读而思

我国碳中和实现路径确立了“以减少碳排放为主、增加吸收为辅”的技术路线，减少碳排放的关键是降低化石能源使用，找到清洁能源替代化石能源；增加碳吸收的难点在于碳汇作用有限，关键要降低固碳成本。能源发电和交通运输是当前碳中和的重点，应加快储能技术研究和数字化技术融合应用，抓住航空、航海领域的减排机遇。

武海云   中国电子技术标准化研究院

武   艺   通用技术集团国际控股有限公司

董晓燕   中国电科第三研究所

本文发表于《中国工业和信息化》杂志2022年7月刊总第47期

据联合国气候变化委估算，与工业革命前相比，全球平均气温已经上升了1℃左右。如果持续目前的速度，每过10年，全球就会变暖0.2℃。因此，2015年，195个国家在巴黎气候大会上达成了《巴黎协定》，总体目标是将全球升温幅度限制在1.5℃。气候变暖主要是人类燃烧化石燃料、排放二氧化碳等温室气体造成的。所以，人类想办法抵消产生的二氧化碳，实现宏观层面的清零，或者叫零排放，这就是所谓的碳中和。碳中和也被写进我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要。随着我国正式宣布在2030前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这个命题成为未来40年影响我国产业、企业和个体的重要因素。

我国实现碳中和的总体技术路线

所谓碳中和，是指在宏观账面上碳清零。要实现碳中和，一是减少碳排放，二是增加碳吸收。关键是哪个为主、哪个为辅。表面上看，以增加碳吸收为主更简单，因为把排放的碳全部吸收掉，就可以只做增量的事，不用破坏已有的事，而减排需要“伤筋动骨”。从2021年10月发布的《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》来看，我国选择了更复杂的路线，以“减少碳排放”为主，“增加碳吸收”为辅。

减少碳排放的难点是降低化石能源的使用。以煤炭为例，我国每年烧煤高达40亿吨，2/3用在钢铁、水泥、有色金属等支柱产业中。在这种生产型的能源消费结构下，减排对国民经济、就业，以及基础设施都存在巨大的挑战，需要逐步推进。所以在碳中和前期，提高化石能源使用效率成为电力、石化等行业重要的发展方向。例如，发展陶瓷膜分离技术、催化燃烧技术等。国家发改委于今年2月发布《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，大力推动高能耗行业节能降碳。

减少碳排放的关键是找到清洁能源替代化石能源。据中国碳排放数据库公告，在全国所有涉及化石能源的行业中，电力行业的排放量最大，占总排放量的44%。在电力行业中，火力发电的占比最大，装机容量占全国总体的90%左右，所以要降低电力行业的碳排量，就必须找到清洁能源替代火电，成为发电的主力。比如光伏、风能、核能等。除了电力，所有涉及燃烧化石能源的行业包括交通运输、建筑、钢铁等都需要替代方案。

增加碳吸收的难点在于碳汇所起的作用杯水车薪。植物吸收二氧化碳，在生态学里叫碳汇。但植物不仅通过光合作用吸收二氧化碳，还通过呼吸作用释放二氧化碳，或者树木死去或燃烧，吸收的二氧化碳又被释放出来。据统计，每年全球约1.7%森林发生自然大火，以美国加州为例，2020年森林火灾共释放1.12亿吨二氧化碳，相当于2400多万辆汽油车一年的碳排量。中国社科院城市发展与环境研究所潘家华教授认为，森林吸收的碳只占所有碳排放的8%左右，而燃烧化石能源产生的碳占90%以上，所以想通过森林来吸收碳，也只是杯水车薪。

增加碳吸收的关键是降低技术固碳的成本。首先是经济成本。例如，上海一家火电厂进行碳捕捉试点，每千瓦时发电成本从0.26元提高到0.5元，已经高于现在光伏发电、风能发电的平均价。其次，是碳成本。据北京高碑店、上海石洞口，以及国际上实际运行情况来看，完全捕捉二氧化碳，工厂每小时耗电量增加30%~50%。这些多消耗的电如果不发展新能源还要靠化石能源。所以，碳捕捉技术的底层逻辑存在矛盾，该项工作需要专业设备和装置，而制造、运转这些设备装置，又需要额外耗能。

