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杜祥琬院士:试论碳达峰与碳中和

(来源:环境工程   《学术前沿》杂志,作者:杜祥琬,转自:人民智库  )
 
 
        2020年中国向世界宣示了2030年前实现碳达峰,2060年前力争实现碳中和的国家目标。这不仅是我国积极应对气候变化的国策,也是基于科学论证的国家战略;是国内生态文明建设和对外构建人类命运共同体的融合点,也是推动双循环、促进新发展格局的抓手;它更清晰了“能源革命”的阶段目标,也要求我们为能源低碳转型作出更为扎实、积极的努力。
 
        中国工程院院士杜祥琬认为,碳减排双目标是能源革命的两个里程碑,是有机联系的两个目标,实质都是低碳转型,二者相辅相成。实现双目标必须从人类文明形态进步的高度认识能源革命,树立新的能源安全观,重新认识我国的能源资源禀赋,实现公平、公正的能源转型,牢牢把握实现碳减排双目标的九个抓手,深刻推动国家的经济社会进步和长远的可持续发展。 
 
实现碳减排双目标的路径是什么?
 
        1.从人类文明形态进步的高度来认识能源革命。现代非化石能源巨大的进步正在推动人类由工业文明走向生态文明,这是又一轮深刻的能源革命。“能源低碳化事关人类未来”已经是全球高度的共识。
 
        2.树立新的能源安全观。能源安全很重要的是供需安全,要以“科学供给”满足“合理需求”。除此之外,环境安全、气候安全,能源造成的环境问题(大气、水、可持续等)和气候问题要解决好。
 
        3.重新认识我国的能源资源禀赋。丰富的非化石能源资源是我国能源资源禀赋的重要组成部分。重新认识我国的能源资源禀赋,是正确认识本国国情的要素。对于确保国家长远的能源安全、引导能源转型具有方向性、战略性的意义。
 
        4.能源转型中的化石能源。化石能源要尽可能适应能源转型,做出贡献。应坚持清洁、高效利用,发电为主,通过技术进步,减少非发电用煤;发展清洁供暖,更大力度替代散烧煤;与非化石能源协调互补,支持能源结构优化。
 
        5.实现碳减排双目标的九个抓手。“能源减碳”与“蓝天保卫战”协同推进。大力推进节能提效。做好电力行业、交通行业及工业领域减排。推行超低能耗建筑,打造一体化新型建筑配电系统。发展循环经济,促进固废资源化利用,发展碳汇,鼓励CCUS等碳移除和碳循环技术。用好碳交易、气候投融资等引导碳减排的政策工具。
 
01、碳减排双目标的来历和含义
 
        1.《巴黎协定》是“最低限度行动”
 
        新冠疫情启示我们,人类需要一场自我革命。气候变化是另一种全球性非传统安全问题,全球平均温度持续上升、山地冰川物理量明显减少、北极海冰范围显著缩减、海平面上升、极端天气气候事件增多增强等气候变化的事实强烈警示并呼唤人类采取紧迫行动。在此背景下,世界各国共同努力达成的《巴黎协定》,是人类近代史上少有的理性成果,是气候变化全球治理的里程碑和新起点。
 
        现代气候变化的主因是人类活动排放的温室气体。大气中的温室气体包括二氧化碳、甲烷和氮氧化物等多种,但主要是二氧化碳(约占73%),而二氧化碳排放的90%来自化石燃料(煤炭、石油、天然气)的燃烧。当前,全球一次能源利用中84%来自化石能源,其二氧化碳排放375亿吨(2018年),其次是甲烷排放等。下图是世界主要国家二氧化碳排放总量图,横轴是时间(不同年份),纵轴是二氧化碳排放量(亿吨为单位)。可以看出,2006年后中国(图中红线所示)成为世界二氧化碳第一排放大国,2019年我国二氧化碳排放将近98.26亿吨,超过了美国(49.65亿吨)和欧盟(41.11亿吨)的总和【1】。
 
 
图1 世界主要国家二氧化碳排放总量图(数据来源:GCP)
 
