碳中和背景、路徑及源于自然的碳中和熱能解決方案

李揚，王赫陽，王永真，趙軍*

（1.天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津300350；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

0 引言

自工業化以來，人類大量使用煤炭、石油等化石能源，同時大量排放CO2、甲烷、N2O、高全球變暖潛能值（GWP）制冷劑等溫室氣體，使地球大氣中的溫室氣體體積分數不斷增加，導致全球平均溫度不斷上升，即全球變暖。根據世界氣象組織發布的報告［1］，2011—2020 年是有記錄以來最熱的10 年，2020年全球平均氣溫約為14.9 ℃，比工業化前水平（1850—1900 年平均值）高出（1.2±0.1）℃。近年來，颶風、熱浪、干旱、洪水等全球極端天氣事件頻發，盡管上述事件與全球變暖的相關性還需進一步科學驗證，但聯合國、政府間氣候變化專門委員會（IPCC）等多個機構的專家均認為二者有直接關系。目前，世界上絕大多數主要國家均制定了碳中和目標及相關政策。2020 年9 月22 日，中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上莊嚴宣布了中國的“雙碳”目標，即我國CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。

在此背景下，本文介紹了全球變暖成因及嚴峻形勢的科學共識，梳理了碳中和的主要技術途徑及具體技術減碳潛力，并基于不同視角進行了計算與分析，提出了源于自然的碳中和熱能解決方案這一概念，以地下儲熱為例分析了其應用潛力。

1 2 ℃溫控目標任務艱巨

1.1 CO2對全球變暖影響的科學共識

美國學者查理斯·大衛·科林是最早研究大氣中CO2體積分數對全球氣候影響的科學家之一，其領導的團隊觀測并繪制了著名的科林曲線（Keeling Curve）［2］，記錄了1958 年至今的大氣中CO2體積分數的變化，如圖1所示。

圖1 1958—2021年大氣中CO2體積分數變化Fig.1 Atmospheric CO2 concentrations from 1958 to 2021

從圖1 雖然可以看出CO2體積分數的加速上升趨勢，但由于該曲線的測量持續時間較短，有部分學者懷疑其與全球平均溫度升高的實際相關性，而在南極冰蓋下保存良好的冰層樣本則為研究古代長時間尺度下的氣候變化特性提供了可能。圖2為通過測量南極EPICA Dome C 冰芯得到的近80 萬年地球氣溫［3］和大氣中CO2體積分數［4］的關系曲線，可以看出二者具有非常顯著的相似性。

圖2 近80萬年地球氣溫與大氣中CO2體積分數變化Fig.2 Temperatures and atmospheric CO2 concentrations in the past 800 000 years

為了更好地評估氣候變化相關的科學認知現狀，世界氣象組織及聯合國環境規劃署在1988年聯合建立了IPCC。IPCC 至今已發布了5 次綜合報告，在歷次報告中，人類活動對全球變暖影響的確定性不斷增強，見表1。值得注意的是，第6 次評估報告中的第1 工作組報告《氣候變化2021：自然科學基礎》已于2021 年8 月9 日發布，其中首次使用了“毫無疑問”（Unequivocal）這個詞來描述人類活動對氣候變化影響的確定性。

表1 IPCC歷次報告中關于人類活動對全球變暖影響確定性的結論Tab.1 Definitive conclusions on the impact of human activities on global warming in IPCC reports

1.2 嚴峻的減排形勢：2 ℃目標難以實現

盡管絕大多數主要國家都已認識到人類活動對全球變暖等氣候變化的影響，并制定了相關減排政策和目標，但包含聯合國報告、Nature及其子刊在內的多項研究指出，即使當前各國的減排政策都按計劃實施，也很難實現《巴黎協定》中“把全球平均氣溫升幅控制在工業化前水平以上低于2 ℃之內”的目標。

