丁仲礼：中国碳中和路线框架.pdf

丁仲礼 张涛 高鸿钧 中国碳中和框架路线图研究 —— 学部咨询项目简介 应对气候变暖的国际行动 ➢ 欧盟 一些国家首倡 ， 2050年达到碳中和 ➢ 我国 于去年 9月承诺： 2030年碳达峰 ， 2060年碳中和 ➢ 美国 2021年 2月 19日 ， 重新加入 《 巴黎协定 》 ⚫ 目标： 2035年无碳发电 ， 2050年碳中和 （ 但对美国 ， 还得 “ 走着瞧 ” ） ➢ 全球 大部分国家正在制定 “ 碳中和 ” 目标 雄心勃勃但又极其艰难的战略目标 2 不同大国碳排放现状 ➢ 由于 没有 “ 天花板 ” ， 我国 2030年 达峰不 太难 ， 但有两种选择： 一是 把峰调高 ， 二是尽量压低峰高 。 出于 空气质量考虑 ， 无疑要追求 “ 选 择二 ” 。 因此 ， “ 达峰 ” 不需太多研究 ， 关键是研究如何 “ 中和 ” 。 ➢ 四 大类： ⚫ 达峰后的 下降 阶段 （ 美英法 ） ⚫ 排放 增长 阶段 （ 印度 ） ⚫ 进入 “ 平台期 ” （ 中国 ） ⚫ 尚未 “ 启动 ” （ 农业国 ） 3 美国 中国 英国 法国 印度 主要国家人均二氧化碳排放比较 人均累计碳排放（ 1900-2019） 单位：吨 CO2/人 消费端人均碳排放（ 2019） 单位：吨 CO2/人 生产端人均碳排放（ 2019） 单位：吨 CO2/人 7.28 4.83 5.53 16.10 4.75 0 10 20 中国 法国 英国 美国 全球 6.41 6.59 8.08 17.57 4.75 0 10 20 中国 法国 英国 美国 全球 157.39 516.92 920.33 1218.71 209.62 0 500 1000 1500 中国 法国 英国 美国 全球 注： 一个国家的发展程度同人均累计碳排放有密切关系 ：中国的人均碳排放量虽已超过 全球平均，但人均累计排放远不及，意味着我国 的 “碳中和” 更为困难。 4 碳中和的概念 简言之 ， 人为排放量 （ 化石燃料利用和土地利用 ） 被 人为努力 （ 木 材蓄积量 、 土壤有机碳 、 工程封存等 ） 和 自然过程 （ 海洋吸收 、 侵蚀 - 沉积过程的碳埋藏 、 碱性土壤的固碳等 ） 所吸收 ， 即 净零排放 。 碳 源 (401亿吨 CO2/年 ) 14% 化石燃料利用土地利用 86% 碳 汇 31%46% 23% 大气 海洋 陆地 5 碳固定过程举例 ➢ 碱性土壤 （ 分布在干旱半干旱区 ） 固碳主要是其富含钙离子 ， 在 CO2分压高的土 壤中 ， 钙离子溶解于土壤水 ， 向下迁移到分压低的下部时 ， 形成 CaCO3沉淀 ， 我 国干旱半干旱区中常见的钙板 、 钙结核 （ 料姜石 ） 即由此过程形成 。 与土壤有机 碳固定有个 “ 平衡 ” 问题不同 ， 此为永久固定 。 6 大气 CO2分压 400 ppm 硅酸盐风化产生的 Ca2+ CO2 + H2O HCO3− + H+ CO2分压下降 ， Ca2+ + 2HCO3− CaCO3 + CO2 + H2O 土壤内部 CO2分压高 降 水 钙板 钙结核（料姜石） 未来碳中和的主要途径 ➢ 预计：在人为排放逐渐下降背景下 ， 海洋碳吸收亦会相应降低 。 碱性土壤固碳和沉积固碳会继续起作用 。 “ 不得不排放的 CO2” 需通过生态建设 、 工程封存等去除 ， 以达中和 。 7碳中和：排放量 =自然过程吸收 +生态碳汇 （ 木材 、 土壤有机质 、 碳屑等 ） +工程封存 可理解为基数，不归哪家之功劳， 但此基数有多大？