鄒才能 薛華慶 熊 波 張國生 潘松圻 賈成業(yè)王 影 馬 鋒 孫 倩 關(guān)春曉 林敏捷

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 2. 西南石油大學(xué)

0 引言

氣候變化深刻影響地球環(huán)境，這是人類共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對全球氣候變化，實現(xiàn)人類社會文明進步與地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，第21屆聯(lián)合國氣候變化大會通過了《巴黎氣候協(xié)定》，提出在2050年左右達到CO2“凈零排放”的目標(biāo)，即碳中和。廣義上，碳中和是指人類化石能源利用、土地利用及自然界火山噴發(fā)碳排放等碳源體系與地球碳循環(huán)系統(tǒng)、海洋碳溶解、生物圈碳吸收等碳匯體系間形成動態(tài)平衡[1]；狹義上，碳中和是指一個組織、團體或個人在一段時期內(nèi)CO2的排放量，通過森林碳匯、人工轉(zhuǎn)化、地質(zhì)封存等技術(shù)加以抵消，實現(xiàn)CO2“凈零排放”。

碳中和是有效控制全球氣溫快速升高，推動能源利用綠色轉(zhuǎn)型，促進綠色、低碳等技術(shù)進步的重要途徑，是推動世界經(jīng)濟發(fā)展和增長的新動力。實現(xiàn)碳中和將改善人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境，減少由人類活動引起的環(huán)境問題。2019年，世界衛(wèi)生組織公布：空氣污染和氣候變化排在全球十大健康威脅之首。預(yù)計2030—2050年，氣候變化將導(dǎo)致全球每年新增約25萬人死于營養(yǎng)不良、瘧疾、腹瀉和氣溫過高，每年將有700萬人過早死于癌癥、中風(fēng)、心臟病和肺病等疾病[2-3]。碳中和將推動人類能源體系向綠色、低碳、無碳轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)無碳新能源對高碳化石能源的替代，帶動新能源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域就業(yè)崗位增長和國民生產(chǎn)總值增加[1]。預(yù)計到2050年，全球能源低碳轉(zhuǎn)型領(lǐng)域年均投資將超過3.2萬億美元，累計投資將超過95萬億美元，提供超1億個就業(yè)崗位[4]。

碳中和是全人類的共同目標(biāo)與追求，以共商共議為主體的全球協(xié)作機制是實現(xiàn)碳中和的前提和保障。在全世界積極推動碳中和的進程中，需以科學(xué)問題為導(dǎo)向開展碳中和研究。碳中和既是“能源學(xué)”和“碳中和學(xué)”的重大理論問題，又是實現(xiàn)人類能源利用與地球生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重大實踐問題，將催生以CCUS（碳捕集、利用和封存）/CCS（碳捕集與封存）為核心的碳工業(yè)、以綠氫為核心的氫工業(yè)，推動實施節(jié)能提效、減碳固碳、科技創(chuàng)新、應(yīng)急儲備、政策支撐五大戰(zhàn)略工程協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。

1 碳中和提出的背景

1.1 氣候變化是引起地質(zhì)歷史時期生物大滅絕的誘因之一

地球形成距今約46億年。38億～35億年前，原核生物出現(xiàn)，生命正式登上地球舞臺；距今約600萬年前，原始人類出現(xiàn)。自生物出現(xiàn)以來，地球上已經(jīng)發(fā)生了5次大規(guī)模的生物大滅絕事件，分別發(fā)生在奧陶紀(jì)末、晚泥盆世、二疊紀(jì)末、三疊紀(jì)末和白堊紀(jì)末（表1）。全球氣候變化引起海平面變化，產(chǎn)生環(huán)境—生命互饋效應(yīng)，導(dǎo)致大量物種滅絕[5-6]。其中，二疊紀(jì)末生物大滅絕事件的毀滅程度最大，大約96%的海洋生物、70%的陸地生物物種滅絕。人類出現(xiàn)以前，火山爆發(fā)、天體撞擊地球、海洋生物變化等災(zāi)難性事件引起大氣中CO2濃度發(fā)生突變，產(chǎn)生大氣溫室效應(yīng)，發(fā)生全球性海平面變化、生物大滅絕等連鎖效應(yīng)。生物滅絕也為形成化石能源奠定基礎(chǔ)。

表1 全球生物大滅絕事件統(tǒng)計表[5-6]

1.2 大氣CO2溫室效應(yīng)引起全球氣候變化加劇

人類進入工業(yè)化時代后，全球大氣中CO2平均濃度達到了近百萬年以來的最高水平，氣溫不斷升高，地球生態(tài)系統(tǒng)和人類社會發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計，過去80萬年至工業(yè)化前（1750年前），全球大氣中 CO2濃度低于 280×10－6。2015年 CO2濃度突破400×10－6，2019年CO2濃度繼續(xù)快速增長，僅4年時間突破了410×10－6。過去70年，大氣中CO2濃度的增長率是末次冰期結(jié)束時的100倍左右，1960年末期大氣中CO2濃度年均增速為0.7×10－6，2005—2019年間CO2濃度年均增速達到2×10－6，全球平均溫度也比工業(yè)化前升高約1.1 ℃[7-9]。未來，人類將面臨全球氣溫上升、極端天氣事件增加、海平面上升和海洋、陸地生態(tài)系統(tǒng)被破壞等一系列日益嚴(yán)重的氣候變化及其連鎖反應(yīng)。到本世紀(jì)末，如果全球氣溫升高達到2 ℃，海平面高度將上升36～87 cm，99%的珊瑚礁將消失，約13%的陸地生態(tài)系統(tǒng)將被破壞，許多植物和動物可能瀕臨滅絕[9]。

