使碳中和成為民族復興的重要推動力。
作者 | 丁仲禮(中國科學院院士、全國人大常委會副委員長、民盟中央主席,中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員)
本文由科學大院根據(jù)丁仲禮院士在中科院學部第七屆學術(shù)年會上的報告整理而成。
各位院士,針對“雙碳目標”(編者注:“雙碳目標”指碳達峰、碳中和),中國科學院學部設立了一個重大咨詢項目——“中國碳中和框架路線圖研究”,由張濤院士、高鴻鈞院士和我來牽頭,下面我簡單介紹一下這個項目要研究的主要內(nèi)容。
1. 碳中和是什么?如何實現(xiàn)?
“雙碳行動”是應對氣候變暖的國際行動的一部分。歐盟國家是“碳中和”的首倡者,他們提出要在2050年達到碳中和。我國去年9月承諾,2030年碳達峰,2060年達到碳中和。多年以來,美國由于黨派爭執(zhí),對待氣候變化問題的態(tài)度一直搖擺不定,但是民主黨上臺以后,他們提出的目標還是非常激進的,尤其是提出2035年要達到無碳發(fā)電,2050年要達到碳中和。鑒于美國這么多年來的反復立場,其如何落實到實際行動上,還是要“走著瞧”?,F(xiàn)在有不少國家都在制定碳中和計劃,但我們認為這是一個雄心勃勃但又極其艱難的目標。
圖1是一些典型國家1930年到2019年之間人均碳排放量的變化情況。我們能夠看到,美國自1930年以來,一直是人均碳排放量最高的國家。1970年代,美國人均碳排放量達到了最高峰,之后開始下降,英國和法國大概也是在上世紀七十年代到八十年代達到最高峰。經(jīng)常有人講,“從碳達峰到碳中和,美國有60年時間,而中國只有40年”,其實這個表述是不夠準確的,歐洲國家和美國從碳達峰到碳中和實際上是有70到80年的時間。
從人均角度來分析的話,美國、英國、法國的碳排放已經(jīng)處于下降階段,正在走向碳中和。印度的人均排放量增長剛剛“啟動”,大概相當于我國60年代的人均排放水平,尚未真正到達快速增長時期。我國基本上從2012、2013年開始就進入了碳排放的“平臺期”。世界上還有許多農(nóng)業(yè)國家尚未啟動工業(yè)化,所以還沒有”啟動“碳排放。
現(xiàn)在我們有兩個目標,一個是碳達峰,一個是碳中和。在碳達峰上,達到什么樣的高度,我們并沒有一個天花板,也沒有設定一個具體目標。理論上有兩種選擇,一種是把峰調(diào)高,以后的減排數(shù)據(jù)會好看一點;第二種是盡量把峰值壓低。我個人認為,出于改善空氣質(zhì)量的考慮,還是要追求盡量把峰值壓低。所以,碳達峰其實不需要太多研究,要研究的問題主要是如何實現(xiàn)碳中和。
圖2顯示的是主要國家人均碳排放的對比。我國的生產(chǎn)端人均二氧化碳排放量是7.28噸/年,高于全球平均水平,不過比美國要低很多;從消費端來看,我們的人均排放量比英法美都低;最核心的是圖2最右邊圖中展示的人均累計排放,大家都知道,一個國家的發(fā)展,尤其是基礎設施建設,是逐年累積的,這張從1900年算起的人均累計排放對比圖顯示,全球平均水平是209噸/人,我國才157噸/人,美國是1218噸/人,歐洲的法國、英國這些國家都比我國多得多。所以計算人均累計碳排放,我國遠遠低于全球平均,這個結(jié)論大家一定要記住。我國現(xiàn)在的碳排放總量比較高,這和我國經(jīng)濟發(fā)展比較快有關(guān)。從這個角度看,我國的碳中和應該會比其他國家要困難,大家心里應該有數(shù)。
碳中和的概念,就是人為排放的二氧化碳(化石燃料利用和土地利用),被人為努力(木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等)和自然過程(海洋吸收、侵蝕-沉積過程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等)所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大約是400億噸,其中14%來自土地利用,86%來自化石燃料利用。排放出來的這些二氧化碳,大約46%留在大氣,23%被海洋吸收,31%被陸地吸收。這個數(shù)據(jù)可能不是特別準,但一百年以來碳循環(huán)基本上就是這么一個規(guī)律。
