清華專(zhuān)家談：碳中和、能源轉型的實(shí)現策略

在2023 年9 月北京IC WORLD 大會(huì )上，舉辦了“集成電路下的綠水青山”專(zhuān)題論壇，清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系副教授、博士生導師、黨委副書(shū)記、清華- 力拓資源、能源與可持續發(fā)展聯(lián)合研究中心主任麻林巍教授做了《碳中和與能源轉型》的報告，介紹了為何要進(jìn)行碳中和，實(shí)現碳中和的中國能源情景，如何實(shí)現碳中和等。

1 碳中和、可持續發(fā)展的重要性

目前我國對碳中和的決心非常大。但是還沒(méi)有什么經(jīng)驗，做起來(lái)相當不容易。

1.1 為什么要做碳中和？

因為碳中和背后的基本信念是可持續發(fā)展：我們不僅要考慮當下，還要為子孫后代留下足夠的資源、環(huán)境和技術(shù)，這是一切的根本。

這幾年，多位氣候經(jīng)濟學(xué)家獲得了諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎或物理學(xué)獎，因為他們從經(jīng)濟學(xué)和物理學(xué)上證明了可做應對氣候變化這件事情。雖然我們目前會(huì )付出很多成本，但是如果現在不做，將來(lái)蒙受的損失將更加巨大。

1.2 可持續發(fā)展需要全世界一起去實(shí)現

可持續發(fā)展是全人類(lèi)的大事，而不僅僅是我們中國。所以我們不能獨善其身，要與世界各國共同去實(shí)現。1987年，世界環(huán)境和發(fā)展委員會(huì )《我們共同的未來(lái)》指出，可持續發(fā)展是滿(mǎn)足當代人需要，同時(shí)不損害后代人、滿(mǎn)足他們需要的能力的發(fā)展?？沙掷m發(fā)展包括使用廉價(jià)和清潔能源、氣候行動(dòng)等。

但是氣候變化最大的挑戰是幾十年平均天氣的變化，除了少數極端氣候災害外，人們很難感受到其危害，像溫水煮青蛙一樣。所以在做這項工作時(shí)，經(jīng)常面臨一些質(zhì)疑。因此必須大力宣傳，不斷地提高人們的重視程度。

IPCC( 聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )) 定義的氣候變化是可被測量到的、持續時(shí)間較長(cháng)（幾十年或更久）的氣候狀態(tài)的改變?？赡苁亲匀灰蛩貙е?，也可能是人類(lèi)活動(dòng)導致。

據統計，1880—2012 年，全球平均地表溫度上升了0.85℃。1979—2012 年， 北極海冰范圍每十年縮小3.5%~4.1%。1901—2010 年，全球海平面每年上升1.7 mm( 共18.5 cm)。

可見(jiàn)，全球地表溫度上升1℃ 花了一百多年的時(shí)間。如果現在我們停止碳排放了，溫度也很難降回來(lái)——真正回來(lái)要花一兩個(gè)世紀。

氣候變化導致的結果將是無(wú)法計算的，而且之所以這是很難逆轉的，因為海洋起了巨大的作用，它的升溫慣性非常大。因此，如果不加以控制，結果就會(huì )災難性地4℃、5℃、6℃ 度地去升溫。

很多人認為未來(lái)幾十年內由氣候變化導致災害的發(fā)生概率非常微小。但我們不能等危險真正來(lái)了再做。氣候問(wèn)題就像過(guò)馬路是否看車(chē)一樣：不看，似乎也行；但是萬(wàn)一被車(chē)撞了，就受不了。因此這件事一旦發(fā)生，我們很難承受后果，所以一定要積極地去應對。

