金涌院士：中國(guó)達(dá)到碳中和，需要依靠大幅度、顛覆性科技創(chuàng)新

對(duì)于中國(guó)的碳達(dá)峰與碳中和之路，金涌院士指出，必須早規(guī)劃、穩(wěn)步推進(jìn)，要用可再生能源替代化石能源，依靠大幅度、顛覆性科技創(chuàng)新。

撰文/金涌（中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)化工系教授）

整理/韓繼波 新媒體編輯/陳炫之

2020年9月22日，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前“達(dá)峰”，力爭(zhēng)于在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)從碳達(dá)峰到碳中和的過(guò)渡期僅有30年，能源和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、二氧化碳和溫室氣體減排的速度和力度，比發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型過(guò)程的速度和力度要大得多。2020年12月召開(kāi)的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議將碳達(dá)峰、碳中和列為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

中國(guó)未來(lái)40年的碳達(dá)峰與碳中和之路，對(duì)于我國(guó)而言，是工業(yè)化向信息化轉(zhuǎn)變的時(shí)代；是可再生能源的時(shí)代；是核聚變能源的時(shí)代；是化石能源向化石資源轉(zhuǎn)變的時(shí)代；是資源循環(huán)利用的時(shí)代。

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碳中和要與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步

工業(yè)、建筑、交通是減排重點(diǎn)

碳達(dá)峰和碳中和要與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行，所以我國(guó)的碳達(dá)峰、碳中和必須早規(guī)劃，穩(wěn)步推進(jìn)，建立相關(guān)行業(yè)的退出機(jī)制，避免造成大的沖擊。還要用可再生能源替代化石能源，依靠大幅度、顛覆性科技創(chuàng)新，從初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)轶{附加值精細(xì)智能化產(chǎn)品的生產(chǎn)，而不是向金融業(yè)等虛體經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。

據(jù)估算，我國(guó)2060年人口總量與現(xiàn)階段基本持平，約為14.6億，屆時(shí)人均GDP將突破5萬(wàn)美元大關(guān)，達(dá)到現(xiàn)階段發(fā)達(dá)國(guó)家水平，而萬(wàn)元GDP能耗將低于目前發(fā)達(dá)國(guó)家水平，有望減少至0.05至0.1噸標(biāo)煤。全年能源消費(fèi)總量為23.73億至47.46億噸標(biāo)煤。中國(guó)社會(huì)2019年能源消費(fèi)總量為48.6億噸標(biāo)煤，可見(jiàn)我國(guó)社會(huì)2060年總能耗相較于現(xiàn)階段將有所下降，在最樂(lè)觀的情景下，能耗總量將下降一半以上。

工業(yè)、建筑、交通是化石能源消費(fèi)最主要來(lái)源，也是降低能耗的重點(diǎn)對(duì)象。工業(yè)是最主要的能耗來(lái)源，其中，又以鋼鐵、建材、石化、化工、有色、電力等六大初級(jí)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)耗能最大、排放最多，且對(duì)煤、石油等化石能源的依賴度高，是我國(guó)節(jié)能減排的重中之重。

（圖片來(lái)源：新華社）

工業(yè)節(jié)能需從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與技術(shù)兩方面下手。一方面推動(dòng)傳統(tǒng)資源密集型低端產(chǎn)業(yè)、重工業(yè)向高端制造業(yè)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，減緩對(duì)鋼鐵、水泥等高能耗產(chǎn)品的需求，刺激對(duì)高端工業(yè)品、服務(wù)和綠色環(huán)境的需求增長(zhǎng)。另一方面以科技創(chuàng)新推動(dòng)能源效率提高，如發(fā)電效率提升有望減少10%的火電碳排放，能源效率提升可使噸鋼能耗、單位水泥綜合能耗等進(jìn)一步下降，使工業(yè)能耗大幅減少。

建筑業(yè)運(yùn)行能耗包含采暖、空調(diào)、照明、炊事、洗衣等能耗，其中，采暖與空調(diào)能耗占50%至70%，是建筑節(jié)能的重要指標(biāo)。2017年，我國(guó)建筑總面積643億平方米，平均建筑運(yùn)行能耗為119.9（kWhm2a），單位面積能耗大。參照目前最先進(jìn)的德國(guó)微能耗建筑，我國(guó)建筑單位面積能耗具有約90%的下降潛能，技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)建筑本身作優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用保溫層做好墻體、屋頂和窗戶保溫，采用相變蓄熱砂漿打造建筑內(nèi)墻，利用地?zé)崮?、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源使建筑實(shí)現(xiàn)能量自給。預(yù)計(jì)我國(guó)2060年單位面積建筑能耗達(dá)到現(xiàn)階段國(guó)際先進(jìn)水平，約為10（kWhm2a），實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)行總能耗相較于2017年下降約90%。

