眾所周知，化石燃料是工業(yè)革命以來人類得以發(fā)展進步的重要物質基礎。在未來的發(fā)展進程中，如何逐步擺脫對化石燃料的依賴，真正向低碳社會轉型，將是一項十分嚴峻的挑戰(zhàn)。對中國來講，更是如此。因為中國是工業(yè)化過程的后來者，并沒有像一些發(fā)達國家那樣，進入能源消耗已呈下降趨勢的后工業(yè)化時期。為此，中國科學院學部組織百余位院士專家，從技術和產(chǎn)業(yè)層面對我國如何實現(xiàn)碳中和作了較為系統(tǒng)的研究，獲得了對碳中和路線圖的框架性認識。本文擬對此作一簡介。

廣東省珠海市的海上風力發(fā)電場。視覺中國/供圖

一、中國的二氧化碳排放歷史和現(xiàn)狀

人類大量利用化石燃料，向大氣排放二氧化碳，是工業(yè)革命以后的事，但大氣中二氧化碳濃度有實質性增加，則主要是近100年來出現(xiàn)的現(xiàn)象。中國從19世紀后半葉開始發(fā)展工業(yè)，但由于社會動蕩不安，工業(yè)化進程十分緩慢，一直到新中國成立以后，才開始系統(tǒng)性工業(yè)化。二氧化碳排放開始進入快速增長時期，則要到1978年改革開放尤其是2001年加入世界貿(mào)易組織（WTO）以后。

我們來看國際權威數(shù)據(jù)庫提供的基本信息：從1850年到2019年，全球共排放了16100億噸二氧化碳，其中中國為2200億噸，占13.7%，遠低于我國人口在全球的占比；而美國同期則排放了4100億噸，占比高達25%以上；七國集團（G7）國家整體上的排放量為7340億噸，占比高達45.6%，而其人口在全球占比則不到10%。通過計算，我們可獲得1850—2019年人均累計二氧化碳排放量（每年的人均排放之加和）：美國2174噸、G7國家1397噸、全球386噸，而中國是182噸——只是美國的8.4%、G7國家的13.0%、全球平均的47.2%。由此可見，中國對全球大氣二氧化碳濃度增加的貢獻并不高。何況中國自加入WTO以來，一直承擔著“世界工廠”的角色，相當一部分的排放是用于生產(chǎn)出口產(chǎn)品。因此，中國絕不像一些西方報刊所描繪的那樣，是“全球最大的排放國”。即使以國家作為比較單位，美國對大氣二氧化碳濃度增高的歷史貢獻也遠大于中國。如果以人均累計排放量作為評價指標，中國則遠低于全球平均，而這其實是最為合理的評價指標，因為不同國家的工業(yè)化起步時間有早晚，一個國家的工業(yè)化程度、城市化程度、人民生活水平、基礎設施水平等，都需要消耗化石能源來提升，都需要時間來建設，都同人口數(shù)量相關。脫離了人口、歷史這兩個因子，比較國與國之間的排放是毫無意義的。

但是，我們不得不承認，目前全世界每年總共排放約400億噸二氧化碳，中國大約占四分之一，即100億噸左右，年度人均排放已經(jīng)超過全球人均水平。中國從加入WTO以來，二氧化碳排放量的快速增長，是同我國的壓縮式發(fā)展分不開的。要發(fā)展就得增加能源消耗，在非碳能源技術尚未成熟的背景下，這就意味著排放增加。

中國目前的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）剛超過1萬美元大關。從發(fā)達國家走過的歷程看，在人均GDP達到1萬美元之前，人均能耗的增長非常強勁；從1萬美元到4萬美元，人均能耗還會緩慢增長；達到4萬美元之后，人均能耗將處于逐漸下降階段，當然這也可能同發(fā)達國家將高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)轉移到發(fā)展中國家去有關。中國力爭在2060年達到碳中和，而從現(xiàn)在到2060年我國正處于人均GDP從1萬美元到4萬美元的奮斗過程中，人均能源消耗的繼續(xù)增長是不可避免的。一些發(fā)達國家在20世紀80年代即達到人均能耗高峰，并且從碳達峰到碳中和至少要用70年時間。和他們不同，中國要從2030年碳達峰后，用30年時間完成碳中和，挑戰(zhàn)無疑是巨大的。

