綠色轉(zhuǎn)型背景下實現(xiàn)碳中和的技術(shù)和前景

謝文昕

（濟南大學(xué)，山東 濟南 250024）

1 前言

工業(yè)化作為經(jīng)濟增長和城市化的引擎，加速了世界經(jīng)濟的發(fā)展。在過去的兩個世紀里，世界經(jīng)濟已經(jīng)嚴重依賴于對自然資源的過度開發(fā)。目前，石油資源的大量使用和森林砍伐等對生態(tài)不利的做法是全球溫室氣體(GHGs)的人為源排放增加的根源，而GHGs 是氣候變化的主要驅(qū)動因素。預(yù)計到2050 年，溫室氣體排放將增加50%。如果這些排放繼續(xù)以目前的速度增長，它將推動碳循環(huán)脫離動態(tài)平衡，導(dǎo)致氣候系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)的變化。因此，必須通過各種社會經(jīng)濟和技術(shù)干預(yù)，努力減少碳排放和增加碳封存來應(yīng)對日益加劇的全球溫室效應(yīng)。各國于2015 年簽署了一項具有里程碑意義的聯(lián)合國氣候協(xié)議《巴黎協(xié)定》，共同應(yīng)對溫室氣體排放和氣候變化，努力將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 攝氏度以內(nèi)，并爭取在2050 年前實現(xiàn)碳中和[1]。

為了實現(xiàn)碳中和并使地球可持續(xù)地發(fā)展，減少化石燃料等的碳排放，同時促進陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳封存至關(guān)重要。不同的國家已經(jīng)制定了實現(xiàn)碳中和的不同戰(zhàn)略路徑[2]，但由于所涉及的通量的規(guī)模，將碳排放減少到凈零是具有挑戰(zhàn)性的。根據(jù)國際能源機構(gòu)的說法，如果世界要在2050年達到碳中和，那么新原油、天然氣和煤炭的開采和開發(fā)必須在2021 年停止。因此，研究和利用無碳來源的可再生能源（即陽光、潮汐、風(fēng)和地?zé)崮艿龋┖蜕镔|(zhì)（即來自植物或動物的有機材料）是使二氧化碳凈零排放從理論變成現(xiàn)實的關(guān)鍵。

可再生資源可提供的能源是目前全球能源需求的3000 多倍。過去十年全球?qū)稍偕茉矗ㄒ噪娏Α崮芎蜕锶剂系男问剑┑男枨蟠蠓鶖U大，但從傳統(tǒng)能源向可再生能源過渡的速度不夠快，因此需要通過多學(xué)科研究團隊的合作來實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。除了發(fā)展可再生能源外，還需要優(yōu)化糧食系統(tǒng)的管理，以提高生產(chǎn)效率和減少碳排放，這可以通過開發(fā)新技術(shù)來改善化肥生產(chǎn)和精準農(nóng)業(yè)，整合作物-牲畜生產(chǎn)系統(tǒng)，以及開發(fā)碳中和的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)來實現(xiàn)。鑒于世界不太可能在短期內(nèi)大幅減少以化石燃料為基礎(chǔ)的二氧化碳排放，利用自然資源從大氣中去除二氧化碳是實現(xiàn)碳中和的可行途徑。為了減緩氣候變化，人們正在研究通過工業(yè)手段加強大氣中碳的捕獲以及陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中碳的隔離等各種潛在戰(zhàn)略。這些措施包括碳捕獲和儲存的生物能源[3]；通過散布破碎的礦物增強巖石風(fēng)化，這些礦物自然能夠在陸地或海洋中吸附二氧化碳；植樹造林和再造林；通過生物炭、堆肥、生物廢棄物直接摻入和保護性耕作等方法進行土壤碳封存。

已經(jīng)有許多綜述探討了實現(xiàn)碳中和的途徑，重點是可再生能源、陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的碳捕獲和儲存以及糧食系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。然而，整理文獻所知，沒有任何研究將所有現(xiàn)有新技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)從碳中和角度進行比較，也沒有強調(diào)這些新技術(shù)在減緩氣候變化方面的不確定性。本次綜述重點關(guān)注在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的新技術(shù)，包括可再生能源和維持地球上最大碳庫的健康（恢復(fù)和保護海洋和森林生態(tài)系統(tǒng)）等。本文傳播的信息希望豐富對實現(xiàn)碳中和和聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標新途徑的有關(guān)研究。

