什么是碳达峰与碳中和？

何谓“碳达峰”“碳中和”？为什么突然就“火了”？

为了了解“碳中和”这一概念，首先我们需要知道“碳”是什么。

这里的“碳”，并非单指二氧化碳（CO2），而是包括以二氧化碳为代表的若干种主要的温室气体。具体包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4），氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6），这些人类生产生活活动产生的温室气体排放，将会导致温室效应，对地球的生存环境造成严重影响。

为了统一衡量这些气体排放对环境的影响，联合国政府间气候变化专门委员会提出了二氧化碳当量（CO-2e）这一标准。“碳达峰”、“碳中和”中的“碳”所指即为二氧化碳当量，相关概念由此而生。以甲烷为例：其当量值为25，即减少1吨甲烷排放相当于减少25吨二氧化碳排放。

国际社会普遍认为，二氧化碳过度排放是引起气候变化的主要因素。人类活动排放的二氧化碳等温室气体导致全球变暖，加剧气候系统的不稳定性，导致一些地区干旱、台风、高温热浪、寒潮、沙尘暴等极端天气频繁发生，强度增大。

通俗来讲，碳达峰就是指二氧化碳排放量达到历史最高值后，先进入平台期在一定范围内波动，然后进入平稳下降阶段。碳排放达峰是二氧化碳排放量由增转降的历史拐点，达峰目标包括达峰时间和峰值。碳中和，即净零碳排放，是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳排放总量，通过二氧化碳去除手段，如植树造林、节能减排、产业调整等，抵消这部分碳排放，达到“净零排放”的目的（图1）。

图1  碳中和示意图

作为一种新型环保形式，碳中和能够推动绿色的生活、生产，实现全社会绿色发展。

我国碳排放现状与“双碳”目标

在2019年，全球CO2排放量已经增长至创纪录的431 Gt，我国CO2总排放量约为98.3 Gt，约占全球总量的30%，我国人均年碳排放量约为8.1 t，比欧盟水平高出25%，比全球水平高出65%。而到2021年，我国碳排放量达到101.5 Gt，在全球CO2总排放量中占比超过三成，同比增长0.6%，再创历史新高（图2）。为了应对气候变化，早在2007年，我国就成立了国家气候变化领导委员会并制定国家气候变化计划，提出了降低能源强度和增加非化石能源份额的目标。随后，我国在2015年实施了国家自主贡献（Nationally Determined Contribution, NDC），后者的目标是到2030年实现60-65%（从2005年的水平）的碳强度降低，并在2030年左右使碳排放量达到排放峰值。

图2  近五年我国碳排放总量变化趋势（数据来源：国家统计局、生态环境部）

2020年9月，习近平主席在联合国大会上提出我国的目标是力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，并将2030年碳强度降低目标提升至>65%，将非化石燃料在一次能源消费中的份额提高到25%左右。但事实上，实现该目标将非常困难，我国工业比重，特别是重工业比重明显高于大多数发达国家，作为“世界工厂”，我国生产的钢铁约占全球56.5%（2020年），水泥产量约占全球55.7%（2019年），这些工业行业耗能巨大，在我国碳排放中占有很大比重（图3）。2020年12月召开的年度中央经济工作会议对2021年的经济工作进行了安排，确定的主要任务之一就是努力到2030年达到CO2排放峰值，到2060年实现碳中和。此外，我国在“十四五”规划中提出，2035年将实现“碳排放达峰后稳中有降”，并制定了2030年前CO2排放达到峰值的行动计划。根据“十四五”战略部署，我国将持续降低碳排放强度，支持具有有利条件的地区提前达到排放峰值。