1.3 碳中和是全球應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略舉措

目前，氣候異常“突變”、地球不斷“發(fā)燒”，是全人類必須共同面對的系統(tǒng)問題，共商共議是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必然要求。世界各國應(yīng)積極采取措施，減少CO2排放量，共同應(yīng)對氣候變化問題。1997年12月，在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架公約大會通過了《京都議定書》，并于2005年2月16日正式生效，旨在限制發(fā)達國家溫室氣體排放量以抑制全球氣候變暖；該協(xié)議書規(guī)定到2010年，所有發(fā)達國家的溫室氣體排放量要比1990年減少5.2%。2015年12月，第21屆聯(lián)合國氣候變化大會通過《巴黎氣候協(xié)定》，并于2016年11月4日起正式實施，目標(biāo)是較之于工業(yè)化前，全球氣溫升高幅度控制在2℃以內(nèi)，力爭將升高幅度控制在1.5 ℃以內(nèi)。因此，全球在2050年左右需要實現(xiàn)碳中和。這次氣候變化大會邀請聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）評估全球升溫1.5 ℃的影響及溫室氣體的排放途徑。2018年10月8日，IPCC發(fā)布了《IPCC全球升溫1.5℃特別報告》，明確了全球升溫1.5 ℃的潛在影響及可能的減排路徑，并提出了在可持續(xù)發(fā)展和努力消除貧困的前提下加強全球響應(yīng)的建議。

2 碳中和面臨的挑戰(zhàn)

碳中和已成為全球應(yīng)對氣候變化的共識性目標(biāo)，但實現(xiàn)碳中和還面臨以下挑戰(zhàn)：①全球CO2排放總量大，大氣中的平均CO2濃度仍在持續(xù)增加；②印度、俄羅斯等世界大國尚未承諾實現(xiàn)碳中和的時間；③全球能源消費結(jié)構(gòu)仍以化石能源為主，呈現(xiàn)煤、石油、天然氣、新能源“四分天下”格局，新能源占比偏低，能源轉(zhuǎn)型面臨挑戰(zhàn)；④全球太陽能、風(fēng)能等新能源資源存在間歇性、空間分布差異性，給新能源規(guī)?；l(fā)展帶來了挑戰(zhàn)；⑤氫能、CCUS、儲能等技術(shù)應(yīng)用成本較高，尚未實現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)化推廣與應(yīng)用[10]。

我國能源消費和CO2排放大致經(jīng)歷了緩慢發(fā)展（緩坡區(qū)）、快速發(fā)展（陡坡區(qū)）和平穩(wěn)發(fā)展（平臺區(qū)）3個階段（圖1）。1980—2001年，我國能源消費處于緩坡區(qū)，能源消費量年均新增0.43×108t標(biāo)煤，CO2排放量年均新增0.93×108t，年增CO2排放量與年增能源消費量比值為2.2；2002—2013年，我國能源消費處于陡坡區(qū)，能源消費量年均新增2.06×108t標(biāo)煤，CO2排放量年均新增4.50×108t，年增CO2排放量與年增能源消費量比值為2.2；2014—2020年，我國能源消費處于平臺區(qū)，能源消費量年均新增1.12×108t標(biāo)煤，CO2排放量年均新增0.81×108t，年增CO2排放量與年增能源消費量比值為0.7。目前我國能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)中，主體偏煤炭、油氣偏輕、新能源偏少，中國實現(xiàn)碳中和需要將現(xiàn)階段以煤炭為主的“一大三小”能源消費結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)型為以新能源為主的“三小一大”結(jié)構(gòu)，但在實施過程中將面臨以下三大挑戰(zhàn)：①能源轉(zhuǎn)型規(guī)模大，碳中和實現(xiàn)周期較短（僅有40年左右時間），能否按期實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型存在很大困難；②能源轉(zhuǎn)型過程存在著能源供應(yīng)安全的不確定性、能源利用的經(jīng)濟性、能源顛覆性技術(shù)的難預(yù)測性等問題；③能源轉(zhuǎn)型后，以新能源為主的“三小一大”能源結(jié)構(gòu)，可能面臨新的關(guān)鍵技術(shù)“卡脖子”和關(guān)鍵礦產(chǎn)資源“斷鏈子”等難題。

圖1 我國能源消費量和CO2排放量變化趨勢圖

3 碳中和學(xué)的內(nèi)涵

3.1 碳中和學(xué)的理論內(nèi)涵

“碳中和學(xué)”是指以人類活動引起的碳排放與地球碳循環(huán)系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡為目標(biāo)，以無碳新能源有序替代化石能源為途徑，以經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)政策、能源技術(shù)等為內(nèi)容，研究人類活動足跡對自然環(huán)境影響最小化的一門學(xué)科，是能源科學(xué)與社會科學(xué)的交叉學(xué)科。

“碳中和學(xué)”涉及能源科學(xué)，以地球、能源、人類三者相互影響與協(xié)同演化為核心的能源學(xué)研究思路，立足于地球系統(tǒng)演化，從時間尺度、空間尺度研究能源的形成分布、評價選區(qū)、開發(fā)利用、有序替代、發(fā)展前景等[5]?！疤贾泻蛯W(xué)”包含能源學(xué)三大核心內(nèi)容：①地球系統(tǒng)背景下能源的形成和能源消耗對地球氣候與環(huán)境的反饋，體現(xiàn)了地球與能源間的相互關(guān)系；②地球環(huán)境孕育人類演進和人類行為改造地球環(huán)境，體現(xiàn)了地球與人類間的相互關(guān)系；③人類利用技術(shù)開發(fā)能源和能源驅(qū)動人類社會進步，體現(xiàn)了人類與能源間的相互關(guān)系[5]。

