能源视角下的中国碳中和构想

绿色低碳转型将是今后我国全部经济活动的内核，碳中和是未来中国经济增长和转型的最大驱动力，也将成为科学研究、科技开发、投资、建设、生产、消费和流通等领域决策的依据。本文从能源视角，提出科技创新是实现碳中和的根本途径。

全球碳元素代谢与我国碳中和的挑战与机遇

从1900年至2000年的百年内，全球经济迅速发展，人类社会创造了高度发达的工业化文明，并正向信息化、智能化时代迈进。工业化进程的驱动力主要依靠化石能源。在这一时段内，全球化石燃料排放的二氧化碳（CO2）量约为9860亿吨，全球大气中CO2浓度从290ppm（百万分之一）上升至380ppm，上升了90ppm。由此可以从表象学统计估算出，约每排放110亿吨CO2，则大气中累积的CO2浓度上升约1ppm，100年内大气温度约上升了0.85℃（置信区间为0.85±0.18℃）。则可估算每排放11600亿吨CO2，可造成气温平均上升1℃。

21世纪以来，全球CO2排放量持续增加，全球极端气候现象频繁出现，据联合国气候变化委员会（IPCC）的多次公报，全球气候变化与大气中CO2浓度升高的关联度不断提升，引起了世界各国的高度重视。2020年9月22日的联合国大会上，有121个国家主动承诺在2050年前实现碳中和。根据已有协议，应对气候变化，发达国家与发展中国家有共同但有区别责任的原则，中国郑重承诺在2030年前实现碳排放达到峰值，并力争于2060年前实现碳中和。

在中国实现碳中和政策是党中央经过深思熟虑的重大决策，习近平总书记在2021年3月15日中央财经委员会第九次会议上讲道：“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明总体布局。”“要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。”

碳中和对一个国家或地区来讲，意味着要把社会所有生产生活中排放的CO2全部回收，或利用、埋藏，实现净零CO2排放。从全球角度讲，要规划全球碳元素的自然生态代谢和社会生态代谢，以减少CO2在大气中的累积，抑制温室效应对气候的影响。碳元素在自然界的循环模式是：全世界存在四个大碳元素库，一是地层沉积碳库，包括石油、煤炭、天然气等化石和碳酸盐等水成岩;二是陆地表层碳库，包括生物和土壤中的碳元素含量;三是大气碳库，大气中的CO2浓度从工业化前的含量280ppm到2009年已上升到400ppm以上;四是海洋碳库，由于降雨可以把大气中的CO2淋洗到海洋，由海洋浮游生物、细菌、海藻或硅酸岩转化为以碳酸岩为主组成的碳元素库。碳元素在四大碳库间循环输运。

工业化社会以来，大量开采化石燃料利用和石灰石制造水泥，把大量的沉积在地层深处的碳元素输运进入大气的速度大幅增加。而二氧化碳在大气中的积累，造成气候变化;在海洋中的积累，使海水从工业革命以来氢离子浓度指数（pH）值下降，其幅度约0.24，打破了自然界碳元素输运的规律。碳中和的目的就是使碳元素的代谢回归自然状态，使碳元素的社会生态循环与自然生态相和谐。

我国要实现碳中和面临着巨大的挑战：

其一，中国是世界最大的CO2排放国，2019年排放量约102亿吨，约占世界CO2总排效量330亿吨的1/3。其二，从2030年前碳达峰到2060年前碳中和时间仅为大约30年，而一些发达国家如英、法、德等碳达峰至碳中和有70 ～80年的缓冲期，在技术、经济层面可以有更大的弹性操作空间。其三，更为重要的是，我国正处于经济增长的窗口期，实现碳中和必须与经济发展同步进行。2020年美国人均国内生产总值（GDP）约为6.5万美元，德国人均GDP为4.8万美元，而我国仅为1.0万美元左右。到2049年中华人民共和国成立100年时，实现经济发展达到发达国家水平，将是一个巨大的挑战。其四，许多国家的国民经济发展轨迹，都依循克拉克定律，即从农业到制造业再到服务业。这可能导致经济的金融化、虚体化、空心化，使国家经济隐藏着危机。我国多年来一直是世界制造业大国，必须发展科学研究、技术开发、专利、软件推广等，以智力劳动形成“智造业”推动创新发展，通过制造业、服务业、智造业三者相互依赖的健康发展模式，保证制造业永远处于创造财富的主体地位。

