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黄晶:应对气候变化与碳中和技术体系构建

发布时间:2022-10-21来源:可持续发展经济导刊作者:黄晶

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科学技术在支撑我国碳中和目标实现进程中的作用十分关键。需要立足国情、 统筹谋划、精心设计,从当前碳排放现状分析入手,紧密结合碳减排技术需求,提出构建我国碳中和技术体系的思路与方案。

 黄晶 中国21世纪议程管理中心主任,国家气候变化专家委员会委员

本文为《可持续发展经济导刊》“可持续发展·中国这十年”特别策划文章

实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,科技创新发挥着不可替代的重要作用。我国正处于经济高质量发展的关键时期,比发达国家实现碳中和难度更大,构建碳中和技术体系更具紧迫性。

一、对气候变化的科学性认识不断深化

20世纪以来,随着在大气、海洋、地质等不同领域研究的深入,人们对气候变化的认识逐渐从科学层面进入公众关注视野。

1979年,第一次世界气候大会在瑞士日内瓦召开,与会科学家明确提出,大气中二氧化碳浓度增加将导致地球升温,气候变化首次作为一个受到国际社会关注的问题被提上议事日程。

自1988年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)成立以来,该组织发布的各类研究成果为人类活动因素是导致气候变化的主因问题提供了越来越多的科学证据。

IPCC在2001年发布的第三次评估报告中提出,全球气候变化“可能”由人类活动排放的温室气体引起,在2007年和2014年发布的第四次和第五次评估报告中,将这一描述分别调整为“很可能”和“极有可能”。

2021年IPCC第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021:自然科学基础》中,以“毋庸置疑”的肯定语气,指出气候变化是由人类活动引起。

事实上,温室气体的存在所产生的温室效应是地球上人类生存的重要生态条件之一,如果没有温室效应,地球表面的平均温度将是-18℃而不是现在的15℃。但在人类活动造成的碳排放量持续增长的情况下,温室效应正演变为日益严重的气候风险,给人类生存的地球家园带来威胁。

随着1992年《联合国气候变化框架公约》、1997年《京都议定书》以及2015年《巴黎协定》等国际性公约和文件的出台,全球应对气候变化的步伐不断向前迈进。

特别是《巴黎协定》确立了到本世纪末全球温升幅度较工业化前水平控制在2℃以内并努力控制在1.5℃以内的目标,为全球应对气候变化描绘了愿景,也推动了各国开展碳中和行动。截至目前,超过140个国家/地区已提出或正在考虑提出碳中和目标,覆盖全球90%以上排放份额。

但从近年的全球碳排放量来看,据IPCC第六次评估报告第三工作组报告,全球2010—2019年均排放量创历史新高,2019年温室气体人为排放为527亿~656亿吨CO₂当量。如果继续保持现有排放水平,要将本世纪末的温升目标控制在1.5℃或2℃,全球剩余碳预算分别仅为5000亿吨和11500亿吨CO₂,将大约分别在10年和20年被耗尽。

根据2021年《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会(COP26)前各国提交的国家自主贡献(NDC)估算,到本世纪末全球温升将达到2.1℃~3.4℃。

二、构建我国碳中和技术体系的思路与方案

科学技术在支撑我国碳中和目标实现进程中的作用十分关键。需要立足国情、统筹谋划、精心设计,从当前碳排放现状分析入手,紧密结合碳减排技术需求,提出构建我国碳中和技术体系的思路与方案。

一是从供给侧和消费侧的角度,科学分析碳排放的现状特征。目前,我国温室气体年净排放总量全球第一,而且我国仍处于经济社会发展的上升期,碳排放总量和强度“双高”的情况仍将持续。温室气体排放总量以及能源活动和工业过程二氧化碳排放强度等都面临很大挑战,不仅需要从能源供给侧向新能源等方向主动调整,而且需要消费侧向电气化、低碳燃料等方向积极响应。

二是根据低碳、零碳、负碳技术不同特点,确定碳中和技术路径。节能增效等低碳技术一直是我国应对气候变化的重要举措,在实现碳中和过程中将继续发挥作用。但仅依靠低碳技术不足以支撑碳中和目标的实现,可再生能源发电及核电等零碳电力技术,以及氢能、氨能等零碳非电能源技术的需求将明显增强,成为未来我国碳中和技术体系的重点部署方向。此外,为实现钢铁、水泥等难减排行业深度脱碳,还需要将碳捕集利用与封存(CCUS)、碳汇与负排放技术纳入碳中和技术体系,形成碳中和目标实现的托底保障。

