首页 资讯 水务 大气 固废 绿色发展 自然资源 人物 环保展会 企业 环保会客厅 国际资讯 政策 NGO

清洁能源

旗下栏目: 循环经济 清洁能源 绿色金融

丁仲礼:深入理解碳中和的基本逻辑和技术需求(2)

来源:学习俱乐部 作者:丁仲礼 人气: 发布时间:2022-09-11 12:06:38

五、固碳端的技术需求

提起固碳,我们首先想到的是自然过程,即通过海洋和陆地表面把大气中的二氧化碳吸收固定。但这里必须指出,人类活动每年都向大气中排放二氧化碳,这其中的一部分可以被自然过程所吸收,余下部分如不通过人为手段予以固定,则大气中的二氧化碳浓度还会逐年增高。所以我们讲固碳,主要是指通过人为努力固定下的那部分,而地球自然固碳过程则属于“天帮忙”,很难归功于具体的国家或实体。

“人努力”进行固碳一般可分两大途径,一是生态系统的保育与修复,二是把二氧化碳捕集起来后,或加工成工业产品,或封埋于地下或海底,这第二方面就是经常谈到的“碳捕获、利用与封存”——CCUS(Carbon Capture and Utilization-Storage)。

公众对生态系统固碳都比较熟悉,它是利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳,所吸收的碳有一部分长久保存在植物本身之中(比如树干),也会有一部分凋落后(比如树叶)腐烂进入土壤中以有机碳的形式得到较为长期的保存,当然有机碳也会部分转化成无机碳并同地表系统中的钙离子结合形成石灰石沉积。地表生态系统尽管类型多样,但真正起主要作用的还是森林生态系统,这是因为森林中的各种树木都有很长的生长期,在树木适龄期内,固碳作用可持续进行;当树木进入成熟期,固碳能力就会减弱,但人们可以通过砍伐—再造林的方式继续保持正向固碳作用,而砍伐的木材可以做成家具等产品,不至于把多年来固定的碳快速返还给大气。

因此,生态系统固碳的重点在于森林生态系统,森林生态系统的管理一在于保育,二在于扩大面积。我国有大量适宜森林生长的山地,这些地区过去生态受到过较大程度的破坏,最近几十年来,一直处在恢复之中,而这些人工次生林或乔/灌混杂林都很“年轻”,有进一步发育、固碳的潜力。同时,我国又有不少非农用地可作造林之用,包括近海的滩涂种植红树林,城市乡村的绿化用地种植树木。所以说,生态系统建设在我国实现碳中和过程中将起到至关重要的作用。

人为固碳的另一条途径是CCUS,它包括碳捕集技术、捕集后的工业化利用技术(分为生物利用和化工利用两大类)、地质利用和封存技术。对这些技术,国内外尚处在研发阶段,真正大面积的应用尚未见到。

碳捕集技术分三大类。一是化学吸收法,它用化学吸收剂同烟道气中的二氧化碳生成盐类,再加热或减压将二氧化碳释放并收集。二是吸附法,又细分为化学吸附法和物理吸附法。化学吸附法是用吸附材料同二氧化碳分子先作化学键合,再改变条件把二氧化碳分子解吸附并收集;物理吸附法是利用活性炭、天然沸石、分子筛、硅胶等对烟道气中的二氧化碳作选择性吸附后再解吸附回收。三是膜分离法,即利用膜对气体分子透过率的不同,达到分离、收集二氧化碳之目的。在具体操作上,碳捕集还可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、化学链燃烧捕集、生物质能碳捕集、从空气中直接捕集等技术。

碳捕集后的工业化生物利用技术目前主要有四大类,一是利用二氧化碳在反应器中生产微藻,这些微藻再用作生产燃料、肥料、饲料、化学品的原料。二是将捕集到的二氧化碳注入温室中,用以增加温室中作物的光合作用,这个过程又可称为二氧化碳施肥。三是把二氧化碳同微生物发酵过程相结合,生成有机酸。四是把二氧化碳用于合成人工淀粉。碳捕集后的工业化化工利用又分两大类技术途径,一大类是把二氧化碳中的四价态碳还原后加甲烷、氢气等气体,再整合成甲醇、烯烃、成品油等产品。另一大类为非还原技术,有二氧化碳加氨气后制成尿素、加苯酚后合成水杨酸、加甲醇后合成有机酸酯等技术,也有合成可降解聚合物材料、各类聚酯材料等技术。

