中科院院士：新能源在碳中和中的地位與作用

摘  要：二氧化碳是全球碳循環的重要介質，具有實現生態系統有機物的轉換和造成溫室效應的雙重屬性。將大氣圈中被固定或可利用的二氧化碳定義為“灰碳”；無法被固定或利用，并留存在大氣圈中的二氧化碳定義為“黑碳”。碳中和是人類發展的共識，但在實施過程中面臨著政治、資源、技術、市場、能源結構等諸多挑戰。提出碳替代、碳減排、碳封存、碳循環是實現碳中和的4種主要途徑，其中碳替代將是碳中和的中堅力量。新能源已經成為第3次能源轉換的主角，未來將成為碳中和的主導。目前，太陽能、風能、水能、核能、氫能等是新能源的主力軍，助力電力部門實現低碳排放；“綠氫”是新能源的后備軍，助力工業與交通等領域進一步降低碳排放；人工碳轉化技術是連接新能源與化石能源的橋梁，有效降低化石能源的碳排放。預測2030年中國碳達峰的峰值約110′108 t。按照高、中、低3種情景預測2060年中國碳排放將分別降至22′108，33′108，44′108 t。針對中國實現碳中和提出7項實施建議。構建中國新的“三小一大”能源結構，推動實現中國能源“獨立自主”戰略。圖9表2參35

引 言

能源是自然界中能為人類生存及社會進步提供的能力資源。人類自第1次拿起火種之后，能源與水、糧食就構成了人類賴以生存的3大要素。科技進步、社會文明兩大動力驅動了能源發展。世界能源結構已經發生兩次轉換，第1次轉換實現了薪柴向煤炭的能源革命，第2次轉換實現了煤炭向石油、天然氣的能源革命，當前正在經歷傳統化石能源向新能源的第3次重大轉換。按照能源發展規律，能源形態從固體（薪柴與煤炭）、液態（石油）向氣態（天然氣）轉換、能源中碳的數量從高碳（薪柴與煤炭）、中低碳（石油與天然氣）向無碳（新能源）轉換，未來沿著資源類型減碳化、生產技術密集化、利用方式多樣化3大趨勢發展。目前，世界能源正在進行化石能源低碳化革命、新能源規模化革命、能源管理智能化革命，3場能源革命正在同步進行，加快形成“新煤炭”、“新油氣”、“新電網”。

人類生活在同一個地球、同一個天空，但呼吸著不同二氧化碳含量的“空氣”。人類進入工業化以來，二氧化碳排放量不斷增加，導致全球氣溫升高、冰川融化、海平面上升等諸多環境問題，人類賴以生存的環境面臨著前所未有的威脅與挑戰。據統計自1850年以來，大氣中二氧化碳的濃度從280′10-6上升至450′10-6，全球氣溫上升了0.9～1.2 ℃，海平面上升了20 cm[1-3]。特別是近30年來，全球氣溫、海平面上升速度加快，氣溫升高速度達到每10年上升0.2 ℃，海平面上升速度達到0.32 cm/a[4-6]。到本世紀末，如果全球氣候升溫達到2 ℃，海平面升高將達到36～87 cm，99%的珊瑚礁將消失，陸地上約13%的生態系統將遭到破壞，許多植物和動物面臨著滅絕的風險[7]。因此，減少二氧化碳等溫室氣體排放，限制全球氣溫上升已經成為全人類共同的目標。2018年10月，聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）提出了“碳中和”的目標，到本世紀末將全球氣溫升高控制在1.5 ℃。

人類活動導致的二氧化碳排放主要來源于化石燃料消費。發展新能源，實現能源轉型，降低化石能源消費，構建綠色低碳的能源體系，是降低二氧化碳排放，實現全球碳中和的重要舉措之一。本文總結主要國家應對碳中和的主要經驗和做法，分析全球二氧化碳排放的分布情況，提出全球實現碳中和所面臨的挑戰和應對措施。新能源已是第3次能源轉換的主角，將在實現碳中和發揮主導作用。針對中國碳中和面臨的挑戰與機遇，提出中國實現碳中和的路線圖與實施路徑，為2060年順利實現碳中和目標提供參考依據。

