负责、对经济发展负责的角度来全盘考虑，必须要兼顾气候、能源、经济、资源、环境和可持续发展。

 

什么是碳中和？

碳达峰碳中和的核心词是“碳”，准确地说，是指排放到大气中的二氧化碳。如果碳排放是件“坏事”，2030年碳达峰之前干“坏事”的步伐要放缓；2060年干“坏事”和干“好事”一样多。但是，无论是碳达峰还是碳中和的过程中，大气中的二氧化碳含量还是在不断增加的，只是增速在不断变缓。
全球各个国家和行业制定的碳中和目标也不一样，相当多的国家并未真正付诸实施碳中和计划，而大气中二氧化碳是含量均匀的，是人类命运共同体一起无差别承受的，因此整个地球达到“碳中和”的时间在很大程度上会受到最后实现碳中和的大国的影响（如印度目前承诺的是2070年碳中和）。全球所有国家实现碳中和之日，大气中二氧化碳含量会达到最高峰——届时的温室效应、极端气候等也会达到顶峰。因此，碳中和只是一个阶段性的目标，很可能连很多气候变化的底线（如巴黎协定的温控目标）都守不住。人类必须从当前就开始布局，要更多地干“好事”，以进一步达到负碳，将大气中二氧化碳含量有效地降下来，最终有效地消除历史上由工业进程产生的排放，对社会负责、对子孙后代负责、对大自然母亲负责。
大自然有一定的碳平衡能力；通过森林、土壤、海洋，可以在很长一个周期里吸收（并释放）一定二氧化碳、使大气中二氧化碳含量在一定范围内循环（图1）。然而，人类社会过去100多年工业化进程产生的二氧化碳和其他温室气体排放，打破了这种平衡。
 
图1：过去80万年间大气中二氧化碳浓度变化情况。如果仅靠大自然汇碳，大气中二氧化碳含量只会以数万年周期循环，并不能有效抵消工业革命以来（图最右端）成倍的二氧化碳增量。　
 
当前，大气中二氧化碳含量为416ppm（0.0416%浓度），并且近年来每年以大约2.5ppm近似匀速增长——不得不说，在各国自京都议定书以来的共同努力下，该匀速增长趋势已经好于图2所示原先假设的指数增长，但是仍然是远远不够的。
 
图2：大气中CO2浓度的几种变化趋势。图中曲线从上到下分别是：保持2010年后的排放量以相同指数增长、保持2010年的排放量（每年向大气中匀速排放2010年等量二氧化碳，基本上符合当前趋势），在2010年排放量基础上逐年削减到其33%、10%、和零排放。其中，“红线”为大气中二氧化碳浓度450ppm，此时海水酸化程度将引发大面积珊瑚礁融化和巨大生态灾难，在未来十数年几乎不可避免
 
大气中二氧化碳浓度持续上升，带来的温室效应除使全球气候变暖之外，也导致极端气候越来越严重。由于两极冰川融化造成的寒流走向异常，近年来世界各地极端气候频发，例如在中国北涝南旱可能会成为常态，并严重威胁粮食安全。除气候因素之外，二氧化碳还导致海水酸化加速珊瑚礁大规模融化（图2），这将使整个海洋生态链崩溃，而这条“不归路”很可能在近10年内就引发第六次生物大灭绝的开始。因此，大气中二氧化碳的浓度的持续提升已经严重威胁到物种生存和我们的地球家园。
虽然大自然有一定的汇碳能力，但是仅指望通过自然系统实现负碳是不现实的。如图1所示，仅靠大自然吸附的大气中二氧化碳浓度之变化周期以数万年为单位。这是由于自然过程（如树木）本身也有生命周期，也会进入碳循环。此外，森林、土壤、海洋三者间遵守自然平衡关系，汇碳能力此消彼长。哪怕2060年我们种再多的树，也达不到史前的树木体量，短期内无法使大气中二氧化碳含量下降，从长远来看也实现不了负碳。
二氧化碳的大规模排放是工业进程造成的。解铃还须系铃人，如何工程化掌控和驾驭碳循环将成为人类社会生存和发展迫在眉睫的巨大挑战。由此，我们必须更多地关注如何用工程化的方式实现降碳甚至负碳，有效地降低大气中的二氧化碳含量。

碳天平

碳中和可以比喻为一个天平（图3）：左端是排到大气中的温室气体（“坏事”砝码需要大幅度降低）；右端是一个国家或地区可以吸收的碳总量（“好事”包括碳吸收、利用、封存等，其砝码需要大幅度增加）总量，天平达到平衡为碳中和。
碳天平左端本质是新旧动能转换，以降低左端的碳排放。而碳天平右端更需要倚重工程化的捕碳、用碳，在为左端“托底”的同时打造新赛道将二氧化碳变废为宝，从而左右端一起迈向实现碳中和。
 