能源发电和交通运输碳减排技术路径

一是风力发电。我国国土面积虽然大，但风能资源分布不均匀。陆地风能主要集中在华北、东北和西北地区。如果让风能发电成为主力，就必须解决东南沿海省份陆上风能资源不够用的问题。解决方案有两种，一种是依靠特高压输电，实现西电东送。我国特高压输电技术处于国际领先水平，但电网改造难度大，覆盖全国的特高压输电网，短期看可能性不大。第二种是发展海上风电。相比于陆上风电，海上风电有3个优势：储量大、效率高、就近便利。2021年广东、江苏、浙江等沿海省份出台的“十四五”能源规划，均把海上风电作为重点发展方向。据中国行业研究网数据，截至2021年我国海上风电的装机容量超过11GW，超过英国成为全球第一。所以，未来风电有可能作为新能源的主力。海上风电面临的主要问题是电价高，高于光伏电价，需要提高发电效率，降低发电成本。有4个可能的解决办法：第一，风机大型化；第二，通过数字技术，降低运维成本；第三，开发大型漂浮式电站；第四，创新海底电缆材料、制造工艺和输电技术。据天眼查数据研究院统计，截至2021年年底我国风电相关企业数量达5.3万家，65%的企业注册成立在5年内。

二是光伏发电。目前，我国光伏发电装机容量占全国总装机容量12%，如果光伏发电要成为主力，替代火电，必须解决发电不稳定问题。光伏发电的基本原理是爱因斯坦发现的光电效应作用在半导体材料，将光能转化为电能。因此，易受天气影响，导致发电不稳定。可以通过发展光热电站、加储能、改进发电机技术等解决电网稳定的问题。2022年华为推出了智能光伏电机，融入了数字技术，包括大数据分析、AI等。另外，光伏发电还有巨大的降本增效空间。首先是原材料创新，提高发电效率。碲化镉薄膜电池比硅电池发电能力更强，转换效率更高。其次是数字化技术帮助光伏电站降低运维成本。今年1月，工信部等5部门联合印发《智能光伏产业创新发展行动计划（2021—2025年）》，大力发展智能光伏产业。

三是核能发电。在世界范围内，核电可否作为主力能源的争议较大。主要是核废料问题、核泄漏风险和选址必须靠近江河湖海。第四代核电技术已经解决核泄漏和选址问题，也大大减少了核废料总量。去年，我国自主研发的第三代核电技术“华龙一号”核电机组出口，帮助其他国家解决能源问题，促进共同发展。

四是发展储能。储能是解决风光电不稳定的措施，有两条主要途径，途径一为电池储能，包括铅酸电池、锂电池、电池集装箱等，但其实较难满足需求。原因主要是储能时间短，遇到极寒天气电量快速释放等，原材料资源有限，储能需求缺口大，电化学产能跟不上。因此，2021年出现了一些新的储能前沿技术，其中，电磁储能和超级电容技术处于实验室阶段，飞轮储能、压缩空气储能、液流电池处于示范项目阶段，储氢技术处于商用化阶段。2021年7月，国家发改委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出，到2030年，实现新型储能的全面市场化。短期内没有成熟的路径，继续着手改进和升级电池，值得关注。一是发展钠电池。锂资源有限、对温度敏感，而钠电池相比锂电池，虽然能量密度低，但温度适应能力好，在-40℃~+80℃环境下可以工作，且储量丰富，是锂的上千倍。二是提升电池储能效率，通过创新温控技术，改变电池组排列方式，数字化管理电池等方式。三是实现电池梯次利用。途径二为抽水蓄能，这是解决储能问题的重要手段。根据国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》，到2030年实现抽水蓄能电站装机容量约1.2亿千瓦，是现在的3倍多。同时，抽水蓄能也有需要克服的问题，如需求和选址资源不匹配。

五是交通运输减排。2021年中国国际金融有限公司引入概念，叫“绿色溢价”。这个概念是2020年比尔盖茨提出的，专门用来衡量什么才是碳中和的重点。绿色溢价，是指与当前现有排放技术的生产成本相比，使用零排放技术的生产成本提升的比例。根据这个标准，在排放量最大的8个行业中，建材行业的减排难度最大，是排在第二位交通运输业的两倍，之后依次是化工、电力、钢铁、造纸、石化、有色金属。建材行业减排难度大是因为有些生产环节没办法做到不排碳，而交通运输业通过技术创新，这个难度可能会大幅下降，这就是减排的重点。其中，新能源汽车技术相对成熟，绿色溢价只有18%。航空和航海的绿色溢价是新能源汽车的十几倍，这里存在大机遇。航空减排方法有3种，一是发展电动飞机。瓶颈是电池容量，装多了飞不动，装少了飞不远。二是发展氢燃料。2021年空客推出了三款氢燃料飞机的概念图。三是发展可持续燃料。短期更有前途的是发展可持续燃料，已写进我国《2030年前碳达峰行动方案》。航海减排有很大的机会点，第一步“油改气”，第二步“气改电”，发展纯电动船运。这对电池企业是个大机遇，宁德时代已经开始布局。预计2025年，航海用锂电池市场规模将达到550亿元。