图3  2021年我国各部门碳排放占比（数据来源：国家统计局、生态环境部）

国务院在印发的《2030年前碳达峰行动方案》中提出，到2025年，非化石能源在能源消费中的比重达到20%左右，单位国内生产总值（Gross Domestic Product, GDP）能源消耗比2020年下降13.5%，单位国内生产总值CO2排放比2020年下降18%；到2030年，非化石能源在能源消费中的比重达到25%，2060年达80%以上。能源是经济社会发展的基石和动力之源，也是碳排放的最主要来源。要达到以上战略目标，应坚持安全降碳，在保障能源稳定供应的前提下，大力实施绿色能源替代行动，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系。表1总结了当前我国制定的“双碳”行动计划与目标。

表1  我国制定的“双碳”行动计划与目标

能源领域碳减排的重要性

据报道，世界能源消费总量将从2012年的5.81 × 1014 kJ上升到2040年的8.64 × 1014 kJ（即在近30年内增长48%），而且在未来几十年里，作为CO2最大来源的化石燃料仍将成为全球能源需求的支柱。然而，如果不采取适当的措施，化石燃料的持续大量使用必然会导致CO2排放量的进一步增加。此外，化石燃料的其它用途，如运输、工业生产和农业活动与大规模的全球CO2排放量和大气中CO2的水平增加也有很大关系。夏威夷Mauna Loa的全球CO2监测站的数据显示，大气中CO2的浓度已经超过400 ppm。为了将CO2当量浓度限制在450 ppm，与2010年的碳排放量相比，到2050年需要减少40%至70%的人为碳排放量。

我国的快速工业化、城市化和全球化是由以煤炭为主的能源系统推动的，煤炭在我国一次能源中所占比例约为67%，远高于全球平均水平（28%），明显高于欧盟（14%）。作为最大的碳排放国，我国经济的持续增长会不可避免地在未来产生更多的碳排放。据IPCC统计，21世纪以来，CO2占全球温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放量的近77%。而在我国，能源消费产生的CO2排放量占其总排放量和所有温室气体排放量的绝大部分，能源系统的减排对实现我国碳排放目标起着决定性作用。近年来，我国能源消费产生的CO2排放量持续上升（图4），从1990年的23 Gt上升到2019年的98 Gt。其中，我国电力系统CO2排放量从6 Gt增加到约40 Gt，电力CO2在能源消费中的比重从25%提高到42%，占比逐年增加。从长远来看，能源系统需要实现比其他排放环节更高的减排程度，争取为其他部门的CO2排放和温室气体排放争取更大的空间，为实现碳中和做出贡献。电力也将在减少能源系统的碳排放方面发挥越来越重要的作用。我国电力系统主要使用煤炭等化石燃料，随着电力系统通过电能替代的方式减少了终端对煤炭、天然气等化石能源的直接利用，使部分碳排放从终端能耗环节转移到电力系统，电力系统将会承担着更大的减排责任。因此亟需开发利用各种清洁能源，增加非化石能源的使用和占比，并通过增效降耗、利用替代（可再生）能源、碳捕集、利用和封存（Carbon capture utilization and storage, CCUS）等方式减少CO2的排放，从而促进能源领域碳中和，实现“双碳”目标。

图4  1990年以来我国能源领域的碳排放情况

可再生能源的发展和应用现状

按照目前的消费速度，已知的化石燃料（如石油）的储量估计在不到50年的时间内就会枯竭，更严重的是随之而来的温室气体排放。可再生能源在这种情况下显示出了强大的弹性。事实上，根据国际能源署（International Energy Agency, IEA）的最新报告，可再生能源产能在2021年创纪录地增长了10%。到2025年，可再生能源将超过煤炭，成为全球最大的发电来源，引领全球电力行业。目前，可再生能源在世界总能源消费中的占比约为15%（图5），在国际可再生能源机构（International Renewable Energy Agency, IRENA）提出的计划能源情景（Planned Energy Scenario）中，到2030年，现代可再生能源在最终能源消费中的占比将增加到17%，到2050年将增加到25%。此外，在能源转型情景中，这一比例将在2030年增加到28%，到2050年增加到66%。