1、全球碳中和概況

1.1“碳”的類型

碳是生命物質中的主要元素之一，是有機質的重要組成部分，并以二氧化碳、有機物和無機物的形式貯存于地球的大氣圈、陸地生態圈、海洋圈和巖石圈中。碳元素通過碳固定和碳釋放的方式，在地球的大氣圈、陸地生態圈、海洋圈和巖石圈中進行循環[8]。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大氣中的二氧化碳、干旱區鹽堿土吸收二氧化碳、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術將二氧化碳轉化為化學品或燃料等。碳釋放主要來自于植物和動物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。本文將大氣圈中被固定或可利用的二氧化碳定義為“灰碳”；將無法被固定或利用，并留存在大氣圈中的二氧化碳定義為“黑碳”。人類進入工業化以來，化石燃料消耗急劇增加，巖石圈中化石能源的碳被釋放到大氣圈中，導致大氣圈中二氧化碳的濃度不斷增加，地球的碳循環平衡被破壞，造成了大氣圈中“黑碳”含量不斷增加。因此，碳中和主要目的是減少大氣圈中“黑碳”含量，逐步恢復綠色地球碳循環平衡，保護人類賴以生存的生態環境，建設宜居地球。

1.2 碳中和的內涵及意義

IPCC發布的《全球升溫1.5 ℃特別報告》指出，碳中和（Carbon-neutral）是指1個組織在1年內的二氧化碳排放通過二氧化碳消除技術達到平衡，或稱為凈零二氧化碳排放（net zero CO2 emissions）[7]。碳中和目標是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年下降約45%，到2050年實現凈零二氧化碳排放。

碳中和的首要任務是到本世紀末將全球氣候變暖控制在1.5 ℃。碳中和不僅控制氣候變化，也是人類保護生態環境的根本措施，有助于保護生物多樣性和生態系統，避免更多的物種滅絕。碳中和加速了能源系統的低碳綠色轉型，為全球帶來新的經濟增長點。根據國際可再生能源機構（IRENA）發布的《能源轉型2050》報告顯示，碳中和為全球帶來2.4%的GDP額外增長，額外增加7′106個能源行業就業崗位等[9]。

1.3 碳中和的進展與做法

截至2021年1月，根據英國能源與氣候智庫（Energy & Climate Intelligence Unit）統計顯示[10]，全球已有28個國家實現或承諾碳中和目標（見表1）。其中，蘇里南共和國和不丹已經實現碳中和，瑞典、英國、法國等6個國家通過立法承諾碳中和，歐盟、加拿大、韓國等6個國家及地區正在制定相關法律，中國、澳大利亞、日本、德國等14個國家承諾實現碳中和。2050年是全球實現碳中和的主要時間節點，除2個已經實現碳中和的國家外，芬蘭承諾最早（2035年）實現碳中和。另有99個國家正在討論碳中和目標，其中烏拉圭擬將目標定于2030年，其余國家均將目標擬定于2050年。

已經實現碳中和的2個國家具有國土面積小、森林覆蓋率極高等特點，其中蘇里南共和國的森林覆蓋率達80%，不丹的森林覆蓋率為72%。碳中和進程中，歐盟最為積極，欲建設首個碳中和大陸。2019年12月，歐盟委員會正式發布《歐洲綠色協議》，提出到2030年溫室氣體排放量在1990年基礎上減少50%～55%，到2050年實現碳中和目標。2020年12月，日本政府推出《綠色增長戰略》，被視為日本2050年實現碳中和目標的進度表。從目前已經承諾碳中和的國家來看，除了歐盟和日本發布了碳中和具體的路線圖外，其余國家的碳中和路線尚在進一步制定中。

