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建立基于科学、符合国情、体现东方智慧的碳中和理论体系

日期:2021-04-12    来源:《能源高质量发展》  作者:陈新华

国际节能环保网

2021
04/12
09:09
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关键词: 碳中和 碳排放 碳减排

目前,全球已经有欧盟、中国、美国、日本、韩国、新加坡等50多个国家相继宣布在本世纪中叶实现碳中和的目标,与此同时,还有近100个国家正在研究制定各自的碳中和目标。可以说,碳中和已经在全球范围掀起一场涉及人类共同命运的大规模运动。在这场运动中,各国方案不同,路径也各有特色,形成了丰富的实践案例。

然而,我认为,这场伟大的运动还缺乏一个明确的理论基础。理论指导实践,并在实践中得到完善。只有明确理论基础,才能避免战略误区,以最低的社会成本和最快的速度达成碳中和目标。本文抛砖引玉,在碳中和相关学科领域做些理论探索,旨在引发思考,建立基于科学、符合国情、体现东方智慧的碳中和理论体系。

碳中和的前提仍是要满足人类不断增长的能量和碳素需求,且保持经济竞争力

碳是人类在地球上赖以生存的最重要元素。人类社会的发展不仅摆脱不了对碳的依赖,相反,随着人口的增加和生活水平的提高,人类对碳基材料与产品的需求会与日俱增。碳不是问题,减碳低碳针对的是二氧化碳,不是碳。因此,不能谈碳色变,更不能逢碳必反。

严格意义上,二氧化碳(CO2)本身并没问题。没有CO2,都零碳了,植物靠什么来进行光合作用呢?问题的核心是自工业革命以来,化石能源的大量燃烧带来的CO2 过量排放,引发了地球表面温室效应和气候失衡,对人类自身生存产生了巨大危胁。这才是人类社会真正需要共同努力解决的问题。

所谓“碳中和”,就是要把某个实体(企业、城市、国家、全人类)在某一时期内(日、月、年)CO2的排放量减到最低限度,并通过碳汇等各种对冲手段来中和,使得人类活动往大气中排放的CO2总量为零。“碳中和”希望解决的根本问题是消除包括二氧化碳在内的温室气体所导致的地表气候失衡,确保人类社会可持续发展,但前提是要满足人类不断增长的能量和碳素需求,并且保持经济的竞争力。任何碳中和技术路径的设计都要尊重这一前提。

对冲的手段选择很重要。西方主流认为,CO2是罪恶的源泉,应该通过极端的手段,将其深埋地下几千年,永世不得翻身,不再跑入地球大气层。而东方的智慧告诉我们,对待CO2应该顺治而不是简单的逆治。任何垃圾都是有价值的资源,只是放错了地方而已,应该更加强调循环利用,而不是简单的封存。

在碳中和技术路径上,西方倾向用今天的技术一步到位解决未来30-40年的问题,很容易走极端,比如说禁止天然气的使用。而东方的智慧启示我们,要以渐进而不是冒进的方法来解决问题,不追求在今天就要做出非常完美的解决方案,而是让这些不完美为未来技术进步留下空间。这样可以动态地制定与执行各行各业的碳中和技术路径,充分技术进步所需要的时间,让未来的技术在今天的碳中和解决方案继续孵化,建立能够随着时间的推移,不断吸纳新技术的体制机制和商业模式。

物理学基础:碳中和愿景下,需要更多“逆燃烧”和“逆蒸汽机”技术

自工业革命以来,人为的大规模CO2排放来源包括能源领域和非能源领域两个方面。能源领域主要是化石能源燃烧所产生的排放,而非能源领域则是来自于化工、钢铁、水泥等工业制造过程中的化学反应。前者占CO2排放总量的80%左右。

化石能源燃烧主要通过蒸汽机、内燃机和燃气轮机进行,对应的主要燃料分别是煤炭、石油和天然气。以上三种燃烧技术都涉及到共同的物理化学原理,即碳氢化合物加氧燃烧,释放能量产生动力,同时形成二氧化碳,并通过水蒸汽散发余热。