那么，中國目前每年約100億噸二氧化碳的排放主要來自何處？了解這一點對如何實現(xiàn)碳中和至關重要，這也是碳中和路線圖的邏輯起點。根據(jù)國家相關統(tǒng)計，中國目前的一次能源（指自然界中以原有形式存在的、未經(jīng)加工轉換的能量資源，又稱天然能源）消費總量約為每年50億噸標準煤，其中煤炭、石油、天然氣的占比分別為57.7%、18.9%、8.1%，非碳能源的占比僅為15.3%。100億噸二氧化碳的排放，發(fā)電（供熱）占比45%，建筑占比5%，交通占比10%，工業(yè)占比39%，農(nóng)業(yè)占比1%。發(fā)電（供熱）的主要終端消費者為工業(yè)（64.6%）和建筑（28%）。從以上數(shù)據(jù)可以看出，二氧化碳的終端排放源主要為工業(yè)（約占68.1%）、建筑（約占17.6%）和交通（約占10.2%）。因此，實現(xiàn)碳中和工作的著力點也應該集中在這些領域。

二、碳中和的基本邏輯和技術支撐

碳中和的概念等同于“凈零排放”，而不是二氧化碳“零排放”。凈零排放的概念就是人類可以排放一定數(shù)量的二氧化碳，但這個排放量中的一部分被自然過程吸收而固定，余下部分則通過人為努力而固定（比如通過生態(tài)系統(tǒng)建設吸收二氧化碳，或把二氧化碳收集后轉為工業(yè)品或封存于地下），排放量與固碳量相等，則為碳中和。評價一個國家、一個地區(qū)甚至一家企業(yè)碳中和與否或碳中和程度，看的就是其排放量和固碳量之比。

根據(jù)國際上過去幾十年來的觀測統(tǒng)計，人類排放的所有二氧化碳中有54%被自然過程吸收（其中陸地吸收31%，海洋吸收23%），另外的46%留在大氣中，成為大氣二氧化碳濃度升高的主要貢獻者。海洋吸收主要通過無機過程形成碳酸鈣沉積和微體生物合成碳酸鈣，陸地吸收則主要通過生態(tài)系統(tǒng)固存有機碳和土壤、地下水吸收形成無機碳酸鹽，以及在河道、河口中沉積埋藏有機碳。盡管陸地吸收總量是已知的，但到目前為止，各種陸地吸收過程的相對比例并不清楚。根據(jù)中國科學院“碳收支”專項研究成果，我國通過自然保護和生態(tài)工程建設等，2010—2020年間的陸地生態(tài)系統(tǒng)凈固碳能力為每年10億—13億噸二氧化碳。

根據(jù)前面介紹的排放來源和吸收過程的數(shù)據(jù)，我們可以得出結論：碳中和是一個“三端共同發(fā)力”的體系，即“發(fā)電端”用風、光、水、核等非碳能源替代煤、油、氣，“能源消費端”通過工藝流程再造，用綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣，“固碳端”用生態(tài)建設、碳捕捉—利用—封存（CCUS）等碳固存技術，將碳人為地固定在地表、產(chǎn)品或地層中。這就是碳中和的基本邏輯。

一國無論是技術原因，還是市場原因，其“不得不排放”的二氧化碳總量等同于自然吸收量與人為固碳量之和，即可視為“凈零排放”，實現(xiàn)了該國的碳中和。由此可見，有先進并廉價的技術可供這“三端”所用，是實現(xiàn)碳中和的前提條件。也就是說，“技術為王”將在碳中和過程中得以充分體現(xiàn)。下面，我們來對這“三端”體系分別作簡單介紹。

（一）“發(fā)電端”之要在構建新型電力系統(tǒng)