本文分析總結主要國家和地區碳中和的做法有如下幾點：①逐步退出煤發電計劃。除德國外，已承諾碳中和的歐盟國家煤炭資源較少，國土面積較小，已經全部退出煤發電。德國宣布將于2040年前全部退出煤發電。煤炭資源豐富或者煤發電消費占比較高的國家（如澳大利亞等），尚未確定退出煤發電計劃。②加快太陽能、風能、氫能等新能源產業應用與推廣。光伏發電將成為歐盟、日本的第一大電力來源，海上風電迎來爆發式增長。預計到2050年，歐盟、日本海上風電將增長25倍以上。氫能方面，歐盟注重綠氫制備，日本全面發展氫能產業鏈，韓國已就氫能立法，將氫能應用拓展至交通運輸、冶金、發電等領域。③發展碳封存與碳轉化技術。德國將重啟二氧化碳捕集及封存項目，同時利用豐富的天然氣管網設施，大力發展電轉氣技術，將二氧化碳轉化為甲烷進行管網運輸。日本發展碳回收和資源化利用技術，到2030年實現二氧化碳回收制燃料的價格與傳統噴氣燃料相當，到2050年二氧化碳制塑料實現與現有的塑料制品價格相當。④出臺碳定價機制，增加碳排放成本。2005年，歐盟開始實施排放交易體系（EU ETS），是世界上第1個多國參與的碳排放交易體系。該交易體系采用“總量管制和交易”規則，在限制溫室氣體排放總量的基礎上，通過買賣行政許可的方式進行碳排放交易。該體系還通過限量和設定交易計劃，對各成員國設置限額，將減排目標分解到企業，明確減排上限強制減排。

2 碳中和面臨的主要挑戰與對策

2.1 全球碳排放現狀

據國際能源署（IEA）統計，2019年全球與能源相關的二氧化碳排放量與2018年持平（為333108 t），前5名碳排放量國家分別為中國、美國、印度、俄羅斯、日本，碳排放量分別為98108，48108，23108，15108，11108 t（見圖1）[11-12]。亞洲的碳排放主要來自中國、印度和日本，美洲的碳排放主要來自美國、加拿大和巴西，歐洲的碳排放主要來自俄羅斯、德國和英國，非洲的碳排放主要來自南非、埃及和阿爾及利亞，大洋洲的碳排放主要來自澳大利亞。

圖1  2000—2019年全球能源相關主要大洲

（a）及主要國家

（b）二氧化碳排放量統計

（據文獻[11-12]修改）

化石燃料消費是二氧化碳排放增加的主要來源。2003年以來，煤炭消費一直是二氧化碳排放的第1大來源（見圖2）。2019年煤炭、石油、天然氣消費所排放的二氧化碳量分別占總排量的45%、43%、22%。電力行業是最大的碳排放行業，占總排量的38%，其次為交通、工業和建筑等行業，分別占總排量的24%、23%和9%[12]。

圖2  2000—2019年全球能源相關的二氧化碳排放量統計（據文獻[11-12]修改）

2.2 碳中和面臨的主要問題

碳中和應對全球氣候變化已成為全球共識，但在實施過程中還面臨政治、資源、技術、市場、能源結構等多方面挑戰。

2.2.1 政治層面

實現碳中和是全球性目標，需要世界各國合作應對，聯合國常任理事國應率先在碳中和目標上做出表率，但是美國和俄羅斯兩個常任理事國尚未承諾實現碳中和。全球碳排放前5名國家中的印度還沒有承諾實現碳中和時間。安哥拉、伊朗、伊拉克、南蘇丹、土耳其、也門等國最初簽署了《巴黎氣候協定》，但還沒有正式立法批準。另有99個國家正在討論碳中和目標，能否通過碳中和目標尚未定論[9]。