構(gòu)建以碳中和為目標(biāo)的世界能源體系是“碳中和學(xué)”的理論核心和首要任務(wù)。地球能源始于生物在太陽下的繁盛、滅絕、埋藏和演化，并與地球系統(tǒng)同步演進，最終轉(zhuǎn)向“人造太陽”（可控核聚變），完成能源“從太陽中來、回太陽中去”的終極循環(huán)（圖2）。碳中和目標(biāo)下，將形成以清潔、無碳、智能、高效為核心的“新能源”＋“智能源”體系的能源發(fā)展目標(biāo)：能源體系的主體要素將發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，能源形態(tài)將從化石能源向新能源，從有碳向無碳轉(zhuǎn)變。能源技術(shù)將從資源優(yōu)勢占主導(dǎo)地位的能源資源型，轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)優(yōu)勢占主導(dǎo)地位的能源技術(shù)型；能源結(jié)構(gòu)將從以一次能源直接消費為主，調(diào)整至電氣化二次能源消費為主；能源管理將從集中式利用，發(fā)展為智能化平衡用能[1,12-13]。碳中和目標(biāo)符合能源學(xué)研究主旨，從資源角度揭示地球系統(tǒng)內(nèi)化石能源與非化石新能源共生分布關(guān)系、碳系能源與氫系能源有序接替轉(zhuǎn)型、能源體系與綠色地球和諧發(fā)展的自然變化規(guī)律[5]。

圖2 地球及能源協(xié)同演化模式圖[5]

“碳中和學(xué)”也是社會科學(xué)，涉及人與自然的和諧可持續(xù)發(fā)展、人類能源利用與地球生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡；既是人文社科領(lǐng)域的重大研究命題，也是社會科學(xué)與碳中和與時俱進的結(jié)合、拓展與創(chuàng)新?！疤贾泻蛯W(xué)”聚焦碳中和目標(biāo)下國際能源經(jīng)濟、能源政策和能源法律法規(guī)等經(jīng)濟社會領(lǐng)域的根本性轉(zhuǎn)變，涉及社會科學(xué)領(lǐng)域的重大理論研究問題。當(dāng)前，碳中和相關(guān)理論研究已經(jīng)逐漸成為國際科技和人文研究領(lǐng)域的前沿課題。2010年12月1日，日本九州大學(xué)成立國際碳中和能源研究所；2017年2月27日，英國諾丁漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院成立全球碳中和實驗室；2020年12月25日，中國科學(xué)院大氣物理研究所成立碳中和研究中心；2021年5月9日，西北大學(xué)聯(lián)合榆林市人民政府成立榆林碳中和學(xué)院；2021年5月22日，上海交通大學(xué)成立碳中和發(fā)展研究院。

3.2 碳中和學(xué)的技術(shù)內(nèi)涵

“碳中和學(xué)”的技術(shù)內(nèi)涵包括人類生產(chǎn)生活引起的CO2排放、捕集、利用、封存和移除的全過程及其相關(guān)的技術(shù)體系。首先，從源頭上研究制定經(jīng)濟政策和產(chǎn)業(yè)政策，引導(dǎo)人類低碳生活和低碳消費，降低由人類生產(chǎn)、生活的碳排放量。其次，以減少和降低碳排放量為目標(biāo)，研究降低碳排放量的相關(guān)技術(shù)，同時滿足人類生產(chǎn)生活對能源、物質(zhì)的需求。最后，對過去過度排放的存量CO2，研發(fā)碳捕集、碳封存和碳移除等技術(shù)，有效降低地球大氣系統(tǒng)中的CO2濃度。“碳中和學(xué)”的技術(shù)內(nèi)涵涉及以下4個方面：①化石能源清潔利用、清潔用能替代、資源回收利用、節(jié)能提效等碳減排技術(shù)；②利用風(fēng)能、太陽能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗约皻淠?、新材料儲能、智慧能源、核能與可控核聚變等零碳技術(shù)；③CO2捕集、利用、封存、轉(zhuǎn)化及林業(yè)、海洋、土壤碳匯等負碳技術(shù)；④碳稅制度、碳交易制度、復(fù)合碳排放權(quán)交易體系、碳經(jīng)濟與碳產(chǎn)業(yè)政策、碳財政補貼等碳經(jīng)濟技術(shù)。

4 碳中和核心技術(shù)體系

4.1 碳工業(yè)體系

碳中和的核心是降低甚至消除CO2排放量。CCUS/CCS可以發(fā)揮重要作用，以CCUS/CCS為核心的碳工業(yè)將成為碳中和目標(biāo)下的新興產(chǎn)業(yè)。CO2具有實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)有機物轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生溫室效應(yīng)的雙重屬性，可以分為可供人類利用或固定的“灰碳”和不可利用或固定的“黑碳”[10]。在地球碳循環(huán)系統(tǒng)中CO2主要來源于能源消費、農(nóng)林用地、土地利用、垃圾排放等。利用生態(tài)系統(tǒng)碳匯、CO2生產(chǎn)化工產(chǎn)品、CO2人工綠色轉(zhuǎn)化、CO2地質(zhì)驅(qū)油等技術(shù)，可以增加“灰碳”的利用率，有效減少大氣中CO2的濃度。在碳中和目標(biāo)下，以CCUS/CCS為核心的碳工業(yè)技術(shù)體系涵蓋碳捕集、碳運輸、碳驅(qū)油、碳封存、碳產(chǎn)品、碳金融等業(yè)務(wù)，是徹底消除“黑碳”的革命性技術(shù)（圖3、表2）。因此，以CCUS/CCS為基礎(chǔ)的低成本、高能效的碳工業(yè)將是世界各國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)之一。未來它將利用地下具有巨量儲集空間的枯竭性油田、氣田、水田等為碳中和做出大貢獻。此外，建立和完善碳稅制度、碳交易制度、復(fù)合碳排放權(quán)交易體系、財政補貼等碳經(jīng)濟與政策杠桿，有效控制CO2排放量。

