助力“碳达峰、碳中和”战略的路径探索

周守为 朱军龙

1.中国海洋石油集团有限公司 2.中海油研究总院有限责任公司 3.中国海洋资源发展战略研究中心

0 引言

2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出“碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[1]（以下简称“双碳”目标）；随后在2020年12月的气候雄心峰会上又提出2030年中国碳减排承诺：单位GDP碳排放量较2005年将下降65%，非化石能源在一次能源消费结构中的比重将达到25%左右。在2021年4月的领导人气候峰会上，习主席再次提出：共同构建人与自然生命共同体[2]。作为碳排放第一大国，这就意味着中国在碳减排和碳处理上需要做得更多。那么，碳中和是否就意味着放弃化石能源从而实现零碳排放呢？纵观中国的能源需求和能源结构，认为这是不现实的。减少碳排放至一定值从而实现可吸收或者处理，这才是实现碳中和的意义。

在保障国家能源安全的前提下，中国要实现“双碳”目标，需要将能源结构调整、技术创新和碳汇工程有机地结合起来：首先需要提高化石能源的使用效率和清洁度，降低碳排放量；其次需要大力发展新能源和低碳清洁能源，助力能源结构的调整；最后还要加大碳汇工程、填埋工程和绿色工程的建设力度，同时发挥好碳交易市场的作用。

1 人类能源变革及“双碳”目标的含义

1.1 人类能源使用进程

人类能源革命和文明形态进步是同步发展的，人类能源利用分为3个阶段：前化石能源时代、化石能源时代和非化石能源时代。前化石能源时代为远古至16世纪，人类学会利用火结束了茹毛饮血、以采摘野果为主的生活；化石能源时代从16世纪开始使用煤炭、19世纪使用油气直到今天，极大地提高了劳动生产率，使人类由农耕文明进入了工业文明；未来人类将进入非化石能源时代，将推动人类由工业文明走向生态文明。

近200多年来，工业文明在带来巨大进步与便利的同时，也造成了严重的环境问题和不可持续性。人类文明形态不断进步是历史的必然，能源革命是其基础和动力。

中国提出的“双碳”目标不仅是本国可持续发展的必由之路，而且也是站在人类命运共同体、人类生态文明建设的道义制高点上，我国主动做出的表率！

世界能源利用是由煤炭为主向油气为主再向非化石能源为主过渡的阶段，而中国将经历以煤为主向多元发展再向非化石能源为主过渡的阶段。中国的能源使用进程正处于化石能源与非化石能源多元发展、协调互补、此消彼长、逐步转型的阶段，将向着绿色、低碳、安全、高效转型，实现电气化、智能化、网络化、低碳化，其核心是低碳能源革命。

1.2 “双碳”目标的含义

关于碳达峰，就是我国承诺在2030年前二氧化碳的排放量不再增长，达到峰值之后再慢慢减下去。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC） 发布的《全球升温 1.5 ℃特别报告》指出，碳中和（Carbonneutral）是指1个组织在1年内的二氧化碳排放通过二氧化碳消除技术达到平衡，或称为净零二氧化碳排放（Net zero CO2emissions）[3]。能源的碳排放主要包括煤炭、石油、天然气、生物质等排放的碳总和，碳汇包括了林业等的吸收以及碳捕集、利用和封存，当上述两者对等时方可实现碳中和。

中国是目前世界上年碳排放量最大的国家，据BP的数据，2020年我国的碳排放量约为98.94×108t[4]，目前很多人对碳中和还存在着一些误区，认为碳中和意味着零碳排放，利用新能源逐步替代化石能源。基于目前中国庞大的化石能源使用量的角度来看，上述“零碳排放”的目标在短时间内几乎不可能实现。这就意味着优化能源结构、节能减排、加大碳汇才是实现我国碳中和的可取路径。

2 实现碳中和的主要途径

2.1 对于我国能源形势的基本判断

中国的能源资源赋存量巨大，能源生产能力和能源消费量均位居目前世界第一，是名副其实的能源大国，但能源结构和产业结构还不够合理，低碳能源不足导致我国碳排放量高居全球第一，能源强度偏高。这就决定了我国并不属于能源强国。

未来一段时间内，煤炭仍是我国的主体能源，具有“兜底”保障作用。油气供应安全面临严峻挑战，对外依存度不断攀升。可再生能源成为电力增量主体，但短期内难堪大任。 2021—2030 年是我国能源体系的变革期，实现“碳达峰”，一次能源年消费总量预计在60×108t（标准煤）左右，二氧化碳年排放量不超过110×108t。2030—2050 年将是现代能源体系的形成期，一次能源年消费总量降低至50×108～57×108t（标准煤），二氧化碳年排放量不超过100×108t并逐年明显下降； 2050—2060年为我国能源深度脱碳的定型期，一次能源年消费总量降低至 50×108t（标准煤）以下，实现碳中和。