近两个多世纪以来,人类依靠化石能源燃烧的“火”建立了现代工业与文明。然而事实证明,这一集中式燃烧化石能源的“旧火”系统越来越不可持续,对经济、安全、健康、环境的威胁也越来越大。美国洛基山研究院主席兼首席科学家Amory Lovins(卢安武)博士在2011年出版的《重新发明火》【1】一书中指出,鉴于“旧火”系统对人类在地球上生存的严重威胁,非常有必要重新发明“火”,以“新火”代替“旧火”,彻底改造现有的能源系统。他预计,到2050年,美国经济将达到2010年规模的2.6倍,而通过“新火”替代“旧火”,不再需要消耗任何石油、煤炭和核电,就可为美国节约5万亿美元的能源开支,且这一切可以完全利用现有的技术来实现,不需要任何政府补贴和国会法案的支持。

这里的“新火”即指那些不需要燃烧碳氢化合物就能够获取能量的技术手段,主要包括源于地上的节能和可再生能源,广义层面也包括挖自地下的地热和核能,即我们常说的“零碳”能源。然而,以零碳能源代替化石能源来解决CO2排放问题,与CO2的关系是间接的。由于当前CO2排放的主要来源是化石能源燃烧,因此有必要直接就CO2排放问题开展一些理论探索,如化石能源能否不通过燃烧来获取能量?有没有好的办法来消除CO2对大气的影响?化石能源燃烧的过程是否可逆?能否通过“逆燃烧”的办法,将CO2和水合成为碳氢化合物?

此外,燃烧过程产生大量的废热,除了可以梯级利用部分之外,大多数还是通过水吸热相变,从液态变成气态,并以水蒸气的形式散发到空气中。有没有可能通过“逆蒸汽机”的方法,将这些水蒸汽冷凝成液态水,从而释放热量,为我所用?

回答上述问题,笔者认为答案无疑是肯定的。

■化石能源能否不通过燃烧获取能量?能!燃料电池就是通过非燃烧的方式从化石能源中获取能量。

■能否消除CO2对大气的影响?能!碳捕获、利用和封存(CCUS)技术就是基于这个问题来发展起来的,核心是转换利用,而不是简单的地质封存。

■能否通过“逆燃烧”的办法,将CO2和水合成为碳氢化合物?能!这方面的技术进展非常快速,并且有望很快得到商业化推广。北京光合新能公司的等离激元技术,就是利用工业废热或太阳能光热,在常温常压下将CO2和水低成本地合成为碳氢化合物,该技术目前正在中试阶段。

■能否通过“逆蒸汽机”的方法,将燃烧过程产生的大量水蒸汽冷凝成液态水,从而释放热量,为我所用?能!这方面我国已经进入规模化推广的阶段了。北京国际能源专家俱乐部2017年评估与推广过的湖南东尤水汽能技术就是将空气中的水蒸汽进行冷凝放热,并通过热泵技术提前所释放的热量,给政府办公大楼、医院和厂房提供取暖和制冷服务,成本比常规燃气取暖和中央空调要低很多。这一技术在湖南已经有了多个商业化运营的案例实证。

笔者认为,工业化时代是通过蒸汽机燃烧化石能源“卖碳”方式来支持经济增长,经济增长与CO2排放成正比。与此模式相反,碳中和时代需要通过减碳来支持经济的持续增长,经济增长要与CO2成反比,形成越来越大的剪刀口。在新模式下,我们需要更多的“逆燃烧”和“逆蒸汽机”技术。

能源系统学基础:碳中和要在保障能源与原材料供应安全的基础上,注重系统优化,稳步有序推进

能源系统一直有两个重要的职能:一是为人类活动提供所需要的能源服务,这些服务包括电力、热力和交通移动力;二是通过能源化工,提供人类生活与生产活动所必需的原材料,如塑料、化肥和各种化纤材料。国际能源署在2018年发布的《石化行业的未来》【2】报告中指出,为人类生活提供各类必需品(塑料、化肥、包装、衣服、医疗器具、洗衣粉、汽车轮胎等碳基化合物)的石化行业已经是全球能源行业的重要组成部分,分别占全球石油消费的14%和天然气消费的8%。然而,因为它提供的是化工产业的原材料而不是能源产品,一直被能源界所忽视。同理,在讨论能源转型时,人们往往只关注能源服务部分,而忽略后者的存在。