圖3 以CCUS/CCS為核心的碳工業(yè)體系構(gòu)成示意圖

表2 碳工業(yè)技術(shù)體系構(gòu)成表

根據(jù)對碳中和貢獻程度的不同，形成“CO2=0”“碳＋”（或“C ＋”）、“碳－”（或“C －”）、“碳＝”（或“C＝”）符號（圖4、表3）?！癈O2=0”對應(yīng)碳中和，即CO2排放量與吸收量相抵消。“碳＋”對應(yīng)于不符合碳中和發(fā)展要求的高能耗、高碳排放的能源、產(chǎn)品或技術(shù)，對碳中和具有負面作用，并將逐步被替代或退出市場，例如煤炭、石油等高碳化石能源和燃油車等能源與產(chǎn)品，以及煤發(fā)電、燃煤供熱等技術(shù)。“碳－”對應(yīng)符合碳中和發(fā)展要求的綠色低碳能源、產(chǎn)品或技術(shù)，對碳中和具有長期正面作用，未來將逐步得到推廣與應(yīng)用，例如太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬瓤稍偕茉春涂稍偕茉串a(chǎn)生的綠電、綠氫等能源與產(chǎn)品，以及清潔能源發(fā)電、CCUS、儲能、智慧能源、海洋和森林碳匯等技術(shù)?！疤迹健睂?yīng)于CO2作為重要的循環(huán)介質(zhì)，短期內(nèi)能夠達到減少碳排放效果的能源、產(chǎn)品或技術(shù)，對碳中和具有短期的正面作用，未來或?qū)⒈贿x擇性推廣與應(yīng)用，如生物航油、燃料乙醇等和以CO2為原料生產(chǎn)的化學(xué)產(chǎn)品等能源與產(chǎn)品，以及生物質(zhì)能加工技術(shù)、垃圾回收、CO2超臨界發(fā)電、CO2跨臨界循環(huán)制冷（制熱）、CO2熱電儲能等技術(shù)。

表3 與碳中和相關(guān)的能源、產(chǎn)品和技術(shù)等符號說明表

圖4 與碳中和相關(guān)的能源、產(chǎn)品和技術(shù)等符號示意圖

4.2 氫工業(yè)體系

氫能是最清潔的二次能源，是后石油時代最理想的能量載體。在碳中和目標(biāo)下，需建設(shè)與煤炭工業(yè)、石油工業(yè)類似的全產(chǎn)業(yè)鏈氫工業(yè)體系，以綠氫為核心，涵蓋氫制備、氫儲存、氫運輸、氫加注、氫利用、氫檢測及氫安全等業(yè)務(wù)，涉及氫交通、氫儲能、氫化工、氫冶金等領(lǐng)域。目前，絕大部分氫能都來源于化石燃料，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如煉油、合成氨、制甲醇、煉鋼等，在交通、發(fā)電、建筑等領(lǐng)域尚未大規(guī)模推廣應(yīng)用。當(dāng)前，氫能應(yīng)用成本較高是制約氫能在發(fā)電、工業(yè)和民用領(lǐng)域推廣應(yīng)用的主要原因之一。預(yù)計到2030年，綠氫的生產(chǎn)成本將下降30%，綠氫的價格有望低于化石燃料制氫[14]。2050年，預(yù)計全球氫能在終端能源消費結(jié)構(gòu)中的占比將達18%左右，氫能將大規(guī)模應(yīng)用于難以通過電氣化實現(xiàn)“零碳排放”的工業(yè)、長距離交通運輸?shù)阮I(lǐng)域[15]。以綠氫為核心的氫工業(yè)將替代以石油為核心的油氣工業(yè)，形成可再生能源制氫，并建立完整的制備、儲運、燃料電池用氫和加氫站為一體的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，氫能將廣泛應(yīng)用于發(fā)電、工業(yè)、建筑和交通等重點領(lǐng)域（圖5、表4）。

圖5 以綠氫為核心的氫工業(yè)體系構(gòu)成示意圖

表4 氫工業(yè)技術(shù)系列構(gòu)成表

4.3 十大顛覆性技術(shù)與產(chǎn)業(yè)預(yù)測

在煤炭、油氣、新能源等能源領(lǐng)域，突出煤炭地下氣化、中低熟頁巖油地下原位開采、CCUS/CCS、氫能與燃料電池、生物光伏發(fā)電、天基太陽能發(fā)電、光儲智能微網(wǎng)、超級儲能、可控核聚變、智慧能源互聯(lián)網(wǎng)十大顛覆性技術(shù)與產(chǎn)業(yè)研發(fā)（表5），推動能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)革命性轉(zhuǎn)型，保障國家碳中和目標(biāo)實現(xiàn)與能源安全可控。突破煤炭地下氣化、中低熟頁巖油原位開采，實現(xiàn)煤炭清潔化利用，提升國家油氣供應(yīng)能力，保障國家油氣供應(yīng)安全；大力發(fā)展安全高效、低成本氫能技術(shù)，重點推進交通領(lǐng)域用氫的制取/儲存/運輸/加注、規(guī)?；瘹鋬δ芗肮芫W(wǎng)輸配、固定式燃料電池綜合供能等氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新；突破生物光伏發(fā)電、天基太陽能發(fā)電等太陽能利用技術(shù)，進一步拓寬太陽能的利用途徑，努力實現(xiàn)“從太陽中來、回太陽中去”的終極循環(huán)；攻克超級儲能、光儲智能微網(wǎng)、智慧能源互聯(lián)網(wǎng)等顛覆性技術(shù)，以支撐未來可再生能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)利用，保障以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；研發(fā)可控核聚變能源開發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，積極推進熱核聚變實驗堆建設(shè)，力爭早日實現(xiàn)“人造太陽”技術(shù)應(yīng)用。

