碳达峰与碳中和（一）——能源转型是基础

01

什么是碳达峰与碳中和?

碳达峰与碳中和的概念近来是相当火热，那么什么是碳达峰与碳中和？早在2015年，我国就向联合国提交“国家自主决定贡献”：CO2排放在2030年左右达到峰值，单位GDP碳排放比2005年下降60%-65%的目标[1]。

碳达峰是指2030年前，我国的二氧化碳排放达到峰值，之后开始下降。碳中和的提出则是更进一步展现了我国节能减排、保护地球环境的决心，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[2]。碳中和指2060年前，我国二氧化碳等温室气体排放量与吸收量达到平衡，实现总体上碳的零排放。

02

为何提出碳达峰与碳中和?

从环境保护的角度，二氧化碳是造成温室效应的主要气体，引起全球气温持续升高，造成全球气候变暖，威胁到生态系统的稳定及人类生存。气候变暖是由温室效应不断积累引起全球大气温度升高的一种自然现象。

地球大气能够吸收太阳紫外辐射、太阳红外辐射和地面长波辐射，其中，地面长波辐射是造成大气温度升高的主要因素。来自太阳的能量辐射除了被大气层反射回宇宙大概35%以外，余下的能量辐射大部分透过大气被地面吸收，从而引起地面温度升高。

温度较低的地面升温后将加大发射长波辐射，大部分长波辐射被温度更低的大气中的温室气体吸收，引起大气温度升高，进而形成温室效应。

二氧化碳（CO2）、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化硫(SF6)、氢氟碳化物(HFCs)和全氟化碳(PFCs)是《京都议定书》规定的六种主要温室气体[3]，其中CO2对温室效应的贡献最大，为49%[4]。当前人类主要利用的能源是煤、石油、天然气为主的化石能源，造成了大量的碳排放，导致了温室效应的发生。

03

能源转型助力碳达峰与碳中和

2020年我国能源消费总量为49.8亿吨标准煤，占到世界能源消费总量的26%，超过1/4，是一个实实在在的能源消耗大国。

虽然清洁能源消费量占我国能源消费量的比重不断上升，但由于我国“富煤贫油少气”的资源结构，决定了我国的能源结构仍以煤炭为主导地位，煤炭是我国最主要的能源来源。

2020年我国消费28.6亿吨标准煤，占我国消耗能源总量的56.8%，占全球煤炭消费总量的56.6%。而以煤为主要能源带来了大量的二氧化碳排放，我国二氧化碳的排放量达99亿吨，占全球二氧化碳排放总量的31%[5][6]。

图1. 2016-2020年我国清洁能源占能源消耗的比重

我国火力发电行业是煤炭消耗的主要行业，贡献了巨大的碳排放。电力作为优秀的二次能源，具有利用方便、便于转移等优势。

太阳能、风能、核能、水能等清洁能源与电力关系密切，清洁能源大都需要转化为电力才能摆脱清洁能源的地域限制，实现有效利用。

借助电力输送的方便高效及低能量损耗，青藏高原、新疆、甘肃、内蒙古地区丰富的风光资源，西南地区丰富的水力资源才能得到合理的应用。电力作为主要的能源利用形式，是实现碳达峰、碳中和的主力军。

图2. 2015-2020年我国各类型发电量增长情况

近几年，我国清洁能源发电无论是发电量和装机容量占比逐年提高，减少了发电过程的碳排放。我国积极调整能源结构，加大清洁能源投资和政策支持，2018年太阳能和风能发电量继续快速增长，分别达到51%和24%的高增长率；

核电发电量增长19%，贡献了全球核电发电量增量的74%；可再生能源消费总量增长29%，占全球增长量的45%[7]，是名副其实的新能源建设大国、利用大国。

根据中国电力企业联合会的数据[8]，2015年我国全年发电总量57399亿千瓦时，其中火力发电42307亿千瓦时，占发电总量的73.7%；水力发电11127亿千瓦时，占发电总量的19.4%；核电、风力发电、光伏发电等其他清洁能源发电共占比7%左右。

2020年，我国发电总量达76236亿千瓦时，相较于2015年增长了32.82%；火力发电51743亿千瓦时，较2015年增长22.30%，增速明显低于全国的总发电量增速；水力发电13552亿千瓦时，比2015年增长21.79%；核电、风电、光电等则快速增长，三者合计较2015年增长175.86%，展现了我国清洁能源的利用及发展迅速。同时，2020年火力发电占总发电量的比重也从2015年的73.7%降低为67.87%。

图3. 2015-2020年我国火力发电和清洁能源发电比重变化情况

清洁能源发电量的提升表明我国清洁能源利用率的提高，发电机组装机容量的变化则可以说明我国清洁能源的建设情况。

近五年，核电、风电、光电装机容量增长迅速，尤其光伏发电装机容量较五年前增长了近500%。清洁能源发电机组装机容量占总发电机组装机容量的比例从2015年的34.34%增长到2020年的43.40%；