在中国,按照杨芊【3】等测算,现代煤化工行业已经占到2020年全国煤炭消费总量的3.9%并还呈增长趋势,到2025年将提高至6.7%-6.9%。

在未来的人类发展进程中,我们不仅摆脱不了对碳的依赖,相反,随着人口的增加和生活水平的提高,人类对碳基材料与产品的需求会与日俱增。塑料是最典型的高碳化合物,也是全球使用最普遍的物资。从1950年到2015年,全球塑料产量从200万吨飙升至4.07亿吨,年均复合增长率为8.4%。截至2019年底,中国的初级塑料产品累积总量已经达到10亿吨。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系统提供,未来靠什么来替代?在能源系统低碳化的进程中,正确处理能源系统的能源服务和碳基材料两重性对于能源转型的路径设计尤为重要。

随着地球上人口的继续增长和生活水平的提高,人类对电力、热力和交通移动力这三项能源服务的需求以及对碳基化工产品的需求都在上升。碳中和的能源系统学基础是在满足这些需求的前提下,如何把能源生产、运输、转换和最终使用过程中所产生的CO2排放降到最低,且整个过程具有经济竞争力。

换言之,能源系统低碳转型的边界条件是保障能源供应安全,满足碳基化合物的需求,并且具有经济竞争力,即能源系统低碳转型不应以牺牲经济合理发展和降低人民生活福祉为代价。

从供应侧看,张映红【4】从人类文明发展的不同纪元角度,将能源转型分为代际转型(如农业文明纪元的传统可再生能源体系向工业文明纪元的化石能源体系转型)和代内转型(如化石能源体系内的煤炭时代向石油时代转型),认为目前我们正处于从工业文明纪元的化石能源体系向未来智慧文明纪元的核聚变能源体系的代际转型与化石能源体系内石油时代向天然气时代的代内转型的重叠期。对于未来有战略布局的世界主要国家而言,成功的能源结构转型就是通过新旧动能转换,在保障国家能源可持续、科技可持续、经济可持续、环境可持续、文明可持续基础上,借助新的能源优势创建更先进的能源文明,并能通达终极能源安全。

通过分析美国、德国和日本1965-2019年能源结构的变化,张映红发现,那些谋划未来战略布局的发达国家在能源转型问题上是比较谨慎的,仅将一次能源消费总量的40%~50%用于转型(美国只有50.3%的能源参与能源转型,德国只有40.6%,日本只有44%),剩下的是保障能源安全、不参与能源转型的基础能源。基础能源主要选择国家能源技术和/或能源资源控制能力较强、传统能源工业基础成熟的中低碳或零碳能源系列(例如美国的水电、石油和核能),而那些国家能源资源不足、能源获取风险高、受国际能源市场影响明显的国家,则采用笼统指标,限定用于转型的比例范围(如日本),根据国际能源市场变化趋势进行动态调整。能源转型过程中,替代方多为天然气和可再生能源,被替代方主要为煤炭、燃油发电、老化的传统核能,或比例过高的化石能源。总体上,发达国家能源转型是一国一策,根据国家的经济发展水平、产业结构特征、能源资源禀赋、能源工业基础、能源技术实力等,确定能源结构转型模式和路线。

由此可见,发达国家的能源转型也是以保障能源安全为基础的,在特定的时期选择一定比例的能源参与能源转型,而不是一股脑儿将全部的能源都投入进去。

从需求侧看,电力、热力和交通移动力这三项能源服务需求各有特色。电力从负荷到电源已经形成了高度复杂的系统。在这个系统里,各种电源与多样化负荷,中间的电网以及起着调节功能的储能设施,在现代信息通信技术的调控下,形成了相互关联的互动效应。电力来源的多样性给电力系统的去碳化提供了可能。一方面是以不排放CO2的非化石发电技术(水、核、风、光等)来替代化石能源燃烧发电,使得电源更加清洁;另一方面是对化石能源电厂所排放的CO2进行捕集、利用与封存,消除CO2过量排放产生的负面影响。前者的优势在于资源非常广泛且随着技术进步,既可依靠“电从远方来”,又可实现“电从身边取”,并且就近取电的相关成本已经大幅度下降;劣势在于分光等可再生能源能量密度低且不稳定,虽然通过储能和氢能的调节可以增加稳定性,但实现100%可再生电源供应还需时日。后者的优势在于能量密度高且可稳定运行,但需要在CCUS(碳捕捉、封存与利用)方面取得突破。