表5 碳中和十大重點顛覆性技術(shù)預(yù)測統(tǒng)計表

4.4 五大戰(zhàn)略工程

碳中和是一項系統(tǒng)性、革命性的重大協(xié)同工程，涉及節(jié)能提效、減碳固碳、科技創(chuàng)新、應(yīng)急儲備、政策支撐五大戰(zhàn)略工程。

4.4.1 節(jié)能提效工程

節(jié)能提效工程是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的首要工程，通過意識節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能、技術(shù)節(jié)能、管理節(jié)能等舉措，推動能源消費的剛性或強制性節(jié)約與高效。樹立“節(jié)能是第一能源”的理念，倡導(dǎo)全民節(jié)能行動，變“要我節(jié)能”為“我要節(jié)能”。調(diào)整產(chǎn)業(yè)用能結(jié)構(gòu)，淘汰高耗能產(chǎn)業(yè)，有序推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級，提高能源利用效率。加快節(jié)能技術(shù)及裝備研發(fā)，推進新一代數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)與能源行業(yè)的深度融合，依靠技術(shù)創(chuàng)新提高能效。健全節(jié)能提效制度，加大獎懲力度，保障節(jié)能減排管理長期穩(wěn)定運行。

4.4.2 減碳固碳工程

碳中和不是完全無碳排放或零碳排放，而是通過技術(shù)手段，實現(xiàn)碳排放量與碳吸收量（或消除量）的平衡，達到“凈零排放”。碳中和目標(biāo)下，要強化減碳、固碳、替碳、埋碳等舉措，實現(xiàn)能源生產(chǎn)和能源消費的碳中和。立足于節(jié)約能源和提高能效兩個抓手，大幅度提升用能效率和清潔能源利用率，實現(xiàn)減碳。堅持人工碳轉(zhuǎn)換與生態(tài)固碳相結(jié)合，加快發(fā)展CO2制備化學(xué)產(chǎn)品，積極推進植樹造林，增強生態(tài)系統(tǒng)固碳能力與規(guī)模。利用“綠電”替代煤電，“綠氫”替代“灰氫”，地?zé)岷吞柲芄崽娲济汗?，實現(xiàn)清潔用能替代。石油工業(yè)發(fā)揮獨有優(yōu)勢，按照攻關(guān)示范、推廣應(yīng)用、全面實施“三步走”路線，大力發(fā)展CCUS/CCS技術(shù)，成為實現(xiàn)碳中和的兜底保障技術(shù)。

4.4.3 科技創(chuàng)新工程

大力發(fā)揮科技創(chuàng)新在碳中和過程中的戰(zhàn)略支撐作用，突出顛覆性技術(shù)布局與突破，推動能源生產(chǎn)和供應(yīng)“凈零排放”。做好碳中和科技頂層規(guī)劃和路線設(shè)計，把加快碳中和科技創(chuàng)新作為當(dāng)前科技發(fā)展的重要任務(wù)之一。設(shè)計碳中和科技創(chuàng)新行動方案，統(tǒng)籌推進科技創(chuàng)新支撐引領(lǐng)碳中和工作。編制碳中和技術(shù)發(fā)展路線圖，提出技術(shù)選擇和發(fā)展路徑，設(shè)立“碳中和關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”重點專項。突出顛覆性技術(shù)研發(fā)，推動能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)革命性轉(zhuǎn)型，保障國家實現(xiàn)碳中和目標(biāo)與能源安全。

4.4.4 應(yīng)急儲備工程

構(gòu)建安全可靠的“能源儲備系統(tǒng)”，增強能源安全保障能力。碳中和目標(biāo)下不同能源定位各有側(cè)重，中國以“新能源豐富、煤多但油氣不足”的資源稟賦特征，決定未來煤炭將發(fā)揮保障國家能源戰(zhàn)略“儲備”與“兜底”作用；石油回歸“原料屬性”，發(fā)揮保障國家能源安全“急需”與民生原料用品“基石”作用；天然氣發(fā)揮保障國家能源“安全”與新能源最佳“伙伴”作用；新能源將發(fā)揮保障國家能源戰(zhàn)略“接替”與“主力”作用。今后，要加快中國特色能源儲備和應(yīng)急體系建設(shè)，打造現(xiàn)代化應(yīng)急能源供給體系與安全體系。

4.4.5 政策支撐工程

構(gòu)建科學(xué)合理的政策支持體系，積極促進能源轉(zhuǎn)型平穩(wěn)推進。健全以碳市場為核心的法律法規(guī)，成立國家碳中和管理委員會或領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能源綠色低碳開發(fā)利用，保障碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。建立財稅支持體系，扶持相關(guān)企業(yè)及其主產(chǎn)區(qū)的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。加快建設(shè)碳排放權(quán)交易市場，出臺碳排放權(quán)交易管理條例，持續(xù)完善碳交易、碳配額相關(guān)機制，探索建立“碳市通”境內(nèi)外交易體系，充分發(fā)揮碳交易市場的激勵、約束兩大功能[16-17]。探索建立綠色金融改革試驗區(qū)，鼓勵金融機構(gòu)參與碳市場交易，豐富碳市場交易品種，建設(shè)具有國際影響力的碳定價中心，全面推動碳市場發(fā)展[16-17]。