達成應對氣候變化的共識來(lái)之不易。實(shí)際上，早在19世紀初，科學(xué)家們已提出預警，但一直到1979年才召開(kāi)第一次世界氣候大會(huì )。但因為爭吵不休，又成立了IPCC，組織了全世界最優(yōu)秀的科學(xué)家進(jìn)行綜合評估，一直到1992 年，聯(lián)合國大會(huì )通過(guò)了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，1997 年通過(guò)了《京都議定書(shū)》，一直到2015 年《巴黎協(xié)定》，可見(jiàn)已經(jīng)走過(guò)了一百多年的艱辛曲折之路。因此今天我們應該好好珍惜這來(lái)之不易的決議。

實(shí)際上，《巴黎協(xié)定》也不是國際上壓給我們的，而是中國積極作為的結果。因為《巴黎協(xié)定》的國家自主貢獻框架是中美在《巴黎協(xié)定》出臺之前自己宣布出來(lái)的。中國在氣候問(wèn)題上做出了巨大貢獻，與歐美等國家和地區在過(guò)去終于也達成了一致。

現在全球有了共同的目標——控制溫升2℃/1.5℃目標，2070/2050 年左右要實(shí)現凈零排放（碳中和）。但是最終目標不是碳中和，而是要把我們從工業(yè)革命以來(lái)排放的所有溫室氣體的總量控制在一個(gè)值（2.9 萬(wàn)億噸）以下，而現在我們已經(jīng)把大部分的余額用完了（到2011 年已排放了約1.9 萬(wàn)億噸），剩下的已很少了（余下的89 年每年平均可排放112 億噸）。按此推算，如果我們不及早地實(shí)現碳中和，就會(huì )超標。所以我們行動(dòng)得越晚，后面的工作就會(huì )愈加艱難。即現在減排得越慢，后面需要做的功課就越多。

2 實(shí)現碳中和的我國能源情景

能源系統非常復雜，是一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò )，具有動(dòng)態(tài)性。但是基本原理很簡(jiǎn)單（如圖1），因為人口、經(jīng)濟在持續發(fā)展，會(huì )驅動(dòng)溫室氣體排放的增加，我們應該怎么去減少，就要采用圖1藍色字的方法。

圖1 減碳公式

●   節能：降低碳排放，從各個(gè)方面去提高能效，以盡量少的能耗產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品服務(wù)，這是基本的。

●   替代：改變能源結構，盡可能多地提高非化石的能源。

●   碳匯：用農林業(yè)增匯、碳捕獲與埋存（CCS）、負碳排放技術(shù)（BECCS 等）。

現在方法很多，但是基本的結論大致相同：

節能：單位GDP碳排放持續下降，一次能源消費總量于2040 年達峰。

替代：從目前80% 以上的化石能源，變?yōu)?0% 以上非化石能源。

碳匯：農林業(yè)增匯、碳捕獲與埋存（CCS）、負碳排放技術(shù)（BECCS 等）。

總之，未來(lái)為了實(shí)現碳中和，碳減排大概一小半要靠節能，節能是基礎的基礎，少用、少浪費/ 高效率是基本功課；余下的1/3 用替代能源；最后剩下的約1/6用碳匯/BECCS 等方法。

幾年前，清華大學(xué)曾組織了全國幾百名專(zhuān)家做了相關(guān)的情景分析，把已經(jīng)具備或將來(lái)可能具備的技術(shù)和管理措施全都用上，算出來(lái)我國有可能在2050 年通過(guò)工業(yè)、建筑、交通、電力等諸多部門(mén)的共同努力，把我國的碳排放壓到一個(gè)較低的水平。而通過(guò)碳的抵消，希望實(shí)現二氧化碳清零。由此給國家提出了減碳建議。所以我國后來(lái)宣布的減碳目標是計算出來(lái)的，例如宣布到2060年二氧化碳的排放會(huì )抵消，甚至中和。

3 實(shí)現碳中和的三方面

當然這是需要巨大付出的。首先需要控制我們的能源總需求，大概需要在2030 年把能源需求總量達峰（碳達峰），之后不再增加，在此過(guò)程中需要大量地提高我們的能效。