尚难预计 此为 “人为努力” 部分 不得不排放的 CO2 自然过程 木材蓄积 土壤固碳 工程封存等 学部咨询项目 ➢ 目标是 设计初步路线图 ， 可供研讨 、 修订 、 完善 ， 同时在如何落实 “ 路线图 ” 上 ， 提出 操作层面的建议 。 ➢ 设立 九个专题 。 下面重点介绍各专题研究的主要问题 ， 以及已有的初步认识 。 8 排放端 政策和法规推动 能源需求预测 非碳能源 发电 占比 消费端的电 、 氢等替代 生态建设与保护固碳端 CCUS： 技术与工程 技术需求清单 负 责 人： 江 亿 魏一鸣 主要参加人： 杨旭东 付 林 夏建军 胡 姗 张 洋 廖 华 唐葆君 梁巧梅 余碧莹 专题 1：未来能源消费总量预测 9 拟解决的核心问题 ➢不同时间节点 （ 面向 2060） ， 我国居民生活 、 工业 、 建筑 、 交通 等 重点领域的能源需求以及全社会能源总需求 。 ➢主要边界条件： 2035年 GDP翻番 ， 2060年再翻番； 生活水准 与相 应发展阶段相当； 产业结构 逐渐向中高端发展； 人口 变动 （ 少子 、 老龄化 ） 等 。 ➢建立预测模型 。 ➢预测常常不准 ， 希望提供 “ 高 、 中 、 低 ” 三种可供参考的预测 。 10 负 责 人： 孔 力 王一波 主要参加人： 庞中和 吕雪峰 申彦波 胡书举 裴 玮 唐西胜 饶建业 陈伟伟 詹 晶 等 专题 2：非碳能源占比阶段性提高途径 11 拟解决的核心问题 ➢根据碳中和要求以及能源需求预测 （ 分行业及总量 ） ， 主要在市场机 制作用下 ， 未来不同阶段应构建一个什么样 的 新型能 源 供应系统 ？ 即 如何逐步增加 非碳能源 （ 风 、 光 、 水 、 地热 、 核等 ） 占比 ？ ➢重点要回答 ， 西部丰富的风 、 光资源 ， 如何从 发电 、 储能 、 转化 、 输 电 、 消纳等环节协调发力 ， 得到有效充分利用 ？ 如何解决 风 、 光资源 时空分布 不平衡而保证稳定输出 问题 ？ 有哪些 基础设施建设 需求 ？ ➢为构建 “ 新型电力 系统或能源供应系统 ” 列出 技术需求清单 。 12 目前我国一次能源比例 ➢2019年我国能源总 消费 48.6亿 吨标准煤 ； ➢2019年我国能源利用总排放 98.26 亿吨 CO2。 ➢假如我们设定 2060年能源利用排放不超过 20到 25亿吨 CO2， 就需要以能 源需求为依据 ， 绘制出不同阶段能源结构调整路线图 ， 以及实现这个 路线图的技术组合和基础设施组合 。 一次能源消费 13 一些初步认识 ➢非碳能源占比提升不会是线性的 ， 并且主要由技术进步所驱动 。 ➢煤炭作为主力能源 ， 还会存在较长一段时期 ， 因此 煤炭清洁利用技术 的进步仍需十分重视 。 ➢先进裂变能 如能解决乏燃料 、 安全 、 内陆建厂及 群众心理问题 ， 可以 在碳中和上发挥重要作用 ， 我国不该追随某些 “ 弃核国家 ” 的脚步 。 ➢我国丰富的 风 、 光 、 地热资源 ， 尤其是西部的风 、 光资源 ， 是我们实 现碳中和的最大底气 ， 关键在 “ 稳定输出 ” 。 14 负 责 人： 张锁江 主要参加人： 谢在库 何鸣元 孙丽丽 韩布兴 徐春明 刘中民 王建国 郭占成 许光文 胡迁林 华 炜 齐 涛 李会泉 魏 伟 张香平 薛忠民 胡鸿飞 李鑫钢 程嘉猷 田志坚 俞红梅 等 专题 3：不可替代化石能源预测 15 拟解决的核心问题 碳中和的最重要途径是： 用非碳能源替代化石能源发电 、 制氢 ， 再用电力 、 氢气替代化石能源 应用于居民生活 、 交通 、 工业过程 、 建 筑 、 农业等领域 ， 从而 达到大幅度 CO2减排之目的 。 