既然中国要永久保持制造业大国、强国地位，当然必须有相应的能源供应，这为碳中和的实现增加了难度。我国经济经过40多年的高速发展，持续发展面临的制约是能源、资源的日益匮乏，石油的对外依存度己超过70%（2020年为74%），天然气的对外依存度也将达到50%（2020年为42%）。

但碳中和的实现亦将是我国发展的机遇。绿色低碳转型将是今后全部经济活动的内核，碳中和是未来中国经济增长和转型的最大驱动力，也将成为科学研究、科技开发、投资、建设、生产、消费和流通等领域决策的依据。我们应智慧地、理性地平衡生态文明建设与经济社会发展关系，合理、可承受地推进我国经济发展达到中等发达国家水平，并与碳中和同步，践行建设“人类命运共同体”的承诺。

产业结构转型是实现碳中和的必由之路

我国虽然已经是世界第二大经济体，但仍处于工业经济时代后期。2020年我国一次能源消费中，工业占57.06%，建筑业占16.78%，交通占15.30%，其他占10.86%;而能源消费以煤炭为主，煤炭消费占57%，非化石能源消费仅占16%。各种能源中C/H摩尔比：草木1.0/1.0，煤1.5～2.0/1.0，石油1.0/2，天然气1/4。

我國减少CO2排放的出路只有改产业结构，减少单位GDP所用的能耗，通过改变能源结构，大量采用可再生能源，才能实现。中国制造业产值已占全球的30%左右，但与美国相比仍有较大差距。同时，位于前列的多是初级产品，如21世纪20年代初我国钢铁产量约为12亿吨/年，我国人均钢产量是美国的3倍，而我国水泥产量约为15亿吨/年，我国水泥人均产量为美国的6倍。这些初级产品价值低，CO2排放大，随着大型基础设施高速铁路、公路、桥梁、水坝、住房等大规模建成，社会从工业化向信息化、智能化时代转化，对这些初级产品的需求将逐步减少。所以发达国家CO2排放陆续达到峰值，万元GDP能耗仅为我国的1/4～1/3。

我国“十四五”规划提出了高质量发展指导思想，推动产业结构转型，这是实现碳中和与社会经济同步发展的应有之义。我国高端制造业转型已经有良好的开始，处于领先水平的产业包括高速铁路、第五代移动通信（5G）及量子信息传递技术，光电、风电等可再生能源产业等;处于并跑水平的产业包括大型工程机械、纯电动车、锂电池产业和无人机等;处于加速追赶的产业包括民用航空、人工智能、机器人和芯片等。

此外，各行各业通过技术进步实现节能减排也是减少CO2排放的重要举措。如2019年我国火力发电的平均煤耗为306.7克/千瓦·时，而世界先进火电的煤耗更低，为270克/千瓦·时，通过技术进步尚有10%～30%的节能空间。

可再生能源技术为近零碳电力系统的基础

电能是人类社会不可替代的二次能源。它支撑着文明社会的运行，2019年中国人均总用电量为0.51万千瓦·时。我国发电以煤燃料的火电厂为主，电力系统2020年CO2排放量约占37%。随着光伏发电和风电发电的技术进步，到了21世纪20年代，光伏发电成本已降至0.068美元/千瓦·时。风电发电成本为0.053（陆地）美元/千瓦·时、0.115（海上）美元/千瓦·时，已接近同时期的火电成本（约为0.05美元/千瓦·时）。

2021年4月，沙特新建600兆瓦大型光伏电站阿尔舒艾巴（Al-Shuaiba），其电力售价已降到1.05美分/千瓦·时，所以光伏发电不但技术成熟，经济上也可优于火电的建设。更重要的是，太阳所给予地球的可再生能源可以提供全球能源总需求的3078倍（绿色和平组织国际能源革命，2005年9月）。据统计，我国北部地区的内蒙古，西北地区的新疆、甘肃、青海、宁夏风光能源可开发量可达397万亿千瓦·时/年，相当于4700个三峡水电站一年的发电量，因此可再生能源从规模上是完全可满足需求的。

采用可再生能源为主的电力供应是可以预期的，我国一次能源消费近年为48亿吨标煤左右，按每300克标煤生产一干瓦小时电量计算，则约折合14万亿千瓦·时/年的电量。根据我国建设计划，到2030年光伏、风电装机可达12亿千瓦。若依每年可发电2000小时计算，总发电量约为2.4万亿千瓦·时/年。到2060年只要再增加建设6倍的风电、光伏电站，就相当于40亿吨标煤/年的化石能源的供电量，所以人类完全告别化石能源时代是可能的。