“十四五”期间，我国能源消费产生的CO2排放量仍在上升。“十五五”期间，我国碳排放有望达到峰值，再保持稳步下降的态势。由于我国能源结构长期以来以煤炭为基础，再加之清洁能源技术不成熟，产业链不完善以及成本偏高等原因，现阶段中国与世界其他国家和地区相比，清洁能源的占比很低，主要用于发电、供热等行业和领域。然而，随着清洁能源装机容量和发电规模不断扩大，其将成为发电的主要部分。传统化石燃料的不可再生性和高碳排放，以及电力系统的巨大降碳需求将使可再生能源尤其是氢能更具吸引力。

为努力推进《巴黎协定》，我国将通过使用更大比例的、更可持续的能源进一步控制CO2排放。为了遏制化石能源消费的增长，减少能源领域的碳排放，实现2060年的碳中和目标，我国需要进行工业结构调整，将目前的碳密集型、粗放型工业转变为智能化工业，增加电力最终能源用途的份额，并使发电脱碳。这一能源转型的首要任务是尽早逐步降低煤炭（和其他化石燃料）的消费占比，并扩大非化石能源供应。截至2020年，我国碳排放强度相对于2015年水平降低了18.8%，非化石能源在一次能源消费总量中的占比增加到15.9%，超额完成了18%和15%的“十四五”的既定目标。

图5  能源消费结构对比（2021年）

在清洁能源中，可再生能源，如太阳能、风能和海洋能源，被认为是实现碳中和的一些最重要和有效的手段。除此之外，具有低资源消耗和低污染风险优势并确保国家能源安全和达到碳中和目标的核能、氢能和生物能源对于重组能源供应和消费结构来说也很关键。

①太阳能

太阳能是一种取之不尽的资源。由于其清洁、可再生和无处不在的特性，太阳能可以在全球可再生能源供应中发挥重要作用。迅速发展的光伏技术已被公认为是利用太阳能的一种有力方法。传统薄膜太阳能电 池采用硅、砷化镓(GaAs)等无机半导体材料，具有较高的功率转换效率和显著的运行稳定性，已被大规模工业化。一些新兴的太阳能电池如钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池等集成器件，也是近年来发展起来的有前途的光伏技术。此外，太阳能电池板和光伏并网系统也对发电至关重要，可能会加速我们迈向碳中和的进程。最近的研究表明，在屋顶安装太阳能电池板可以在短期内（约10年）减少57%的温室气体排放，并在长期内（约30年）实现碳中和。与光伏技术不同的是，太阳能热技术依靠光热转换来实现热量、蒸汽和电力的生产，以实现碳中和操作。此外，一些将太阳辐射转化为稳定的化学燃料的战略也为大规模利用和储存太阳能以实现能源脱碳提供了可行的途径，如太阳能水解制氢。最近，提出了液体阳光的新概念，将太阳能与捕获的二氧化碳和水结合起来，产生绿色液体燃料，如甲醇和酒精，这可能在全球生产系统中产生和利用二氧化碳之间提供一个生态平衡的循环。

太阳能代表了一个理想的解决方案，以满足低碳和无碳社会的能源需求。由于运行成本低，基于太阳能技术的一系列有用的措施是减少碳排放和利用 CO2形成清洁能源存储的良好候选，从而对实现碳中和发挥着不可替代的作用。

②风能

风是由太阳对地球表面不均匀加热导致的空气运动产生的。这意味着风能可以看作是间接的太阳能。与太阳能一样，风能将在实现“碳达峰碳中和”方面发挥关键作用。地球上有丰富的风能资源，主要分布在草原、沙漠、沿海和岛屿上。场地的位置对风能的经济、技术和实施有着重要的影响。世界高度重视并大力支持风电发展。然而， 阻碍风能利用的一个问题是风力涡轮机产生的噪音。减少或最小化风力涡轮机产生的噪音和进一步合理利用风力资源的策略是迫切需要的。风能生产的另一个问题是，如果风力涡轮机的位置不合适，可能会通过碰撞、破坏或破坏栖息地对鸟类产生不利影响。