2.2 实现碳中和的路径探索

据BP的数据统计[4]，2020年中国能源消费总量为34.83×108t（油当量），其中石油和天然气消费量在全国能源消费结构中占比为27.8%，煤炭消费总量为19.7×108t、消费量占比为56.6%；水电、核电等可再生能源消费总量为5.45×108t（油当量）、消费量占比为15.6%。这也就意味着，化石能源消费量占比高达84.4%，而且燃烧排放污染最为严重的煤炭占比高达56.6%。2020年，全球能源消费总量为133.29×108t（油当量），石油和天然气在全球能源消费结构中占比为55.93%，煤炭消费总量为36.26×108t、消费量占比为27.2 %，水电、核电等非化石能源消费总量为22.47×108t（油当量）、消费量占比为16.86%。全球能源的结构模式：以石油、天然气为主，煤炭作为补充能源，新能源正大力发展，基本上处于“四分天下”的格局[5-8]。

中国特殊的基本国情和庞大的能源消费体量，决定了实现碳中和将是一个漫长的过程，短时间内新能源很难发挥巨大的替代作用；在保障能源安全的大前提下，进行能源结构优化调整，降低现有能源使用过程中的碳排放量，大力发展新能源；到2060年新能源主导能源结构，其他能源多元互补，助力碳中和目标的实现。为此，提出了以下8项对策和建议。

2.2.1 节能提效

从2019年全球各行业能源消费量来看，电力行业是碳排放量最大的行业（占总排放量的 38%），其次为交通、工业和建筑等行业，分别占总排放量的24%、23%、9%[9]。据统计，我国电力行业（主要是火电）碳排放量占41%，交通行业（主要是油品）占28%，建筑和工业合计大概占31%。电力行业目前仍然是碳排放量最大的源头，在过去的10年里，中国电力行业低碳发展已经取得了长足的进步，单位供电碳排放量从900 g(CO2) / kWh下降到了600 g(CO2) /kWh左右，仍比全球平均水平的450 g(CO2) / kWh高出30%左右，以后需要按照15 g(CO2) / (kWh·a)的速度降低排放量才有望于2060年达到发达国家近零排放的水平。中国交通运输行业公路占比达到75%左右，亟待优化交通运输结构，采取“公转铁”“公转水”“多式联运”等模式，同时提升交通工具的能耗标准。在化工、冶金、建材、造纸、轻纺等重点工业领域，以及矿产资源开发、建筑、农业等领域，需要大力提升节能科技水平并制定发展战略目标。

当化石能源仍然充当重要的角色时，提高能源使用效率至关重要。油气行业需要提升开采能效，实现绿色开发；燃油气装备的技术革命也是油气低碳排放的关键之一；煤炭行业如果做到了洁净化利用，煤炭也可以是清洁能源，目前中国流化床锅炉的煤利用率已达到世界先进水平，可以大力推广发展。

我国能源强度是世界平均水平的1.4 倍，这是不可持续的。国家“十四五”规划已经对节能提效提出了明确的要求。2019年，我国单位GDP能耗为0.49 t（标准煤）/万元GDP，较2005年的1.2 t（标准煤）/万元GDP降低了65%，但仍是2019年世界平均水平[0.35 t（标准煤）/万元GDP]的1.4倍，是发达国家平均水平[0.23 t（标准煤）/万元GDP]的2.1倍。如果能源利用效率达到2019年世界平均水平，可以节约13.9×108t（标准煤），占当年能源消费总量的28.6%。目前我国的低碳、脱碳技术基本处于基础研究和中试阶段，距离工业化应用和商业化应用还存在着一定的距离。因此产业结构调整和重点行业能效提升技术，是我国节能工作的主要抓手，需要全社会各行业共同努力方能实现。

2.2.2 发展新能源

2020年中国非化石能源在一次能源消费结构中的占比为15%，其中可再生能源不足3%。国家已经部署2030年非化石能源消费量占比将达到25%，总量虽然实现了倍增，但在一次能源消费结构中的比例距离实现碳中和却仍然相差甚远[10]。根据近几年非化石能源消费量的增长趋势拟合，2030年我国非化石能源消费总量预测如表1所示。