电力系统最大的挑战是如何在低碳转型过程中如何确保供应安全,特别是在分布式能源大规模接入,数字技术大量渗透,气候变化引起的极端事件越来越频繁的时代,如何保持强大的系统韧性。

在未来相当长时间内,电力系统现实可行的解决方案还在于可再生能源和化石能源的组合,两者之间取长补短,逐步实现电力系统从化石能源为主向可再生能源为主的过渡。在过渡期内,通过技术创新,或找到能够克服可再生能源劣势的新型发电技术(如小型可控核聚变),或找到可以克服化石能源CO2排放问题的新技术(如CCUS)。短时间内一步跨入100%可再生电力时代的想法既不现实,在技术经济层面也很难实现。落实中央提出的“构建以新能源为主体的新型电力系统”任务,不仅需要在技术创新方面加大投入,还需要在电力体制、商业模式和投融资机制等方面加大创新力度。

电力之外,热力和交通交通移动力也需要在满足需求的前提下,采用最经济实惠的去碳化途径。

热力需求的核心是温度要对口(有些应用也需要压力对口),高温工业过程(如发电)产生的余热完全可以是其他中低温过程所需要的热能。著名工程热物理学家吴仲华【5】结合热力学的第一和第二定律,提出的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”的能量利用16字原则,至今对于热能的循环利用还具有重要的指导意义。建筑物的暖通需求是能耗和碳排放大户,应同时做好通过“被动房”和“主动房”技术提升建筑物能效,优化建筑物用能结构。

交通领域亦需要通过电气化与氢燃料电池等技术路径,并在全社会提倡低碳出行尽可能减少燃油消费等,积极打造绿色交通体系。但需要注意的是,航空与海运领域在未来较长一段时间内,还需要液态燃料来驱动。包括生物质燃料在内的“零碳”燃料,或者说是“碳中和燃料”将扮演重要角色。

综上,从能源系统视角,可以看到从单个能源产业角度无法看到的现实,从而避免一些片面的做法。这里涉及的几个核心问题包括:

首先,由于化石能源一直担负着能量提供与材料提供的双重功能,系统分析要求我们在能量的低碳转型后,必须要为材料的供应寻找新的可行途径。基于这一点,那些认为未来社会全部由电力驱动的观点就站不住脚,100%电气化或者电力加氢能的碳中和技术路径就可能是一个战略误区。从这个角度看,中央提出“构建以新能源为主体的电力系统”,而不是“构建以新能源为主体的能源系统”,是非常科学合理的。

其次,能源低碳化转型要在保障能源安全的前提下稳妥进行,可参照发达国家的经验,在未来一定时期(如10-20年)内,将一定比例(如60%)的能源作为保障能源供应安全的基础能源,拿出剩余的部分参与能源转型,主要用可再生能源、天然气和核电来代替煤电。由于我国基本没有燃油发电,而且油气具有良好的工业基础,在核聚变工业化突破之前,石油需要力求总量稳定,为煤炭的产业转移和核能发展赢得时间和空间。天然气要稳中有升,对石油进行有序替代,确保油气行业低碳转型,最终向零碳过渡。这样分步滚动实施碳中和计划,而不是一步到位。

第三,电力、热力或交通移动力是人类生活与生产活动所需要的能量服务。对于节能减碳而言,提高“有用能量”占总消耗能量的比例,即提高能效,可以减少能源浪费,进而减少碳排放。这就要求相关技术设备在设计指标方面更加精确、严苛,尽可能提高各环节转化和传输效率,甚至可以按照有用能量的概念重新设计耗能设备,以此反推能源转化和供应系统的合理性。这就是为什么在很多耗能领域存在巨大节能空间的原因。2016年,北京国际能源专家俱乐部对杭州泵浦公司的循环水节能技术开展了评估与推广工作。按该公司介绍,我国的化工、电厂、冶金行业的循环水冷却系统普遍存在“大马拉小车”现象,80%以上的循环水系统具备15%以上的节能潜力。

第四是重视对电、热、冷等多种用能需求的集成与优化,提高能量的综合利用效率,降低碳排放。

能源系统的特征是任何一种资源都可提供多样的能源服务,而任何一种能源服务都可由不同的能源资源来提供。这就需要围绕着某一需求,或者某个客户,针对其能量需求对不同技术和资源进行集成优化、梯级利用,提升整体效率,降低碳排放和客户综合成本。并通过先进技术对各种资源进行整合,促进传统能源系统向更高效、更安全、更清洁、更智能、更协调的现代能源体系转变。

