我國實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)路徑分析

2022.8.04

　　我國碳中和實(shí)現(xiàn)路徑確立了“以減少碳排放為主、增加吸收為輔”的技術(shù)路線，減少碳排放的關(guān)鍵是降低化石能源使用，找到清潔能源替代化石能源；增加碳吸收的難點(diǎn)在于碳匯作用有限，關(guān)鍵要降低固碳成本。能源發(fā)電和交通運(yùn)輸是當(dāng)前碳中和的重點(diǎn)，應(yīng)加快儲能技術(shù)研究和數(shù)字化技術(shù)融合應(yīng)用，抓住航空、航海領(lǐng)域的減排機(jī)遇。

　　據(jù)聯(lián)合國氣候變化委估算，與工業(yè)革命前相比，全球平均氣溫已經(jīng)上升了1℃左右。如果持續(xù)目前的速度，每過10年，全球就會變暖0.2℃。因此，2015年，195個國家在巴黎氣候大會上達(dá)成了《巴黎協(xié)定》，總體目標(biāo)是將全球升溫幅度限制在1.5℃。氣候變暖主要是人類燃燒化石燃料、排放二氧化碳等溫室氣體造成的。所以，人類想辦法抵消產(chǎn)生的二氧化碳，實(shí)現(xiàn)宏觀層面的清零，或者叫零排放，這就是所謂的碳中和。碳中和也被寫進(jìn)我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要。隨著我國正式宣布在2030前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這個命題成為未來40年影響我國產(chǎn)業(yè)、企業(yè)和個體的重要因素。

　　我國實(shí)現(xiàn)碳中和的總體技術(shù)路線

　　所謂碳中和，是指在宏觀賬面上碳清零。要實(shí)現(xiàn)碳中和，一是減少碳排放，二是增加碳吸收。關(guān)鍵是哪個為主、哪個為輔。表面上看，以增加碳吸收為主更簡單，因?yàn)榘雅欧诺奶既课盏?，就可以只做增量的事，不用破壞已有的事，而減排需要“傷筋動骨”。從2021年10月發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》來看，我國選擇了更復(fù)雜的路線，以“減少碳排放”為主，“增加碳吸收”為輔。

　　減少碳排放的難點(diǎn)是降低化石能源的使用。以煤炭為例，我國每年燒煤高達(dá)40億噸，2/3用在鋼鐵、水泥、有色金屬等支柱產(chǎn)業(yè)中。在這種生產(chǎn)型的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)下，減排對國民經(jīng)濟(jì)、就業(yè)，以及基礎(chǔ)設(shè)施都存在巨大的挑戰(zhàn)，需要逐步推進(jìn)。所以在碳中和前期，提高化石能源使用效率成為電力、石化等行業(yè)重要的發(fā)展方向。例如，發(fā)展陶瓷膜分離技術(shù)、催化燃燒技術(shù)等。國家發(fā)改委于今年2月發(fā)布《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南（2022年版）》，大力推動高能耗行業(yè)節(jié)能降碳。

　　減少碳排放的關(guān)鍵是找到清潔能源替代化石能源。據(jù)中國碳排放數(shù)據(jù)庫公告，在全國所有涉及化石能源的行業(yè)中，電力行業(yè)的排放量最大，占總排放量的44%。在電力行業(yè)中，火力發(fā)電的占比最大，裝機(jī)容量占全國總體的90%左右，所以要降低電力行業(yè)的碳排量，就必須找到清潔能源替代火電，成為發(fā)電的主力。比如光伏、風(fēng)能、核能等。除了電力，所有涉及燃燒化石能源的行業(yè)包括交通運(yùn)輸、建筑、鋼鐵等都需要替代方案。

　　增加碳吸收的難點(diǎn)在于碳匯所起的作用杯水車薪。植物吸收二氧化碳，在生態(tài)學(xué)里叫碳匯。但植物不僅通過光合作用吸收二氧化碳，還通過呼吸作用釋放二氧化碳，或者樹木死去或燃燒，吸收的二氧化碳又被釋放出來。據(jù)統(tǒng)計，每年全球約1.7%森林發(fā)生自然大火，以美國加州為例，2020年森林火災(zāi)共釋放1.12億噸二氧化碳，相當(dāng)于2400多萬輛汽油車一年的碳排量。中國社科院城市發(fā)展與環(huán)境研究所潘家華教授認(rèn)為，森林吸收的碳只占所有碳排放的8%左右，而燃燒化石能源產(chǎn)生的碳占90%以上，所以想通過森林來吸收碳，也只是杯水車薪。