2.2.2 資源層面

新能源替代化石燃料是實現碳中和的根本措施。全球太陽能、風能等新能源分布存在時空差異性，為新能源規模發展帶來挑戰。全球太陽能資源主要集中在赤道附近南北回歸線之間，以非洲北部撒哈拉地區最為豐富，非洲大陸東側及南部、澳大利亞和中國西北地區也是太陽能資源豐富區。風能資源主要分布在東亞、東南亞、中亞、美洲30S—30N地區，以及中國北部和東部、蒙古、澳大利亞東北部、非洲撒哈拉沙漠以南等地區。全球陸地太陽能和風能資源存在明顯的地區性與季節性差異[13]。

2.2.3 技術層面

新能源技術成熟度決定了碳中和進程的快慢。太陽能、風能等新能源發電總體價格仍較煤發電高，峰谷穩定性差，調峰技術有待進一步創新。重工業和長途運輸等領域難以實現電氣化，氫燃料電池是最優選擇，但部分關鍵技術仍處于示范或原型階段，尚未大規模推廣和工業化應用。與傳統化石能源制氫（即“灰氫”）相比，可再生能源制氫（即“綠氫”）的成本較高，配套的二氧化碳捕集與封存技術尚處于示范階段。雖然低碳技術轉移具有顯著的減排和升溫控制效果，但發達國家承諾對發展中國家提供資金和低碳技術援助尚未兌現。

2.2.4 市場層面

碳中和進程中，新能源的推廣與應用取決于成本優勢和應用便利程度。目前，新能源成本逐年下降，但相對于化石能源仍缺乏競爭力。特別是2020年全球原油價格暴跌，化石能源的成本優勢對新能源轉型產生不利影響[14]。新能源配套設備不完善，應用不便利，如充電樁尚未普及、加氫站數量少等問題推高了新能源汽車的使用成本。

2.2.5 能源結構層面

全球能源消費結構仍然以化石能源為主，新能源占比偏低。2019年全球能源消費144108 t油當量，其中煤炭占27%、石油占33%、天然氣占24%、新能源占16%[15]。碳中和進程中，要大幅度降低煤炭、石油等高碳化石能源消費占比，提高新能源占比。目前，化石能源消費占比仍然偏高，為能源轉型帶來了挑戰。

2.3 實現碳中和的對策

減少碳排放，實現碳中和的對策可以分為碳替代、碳減排、碳封存、碳循環4種主要途徑。

碳替代主要包括用電替代、用熱替代和用氫替代等。用電替代是利用水電、光電、風電等“綠電”替代火電，用熱替代是指利用光熱、地熱等替代化石燃料供熱，用氫替代是指用“綠氫”替代“灰氫”。

碳減排主要包括節約能源和提高能效。在建筑行業主要以提高電器和設備能效、房屋外加太陽能光伏等為主，開發新型的水泥和鋼材等材料、減少水泥和鋼材的隱含碳排放量等；在交通行業主要以使用更高效的動力系統和更輕的材料等為主。從源頭減少“黑碳”的排放量。

碳封存是指將大型火力發電、煉鋼廠、化工廠等產生的二氧化碳收集后，運輸至合適場所，利用技術手段長時間與大氣隔離封存。地質封存是碳封存的主要形式，封存場所主要為油氣藏、地下深部咸水層和廢棄煤礦等。未來油田、氣田采完后，應用已有地面與地下設施，進行二氧化碳庫封存，可能是主要舉措。通過技術減少大氣圈中的“黑碳”數量。

碳循環包括人工碳轉化和森林碳匯。人工碳轉化是指利用化學或生物手段將二氧化碳轉化為有用的化學品或燃料，包括二氧化碳合成甲醇、二氧化碳電催化還原制備CO或輕烴產品（C1—C3）等。森林碳匯是指植物通過光合作用將大氣中的二氧化碳吸收并固定在植被與土壤中，減少大氣中二氧化碳濃度。發揮“灰碳”可再利用的作用。

