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丁仲礼院士:中国碳中和框架路线图研究

北极星大气网  来源:科学大院  作者:丁仲礼  2021/7/19 10:56:37  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 碳达峰 碳排放

北极星大气网讯:各位院士,针对“双碳目标”(编者注:”双碳目标“指碳达峰碳中和),中国科学院学部设立了一个重大咨询项目——“中国碳中和框架路线图研究“,由张涛院士、高鸿钧院士和我来牵头,下面我简单介绍一下这个项目要研究的主要内容。

碳中和是什么?如何实现?

“双碳行动”是应对气候变暖的国际行动的一部分。欧盟国家是“碳中和”的首倡者,他们提出要在2050年达到碳中和。我国去年9月承诺,2030年碳达峰,2060年达到碳中和。多年以来,美国由于党派争执,对待气候变化问题的态度一直摇摆不定,但是民主党上台以后,他们提出的目标还是非常激进的,尤其是提出2035年要达到无碳发电,2050年要达到碳中和。鉴于美国这么多年来的反复立场,其如何落实到实际行动上,还是要“走着瞧”。现在有不少国家都在制定碳中和计划,但我们认为这是一个雄心勃勃但又极其艰难的目标。

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图1 不同大国碳排放现状

图1是一些典型国家1930年到2019年之间人均碳排放量的变化情况。我们能够看到,美国自1930年以来,一直是人均碳排放量最高的国家。1970年代,美国人均碳排放量达到了最高峰,之后开始下降,英国和法国大概也是在上世纪七十年代到八十年代达到最高峰。经常有人讲,“从碳达峰到碳中和,美国有60年时间,而中国只有40年”,其实这个表述是不够准确的,欧洲国家和美国从碳达峰到碳中和实际上是有70到80年的时间。

从人均角度来分析的话,美国、英国、法国的碳排放已经处于下降阶段,正在走向碳中和。印度的人均排放量增长刚刚“启动”,大概相当于我国60年代的人均排放水平,尚未真正到达快速增长时期。我国基本上从2012、2013年开始就进入了碳排放的“平台期”。世界上还有许多农业国家尚未启动工业化,所以还没有”启动“碳排放。

现在我们有两个目标,一个是碳达峰,一个是碳中和。在碳达峰上,达到什么样的高度,我们并没有一个天花板,也没有设定一个具体目标。理论上有两种选择,一种是把峰调高,以后的减排数据会好看一点;第二种是尽量把峰值压低。我个人认为,出于改善空气质量的考虑,还是要追求尽量把峰值压低。所以,碳达峰其实不需要太多研究,要研究的问题主要是如何实现碳中和。

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图2 主要国家人均二氧化碳排放比较

图2显示的是主要国家人均碳排放的对比。我国的生产端人均二氧化碳排放量是7.28吨/年,高于全球平均水平,不过比美国要低很多;从消费端来看,我们的人均排放量比英法美都低;最核心的是图2最右边图中展示的人均累计排放,大家都知道,一个国家的发展,尤其是基础设施建设,是逐年累积的,这张从1900年算起的人均累计排放对比图显示,全球平均水平是209吨/人,我国才157吨/人,美国是1218吨/人,欧洲的法国、英国这些国家都比我国多得多。所以计算人均累计碳排放,我国远远低于全球平均,这个结论大家一定要记住。我国现在的碳排放总量比较高,这和我国经济发展比较快有关。从这个角度看,我国的碳中和应该会比其他国家要困难,大家心里应该有数。

碳中和的概念,就是人为排放的二氧化碳(化石燃料利用和土地利用),被人为努力(木材蓄积量、土壤有机碳、工程封存等)和自然过程(海洋吸收、侵蚀-沉积过程的碳埋藏、碱性土壤的固碳等)所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大约是400亿吨,其中14%来自土地利用,86%来自化石燃料利用。排放出来的这些二氧化碳,大约46%留在大气,23%被海洋吸收,31%被陆地吸收。这个数据可能不是特别准,但一百年以来碳循环基本上就是这么一个规律。

碳固定过程非常多,我在这里举一个不被大家特别关注的例子——土壤。干旱、半干旱地区的碱性土壤中含有很多钙离子,不像南方酸性土壤钙离子很少,这些钙离子和大气中的二氧化碳结合,降水的时候就会淋溶形成碳酸钙沉淀,这是一个非常强大的自然过程。做黄土研究的专家经常说,黄土里面有料姜石,这就是碳酸钙的结核,还有在温暖时期沉淀下来的钙板。我国有大面积的干旱半干旱地区,这个自然过程对碳的固定,是一个非常重要的过程。

接下来讲未来碳中和的主要途径。我们要考虑到,接近2060年的时候,因为人为排放下降了,二氧化碳分压降低,海洋吸收可能也会相应降低,但降低的幅度现在很难预测。陆地土壤沉积的固碳过程还是会存在,甚至有可能会加强。所以,不得不排放的二氧化碳,就要通过生态建设、工程封存等措施去除掉,这样才能达到中和。

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图3 未来碳中和的主要途径

需要特别说明的是,自然过程吸收二氧化碳的量,只能理解为自然界存在的一个基数,比如海洋吸收的碳就不能归结为哪个国家的功劳。我们要考虑如何依靠人为努力,比如生态建设、工程封存、土壤固碳等措施来进行碳固定。也就是说,碳中和等于排放量同自然过程吸收、生态碳汇、工程封存等等抵消。

