能源視角下的中國碳中和構想

綠色低碳轉型將是今后我國全部經濟活動的內核，碳中和是未來中國經濟增長和轉型的最大驅動力，也將成為科學研究、科技開發、投資、建設、生產、消費和流通等領域決策的依據。本文從能源視角，提出科技創新是實現碳中和的根本途徑。

全球碳元素代謝與我國碳中和的挑戰與機遇

從1900年至2000年的百年內，全球經濟迅速發展，人類社會創造了高度發達的工業化文明，并正向信息化、智能化時代邁進。工業化進程的驅動力主要依靠化石能源。在這一時段內，全球化石燃料排放的二氧化碳（CO2）量約為9860億噸，全球大氣中CO2濃度從290ppm（百萬分之一）上升至380ppm，上升了90ppm。由此可以從表象學統計估算出，約每排放110億噸CO2，則大氣中累積的CO2濃度上升約1ppm，100年內大氣溫度約上升了0.85℃（置信區間為0.85±0.18℃）。則可估算每排放11600億噸CO2，可造成氣溫平均上升1℃。

21世紀以來，全球CO2排放量持續增加，全球極端氣候現象頻繁出現，據聯合國氣候變化委員會（IPCC）的多次公報，全球氣候變化與大氣中CO2濃度升高的關聯度不斷提升，引起了世界各國的高度重視。2020年9月22日的聯合國大會上，有121個國家主動承諾在2050年前實現碳中和。根據已有協議，應對氣候變化，發達國家與發展中國家有共同但有區別責任的原則，中國鄭重承諾在2030年前實現碳排放達到峰值，并力爭于2060年前實現碳中和。

在中國實現碳中和政策是黨中央經過深思熟慮的重大決策，習近平總書記在2021年3月15日中央財經委員會第九次會議上講道：“實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統變革，要把碳達峰、碳中和納入生態文明總體布局。”“要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。”

碳中和對一個國家或地區來講，意味著要把社會所有生產生活中排放的CO2全部回收，或利用、埋藏，實現凈零CO2排放。從全球角度講，要規劃全球碳元素的自然生態代謝和社會生態代謝，以減少CO2在大氣中的累積，抑制溫室效應對氣候的影響。碳元素在自然界的循環模式是：全世界存在四個大碳元素庫，一是地層沉積碳庫，包括石油、煤炭、天然氣等化石和碳酸鹽等水成巖;二是陸地表層碳庫，包括生物和土壤中的碳元素含量;三是大氣碳庫，大氣中的CO2濃度從工業化前的含量280ppm到2009年已上升到400ppm以上;四是海洋碳庫，由于降雨可以把大氣中的CO2淋洗到海洋，由海洋浮游生物、細菌、海藻或硅酸巖轉化為以碳酸巖為主組成的碳元素庫。碳元素在四大碳庫間循環輸運。

工業化社會以來，大量開采化石燃料利用和石灰石制造水泥，把大量的沉積在地層深處的碳元素輸運進入大氣的速度大幅增加。而二氧化碳在大氣中的積累，造成氣候變化;在海洋中的積累，使海水從工業革命以來氫離子濃度指數（pH）值下降，其幅度約0.24，打破了自然界碳元素輸運的規律。碳中和的目的就是使碳元素的代謝回歸自然狀態，使碳元素的社會生態循環與自然生態相和諧。

我國要實現碳中和面臨著巨大的挑戰：

其一，中國是世界最大的CO2排放國，2019年排放量約102億噸，約占世界CO2總排效量330億噸的1/3。其二，從2030年前碳達峰到2060年前碳中和時間僅為大約30年，而一些發達國家如英、法、德等碳達峰至碳中和有70 ～80年的緩沖期，在技術、經濟層面可以有更大的彈性操作空間。其三，更為重要的是，我國正處于經濟增長的窗口期，實現碳中和必須與經濟發展同步進行。2020年美國人均國內生產總值（GDP）約為6.5萬美元，德國人均GDP為4.8萬美元，而我國僅為1.0萬美元左右。到2049年中華人民共和國成立100年時，實現經濟發展達到發達國家水平，將是一個巨大的挑戰。其四，許多國家的國民經濟發展軌跡，都依循克拉克定律，即從農業到制造業再到服務業。這可能導致經濟的金融化、虛體化、空心化，使國家經濟隱藏著危機。我國多年來一直是世界制造業大國，必須發展科學研究、技術開發、專利、軟件推廣等，以智力勞動形成“智造業”推動創新發展，通過制造業、服務業、智造業三者相互依賴的健康發展模式，保證制造業永遠處于創造財富的主體地位。