　　增加碳吸收的關(guān)鍵是降低技術(shù)固碳的成本。首先是經(jīng)濟(jì)成本。例如，上海一家火電廠進(jìn)行碳捕捉試點(diǎn)，每千瓦時發(fā)電成本從0.26元提高到0.5元，已經(jīng)高于現(xiàn)在光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電的平均價。其次，是碳成本。據(jù)北京高碑店、上海石洞口，以及國際上實(shí)際運(yùn)行情況來看，完全捕捉二氧化碳，工廠每小時耗電量增加30%~50%。這些多消耗的電如果不發(fā)展新能源還要靠化石能源。所以，碳捕捉技術(shù)的底層邏輯存在矛盾，該項(xiàng)工作需要專業(yè)設(shè)備和裝置，而制造、運(yùn)轉(zhuǎn)這些設(shè)備裝置，又需要額外耗能。

　　能源發(fā)電和交通運(yùn)輸碳減排技術(shù)路徑

　　一是風(fēng)力發(fā)電。我國國土面積雖然大，但風(fēng)能資源分布不均勻。陸地風(fēng)能主要集中在華北、東北和西北地區(qū)。如果讓風(fēng)能發(fā)電成為主力，就必須解決東南沿海省份陸上風(fēng)能資源不夠用的問題。解決方案有兩種，一種是依靠特高壓輸電，實(shí)現(xiàn)西電東送。我國特高壓輸電技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，但電網(wǎng)改造難度大，覆蓋全國的特高壓輸電網(wǎng)，短期看可能性不大。第二種是發(fā)展海上風(fēng)電。相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電有3個優(yōu)勢：儲量大、效率高、就近便利。2021年廣東、江蘇、浙江等沿海省份出臺的“十四五”能源規(guī)劃，均把海上風(fēng)電作為重點(diǎn)發(fā)展方向。據(jù)中國行業(yè)研究網(wǎng)數(shù)據(jù)，截至2021年我國海上風(fēng)電的裝機(jī)容量超過11GW，超過英國成為全球第一。所以，未來風(fēng)電有可能作為新能源的主力。海上風(fēng)電面臨的主要問題是電價高，高于光伏電價，需要提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本。有4個可能的解決辦法：第一，風(fēng)機(jī)大型化；第二，通過數(shù)字技術(shù)，降低運(yùn)維成本；第三，開發(fā)大型漂浮式電站；第四，創(chuàng)新海底電纜材料、制造工藝和輸電技術(shù)。據(jù)天眼查數(shù)據(jù)研究院統(tǒng)計，截至2021年年底我國風(fēng)電相關(guān)企業(yè)數(shù)量達(dá)5.3萬家，65%的企業(yè)注冊成立在5年內(nèi)。

　　二是光伏發(fā)電。目前，我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量占全國總裝機(jī)容量12%，如果光伏發(fā)電要成為主力，替代火電，必須解決發(fā)電不穩(wěn)定問題。光伏發(fā)電的基本原理是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)作用在半導(dǎo)體材料，將光能轉(zhuǎn)化為電能。因此，易受天氣影響，導(dǎo)致發(fā)電不穩(wěn)定。可以通過發(fā)展光熱電站、加儲能、改進(jìn)發(fā)電機(jī)技術(shù)等解決電網(wǎng)穩(wěn)定的問題。2022年華為推出了智能光伏電機(jī)，融入了數(shù)字技術(shù)，包括大數(shù)據(jù)分析、AI等。另外，光伏發(fā)電還有巨大的降本增效空間。首先是原材料創(chuàng)新，提高發(fā)電效率。碲化鎘薄膜電池比硅電池發(fā)電能力更強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率更高。其次是數(shù)字化技術(shù)幫助光伏電站降低運(yùn)維成本。今年1月，工信部等5部門聯(lián)合印發(fā)《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2025年）》，大力發(fā)展智能光伏產(chǎn)業(yè)。