針對碳替代、碳減排、碳封存、碳循環4種主要碳中和對策，依據技術成熟度或與常規化石能源價格的競爭性，預測2020—2050年全球碳中和目標下二氧化碳減排趨勢（見圖3）。2020—2030年，二氧化碳減排速度相對較慢，主要原因是新能源的價格優勢尚未顯現，未能實現大規模應用，且碳封存技術尚未成熟。2030—2050年，隨著相關技術的成熟，新能源成本可與化石能源競爭，新能源項目快速推廣落地，二氧化碳排放大幅度下降。碳封存技術達到推廣應用要求，為碳中和做出主要貢獻。總體看，碳替代將成為碳中和進程中的中堅力量，預測到2050年，貢獻率占全球碳中和的47%，碳減排、碳封存和碳循環貢獻率分別占21%、15%和17%。

圖3  2020—2050年4種途徑對全球碳中和的貢獻

3 新能源在碳中和進程中的重要地位

新能源是指在新技術基礎上加以開發利用，接替傳統能源的非化石無碳、可再生清潔能源，主要類型有太陽能、風能、生物質能、氫能、地熱能、海洋能、核能、新材料儲能等[16]。與煤炭、石油、天然氣等傳統含碳化石能源相比，在理論技術、利用成本、環境影響、管理方式等方面有顯著不同。隨著新能源技術快速發展和互聯網+、人工智能、新材料等技術不斷進步，新能源產業處于突破期，逐漸進入黃金發展期。發展新能源，推動能源結構轉型是實現碳中和的關鍵。新能源開發利用步伐加快，已成為全球能源增長新動力，并將逐步替代化石能源，在碳中和進程中發揮關鍵作用。

3.1 新能源是第3次能源轉換的主角

從世界能源發展歷程看，人類能源利用史經歷了從薪柴到煤炭、從煤炭到油氣的兩次轉型，正在經歷從化石能源到新能源的第3次轉型。新能源具有清潔、低碳的特點，符合碳中和發展需求，將在第3次能源轉換中成為主角。

1925年以來，全球能源變得更加清潔，除生物質能外的新能源呈現加速發展態勢。1925—2019年全球能源的需求量從14′108 t油當量增加至144′108 t油當量，增長了10倍，但新能源在全球能源中的占比從0.6%增加至15.1%，增幅達到24倍[17]（見圖4）。

圖4  1925—2019年全球能源結構變化趨勢圖（據文獻[17]修改）

近10年來，全球能源技術變革顯著加快，光伏發電、風電等成本大幅下降，加速推動了能源系統綠色轉型。據IRENA報告，自2010年以來，2019年光伏發電（PV）、光熱發電（CSP）、陸上風電和海上風電的平準化度電成本分別下降82%、47%、39%和29%[18]。2019年，新投產并網的大規模新能源發電裝機容量中，56%可實現成本低于最便宜的化石燃料發電。2010—2019年光伏發電量從32 TW·h增至699 TW·h，年增幅達到240%；風力發電量從342 TW·h增至1 404 TW·h，年增幅達到45%（見圖5）。

3.2 新能源是碳中和的主導

從能源生產和消費結構看，世界能源已形成煤、油、氣、新能源“四分天下”的格局。研究預測，到2030年將是新能源的轉折年，多種新能源成本下降至可與化石能源競爭，能源去碳化趨勢持續加強。預計2030年，全球一次能源量將達到峰值156′108 t油當量，年均增長1.2%，其中煤炭占19%、石油占28%、天然氣占26%、新能源占27%（見圖6）[15]。預計2025年石油需求增速放緩，到2030年石油需求進入平臺期，天然氣由于其低碳屬性，或將成為唯一有望保持增長的化石能源。

圖5  2010—2019年全球光伏發電與風力發電量（據文獻[17]修改）

圖6  2019—2050年全球能源結構變化趨勢（據文獻[15]、[17-18]修改）

預計2030年后，新能源成本基本低于化石能源。預計2030—2050年，世界一次能源消費總量將維持在較為平穩的水平。到2050年，世界一次能源消費量基本與2030年持平，其中煤炭占4%、石油占14%、天然氣占22%、新能源占60%，世界能源消費結構發生根本性變化，新能源將超過煤炭、石油、天然氣，成為主體能源。