由于风电、光伏发电最大的缺点是不稳定，需要相应的调峰装置和储电装置与之相配合组成智能电网，以满足产业与生活用电需求。调峰措施可以通过调峰用电（如储热、制冷、生活用电）和调峰化石电站来实现。而储电技术包括化学储电（锂硫等电池、钒液流电池）、水力储能、压缩空气储能、机械储能等都是当今研发的重点。除了尚在研发中的核聚变电台外，世界已取得共识，认为可再生能源（光伏等）加上储能调峰技术组成智能电网，可能是人类未来能源的终极解决方案。

从化石燃料时代转变为化石材料时代

不再利用化石来燃烧取能，可使CO2排放减少主要来源，而人类对碳元素的需求却没有减少，生物吃的是碳水化合物，人类大量使用的是碳氢化合物，当今社会碳元素的来源主要依靠化石供应。所以化学家的任务是如何重新认知“碳”和“氢”元素在自然界的代谢，以及如何安排“碳”和“氢”元素在社会生态中的运输模式。

当今传统石油炼制产业，原油的70%～80%被加工成汽油、柴油、煤油和润滑油被利用，而加工成石脑油最终生产成塑料、橡胶、合成纤维等材料的比例仅为20%～30%。随着电动车的兴起，原油的加工路线必然发生根本改变。石油将作为材料生产各种高性能的高分子材料。

天然气由于售价较高，主要作为家庭炊事、洗浴和取暖的能源。以炊事烧一锅热水为例，仅30%多燃烧热量传递到热水之中，远不及用电加热水的能源利用率。更可惜的是，大量含氢元素的天然气可用来与CO2反应使之成为碳汇，反而被大量燃烧掉了，这从碳中和角度思考是完全不合理的利用方式。天然气作为最清洁的化石能源，我国2020年产量为1888.5亿米3/年，比上一年增加了9.8%，液化天然气进口量为10166万吨，增加了5.3%。而我国氢气（H2）的原料43%为煤，13%为石油，16%为天然气。采用天然气制氢代替煤制氢应是一段时间的重点发展方向，预计到2050年其将在化石能源消费量排名第一。我们应该大力开发天然气作为减排CO2、合成各种材料的技术。

关于煤炭如何从燃料变为材料利用，早在10多年前就开始了这方面的研究与开发，煤通过甲醇制烯烃在2019年已形成了1300多万吨/年的产能。煤制乙二醇生产化纤的工艺中乙二醇产能也超过了550万吨/年。但是从碳中和角度来审视，由于CO2排放量大，水耗大，今后不再可能大量采用。我们需要研究开发既可达到转变化石燃料为材料的目的且CO2排放少的技术。

褐煤等年轻煤种碳元素与氢元素比例可达1︰0.8。国内开发了许多不同的褐煤分质利用技术，在400℃～500℃下绝氧干馏，可以获得半焦和碳氢化合物（粗焦炉气），碳氢化合物可以进一步高温裂解氢气，而赤热的半焦（800℃～1000℃）可以把CO2还原成CO。两者都可以作为减排CO2的手段，颠覆性地改变褐煤作为燃料的利用方式。

生物技术在实现碳中和时应起到重要作用。藻类吸收CO2的生长速度和阳光利用率都是陆生植物的数倍到十数倍，且有微藻以甘油三酯形式储存其所固定光合产物，其合量可达微藻干物质的50%以上。它的发展潜力受到世界的重视，中国新奥能源控股、美国的埃克森美孚、德国意昂集团等企业都建设有开发基地。

森林种植是自然界最重要的CO2捕集利用的手段。成熟森林白天吸收CO2为24.5吨/亩·年，而夜间的排放CO2为17.9吨/亩·年，森林种植作为重要的CO2减排方案，中国森林蓄材量从2005年至2013年约增加60亿立方米，中国是世界上森林面积新增加最多的國家。但应看到，植物是有生命周期的，每年有大量枝叉、树叶凋落，它们的腐败会产生大量甲烷，甲烷是更为严重造成温室效应的气体。亚马孙森林曾被视为是地球之肺，是自然界最大的CO2吸收地和氧吧。但最近有巴西研究报道，由于森林滥伐、气温上升自然腐败和火灾等原因，每年有10亿吨CO2当量温室气体的排放产生。我国每年秸秆和农林废弃物的产量可达10亿吨以上，除了通过建设沼气站转化为农村的能源供应外，采用更为与碳中和理念相契合的转化方法是，将这些生物质进行低温干馏，转化为木醋液和生物碳。生物碳为多孔结构的无机材料，可以大量用于土壤改良修复，可增加土壤保墒和起到肥料的缓释作用，显著提高农作物对化肥的利用率。而木醋液可以作为有机农药，防止虫害。