三是重视复杂性问题的系统解决方案,强化技术体系的协同增效。碳中和目标的实现是一项系统性工程,涉及电力、工业、建筑、交通等领域的各种低碳、零碳和负碳技术,共同构成了一个多维的复杂系统。为此需要从区域差异性、行业多元性、领域多样性考虑碳中和技术推广应用的不同场景,加强技术的集成耦合和系统优化,最大限度挖掘相应技术的减排潜力,统筹温室气体与污染物减排,实现“1+1>2”的协同效应。

三、八大类技术构建碳中和技术体系

根据上述思路,我们提出了由八大类技术构建的碳中和技术体系:节能提效低碳技术,零碳电力能源技术,零碳非电能源技术,燃料/原料替代技术,CCUS技术,碳汇技术,集成耦合与优化技术,非二氧化碳温室气体消减技术。

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每一类又可进一步分为子类、亚类、单一技术,不同技术既自成系统又相辅相成,共同构成覆盖全面、互为补充的技术体系,共同支撑碳中和目标实现。这个体系涉及的技术种类及其分支既有共性也有各自的特点,在部署中对科学研究、技术研发以及示范应用方面需要分类考虑。

一是考虑到零碳能源类技术当前发展方向较为明确,未来重点应注重提高效率和降低成本。能源系统减排是碳中和目标实现的重点。从欧美日等发达国家和国际能源署(IEA)等权威机构发布的能源净零排放技术选择看,全球将以风电、光伏等为核心的零碳电力系统和以氢能为重点的零碳非电能源系统作为能源变革的主方向。鉴于可再生能源电力的间歇性和波动性等问题,需要建设储能电站等配套设施,导致零碳电力的总成本与传统火电相比仍不具备竞争力。

以零碳电力为基础的“绿氢”生产与传统以化石能源为基础的“灰氢”生产相比仍然成本高昂。为此,效率提高和成本下降成为全球零碳能源类技术发展的主要目标,如美国2021年宣布计划未来10年内将绿氢生产成本、电网规模的长时储能成本分别降低80%和90%,欧洲计划通过扩大规模快速将氢气成本降至1~2欧元/千克等。

未来应大力推动大功率风电机组、新一代高效低成本光伏、高效电解水制氢设备以及规模化储能、智能电网、虚拟电厂等技术研发,以降低成本并为促进商业化进程创造条件。

二是针对工艺流程再造和集成优化类技术当前多种路线并存的现状,支持多类技术同步探索,逐步优化技术流程。工业领域和消费端的深度减排,特别是钢铁、水泥、化工等难减排行业是全球实现碳中和的难点。各国在积极探索通过原料替代、生物化工、资源循环利用等技术措施为深度脱碳提供解决方案,如钢铁行业基于氢冶金的长流程高炉-转炉炼钢技术、生物炭冶金技术、全氧气高炉耦合CCUS技术、短流程电炉炼钢技术、钢铁与化工联合生产技术等都正在受到关注,欧盟、美国、日本、韩国都在同步开展相关技术研发与工程示范。

鉴于各技术路线对减排的贡献及可行性尚需要进一步明确,需要根据不同技术特征和服务对象分类施策,并行支持多类技术发展,强化不同技术单元集成耦合,使各类技术在特定场景下的组合实现最优减碳效果,逐步优化技术体系结构。

三是CCUS以及负排放技术等未来减排潜力可观但仍存在不确定性,应重视超前部署,做好技术战略储备。CCUS及其他负排放技术是碳中和技术体系中的重要组成部分,为实现经济社会系统最终碳中和发挥着托底保障作用。研究表明,未来全球碳中和目标的实现到2070年需要CCUS及直接空气捕集(DAC)等负排放技术累积贡献15%的减排量,我国碳中和目标实现需要CCUS技术到2060年贡献5亿~29亿吨/年的减排量。

近年来,全球CCUS技术创新活跃,DAC等负排放技术等受到欧美等发达国家的广泛关注,但当前CCUS技术和DAC等负排放技术成熟度尚有待进一步提升,技术成本较高,无法与其他低碳、零碳技术竞争,全球对CCUS及负排放技术还有许多讨论甚至争论。

虽然这类技术还存在不确定性,但是正因为这种不确定性我们更需要给予重视。科学技术发展史上颠覆性技术产生重大变革的例子不胜枚举,我们有理由期待在碳减排压力等因素的驱动下,CCUS以及碳移除等技术将会出现重大突破。


编辑丨王秋蓉

来源丨《可持续发展经济导刊》2022年9-10期

文章关键词: 可持续发展
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