我國目前的發(fā)電裝機容量約為22億千瓦，未來假定：（1）能源消費端要實現(xiàn)電力替代、氫能替代（氫氣也主要產(chǎn)自電力）；（2）為實現(xiàn)人均GDP從1萬美元增到3萬—4萬美元，所需的能源明顯增長；（3）風、光發(fā)電利用小時數(shù)難以明顯提高，那么估計我國實現(xiàn)碳中和之時，總的電力裝機容量會在60億—80億千瓦之間。因此，未來新型電力系統(tǒng)的第一個特點是電力裝機容量巨大。

第二個特點是我國十分豐富的風、光資源將逐步轉變?yōu)橹髁Πl(fā)電和供能資源，這既包括西部的風、光資源，也包括沿海大陸架風力資源，更包括各地分散式（尤其是農(nóng)村）的光熱等資源（如屋頂和零星空地）。

第三個特點是“穩(wěn)定電源”應從目前火電為主逐步轉化為以核電、水電和綜合互補的清潔能源為主。

第四個特點是必須利用能量的存儲、轉化及調(diào)節(jié)等技術，克服風、光資源波動性大的天然缺陷。

第五個特點是火電（為減少二氧化碳排放，應逐步用天然氣取代煤炭發(fā)電）只作為應急電源或一部分調(diào)節(jié)電源。

第六個特點是在現(xiàn)有基礎上，成倍擴大輸電基礎設施，平衡區(qū)域資源差異；并加強配電基礎建設，增強對分布式資源的消納能力。

為實現(xiàn)碳中和，我國擬以裝機總量60億—80億千瓦，風力發(fā)電、光伏發(fā)電共占比70%，“穩(wěn)定電源”占比30%為目標，規(guī)劃新型電力系統(tǒng)。在40年內(nèi)，大致以每十年為一期，順次走控碳電力、降碳電力、低碳電力最后到近無碳電力之路，并完成超大規(guī)模的輸變電基礎設施建設。

要建立這樣的新型電力系統(tǒng)，無論是發(fā)電，還是儲能、轉化、消納、輸出等，技術上都有大量需要攻克的關鍵環(huán)節(jié)，這將成為實現(xiàn)碳中和目標工作的重中之重。

（二）“能源消費端”之要在電力替代、氫能替代以及工藝重構

用非碳能源發(fā)電、制氫，再用電力、氫能替代煤、油、氣用于工業(yè)、交通、建筑等領域，從而實現(xiàn)消費端的低碳化甚至非碳化，這是實現(xiàn)碳中和的核心內(nèi)容。在電力供應充足和廉價的前提下，消費端的低碳化主要通過各種生產(chǎn)工藝流程的再造來完成。

消費端的排放大戶是工業(yè)、交通、建筑三個領域，工業(yè)領域的排放大戶是鋼鐵、建材、化工、有色四個產(chǎn)業(yè)。

從現(xiàn)有技術分析，交通的低碳化甚至非碳化較易實現(xiàn)，即軌道交通和私家車可用電力替代，船舶、卡車、航空可部分用氫能替代。這里關鍵處是建設私家車的充電體系，建設從制氫到輸運再到加氫站的完整體系，當然還有如何保證經(jīng)濟、安全運行等問題。

建筑領域的低碳化技術已基本具備，大致可考慮以下途徑：城市以全面電氣化為主，加上條件具備的小區(qū)以電動熱泵（地源熱泵、空氣源或者長程余熱）為補充，少部分情況特殊者可部分利用天然氣；農(nóng)村則以屋頂光伏＋電動熱泵＋天然氣＋生物沼氣＋輸入電力的適當組合為主。

以上兩大領域去碳化的關鍵是政府與市場做好協(xié)調(diào)，并以合適節(jié)奏推廣之。

目前，工業(yè)領域的鋼鐵、建材、化工、有色產(chǎn)業(yè)還沒有用電力、氫能替代化石能源的成熟技術，雖然從理論上講是可以實現(xiàn)的，但仍需技術層面變革性的突破和行業(yè)間的協(xié)調(diào)。事實上，國內(nèi)外一些企業(yè)與研發(fā)單位在氫能＋電力＋煤炭的“混合型”煉鐵（如氫冶金）上已有較為成功的先例。從工藝流程再造看，不同工業(yè)過程既可考慮先走低碳化的“混合型”再到無碳化的“清潔型”，也可考慮一步取代到位。