发展循环经济，实现能源梯级利用和资源循环利用

市场经济作为推动社会经济发展的重要模式已经成为世界的共识，但它的发展必然伴随着大量原生资源的开采，大量生产、消费的进行。置于政府和社会群众监管下的，有中国特色的市场经济虽然倡导高质量制造、抑制过度浪费等不良不法行为，但“十四五”期间的双循环政策，经济增长仍要依靠消费來拉动。大量消耗的不可再生资源及其加工制造过程的能量消耗，都是社会可持续发展需要解决的重要问题，根据艾伦·麦克阿瑟基金会测算，全球若落实循环经济策略，仅水泥、铝、钢铁、塑料的生产过程，其碳排放将减少40%，2020年至2050年可减排93亿吨CO2。

除了我国已大力推行的生态循环产业园区的建设，可使在一定界区之中，多企业间物质流、能流、资金流、价值流、废物流得到优化配置外，另外新的更为经济的循环利用技术、再制造技术、增材制造技术等也在加速开发和推广中。应该注意到，由于碳中和的发展，电动车、光伏发电、风力发电、电池等制造对锂、钴、镍、钕等金属需求将成倍增加，对于退役的电动车、电池等回收和再制造有重大发展需求。

随着碳中和进程的不断深入，许多原有高耗能的企业将会逐步退役，或转产其他产品。例如我国煤制油技术，其产能已达到1000万吨/年以上，不但CO2排放大，而且柴油已过剩，如何盘活其资产或转产高碳醇用于增塑剂、化妆品、香精生产或聚合级高碳α-烯烃，对于一些高CO2排放企业寻找转型、退出机制也是十分重要的。

根据国际能源署（IEA）《2050年净零排放：全球能源行业路线图》，2040年全球电力行业将基本实现净零排放，90%电量来自可再生能源，70%来自光伏和风电，这时诸多化学制造过程应从热化学反应转变为电化学反应，如电解、等离子反应过程。化石燃料的使用量将从占4/5下降到不足1/5，所以仍需要有一定的CO2捕集、利用、封存技术（CCUS），碳中和从另一角度讲，就是碳元素的循环经济。

循环经济的热力学基础是通过能量注入把使用后品位降低的物质，提升其品位，重新加以利用，如生活和工业废水，根据其不同污染程度，通过处理，达到不同品位的净水循环利用，使其过程更为节能;或者通过梯级利用来节约减少消耗，如洗菜、淘米水可用来浇花等。所以虽然物质可以循环利用，但其本质是建立在全生命周期考量能量利用效率问题上的，只有通过创新技术研发和系统优化才能实现。

对于氢元素的利用，地球上没有单质氢元素的存在，氢的化学活性高，在地球演化及生命形成过程中起着重要作用。当前人类社会的重要化学制品如合成氨、甲醇等和炼油工艺都需要大量氢气，中国2020年氢气产能4100万吨，产量为2000万～3000万吨。不同制氢方法的成本和CO2排放分别是：煤气化（成本0.79元/米3，CO2排放11千克CO2/1千克H2），天然气转化（成本1.5元/米3，CO2排放5.5千克CO2/1千克H2），重油制氢（成本1.6元/米3，CO2排放7千克CO2/1千克H2），甲醇制氢（成本1.9元/米3，CO2排放7千克CO2/1千克H2），电解水（成本2.4元/米3，0千克CO2排放）。电解水制氢之所以成本高，是因为电解水的能量利用率低，仅为30%～50%。如果耗能得到降低，应该首先代替原有化石能源制氢大量CO2排放的技术，氢气作为产品合成原料，或者用来与CO2反应，作为碳汇资源。与成熟高效的二次能源——电能相比，氢在创造、输运、储存等各方面都不是一个可广泛使用的二次能源。氢燃料电池的出现提供了一个锂电池以外的可移动电源。由于燃料电池由氢重新转换为电能时，能源转换效率仅为50%左右，从电网用电制氢，再由氢转换为可移动电源作为交通能源过程的全生命周期考量，能量利用率只有30%左右，所以氢燃料电池仅在重载运输、潜艇、货轮等领域有发展空间。虽然近来文献中有建议采用分解氨气来解决移动交通工具中贮氢的难题，但从循环经济理念来考虑更是难于接受的，因此，碳中和进程中要精算能源利用率的问题。