中国如何达到碳中和

我们这个学部咨询项目是从排放端、固碳端、政策推动这几个角度来考虑的。要特别说明,这个项目只是想把碳中和框架设计出来,把问题清单列出来,至于碳中和具体怎么做,还需要大家共同进行大量的研究。我们现在只是设计一个初步路线图,供大家研讨完善。这个咨询项目设立了九个专题,我把每个专题简单向大家报告一下。

专题一:未来能源消费总量预测

第一个专题由江亿院士他们来负责。这个专题要解决的一个核心问题是,在不同时间节点(面向2060),我国居民生活、工业、建筑、交通等重点领域的能源需求以及全社会能源总需求。

这里有个主要的几个边界条件要明确:

一个是到2035年,我们GDP比目前还会翻一番,2060年还需要再翻一番,达到人均4万美元,生活水平也要相应地同发展阶段相当,产业结构从目前的中低端发展到中高端。

另外一个因素就是人口变动,少子、老龄化这些因素必须考虑进去,要建立一个预测的模型。但预测常常是不准的,2009年有部门预测2020年我国一次能源消费将达到44亿吨标准煤,但实际上2020年我国一次能源消费达到50亿吨标准煤。所以我们希望高中低都有预测,不要局限于某一种观点。

专题二:非碳能源占比阶段性提高途径

这个专题要解决的核心问题是,我们需要一个什么样的新型能源供应系统,尤其是电力供应系统,如何逐步增加非碳能源,特别是风、光、水、地热、核等的比重。

其次,我们要重点回答,中国西部有丰富的风、光资源,如何从各种发电、储能、转化、输电、消纳等等环节协调发力,让这些资源得到有效充分利用。

尤其要解决的问题是,由于风、光资源的时空分布不平衡,如何保证稳定输出,需要一套什么样的基础设施来保证稳定输出,这是一个非常大的问题,也需要有一个框架。

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图4 目前我国一次能源消费比例

另外关于新型电力系统的能源供应系统,我们需要列出一个技术清单,到底需要哪些技术,作为未来研究方向。图4是我国2019年一次能源消费情况,可以看出,非碳能源实际上只占15%,另外85%是煤、油、气,这是一个非常严峻的现实。我国现在大约排放100亿吨二氧化碳。假如到2060年,我国还不得不排放20到25亿吨二氧化碳,在这样的情景之下,我们该怎么办?

现在初步的认识是:非碳能源占比不会是线性提高的,主要靠技术组合和技术突破。煤炭作为主力能源,还会存在较长一段时期,因此煤炭清洁利用技术的进步仍需十分重视。另外一个是核能,我们不该追随某些“弃核国家”的脚步,还要加强核能利用,甚至在内陆地区建厂,把核能充分利用起来。尤其是西部干旱地区的风、光资源,是我们实现碳中和最大的底气,我们要考虑如何来稳定输出。

专题三:不可替代化石能源预测

这个专题的核心问题是,不可替代的化石能源必然会转化为不得不排放的二氧化碳,对于这部分排放要有一个预测,来自于何处、来自于什么行业、总量有多少。

我们现在讲碳中和,首先要考虑替代,就是用电、热、氢能等来替代,来减少二氧化碳排放。不同行业、不同领域的替代难度肯定是不一致的,我们能否从目前的情况来按照难易排序,这是非常关键的。

其次,我们能否确定不可替代的领域有哪些?在这些领域不得不排放二氧化碳,那就是碳中和需要中和掉的部分,我们就需要进行针对性预测。现在初步认为:居民生活比较容易用电力、地热、太阳能来替代,关键在于国家如何推动;交通领域,目前已经在大力发展电动汽车,以后可能用氢能驱动船和飞机等,这个替代可能只是个时间问题;农业领域大部分也可以替代;比较难替代是工业领域,包括冶金、化工、建材、矿山等等如何替代,还需要特别研究。

另外,我们要克服风电、光电等输出不稳定性的问题。未来我们的电力系统如何保证稳定输出将是需要考虑解决的关键问题。美国提出来2035年就要实现无碳电力,中国什么时候实现低碳电力或者无碳电力,这也需要认真研究。

目前有很多国家对氢能寄予了很大希望,我们的院士当中也有不同的声音。氢能战略也需要国家拿出方案。我国大约100亿吨二氧化碳排放中,发电端占比约47%,消费端如工业过程、居民生活等等占了53%,要实现碳中和就需要在发电端用更多的非碳能源来发电、在消费端用电和氢能等来替代,构建一个两端共同发力的系统。

专题四:非碳能源技术研发迭代需求

非碳能源技术发展是个迭代的过程,需要逐渐进步,但具体分几步来做是一个问题。大化所的刘中民院士他们提出来三步走,第一步是化石能源的清洁高效利用与耦合替代;第二步,可再生能源多能互补与规模应用;第三步,低碳能源智能化多能融合。具体怎么做,还需要进一步探讨。这个问题最后还要和第二个专题一起“收口”。

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图5 排放端专题分布及关系

前四个专题主要研究排放端。在固碳端,我们也列了四个专题。

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