        根据荷兰环境评估署(PBL)2020年发布的数据,自2010年以来,全球温室气体排放总量平均每年增长1.4%。2019年创下历史新高,不包括土地利用变化的排放总量达到524亿吨二氧化碳当量,分别比2000年和1990年高出44%和59%【2】。世界资源研究所的研究表明,全球已经有57个国家实现了碳排放(温室气体排放的简称)达峰,占全球碳排放总量的36%,预计到2030年实现碳排放达峰的国家将有59个,将占到全球碳排放总量的2/3。根据2018年政府间气候变化专门委员会(IPCC)1.5℃特别报告的主要结论,要实现《巴黎协定》下2℃目标,要求全球在2030年比2010年减排25%,在2070年左右实现碳中和。而实现1.5℃目标,则要求全球在2030年比2010年减排45%,在2050年左右实现碳中和【3】。同时,根据联合国环境规划署最新发布的《排放差距报告2020》,要实现2℃和1.5℃的温控目标,则2030年全球温室气体排放量必须比各国的国家自主贡献再多减少150亿吨和320亿吨【4】,整体减排力度须在现有的《巴黎协定》承诺基础上有更大决心的提升,因此各国要在2021年气候大会上给出更进一步的目标,我国主动提出碳减排双目标,这是一个大背景。
 
2.理念和实践的发展变化
 
        我国在承受气候灾害和风险的同时,也为高碳、粗放的发展付出了沉重的资源、环境代价,制约着我国的可持续发展。积极应对气候变化不仅是为了规避气候变化的风险,而且是为了提高我国经济增长的质量和效益,破解资源、环境的约束,事关国家的全局和未来。
 
        我国“十一五”规划第一次提出了节能减排的概念;2014年中央提出了“能源革命”,并且明确“应对气候变化是我们自己要做,不是别人要我们做”;2015年我国向联合国提交了国家自主贡献(NDC),并为《巴黎协定》的达成做出了重要贡献,党的十八届五中全会还提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念;“十三五”规划提出能耗总量和能源强度双控目标,并将能源强度、碳强度列入了各地考核指标;2019年超额完成了我国承诺的2020年碳强度比2005年下降40%—45%的指标,实际上达到48%;2020年提出了碳减排双目标,既立足于我国现实和发展阶段,又体现“共区原则”。
 
3.“十四五”和“十五五”是关键期
 
        中国经济社会发展已经进入一个新阶段,正从高速增长走向高质量发展,从外延扩张型的平面发展走向更注重质量的立体深度发展【5】。碳减排双目标是能源革命的两个里程碑,是有机联系的两个目标,实质都是低碳转型,二者相辅相成。要在2030年前实现碳达峰,仅剩不到十年,“十四五”和“十五五”是碳达峰关键期。
 
        “十四五”和“十五五”能源行业要走上高质量发展的新征程。
 
        “十四五”期间:能源的增量主要依靠非化石能源(可再生能源和核能)和天然气提供。因此,要大力调整产业结构,特别是要抑制高耗能产业发展的冲动,加上技术创新进步,节能提效取得更好成效。要迈开能源转型的坚实步伐,除了非化石能源自身的发展外,电力、热力系统要增强灵活性,为新能源更高比例做好准备。“十四五”期间煤炭消耗不再增长,要做到煤达峰,甚至煤过峰。积极推动核电发展,走出新局面。
 
        “十五五” 期间:随着非化石能源进一步增长与再电气化的发展,开始部分替代煤和油的存量。在此期间“煤炭+石油”的消耗要尽早达峰,中东部比较发达的地区要率先实现2030年前碳达峰,逐步建立我国的新能源电力体系、能源体系,基于这个能源体系的经济体系将支撑我国的生态文明社会的建设和发展。
 
 
4.关于碳中和
 
        碳中和是指将全球温升稳定在一个给定的水平,意味着全球“净”温室气体排放需要大致下降到零,即在进入大气的温室气体排放和吸收的汇之间达到平衡【6】,本文中的碳中和主要针对二氧化碳,可以用一张图(见图2)和三个公式简单归纳。
 
 
图2 碳中和示意图
 
 
 
 
 