既然中國要永久保持制造業大國、強國地位，當然必須有相應的能源供應，這為碳中和的實現增加了難度。我國經濟經過40多年的高速發展，持續發展面臨的制約是能源、資源的日益匱乏，石油的對外依存度己超過70%（2020年為74%），天然氣的對外依存度也將達到50%（2020年為42%）。

但碳中和的實現亦將是我國發展的機遇。綠色低碳轉型將是今后全部經濟活動的內核，碳中和是未來中國經濟增長和轉型的最大驅動力，也將成為科學研究、科技開發、投資、建設、生產、消費和流通等領域決策的依據。我們應智慧地、理性地平衡生態文明建設與經濟社會發展關系，合理、可承受地推進我國經濟發展達到中等發達國家水平，并與碳中和同步，踐行建設“人類命運共同體”的承諾。

產業結構轉型是實現碳中和的必由之路

我國雖然已經是世界第二大經濟體，但仍處于工業經濟時代后期。2020年我國一次能源消費中，工業占57.06%，建筑業占16.78%，交通占15.30%，其他占10.86%;而能源消費以煤炭為主，煤炭消費占57%，非化石能源消費僅占16%。各種能源中C/H摩爾比：草木1.0/1.0，煤1.5～2.0/1.0，石油1.0/2，天然氣1/4。

我國減少CO2排放的出路只有改產業結構，減少單位GDP所用的能耗，通過改變能源結構，大量采用可再生能源，才能實現。中國制造業產值已占全球的30%左右，但與美國相比仍有較大差距。同時，位于前列的多是初級產品，如21世紀20年代初我國鋼鐵產量約為12億噸/年，我國人均鋼產量是美國的3倍，而我國水泥產量約為15億噸/年，我國水泥人均產量為美國的6倍。這些初級產品價值低，CO2排放大，隨著大型基礎設施高速鐵路、公路、橋梁、水壩、住房等大規模建成，社會從工業化向信息化、智能化時代轉化，對這些初級產品的需求將逐步減少。所以發達國家CO2排放陸續達到峰值，萬元GDP能耗僅為我國的1/4～1/3。

我國“十四五”規劃提出了高質量發展指導思想，推動產業結構轉型，這是實現碳中和與社會經濟同步發展的應有之義。我國高端制造業轉型已經有良好的開始，處于領先水平的產業包括高速鐵路、第五代移動通信（5G）及量子信息傳遞技術，光電、風電等可再生能源產業等;處于并跑水平的產業包括大型工程機械、純電動車、鋰電池產業和無人機等;處于加速追趕的產業包括民用航空、人工智能、機器人和芯片等。

此外，各行各業通過技術進步實現節能減排也是減少CO2排放的重要舉措。如2019年我國火力發電的平均煤耗為306.7克/千瓦·時，而世界先進火電的煤耗更低，為270克/千瓦·時，通過技術進步尚有10%～30%的節能空間。

可再生能源技術為近零碳電力系統的基礎

電能是人類社會不可替代的二次能源。它支撐著文明社會的運行，2019年中國人均總用電量為0.51萬千瓦·時。我國發電以煤燃料的火電廠為主，電力系統2020年CO2排放量約占37%。隨著光伏發電和風電發電的技術進步，到了21世紀20年代，光伏發電成本已降至0.068美元/千瓦·時。風電發電成本為0.053（陸地）美元/千瓦·時、0.115（海上）美元/千瓦·時，已接近同時期的火電成本（約為0.05美元/千瓦·時）。

2021年4月，沙特新建600兆瓦大型光伏電站阿爾舒艾巴（Al-Shuaiba），其電力售價已降到1.05美分/千瓦·時，所以光伏發電不但技術成熟，經濟上也可優于火電的建設。更重要的是，太陽所給予地球的可再生能源可以提供全球能源總需求的3078倍（綠色和平組織國際能源革命，2005年9月）。據統計，我國北部地區的內蒙古，西北地區的新疆、甘肅、青海、寧夏風光能源可開發量可達397萬億千瓦·時/年，相當于4700個三峽水電站一年的發電量，因此可再生能源從規模上是完全可滿足需求的。

采用可再生能源為主的電力供應是可以預期的，我國一次能源消費近年為48億噸標煤左右，按每300克標煤生產一干瓦小時電量計算，則約折合14萬億千瓦·時/年的電量。根據我國建設計劃，到2030年光伏、風電裝機可達12億千瓦。若依每年可發電2000小時計算，總發電量約為2.4萬億千瓦·時/年。到2060年只要再增加建設6倍的風電、光伏電站，就相當于40億噸標煤/年的化石能源的供電量，所以人類完全告別化石能源時代是可能的。