Rogelj 等［5］于2016 年在Nature 刊文指出，即使所有國家的國家自主貢獻（NDC）都實現且之后保持減排速度，2100 年全球平均溫升也只有50%的可能控制在2.7 ℃以內。Raftery 等［6］于2017 年在Nature Climate Change刊文指出，基于已有效果的減排政策進行計算，2100 年全球平均溫升可能范圍是2.0～4.9 ℃，中值為3.2 ℃，只有5%的可能控制在2.0 ℃以內。聯合國環境規劃署于2020年發表報告指出：即使所有NDC 都實現，2100 年全球平均溫升也只有66%的可能控制在3.0 ℃以內；而如果延續當前減排政策，則該溫升會提高到3.5 ℃［7］。

事實上，即使全球平均溫升控制在2 ℃，也會對生態產生顯著的惡劣影響，因此《巴黎協定》中還要求“努力將氣溫升幅限制在工業化前水平以上1.5 ℃之內”。IPCC 于2019 年發布了《全球升溫1.5 ℃》特別報告，對比了全球溫升2 ℃和1.5 ℃對人類及生態的影響，部分數據見表2。

表2 全球溫升1.5 ℃與2 ℃對人類和生態的影響Tab.2 Influence of 1.5 ℃and 2 ℃temperature rise on human and ecosystem

2 我國實現碳中和的難度分析

2.1 我國與其他主要國家/地區CO2排放對比

圖3 為2019 年世界211 個國家/地區的CO2排放情況，圖中數據來自牛津大學數據庫［8］。從CO2排放總量角度看，中國為世界第1，其總量超過美國和歐盟的總和；從人均CO2排放角度看，中國目前已超過世界人均線，但與美加澳等部分發達國家相比仍有不小的差距；從近10 年CO2排放年均增長速度角度看，對于美日英法德意澳等已經實現碳達峰的發達國家，其CO2排放量逐年下降，而中國、巴西、印度等發展中國家目前仍然處于CO2排放正增長的階段。

圖3 中國與其他國家/地區CO2排放情況Fig.3 CO2 emissions of China and other countries/regions

2.2 我國參與氣候變化治理國際行動里程碑

在上述背景下，我國積極參與氣候變化治理的各項國際行動，1988 年IPCC 成立時，時任世界氣象組織主席的原國家氣象局局長鄒競蒙就推動了其創建；1998 年，中國簽署了《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》，人類首次以法規形式限制溫室氣體排放；2009 年，時任國務院總理溫家寶在哥本哈根氣候大會上承諾，我國2020年單位國內生產總值（GDP）的CO2排放比2005 年下降40%～45%，該目標已提前3年完成；2016年，時任國務院副總理張高麗作為習近平主席特使在巴黎氣候大會上簽署了《巴黎協定》并做出了包括2030 年前后實現碳達峰等四大承諾；2020年9月，國家主席習近平在聯合國大會上做出了“雙碳”目標的承諾；同年12 月，國家主席習近平在氣候雄心峰會宣布我國將進一步提高NDC 力度，提出到2030 年，中國單位GDP 的CO2排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60 億m3，風電、太陽能發電總裝機容量將達到1 200 GW以上。

2.3 我國與其他國家/地區“雙碳”目標對比

目前全球已有30多個國家制訂了碳中和目標，圖4為各典型國家/地區碳達峰及碳中和/凈零排放年份（碳達峰年份來自牛津大學數據庫［8］，碳中和/凈零排放年份參考公開報道［9］），可以看出雖然我國承諾的碳中和年份相對最晚，但從碳達峰到碳中和的時間卻顯著短于其他國家，尤其是英法德等早已自然達峰的老牌資本主義國家，體現了大國的責任與擔當。

圖4 中國與其他典型國家/地區碳達峰、碳中和/凈零排放年份對比Fig.4 Comparison of the years of CO2 peak emissions and carbon neutrality/net zero emissions between China and other typical countries/regions