 
        公式(1)是能源的碳排放,需对煤炭、石油、天然气分别求算后加和。公式(2)意味着碳汇主要来自于林业碳汇和CCS(含CCUS)。碳中和即能源的碳排放降低至等于碳汇,亦可说碳汇足以抵消剩余碳排放,即公式(3),也就意味着图2天平秤左右两边秤砣相当。当今世界和中国的现实是,公式(1)的排放值都远远大于公式(2)的碳汇值。要做到中和,主要的着力点应该在减排,关键在于能源,由此可以得出碳中和三要素。第一,节能提效,降低能源消费总量。化石能源为主的今天,节能提效是全球和中国降碳的首要措施,交通、工业、电力、建筑这些领域的潜力都很大;第二,替代,在能源结构中降低化石能源(特别是煤炭),高比例发展非化石能源,使它成为高质量的能源。第三,移除,增加碳汇(及CCUS)。
 
 
02、实现碳减排双目标的路径
 
        1.从人类文明形态进步的高度来认识能源革命
 
        人类文明形态的不断进步是历史的必然,能源革命是基础和动力。现代非化石能源巨大的进步正在推动人类由工业文明走向生态文明,这是又一轮深刻的能源革命。“能源低碳化事关人类未来”已经是全球高度的共识。欧盟2020年提出了绿色复苏计划,决定投入1.82万亿欧元,努力成为第一个碳中性大陆;美国新一届政府已经宣布了重返《巴黎协定》;德国宣布2050年要实现温室气体净零排放。企业层面,近期国内外众多能源公司纷纷发布碳中和目标、行动方案。
 
        2.树立新的能源安全观
 
        能源安全很重要的是供需安全,要以“科学供给”满足“合理需求”。目前阶段,一方面是化石能源供给,另一方面要逐步倚重自己可以掌控的非化石能源供给。值得强调的是,可再生能源资源的利用是我国自己可以掌控的,它不依赖国际地缘政治的变幻,有利于能源体系的独立性和安全性。牵引可再生能源快速增长的,是经济社会可持续发展的需求,而支撑其稳定、快速增长的是其背后的自然资源和开发这些资源的技术能力的提升及成本的不断下降。能源安全除包括供需安全外,还应当包括环境安全、气候安全,能源造成的环境问题(大气、水、可持续等)和气候问题要解决好。
 
        3.重新认识我国的能源资源禀赋
 
        我国中东部的能源可以按“身边取和远方来”相结合、“分布式与集中式”相结合的思路发展。在西北地区建电力大基地,通过特高压西电东送(集中式、远方来)只是一种模式,而“分布式、身边取”将提高中东部能源自给比例,论证表明:这种模式的资源可供性、技术可行性和经济可行性都是成立的,不仅有助于“源网荷储一体化”的局域电网,“微网”和“虚拟电厂”的批量生长,可减缓“西电东送”和“北煤南运”的压力,而且对我国能源结构低碳化、空间格局的趋于平衡、城乡一体化的能源基础设施升级都是有利的。重新认识我国的能源资源禀赋,是正确认识本国国情的要素。对于确保国家长远的能源安全、引导能源转型具有方向性、战略性的意义。
 
        4.能源转型中的化石能源
 
        我国是世界最大的煤炭生产和消费国,煤炭目前仍是我国能源供应的基础性能源,应坚持清洁、高效利用,发电为主,通过技术进步,减少非发电用煤;发展清洁供暖,更大力度替代散烧煤,煤炭消耗总量在“十四五”尽早达峰;同时,与非化石能源协调互补,支持能源结构优化。2019年我国煤炭消费占能源消费总量比重为57.7%,能源偏煤,转型有困难的一面,但也恰恰可以在低碳转型中从能效方面获益更多。技术进步加上能源结构转型,能源强度到2050年会下降40%。稳油增气,要常非并重、陆海并举、加强勘探、增加储备。提高天然气消费的比例,2025年前后石油消费进入平台期。
 
        5.实现碳减排双目标的九个抓手
 
        (1)“能源减碳”与“蓝天保卫战”协同推进。虽然温室气体排放和污染排放是两个不同的概念,但在中国以化石能源为主的能源结构下,它们基本同根、同源,走向绿色和走向低碳采取的实际行动是高度一致的【7】。随着碳达峰和进一步降碳,化石能源将逐步减量,空气质量的特征量PM2.5将逐渐下降,首先达到国家标准35ug/m3,并进一步达到全球标准15ug/m3。
 