　　三是核能發(fā)電。在世界范圍內(nèi)，核電可否作為主力能源的爭議較大。主要是核廢料問題、核泄漏風(fēng)險和選址必須靠近江河湖海。第四代核電技術(shù)已經(jīng)解決核泄漏和選址問題，也大大減少了核廢料總量。去年，我國自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)“華龍一號”核電機(jī)組出口，幫助其他國家解決能源問題，促進(jìn)共同發(fā)展。

　　四是發(fā)展儲能。儲能是解決風(fēng)光電不穩(wěn)定的措施，有兩條主要途徑，途徑一為電池儲能，包括鉛酸電池、鋰電池、電池集裝箱等，但其實(shí)較難滿足需求。原因主要是儲能時間短，遇到極寒天氣電量快速釋放等，原材料資源有限，儲能需求缺口大，電化學(xué)產(chǎn)能跟不上。因此，2021年出現(xiàn)了一些新的儲能前沿技術(shù)，其中，電磁儲能和超級電容技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室階段，飛輪儲能、壓縮空氣儲能、液流電池處于示范項(xiàng)目階段，儲氫技術(shù)處于商用化階段。2021年7月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲能的全面市場化。短期內(nèi)沒有成熟的路徑，繼續(xù)著手改進(jìn)和升級電池，值得關(guān)注。一是發(fā)展鈉電池。鋰資源有限、對溫度敏感，而鈉電池相比鋰電池，雖然能量密度低，但溫度適應(yīng)能力好，在-40℃~+80℃環(huán)境下可以工作，且儲量豐富，是鋰的上千倍。二是提升電池儲能效率，通過創(chuàng)新溫控技術(shù)，改變電池組排列方式，數(shù)字化管理電池等方式。三是實(shí)現(xiàn)電池梯次利用。途徑二為抽水蓄能，這是解決儲能問題的重要手段。根據(jù)國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動方案》，到2030年實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站裝機(jī)容量約1.2億千瓦，是現(xiàn)在的3倍多。同時，抽水蓄能也有需要克服的問題，如需求和選址資源不匹配。

　　五是交通運(yùn)輸減排。2021年中國國際金融有限公司引入概念，叫“綠色溢價”。這個概念是2020年比爾蓋茨提出的，專門用來衡量什么才是碳中和的重點(diǎn)。綠色溢價，是指與當(dāng)前現(xiàn)有排放技術(shù)的生產(chǎn)成本相比，使用零排放技術(shù)的生產(chǎn)成本提升的比例。根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，在排放量最大的8個行業(yè)中，建材行業(yè)的減排難度最大，是排在第二位交通運(yùn)輸業(yè)的兩倍，之后依次是化工、電力、鋼鐵、造紙、石化、有色金屬。建材行業(yè)減排難度大是因?yàn)橛行┥a(chǎn)環(huán)節(jié)沒辦法做到不排碳，而交通運(yùn)輸業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新，這個難度可能會大幅下降，這就是減排的重點(diǎn)。其中，新能源汽車技術(shù)相對成熟，綠色溢價只有18%。航空和航海的綠色溢價是新能源汽車的十幾倍，這里存在大機(jī)遇。航空減排方法有3種，一是發(fā)展電動飛機(jī)。瓶頸是電池容量，裝多了飛不動，裝少了飛不遠(yuǎn)。二是發(fā)展氫燃料。2021年空客推出了三款氫燃料飛機(jī)的概念圖。三是發(fā)展可持續(xù)燃料。短期更有前途的是發(fā)展可持續(xù)燃料，已寫進(jìn)我國《2030年前碳達(dá)峰行動方案》。航海減排有很大的機(jī)會點(diǎn)，第一步“油改氣”，第二步“氣改電”，發(fā)展純電動船運(yùn)。這對電池企業(yè)是個大機(jī)遇，寧德時代已經(jīng)開始布局。預(yù)計2025年，航海用鋰電池市場規(guī)模將達(dá)到550億元。

