第1章 “碳中和”的路径、机遇和挑战
1.1 2060“碳中和”的路径、机遇和挑战
2020年9月22日，在七十五届联合国大会一般性辩论上，中国明确了在2060年前实现“碳中和”的目标。目前中国年二氧化碳排放量约为100亿t，简而言之，就是从2020年到2060年这短短的40年，中国年二氧化碳净排放要从100亿t变为0亿t。我们通过何种路径才能完成“碳中和”的目标，这一雄心勃勃的计划会对中国带来怎样的机遇与挑战呢？
“碳中和”意味着社会活动引起的二氧化碳排放和商业碳汇等活动产生与从空气中吸收的二氧化碳的量相等。实际生产生活中，人类不可能不排放二氧化碳，即使电力行业实现了全额可再生能源，其他行业也很难做到生产过程的零排放，例如水泥制备过程中的导致碳排放等。而“碳中和”的概念提供了新的思路：通过拥有等量碳汇或者国外的碳减排信用抵消自身的碳排放。
2060年达到“碳中和”的目标，与之前的气候变化大会所提到的2020年碳强度目标(2020年实现单位GDP二氧化碳排放相对于2005年降低40%～45%的目标)，2030年的“双控”目标(2030年二氧化碳排放相对于2005年降低60%～65%并争取实现达峰的目标)要高出很多。新的目标不仅要求碳排放下降(因为在大体量的碳排放下，达到等量的碳汇或碳信用是几乎不可能的)，同时还考虑了负碳排放技术相关的商业活动等，做到整个国家的经济活动不再对外界贡献碳排放。
“碳中和”，用更通俗的话说，就是“净零排放”，可以理解为二氧化碳的净零排放，也就是中国排放的二氧化碳要和固定的二氧化碳总量相等。实现“碳中和”，从排放端必须考虑工业和电力的能源效率、可再生能源的使用，但受资源、技术局限或安全、经济等因素，少部分排放并不能完全避免。不可避免的排放一方面可以通过森林、海洋等碳汇进行自然吸收，一方面需要一定量的人工碳汇，比如碳捕获、利用和封存技术(carbon capture， utilization and storage，CCUS)等。
1.1.1 2060“碳中和”路径
1. 温室气体减排成本曲线
根据“碳中和”的基本公式：商业活动导致的碳排放=碳汇总量+碳信用总量，需要考虑的技术不仅仅是节能减排技术，同时还要考虑负碳排放技术。
根据麦肯锡供给推出的“温室气体减排成本曲线”[1]，可以对各类技术和商业手段的减排成本有一个大致了解，其曲线见图1.1。在该减排报告中，在80欧元每吨二氧化碳的排放成本压力下，大多数效率提升及节能技术被认为成具有负的减排成本，即如果全社会实行了该项减排方式，对社会经济具有正向的收益。例如，在居民端将所有的白炽灯换为LED灯；提高电动机系统的效率、第1、2代生物燃料、不插电混动汽车与插电混动汽车、废物回收、粉煤灰替代熟料、隔热改装等。这些技术与方法大多是目前有条件且有能力做，但是不容易被重视的一端。另外，研究发现，具有负减排成本的技术和手段大多存在于居民侧，而居民侧的改革范围广、成本管理困难，导致不易推行。
由图1.1可知，风能、太阳能、核能、碳捕集与封存(carbon capture and storage，CCS)等减排手段的减排成本较高，且这些技术受到的关注度普遍更高，主要原因是这些减排方案和技术更容易推广且效果易于核算。另外一些减排成本较低的技术主要集中在第一产业，如退化森林与土地的恢复、有机土壤恢复、降低牧场转移率等技术。
2. 2060“碳中和”路径分析
根据麦肯锡减排成本曲线，对各类减排技术与手段的先后顺序进行相应排序。每个阶段都有很多减排途径，这个顺序应是综合考虑各类减排措施的成本效益与实施难易度来决定的。本书将“碳中和”路径分为三个阶段，具体如图1.2所示。
(1)阶段Ⅰ(2020～2030年)，主要目标为碳排放达峰。在2030年达峰目标的基本任务下，主要任务是降低能源消费强度，降低碳排放强度，继续推进电动汽车对传统燃油汽车的替代，方式是以节能为主(提高工业和居民的能源使用效率)、新能源为辅。
(2)阶段Ⅱ(2030～2040年)，主要目标为快速降低碳排放。达峰后的主要减排途径变为可再生能源为主，大面积完成电动汽车对传统燃油汽车的替代，同时完成第一产业的减排改造，以CCS等技术为辅的过程。
(3)在阶段Ⅲ(2040～2060年)，主要目标为深度脱碳，参与碳汇，完成“碳中和”目标。深度脱碳到完成“碳中和”目标的期间，工业、发电端、交通和居民侧的高效、清洁利用潜力基本开发完毕，此时应当考虑碳汇技术，以CCUS、生物质能碳捕集与封存(bioenergy with carbon capture and storage，BECCS)等兼顾经济发展与环境问题的负排放技术为主。
图1.2 中国完成“碳中和”路径的三个阶段