第五是重视数字技术的推广应用。当前,数字技术正在以“互联网+”为主要手段的第一阶段向以物联网、大数据、人工智能和区块链等为主要手段的第二阶段进军,更多的行业将被新的数字化浪潮重塑。数字技术作为新的生产力,可推动不同种类能源在更大范围内优化配置,构建电力、天然气、热力与互联网运营商之间互惠共赢的能源互联网生态圈,这对提高能源系统整体能效,降低CO2排放起着关键作用。建议国家在电力系统现有“能源互联网”的整体架构基础上,筹划能源化工领域数字化发展的整体架构,明确重点应用领域与试点项目。

第六是全局优化。能源系统是一个互联互通的体系,碳中和战略需要全局考虑,不能只考虑局部优化。如将数据中心这样的电耗“巨兽”转移到可再生能源富足的西部,必将导致西电东送电量减少;在内蒙古牧区“一刀切”禁止新上发电项目有可能会影响到东北和华北的电力供应。碳中和在需求侧应强化节能工作,充分开发身边的可利用资源,在供应侧还应整合各类低碳要素资源,跨领域、跨行业、跨地区进行协同、有序、稳步推进。碳中和在路径上也应多元化,而不是过分依赖某一技术路径。

此外,能源基础设施是城市基础设施的组成部分,可以通过城市规划及智慧城市建设,将水、电、通讯、交通、生活垃圾处理等城市基础设施进行集成优化,产生融合效应。

经济学基础:应为碳排放减量化设计一个全新商业模式,鼓励全民参与

经济学决定商业模式,而商业模式是保证一个事业能否以市场化方式推进的决定性要素。

在传统经济学里,环境污染问题,包括碳排放问题,都是作为生产与消费过程所产生的外部影响来考虑的。将上述外部影响内部化的主要途径包括:(1)通过政府法规,对这些外部影响进行收费,提高生产与消费过程的成本;(2)认可生产与消费过程中外部影响不可避免,给予生产企业一定量的排放权,并允许他们之间进行排放权交易。

碳中和的核心是减少CO2排放,但是当排放量规模巨大,就无法通过将CO2当作一个正常生产消费过程的外部影响来实现减排了,应为碳排放的减量化设计一个全新的商业模式。这就涉及到供需关系及定价问题。

由于碳排放源来自社会的方方面面,国家可以在全国层面设定一个减排的目标值,形成全国总需求,推动企业实体去落实,在核实减排量的情况下,或按照国家规定的价格给予回报,或给予企业减排量认证,让企业到相关市场上通过交易产生价格,获取回报。这就是全国碳市场的基本逻辑。

国家也可以通过行政手段,将减排总量分解下达给省市等行政主体和企业等商业主体,这些主体有了硬性减排量指标后,就有了对解决方案的需求。基于这些需求就可以形成供应,通过解决方案之间的竞争,促进低碳技术创新,并引导资本投向创新型技术解决方案。

在碳中和的经济范式下,有以下四个话题很值得经济学界研究:

首先是相比于传统经济学里围绕着人的衣食住行等自然需求,碳中和下的经济理论将是基于国家代表人民的集体利益而人为创造的需求,且这一需求与之前自发的商品及服务需求是相反的。

在之前的模式里,企业通过消耗能源,排放CO2,对物品进行加工形成产品,卖给客户。这一过程中,碳排放是价值创造的一部分,产品中都有自己的“碳足迹”,企业在某种程度上说是“卖碳翁”,多卖碳多赚钱,具体项目大多是资本和资金密集型的大型项目,如炼油厂和发电厂,做的是加法。

而在碳中和模式下,企业要成为“减碳翁”或“埋碳翁”,不能再依靠上大项目赚钱,而是要重视对现有的项目进行低碳化改造,做的主要是减法。这是一个全新的经济范式。能否利用现有的经济学体系来支撑这一范式的落实?笔者认为在理论上还需要继续探讨。

其次是以边际成本定价(即满足最后一个需求的边际生产成本,一般较高)的传统市场经济理论,如何适应零边际成本时代?不仅是数字信息技术的发展使得信息的复制和传输是零边际成本,现有太阳能与风力项目发电的边际成本也是零。传统市场经济理论的零边际成本定价机制对应的是流水线生产和规模经济,然而在进入小规模定制时代(能源系统也将如此)的当下,传统市场经济如何适应,政府的监管和治理方式又该如何调整,值得深入研究。