我國(guó)交通主要分為鐵路、公路、水路、民航等形式，目前交通對(duì)于節(jié)能減排的響應(yīng)主要集中體現(xiàn)在公路運(yùn)輸中。部分發(fā)達(dá)國(guó)家已發(fā)布禁售燃油車的相關(guān)規(guī)定，我國(guó)減少燃油車、推進(jìn)新能源車發(fā)展的有關(guān)政策也正逐步完善。2019年，我國(guó)汽車保有量為2.6億輛，其中新能源車為381萬(wàn)輛。隨著智能、共享、公共交通的完善和政策的鼓勵(lì)，私家車需求必將減少，預(yù)計(jì)2060年，我國(guó)將全部為新能源車，保有量約為1.5億輛。對(duì)新能源車的龐大需求將為新能源、電池儲(chǔ)能等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大發(fā)展與挑戰(zhàn)。此外，隨著儲(chǔ)電技術(shù)的快速發(fā)展，航空、鐵路、航海電氣化也將逐步實(shí)現(xiàn)，2060年有望實(shí)現(xiàn)全部電氣化的零碳交通。

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

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去煤化是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改良的關(guān)鍵

零碳電力成未來(lái)能量供應(yīng)主體

實(shí)現(xiàn)碳中和不僅要依靠能耗總量的下降，更要依靠能源結(jié)構(gòu)的改良，去煤化是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改良的關(guān)鍵。電力是人類社會(huì)最佳的二次能源，隨著清潔能源和儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展、智能電網(wǎng)不斷完善，零碳電力必將逐步替代燃煤發(fā)電，成為未來(lái)能量供應(yīng)主體。

2019年，我國(guó)人均用電0.51萬(wàn)千瓦時(shí)，而根據(jù)前文預(yù)測(cè)，2060年，我國(guó)能源消費(fèi)總量約為23.73億~47.46億噸標(biāo)煤，若全由電力供能，則折合用電量19.3萬(wàn)億~38.6萬(wàn)億千瓦時(shí)，人均用電1.3萬(wàn)~2.6萬(wàn)千瓦時(shí)，是現(xiàn)在的2.5~5倍。而2019年美國(guó)人均用電1.35萬(wàn)千瓦時(shí)，2060年我國(guó)人均用電量為現(xiàn)階段美國(guó)水平的1~2倍，實(shí)現(xiàn)以電力為主導(dǎo)可以期待。

過(guò)去10年可再生能源發(fā)電成本急劇下降，2019年，并網(wǎng)大規(guī)模太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本降至0.068美元千瓦時(shí)，陸上和海上風(fēng)電成本分別降至0.053美元千瓦時(shí)和0.115美元千瓦時(shí)。同年火電平均發(fā)電成本約為0.05美元千瓦時(shí)。

為解決零碳電力系統(tǒng)波動(dòng)性大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，最需克服大規(guī)模儲(chǔ)能問(wèn)題。我國(guó)2019年清潔能源消費(fèi)占比為23.4%，其中可再生能源占15.3%，而根據(jù)國(guó)際可再生能源署的估計(jì)，2050年，世界平均可再生能源消費(fèi)占比將達(dá)66%，預(yù)示著2060年，我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)零碳電力供能。未來(lái)分布式能源與分布式儲(chǔ)能的結(jié)合將成為解決人類能源問(wèn)題的最終方案，以煤炭、天然氣等化石燃料為燃料的火電廠仍將保有少量規(guī)模，以滿足調(diào)峰與應(yīng)急需求。

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

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資源化利用是理想途徑

告別化石能源邁入新時(shí)代

化石資源化利用是指諸如煤炭、石油、天然氣等不再作為能源，而是作為原料或材料投入使用，并經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為非能源產(chǎn)品?；Y源化利用可使碳元素以化合物的形式轉(zhuǎn)向下游產(chǎn)品而非排入大氣環(huán)境，化石資源得以從能源結(jié)構(gòu)中脫離，與碳排放解綁。

已大幅減少的二氧化碳則可通過(guò)植樹(shù)造林、CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術(shù)加以回收。雖然植樹(shù)造林是很有效的碳中和途徑，但是樹(shù)葉、樹(shù)枝、秸稈、糞便在腐敗變質(zhì)過(guò)程中會(huì)釋放大量溫室氣體甲烷，所以必須要對(duì)樹(shù)葉、糞便等物質(zhì)進(jìn)行處理，比如通過(guò)絕氧加熱技術(shù)進(jìn)行碳化處理，把這些物質(zhì)中的氫元素分離、提取出來(lái)，分離后的這些物質(zhì)成為多孔、固態(tài)生物碳，埋入土壤中既可以固碳，又可以保墑。

在未來(lái)充沛能源的支撐下，資源化利用是回收二氧化碳、實(shí)現(xiàn)碳中和最為理想的可行途徑。二氧化碳資源化利用方式主要包括光合作用、礦化處理、化學(xué)品合成等方面。

通過(guò)對(duì)我國(guó)未來(lái)40年綠色低碳循環(huán)發(fā)展路徑的系統(tǒng)性展望，我們繪制出一幅中國(guó)2060年碳中和藍(lán)圖。該藍(lán)圖的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)遵循以人為本、科技支撐、經(jīng)濟(jì)可行、節(jié)奏合理四項(xiàng)原則。

2060年碳中和目標(biāo)對(duì)我國(guó)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。在推進(jìn)碳中和的進(jìn)程中，我國(guó)將從后工業(yè)時(shí)代邁向信息化時(shí)代，告別化石能源時(shí)代，邁入可再生能源時(shí)代、核聚變能源時(shí)代、化石資源時(shí)代、資源循環(huán)利用時(shí)代。

出品：科普中央廚房

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