碳中和指人為二氧化碳（或溫室氣體）排放正好被人造碳匯所抵消。

圖2是未來(lái)能源系統的一個(gè)基本途徑?？梢钥吹侥壳拔覀兡茉磥?lái)源有80% 以上是靠化石，主要是煤炭，但是未來(lái)如果要實(shí)現碳中和，如果按目前的發(fā)電能耗，我們2050年的非化石的比重要達到80%以上。

圖5 2050年中國低碳能源系統的能-碳耦合流向圖

在終端要大量地使用電力，現在終端燃料的比重高于電力，未來(lái)是電力的比重高于燃料。我們的電力系統中現在煤炭占比最大，占70%，預計未來(lái)要變成以風(fēng)光為主。

最后還有一些碳排放必須通過(guò)CCS、BECCS進(jìn)行抵消。

我們還要積極發(fā)展非化石燃料和原料，把化石能源控制到盡量低的水平。這就是我們?yōu)槭裁匆l(fā)展氫能以及生物燃料，是為了尋求政策的支持，把最后很難減的那部分也給減掉。

總體原理就是節能。節能提效是最基本的。

其次就是高比例的風(fēng)光。眾所周知，風(fēng)光的波動(dòng)性意味著(zhù)我們要做大量的工作，才能把系統穩定下來(lái)。就目前的水平，這種能源系統應用還不是很廣，所以我們要研發(fā)很多新技術(shù)和管理的措施，來(lái)管理如此龐大的系統及其波動(dòng)性。之后是高度的電氣化，低碳的能量應用會(huì )比較大。圖2 中有一些內容一眼看不出來(lái)，例如我們要積極地發(fā)展分布式的能源系統，讓分布式和集中式相互配合，以及如何把煤炭等化石燃料詳細布局等。

4 實(shí)現碳中和是我們的大國擔當

我國在2015 年宣布了碳達峰目標，2020 宣布了碳中和的目標，這是我國積極承擔責任的定位，雙碳目標是鄭重的決定。

總有人質(zhì)疑雙碳目標會(huì )不會(huì )后退？答案是否定的，我們絕對會(huì )按照目標承諾實(shí)現。而且研究顯示到2050年中國勢必會(huì )宣布更積極的政策。所以我國在氣候問(wèn)題上會(huì )一步一步地前進(jìn)，基本不會(huì )后退，這也符合我國的全球化戰略：因為中國的崛起勢必要和全球共命運，就必須站在道義的制高點(diǎn)之上。因此在減碳目標上不能后退，就算別人退了，我們也不能退，因為我們將來(lái)要成為強國，要去引領(lǐng)世界發(fā)展新潮流。

為此，我國已經(jīng)做了很多工作，包括我們的雙碳目標及很多政策文件在逐步完善。但是問(wèn)題是到了我們產(chǎn)業(yè)界和現實(shí)之中，實(shí)現難度還是非常大的，因為畢竟我們現有的能源系統和未來(lái)構想的能源系統之間還有巨大的差距。

5 智慧能源的挑戰與機遇

5.1 能源的未來(lái)不僅是供能企業(yè)的事

目前我們是以煤炭為主的能源來(lái)源，我們的終端能源利用是以工業(yè)高耗能工業(yè)為主的，而我們的經(jīng)濟很大程度上是由投資（巨大的結構性材料消耗）所拉動(dòng)的，所以目前到未來(lái)有兩大挑戰。

①我們如何去建設新的能源、技術(shù)、基礎設施；就目前存量巨大的煤炭/ 高耗能工業(yè)投資等產(chǎn)業(yè)而言，如何使之逐步退出，并且在退出之前仍能發(fā)揮作用。