碳固定過程非常多,我在這里舉一個不被大家特別關(guān)注的例子——土壤。干旱、半干旱地區(qū)的堿性土壤中含有很多鈣離子,不像南方酸性土壤鈣離子很少,這些鈣離子和大氣中的二氧化碳結(jié)合,降水的時候就會淋溶形成碳酸鈣沉淀,這是一個非常強大的自然過程。做黃土研究的專家經(jīng)常說,黃土里面有料姜石,這就是碳酸鈣的結(jié)核,還有在溫暖時期沉淀下來的鈣板。我國有大面積的干旱半干旱地區(qū),這個自然過程對碳的固定,是一個非常重要的過程。
接下來講未來碳中和的主要途徑。我們要考慮到,接近2060年的時候,因為人為排放下降了,二氧化碳分壓降低,海洋吸收可能也會相應降低,但降低的幅度現(xiàn)在很難預測。陸地土壤沉積的固碳過程還是會存在,甚至有可能會加強。所以,不得不排放的二氧化碳,就要通過生態(tài)建設、工程封存等措施去除掉,這樣才能達到中和。
需要特別說明的是,自然過程吸收二氧化碳的量,只能理解為自然界存在的一個基數(shù),比如海洋吸收的碳就不能歸結(jié)為哪個國家的功勞。我們要考慮如何依靠人為努力,比如生態(tài)建設、工程封存、土壤固碳等措施來進行碳固定。也就是說,碳中和等于排放量同自然過程吸收、生態(tài)碳匯、工程封存等等抵消。
2. 中國如何達到碳中和
我們這個學部咨詢項目是從排放端、固碳端、政策推動這幾個角度來考慮的。要特別說明,這個項目只是想把碳中和框架設計出來,把問題清單列出來,至于碳中和具體怎么做,還需要大家共同進行大量的研究。我們現(xiàn)在只是設計一個初步路線圖,供大家研討完善。這個咨詢項目設立了九個專題,我把每個專題簡單向大家報告一下。
專題一:未來能源消費總量預測
第一個專題由江億院士他們來負責。這個專題要解決的一個核心問題是,在不同時間節(jié)點(面向2060),我國居民生活、工業(yè)、建筑、交通等重點領域的能源需求以及全社會能源總需求。
這里有個主要的幾個邊界條件要明確:
一個是到2035年,我們GDP比目前還會翻一番,2060年還需要再翻一番,達到人均4萬美元,生活水平也要相應地同發(fā)展階段相當,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從目前的中低端發(fā)展到中高端。
另外一個因素就是人口變動,少子、老齡化這些因素必須考慮進去,要建立一個預測的模型。但預測常常是不準的,2009年有部門預測2020年我國一次能源消費將達到44億噸標準煤,但實際上2020年我國一次能源消費達到50億噸標準煤。所以我們希望高中低都有預測,不要局限于某一種觀點。
專題二:非碳能源占比階段性提高途徑
這個專題要解決的核心問題是,我們需要一個什么樣的新型能源供應系統(tǒng),尤其是電力供應系統(tǒng),如何逐步增加非碳能源,特別是風、光、水、地熱、核等的比重。
其次,我們要重點回答,中國西部有豐富的風、光資源,如何從各種發(fā)電、儲能、轉(zhuǎn)化、輸電、消納等等環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)力,讓這些資源得到有效充分利用。
尤其要解決的問題是,由于風、光資源的時空分布不平衡,如何保證穩(wěn)定輸出,需要一套什么樣的基礎設施來保證穩(wěn)定輸出,這是一個非常大的問題,也需要有一個框架。
另外關(guān)于新型電力系統(tǒng)的能源供應系統(tǒng),我們需要列出一個技術(shù)清單,到底需要哪些技術(shù),作為未來研究方向。圖4是我國2019年一次能源消費情況,可以看出,非碳能源實際上只占15%,另外85%是煤、油、氣,這是一個非常嚴峻的現(xiàn)實。我國現(xiàn)在大約排放100億噸二氧化碳。假如到2060年,我國還不得不排放20到25億噸二氧化碳,在這樣的情景之下,我們該怎么辦?