5 實現(xiàn)碳中和的原則、意義及前景

5.1 實現(xiàn)碳中和過程中遵循的原則

實現(xiàn)碳中和過程中需要遵循“技術(shù)的顛覆性突破、經(jīng)濟的可行性實現(xiàn)、能源的安全性保障、社會的穩(wěn)定性可控”4項原則。實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需要依靠節(jié)能提效降低能源需求量，還要有顛覆性技術(shù)的突破與支撐，加快能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)革命性轉(zhuǎn)型。依靠科技與管理創(chuàng)新，降低能源生產(chǎn)和消費成本，實現(xiàn)新能源與相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟性利用。保障能源安全，是國家發(fā)展中的重要底線。同時還要確保在能源消費以煤炭、油氣等為主的城市或地區(qū)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級中人員社會的穩(wěn)定。碳中和要重新定位不同能源的功能，煤炭、石油將作為國家中長遠應(yīng)急保供與極端條件下的戰(zhàn)略儲備資源，保障國家能源安全可控與社會穩(wěn)定發(fā)展；天然氣是化石能源向清潔低碳能源轉(zhuǎn)型過程中的“最佳伙伴”和支撐可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的“穩(wěn)定器”，需進一步強化天然氣應(yīng)急保障能力建設(shè)。未來，化石能源將成為國家能源安全的“兜底”儲備資源保障，CCUS/CCS將成為國家實現(xiàn)碳中和的“兜底”技術(shù)保障，需加快構(gòu)建資源、技術(shù)“兩個兜底”的戰(zhàn)略儲備。以經(jīng)濟可行為導(dǎo)向，依靠技術(shù)創(chuàng)新推動碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，技術(shù)的經(jīng)濟可行性是衡量碳中和技術(shù)的前提。在實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過程中，需要統(tǒng)籌考慮傳統(tǒng)化石能源工業(yè)、企業(yè)、城市轉(zhuǎn)型問題，堅持社會穩(wěn)定性可控，確保轉(zhuǎn)型平穩(wěn)過渡。

5.2 碳中和是全球綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的重大實踐

碳中和是全人類的一場綠色化工業(yè)革命、減碳化能源革命、生態(tài)化科技革命，將給人類社會與經(jīng)濟發(fā)展帶來新的深刻變革，是實現(xiàn)人類能源利用與地球生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重大實踐。

碳中和是一場綠色化的工業(yè)革命。自進入工業(yè)革命以來，人類社會經(jīng)歷了機械化、電氣化和信息化的3次工業(yè)革命，目前以大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的先進信息技術(shù)掀起了第4次工業(yè)革命浪潮（圖6）。在碳中和目標(biāo)下，此次工業(yè)革命將改變傳統(tǒng)的高碳、粗放的發(fā)展模式，加快構(gòu)建低碳、環(huán)保、高效的綠色發(fā)展模式。碳中和引發(fā)的科技革命將對社會與經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大變革，其意義不亞于之前的工業(yè)革命。碳中和主要通過碳減排、碳轉(zhuǎn)移、碳轉(zhuǎn)化3種路徑來實現(xiàn)，具體內(nèi)容包括：①加大可再生能源利用，提高能源利用效率，從而實現(xiàn)碳減排；②大力發(fā)展和推廣應(yīng)用CO2埋藏與驅(qū)油技術(shù)，達到碳轉(zhuǎn)移目的；③推動以CO2為原料的化工產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)甲醇、尿素和可降解塑料等產(chǎn)品，最大限度地實現(xiàn)碳轉(zhuǎn)化。在碳中和目標(biāo)下，人類工業(yè)化過程中將催生以CCUS為核心的碳工業(yè)和以綠氫為核心的氫工業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)。

圖6 世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)展變化趨勢圖[18]

碳中和是一場減碳化的能源革命。人類歷史上，能源革命和工業(yè)革命一直交互進行。第1次工業(yè)革命以煤炭為能源，第2次工業(yè)革命使石油成為新的能源種類。碳中和將加速世界能源體系低碳化、無碳化轉(zhuǎn)型，世界能源消費結(jié)構(gòu)由煤炭、石油、天然氣和新能源的“四分天下”向以新能源為主的“一大三小”新格局發(fā)生轉(zhuǎn)變[10,18]。與煤炭和石油等高碳化石能源不同，天然氣具有低碳、清潔的自然屬性，是化石能源中唯一的低碳品種。因此，天然氣是實現(xiàn)世界能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，是連接高碳化石能源與無碳新能源的橋梁，是新能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展和替代的最佳伙伴。天然氣“鼎盛期”與新能源“黃金期”具有重疊效應(yīng)和累加效應(yīng)[1]，據(jù)國際可再生能源署（IRENA）預(yù)測，到2050年新能源、電氣化和提高能效將貢獻90%以上的CO2減排量，是能源轉(zhuǎn)型的三大支柱。終端用能的快速電氣化及綠氫制備技術(shù)的興起將推動電力需求的增加。到2050年，電力將成為最重要的能源消費形式，將占終端能源消費結(jié)構(gòu)的58%以上[19-21]，發(fā)電量將是當(dāng)前水平的3倍，并且新能源在總發(fā)電量中的占比將大幅度提升至90%，30%的用電量將用于生產(chǎn)綠氫及其衍生物。

碳中和是一場生態(tài)化的科技革命?？萍几锩侨祟惿鐣l(fā)展與進步的驅(qū)動力，是工業(yè)革命和能源革命的推動力，科學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)進步是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。世界正處于第4次工業(yè)革命和第6次科技革命時期，這是一場以原子能技術(shù)、智能化技術(shù)、空間技術(shù)和生物工程技術(shù)為主要標(biāo)志，涉及新能源、新材料、信息、空間、海洋和生物等諸多技術(shù)領(lǐng)域的信息控制科技革命[22]。碳中和目標(biāo)與新一輪科技革命的融合，將指引科技革命向著生態(tài)化方向發(fā)展。新的科技革命和工業(yè)革命將推動第3次世界能源轉(zhuǎn)型，尤其是在碳中和目標(biāo)下，新一輪科技革命的低碳化和生態(tài)化特征將更加顯著。以可再生能源為代表的新能源利用技術(shù)將成為主導(dǎo)力量，綠色、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展將是新科技革命的重要主題[23]。

