碳中和也意味著我們將實現(xiàn)能源獨立，國內(nèi)自產(chǎn)的原油、天然氣將能滿足化工原料之需要，進口油氣將大為減少，所謂的“馬六甲困境”將不再是一個實質(zhì)性威脅。能源獨立從某種程度上還會為糧食安全提供助力。

根據(jù)我國能源資源稟賦及目前所處發(fā)展階段，要真正在2060年前實現(xiàn)碳中和，最大的困難是尚無全面支持從“高碳社會”向“碳中和社會”轉(zhuǎn)型的技術(shù)體系。

那么，我國實現(xiàn)碳中和需要形成一個什么樣的技術(shù)體系？

在習近平主席宣布“雙碳”目標后，中國科學院設(shè)立了一個大型咨詢項目，組織百余位來自多個學部的院士和專家，著重就此問題做了“清單式”的研究。

本文將以這個研究為依據(jù)，從碳中和的概念和邏輯入手，重點介紹完成碳中和的“技術(shù)需求清單”，并在此基礎(chǔ)上討論幾個公眾比較關(guān)心的問題。

碳中和應(yīng)從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個側(cè)面來理解。碳排放既可以由人為過程產(chǎn)生，又可以由自然過程產(chǎn)生。人為過程主要來自兩大塊，一是化石燃料的燃燒形成二氧化碳（CO2）向大氣圈釋放，二是土地利用變化（最典型者是森林砍伐后土壤中的碳被氧化成二氧化碳釋放到大氣中）；自然界也有多種過程可向大氣中釋放二氧化碳，比如火山噴發(fā)、煤炭的地下自燃等。但應(yīng)該指出：近一個多世紀以來，自然界的碳排放比之于人為碳排放，對大氣二氧化碳濃度變化的影響幾乎可以忽略不計。

碳固定也有自然固定和人為固定兩大類，并且以自然固定為主。最主要的自然固碳過程來自陸地生態(tài)系統(tǒng)。陸地生態(tài)系統(tǒng)的諸多類型中，又以森林生態(tài)系統(tǒng)占大頭。所謂的人為固定二氧化碳，一種方式是把二氧化碳收集起來后，通過生物或化學過程，把它轉(zhuǎn)化成其他化學品，另一種方式則是把二氧化碳封存到地下深處和海洋深處。

過去幾十年中，人為排放的二氧化碳，大致有54%被自然過程所吸收固定，剩下的46%則留存于大氣中。在自然吸收的54%中，23%由海洋完成，31%由陸地生態(tài)系統(tǒng)完成。比如最近幾年，全球每年的碳排放量大約為400億噸二氧化碳，其中的86%來自化石燃料燃燒，14%由土地利用變化造成。這400億噸二氧化碳中的184億噸（46%）加入到大氣中，導致大約2ppmv的大氣二氧化碳濃度增加。

所謂碳中和，就是要使大氣二氧化碳濃度不再增加。我們可以這樣設(shè)想：我們的經(jīng)濟社會運作體系，即使到有能力實現(xiàn)碳中和的階段，一定會存在一部分“不得不排放的二氧化碳”，對它們一方面還會有54%左右的自然固碳過程，余下的那部分，就得通過生態(tài)系統(tǒng)固碳、人為地將二氧化碳轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品或封存到地下等方式來消除。只有當排放的量相等于固定的量之后，才算實現(xiàn)了碳中和。由此可見，碳中和同碳的零排放是兩個不同的概念，它是以大氣二氧化碳濃度不再增加為標志。

我國當前二氧化碳年排放量大數(shù)在100億噸左右，約為全球總排放量的四分之一。這樣較大數(shù)量的排放主要由我國的能源消費總量和能源消費結(jié)構(gòu)所決定。我國目前的能源消費總量約為50億噸標準煤，其中煤炭、石油和天然氣三者合起來占比接近85%，其他非碳能源的占比只有15%多一點。在煤、油、氣三類化石能源中，碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我國能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭占比如此之高，在世界主要國家中是絕無僅有的。