現(xiàn)在初步的認識是:非碳能源占比不會是線性提高的,主要靠技術(shù)組合和技術(shù)突破。煤炭作為主力能源,還會存在較長一段時期,因此煤炭清潔利用技術(shù)的進步仍需十分重視。另外一個是核能,我們不該追隨某些“棄核國家”的腳步,還要加強核能利用,甚至在內(nèi)陸地區(qū)建廠,把核能充分利用起來。尤其是西部干旱地區(qū)的風、光資源,是我們實現(xiàn)碳中和最大的底氣,我們要考慮如何來穩(wěn)定輸出。
專題三:不可替代化石能源預測
這個專題的核心問題是,不可替代的化石能源必然會轉(zhuǎn)化為不得不排放的二氧化碳,對于這部分排放要有一個預測,來自于何處、來自于什么行業(yè)、總量有多少。
我們現(xiàn)在講碳中和,首先要考慮替代,就是用電、熱、氫能等來替代,來減少二氧化碳排放。不同行業(yè)、不同領域的替代難度肯定是不一致的,我們能否從目前的情況來按照難易排序,這是非常關(guān)鍵的。
其次,我們能否確定不可替代的領域有哪些?在這些領域不得不排放二氧化碳,那就是碳中和需要中和掉的部分,我們就需要進行針對性預測?,F(xiàn)在初步認為:居民生活比較容易用電力、地熱、太陽能(6.890, -0.21, -2.96%)來替代,關(guān)鍵在于國家如何推動;交通領域,目前已經(jīng)在大力發(fā)展電動汽車,以后可能用氫能驅(qū)動船和飛機等,這個替代可能只是個時間問題;農(nóng)業(yè)領域大部分也可以替代;比較難替代是工業(yè)領域,包括冶金、化工、建材、礦山等等如何替代,還需要特別研究。
另外,我們要克服風電、光電等輸出不穩(wěn)定性的問題。未來我們的電力系統(tǒng)如何保證穩(wěn)定輸出將是需要考慮解決的關(guān)鍵問題。美國提出來2035年就要實現(xiàn)無碳電力,中國什么時候?qū)崿F(xiàn)低碳電力或者無碳電力,這也需要認真研究。
目前有很多國家對氫能寄予了很大希望,我們的院士當中也有不同的聲音。氫能戰(zhàn)略也需要國家拿出方案。我國大約100億噸二氧化碳排放中,發(fā)電端占比約47%,消費端如工業(yè)過程、居民生活等等占了53%,要實現(xiàn)碳中和就需要在發(fā)電端用更多的非碳能源來發(fā)電、在消費端用電和氫能等來替代,構(gòu)建一個兩端共同發(fā)力的系統(tǒng)。
專題四:非碳能源技術(shù)研發(fā)迭代需求
非碳能源技術(shù)發(fā)展是個迭代的過程,需要逐漸進步,但具體分幾步來做是一個問題。大化所的劉中民院士他們提出來三步走,第一步是化石能源的清潔高效利用與耦合替代;第二步,可再生能源多能互補與規(guī)模應用;第三步,低碳能源智能化多能融合。具體怎么做,還需要進一步探討。這個問題最后還要和第二個專題一起“收口”。
前四個專題主要研究排放端。在固碳端,我們也列了四個專題。
專題五:陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀測算
第五個專題是關(guān)于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳現(xiàn)狀,就是說我國生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)在到底有多少固碳能力,以及碳匯的功能與速率,不同有機碳之間什么時候會達到平衡?還有我剛才講到的堿性土壤這個問題,目前的研究還很少,也需要加強研究。
中科院已經(jīng)做過一些關(guān)于碳收支項目的研究?,F(xiàn)在認為,我國目前地表碳儲量相當于363億噸二氧化碳,每年固碳速率是10到40億噸二氧化碳,我們估計森林在2060年以前將會達到固碳的峰值,之后固碳速率就會降低。干旱半干旱區(qū)的土壤還很難估計。圖6就是用不同的方法測算出來的碳源,數(shù)據(jù)差別比較大。