地质利用技术也有很多类型,这些技术有的已在工业化示范中,有的尚停留在实验室探索阶段。比如利用收集起来的二氧化碳驱油、驱煤层气、驱天然气、驱页岩气等,这属于油气开采领域的应用,这类技术的一个共性是通过生产性钻孔把超临界的二氧化碳压到地层中,利用它驱动孔隙、裂隙中的油、气流出开采性钻孔,达到油气增产或增加油气采收率的目的,与此同时,二氧化碳则滞留在孔隙、裂隙中得以长期封存。该类技术国内外已有工业应用示范。而另一些技术则在探索过程中,比如用于开采干热岩中的地热。干热岩埋深在数千米,其内部基本没有流体存在,温度在180℃以上,开采干热岩中的热能需要打生产井并用压裂手段使岩石增加裂隙,然后在生产井中注入工作介质,让其流动并采集热量,最后从开采井中收集热量。一些研究表明:用二氧化碳作为工作介质,既起到开采干热岩热量的作用,又可把部分二氧化碳封存于地下。

地质封存技术则是把二氧化碳收集后直接通过钻孔注入地下深处或灌入深部海水中。这里要特别指出:深海对二氧化碳的溶解保存能力是巨大的。

总之,固碳的技术有多种,但这些技术不可避免地需要额外能量加入,因此有可能把最终产品的成本提高一大块。至于地质封存,尽管理论和实践上可行,但它似有“空转”之嫌。从现阶段看,只有生态固态才可兼顾经济效益和社会效益。

六、碳中和的路线图规划

实现碳中和,是一个长期过程,需要有一个指导全局性工作的规划,并根据形势的发展、技术的进步,能形成不断完善规划的工作机制。我国的目标是2060年前实现碳中和,显然在目前的认知水平下,要做一个能覆盖近40年时间长度的规划是不太现实的,但有一点我们是必须一开始就要做到心中有数的,那就是我国到时候还可以排放多少二氧化碳,或者说从目前约100亿吨的二氧化碳排放减少到多少才可以宣布完成了碳中和目标。

这个问题不易确切回答,但寻找答案的思路是具备的,那就是“排放量=海洋吸收量+生态系统固碳量+人为固碳量+其他地表过程固碳量”这个公式。

对此,我们可以逐项做出分析。

● 过去几十年,海洋对人为排放二氧化碳的吸收比例为23%,这个过程还是比较稳定的,尽管我们很难预测未来是否会产生重大改变,但假定海洋将保持这个吸收比例不变,应该是有依据的。

● 我国陆地生态系统固碳能力非常强。根据相关研究,2010—2020年间我国陆地生态系统每年的固碳量为10亿—13亿吨二氧化碳;一些专家根据这套数据并采用多种模型综合分析后,预测2060年我国陆地生态系统固碳能力为10.72亿吨二氧化碳/年,如果增强生态系统管理,还可新增固碳量2.46亿吨二氧化碳/年,即2060年我国陆地生态系统固碳潜力总量为13.18亿吨二氧化碳/年。此外,我国近海的生态系统固碳工程还没启动,这块儿也应该有较大潜力。

● 至于把碳捕集后作工业化利用及封存的量有多大,这要取决于技术水平与经济效益,目前要对此作出估计是有难度的。但我们也可以作出这样的假定:如果届时实现碳中和有“缺口”,政府将对人为工业化固碳予以补贴,争取每年达到3亿—5亿吨二氧化碳的工业化固碳与地质封存。以中国的工业技术发展速度,这个假定还是相对“保守”的。

● 其他地表过程固碳是指地下水系统把有机碳转化成石灰石沉淀、水土侵蚀作用把有机碳埋藏于河流—湖泊系统之中等地表过程,它一年能固定的碳总量目前没有系统研究数据,但粗略估计中位数在1亿吨二氧化碳左右。

为此,我们可以做出这样的分析,假如我国2060年前后二氧化碳年排放量在25亿吨左右,那么海洋可吸收25×23%=5.75亿吨二氧化碳,陆地和近海生态系统固碳14亿吨二氧化碳,工业化固碳和地质封存4亿吨二氧化碳左右,基本上可以做到“净零排放”。