3.3 新能源在碳中和進程中的作用

太陽能、風能、水能、核能、氫能等是新能源的主力軍，助力電力部門實現低碳排放。2019年以來，新能源平均發電成本已實現低于燃氣發電成本，但總體水平較煤發電仍高出16%[19]。預計到2030年左右，大部分新建光伏發電、風電項目平均投資水平將低于新建煤發電廠，幾乎所有亞太市場可實現光伏、風能發電成本低于煤發電[20]。預計到2050年，新能源發電可滿足全球電力需求的80%，其中光伏發電和風力發電量累計占總發電量的一半以上[9]。

“綠氫”是新能源的后備軍，助力工業與交通等領域進一步降低碳排放。電價占電解水制氫成本的60%～70%，隨著電價大幅度下降，“綠氫”成本將快速下降。到2030年左右，“綠氫”有望比化石燃料制氫更具成本優勢[19]。到2050年，全球氫能占終端能源消費比重有望達到18%，“綠氫”技術完全成熟，大規模用于難以通過電氣化實現零排放的領域[21-23]，主要包括鋼鐵、煉油、合成氨等工業用氫，以及重卡、船舶等長距離交通運輸領域。

人工碳轉化技術是連接新能源與化石能源的橋梁，有效降低化石能源碳排放，將過剩電量轉化為化工產品或燃料進行儲存，對新能源電網起到削峰填谷作用。電轉氣是人工碳轉化的主要形式，可以將二氧化碳重整制甲烷，被視為是歐洲實現能源轉型的關鍵。預計到2050年，歐盟工業部門10%～65%的能源消耗來自電轉氣，供熱行業和交通運輸行業30%～65%的能源來自于電轉氣[23-24]。

4 中國碳中和實施路徑

4.1 中國碳中和目標與路線圖

中國政府承諾實現碳中和，制定政策積極推進碳中和進程。2020年9月，習近平在聯合國大會上表示“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”[25]。同年12月，發布《新時代的中國能源發展》白皮書，全面闡述了新時代新階段中國能源安全發展戰略的主要政策和重大舉措。

《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》報告指出，預計到2025年前后，中國二氧化碳排放進入峰值平臺期，力爭2030年前可實現穩定達峰，化石能源消費的二氧化碳峰值排放量控制在110108 t之內，到2035年二氧化碳排放量將比峰值年份顯著下降[26]。按照二氧化碳排放峰值的減排程度，本文分低、中、高3種情景預測中國2060年碳排放量（見圖7）。低情景下，二氧化碳減排至峰值的40%，排放量降低至44108 t；中情景下，二氧化碳減排至峰值的30%，排放量降低至33108 t；高情景下，二氧化碳減排至峰值的20%，排放量降低至22108 t。剩余排放量主要通過二氧化碳封存及利用、人工碳轉化、森林碳匯等方式消納。中、高情景下對二氧化碳封存及利用、人工碳轉化、森林碳匯等碳中和技術需求較大，應該加強這些領域的投入。

圖7  中國碳排放量趨勢預測圖

4.2 中國碳中和實施路徑

與其他國家相比，中國在實現碳中和道路上將面臨碳排放量大、能源消費以化石能源為主、碳達峰到碳中和緩沖時間短等諸多挑戰。中國是全球最大的二氧化碳排放國，2019年二氧化碳排放量占全球總排放量的29.4%，比美國（14.4%）、印度（6.9%）和俄羅斯（4.5%）的總和還要多。目前，中國能源消費仍然以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，特別是煤炭比重占一半以上。2019年，中國能源消費總量為70.8 108 t油當量，煤炭占58%，石油占19%[18]。中國從碳達峰到碳中和經歷只有短短30年，即碳達峰后需要快速下降，走向碳中和。歐盟承諾的碳達峰到碳中和時間為60～70年，緩沖時間是中國的2倍。針對中國國情，不能復制國外碳中和模式，需要制定符合中國資源稟賦及國情的碳中和實施路線。在實現碳中和的道路上，中國需要在電力、工業、建筑、農業等領域共同努力，減少“黑碳”的排放量和發揮“灰碳”的可利用性（見表2）。