相应地，火力发电机组装机容量则从2015年的65.65%降低到56.58%。根据规划，十四五期间，非化石能源发电装机容量将达到53.2%，超过化石能源发电装机容量[9]，进一步降低碳排放。

图4. 2015-2020年我国各类型发电机组装机容量增长情况

04

实现碳达峰与碳中和的其它措施

随着技术的进步，逐步提高能源利用率将减少碳排放。提高能源利用率，这无疑能充分利用现有资源，消耗更少的资源，从而带来更少的CO2排放。我国万元GDP能源消耗逐年降低，较2015年，2020年万元GDP能耗下降近20%[6]。

加强国际合作。地球是人类共同的家园，因此为减少碳排放，抑制全球气候变暖需要各国的密切合作。联合国气候变化大会的成功举办与碳排放交易体系（简称：碳市场）的建立都展现出了世界各国的合作进展。

但国际间合作需要继续深化，截止2019年，全球共运行20个不同规模的碳市场，运行中的碳市场覆盖的CO2排放量占全球的8%，有碳市场的地区包含了全球八分之一的人口[10]，全球碳市场需要进一步的发展和完善以覆盖更多人口和加强各个碳市场间的合作。不到两年时间，截止2021年7月，全球运行中的碳市场已有26个，并有9个正在筹建[11]。

05

自然状态下的碳固定

大气中二氧化碳浓度是人为化石燃料排放与陆地、海洋生态系统吸收后两者平衡的结果。地球本身具有强大的自我调节能力，自然状态下的碳固定主要涉及海洋固定、风化作用以及生物圈固定等方面。

（1）海洋固碳。海洋面积占到了全球的71%，远远高于陆地面积占比，这表明海洋具有巨大的储存CO2的潜力，研究表明，不包含海底沉积物的情况下，工业革命前的海洋储碳量为大气碳储量的60多倍。海洋对延缓全球气候变暖作用显著，1959年至2016年的人为累计CO2排放量被海洋吸收了23%。自然情况下，海洋通过溶解CO2，生物固定CO2和形成碳酸盐三种方式储存碳[12]。

（2）风化作用。岩石圈也固定了大量的碳元素，如硅酸盐和碳酸盐岩石风化。根据文献数据（10.1029/2020EF001938）表明，发现全球年平均硅酸盐岩风化碳汇通量为1.67 t/km2/yr，而硅酸盐岩风化碳汇总量为127.11 Tg/yr（Tg表示百万吨，常用于描述气体重量）。

特别是，巴西的硅酸盐岩碳汇贡献量占其全球总量的近四分之一。此外，尽管目前全球硅酸盐岩风化碳汇通量呈下降趋势，但随着二氧化碳排放量的增加，引起温度升高，导致岩石风化加剧，未来硅酸盐岩风化将继续增加碳汇能力。

对于碳酸盐岩风化，研究表明全球主要河流流域碳酸盐岩对CO2的吸收速率为0.43±0.15 Pg CO2/yr（Pg表示十亿吨），平均CO2吸收通量为7.93±2.8 t/km/yr。CO2吸收通量在不同气候带下差异显著，热带和暖温带CO2年吸收速率占全球主要河流流域年吸收速率的62.95%。冷温带CO2年吸收速率占全球主要河流流域的33.05%，仅次于热带地区[13]。

（3）生态系统固碳。碳元素作为构成生物体的主要元素，通过光合作用、呼吸作用、捕食等生物过程参与生态系统的碳循环。生物圈能够储存大量的CO2，仅陆地生物圈就吸收了1959年至2016年间人为累计CO2排放量的32%，吸收量达到1350±350亿吨碳[12]，可见地球生态系统具有巨大的碳储存能力。

因此，禁止乱砍乱伐，避免破坏植被，鼓励植树造林就十分重要，这将显著影响大气碳循环过程。有研究团队利用中国气象局温室气体观测本底站碳监测数据、中国林业局森林普查数据、美国与日本碳监测卫星以及生态系统全球遥感数据，研究了我国陆地生态系统的碳固定能力，研究结果表明，2010~2016年，我国陆地生态系统年均吸收约11.1亿吨碳，吸收了同时期人为碳排放的45%。

我国陆地生态圈的巨大碳汇主要是由于我国重要林区，尤其是西南林区的固碳贡献，同时他们也发现东北林区在夏季也有非常强的碳汇，这与我国近几十年来的植树造林密不可分[14]。

06

小结

由以上得知，我国二氧化碳年排放量已达100亿吨上下，未来还会继续上涨。虽然地球具有强大的自我调节能力，但自然条件下的碳固定能力相比于人为增加的碳排放就显得不足。

海洋几十年的时间吸收了人为累计排放的23%，陆地生态系统吸收了人为排放的32%，陆地上硅酸盐和主要碳酸盐岩风化作用年均吸收二氧化碳量也远少于人为排放量，大部分二氧化碳不能自然被固定而排放到大气中。

并且，这并没有计算生态系统、自然条件下碳循环过程的碳排放。那么，面对如此大的碳固定缺口，人们能够做些什么？人们还有“碳捕集与封存”技术。