值得注意的是，“雙碳”目標提出時，尚未明確碳中和是針對CO2還是指針對所有溫室氣體的凈零排放。根據IPCC 官方術語定義［10］，碳中和（Carbon Neutrality）是指“在規定時期內人為CO2移除在全球范圍抵消人為CO2排放”，而凈零排放（Net Zero Emissions）是指“規定時期內人為移除抵消排入大氣的溫室氣體人為排放量”。

2021 年7 月，中國氣候變化事務特使解振華首次明確了我國的碳中和目標是針對所有溫室氣體［11］。由于全球變暖實際上是受CO2、甲烷、氫氟碳化物等所有溫室氣體的共同影響，因此我國將2060年的目標明確為溫室氣體凈零排放，不僅是控制全球變暖的應有之義，也彰顯了我國承擔減排責任、推動構建人類命運共同體的決心。

2.4 我國與GDP前10國家CO2排放強度對比

圖5 為我國和其他GDP 總量（以美元計）前10國家CO2排放強度的對比，數據來自世界資源研究所［12］?？梢钥闯?，我國在1990 年的CO2排放強度顯著高于其他國家，之后便迅速下降，2018 年已低于印度，1990—2018 年的年均下降比例達到6.8%，為10 個國家中最高。我國1990—2018 年的GDP 年均增長速度達9.6%［13］，說明我國在取得巨大經濟發展成就的同時顯著降低了CO2排放強度，這在世界范圍內是絕無僅有的、了不起的成就；另一方面，在已有碳中和目標的9 個國家中，我國實現碳中和所需的CO2排放強度下降速度也是最高的，減排任務十分艱巨。

圖5 中國與其他GDP總量前10國家CO2排放強度對比Fig.5 Comparison of CO2 emission intensities between China and other nine top 10 countries by GDP

3 碳中和主要路徑

3.1 碳中和技術路徑

目前，碳中和的技術路徑主要分為以下4類：碳替代、碳減排、碳循環、碳封存。

（1）碳替代。主要是采用零碳能源替代傳統化石能源：通過光伏、風電等替代燃煤發電；通過地熱、光熱、空氣能等替代燃煤、燃氣供暖；通過可再生能源制氫/甲醇等替代化石燃料。

（2）碳減排。主要通過節能和減排技術提高能源的綜合利用率：通過優化工藝及提高能效避免能源浪費或降低能耗；采用新型低碳排放工藝實現工業過程的余能回收；通過互聯互濟提高能源的利用率等。

（3）碳循環。主要包括人工固碳和生態固碳：人工固碳包括CO2制甲醇、CO 等；生態固碳包括森林固碳、草原固碳、湖泊固碳、綠地濕地固碳、堿性土壤固碳等。

（4）碳封存。主要包括將CO2封存在地下油氣層、深部咸水層、廢棄煤礦、深海海底等。

3.2 76種具體碳中和技術及分視角討論

Project Drawdown 是一個致力于提供氣候變化解決方案的國際性非營利組織，其編寫的圖書Drawdown被評為《紐約時報》暢銷書，曾被Science等權威期刊引用。該組織針對數十種碳中和技術研究了不同情景下的減排潛力并在不斷更新與擴充［14］，表3 列舉了76 種碳中和技術在“21 世紀內溫升控制在2 ℃以內”這一情景下的減排潛力，并按照碳中和路徑、技術進步或行為改變、是否與自然相關、是否與熱能相關4個視角進行了分類與討論。

表3 2020—2050年76種碳中和技術年均減碳潛力［14］Tab.3 76 carbon neutrality technologies and their annual average CO2 reduction potential from 2020 to 2050［14］

3.2.1 按碳中和路徑分類視角

經計算，76種碳中和技術中：碳替代類共14項，合計年均減碳潛力為7.3 Gt CO2e，占比21.9%；碳減排類共34項，合計年均減碳潛力為13.8 Gt CO2e，占比41.6%；碳循環類共28 項，合計年均減碳潛力為12.1 Gt CO2e，占比36.5%。計算結果表明，碳減排相關技術的減碳潛力最大，雖然采用光伏、風電等碳替代技術同樣十分重要，但應建立在充分節能降耗的前提下，這也佐證了杜祥琬院士［15］、謝克昌院士［16］等專家將節能提效作為碳中和首要路徑的觀點。