約100億噸二氧化碳的年總排放中，發(fā)電和供熱約占45億噸，建筑物建成后的運行（主要是用煤和用氣）約占5億噸，交通排放約占10億噸，工業(yè)排放約占39億噸。工業(yè)排放的四大領(lǐng)域是建材、鋼鐵、化工和有色，而建材排放的大頭是水泥生產(chǎn)（水泥以石灰石（CaCO3）為原料，煅燒成氧化鈣（CaO）后，勢必形成二氧化碳排放）。

電力/熱力生產(chǎn)過程產(chǎn)生的二氧化碳排放，其“賬”應(yīng)該記到電力消費領(lǐng)域頭上。根據(jù)進一步研究，發(fā)現(xiàn)這45億噸二氧化碳中，約29億噸最終也應(yīng)記入工業(yè)領(lǐng)域排放，約12.6億噸應(yīng)記入建筑物建成后的運行排放。所以我們說，我國工業(yè)排放約占總排放量的68%，如此之高的占比在所有主要國家中，也是絕無僅有的，這是我國作為“世界工廠”、處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段、經(jīng)濟社會出現(xiàn)壓縮式發(fā)展等因素所決定的。

根據(jù)我國二氧化碳的排放現(xiàn)狀，我們就非常容易作出這樣的推斷：中國的碳中和需要構(gòu)建一個“三端共同發(fā)力體系”。第一端是電力端，即電力/熱力供應(yīng)端的以煤為主應(yīng)該改造發(fā)展為以風、光、水、核、地熱等可再生能源和非碳能源為主。第二端是能源消費端，即建材、鋼鐵、化工、有色等原材料生產(chǎn)過程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣，水泥生產(chǎn)過程把石灰石作為原料的使用量降到最低，交通用能、建筑用能以綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣。能源消費端要實現(xiàn)這樣的替代，一個重要的前提是全國綠電供應(yīng)能力幾乎處在“有求必應(yīng)”的狀態(tài)。第三端是固碳端，可以想見，不管前面兩端如何發(fā)展，在技術(shù)上要達到零碳排放是不太可能的，比如煤、油、氣化工生產(chǎn)過程中的“減碳”所產(chǎn)生的二氧化碳，又比如水泥生產(chǎn)過程中總會產(chǎn)生的那部分二氧化碳，還有電力生產(chǎn)本身，真正要做到“零碳電力”也只能寄希望于遙遠的將來。因此，我們還得把“不得不排放的二氧化碳”用各種人為措施將其固定下來，其中最為重要的措施是生態(tài)建設(shè)，此外還有碳捕集之后的工業(yè)化利用，以及封存到地層和深海中。

傳統(tǒng)上，電力供應(yīng)系統(tǒng)包括了發(fā)電、儲能和輸電三大部分，從現(xiàn)在業(yè)界經(jīng)常談到的“新型電力供應(yīng)系統(tǒng)”的角度，還應(yīng)把用戶也統(tǒng)籌考慮在內(nèi)。從實現(xiàn)碳中和的角度，我國未來的電力供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下六方面特點。

一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發(fā)電裝機容量在24億千瓦左右，如果考慮以下因素：（1）未來要實現(xiàn)能源消費端對化石能源的綠電替代和綠氫替代；（2）從世界大部分先發(fā)國家走過的歷程看，人均GDP從一萬美元到三四萬美元之間，人均能源消費量還會有比較明顯的增長；（3）風、光等波動性能源的“出工能力”只有傳統(tǒng)火電的三分之一左右，那么我國2060年前的裝機容量至少需要60億到80億千瓦。