大家從圖7上可以看出來,我國建設的生態(tài)工程固碳總量是非常大的,約占我國陸地生態(tài)系統(tǒng)年固碳總量的56%,這是一個令人鼓舞的現(xiàn)象。
專題六:陸地生態(tài)系統(tǒng)未來固碳潛力分析
計算我國陸地生態(tài)系統(tǒng)未來固碳的潛力,主要有以下核心問題:
一是陸地和近海不同生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力如何,以及未來在氣候變化影響下,它們會如何變化;二是我國生態(tài)恢復、建設工程這些面狀分布區(qū)未來的固碳潛力如何;三是新增點狀分布區(qū)的固碳潛力如何,比如城市造林綠化等;四是其他一些人為措施,比如南水北調(diào)西線工程上馬后西部干旱區(qū)變綠、海水淡化等實現(xiàn)之后,在其影響下新增的固碳潛力如何;還有未來陸地生態(tài)系統(tǒng)增加碳匯的措施,比如秸稈悶燒成碳屑等。我們還需要研究證明這些增匯措施的長期性。
專題七:碳捕集利用封存技術(shù)評估
第七個專題是碳捕集利用工程封存技術(shù)。我們談到的負排放技術(shù)目前有圖8中列出的這些,包括將二氧化碳制成化學品、將二氧化碳制成燃料、微藻的生產(chǎn)、混凝土碳捕集、提高原油采集率、生物能源的碳捕捉和存儲、硅酸鹽巖石的風化和礦物碳化、植樹造林、土壤有機碳和土壤無機碳、農(nóng)作物的秸稈燒成木炭還田等等。這些負排放技術(shù)中,前面幾項是國際上所謂的CCUS技術(shù),后面用紅箭頭標出來的這兩項——礦物碳化和生物炭,我國研究得還比較少。
這里的核心問題是,這些技術(shù)還需要進一步研究,現(xiàn)在還沒有必要馬上就大規(guī)模工程封存,那是要在2060年之前考慮的問題。目前這方面的技術(shù)進步是比較快的,未來會進步到什么程度還不好預測,但是我個人認為,最好不要單純地封存,那樣不產(chǎn)生經(jīng)濟效益,還是要想辦法如何利用二氧化碳。
專題八:青藏高原率先達標示范區(qū)建議
第八個專題是建議在青藏高原建設一個率先達標的示范區(qū)。青藏高原在我國境內(nèi)的面積有250萬平方公里,我國正在建設青藏高原生態(tài)屏障,同時我國可能也要開發(fā)一些河流的水電,如果能把青藏高原建成一個率先達標示范區(qū),我們就能夠在氣候變化問題上處于一個道德上的制高點。青藏高原固碳的潛力非常之大,因為它有很多退化的草地,所以我們現(xiàn)在要對它進行專題研究。
另外還要考慮,以后一個地區(qū)或一個行業(yè)的碳中和程度如何評價,這要從生產(chǎn)端、消費端共同來做,也需要拿出一個思路。
專題九:政策技術(shù)分析研究
第九個專題是政策如何推動的問題,包括如何推動非碳技術(shù),如何進行生態(tài)建設增加碳匯。目前來說,我國在減排問題上,政府約束性政策大于市場機制,以后可能要更多地依靠市場來發(fā)揮作用。
如圖10,這個項目最終會做一個情景設計:假如我國每年不得不排放25億噸二氧化碳,這些排放來自哪里?根據(jù)目前觀測比例,自然過程可以吸收13億噸,如果生態(tài)系統(tǒng)吸收8億噸,可能還要考慮用風化和碳酸鈣沉淀吸收2億噸,還有2億噸可能要變成生物炭埋到土壤中。然后就是各種技術(shù)如何迭代,最后考慮如何收口。整個情景大概是這么一個設計。到2060年,如果我國能夠做到25億噸二氧化碳排放量,我個人認為是非常了不起了。
最后再說幾個觀點:
第一, “碳中和”過程既是挑戰(zhàn)又是機遇,其過程將會是經(jīng)濟社會的大轉(zhuǎn)型,將會是一場涉及廣泛領域的大變革?!凹夹g(shù)為王”將在此進程中得到充分體現(xiàn),即誰在技術(shù)上走在前面,誰將在未來國際競爭中取得優(yōu)勢。國家需要積極研究與謀劃,謀定而動,系統(tǒng)布局,組織力量,特殊支持,力爭以技術(shù)上的先進性獲得產(chǎn)業(yè)上的主導權(quán),使之成為民族復興的重要推動力,我們必須要積極地看待這個問題。