表2  中國實現“碳中和”路徑主要途徑與技術成熟度

4.2.1 推進煤炭高效清潔化利用

中國煤炭資源豐富，是主體能源類型和重要工業原料。大力推進煤炭高效清潔化利用既可有效控制二氧化碳排放，還能發揮煤炭保障國家能源安全的主力作用。煤炭高效清潔利用包括煤的安全、高效、綠色開采，煤燃燒中的污染控制與凈化，新型清潔煤燃燒，先進燃煤發電和煤潔凈高效轉化等。煤炭地下氣化是清潔利用的重要途徑，可從根本上改變中深層煤炭開采利用模式，減少煤炭在開采和應用中造成的環境負面影響。要力爭實現中國陸上埋深1 000～3 000 m煤炭資源氣化利用，預估這部分煤炭資源氣化開采可產甲烷、氫氣等氣體（272～332）1012 m3[27]。中國約50%的煤炭消費總量用于發電，解決燃煤發電的清潔高效問題是煤炭高效清潔利用的重中之重。現代煤化工主要以潔凈能源和精細化學品為主，包括煤制氣、煤制油、煤制化工品等。

4.2.2 加快清潔用能替代

加快實施清潔用能替代，優化能源結構，構建清潔低碳、安全高效的能源體系是中國實現碳中和的重要舉措。依靠技術創新，進一步降低太陽能、風能發電成本，利用風電-光電-儲能耦合模式替代火電，發揮儲能技術快速響應、雙向調節、能量緩沖優勢，提高新能源系統調節能力和上網穩定性。利用光熱-地熱耦合模式替代燃煤供熱用能，發揮太陽能光熱和地熱的各自優勢，形成互補供熱用能。

4.2.3 提升天然氣在低碳轉型中的最佳伙伴到最后橋梁作用

天然氣是低碳清潔能源，是能源從高碳到零碳過渡的最佳伙伴與最后橋梁作用，對實現碳中和起到積極促進作用。在碳中和背景下，中國天然氣需求增長強勁，預計到2035年，需求量將可能快速增長至（6 500～7 000）108 m3。以四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地為重點，建成多個百億立方米級天然氣生產基地，促進常規天然氣增產。重點突破非常規天然氣勘探開發，完善產業政策體系，促進頁巖氣、煤層氣等開發利用。

4.2.4 大力發展“綠氫”工業及其產業鏈

中國需要像煤炭、油氣等工業一樣，加快構建氫能工業，推動實施“氫能中國”戰略。中國氫能需求旺盛，但仍以化石能源制氫（即“灰氫”）為主。利用“綠氫”替代“灰氫”可有效降低二氧化碳排放。據中國氫能聯盟預測，2030年中國將處于氫能市場發展中期，氫氣年均需求量達3 500104 t，在終端能源消費中占5%；2050年氫氣年均需求量達6 000104 t，“綠氫”占氫氣來源的70%，在終端能源消費中占比至少到10%[28]，可減排二氧化碳約7108 t。此外，加快推進儲氫、運氫、氫燃料電池及加氫站等產業鏈整體發展，與油氣工業深入融合，利用現有天然氣管網和加油氣站等基礎設施，在產氫、加氫等產業鏈節點發揮油氣公司先天優勢，實現“油、氣、氫、電”四站合建，推進氫工業體系高質量發展。

4.2.5 加大二氧化碳埋藏及封存應用與推廣

二氧化碳埋藏與封存能夠實現二氧化碳大規模減排，是化石能源清潔化利用的配套技術。中國以煤炭為主的資源稟賦決定，必須加大二氧化碳的埋藏及封存應用與推廣，發揮其在碳中和進程中的作用，推動煤炭高效清潔化利用。未來可利用開采油氣后的枯竭油田、氣田和地下“水田”，形成埋藏及封存二氧化碳的“人工二氧化碳氣田”（見圖8、圖9）。目前，中國石油已在吉林油田、新疆油田、大慶油田開展二氧化碳驅油等技術攻關，形成年產超100104 t驅油產量，二氧化碳驅油技術取得新的突破。