5.3 碳中和將大幅度提升人類幸福指數(shù)

發(fā)展新能源是實現(xiàn)碳中和與綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略重點。新能源技術(shù)進步是推動能源從資源型向技術(shù)型轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，是實現(xiàn)能源利用“零碳排放”的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前，在碳中和目標(biāo)下，全球能源系統(tǒng)投資正逐漸從化石能源轉(zhuǎn)向可再生能源、提高能效和電氣化。據(jù)IRENA預(yù)測，到2050年全球?qū)崿F(xiàn)“零碳排放”，能源系統(tǒng)總投資將達到130萬億美元，其中可再生能源占29%，提高能效占33%，終端用能電氣化占21%，化石能源占17%。同時，新能源技術(shù)領(lǐng)域投資收益遠高于投入，將進一步推動以新能源技術(shù)進步和規(guī)模發(fā)展為核心的能源轉(zhuǎn)型進程。全球能源系統(tǒng)的投資成本將增加26萬億美元，但通過降低環(huán)境損害和健康損害等帶來的收益將達到62萬億～169萬億美元[19-20]。

碳中和是推動人類社會經(jīng)濟發(fā)展和經(jīng)濟增長的新動力，引領(lǐng)社會經(jīng)濟發(fā)展模式發(fā)生變化，提升GDP增速，增加全人類的福祉指數(shù)。加速利用可再生能源、促進能源轉(zhuǎn)型將成為推動全球經(jīng)濟復(fù)蘇的要素，預(yù)計到2050年全球可再生能源就業(yè)崗位將增加3倍，達到4 200萬個，能源相關(guān)工作崗位將達到1億個，比當(dāng)前就業(yè)崗位增加72%。到2050年，碳中和將帶來GDP額外增加2.4%，從2019年到2050年，由能源轉(zhuǎn)型帶來的累計GDP增量將達到99萬億美元。碳中和提升了全球生態(tài)環(huán)境和人類健康水平，深入改善民生，到2030年和2050年人類的福祉指數(shù)將分別提高6.9%和13.5%[19-20]。

5.4 碳中和是構(gòu)建人類命運共同體的里程碑

氣候變化具有全球性和長期性，是全人類共同面臨的挑戰(zhàn)，發(fā)達國家與發(fā)展中國家需共同承擔(dān)責(zé)任。全球氣候變化是冷戰(zhàn)以后全球環(huán)境與發(fā)展領(lǐng)域或非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域少數(shù)最受全球矚目、影響極為深遠的議題之一，是全球框架下國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化中的新興主題。全球氣候變化和碳中和對國際關(guān)系有重要的影響，并已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的地緣政治范疇，逐步成為全球治理的關(guān)鍵領(lǐng)域。未來，全球需要建立以多贏、生態(tài)化、互信、協(xié)同、參與、分享為基礎(chǔ)的科技創(chuàng)新與國際合作新模式，共同應(yīng)對氣候變化問題。2017年1月18日，中國提出了“構(gòu)建人類命運共同體”理念。同年2月，該理念首次載入聯(lián)合國安理會決議，成為國際社會的共識。人類只有一個地球，各國共處一個世界，要倡導(dǎo)“人類命運共同體”意識。碳中和就是構(gòu)建人類命運共同體的里程碑事件，將會深遠改變?nèi)祟愇拿靼l(fā)展的進程。

5.5 碳中和是人類生態(tài)文明建設(shè)的共識性愿景

碳中和推動了人類社會政治、經(jīng)濟、文化領(lǐng)域的變革，將深入影響人類生活方式與思維方式，加快人類文明向生態(tài)文明發(fā)展。碳中和目標(biāo)下，人類能源消費結(jié)構(gòu)將從以一次能源直接消費為主轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎饣文茉凑贾鲗?dǎo)地位，電能將成為最主要的能源載體，建筑、交通和家居等行業(yè)電氣化水平的不斷提升將給人類生活帶來根本性的變化和深層次的影響。到2050年，建筑行業(yè)的直接電氣化率最高，將從目前的32%上升到73%；交通運輸行業(yè)電氣化率將從目前的1%大幅度增至49%，交通出行將逐漸零碳化；電動汽車銷售量將占到汽車銷售總量的80%以上，電動汽車保有量將從目前的1 000萬輛增至17.8億輛[19-21]。家庭家居將向碳中和目標(biāo)邁進，采暖脫碳、環(huán)保施工、綠色建材等方面均有望形成進一步的創(chuàng)新并且得到應(yīng)用；制冷、供暖、家電、照明、烹飪等環(huán)節(jié)的電氣化率不斷提高，將加快節(jié)能減排型智能家居的開發(fā)與推廣應(yīng)用，不斷塑造人類節(jié)能、環(huán)保用能的觀念。在生活方面，垃圾分類、節(jié)能減排將徹底融入生活，從衣、食、住、行等方面，踐行低碳與綠色發(fā)展的生活理念與生活方式。