由此可見，能源消費端的“替代路線”需研發(fā)大量新技術并布局大量新產(chǎn)業(yè)。

需要說明的是，水泥一般用石灰石做原料，煅燒過程中不可能不產(chǎn)生二氧化碳，這部分如得不到捕集利用，當在“不得不排放”的二氧化碳之列。此外，煤、油、氣作為資源來生產(chǎn)基礎化學品、高端材料、航油等，其開采—加工—產(chǎn)品使用的全生命周期中也存在“不得不排放”的二氧化碳。

從以上兩部分的分析看，無論是發(fā)電端還是能源消費端，到2060年都會有相當數(shù)量的碳排放存在，需要其他技術予以中和。

（三）“固碳端”之要在生態(tài)建設

學術界對固碳方式已有過很多研究，主要分六大類。第一類是通過對退化生態(tài)系統(tǒng)的修復、保育等措施，增強光合作用并將更多碳以有機物的形式固定在植物（尤其是森林）和土壤之中。這是最重要的固碳過程。2010—2020年間，我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈固碳能力約為每年10億—13億噸二氧化碳。第二類是從煙道中收集二氧化碳，制成各類化學品和燃料，或者用于藻類養(yǎng)殖，形成生物制品。第三類是收集二氧化碳氣體，用于油田驅油、驅氣過程。第四類是收集二氧化碳，制成碳化水泥。第五類是收集二氧化碳后，封存于地層之中。第六類是生物質燃料利用、采伐樹木及秸稈等悶燒還田等。

由于生態(tài)建設是“國之大者”，而后面五類“碳固存技術”的應用均需額外耗能，且未必經(jīng)濟合算，因此，固碳端的工作當首先聚焦于生態(tài)建設。在2060年之前，對非生態(tài)碳固存技術先做深入研究和技術儲備，力爭掌握知識產(chǎn)權和工程技術，大幅度降低成本；臨近2060年時，根據(jù)我國“不得不排放”的二氧化碳量和生態(tài)固碳貢獻狀況，再相機推動這些技術的應用。

內(nèi)蒙古草原上的風力渦輪機和太陽能電池板（無人機視角）。視覺中國/供圖

三、中國碳中和需制定分階段實施方案

在已有的經(jīng)濟社會發(fā)展邏輯之下，不管是由于技術上不具備還是經(jīng)濟上不合算，到21世紀中葉，一定會產(chǎn)生一部分“不得不人為排放”的二氧化碳。因此，我們在對標碳中和時，首先要搞清楚一個問題：我們減排到什么程度，即可達到碳中和？

過去的全球碳循環(huán)數(shù)據(jù)表明，人為排放二氧化碳中的54%被陸地和海洋的自然過程所吸收，假定未來幾十年碳循環(huán)方式基本不變，尤其是海洋吸收23%的比例不變，則各國排放的留在大氣中的46%那部分應該是“中和對象”。但事實上，陸地吸收的31%，一部分是通過生態(tài)過程，一部分是通過其他過程，二者之間的比例目前尚未研究清楚。根據(jù)相關研究，2010—2020年間我國陸地生態(tài)系統(tǒng)每年的固碳量為10億—13億噸二氧化碳。一些專家根據(jù)這套數(shù)據(jù)采用多種模型綜合分析后，預測2060年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力為10.72億噸二氧化碳/年，如果增強生態(tài)系統(tǒng)管理，還可新增固碳量2.46億噸二氧化碳/年，即2060年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力總量為13.18億噸二氧化碳/年。根據(jù)以上分析，如果我國2060年排放25億—30億噸二氧化碳，則海洋可吸收5.75億—6.9億噸，生態(tài)建設吸收13億噸，陸地總吸收的31%中，生態(tài)吸收以外的其他過程如果占比17%，則為4.25億—5.1億噸，那么吸收總數(shù)將在23億—25億噸之間；在此基礎上，如果發(fā)展5億噸規(guī)模的CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術固碳，則大致能達到碳中和。