碳吸收、碳交易和碳管理技术路径分析

碳吸收。据《中国能源电力发展展望2021》报告，到2060年我国能源消费结构中仍然可能有20%左右的化石能源，这就需要通过碳吸收来解决。增加碳吸收虽然为辅，但也需要关注。一是碳汇。森林碳汇是杯水车薪，但海洋碳汇可能是较好的解决方案。人类排放到大气中的二氧化碳，有近1/3是被海洋吸收的。联合国2009年发布报告指出，约93%的碳被暂时存储在海洋生态系统中。复旦大学生命科学学院生态学专家赵斌教授认为，“靠碳汇吸收的碳，未来可能重新被释放回空气中，这给碳交易带来极大的风险。环境保护为的不是增加二氧化碳的吸收，而是保护生态系统这个大‘碳库’，在全球变暖的过程中，不会把储存的碳排放出来”。二是碳捕集、碳封存。目前还处于示范阶段，没有达到商用水平。2021年微软花重金投资瑞士一家做“直接空气碳捕集”的公司，目前处于示范阶段，每处理1吨二氧化碳，成本在600美元~800美元之间，还有巨大的下降空间。

碳交易。据中金公司预测，到2060年，碳中和需要投资140万亿元，相当于每年3.5万亿元，占年GDP总量的2%。中国人民银行行长易纲表示，实现碳中和需要巨量投资，要以市场化方式，引导金融体系提供所需要的投融资支持。引导方式包括，一是绿色金融。如绿色信贷、绿色债券等。目前处在起步阶段还存在不少问题，包括标准不统一、投资过于集中、与国家整体需求不匹配等。二是碳交易市场。2021年7月全国碳交易市场正式上线交易，其运行机制是每年国家会发放排放配额，一年内配额不够用可从碳交易市场里的其他主体购买，交易价格根据供需情况实时波动。碳交易的主体是企业，包括两类，一类是强制参与的，如发电企业。另一类是自愿参与的，任何发展新能源技术的企业都可以参与。2021年7月，全国2200多家发电企业成为首批参与碳交易的企业。截至2021年年底，全国碳市场碳排放配额（CEA）累计成交量1.65亿吨，累计成交额69.31亿元。三是市场机制催生创新。碳交易市场发展释放3个机遇，一是在“少排能赚钱、多排要掏钱”的规则下，燃烧化石能源的企业更有动力采购相应的减排技术。对于研发新技术的企业，也多了一个重要的变现途径。二是金融代理服务可能会迎来发展。三是碳交易市场需要数字化技术手段支撑，包括人工智能在能耗监测、上报等环节发挥作用，区块链保证上报信息不被篡改，云计算让不同地域的市场主体更方便、快捷地进行交易，大数据有效管理数据并进行分析等。

碳管理。做好碳管理，要有一本账，记录这个“碳”进出的账册，称为碳账本，最终通过这本账可计算出年度净排放额，这就是碳足迹。首先，不仅是国家规定的控排企业要做碳管理，非控排企业也要做碳管理，阿里巴巴、百度、京东、万科等都已开始做碳管理。原因有二，一是回应政策，彰显社会责任，同时应对来自国外竞争对手如谷歌、微软、苹果等公司的压力。二是在产业链传导下，行业龙头企业倒逼产业链上的中小企业一起减排。碳账本要按3个范围来记碳排放额，即企业燃烧化石能源直接产生的碳排放、企业用电间接产生的碳排放、下游企业为保证生产而产生的碳排放。其次，碳管理服务成为新赛道。去年金风科技智慧园区成为中国首个获得可再生能源碳中和认证的智慧园区。金风科技把碳管理服务作为自己重要的发力点，积累经验、数据，形成数据库，转型成为碳管理解决方案提供商。