　图3：碳中和天平
 

碳中和目标：极具挑战性的硬仗

当前全世界的碳排放大约每年350亿吨，中国是第一排放大国，近年排放量每年约百亿吨，约占全世界的1/3，超过美国、欧盟之和（图4）。欧盟作为整体早在1990年前后实现碳达峰，美国于2007年实现碳达峰，但是印度和非洲的排放才刚刚起步。降低大气中的二氧化碳浓度是全世界人类命运共同体的问题，不是哪一个国家自扫门前雪就可以解决的。
 
图4：各国近年来二氧化碳排放量的走势
 
作为一个负责任的大国，中国提出碳中和目标，是对世界做出的重大承诺。从碳达峰到碳中和，中国要在比世界其他各国更短的时间内实现更大体量的减排，与此同时还需要保持经济高速增长——这是一个巨大的挑战。我们必须借助此次第三次能源结构革命的机遇，通过颠覆性的系列科技创新，驱动一批新产业链发展，打造一批新的产业赛道和新的国之重器，实现中国特色的碳中和之路。

碳中和：循序渐进的变革

实现碳中和必须建立在绿色发展模式和良好经济效益共存的基础上。尽管中国GDP全球第二且近年来GDP增速一直独领风骚，但是，中国的单位能耗GDP远低于世界平均水平（图5）。这意味着我们国家产业结构和经济发展建立在以水泥、钢铁等为代表的高能耗产业上，这是我们实现碳中和目标所面临的最大挑战。
 

　图5：中国单位能耗产出的GDP远低于世界平均水平和其他发达国家

 
从能源结构方面来说，中国是一个富煤贫油少气的国家，煤炭目前占能源结构将近60%，石油大约19%，天然气大约8%，虽然风电、光伏这两年发展迅速，但新能源目前仍然只占很小的比例（图6）。国家近期一系列有关以煤炭为基础的双碳政策和煤炭行业的预测分析表明，预计到2060年，为了保障电力安全等因素，煤炭可能仍占中国能源结构约20%或者更高。而无论是从国家战略安全还是“化石能源清洁化”等角度出发，石油和天然气的占比可能还会在当前基础进一步上升。由此，到2060年，中国可能还有近一半的能源结构为化石能源，二氧化碳排放仍然在40亿-50亿吨左右，这些只能通过碳天平右端的工程化“好事”消除。
 
图6：2019年中国能源结构
 
从工业结构方面来考虑，中国工业GDP很大部分依赖高能耗产业。如果短时间内盲目地要求这些产业进行能源结构的大规模调整，会带来相当大的市场经济风险并造成全行业冲击，且从全生命周期和全产业链角度来看未必达到减排效果。这些高能耗产业（钢铁、水泥、化工等）已经建立了庞大而健全的上下游产业链系统：假设其工业链体系有100步，从何处获取何种能源（如煤vs天然气vs电vs氢vs光伏）是其产业过程第1步；如果第1步发生了改变，不但后续各步及其配套链条产业全都受影响，而且还需要发展另外一套全新的配套体系，势必带来对行业、企业及相关产业的巨大效益冲击。因此能源结构调整一定要非常慎重，可谓牵一发而动全身。
以钢铁行业为例：目前不少钢铁企业提出要放弃化石能源，改用电炉炼钢或氢能炼钢。而现实是，目前国内的电炉炼钢并未得到技术产业化及效益验证；即便换为电炉炼钢，由于当前电力主要来自燃煤电厂，其热电转化效率大约30%-40%；如果钢铁行业当前全部转型电炉炼钢，相当于做了化石能源热能-电能-热能这样的无谓循环，钢铁行业带来的排放将是目前的三倍，并未减排。氢能炼钢也是同样问题：钢铁行业要的无非就是热能融化矿石，而从化石能源（特别是煤炭）获取热能肯定是最经济的；高成本获取的绿氢直接燃烧太可惜了，不是市场化行为。中国钢铁产量占全世界一半以上，如果成本大幅度增加则不具有竞争力，势必对产业经济造成重大冲击，而且也未必节能减排。因此，盲目进行能源结构调整是和经济发展、可持续发展相悖的。
推进碳达峰、碳中和，一定需要从全产业链角度、全生命周期角度，以及对全社会负责、对经济发展负责的角度来全盘考虑。必须要兼顾气候、能源、经济、资源、环境和可持续发展。实现碳中和，是全国一盘棋、是所有产业行业统筹共同实现的，决不能各个地区或各个行业盲目地搞运动式减碳。兼顾绿色发展和经济效益要求我们正确把握发展方向，循序渐进地迈向碳中和。
在后续专栏中，我们将从碳天平左端和碳天平右端分别出发，阐述碳中和带来的科技创新和产业机遇，以及如何循序渐进地、可持续地、市场化地实现碳中和。

 

本文首发于《财新》观点
系作者 “财新ESG30人专栏” 系列文章之一
 

 

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