虽然地球上的风资源十分丰富，但风资源在地球上分布不均，给风力涡轮机产生的电能的传输带来了挑战。而风在速度和方向上的不可预测性会导致发电的相位、振幅和频率的变化和不稳定，这可能会使其难以接入电网，造成风能的浪费。目前，安装风力涡轮机的成本相当高，这也阻碍了这项技术的广泛应用。

③海洋能源

海洋能源是指海洋中所含的既可再生又清洁的能量。全球海洋能源储备巨大，足以为整个世界提供能源。通常有五种不同的能量形式：潮汐能、波浪能、洋流能、热能和渗透能。潮汐能、波能和海流能都是机械能。

潮汐能包括与水位有关的势能和潮流的动能。潮汐源于海水与月球或太阳的引力相互作用。据估计，潮汐能每年约为1200TWh，由于能采集潮汐能的地点有限，在所有的海洋能中，潮汐能是相对较低的。采用拦潮坝收集潮汐势能的技术较为成熟，目前潮汐能在开发的海洋能源中所占份额最大。虽然其他类型的设备也在开发中，但利用潮流发电主要依靠涡轮机；

波浪能是水波中的动能和势能，分布广泛。它主要来自风，风将部分动能传递给海洋表面的水。全球的波能潜力为每年29500TWh。收集波浪能的技术还没有潮汐能成熟，除了使用电磁式发电机的传统大型装置外，基于纳米摩擦电发电机网络的新技术也在不断发展；

洋流能量储存在全球海水的大循环中。它是水流中的动能。这种能源的供应是稳定的，波动很小。它可以用涡轮机提取。该设备需要部署在深海和远离海岸的地方，因此对其利用较少；

热能来源于太阳的照射加热海水的上层，使其温度与深海中的水不同。这种温差可用于基于热循环的发电。由于提高效率所需的高温差，这种形式的能量主要分布在热带地区。这种能源的潜力估计为每年44000TWh。但对这种能源的利用还处于研究阶段。

渗透能又称盐度梯度能，是存在于不同盐浓度水体之间的能量。海水的盐度在全球范围内并不均匀。例如，在淡水与盐水相遇的河口就形成了盐度梯度。这种能量的利用依赖于在海水中坚固耐用的高性能薄膜。目前正在试验的两项主要技术是：压力阻滞渗透和反向电渗析。渗透能仍然是一种概念性的能源，还远远没有商业化。

全球海洋能源储备巨大，足以为整个世界提供能源。收集潮汐能和波浪能的技术正处于商业化的准备阶段。收集洋流能量、热能和渗透能的技术仍处于早期发展阶段。严峻的海洋环境下，海洋能源开发的主要挑战在于经济成本、竞争力和技术可靠性。通过克服这些挑战，海洋能源将为世界提供丰富的清洁能源。

④生物能

生物质能是一种源自植物的可再生能源。最重要的生物质来源是农业和林业残留物、城市固体废物、动物废物、人类污水和工业废物中的生物物质。生物质提供全球每年能源消耗的13-14%。生物质的热化学转化包括气化、热解和燃烧。从生物质能中获得的总可再生能源，燃烧产生大约90%。热解可以在400-1000℃左右的温度下通过热分解将生物质转化为固体、液体或气体产物，在无氧的情况下产生酸、酯和醇等。而气化通过在超过500℃的温度下将空气、氧气或蒸汽反应成可燃或合成气体，最好超过700℃，产生H2、CO、CH4等气体。

尽管存在着丰富的生物质能资源，但仍然需要努力提高生产力并降低成本，以便进一步扩大这种可再生能源在能源消费总额中的份额。需要解决的一些问题是：降低生物质的运输成本，以及保证生物能源原料的可持续性。