由于風電、光伏發電最大的缺點是不穩定，需要相應的調峰裝置和儲電裝置與之相配合組成智能電網，以滿足產業與生活用電需求。調峰措施可以通過調峰用電（如儲熱、制冷、生活用電）和調峰化石電站來實現。而儲電技術包括化學儲電（鋰硫等電池、釩液流電池）、水力儲能、壓縮空氣儲能、機械儲能等都是當今研發的重點。除了尚在研發中的核聚變電臺外，世界已取得共識，認為可再生能源（光伏等）加上儲能調峰技術組成智能電網，可能是人類未來能源的終極解決方案。

從化石燃料時代轉變為化石材料時代

不再利用化石來燃燒取能，可使CO2排放減少主要來源，而人類對碳元素的需求卻沒有減少，生物吃的是碳水化合物，人類大量使用的是碳氫化合物，當今社會碳元素的來源主要依靠化石供應。所以化學家的任務是如何重新認知“碳”和“氫”元素在自然界的代謝，以及如何安排“碳”和“氫”元素在社會生態中的運輸模式。

當今傳統石油煉制產業，原油的70%～80%被加工成汽油、柴油、煤油和潤滑油被利用，而加工成石腦油最終生產成塑料、橡膠、合成纖維等材料的比例僅為20%～30%。隨著電動車的興起，原油的加工路線必然發生根本改變。石油將作為材料生產各種高性能的高分子材料。

天然氣由于售價較高，主要作為家庭炊事、洗浴和取暖的能源。以炊事燒一鍋熱水為例，僅30%多燃燒熱量傳遞到熱水之中，遠不及用電加熱水的能源利用率。更可惜的是，大量含氫元素的天然氣可用來與CO2反應使之成為碳匯，反而被大量燃燒掉了，這從碳中和角度思考是完全不合理的利用方式。天然氣作為最清潔的化石能源，我國2020年產量為1888.5億米3/年，比上一年增加了9.8%，液化天然氣進口量為10166萬噸，增加了5.3%。而我國氫氣（H2）的原料43%為煤，13%為石油，16%為天然氣。采用天然氣制氫代替煤制氫應是一段時間的重點發展方向，預計到2050年其將在化石能源消費量排名第一。我們應該大力開發天然氣作為減排CO2、合成各種材料的技術。

關于煤炭如何從燃料變為材料利用，早在10多年前就開始了這方面的研究與開發，煤通過甲醇制烯烴在2019年已形成了1300多萬噸/年的產能。煤制乙二醇生產化纖的工藝中乙二醇產能也超過了550萬噸/年。但是從碳中和角度來審視，由于CO2排放量大，水耗大，今后不再可能大量采用。我們需要研究開發既可達到轉變化石燃料為材料的目的且CO2排放少的技術。

褐煤等年輕煤種碳元素與氫元素比例可達1︰0.8。國內開發了許多不同的褐煤分質利用技術，在400℃～500℃下絕氧干餾，可以獲得半焦和碳氫化合物（粗焦爐氣），碳氫化合物可以進一步高溫裂解氫氣，而赤熱的半焦（800℃～1000℃）可以把CO2還原成CO。兩者都可以作為減排CO2的手段，顛覆性地改變褐煤作為燃料的利用方式。

生物技術在實現碳中和時應起到重要作用。藻類吸收CO2的生長速度和陽光利用率都是陸生植物的數倍到十數倍，且有微藻以甘油三酯形式儲存其所固定光合產物，其合量可達微藻干物質的50%以上。它的發展潛力受到世界的重視，中國新奧能源控股、美國的埃克森美孚、德國意昂集團等企業都建設有開發基地。

森林種植是自然界最重要的CO2捕集利用的手段。成熟森林白天吸收CO2為24.5噸/畝·年，而夜間的排放CO2為17.9噸/畝·年，森林種植作為重要的CO2減排方案，中國森林蓄材量從2005年至2013年約增加60億立方米，中國是世界上森林面積新增加最多的國家。但應看到，植物是有生命周期的，每年有大量枝叉、樹葉凋落，它們的腐敗會產生大量甲烷，甲烷是更為嚴重造成溫室效應的氣體。亞馬孫森林曾被視為是地球之肺，是自然界最大的CO2吸收地和氧吧。但最近有巴西研究報道，由于森林濫伐、氣溫上升自然腐敗和火災等原因，每年有10億噸CO2當量溫室氣體的排放產生。我國每年秸稈和農林廢棄物的產量可達10億噸以上，除了通過建設沼氣站轉化為農村的能源供應外，采用更為與碳中和理念相契合的轉化方法是，將這些生物質進行低溫干餾，轉化為木醋液和生物碳。生物碳為多孔結構的無機材料，可以大量用于土壤改良修復，可增加土壤保墑和起到肥料的緩釋作用，顯著提高農作物對化肥的利用率。而木醋液可以作為有機農藥，防止蟲害。