表1 中国非化石能源消费量预测表

我国可再生能源开发利用规模目前稳居世界第一，截至2020年底，可再生能源发电装机总规模达到9.3×108kW，占总装机容量比重的42.4%。2020年我国可再生能源发电量达到2.2×1012kWh[相当于节约2.7×108t（标准煤）]，占社会用电总量的比重为29.5%。据国网能源研究院有限公司预测，2060年化石能源消费量占比将下降至19%，按照推算结果，如此超高比例、稳定性较差的风能和太阳能的接入，将有可能导致我国电力输配系统的崩溃。目前我国的可再生能源发电量在全部电能生产量中的所占比例还不高，但已经出现过“消化不良”的问题，只有提高储能技术才有可能提高供电质量、解决供电不稳定的难题。

若提高化石燃料电厂设计能力作为调峰电厂，扩大可再生能源发电就有了保障条件（例如秦岭电厂目前已经具备20%深度调峰能力），但是此类电厂需要以延长电厂的投资回报期作为代价。除了风、光、水、核电之外，还可以寻找地热发电、地热发电制氢等新能源。

2.2.3 大力发展天然气

天然气属于低碳清洁化石能源，在我国能源转型中起着重要的过渡作用。2020年中国天然气消费量为3 250×108m3，但在我国一次能源消费结构中的占比仅约8.5%[11]。对比分析中国和美国的能源结构与碳排放情况后发现，2019年中国能源消费总量为48.6×108t（标准煤），其中化石能源消费量的比例达到85%；2019年美国能源消费总量为32.43×108t（标准煤），其中化石能源消费量的比例达到80%，而当年美国的碳排放量却只有中国的一半，主要原因就是美国高达32%的天然气使用量替代了煤炭。美国近10年页岩气产量年平均增长23.4%，使天然气在一次能源消费结构中的比例由8.2%增长到32%，天然气代替煤发电的比例由22%增长到40%。中国应该从中受到启发，大力提升天然气的消费量比例。

预计2030年中国天然气消费总量将达6 000×108m3[12]，可顶替4×108t（标准煤），其消费结构预测如图1所示。国内推进常规气与致密气规模上产、页岩气与煤层气加快发展，2030年产量基础将上升至2 800×108m3，实现2018年基础上产量倍增和非常规气对常规气的有效接替。天然气上产的基础条件包括南海北部丰富的海域天然气资源（中海油）、中石油和中石化在川渝等地区丰富的常规天然气和非常规天然气资源等。国外进口天然气主要来源为陆上管道气和海上LNG，2030年陆上管道气预计可以形成1 000×108～1 500×108m3的规模，其余增量将通过进口LNG来填补，天然气进口来源分布情况如表2所示。

图1 中国天然气消费结构预测饼图

表2 中国天然气四大进口通道进口量统计表

据中国工程院谢克昌院士战略研究项目的成果预测，2030年中国碳排放量达峰，能源消费总量上升20%，煤炭消费量的所占比例减少（但消费总量仅略减少），原油消费总量维持不变，能源消费量的增量主要由天然气（约40%）和非化石能源（约60%）来填补，我国能源消费结构预测如表3所示。

表3 中国能源消费结构预测表 单位：108 t（油当量）

2.2.4 多样化制氢

氢是自然界最普遍的元素之一，资源量大，燃烧热值高，产物为水，可以实现零排放无污染，并且可以循环利用。在未来能源转型中，氢能将作为一种清洁能源和良好的能源载体，具有广阔的应用前景。

目前，化石燃料制氢和碱性电解水制氢技术成熟，但是化石燃料制氢碳排放量高，碱性电解水制氢能耗高。未来的发展方向主要包括：①化石燃料制氢——煤气化、天然气制氢，是我国主要的制氢模式；②电解水制氢，转化效率低， 制氢成本高 ；③太阳能制氢，是未来发展的方向，主要是光热制氢、光催化制氢；④海洋风能电解海水制氢，尚在探索中，但前景看好。

储氢关键技术尚需突破，液体有机载体储氢是最有希望的模式，它通过分子化学方法使氢与液态有机载体发生加氢反应，生成液态氢化物，再通过脱氢反应释放氢。该方法具有运输安全、储氢量高、性质稳定、成本低廉等优点，2020年中国的氢气产量已经超过2 500×108t。目前氢气来源大多属于灰氢和蓝氢，应该大力发展绿氢，提高太阳能制氢的效率，由现在的2%提升至10%左右。氢能来源的界定如表4所示[13-17]。

表4 氢能来源界定表

2.2.5 加大森林碳汇

绿水青山既是金山银山，也是实现碳中和的重要依靠。森林作为陆地上最大的生态系统，对气候变化具有重要的调控作用，中国森林覆盖率接近23%，但仍低于全球平均水平的30%，生态系统较为脆弱。