为何会进行如上的排序？*先需要了解中国的碳排放产业分布(图1.3)。可以看到，中国是一个工业化的国家，中国的碳排放大部分是来自发电和工业端，交通行业也占有一定的份额，而农业、商业与居民排放占比较小[2]。因此，在这巨大的体量上，应当优先对占有83%的碳排放量的第二产业入手，由简入繁。
图1.3 中国2017年碳排放的产业分布图
数据来源：CEADs数据库
一个有效的减排路径一定是从减排成本*低的方向、*容易操作的地方开始。目前中国的能源使用效率仍然比较低，经济发展模式仍比较粗放，大部分工厂的节能项目的投资回收期较短，相比于工厂设备的寿命，不少节能项目本身就有经济收益，唯一需要考虑的是降低信息不对称，规范好节能市场；而新能源板块，无论是新能源发电还是电动、混动汽车，其成本发电成本与全寿命周期成本快速下降，逐渐能够做到具有市场竞争力，在市场中自发替代火电厂或者传统汽车或许在十年内就能逐步开始，届时，新能源行业或将快速发展。因此，近二十年的新能源项目或许将呈现指数型增长。
当中国的碳排放达峰并开始下降以后，具有经济效益的节能减排项目的节能空间被充分利用，而此时正好是新能源与传统能源的替代过程，因此，在碳排放从达峰到逐渐下降的过程中，新能源成为了减排主力，相应地，对传统一次化石能源的替代技术成为了主要减排技术。由于火电厂一般都具有50年以上的寿命周期，即使不再新建火电厂，这批之前建成的火电厂也将继续发挥着供能的作用，甚至起着调峰的重要作用。届时，中国的大部分排放仍来自燃煤电厂，同时也有部分工业/民用天然气和水泥等工厂的排放。
在深度脱碳的过程中，需要大量投资与政府补贴等额外资本的加入。为了保证“碳中和”，必须要解决发电端的碳排放，辅以CCS技术大量上马。考虑到深度脱碳过程应当在2040～2050年左右开始，基于前期的技术积累，CCS的单位减排成本预计会大幅降低。
另外，中国还可以通过林业碳汇、海洋碳汇等方式，在恢复自然生态的同时获得碳信用，达到“碳中和”的目的。在所有的减排途径中，林业碳汇是属于自然解决办法，附带大量环境协同效应，也是*好碳资产，本应大力发展。但考虑到目前人类大量的排放与有限的土地资源的矛盾，认为林业碳汇和海洋碳汇无法占有重要比重，只能作为辅助手段之一参与碳减排的进程，因此，碳汇项目无法成为中国实现“碳中和”的主要途径。
3.2060年中国的温室气体排放与碳汇构成
根据以上分析，2060年即使我们成功替代了几乎所有的火力发电、工业能源消费、燃油汽车、并且完成了建筑零排放，仍有部分能源消费及碳排放是无法替代的，例如航空排放、航海排放等。因此，我们大胆预测2060年中国的“碳中和”目标下的碳排放来源与碳汇项目(图1.4)。2060年的碳排放包含无法用其他能源替代的能源消费，例如航空和航海过程中的碳排放、作为工业原料的能源导致的碳排放、少量畜牧业带来的碳排放，而碳汇包含基于自然的碳汇(植树造林、退耕还林等)以及碳捕获与封存。
1.1.2 2060年能源供给体系与技术
1.“可再生能源+储能”的能源供给体系
随着电力技术的发展、电网设施的完善和电动汽车的普及，2060年人类大部分的能源消耗都来自可再生发电，而非化石能源。煤炭、石油、天然气等矿产的主要去向从燃烧提供电力和动力变为了原材料，提供给橡胶、塑料等化工品，而这一部分的能源使用在较长时间范围内不会造成碳排放。
图1.4 “碳中和”目标下中国2060年碳排放来源与碳汇项目
由于未来的能源供给体系是以电力为主，所以，电源结构的清洁与否变得至关重要。笔者认为，储能技术与可再生能源发电的结合应用，可能是实现未来可再生能源大规模应用的重要手段。将储能技术与可再生能源发电技术相结合，可以使储能和可再生能源成为一个联合系统，从而减少波动，增强电力系统的灵活性，使其输出可控。
由于风电、光伏出力的不可控性，当可再生能源大规模并网以后，对电网的调度会有较大的影响，可能造成电网电压、电流和频率的波动，直接影响电网的电能质量，导致用电设施寿命折损等问题。此时，能够对电力需求峰谷进行适时调节的设备尤为重要，储能设施*当其冲。
因此，2060年的能源供给体系或许会以“可再生能源+储能”的方式存在，这套供给体系既能有效降低碳排放，达到中国“碳中和”目标，又能提供安全稳定的电力能源。
2. 清洁能源技术
根据中国的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》，到2030年和2050年，非化石能源占能源消费总量的比例分别要达到20%和50%，因此，在完成“碳中和”目标的过程中，必须关注清洁能源技术的发展与变革、优势与劣势。对于非化石能源而言，光伏和风能无疑是两个新能源中的翘楚，核能一定程度上受到了安全性的影响，无法大规模利用，而氢能作为一个储备技术，也受到了一定的关注。
随着光伏发电在商、民两用的领域内成本持续下降，其大规模应用的前景一
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