發展循環經濟，實現能源梯級利用和資源循環利用

市場經濟作為推動社會經濟發展的重要模式已經成為世界的共識，但它的發展必然伴隨著大量原生資源的開采，大量生產、消費的進行。置于政府和社會群眾監管下的，有中國特色的市場經濟雖然倡導高質量制造、抑制過度浪費等不良不法行為，但“十四五”期間的雙循環政策，經濟增長仍要依靠消費來拉動。大量消耗的不可再生資源及其加工制造過程的能量消耗，都是社會可持續發展需要解決的重要問題，根據艾倫·麥克阿瑟基金會測算，全球若落實循環經濟策略，僅水泥、鋁、鋼鐵、塑料的生產過程，其碳排放將減少40%，2020年至2050年可減排93億噸CO2。

除了我國已大力推行的生態循環產業園區的建設，可使在一定界區之中，多企業間物質流、能流、資金流、價值流、廢物流得到優化配置外，另外新的更為經濟的循環利用技術、再制造技術、增材制造技術等也在加速開發和推廣中。應該注意到，由于碳中和的發展，電動車、光伏發電、風力發電、電池等制造對鋰、鈷、鎳、釹等金屬需求將成倍增加，對于退役的電動車、電池等回收和再制造有重大發展需求。

隨著碳中和進程的不斷深入，許多原有高耗能的企業將會逐步退役，或轉產其他產品。例如我國煤制油技術，其產能已達到1000萬噸/年以上，不但CO2排放大，而且柴油已過剩，如何盤活其資產或轉產高碳醇用于增塑劑、化妝品、香精生產或聚合級高碳α-烯烴，對于一些高CO2排放企業尋找轉型、退出機制也是十分重要的。

根據國際能源署（IEA）《2050年凈零排放：全球能源行業路線圖》，2040年全球電力行業將基本實現凈零排放，90%電量來自可再生能源，70%來自光伏和風電，這時諸多化學制造過程應從熱化學反應轉變為電化學反應，如電解、等離子反應過程。化石燃料的使用量將從占4/5下降到不足1/5，所以仍需要有一定的CO2捕集、利用、封存技術（CCUS），碳中和從另一角度講，就是碳元素的循環經濟。

循環經濟的熱力學基礎是通過能量注入把使用后品位降低的物質，提升其品位，重新加以利用，如生活和工業廢水，根據其不同污染程度，通過處理，達到不同品位的凈水循環利用，使其過程更為節能;或者通過梯級利用來節約減少消耗，如洗菜、淘米水可用來澆花等。所以雖然物質可以循環利用，但其本質是建立在全生命周期考量能量利用效率問題上的，只有通過創新技術研發和系統優化才能實現。

對于氫元素的利用，地球上沒有單質氫元素的存在，氫的化學活性高，在地球演化及生命形成過程中起著重要作用。當前人類社會的重要化學制品如合成氨、甲醇等和煉油工藝都需要大量氫氣，中國2020年氫氣產能4100萬噸，產量為2000萬～3000萬噸。不同制氫方法的成本和CO2排放分別是：煤氣化（成本0.79元/米3，CO2排放11千克CO2/1千克H2），天然氣轉化（成本1.5元/米3，CO2排放5.5千克CO2/1千克H2），重油制氫（成本1.6元/米3，CO2排放7千克CO2/1千克H2），甲醇制氫（成本1.9元/米3，CO2排放7千克CO2/1千克H2），電解水（成本2.4元/米3，0千克CO2排放）。電解水制氫之所以成本高，是因為電解水的能量利用率低，僅為30%～50%。如果耗能得到降低，應該首先代替原有化石能源制氫大量CO2排放的技術，氫氣作為產品合成原料，或者用來與CO2反應，作為碳匯資源。與成熟高效的二次能源——電能相比，氫在創造、輸運、儲存等各方面都不是一個可廣泛使用的二次能源。氫燃料電池的出現提供了一個鋰電池以外的可移動電源。由于燃料電池由氫重新轉換為電能時，能源轉換效率僅為50%左右，從電網用電制氫，再由氫轉換為可移動電源作為交通能源過程的全生命周期考量，能量利用率只有30%左右，所以氫燃料電池僅在重載運輸、潛艇、貨輪等領域有發展空間。雖然近來文獻中有建議采用分解氨氣來解決移動交通工具中貯氫的難題，但從循環經濟理念來考慮更是難于接受的，因此，碳中和進程中要精算能源利用率的問題。