中国西北地区是碳汇资源丰富的地区——地域辽阔、林业种植成本低，同时还有林业产品产出的收益。发展林业并产出林业产品还有利于平衡经济发展与生态环境之间的矛盾。

为此提出建议：①地区林业与投资公司合作开发，建立森林碳汇项目；②建立农户森林碳汇管理经营模式，农户可以参与经营并获取碳交易收益；③建立企业碳汇林区认购模式。采取上述措施，可以更好地发挥森林碳汇的作用，实现生态与经济共赢发展。

2.2.6 大力发展碳捕集、利用与封存技术（CCUS）

综合来看，CCUS是实现我国长期低碳发展的一项重要选择。国际能源署（IEA）《能源技术展望报告2017》指出：要达到巴黎气候协定2 ℃的温控目标，到2060年，CO2累计减排量的14%来自于CCUS。IPCC《全球升温1.5 ℃特别报告2018》指出：CCUS是应对气候变化、实现巴黎气候协定目标的重要减排技术，建议未来大力部署CCUS。

CCUS技术是化石能源碳减排的关键解决途径。我国CO2封存潜力巨大，中国陆域和海域二氧化碳的理论封存容量约2.4×1012t。目前，我国已建成35个CCUS示范项目，捕集能力超过300×104t/a，占2020年二氧化碳排放量98×108t的3%。我国CO2理论封存容量分布如表5所示[18]。

表5 我国CO2理论封存容量分布情况表 单位：108 t

CCUS主要有4个技术环节：捕集、运输、利用和封存。国际上CCUS总成本介于85～225美元/t，其中捕集成本占到总成本的一半左右。我国CCUS捕集能耗和成本也较高，主要原因与碳浓度有关，高浓度碳源的成本主要集中在压缩，约占90%，低浓度碳源则有80%的捕集成本。要想加快CCUS技术与产业的发展，首先要降低成本[19]。在捕集方面，中国需要在高碳油气、煤电、炼化、工业等碳排放浓度高的源头捕集技术上下功夫，降低成本。在利用方面，利用二氧化碳驱油、驱替煤层气、二氧化碳置换天然气水合物中的甲烷、二氧化碳矿物转化利用、二氧化碳化学转化利用及生物转化利用技术等。据估计，中国已开发油田约130×108t储量适合二氧化碳驱油，中国海域有超过800×108t（油当量）的天然气水合物，利用前景广阔且可利用量大。在埋存方面，可以利用废弃油气田进行二氧化碳的深海、深地填埋，废弃油气田具有很大的埋存潜力。

2.2.7 建设国家级“绿色工厂”

“绿色”发展是可持续发展的重要部分，但是真正实施却进展缓慢。企业应该积极开展绿色制造体系建设，建设从绿色工厂、绿色工业园区、绿色供应链到绿色设计产品的完整体系，响应国家和地方政府的号召。也可从社会各级出发，建设“绿色校园”“绿色社区”等。如果制定智能化绿色建筑的实施指南及相关标准，将对未来绿色建设起到积极的作用。

2.2.8 充分发挥碳交易市场的巨大潜力，助力新产业、新工艺不断派生

中国将成为全球最大的碳交易市场，也将衍生一系列的新产业。不同化石能源、不同产品、不同工艺的CO2排放的碳盘查、碳评价工程与产业体系将会被建立起来。同时关于减排CO2的新技术、新工艺和新检测方法也会应运而生。基于自身最大的CO2排放量，中国的碳减排成本将会低于西方国家，碳减排技术也将有可能领先于发达国家，届时需要加强与欧美西方国家的碳交易合作，发达国家企业也会大量购买中国碳减排措施。全国碳交易市场的建设是对中国影响深远的大事，对未来社会、经济的走向，对我国乃至全球气候治理都具有深刻的影响。

2.3 2030年“双碳”目标情景分析

全球工业发展先后经历3次能源转型，第一次能源转型是木柴向煤炭发展的高碳转型期，第二次能源转型是煤炭向油气发展的低碳转型期，第三次则是油气向新能源发展的无碳转型期。每一个阶段都是工业进步的标志，也是时代发展的需求，人类工业发展及能源转型历程如图2所示。

图2 人类工业发展及能源转型历程示意图

根据表3对2030年中国能源消费结构的预测，按照新能源和天然气消费量增加来调整能源结构，2030年中国能源消费总量约为60×108t（标准煤），CO2排放量约为101.4×108t；如果任其按照现有的能源消费趋势发展，能源消费总量同样为60×108t（标准煤），CO2排放量则约为113.9×108t。因此调整能源结构对“双碳”目标的实现至关重要。调整能源结构后碳排放比例和任其发展的碳排放比例如图3所示。