2 可再生能源

對不可再生能源的過度消耗加劇了能源短缺、溫室氣體排放、氣候變化和環(huán)境退化，對人類構(gòu)成威脅。因此，人類的生態(tài)意識和向低碳或無碳能源的過渡得到史無前例的關(guān)注。為解決這些問題，已在全球范圍內(nèi)制定了一系列政策。在清潔能源中，可再生能源，如太陽能、風(fēng)能和海洋能，被認為是實現(xiàn)碳中和的最重要有效的手段。除了具有低資源消耗、低污染風(fēng)險的核能和H2能源被確定為保障國家能源安全、實現(xiàn)“碳中和”目標的戰(zhàn)略途徑外，生物能源也是調(diào)整能源供需結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。下面討論可再生能源的核心技術(shù)以及這些技術(shù)對實現(xiàn)碳中和的影響，并對這些技術(shù)的發(fā)展前景和可行性進行了展望。

2.1 太陽能

太陽能是取之不盡用之不竭的資源。由于其清潔可再生和無處不在的特性，太陽能可以在全球可再生能源供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。目前，化石資源仍然占世界能源消費的主要地位。相比之下，不產(chǎn)生碳排放的太陽能、水力發(fā)電、風(fēng)能和潮汐能只占能源消耗的小部分。要實現(xiàn)碳中和，就必須增加可再生能源的使用。因此，用來自陽光的可再生能源取代傳統(tǒng)的化石燃料是非常可取的，對于減少二氧化碳排放和使能源系統(tǒng)脫碳從而實現(xiàn)碳中和至關(guān)重要。快速發(fā)展的光伏技術(shù)已被公認為是利用太陽能的有力方法。傳統(tǒng)薄膜太陽能電池采用無機半導(dǎo)體，如硅、砷化鎵(GaAs)、銅、銦、硒化鎵和碲化鎘(CdTe)材料，由于具有高的功率轉(zhuǎn)換效率和顯著的運行穩(wěn)定性，已大規(guī)模工業(yè)化。近年來，有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、量子點太陽能電池和其他集成器件等新興的太陽能電池已成為有發(fā)展前景的光伏技術(shù)[4]。此外，太陽能電池板和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對發(fā)電也至關(guān)重要，并可能加速我們碳中和的進程。與光伏技術(shù)不同，太陽能熱技術(shù)依靠光熱轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)碳中和操作的熱、蒸汽和電力生產(chǎn)。當太陽能熱技術(shù)，例如集中太陽能發(fā)電系統(tǒng)，被用于商業(yè)和住宅部門以取代天然氣作為能源來源時，可以觀察到化石燃料的能源消耗和二氧化碳排放均有明顯減少。除了光伏和太陽熱技術(shù)，一些將太陽輻射轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定化學(xué)燃料的策略也為大規(guī)模利用和儲存太陽能以實現(xiàn)能源脫碳提供了可行的途徑。最近，有人提出了液體陽光的新概念，將太陽能與捕獲的二氧化碳和水結(jié)合起來，產(chǎn)生綠色液體燃料，如甲醇和酒精，這可能在全球生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生和利用二氧化碳之間實現(xiàn)生態(tài)平衡循環(huán)。太陽能是滿足低碳和無碳社會能源需求的理想解決方案。基于太陽能技術(shù)的一系列有效措施，由于運行成本低，是減少碳排放、利用CO2形成清潔儲能的良好選擇，對實現(xiàn)碳中和具有不可替代的作用。未來幾十年將需要加快發(fā)展先進的能源轉(zhuǎn)換/存儲技術(shù)，大規(guī)模部署太陽能與清潔資源相結(jié)合，促進碳中和目標的實現(xiàn)。