二是風、光資源將逐步成為主力發(fā)電和供能資源。其中西部風、光資源和沿海大陸架風力資源是主體，各地分散式（尤其是農(nóng)村）光熱資源是補充。

三是“穩(wěn)定電源”將從目前的火電為主逐步轉(zhuǎn)化為以核電、水電以及綜合互補的非碳能源為主。

四是必須利用能量的存儲、轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)等技術(shù)，彌補風、光資源波動性大的天然缺陷。

五是火電還得有，但主要作為應(yīng)急電源和一部分調(diào)節(jié)電源之用。與此同時，火電應(yīng)完成清潔、低碳化改造，有條件的情況下，用天然氣代替煤炭，以降低二氧化碳排放強度。

六是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，成倍擴大輸電基礎(chǔ)設(shè)施，把西部充沛的電力輸送到中東部消納區(qū)。與此同時，加強配電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增強對分布式能源的消納能力。

在這樣的電力供應(yīng)系統(tǒng)中，碳中和本身的目標要求未來電力的70%左右來自風、光發(fā)電，其他30%的穩(wěn)定電源、調(diào)節(jié)電源和應(yīng)急電源也要盡可能地減少火電的裝機總量。正因為如此，未來需要促進發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)和輸電技術(shù)這三方面的“革命性”進步。

發(fā)電技術(shù)要為綠色低碳電力生產(chǎn)提供支撐。這里面需重點促進可再生能源發(fā)電技術(shù)的進步，特別是要注重發(fā)展以下技術(shù)：（1）光伏發(fā)電技術(shù)雖已發(fā)展到可平價上網(wǎng)的程度，但這類技術(shù)在降成本、增效率上還有潛力可挖；（2）太陽能熱發(fā)電技術(shù)對電網(wǎng)友好，既可保證穩(wěn)定輸出，也可用于調(diào)峰，但目前發(fā)電成本過高，未來應(yīng)在材料、裝置上尋求突破；（3）風力發(fā)電技術(shù)也基本具備平價上網(wǎng)的條件，未來要在大功率風機制造、更高空間風力的利用、更遠的海上風電站建設(shè)上下功夫；（4）地熱分布廣、總量大，但能量密度太低，如要將地熱用于發(fā)電，還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術(shù)；（5）生物質(zhì)能也是可再生能源，目前生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)是成熟的，但其在總的電力供應(yīng)上的占比較為有限；（6）海洋能和潮汐能的總量不小，但其利用技術(shù)有待進步；（7）傳統(tǒng)的水電我國開發(fā)程度已經(jīng)較高，未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發(fā)上還有較大潛力。

除以上可再生能源發(fā)電以外，社會公眾還得接受這樣的現(xiàn)實：要達到碳中和，核電還得較大程度地發(fā)展，因為核電應(yīng)作為“穩(wěn)定電源”的重要組成部分。此外，火電還得在“穩(wěn)定電源”“應(yīng)急電源”“調(diào)節(jié)電源”方面發(fā)揮作用，正因為如此，“無碳電力”在很長時期內(nèi)是難以實現(xiàn)的，除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來再予以封存或利用。

儲能技術(shù)在未來的電力供應(yīng)系統(tǒng)中將占有突出的位置，這是因為風、光發(fā)電具有天然波動性，用戶端也有波動性，這就需要用儲能技術(shù)作出調(diào)節(jié)?？梢赃@樣說，如果沒有環(huán)保、可靠并相對廉價的儲能技術(shù)，碳中和目標就會落空。儲能是最重要的電力靈活性調(diào)節(jié)方式，包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，而靈活性調(diào)節(jié)還有火電機組的靈活性改造、車網(wǎng)互動、電轉(zhuǎn)燃料、電轉(zhuǎn)熱等方式和技術(shù)。

物理儲能主要有四類。一是抽水蓄能電站，它是最成熟的技術(shù)，我國以東部山地為依托，已建、在建和規(guī)劃中的抽水蓄能電站總量很大，但可再生能源豐富的西部如何建抽水蓄能電站還得探索。二是壓縮空氣儲能，主要是