提高人居环境的舒适程度，建筑节能是碳中和的重要途径。目前，我国人均建筑面积已超过46平方米，已接近日本、欧洲水平，所以利用光热、地热、工业余热等能源，以及采用保暖建筑材料、相变建材、调峰制冷等技术来减少建筑物的运行能耗，是十分重要的向题。在建筑物设计过程中，也应体现碳中和的理念。据2020年统计，中国有150米以上高楼2395座，200米以上高楼823座，300米以上高楼95座，都居世界第一位。这样的建筑物从建设成本、耗材、运行能耗、安全防火、光污染各个角度考虑，都会严重劣于一般楼宇建设，2021年7月，国家发改委已宣布，将对250米以上高层建筑施行严格审批制度，而500米以上建筑将严令禁止。早在2008年，联合国环境署为了提倡低碳生活方式，主张人人参与，从微末之处参与减排CO2。如不用洗衣机甩干，而是自然晾干，即可减排CO22.3千克/天·人。如此种种，不因善小而不为。

科技创新是实现碳中和的根本途径

碳中和是涉及全球人类生存质量和永续发展的课题，世界各国都是仓促上阵应对的，从技术经济层面并没有完备的方案。仅中国实现碳中和的资金投入预算就高达150万亿～300万亿元人民币，只有在40年之内，研究开发出“异想天开”的颠覆性科学技术和智慧的政策管理制度才可能顺利实现。以下为笔者建议的发展方向：

第一，用天然气制氢及与CO2反应作为碳汇来利用。天然气是含氢最多的化石资源，建议可以用于制氢及与CO2反应作为碳汇来利用。当前已探明在海底岩层中有大量的天然气水合物（可燃冰）的蕴藏，可以在海上建设发电站，开采天然气水合物作为发电燃料，把CO2转变成CO2水合物永久封存，由于两种水合物的热力学生成条件是近似的，从理论上来说或可行。

第二，建立跨欧亚美的“日不落电网”，减少智能电网对储电设施的投入。采用光伏、风电等可再生能源是全世界共同实现零碳排放的途径，但遇到最大的难题是可再生电源的不稳定性和储电难度大、投资大。设想从白令海峡东经180°经欧亚大陆至伦敦东经0°跨12个时区，而从白令海峡西经180°到北美大陆西端西经60°共跨8个时区。如果建立一个跨欧亚美的“日不落电网”则可大大减少智能电网对储电设施的投入。

第三，火电厂的优化转型。未来火电厂生存的唯一机会是改造成调峰电站，组成智能电网。从科学原理已知，采用超临界状态的水进行电解制氢是省能的方案，而先进的火力发电厂都是超临界、超超界蒸气发电，如果开发出这种先进的电解制氢技术与之相配合，则可低成本制氢，又可以发电—制氢相互切换，达到调峰的目的。如果能顺利实现可以盘活巨大的“退役资产”。

第四，核聚变电站的研发建设。核聚变能的工程应用，早已进入科学技术界的视野，它的发电质量高，没有放射性废物产生，而且可供利用的核燃料氘、氚在海水中的蕴藏量可供使用百万年，是理想中的能源开发方向，期待未来在商业应用方面的突破。此外，设想中的空间太阳能电站也是把幻想变成现实的尝试。以上设想仅是抛砖引玉，未来40年科学技术突破会产生诸多奇迹，各种大大小小的科学技术创新是实现碳中和的根本保证。总之，碳中和是未来中国经济增长和转型发展的最大驱动力，它将成为今后科学研究、技术开发、生产、投资、消费和流通所有经济活动决策的依据，并通过理性的、智慧的生态文明建设与经济发展同步进行，通过研发创新、规划，实现渐进式推进。2060年前中国碳中和的实现，是工业化时代转变为信息化、智能化时代;是以可再生能源为主导或核聚变电站商业运营时代;是化石燃料转型为化石材料时代;是资源循环利用时代;是科技颠覆性创新和人才辈出的时代。

（金涌为清华大学化学工程系教授、中国工程院院士，胡山鹰为清华大学化学工程系教授，朱兵为清华大学化学工程系教授、循环经济研究院院长。清华大学化工系副教授陈定江、博士生张臻烨对本文亦有贡献。本文编辑/秦婷）