2.2 風(fēng)能

風(fēng)是由于太陽對地球表面不均勻加熱而產(chǎn)生的空氣運動的結(jié)果，這意味著風(fēng)能可以被看作是間接的太陽能。與太陽能一樣，風(fēng)能將在實現(xiàn)“雙碳”目標上發(fā)揮關(guān)鍵作用。地球上有豐富的風(fēng)資源，主要分布在草原、沙漠、沿海地區(qū)和島嶼。選址對風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性、技術(shù)性和實施具有重要影響。世界各國都高度重視并大力支持風(fēng)能的發(fā)展[5]。然而，阻礙風(fēng)能利用的一個問題是風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的噪聲，降低或最小化風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的噪聲，進一步合理利用風(fēng)力資源的策略是迫切需要的。關(guān)于風(fēng)能生產(chǎn)的另一個問題是，如果風(fēng)力渦輪機的位置不合適，它們可能會通過碰撞、破壞棲息地破壞對鳥類產(chǎn)生不利影響。盡管地球上的風(fēng)能資源豐富，但風(fēng)力資源在陸地上的分布不均給風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的電能的運輸帶來了挑戰(zhàn)。而風(fēng)在速度和方向上的不可預(yù)測性質(zhì)，會導(dǎo)致發(fā)電的相位、振幅和頻率變得不穩(wěn)定，這可能會使其難以并入電網(wǎng)，造成風(fēng)能的浪費。安裝風(fēng)力渦輪機的成本目前相當高，這也阻礙了這項技術(shù)的廣泛采用，有必要加大力度探索和開發(fā)風(fēng)能技術(shù)，以滿足能源用戶的需求。

2.3 海洋能源

海洋能源是指海洋水體中所含的既可再生又清潔的能源。海洋能源在全球范圍內(nèi)儲備是巨大的，足以為整個世界提供能源。通常有五種不同的能量形式：潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能及鹽度梯度能。不同能源形態(tài)的地理分布差異很大，利用技術(shù)也有很大差異。潮汐能是源于海水與月球或太陽的引力相互作用，包括與水位有關(guān)的勢能和潮流的動能。據(jù)估計，潮汐能每年約為1200 太瓦時，這在所有海洋能量形式中是相對較低的，因為可以收集潮汐能的地點有限。采用攔潮壩來收集潮汐勢能的技術(shù)相對成熟。潮汐壩于20 世紀60 年代開始運行，目前潮汐能在被開發(fā)的海洋能源中占最大份額。波浪能是水波的動能和勢能，分布廣泛，它主要來自風(fēng)，風(fēng)將部分動能傳遞到海洋表面的水。全球波浪能的潛力是每年29500 太瓦時，收集波浪能的技術(shù)不如收集潮汐能的技術(shù)成熟，許多不同類型的裝置正在進行小規(guī)模的商業(yè)化試驗。除了使用電磁發(fā)電機的傳統(tǒng)大型設(shè)備外，基于摩擦電納米發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)也正在發(fā)展，以實現(xiàn)有效的、經(jīng)濟的波浪能收集。海流能儲存在全球海水的大循環(huán)中，它是水流的動能，這種能源的供應(yīng)是穩(wěn)定的，波動很小，它可以用渦輪機來提取，該設(shè)備需要部署在深海和遠離海岸的地方，因此，在利用這種能源方面投入的精力較少。海洋溫差能來自太陽的照射，它加熱了海水的上層，使其溫度不同于深海的水，這種溫差可以主要利用熱循環(huán)發(fā)電，由于提高效率所需的高溫差異，這種形式的能源主要分布在熱帶地區(qū)，這種能源的潛力估計為每年44000 太瓦時，但對于這種能源的利用還處于研究階段。鹽度梯度能是存在于不同鹽濃度水體之間的能量，海水的鹽度在全球范圍內(nèi)不是均勻的，這種能量的利用依賴于在海水中表現(xiàn)強勁的高性能膜。目前正在試驗兩種主要技術(shù)：壓滯滲透和反向電滲析。鹽度梯度能仍然是一種概念能源，還沒有做好商業(yè)化的準備。海洋能源儲備在全球范圍內(nèi)是巨大的，足以為整個世界提供能源。收集潮汐能和波浪能的技術(shù)已經(jīng)接近商業(yè)化。收集海流能、海水溫差能和鹽度梯度能的技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段。海洋能源開發(fā)的主要挑戰(zhàn)在于惡劣海洋環(huán)境下的經(jīng)濟、成本、競爭力和技術(shù)可靠性。通過克服這些挑戰(zhàn)，海洋能源將為世界提供豐富的清潔能源。