如果我們將2060年“不得不排放”的二氧化碳設定為25億—30億噸，則需要在目前100億噸的基礎上減排70%—75%，挑戰(zhàn)性非常之大。這就需要制定分階段減排規(guī)劃。理論上講，我國可考慮“四步走”的減排路徑，從現(xiàn)在起用40年左右的時間達到碳中和目標。

第一步為“控碳階段”，爭取到2030年把二氧化碳排放總量控制在100億噸之內(nèi)，即“十四五”期間可比目前增一點，“十五五”期間再減回來。在這第一個十年中，交通領域爭取大幅度增加電動汽車和氫能運輸占比，建筑領域的低碳化改造爭取完成半數(shù)左右，工業(yè)領域利用煤＋氫＋電取代煤炭的工藝過程完成大部分研發(fā)和示范。這十年間增長的電力需求應盡量少用火電滿足，而應以風、光為主，內(nèi)陸核電完成應用示范，制氫和用氫的體系完成示范并有所推廣。

第二步為“減碳階段”，爭取到2040年把二氧化碳排放總量控制在85億噸之內(nèi)。在這個階段，爭取基本完成交通領域和建筑領域的低碳化改造，工業(yè)領域全面推廣用煤/石油/天然氣＋氫＋電取代煤炭的工藝過程，并在技術成熟領域推廣無碳新工藝。這十年，火電裝機總量爭取淘汰15%的落后產(chǎn)能，用風、光資源制氫和用氫的體系完備并大幅度擴大產(chǎn)能。

第三步為“低碳階段”，爭取到2050年把二氧化碳排放總量控制在60億噸之內(nèi)。在此階段，建筑領域和交通領域達到近無碳化，工業(yè)領域的低碳化改造基本完成。這十年，火電裝機總量再削減25%，風、光發(fā)電及制氫作為能源主力，經(jīng)濟適用的儲能技術基本成熟。據(jù)估計，我國對核廢料的再生資源化利用技術在這個階段將基本成熟，核電上網(wǎng)電價將有所下降，故用核電代替火電作為“穩(wěn)定電源”的條件將基本具備。

第四步為“中和階段”，力爭到2060年把二氧化碳排放總量控制在25億—30億噸。在此階段，智能化、低碳化的電力供應系統(tǒng)得以建立，火電裝機只占目前總量的30%左右，并且一部分火電用天然氣替代煤炭，火電排放二氧化碳力爭控制在每年10億噸，火電只作為應急電力和承擔一部分地區(qū)的“基礎負荷”，電力供應主力為光、風、核、水。除交通和建筑領域外，工業(yè)領域也全面實現(xiàn)低碳化。尚有15億噸的二氧化碳排放空間主要分配給水泥生產(chǎn)、化工、某些原材料生產(chǎn)和工業(yè)過程、邊遠地區(qū)的生活用能等“不得不排放”領域。其余5億噸的二氧化碳排放空間機動分配。