人類社會文明經(jīng)歷從認識自然的原始文明，到利用自然的農(nóng)業(yè)文明，再到征服自然、改造自然的工業(yè)文明，然后回到尊重自然、順應(yīng)自然、呵護自然的生態(tài)文明，最后實現(xiàn)人類與自然的和諧共生。碳中和以人類能源利用與地球碳循環(huán)系統(tǒng)之間形成動態(tài)平衡為目標(biāo)，最大限度地降低人類生產(chǎn)、生活對地球生態(tài)系統(tǒng)的破壞和影響。無論是原始文明、農(nóng)業(yè)文明還是工業(yè)文明，均無法消除人類日益增長的物質(zhì)文明需求與保護地球生態(tài)系統(tǒng)之間的矛盾。以碳中和目標(biāo)為基礎(chǔ)和保障的生態(tài)文明將實現(xiàn)人類物質(zhì)文明與地球生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，構(gòu)建人類綠色、可持續(xù)發(fā)展的高度物質(zhì)文明與精神文明。在碳中和目標(biāo)約束下，人類將實現(xiàn)社會經(jīng)濟與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，走向人與自然和諧共生的生態(tài)文明。碳中和將促使能源從資源依賴走向技術(shù)依賴，最終實現(xiàn)人與自然和諧共存。因此，它是人類生態(tài)文明建設(shè)與綠色發(fā)展的重要組成部分與共識性愿景。

6 結(jié)束語

全球CO2過度排放，導(dǎo)致地球平均氣溫不斷升高，人類賴以生存的地球環(huán)境面臨前所未有的考驗。為了應(yīng)對全球氣候變化，全球提出了2050年實現(xiàn)碳中和的發(fā)展目標(biāo)。碳中和是全人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的共同目標(biāo)，世界各國需團結(jié)合作，共同應(yīng)對挑戰(zhàn)。中國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)面臨三大挑戰(zhàn)：①能源轉(zhuǎn)型規(guī)模大、碳中和實現(xiàn)周期較短；②能源轉(zhuǎn)型過程中存在著能源供應(yīng)安全的不確定性、能源利用的經(jīng)濟性、顛覆性技術(shù)突破的難預(yù)測性等問題；③能源轉(zhuǎn)型后可能面臨新的關(guān)鍵技術(shù)“卡脖子”和關(guān)鍵礦產(chǎn)資源“斷鏈子”等風(fēng)險。碳中和既是“能源學(xué)”與“碳中和學(xué)”的重大理論問題，又是碳減排、零碳、負碳、碳交易等技術(shù)問題。碳中和將催生以CCUS/CCS為核心的碳工業(yè)技術(shù)體系，涵蓋碳捕集、碳運輸、碳驅(qū)油、碳封存、碳產(chǎn)品、碳金融等業(yè)務(wù)；并產(chǎn)生以綠氫為核心的氫工業(yè)技術(shù)系列，涵蓋氫制備、氫儲存、氫運輸、氫加注、氫利用、氫檢測及氫安全等業(yè)務(wù)，涉及氫交通、氫儲能、氫化工、氫冶金等領(lǐng)域?！盎姨肌焙汀昂谔肌笔荂O2的兩種應(yīng)用屬性，“碳＋”“碳－”“碳＝”是碳中和的3種產(chǎn)品與技術(shù)。煤炭地下氣化、中低熟頁巖油原位開采、CCUS/CCS、氫能與燃料電池、生物光伏發(fā)電、天基太陽能發(fā)電、光儲智能微網(wǎng)、超級儲能、可控核聚變、智慧能源互聯(lián)網(wǎng)十大顛覆性技術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，將推動能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)革命性轉(zhuǎn)型，保障實現(xiàn)碳中和目標(biāo)與國家能源安全可控。

中國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需遵循“技術(shù)的顛覆性突破、能源的安全性保障、經(jīng)濟的可行性實現(xiàn)、社會的穩(wěn)定性可控”4項原則，實施節(jié)能提效、減碳固碳、科技創(chuàng)新、應(yīng)急儲備、政策支撐五大戰(zhàn)略工程協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。碳中和目標(biāo)下，未來煤炭將發(fā)揮保障國家能源戰(zhàn)略“儲備”與“兜底”作用，石油將回歸“原料屬性”，發(fā)揮保障國家能源安全“急需”與民生原料用品“基石”作用；天然氣將成為能源安全的穩(wěn)定器，發(fā)揮保障國家能源“安全”與新能源最佳“伙伴”作用；新能源成為能源供給和消費的主體，將發(fā)揮保障國家能源戰(zhàn)略“接替”與“主力”作用。

碳中和與綠色低碳發(fā)展尊重自然、順應(yīng)自然、呵護自然，實現(xiàn)人類與自然和諧共生，是生態(tài)文明建設(shè)重要組成部分與共識性愿景。碳中和又是綠色化工業(yè)革命、減碳化能源革命、生態(tài)化科技革命的重大實踐，將為人類社會、環(huán)境與經(jīng)濟帶來新的深刻變革，大幅度提升人類的幸福指數(shù)。碳中和加快我國能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)革命性轉(zhuǎn)型，推動實現(xiàn)“能源獨立”戰(zhàn)略，提升生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)涵和質(zhì)量，保障“美麗中國”的目標(biāo)早日實現(xiàn)。由于我國人口多，能源消費量大，當(dāng)前以煤炭為主的“一大三小”能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)特點，決定我國需要通過高效協(xié)同，依靠顛覆性技術(shù)突破與變革性管理創(chuàng)新，完成以新能源為主的“三小一大”能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，如期實現(xiàn)能源“獨立自主”與碳中和兩大目標(biāo)，為宜居地球、綠色發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)做出中國貢獻。

本文觀點與數(shù)據(jù)，是基于目前初步認識和引用，或有不妥和不完善之處。隨著世界科技與管理創(chuàng)新、全球政治與經(jīng)濟格局等變化，相關(guān)認識也勢必不斷完善和發(fā)展。