⑤氢能

氢能可以用来建立一个类似电网的完全可再生能源系统，并提供能源系统过渡和能源脱碳最终用途所需的部门一体化。在不久的将来，使用可再生能源生产氢在技术和经济上都有很大的可能性。电解制氢后，需要开发安全、低成本的储氢和运输技术。

与此同时，氢燃料电池技术发展迅速，并已准备好商业化的进程，氢燃料电池被广泛用于乘用车、重型汽车、火车和船舶。现在的主要问题是降低成本，同时保持可接受的耐久性和效率。

⑥核能

核能是清洁能源的主要贡献者，占全球低碳发电量的40%，每年可避免1.7亿吨二氧化碳排放。因此，核能是保障国家能源安全、实现能源中立的战略途径。然而，由于成本上升、放射性燃料处理、核电安全、核武器扩散等原因，核裂变能源的未来发展是高度不确定的。

核聚变，作为提供太阳能量的主要反应，是除了原子裂变之外的另一种核能类型。核聚变不会产生长寿命的放射性废物。不存在核裂变反应堆可能发生的熔毁风险，因为当干扰发生时，核聚变反应堆会在几秒钟内关闭。因此，聚变能被认为是 21世纪的最佳能源，这将有利于我们努力实现碳中和。

⑦地热能

地热能是包含在地球内部的非碳基热能，具有稳定性、连续性和高容量的优点。它将在未来能源结构中提供稳定、连续的基本负荷方面发挥重要作用。地热发电作为地热能源利用的主要形式，其利用天然地热蒸汽（或由地热流体加热的低沸点工作流体蒸汽）驱动涡轮机发电。目前，地热发电技术主要包括干蒸汽动力、闪蒸动力和二元动力系统。地热能的直接利用是以热能的形式出现的，通常适用于中低温地热资源。目前，地热直接利用技术主要有地源热泵、地热采暖、地热制冷、地热温室和地热干燥。

在2020年，全球地热利用实现CO2年减排约3亿吨，我国实现CO2年减排约1亿吨。浅层和深层地热采暖建筑面积接近14亿平方米，为建筑减碳做出了巨大贡献。地热能在我国北方地区清洁采暖中发挥了重要作用，涌现了一批重大工程，如“雄县模式”北京副中心、北京大兴国际机场等。

可再生能源的发展是大势所趋

碳是地球上生命存在的最重要的元素之一。自工业革命以来，以碳为基础的资源被用于生产能源、食品和其他商品，以无数种方式影响着全球生态系统。为促进人为活动和城市化而大量使用化石燃料和砍伐森林的行为，与全球气候变化交织在一起。全球气候变化是由大气中二氧化碳和其他温室气体增加引起的温室效应造成的。目前，国际社会需要制定具有成本效益和可持续的方法，以最大限度地减少碳排放和促进碳封存。必须从不可再生能源转向可再生能源，以维持现有生产系统，并解决气候变化问题，保护人类健康和环境。

鉴于全球可再生能源的潜力超过全球能源需求，可持续发展方面最紧迫的研究需 要是加强当前可再生能源生产的趋势，逐步淘汰化石燃料的使用。增加从无碳源，即太阳、风能和海洋产生的电力和热量是其中一个方面，生物燃料和从生物能中生产氢也是一个方面。风能、太阳能和其他可再生能源的间歇性是限制用可再生能源替代化石燃料的主要挑战之一。提高能源效率（包括住宅供暖/制冷）对减少我们日常生活中的温室气体排放有重大影响。由于节约能源和减缓气候变化之间存在明确的联系，尽量减少终端使用部门能源消耗的努力将有助于实现可持续发展和碳中和目标。此外，促进绿色经济的全球科技创新必须得到财政和战略上的奖励，以加速碳中和的趋势。

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