　　碳吸收、碳交易和碳管理技術(shù)路徑分析

　　碳吸收。據(jù)《中國能源電力發(fā)展展望2021》報告，到2060年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍然可能有20%左右的化石能源，這就需要通過碳吸收來解決。增加碳吸收雖然為輔，但也需要關(guān)注。一是碳匯。森林碳匯是杯水車薪，但海洋碳匯可能是較好的解決方案。人類排放到大氣中的二氧化碳，有近1/3是被海洋吸收的。聯(lián)合國2009年發(fā)布報告指出，約93%的碳被暫時存儲在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)學(xué)專家趙斌教授認(rèn)為，“靠碳匯吸收的碳，未來可能重新被釋放回空氣中，這給碳交易帶來極大的風(fēng)險。環(huán)境保護(hù)為的不是增加二氧化碳的吸收，而是保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)這個大‘碳庫’，在全球變暖的過程中，不會把儲存的碳排放出來”。二是碳捕集、碳封存。目前還處于示范階段，沒有達(dá)到商用水平。2021年微軟花重金投資瑞士一家做“直接空氣碳捕集”的公司，目前處于示范階段，每處理1噸二氧化碳，成本在600美元~800美元之間，還有巨大的下降空間。

　　碳交易。據(jù)中金公司預(yù)測，到2060年，碳中和需要投資140萬億元，相當(dāng)于每年3.5萬億元，占年GDP總量的2%。中國人民銀行行長易綱表示，實(shí)現(xiàn)碳中和需要巨量投資，要以市場化方式，引導(dǎo)金融體系提供所需要的投融資支持。引導(dǎo)方式包括，一是綠色金融。如綠色信貸、綠色債券等。目前處在起步階段還存在不少問題，包括標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、投資過于集中、與國家整體需求不匹配等。二是碳交易市場。2021年7月全國碳交易市場正式上線交易，其運(yùn)行機(jī)制是每年國家會發(fā)放排放配額，一年內(nèi)配額不夠用可從碳交易市場里的其他主體購買，交易價格根據(jù)供需情況實(shí)時波動。碳交易的主體是企業(yè)，包括兩類，一類是強(qiáng)制參與的，如發(fā)電企業(yè)。另一類是自愿參與的，任何發(fā)展新能源技術(shù)的企業(yè)都可以參與。2021年7月，全國2200多家發(fā)電企業(yè)成為首批參與碳交易的企業(yè)。截至2021年年底，全國碳市場碳排放配額（CEA）累計成交量1.65億噸，累計成交額69.31億元。三是市場機(jī)制催生創(chuàng)新。碳交易市場發(fā)展釋放3個機(jī)遇，一是在“少排能賺錢、多排要掏錢”的規(guī)則下，燃燒化石能源的企業(yè)更有動力采購相應(yīng)的減排技術(shù)。對于研發(fā)新技術(shù)的企業(yè)，也多了一個重要的變現(xiàn)途徑。二是金融代理服務(wù)可能會迎來發(fā)展。三是碳交易市場需要數(shù)字化技術(shù)手段支撐，包括人工智能在能耗監(jiān)測、上報等環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，區(qū)塊鏈保證上報信息不被篡改，云計算讓不同地域的市場主體更方便、快捷地進(jìn)行交易，大數(shù)據(jù)有效管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析等。

　　碳管理。做好碳管理，要有一本賬，記錄這個“碳”進(jìn)出的賬冊，稱為碳賬本，最終通過這本賬可計算出年度凈排放額，這就是碳足跡。首先，不僅是國家規(guī)定的控排企業(yè)要做碳管理，非控排企業(yè)也要做碳管理，阿里巴巴、百度、京東、萬科等都已開始做碳管理。原因有二，一是回應(yīng)政策，彰顯社會責(zé)任，同時應(yīng)對來自國外競爭對手如谷歌、微軟、蘋果等公司的壓力。二是在產(chǎn)業(yè)鏈傳導(dǎo)下，行業(yè)龍頭企業(yè)倒逼產(chǎn)業(yè)鏈上的中小企業(yè)一起減排。碳賬本要按3個范圍來記碳排放額，即企業(yè)燃燒化石能源直接產(chǎn)生的碳排放、企業(yè)用電間接產(chǎn)生的碳排放、下游企業(yè)為保證生產(chǎn)而產(chǎn)生的碳排放。其次，碳管理服務(wù)成為新賽道。去年金風(fēng)科技智慧園區(qū)成為中國首個獲得可再生能源碳中和認(rèn)證的智慧園區(qū)。金風(fēng)科技把碳管理服務(wù)作為自己重要的發(fā)力點(diǎn)，積累經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)型成為碳管理解決方案提供商。

碳中和

中國工業(yè)和信息化

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