当然,要从100亿吨的二氧化碳排放量降到25亿吨,难度亦是非常之大的,这需要我们先有一个宏观的粗线条规划。根据我国五年规划的惯例,可考虑以两个五年规划为一个阶段,分四个阶段,四十年时间实现碳中和目标。

第一步:“控碳阶段”

争取到2030年把碳排放总量控制在100亿吨之内,即“十四五”期间可比目前增一点,“十五五”期间再减回来。在这第一个十年中,交通部门争取大幅度增加电动汽车和氢能运输占比,建筑部门的低碳化改造争取完成半数左右,工业部门利用煤+氢+电取代煤炭的工艺过程大部分完成研发和示范。这十年间电力需求的增长应尽量少用火电满足,而应以风、光为主,内陆核电完成应用示范,制氢和用氢的体系完成示范并有所推广。

第二步:“减碳阶段”

争取到2040年把二氧化碳排放总量控制在85亿吨之内。在这个阶段,争取基本完成交通部门和建筑部门的低碳化改造,工业部门全面推广用煤/石油/天然气+氢+电取代煤炭的工艺过程,并在技术成熟领域推广无碳新工艺。这十年火电装机总量争取淘汰15%落后产能,用风、光资源制氢和用氢的体系完备及大幅度扩大产能。

第三步:“低碳阶段”

争取到2050年把二氧化碳排放总量控制在60亿吨之内。在此阶段,建筑部门和交通部门达到近无碳化,工业部门的低碳化改造基本完成。这十年火电装机总量再削减25%,风、光发电及制氢作为能源主力,经济适用的储能技术基本成熟。据估计,我国对核废料的再生资源化利用技术在这个阶段将基本成熟,核电上网电价将有所下降,故用核电代替火电作为“稳定电源”的条件将基本具备。

第四步:“中和阶段”

力争到2060年把二氧化碳排放总量控制在25亿—30亿吨。在此阶段,智能化、低碳化的电力供应系统得以建立,火电装机只占目前总量的30%左右,并且一部分火电用天然气替代煤炭,火电排放二氧化碳力争控制在每年10亿吨,火电只作为应急电力和一部分地区的“基础负荷”,电力供应主力为光、风、核、水。除交通和建筑部门外,工业部门也全面实现低碳化。尚有15亿吨的二氧化碳排放空间主要分配给水泥生产、化工、某些原材料生产和工业过程、边远地区的生活用能等“不得不排放”领域。其余5亿吨二氧化碳排放空间机动分配。

“四阶段”路线图只是一个粗略表述,由于技术的进步具有非线性,所谓十年一时期也只是为表达方便而定。

七、碳中和对我国的挑战和机遇

从前面的介绍可知,实现碳中和,可以理解为经济社会发展方式的一场大变革,对当今世界的任何一个国家来说,都是一场巨大的挑战。对我国来说,主要的挑战在以下几个方面。

一是我国的能源禀赋以煤为主。在煤、油、气这三种化石能源中,释放同样的热量,煤炭排放的二氧化碳量大大高于天然气,也比石油高不少。我国的发电长期以煤为主,这同石油、天然气在火电中占比很高的那些欧美发达国家比,是资源性劣势。

二是我国制造业的规模十分庞大。我们在前面的介绍中提到,我国接近70%的二氧化碳排放来自工业,这个占比高出欧美发达国家很多,这同我国制造业占比高、“世界工厂”的地位有关。

三是我国经济社会还处于压缩式快速发展阶段,城镇化、基础设施建设、人民生活水平提升等方面的需求空间巨大。

四是我国的能源需求还在增长,意味着我国的二氧化碳排放无论是总量还是人均都会继续增长。

五是我国2030年达峰后到2060年中和,其间只有30年时间,而美国、法国、英国从人均碳排放量考察,在20世纪70年代就达峰了,它们从达峰到2050年中和,中间有80年的调整时间。

为了更加清晰地阐明碳中和对我国的挑战性,我们下面用几组碳排放有关的数据,以国际比较的方式,来做进一步说明。

第一组数据是从1900年到2020年间,不同国家的累计二氧化碳排放量(以亿吨二氧化碳为单位),美国为4047,欧盟27国为2751,中国为2307,俄罗斯为1152,日本为655,英国为618,印度为545,墨西哥为201,巴西为156。这个累计排放量可大略表明一个国家长期以来积累起来的“家底”,但这样的统计没有考虑人口基数,因此我们需要第二组数据,1900年到2020年间的人均累计排放,这套数据以国家为单位,把每年的全国排放除以人口,获得逐年人均排放,再把这120年来的人均排放加和即可得出(数据以吨二氧化碳为单位),具体为:美国2025,加拿大1522,英国1209,俄罗斯848,欧盟27国713,日本575,墨西哥295,中国190,巴西107,印度58,全球人均累计为375,中国迄今为止只有全球人均的一半,不到美国的十分之一。