第三是如何处理好个人利益和集体利益的关系。这里涉及到帕累托最优(Pareto optimality)在碳中和时代的应用。帕累托最优的核心思想是,个体利益的最大化会促使整个社会利益的最大化,当社会发展到一定程度,使得在不损害任何其他人利益的情况下已经无法改善某些人的境况,那么整个社会就达到了最优的境界。个体利益最大化会促使社会整体利益最大化,这一思想可以说是200多年来市场经济驱动经济发展的总则,但前提是资源可以充分获得,个人和社会的发展都没有外部约束。在碳中和背景下,社会整体有了一个非常强大的约束,如何将这一约束传递到个人,值得深入研究。

第四是如何让人人都参与到碳中和这场人类自救的伟大运动中来。在传统市场经济里,满足人的个体需求是最终的。而在碳中和市场经济里,个体不是需求主体,但仍然需要找到能够让个体都参与的方式。

笔者研究认为,减少一个经济体的碳排放需要通过能源系统的低碳转型来降低单位能量的碳排放、降低单位GDP部门活动量(如塑料消费总量、飞机出行总量)、降低单位活动量能耗,同时要调整经济结构,特别是消费结构。而部门活动量取决于人均活动量,消费结构调整也涉及到人的消费倾向,因此减碳工作要“以人为本”,鼓励全民参与,倡导节能减碳的文化氛围。这与3月15日中央财经委员会在讨论落实“双碳”目标战略部署时强调的“要把节约能源资源放在首位,实行全面节约战略,倡导简约适度、绿色低碳生活方式”完全契合。

社会学基础:有效组织+保障公平,提升系统意识避免顾此失彼

3月15日召开的中央财经委员会强调,实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。这一论述非常深刻。既然涉及经济社会的系统性变革,就需要在社会学与系统论两个层面下功夫,研究变革的社会动力与系统性问题。

碳中和的社会学主要涉及两个方面:一是有效组织社会各方参与到碳中和中来;二是保障公平性,让即使被淘汰出局的行业(如煤炭)也有积极性参与碳中和工作。两者之间,保障公平性无疑最为关键。公平性涉及到不同地区、不同城市、不同行业之间的公平参与,需要特别关注煤炭行业的市场退出问题。

碳中和的系统性工作也需要整个社会的运营方式从“工程项目意识”转变为“全社会的系统意识”,避免以传统的思路上一大堆工程项目来实现碳中和的模式,以及由此可能造成的“顾此失彼”。

十个方面着力,建立符合中国国情的碳中和理论体系

基于以上理论探索,笔者认为建立基于科学原理、符合中国国情且体现东方智慧的碳中和理论体系框架,至少需要包含以下十个方面的内容:

一是应将碳中和问题聚焦于CO2的过量排放上。正确理解碳元素对于人类社会生存与发展的重要性,以及碳和二氧化碳的关系,围绕着问题的本身即CO2的过量排放,来寻找气候变化问题的解决方案,而不是不顾青红皂白,“逢碳必反”,极端冒进。

二是以科学的态度与方法研究CO2过量排放问题的系统性解决方案。这个方案包括循环和资源化利用,而不是简单粗暴、“事倍功半”地对其进行地质封存。任何垃圾都是放错了位置的有用资产,CO2也是如此。解决CO2问题在于全面系统性调理。人病了,可以选择中医调理或者西医手术。地球病了,在基于西医的对抗式封存大行其道且面临困境时,何不努力开发基于中医疏通调理,通过转换利用的中国方案呢?