图3 2030年中国碳排放结构预测饼图

2030年，如果中国节能减排效果达到世界平均水平，可能减少17×108t（标准煤）的能源消费总量，我国的能源消费量将控制在43×108t（标准煤）[相当于30×108t（油当量）]。调整能源结构后，碳排放量可降至约74.16×108t，预测2030年碳达峰值时碳排放量介于74.16×108～113.85×108t，能源消费结构和碳排放量预测如图4所示。

图4 达到世界平均能源强度的2030年中国能源消费结构及碳排放量预测饼图

坚持碳减排和碳中和技术进步是实现碳中和的基础。针对我国政府最新提出的2060年非化石能源比例达到80%的目标，基于中国工程院的研究成果预测，2060年我国能源消费量大约为50×108t（标准煤），其中化石能源大约为10×108t（标准煤），排放的碳量完全可以被吸收掉，从而实现碳中和[20]。

3 对于中国实现“双碳”目标的基本认识

2021年12月，国家主席习近平在中央经济工作会议上指出：要增强国内资源生产保障能力，加快油气等资源先进开采技术开发应用；传统能源逐步退出，要建立在新能源安全可靠的替代基础上；要狠抓绿色低碳技术攻关；要科学考核，新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制。

实现“双碳”目标是能源消费、经济增长和生态平衡之间的较量与协调，我们需要认识到中国的基本国情是处于社会主义初级阶段，中国社会的基本矛盾是人民日益增长的美好生活需求与不平衡、不充分发展之间的矛盾。中国共产党第十八次全国代表大会以来，中国确定构建新时代中国能源体系的基准是“绿色、低碳、安全、高效”，应对全球生态环境退化，我们在向“双碳”目标奋斗的同时仍然要坚持“共同但有区别的责任原则”。

在2060年实现碳中和之前，我们必须清晰地认识到以下几点发展路径：①保障国家能源安全仍然是第一位的；②节能提效是工业发展和实现碳中和的基本要求；③能源结构和产业结构调整是实现碳中和的关键；④节能、储能技术的科技创新是未来的必然方向；⑤实现碳中和不是简单地用非化石能源替代化石能源，而是通过“多元发展、多能互补”逐步过渡到以非化石能源为主的时代，但这将是一个漫长的过程；⑥多措并举方能实现2060年碳中和的奋斗愿景。

从能源的角度，我们需要清晰地认识到以下几点发展方向：①化石能源在很长一段时间内仍然是我国的主体能源；②煤炭在很长一段时间内仍然是我国的基础能源，在能源安全上起着兜底的作用，其攻关方向为洁净化利用；③油气仍然是我国主体能源之一，主攻方向为低碳化发展；④可再生能源需要规模化发展才能在未来能源结构中扮演主导地位；⑤能源网络（油气管网、电网）主攻方向为数字化、智能化；⑥作为化石能源的生产者，应该在化石能源的能量和物质同时高效利用上做功课，提高化石能源的总体利用效率。

4 结论

中国提出“双碳”目标不仅是中国可持续发展的必由之路，更是从人类命运共同体、人类生态文明建设的角度做出的表率。

1）中国工业发展起步晚于西方发达国家，基本国情决定了庞大的能源消费体量和相对低效的能源利用水平。过去的几十年，尽管中国的能源结构有了很大的优化，节能技术也得到了很大的提升，但是距离世界低碳国家的差距仍然很大。实现碳中和将是一个漫长的过程，不能急于依赖非化石能源替代化石能源来实现，而应该通过采取调整能源结构、多能互补、多元发展等措施最后再过渡到非化石能源主导的能源结构。

2）2060年实现碳中和目标这一漫长的过程中，从能源利用的角度，节能提效和规模化发展新能源是基础任务，化石能源需要寻求低碳化清洁利用技术，重点发展低碳清洁化能源——天然气，发展多种制氢技术得到绿氢。从碳处理的角度，加大森林碳汇是最经济实用的途径，充分发挥CCS/CCUS的巨大潜力，加强绿色工厂的建设，同时注重碳交易市场的发展潜力。

3）如果节能提效、规模化发展新能源、天然气产量消费量倍增等措施能够得以实现，2030年中国能源消费量可节约大约17×108t（标准煤），碳排放量可减少至约74×108t。因此2030年中国碳排放量达峰的峰值要视未来10年能源结构调整和节能技术发展而定，其峰值介于74.16×108～113.85×108t。

“碳中和”是一场深刻的变革，它必将带来消费和市场的巨变，是机遇也是挑战，需要全社会乃至全人类的共同努力。