圖8  二氧化碳地下埋藏與封存地質模式圖

圖9  二氧化碳地下埋藏與封存模型

中國近海二氧化碳海底地質封存潛力大，封存總容量約為2.51012 t[29]。初步預測鄂爾多斯盆地深部咸水層和油藏的二氧化碳有效封存量分別為133108 t和

19.1108 t，吐哈盆地油氣藏、深部咸水層和煤層二氧化碳有效封存量為44108 t。預測沁水盆地煤層二氧化碳的吸附和封存量可達1 280108 t，其中吸附量占96%以上[30-32]。此外，二氧化碳驅油、驅氣不僅可以實現二氧化碳埋存，還可以提高油氣采收率[33]。

未來，可在松遼、渤海灣、鄂爾多斯、大慶等大型油氣區，將采完的油田、氣田建設成為“人工二氧化碳氣田”埋藏與封存示范基地。

4.2.6 發展碳轉化及森林碳匯

發展碳轉化，將二氧化碳轉化為化工產品或燃料，實現“變廢為寶”。中國科學院大連化學與物理研究所提出的“液態陽光”技術，將“綠氫”與二氧化碳反應制成甲醇，生產1 t甲醇可固定1.375 t二氧化碳。中國甲醇產能是8 000104 t左右，主要從天然氣和煤中制取，如果全部采用“液態陽光”技術生產甲醇，可固定上億噸二氧化碳[34]。

大力發展森林碳匯，中國西南、東北等重要林區的碳匯能力很大。2010—2016年，中國陸地植被年均固碳能力約11108 t，約等于在此期間中國每年排放量的45%[35]。植樹造林可在碳中和的進程中發揮有利作用。

4.2.7 建立市場機制控制碳排放

建立健全全國碳排放交易市場，利用市場機制控制碳排放。建立碳市場，增加化石碳類利用成本，有利于從源頭減少化石能源消費，降低二氧化碳和大氣污染物排放。中國當前碳排放交易市場尚處于構建初期，要進一步完善碳排放交易市場配套細則，實施相關基礎設施建設，明晰碳交易相關方的行為標準與規范，健全國家碳排放交市場體系。

5 結語

當今世界正經歷百年未有之大變局。生態環境事關人類生存和永續發展，需要各國團結合作，共同應對挑戰。碳中和是人類應對全球氣候變化達成的共識，世界各國積極承諾實現碳中和目標。碳替代、碳減排、碳封存、碳循環是實現碳中和的4種主要途徑，碳替代是實現碳中和的中堅力量，預計到2050年將貢獻47%的二氧化碳減排量。

碳中和進程加速了全球能源從化石能源向新能源轉型，新能源已成為第3次能源轉換主角，未來將在碳中和發揮主導作用。預計2030年是新能源發展的轉折年，新能源成本下降至可與化石能源相競爭；2030—2050年新能源將大規模推廣應用，碳排放下降趨勢加快。2050年全球大部分地區和國家將實現碳中和，新能源走上能源舞臺中央成為主體能源。預計到2100年以前，能源消費結構由現階段的“四分天下”轉變為“一大三小”新格局（“一大”為新能源，“三小”為煤炭、石油、天然氣）。未來中國也將逐步向世界能源消費結構新趨勢靠攏發展，實現從現階段“一大三小”（“一大”為煤炭，“三小”為石油、天然氣、新能源）向“三小一大”（“三小”為煤炭、石油、天然氣，“一大”為新能源）跨越。加快氫能、新材料儲能、可控核聚變等顛覆性技術攻關及工業化，以新能源為主實現中國“能源獨立”戰略，為宜居地球、綠色地球作出貢獻。本文觀點是目前階段性認識，未來不同時期，隨著科技與世界格局變化，碳中和的認識將不斷革新和發展。