提高人居環境的舒適程度，建筑節能是碳中和的重要途徑。目前，我國人均建筑面積已超過46平方米，已接近日本、歐洲水平，所以利用光熱、地熱、工業余熱等能源，以及采用保暖建筑材料、相變建材、調峰制冷等技術來減少建筑物的運行能耗，是十分重要的向題。在建筑物設計過程中，也應體現碳中和的理念。據2020年統計，中國有150米以上高樓2395座，200米以上高樓823座，300米以上高樓95座，都居世界第一位。這樣的建筑物從建設成本、耗材、運行能耗、安全防火、光污染各個角度考慮，都會嚴重劣于一般樓宇建設，2021年7月，國家發改委已宣布，將對250米以上高層建筑施行嚴格審批制度，而500米以上建筑將嚴令禁止。早在2008年，聯合國環境署為了提倡低碳生活方式，主張人人參與，從微末之處參與減排CO2。如不用洗衣機甩干，而是自然晾干，即可減排CO22.3千克/天·人。如此種種，不因善小而不為。

科技創新是實現碳中和的根本途徑

碳中和是涉及全球人類生存質量和永續發展的課題，世界各國都是倉促上陣應對的，從技術經濟層面并沒有完備的方案。僅中國實現碳中和的資金投入預算就高達150萬億～300萬億元人民幣，只有在40年之內，研究開發出“異想天開”的顛覆性科學技術和智慧的政策管理制度才可能順利實現。以下為筆者建議的發展方向：

第一，用天然氣制氫及與CO2反應作為碳匯來利用。天然氣是含氫最多的化石資源，建議可以用于制氫及與CO2反應作為碳匯來利用。當前已探明在海底巖層中有大量的天然氣水合物（可燃冰）的蘊藏，可以在海上建設發電站，開采天然氣水合物作為發電燃料，把CO2轉變成CO2水合物永久封存，由于兩種水合物的熱力學生成條件是近似的，從理論上來說或可行。

第二，建立跨歐亞美的“日不落電網”，減少智能電網對儲電設施的投入。采用光伏、風電等可再生能源是全世界共同實現零碳排放的途徑，但遇到最大的難題是可再生電源的不穩定性和儲電難度大、投資大。設想從白令海峽東經180°經歐亞大陸至倫敦東經0°跨12個時區，而從白令海峽西經180°到北美大陸西端西經60°共跨8個時區。如果建立一個跨歐亞美的“日不落電網”則可大大減少智能電網對儲電設施的投入。

第三，火電廠的優化轉型。未來火電廠生存的唯一機會是改造成調峰電站，組成智能電網。從科學原理已知，采用超臨界狀態的水進行電解制氫是省能的方案，而先進的火力發電廠都是超臨界、超超界蒸氣發電，如果開發出這種先進的電解制氫技術與之相配合，則可低成本制氫，又可以發電—制氫相互切換，達到調峰的目的。如果能順利實現可以盤活巨大的“退役資產”。

第四，核聚變電站的研發建設。核聚變能的工程應用，早已進入科學技術界的視野，它的發電質量高，沒有放射性廢物產生，而且可供利用的核燃料氘、氚在海水中的蘊藏量可供使用百萬年，是理想中的能源開發方向，期待未來在商業應用方面的突破。此外，設想中的空間太陽能電站也是把幻想變成現實的嘗試。以上設想僅是拋磚引玉，未來40年科學技術突破會產生諸多奇跡，各種大大小小的科學技術創新是實現碳中和的根本保證。總之，碳中和是未來中國經濟增長和轉型發展的最大驅動力，它將成為今后科學研究、技術開發、生產、投資、消費和流通所有經濟活動決策的依據，并通過理性的、智慧的生態文明建設與經濟發展同步進行，通過研發創新、規劃，實現漸進式推進。2060年前中國碳中和的實現，是工業化時代轉變為信息化、智能化時代;是以可再生能源為主導或核聚變電站商業運營時代;是化石燃料轉型為化石材料時代;是資源循環利用時代;是科技顛覆性創新和人才輩出的時代。

（金涌為清華大學化學工程系教授、中國工程院院士，胡山鷹為清華大學化學工程系教授，朱兵為清華大學化學工程系教授、循環經濟研究院院長。清華大學化工系副教授陳定江、博士生張臻燁對本文亦有貢獻。本文編輯/秦婷）