由此带来问题： ➢“ 电力替代 、 氢气替代 ” 由易到难 ， 能否 排个队 ？ ➢面向 2060年 ， “ 难以替代 ” 的领域有哪些 ？ 这些领域需要多少化石 能源消耗 ？ 将排放多少 CO2？ （ 作为固碳之最大目标 ） 16 一些初步看法 ➢居民生活 （ 烧饭 、 冷暖气等 ） ， 易用电力 、 地热 、 太阳能等替代 ， 难 处在投入与推动 。 ➢交通 大部分可电力替代 ， 大概只是时间问题 。 ➢农业 领域大部分可替代 。 ➢许多 工业 过程 ， 如冶金 、 化工 、 建材 、 矿山等用能大户 ， 电力替代的潜 力很大 ， 但需要研发新的技术体系 ， 同时 ， 其市场竞争力尚无法预测 。 ➢估计为克服 风 、 光能源不稳定问题 ， 如核能调峰能力较弱 ， 那还得有一 定数量火电或创新 “稳定输出体系 ”， 同时需解决储能和转化问题 。 ➢一些发达国家对 氢能 寄予了很大希望 ， 但怀疑声音也不小 ， 故需要深 入研究氢能应用体系问题 ， 以建议我国该搞什么样的 “ 氢能战略 ” 。 17 一些初步看法 18 目前 CO2 排放 98.26 亿吨 发电端 ~47% 消费端 ~53% 电力替代 氢能替代 地热替代等 增加非碳发 电占比到接 近无碳发电 构建“两端同时发力”体系 负 责 人： 刘中民 蔡 睿 咨询专家： 包信和 李建刚 詹文龙 李 灿 衣宝廉 韩布兴 徐春明 金红光 陈海生 编写专家： 化石能源燃烧与转化：王建国 吕清刚 化工领域：丁云杰 田志坚 叶 茂 刘应春 储能：李先锋 李 泓 氢能：邵志刚 俞红梅 非化石能源：王建强（核能） 吕雪峰 王 峰（生物能） 支撑体系：陈 伟（技术情报） 吕 正（能源模型） 专题 4：非碳能源技术研发迭代需求 19 拟解决的核心问题 （ 为技术研发进步列出清单和路线图 ） ➢“ 新型发电系统 ” 、 “ 电力替代 、 氢气替代 ” 的 技术体系 是什么 ？ 如何 实现和 工艺再造 ？ 研发此类技术的 可能路线图 ？ ➢在碳中和进程中 ， 化石能源的清洁高效利用 仍将在较长时期内处于核心 地位 ， 如何在推动其技术进步上持续发力 ？ ➢按 “ 三条主线 ” ， 描绘 国家低碳化能源新体系 ： ⚫ 化石能源清洁高效利用与耦合替代 ⚫ 可再生能源多能互补与规模应用 ⚫ 低碳化 、 智能化多能融合 20 同第二专题一起“收口” 排放端专题分布及关系 专题一： 未来能源消费总 量预测 专题二： 非碳能源占比 阶段性提高途径 专题三： 不可替代 化石能源预测 专题四： 非碳能源技术 研发迭代需求 能源需求 约束 技术研发 需求 技术研发 方案 21 负 责 人： 于贵瑞 主要参加人： 陈镜明 王绍强 袁文平 刘 毅 居为民 何洪林 王秋凤 陈 智 牛书丽 张扬建 何念鹏 高 扬 朱剑兴 逯 非 等 注：本项目仅考虑陆地和近海 ， 没考虑大洋 （ 其固碳过程难以人为调控 ） 专题 5：陆地生态系统固碳现状测算 22 拟解决的核心问题 ➢陆地生态系统各类碳 库的 现存储量格局 ⚫ 林 、 草 、 湿 、 农 、 内陆水体及河岸带生态系统的 碳储量及稳定性 ；地上植被 、 地下植被 、 土壤 、 凋落物碳库组分及其关系；生态系统 碳库容量及成因分析 。 ➢陆地生态系统 碳汇功能及速率 格局 ⚫ 各类生态系统固碳功能的时空格局；生态系统固碳速率估算的 不确定性 ； 碳汇 功能 、 稳定性以及可持续性 。 ➢不同 有机碳库 的平衡点 ➢碱性土壤的 碳酸钙累积速率及人为固碳可能性（此问题过去很少研究） 23 已有初步认识 （ 基于中科院 “ 碳收支 ” 项目 ） ➢中国陆地 表层系统 碳储量约为 95.15± 5.71 PgC（ 约 363.3亿吨 CO2） ， 碳储量及空间格局已经基本弄清 ， 但是对部分生态系统的碳库储量评 估仍然存在较大不确定性 ， 如湿地 、 内陆水体以及海岸带生态系统 。 ➢汇总不同评估方法的结果发现 ， 中国陆地固碳速率约为 10~40亿吨 CO2 /年 。 ➢主要森林固碳的峰值 有可能在 2060年前达到 。 ➢干旱 -半干旱区 土壤将有机碳转化为无机碳的速率 尚难估计 。 24 0 20 40 60 80 100 120 Piao, et al. Nature 遥感评估 Wang, et al. Nature Ju, et al Chen, et al, NC 1980-2000 清查 2010 遥感 2010-2016卫星及 碳同化系统 2010-2019 卫星及碳同化系统 2010-2019 模型 中国陆地生态系统固碳速率 （亿吨 CO2/年） 当前我国陆地生态系统碳汇抵消人为碳源 10%~40% 25 ✓中国陆地的碳储量 95.15± 5.71 PgC ✓森林生态系统碳储量占 38.9% 陆地碳储量空间分布 六个生态工程区的固碳速率 ✓六大生态工程区年固碳速率 132 Tg C ✓占全国总量 的 56% 中科院碳专项中有关陆地碳汇研究成果 26 负 责 人： 方精云 朱教君 主要参加人： 杨元合 唐志尧 王襄平 赵 霞 孙文娟 逯 非 王绪高 胡会峰 郭兆迪 黄 玫 朱剑霄 专题 6：陆地生态系统未来固碳潜力分析 27 拟解决的核心问题 ➢未来中国陆地及近海不同生态系统 固碳潜力 及 气候变化的影响 ➢国家 生态恢复 、 建设工程 的未来固碳潜力 （ 面状分布区 ） ➢新增造林 的固碳潜力 （ 如城镇种树等点状分布区 ） ➢其他人为措施 情景下的生态固碳潜力 （ 比如南水北调等 ） ➢未来陆地生态系统 增加碳汇的措施 （ 比如秸秆闷烧成碳屑等 ） 28 均需证明固碳作用的长期性 负 责 人： 李小春 邹才能 主要参加人： 潘松忻 魏伟 孙楠楠 高林 李 胜 魏宁 刘桂臻 刘胜男 专题 7：碳捕集利用封存技术评估 29 负排放技术路径 碳移除 /碳捕捉途径 形成的可利用产品 碳移除 /碳利用潜力（亿吨 CO 2/年） 成本（美元， 负值表示盈利） 二氧化碳制化学品 烟道气等来源 CO2 → 化学产品 甲醇 、 尿素和塑料等 0.1～ 0.3 / 3～ 6 -80 ～ 320 二氧化碳制燃料 烟道气等来源 CO2 → 燃料 ，催化氢化 甲醇 、 甲烷等 0 / 10～ 42 0 ～ 670 微藻的生产 CO2 → 微藻生物 水产养殖饲料等生物制品 0 / 2～ 9 230 ～ 920 混凝土碳捕集 烟道气等来源 CO2 → 水泥建筑物 、 混凝土 碳化的水泥 、 混凝土 1～ 14 -30 ～ 70 提高原油采收率 烟道气等来源 CO2 → 储油池 石油 1～ 18 -60 ～ 45 生物能源的碳捕捉 和储存 植物的生长 农作物 、 植物等 5～ 50 60 ～ 160 矿物碳化 CO2 → 粉状硅酸盐岩石 农作物利用形成生物质 20～ 40 少于 200 植树造林 森林的光合作用 森林 、 木材等 5～ 36 / 0.7～ 11 -40 ～ 10 土壤碳封存技术 CO2 → 土壤有机碳 农作物利用形成生物质 23～ 53 / 9～ 19 -90 ～ -20 生物炭 CO2 → 木炭 农作物利用形成生物质 3～ 20 / 1.7～ 10 -70 ～ -60 CCUS负排 放 技 术 全球实现碳中和的主要技术 （ 国际上称 “ 负排放技术 ” ） 根据 Hepburn et al., Nature 2019 30