第三组数据是目前以国家为单位的排放量(以亿吨二氧化碳为单位),具体是:中国100,美国52,欧盟27国30,印度25,俄罗斯16,日本11。如果考虑人均,那么有第四组数据(2016年到2020年人均排放,以吨二氧化碳为单位),具体是:美国15.9,加拿大15.3,俄罗斯11.4,日本9,中国7.2,欧盟27国6.6,巴西2.3,印度1.9。从以上四组数据可知,我国最近几十年的发展具有压缩性特征,故目前的人均和国别排放数据比较高,这也是掌握话语权的西方媒体不断给我国戴上“最大排放国”,甚至是“最大污染国”帽子的所谓“理由”。但如果考察人均累计排放,我国对全球的“贡献”非常小。另外,我国的人均GDP已达全球平均水平,而人均累计排放只是全球的一半,这还是在我国能源以煤炭为主、每年净出口大量制造业产品的基础上达到的,由此说明我国绝不是如一些研究者所说的是“能源资源消耗型”经济体。

第五组数据很有意思,它是由国际能源署、世界银行等建立的居民人均消费碳排放,它考虑了国家间通过进出口而产生的“碳排放转移”。2018年到2019年间的数据如下(单位为吨二氧化碳):美国15.4,德国7.6,加拿大7.5,日本7.4,俄罗斯7.0,英国5.7,法国4.4,中国2.7,巴西1.5,印度1.1。这组数据说明,世界上一些国家只是“生存型碳排放”,而有的国家早已进入“奢侈型”或“浪费型”国家行列!

前面我们谈了碳中和对中国的五方面挑战,下面再谈五点机遇。

一是我国光伏发电技术在世界上已是“一骑绝尘”,风力发电技术处在国际第一方阵,核电技术也跨入世界先进行列,建水电站的水平更是无出其右者。

二是我国西部有大量的风、光资源,尤其是西部的荒漠、戈壁地区,是建设光伏电站的理想场所,光伏电站建设还可带来生态效益;东部我们有大面积平缓的大陆架,可以为海上风电建设提供大量场所。

三是我国的森林大都处在幼年期,还有不少可造林面积,加之草地、湿地、农田土壤的碳大都处在不饱和状态,因此生态系统的固碳潜力非常大。

四是我们实现碳中和目标的过程,也是环境污染物排放大大减少的过程,这意味着我们将彻底解决大气污染问题,其他污染物排放也将实质性降低。此外,碳中和也意味着我们将实现能源独立,国内自产的原油、天然气将能满足化工原料之需要,进口油气将大为减少,所谓的“马六甲困境”将不再是一个实质性威胁。能源独立从某种程度上还会为粮食安全提供助力。

五是我国的举国体制优势将在碳中和历程中发挥重大作用,因为碳中和涉及大量的国家规划、产业政策、金融税收政策等内容,需要真正下好全国一盘棋。这点我们从我国推动光伏产业的历程中就可以看出,并且诸如此类的经验未来还会不断被总结、深化。我们甚至可以预计,即使是坚持自由市场经济的那些国家,它们如想真正实现碳中和,也将在国家产业政策设计上获得助力。

作者:丁仲礼,十三届全国人大常委会副委员长,民盟中央主席,欧美同学会会长,中国科学院院士。

(编辑:逍遥客)

版权声明:本网注明来源为“国际环保在线”的文字、图片内容,版权均属本站所有,如若转载,请注明本文出处:http://www.huanbao-world.com 。同时本网转载内容仅为传播资讯,不代表本网观点。如涉及作品内容、版权和其它问题,请与本网站联系,我们将在第一时间删除内容。

首页 | 资讯 | 水务 | 大气 | 固废 | 绿色发展 | 自然资源 | 企业 | 环保展会 | 国际资讯

电脑版 | 移动版 | 联系我们

Copyright © 2017-2019 国际环保在线 版权所有
 粤ICP备17138624号-1