3.2.2 按技術進步或行為改變視角

技術進步類技術指主要依靠科技創新、研發新技術來實現減碳，該類技術共51 項，合計年均減碳潛力為15.8 Gt CO2e，占比47.5%。該類技術中以碳替代技術為主，合計年均減碳潛力在該類中占比46.2%。值得注意的是，與制冷劑相關的制冷劑替代與制冷劑管理合計年均減碳潛力達3.4 Gt CO2e，若合并為一項技術則在所有技術中排名第一。我國政府已充分認識到制冷劑相關技術對實現“雙碳”目標的重要性，積極參與包括簽訂《基加利修正案》在內的各項國際行動，并已開展制冷劑替代、回收、跟蹤等方面的研究工作［17］。

行為改變類技術指主要依賴個人或決策者改變行為方式來實現減碳，該類技術雖然數量不足技術進步類的一半，僅有25 項，但其年均減碳潛力在該類中占比達52.5%，表明行為改變可比技術進步實現更好的減碳效果。

當然，上述討論并非要在技術進步和行為改變間厚此薄彼，二者各有其優勢及挑戰。技術進步類的優勢在于便于集中科研力量攻克重點難題，且相關從業人員對碳中和的共識高、政策規劃易于落實。最典型的例子就是我國在新能源發電方面取得的巨大成就［18］：截至2020 年年底，我國太陽能及風能發電裝機容量達530 GW，占全國總裝機容量的24.3%，裝機容量連續3 年位居世界第一，是排名第二的美國2倍以上；此外，棄風棄光問題得到明顯改善，2020 年全國光伏及風電平均利用率分別達98%和97%。

先進技術大規模應用的不確定性會帶來一些新問題和新挑戰，高比例可再生能源電力系統安全事故多發就是一個典型問題，見表4。因此，我國提出的以新能源為主體的新型電力系統的構建也是以系統彈性和韌性為約束的。

表4 世界近年來高比例可再生能源電力系統安全事故Tab.4 Recent safety accidents of power systems with high-proportion renewable energy in the world

行為改變類的優勢在于人口基數大，總減碳潛力高以及單一行為復雜度低、不確定性小。以減碳潛力最高的減少食物浪費為例，據統計目前全世界溫室氣體排放中有34%與食物系統相關［19］，而供應鏈或消費者側浪費造成的排放約占全世界溫室氣體排放的6.2%［20］。若按2018 年全世界溫室氣體排放總量48.9 億t CO2e［12］計算，食物浪費導致的溫室氣體排放約30.3 億t CO2e，相當于世界第5 大排放國。

另一方面，由于個體間經濟情況、教育背景等存在較大差距，如何提高全社會對“雙碳”目標重要性的共識是一大挑戰。如法國“黃背心”運動持續近1 年，其導火索即為政府為控制碳排放而計劃提高燃油稅；BP、殼牌等五大石油公司每年花費超2億美元用來游說政府，以控制、延遲或阻礙氣候政策［21］；特朗普政府退出《巴黎協定》，其支持者中有30%不相信全球變暖［22］。

3.2.3 按自然相關技術視角

經計算，與自然密切相關的技術共35 項，總減碳潛力為15.3 Gt CO2e，占比達45.9%。根據世界自然保護聯盟（IUCN）的定義［23］，與自然相關的技術中包括基于自然的（Nature-based）和源于自然的（Nature Derived）。其中基于自然的解決方案通過對自然或人工生態系統的保護、修復和可持續管理來減緩氣候變化［24］。具體技術包括熱帶森林恢復、林牧一體、泥炭地保護與恢復等共25 項，總減碳潛力在該類中占比65.0%。源于自然的解決方案指通過源于自然的方案來滿足低碳需求，但這些方案并不直接基于生態系統，而是對其實現轉換利用。如對太陽能、地熱能、風能、海洋能等的利用等［23］，具體技術包括陸上風電、大規模光伏、地熱能利用等共10項，總減碳潛力在該類中占比35.0%。