        (2)节能、提效,潜力巨大。我国节能成绩很大,但至今我国单位GDP能耗是世界平均水平的1.3倍、是OECD国家平均水平的2.7倍。在当前消费水平和化石能源为主结构下,能耗降1%,就可减0.5亿吨标煤,减排1亿多吨二氧化碳。最大的潜力在产业结构调整,高耗能产业占比过大,传统高耗能产业已进入总量达峰和下降期,抑制发展高耗能产业的冲动是当务之急。其次,管理和政策节能、技术进步节能、生活方式节能等潜力也不小。节能提效是降碳的首要举措,控制高碳化石能源总量是重点。
 
        (3)电力行业减排。电力行业占碳排放总量的40%左右,主要是煤电。在推动煤电高效、洁净化利用,热电联产,生物质掺烧同时,逐步、有序减少煤电。要大力开发非化石能源电力,发展智能电网、储能、分布式,提升配电网服务水平。可再生能源除提供电力外,还可提供“绿氢”、供热(冷)。核电根据国家“安全前提下,积极有序发展”的要求,做出新贡献。
 
        (4)交通行业减排。大力发展公共交通,切实提倡绿色出行。公路、铁路交通走电气化之路,培育电动车和氢燃料电池车,以电代油或以氢代油,实质上是以可再生零碳燃料替代石油。不易电动的航空动力,可以由生物航空燃油和合成航空燃油及氨代替石油。逐步建成美丽中国脱碳的交通能源体系。
 
        (5)工业减排。工业耗能占到全社会能耗的60%。实现碳减排双目标,需要工业部门尽早碳达峰和深度减排。通过产业结构调整,继续推进工业节能,抑制发展高耗能产业的冲动,同时,大幅度提高电力化的水平。在轻工业方面可以发展热泵、电加热来取代锅炉。技术进步可带来明显的减排效益,将带来行业颠覆性转型和产业重新布局。冶金可以从煤炭时代走向绿氢冶金时代。
 
        (6)建筑,包括建造和运行。电气化是关键,供暖、制冷、照明、烹饪、家用电器等均可电气化,电则主要来自可再生能源,还可利用工业余热。推行超低能耗建筑,建筑的改造(如护围)不仅可以节能,还能产能,利用BIPV(与建筑结合的光伏),电力自发自用,潜力巨大,“能源产消一体化”国内外已有成功案例。我国城乡建筑面积大约600亿平方米,可利用的面积大约250亿平方米,外加其他建筑表面,即使用50%,可装15亿千瓦的光伏,每年可以发电2万亿千瓦时。要提高灵活性电源,储电、电动车等等成为一体化的新型建筑配电系统。同时数字化、智能化的应用,智能家居、智能家用电器的普及会加速建筑业的脱碳。
 
        (7)循环经济——固废资源化利用,把废弃物分类资源利用的程度,作为现代化的一个必备的标志。减少垃圾填埋、高比例资源化,将减少填埋垃圾产生的温室气体;能源转型产生新型固废、新冠疫情产生的新型固废,要做好循环利用;固废中再生资源(如金属)的利用,可大幅降低冶金的煤炭消耗,为国家实现碳中和目标做贡献。
 
        (8)发展碳汇,同时,鼓励CCUS等碳移除和碳循环技术。目前我国生态系统的碳汇能力大约为每年12亿吨二氧化碳,我们国家也宣布了森林蓄积量2030年将比2005年增加60亿立方米,碳汇还有增长的空间。同时,各种CCUS等碳移除和碳循环技术也将为实现碳中和目标作出贡献。 
 
        (9)将碳交易、气候投融资,能源转型基金、碳中和促进法作为引导碳减排的政策工具。
 
03、结语
 
        碳达峰、碳中和双目标是基于我国国情和科学论证的目标,不仅有路径、可操作,而且将带动一系列技术进步,带来新投资、新产业、新交通、新建筑、新能源……和新的发展方式,深刻推动经济和社会进步及生态文明建设,实现经济、能源、环境、气候共赢和可持续发展。实现碳达峰与碳中和是复杂的系统工程,需掌握好工作的节奏,做好积极而稳妥。
来源:《学术前沿》杂志,作者:杜祥琬,转自:人民智库