第二,我們項目組強調(diào):完成這個大轉(zhuǎn)型,需要在能源結(jié)構(gòu)、能源消費、人為固碳“三端發(fā)力”,所需之資金將會是天文數(shù)字,決不可能依靠政府財政補貼得以滿足,必須堅持市場導向,鼓勵競爭,穩(wěn)步推進。政府的財政資金應主要投入在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)示范上,力爭加快我國技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的迭代進步速度。在此過程中,特別要防止能源價格明顯上漲,影響居民生活和產(chǎn)品出口。
第三,本項目只能先給出一個框架性建議,以供科技界討論、修正、完善。期望匯聚眾智后,學部的建議對我國如何推動此大轉(zhuǎn)型,如何在未來國家創(chuàng)新體系中形成布局完善、責任明確的技術(shù)研發(fā)體系等重大問題,有實質(zhì)性的指導意義。項目組也認為,我國學術(shù)界應該秉持開放的態(tài)度,廣泛參與,發(fā)揮出想象力和創(chuàng)造力;國家有關(guān)部門在確定路線圖的問題上可考慮先經(jīng)歷一段“百家爭鳴”時期,千萬不要急于“收口”,千萬不要急于強力推進。
第四,這個大轉(zhuǎn)型過程中,整個行業(yè)的協(xié)調(diào)共進非常重要。“減碳、固碳”“電力替代”“氫能替代”均需要增加企業(yè)的額外成本,如果某一行業(yè)不同企業(yè)間不能協(xié)調(diào)共進,勢必會使“不作為企業(yè)”節(jié)約了成本,從而出現(xiàn)“劣幣驅(qū)逐良幣”現(xiàn)象。由此,分行業(yè)設計“碳中和”路線圖及有效的激勵/約束制度需盡早完成,這個非常關(guān)鍵。
第五,評價國家、區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)甚至家庭的“碳中和程度” ,需從收、支兩端計量。從能源消費角度論,“支”(即排放)相對容易計量;“收”(即固碳)由于類型多樣,過程復雜,很難精確計量,尤其是“人為努力”下的固碳增量不易確定。由此,國家要盡早建立系統(tǒng)的監(jiān)測、計算、報告、檢核的標準體系,以期針對我國的碳收支狀況,保證話語權(quán)在我。
當然,這里面還有國際上的合作與斗爭,比如未來的排放權(quán)如何分配?未來排放的天花板應該如何確定?“共同又有區(qū)別的責任”未來怎么來體現(xiàn)?西方國家一直在說“資金與技術(shù)援助”,但是一直沒做,他們?nèi)绾蝺冬F(xiàn)?每個國家排放量如何計量?另外我國該如何應對西方國家的輿論抹黑,比如西方國家總說中國是第一污染大國,其實從圖2看,我國人均累計排放量遠遠低于世界平均,但是我們沒有人就此問題發(fā)聲。另外,針對外國對我國綠色產(chǎn)品比如太陽能電池板設立高額關(guān)稅,我國該如何應對?這里面有很多的問題需要思考。
還有一些基礎性的科學問題需要研究,比如到底1.5℃、2.0℃增溫對應什么樣的二氧化碳當量濃度?以前國際上經(jīng)常說450ppm二氧化碳當量濃度,現(xiàn)在已經(jīng)達到了這個濃度,但增溫并沒有達到1.5℃。我個人認為,格陵蘭冰蓋融化之前,變暖對中國是有利的,融化之后海平面要上升,對中國就不利了,所以我們還是要有一個研究目標。
總之,科技界任重道遠。
謝謝大家!
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