3.2.4 按熱能相關技術視角

經計算，與熱能密切相關的技術共26 項，總減碳潛力為11.8 Gt CO2e，占比達35.5%。該類技術可細分為可再生熱能利用、提高供能系統及交通系統能源利用效率、優化制冷劑、清潔炊事以及減少散熱損失等。

4 源于自然的碳中和熱能解決方案

4.1 自然在碳循環中的重要作用

雖然人類活動是全球變暖的主要原因，但在地球碳循環中，人類活動與大氣間的碳通量（Carbon Flux）實際上遠低于自然界間的碳通量。據統計［25］，大氣與森林及土壤間的碳通量約為120.0 Gt/a，與海洋間的碳通量約為90.0 Gt/a，而相比之下人類向大氣排放的碳通量僅為5.5 Gt/a。

圖6 為美國航空航天局（NASA）模擬的全球2006 年4 月1 日和8 月1 日CO2體積分數分布［26］（顏色越接近紫色說明CO2體積分數越高）。由圖6 可以看出，4 月北半球CO2體積分數很高，而到8 月北半球植物勃發后，CO2體積分數顯著下降，體現了自然在碳循環中的重要作用。

圖6 NASA模擬制作的全年全球CO2體積分數分布Fig.6 Annual global CO2 concentration distribution simulated by NASA

4.2 我國豐富的自然熱能資源

我國的自然熱能資源十分豐富，包括地熱能、太陽能、海洋熱能等，每年可利用量在我國中低溫熱能中占比超過99%［27］。

對于地熱能，我國地級及以上城市淺層地熱能年可利用量約7 億t標準煤，水熱型地熱能年可利用量約19 億t 標準煤，二者合計總量超過當前我國集中供暖能耗［13］的19 倍。作為淺層地熱能的最主要利用形式，地源熱泵在我國發展迅速，截至2019 年全國地源熱泵供能面積已達8.41 億m2［28］，連續多年位居世界第一，近5 年的年均增長率超過20%。將地源熱泵已供面積［29］與可供面積［30］相除，則可得到各省級行政區淺層地熱能利用率。經計算，我國2015 年淺層地熱能平均利用率僅為0.5%，利用率最高的河北省不足3.0%，尚有巨大的發展潛力。若全部開發利用，每年可減少CO2排放9.32 億t［30］。

對于太陽能，我國陸地每年接收的太陽能輻射總量約為1.8 萬億t 標準煤［31］，相當于2019 年我國全國能耗［13］的370.9倍。我國不僅在光伏裝機容量方面連續多年世界第一［32］，在太陽能熱利用方面也取得了巨大的發展。目前，我國太陽能熱水利用規模已遠超世界其他國家，截至2020年年底裝機容量約364.4 GWth，占全世界總量的72.7%，比排名第二的土耳其高出18 倍以上［32］。在聚焦式光熱發電方面，我國近年來也取得了很大進步，截至2020 年年底，裝機容量達520 MWe，排名世界第三［32］，但與我國太陽能資源量相比，當前已利用量可以忽略不計，開發潛力巨大。

對于海洋熱能，我國近海及毗鄰海域的溫差能合計約520 Gt 標準煤，其中南海、東海、黃海的資源量分別占比85.4%，13.7%，0.9%［33］。雖然海洋溫差能品位和利用效率較低，當前我國還沒有商業化的海洋溫差能利用項目，但由于其儲量大，對于一些特殊場景仍有一定的應用潛力。