②很多專(zhuān)家提到低碳不僅是供能企業(yè)的事，要去做協(xié)同，不能像以前一樣：用戶(hù)只管消耗，把碳達峰的責任都推給前端電網(wǎng)，實(shí)際上，雙方都得承擔責任。例如做高比例風(fēng)光是全社會(huì )的共同責任，除了風(fēng)光基地應該多采用儲能等手段，保證輸出穩定可控之外；客戶(hù)端也要讓需求相對可調，為此，我們也要依法建設很多分布式能源系統，滿(mǎn)足靈活可調和剛性的需求。只有這樣，電網(wǎng)承擔的責任可能相對小一些，所以1/3 的碳達峰責任是全社會(huì )的。這意味著(zhù)打破很多行業(yè)的邊界，需要合作。

5.2 低碳將催生兩個(gè)新興產(chǎn)業(yè)

未來(lái)，雙碳將至少催生兩個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。

①智庫行業(yè)，怎樣把陽(yáng)春白雪的頂層想法傳遞下去是非常重要的，讓人人都具備可持續發(fā)展和能源消費的基本素質(zhì)，非常清醒地做好自己的工作。

②智能/AI 行業(yè)，怎樣把先進(jìn)的智能系統進(jìn)一步提升到大設施層面，諸如工廠(chǎng)、建筑、大的交通系統，以及再往上提升——能不能管控好整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，甚至整個(gè)氣候經(jīng)濟，把人們現有的工作量極大地節約下來(lái)，把一些城市化的工作交給機器去做，這樣人才會(huì )有閑暇的時(shí)間去做創(chuàng )造，而不是去做重復性的工作。低碳首先會(huì )有一些示范工程，像部偏遠地區如何把能源發(fā)展起來(lái)，成為重要的能源基地；城鎮地區如何進(jìn)一步提高能效，以及發(fā)展分布式能源、儲能等，使能效極大提高；盡可能地產(chǎn)生更多的可再生能源；工礦園區等聚集區實(shí)現生態(tài)經(jīng)濟，之間有高速、快捷的網(wǎng)絡(luò )連接；而且這不僅是電網(wǎng)的事業(yè)，還要實(shí)現電網(wǎng)、燃料網(wǎng)和熱網(wǎng)的三網(wǎng)合一。這些需要各項事業(yè)配合好。這些都意味著(zhù)巨大的機遇，也會(huì )帶來(lái)巨量的經(jīng)濟發(fā)展。

當然這不僅是技術(shù)上的事，還需要考慮整個(gè)地區從能源上如何規劃，與整個(gè)社會(huì )的需求相結合。還要把這件事傳達到各個(gè)利益相關(guān)方，促進(jìn)他們形成配合關(guān)系，從而實(shí)現更高的能效和可再生能源的利用，以及在這其中會(huì )充分發(fā)揮ICT 技術(shù)的應用。

5.3 對企業(yè)低碳發(fā)展的建議

這些事情看起來(lái)很難，很多方面超出了我們現有的能力，但是原理非常簡(jiǎn)單，就像我們每個(gè)人的成長(cháng)一樣，我們一定先要有一個(gè)適度超高的目標，然后再去好好學(xué)習、進(jìn)步，不斷把所學(xué)造福社會(huì )。

首先是有沒(méi)有雄心。在碳中和已經(jīng)成為國內外潮流的情況下，企業(yè)有沒(méi)有雄心在應對氣候變化上做到優(yōu)秀。

樹(shù)立雄心是頭等重要的事，找好自己在碳中和整個(gè)事業(yè)中的一個(gè)恰當的角色。

第二，建設和發(fā)揮能力。有些事情肯定超出我們現有的能力，肯定得花時(shí)間去學(xué)習和建立。

最后，促進(jìn)有效的實(shí)現。切實(shí)的效果可促進(jìn)減排的正循環(huán)。

只要這個(gè)循環(huán)——從去樹(shù)立雄心到能力建設到實(shí)現這個(gè)循環(huán)，它能夠走起來(lái)，它就會(huì )一步一步變成現實(shí)。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.3）