三是碳中和不应以牺牲经济的合理发展和老百姓的生活福祉为代价。按照中央财经委员会的要求,“以系统观念推进碳中和的工作,处理好减污降碳和能源安全、产业链供应链安全、粮食安全、群众正常生活的关系”,避免碳系统与能源系统之间,能源系统与经济系统之间的顾此失彼。碳中和的路径设计要以保障能源与碳基化合物材料供应安全,支持经济持续发展为边界条件。鉴于能源系统具有提供能源产品与化工原材料的双重功能,能源系统需要考虑的不只是能量,还有物料。在能量去碳化的进程中,需要考虑如何满足碳基物料的需求和相关产业链供应链的安全。

四是采取渐进而不是冒进的方法来解决问题。在碳中和路径设计上,整体考虑人类文明的发展进程,从大国战略布局的角度,充分考虑保障能源安全的重要性,分时期设定基础能源和转型能源的比例,按照多元的技术路径来稳步推进。在方案设计上,不追求在今天就要做出非常完美的解决方案,而是让这些不完美为未来技术进步留下空间。如,可先对高浓度的CO2进行转换利用,实现增量减排;再从空气中捕集并转换利用,实现CO2的循环利用;之后才是从空气中捕获并转换成可以封存的产品,实现地球降温减排。通过动态地制定与执行各行各业的碳中和技术路径,充分技术进步所需要的时间,让未来的技术在今天的碳中和解决方案中继续孵化,并建立能够随着时间的推移,不断吸纳新技术的体制机制和商业模式。

五是以全局而非局部视觉,审视整个能源系统的低碳化转型。应高度重视现有能源系统能量与物质的两重性,在能源服务低碳化转型的过程中,保障社会对碳基化工原材料持续增长的需求,避免“100%电气化”或“电加氢包打一切”的战略误区。此外,应高度重视能源系统集成优化。吴仲华先生提出的“温度对口、梯级利用”的“总能系统”效率概念,超越了单一过程和单一设备的能效提高,强调系统整体优化,而不是片面单一的效率最大化,充满中国智慧,对于今天的碳中和工作还有很高的指导价值,并且今天我们还具备了更好的数字技术手段来实现吴老先生强调的总能系统效率。

六是支持并鼓励所有零碳低碳技术在实现碳中和的过程中发挥作用。这些技术包括节能,氢能、电动汽车、可再生能源,核能、储能,CCUS等技术,可通过市场竞争和一视同仁的政策支持实现各类技术在中国这个大的市场竞争中脱颖而出。充分利用中国在可再生能源、储能及电解槽装备制造及数字化领域的优势,打造具有中国优势的碳中和技术解决方案。在碳中和战略规划过程中,要为未来技术的应用留下空间。

七是在经济模式上重视发挥政府可见之手的“推动”和市场看不见之手的“拉动”作用。通过可见的手来创造减碳的需求,再通过市场竞争来鼓励创新技术解决方案,推拉结合,“双手”合力,促进碳中和目标的早日实现。

八是重视技术创新与体制创新并举。及时对不适应新的经济范式,不利于新技术应用与推广,不利于碳中和目标实现的体制机制进行改革,建立一整套新的规范与机制。

九是关注低碳转型的公平性。避免新能源与传统能源的两极分化,通过适当的机制,让被淘汰的行业企业体面地退出,保障社会的稳定和从业人员的妥善安置。

十是突破传统思维与认识对创新特别是技术创新的羁绊。适应碳中和时代的减碳需求及其与工业化时代发展模式相反的特征,大胆地就逆蒸汽机、逆燃烧、从地下到地上,从供应侧到需求侧等逆向技术工程开展研发,探索建立一个能够在保障能源供应安全与经济竞争力的全新技术范式。

以上十个方面构成了中国特色的碳中和理论基础框架。希望本文的抛砖引玉,能够推动更多同行就这些问题开展进一步研究,进而为中国碳中和这场事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体的伟大实践,提供具有指导意义的理论基础。

(作者为北京国际能源专家俱乐部总裁,国际能源署前署长特别助理,联合国气候变化第三次缔约方会议参与者,曾在多家欧洲大型跨国能源企业担任高管。)

参考文献:

[1] Amory B. Lovins and the Rocky Mountain Institute,Reinventing Fire: Bold Business Solutions for the New Energy Era, Chelsea Green, 2011.

[2] International Energy Agency, The Future of Petrochemicals, IEA/OECD, 2018.

[3] 杨芊,杨帅,樊金璐,郑剑平,“十四五”时期现代煤化工煤炭消费总量控制研究”, 《煤炭经济研究》,2020, Vol. 40 Issue (2)。

[4] 张映红,“关于能源结构转型若干问题的思考和建议”,国际石油经济,Vol.29, No.2,2021.

[5] 吴仲华,“中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径”,1980年8月14日在中共中央书记处举办的科学技术知识讲座演讲,1980年12月由知识出版社会出版。


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