綜上所述，自然在碳循環中具有十分重要的作用，而我國具有豐富的自然熱能資源，若將二者有機結合，形成源于自然的碳中和熱能解決方案，可為實現“雙碳”目標做出特殊貢獻。

4.3 方案示例：利用自然進行儲熱

在未來高比例新能源電力系統（即新型電力系統）大規模應用的情景下，由于光伏和風電年利用小時數低（如圖7所示），假設不考慮儲能、靈活性電源以及需求側響應等資源，新型電力系統的裝機容量需數倍于需求側負荷［34-35］。因此，受新能源波動性、間歇性、反調峰特性的影響，未來電網的安全運行及經濟調度將受到極大考驗，新能源發電波動對應的功率可能相當于整個負荷總量，而大規模、多元化的儲能則成為新型電力系統必要的支撐之一［36-37］。

圖7 中國光伏、風電及用電負荷典型年利用小時數Fig.7 Typical annual utilization hours of photovoltaic，wind power and electrical load in China

儲能技術主要可分為物理儲電、化學儲電、儲熱等，而當前非熱儲能技術仍存在較多問題。

（1）續航較短。當前儲能續航時間普遍為2～8 h，難以應對連日不利氣象條件導致的長時間用電缺口。如新疆電網曾出現風電平均出力連續4 d 不足裝機容量10%的情況［34］。

（2）安全性仍有待提高。近年來國內外安全事故時有發生，如2021 年4 月北京大紅門儲能電站著火爆炸，導致2名消防員犧牲，系統中包含25 MW·h鋰電儲能；2021 年8 月北京順義區發生飛輪儲能試驗系統事故，造成3人遇難。

（3）成本較高。1 kW·h 儲電成本是儲熱的10～30 倍［38］，而能量衰減、報廢處理等也對成本造成了顯著影響。

儲熱技術可扮演多個關鍵角色。

（1）對標熱能為主的終端需求。據統計，終端能源消費中有51%是熱能需求［32］，因此與采用電鍋爐等路徑相比，可采用可再生熱能→熱用戶的方式，以提高能源利用效率，降低能源損耗。

（2）提高光熱發電效果?？捎糜谄揭痔柲懿▌有?，提高聚焦式光熱發電系統的穩定性及能效水平，降低度電成本。

（3）可用于實現低成本卡諾電池?？ㄖZ電池也稱熱泵蓄電，其原理是在用電低谷時通過熱泵循環來存儲熱量和冷量，用電高峰時通過布雷頓循環等方式發電實現電網調峰。其初投資成本比常規鋰電池儲能低40%左右［39］。

根據麻省理工學院（MIT）發表在Joule 上的研究［40］，當能源系統中可再生能源占比達100%時，配套儲能系統的初投資必須降至20 美元/（kW·h）以下時才具備經濟性，而目前抽水蓄能、鋰電池、壓縮空氣儲能等常規儲能方式的初投資均高出其數倍。

在此背景下，若將儲熱與自然相結合，可進一步發揮儲熱低成本的顯著優勢，如利用或改造地下土壤等自然系統進行儲熱。表5為丹麥地下水池式跨季節儲熱案例統計［41］，該類技術的初投資成本可低至0.5 美元/（kW·h）以下。若將地下儲熱與卡諾電池技術相結合實現低成本的電網調峰，將具有非常顯著的經濟優勢。

表5 丹麥地下水池儲熱案例Tab.5 Underground heat-storage reservoirs in Denmark

5 結束語

本文首先介紹了CO2對全球變暖影響的科學共識及嚴峻的減排形勢，分析了我國CO2排放的歷史及現狀并與世界其他主要國家進行了對比。之后梳理了碳中和的主要路徑及具體技術方案并從不同視角進行了分析，分析結果表明：碳減排類技術比碳替代、碳循環類技術具有更大的減碳潛力；行為改變類技術的減碳潛力超過技術進步類；與自然和熱能相關技術的減碳潛力占比分別達到45.9%和35.5%。最后提出了源于自然的碳中和熱能解決方案，并以地下儲熱為例介紹了其應用潛力。

值得注意的是，上述減碳技術均非孤立存在，各技術間存在互動與集成優化的可能。如何突破體制機制壁壘，形成以自然熱能為主的多能耦合互補能源互聯網，實現1+1＞2 的效果，應被引起足夠的重視。