“四步走”路線圖只是一個粗略表述，由于技術的進步具有非線性，所謂十年一時期也只是為表述方便而劃分。

新疆首座光熱發(fā)電站——哈密50兆瓦熔鹽塔式光熱發(fā)電站。視覺中國/供圖

四、實現(xiàn)碳中和需發(fā)揮我國的制度優(yōu)勢

2060年實現(xiàn)碳中和，對我國固然是一個非常嚴峻的挑戰(zhàn)，但我們也應看到，這中間蘊含著巨大的機遇。首先，我國盡管煤炭資源相當豐富，但油氣資源不足，大量進口油氣資源又面臨地緣政治上的風險，而煤炭作為一種十分寶貴的資源，當作燃料用于發(fā)電、供熱，確實是“大材小用”，況且煤炭燃燒時所排放的硫化物、硝化物和粉塵對大氣環(huán)境有明顯破壞作用。我國如能夠大規(guī)模利用可再生能源而逐漸擺脫對煤炭的依賴，將在資源和環(huán)境兩大方面收獲實實在在的好處。其次，我國的風、光資源相當豐富，有專家曾做過測算，如果能把鄂爾多斯高原、阿拉善高原、柴達木盆地這60多萬平方千米的干旱區(qū)的一半?yún)^(qū)域覆蓋上太陽能電池板，就能夠滿足全國的能源需求。實踐證明，太陽能電池板安裝以后，對干旱區(qū)的生態(tài)恢復大有幫助。也就是說，在干旱區(qū)建太陽能發(fā)電站，將在清潔能源和生態(tài)恢復兩方面獲得效益。再次，我國在非碳能源領域的技術相對先進，包括太陽能發(fā)電技術、核能技術、儲能技術、特高壓輸電技術等。舉個例子，一些國家對我國的太陽能電池板設置100%的關稅，一方面說明他們實施貿(mào)易保護主義，違反WTO規(guī)則；另一方面則說明了我們在這個領域中的絕對領先地位。在全世界的綠色轉型大潮中，我們的綠色技術將支撐新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為經(jīng)濟增長的新動能，并為我國的民族復興大業(yè)提供強大助力。

因此，實現(xiàn)碳中和，并不全是國際社會強加于我們的事情，也是我國經(jīng)濟社會發(fā)展到一定程度之后的內(nèi)在要求。當然，在這樣廣泛而深遠的綠色轉型中，我們一定要自己掌握自己的節(jié)奏，不能引起能源短缺危機；同時，也要使能源的價格保持在相對低廉的水平，既給老百姓的生活帶來真真切切的便利，又能使我們的制造業(yè)繼續(xù)在世界上保持足夠競爭力。

碳中和要求經(jīng)濟社會大轉型，涉及廣闊的領域，需要在黨和政府的堅強領導下，發(fā)揮出全國一盤棋的體制性優(yōu)勢。其中，有三個方面需要做好協(xié)調(diào)。一是統(tǒng)籌全國的研發(fā)力量，形成一個完整的、有足夠競爭力的研發(fā)體系。從前面的介紹即可看出，碳中和說到底是技術為王，只有靠先進的技術才能獲得產(chǎn)業(yè)的競爭力。我國有一支龐大的圍繞綠色產(chǎn)業(yè)的科技研發(fā)隊伍，各個領域都有專門人才和研究團隊。未來我們需要進一步協(xié)調(diào)和優(yōu)化的工作是在國家規(guī)劃目標的引領下，把這些團隊和人才組織起來，把不足的研發(fā)短板補齊，形成一個以目標為導向的研發(fā)網(wǎng)絡或責任體系，從而支撐與碳中和相關的產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。二是在向碳中和目標挺進的過程中，政府和市場要做好協(xié)調(diào)，扮演好各自的角色，從而做到“兩只手”均發(fā)揮出最大效能。據(jù)估計，我國實現(xiàn)碳中和，需要百萬億人民幣數(shù)量級的投資，絕非政府一家能夠單獨提供，投資主體還是應該來自市場。但在引導投資過程中，政府可在法律、行政法規(guī)、稅收、補貼、產(chǎn)業(yè)政策、碳配額投放、綠色金融政策等方面發(fā)揮十分有力的作用。回想十幾年前，我國政府以《可再生能源促進法》為依據(jù)，推動光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能技術、電動汽車等產(chǎn)業(yè)的迭代進步，現(xiàn)在已收到十分明顯的成效。以光伏發(fā)電為例，十年前尚需對上網(wǎng)電價提供高額補貼，現(xiàn)在已經(jīng)可以競爭平價上網(wǎng)。這是政府和市場形成合力的典型案例，也是我們未來必須堅持發(fā)揮的體制優(yōu)勢。三是在構建人類命運共同體的旗幟下，做好國際合作。技術、產(chǎn)業(yè)都需要開放的環(huán)境，都需要在交流的過程中發(fā)展進步，因此在政府的推動下，做好科技界和產(chǎn)業(yè)界的國際合作工作，是我國實現(xiàn)碳中和的重要保證。

丁仲禮，中國科學院院士，十三屆全國人大常委會副委員長，民盟中央主席，歐美同學會會長。

責任編輯：秦辰宇