3 氧化碳捕獲、利用和儲存技術(shù)

CO2捕獲、利用和儲存(CCUS)技術(shù)包括三個不同的過程：從排放源分離CO2、CO2轉(zhuǎn)換和利用運輸和與大氣長期隔離的地下儲存。CCUS 是實現(xiàn)二氧化碳減排目標的必要技術(shù)國際能源機構(gòu)(IEA)預(yù)測，僅靠提高能源利用效率和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)不能完成減排任務(wù)，到2050 年必須捕獲和儲存19%的CO2排放，才能將全球氣溫上升控制在2℃以下。如果沒有CCUS，到2050 年，CO2減排的總成本將上升70%。

4 結(jié)論和未來展望

目前，隨著全球朝著碳中和的方向發(fā)展，國際社會必須從不可再生能源轉(zhuǎn)向可再生能源，以維持當前的生態(tài)系統(tǒng)，并解決氣候變化問題，以保護人類健康和環(huán)境。如本文所述，在能源和工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中利用可再生資源，促進陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳封存，被視為實現(xiàn)碳中和和可持續(xù)發(fā)展目標的可能途徑。然而，目前的研究水平還沒有解決在生產(chǎn)系統(tǒng)中有效利用可再生資源和減少依賴化石燃料的問題，許多問題仍然需要科學(xué)、社會經(jīng)濟政治和技術(shù)解決方案，旨在全球范圍內(nèi)減少溫室氣體排放。

首先，鑒于全球可再生能源資源的潛力超過全球能源需求，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要加強可再生能源的生產(chǎn)，逐步淘汰化石燃料的使用。太陽能、風(fēng)能和其他可再生能源的間歇性是限制用可再生能源替代化石燃料的主要挑戰(zhàn)之一。能源儲存顯然是解決一些可再生能源間歇性的辦法。然而，儲能的可擴展性和成本效益受到許多約束和限制。儲能的發(fā)展和推廣帶來了科學(xué)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，以及必須解決的經(jīng)濟和監(jiān)管問題，以推動儲能行業(yè)的投資和競爭。由于節(jié)約能源和減緩氣候變化之間有著明顯的聯(lián)系，盡量減少最終用途部門的能源消耗將有助于可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)碳中和目標。

其次，盡管CCUS 方法在我們追求碳中和的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但目前CCUS 技術(shù)的采用受到其高能耗和高成本的阻礙。碳捕獲和碳存儲需要科技創(chuàng)新來實現(xiàn)低能耗甚至凈零能耗。多聯(lián)產(chǎn)、化學(xué)循環(huán)燃燒以及結(jié)合化石燃料和可再生能源捕獲二氧化碳的技術(shù)可能為CCUS 開啟一個新時代。

最后，鑒于監(jiān)測來自空間的溫室氣體排放對確保世界順利實現(xiàn)其減緩氣候變化的目標至關(guān)重要，需要進一步加強監(jiān)測來自衛(wèi)星的溫室氣體排放的準確性和時空分辨率，以便更全面和及時地監(jiān)測溫室氣體排放源和速率。衛(wèi)星監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的能力和準確性也需要提高。海洋碳匯潛力遙感監(jiān)測需要新的理論突破。基于陸海空聯(lián)合觀測進行準確的碳預(yù)算計算是碳峰值和碳中和決策的重要依據(jù)。

總之，本文闡明了構(gòu)建碳中和未來技術(shù)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和前景。然而，為了滿足重組全球發(fā)展體系和保護自然資源的迫切需要，需要世界各國采取協(xié)作行動來減少溫室氣體排放，促進技術(shù)和自然系統(tǒng)的碳封存。此外，促進綠色經(jīng)濟的全球科技創(chuàng)新必須得到財政和戰(zhàn)略上的支持，以加速實現(xiàn)碳中和的目標。