中國實現(xiàn)碳再平衡三大路徑

碳平衡理論揭示了碳循環(huán)的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律，指明了解決氣候問題的正確方向和路徑。

碳循環(huán)的自平衡可稱作為“自然碳平衡”——這是農(nóng)業(yè)社會對應的碳循環(huán)基礎。

工業(yè)革命以來，大量耗用碳基燃料煤炭石油天然氣作能源，再加上大規(guī)模生產(chǎn)水泥煅燒碳酸鈣石灰石，產(chǎn)生大量的二氧化碳排放，這個由地面碳物質(zhì)的消耗造成的且沒有對應的逆過程的碳排放可稱作為“不可逆碳排放”。因為沒有足以平衡之的人為措施，使得大氣中二氧化碳濃度上升引起全球氣候上升。把不可逆碳排放造成的二氧化碳濃度上升稱作為“碳不平衡”——這是工業(yè)社會對應的碳循環(huán)基礎。

氣候變暖將危及整個生物圈，因此必須找出抑制這種不可逆碳排放的措施，使碳循環(huán)再次回到平衡狀態(tài)——這就是“碳再平衡”。這將是后工業(yè)社會對應的碳循環(huán)基礎。

依據(jù)碳平衡理論揭示的規(guī)律，要抓對矛盾，抓主要矛盾。所以，要實現(xiàn)碳再平衡，要循著以下三大途徑：

路徑一：用不產(chǎn)生碳排放的新能源替代。

一是通過核電等新能源多元化電力結構替代煤電。

現(xiàn)在能源利用方式基本上都是電力。我國是煤電大國，無論裝機設備容量還是發(fā)電量，煤炭發(fā)電都是大頭，占50%以上。

而因煤炭燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳排放占76%，煤電產(chǎn)生的碳排放量約在60%左右，是第一大不可逆碳排源。

所以減少和消除不可逆碳基燃料消耗帶來的不可逆碳排放，對煤電的替代是重中之重。

水電。我國總的水電資源總蘊藏量約為7億千瓦。目前建成運行的水電裝機約為3.7億千瓦，還有3億多千瓦可供開發(fā)。折合煤電產(chǎn)能當量約為2.3億千瓦。12.45億千瓦火電減去2.3億千瓦水電，還剩10.15億千瓦火電有待替代。可見水電替代能力有“天花板”，源于水能資源的蘊藏量。完成這個任務從時間上看，到2060年實現(xiàn)碳中和，新增3億千瓦裝機容量，靜態(tài)的情況下，復合年均增長率約為1.5%，應該是從容輕松達到的。

水電發(fā)展，主要是大型的可調(diào)庫容式水電站項目的建設和運營，關鍵是解決好“電調(diào)與水調(diào)”的矛盾，因此要把握好兩個原則：一是生態(tài)原則，即水電項目要最大限度保持所涉范圍內(nèi)的原有的水文狀態(tài)，水是生命的基礎，水文是人文的基礎。二是協(xié)調(diào)好電調(diào)與水調(diào)的矛盾，把水利調(diào)度放在電力調(diào)度優(yōu)先的位置。做到了這兩個主要點，基本上水電對環(huán)境和社會經(jīng)濟是有積極意義的。

光伏發(fā)電。如果剩下的約10億千瓦煤電產(chǎn)能一半即5億千瓦由光伏發(fā)電替代，按照光伏發(fā)電產(chǎn)能當量系數(shù)0.2計算，需新建發(fā)電設備總?cè)萘考s25億千瓦。按照每平方公里可建50兆瓦光伏電站計算，需要地面5萬平方公里。如果項目建設基地光伏電池板陣列利用比例為50%，項目占地范圍就會擴大1倍左右，需要10萬平方公里左右。對光能充足、土地廣袤、有至少一兩百萬平方公里沙漠戈壁的大西北，從理論上講，拿出幾十萬平方公里甚至于更多的沙漠戈壁荒山荒坡和鹽堿地來建設光伏電場，是做得到的。在中東部，城市農(nóng)村，除了電站式，還有分布式屋頂光伏發(fā)電，因為盈利模式帶來了從政策推動逐步轉(zhuǎn)變到市場推動為主，到處都發(fā)展得如火如荼，大有“全民總動員”的趨勢。所以僅完全依靠光伏發(fā)電替代煤電都是有可能的。

風電。我國風能資源豐富，主要分布在沿海、內(nèi)陸和大西北。內(nèi)陸山脈的山脊線風電場差不多被跑馬圈地占得差不多了，有潛力的一是西北沙漠戈壁，二是海上風電場。日前，在《生物多樣性公約》第十五次締約大會領導人峰會上，習近平主席提出“中國將持續(xù)推進產(chǎn)業(yè)結構和能源結構調(diào)整，大力發(fā)展可再生能源，在沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)加快規(guī)劃建設大型風電光伏基地項目”，風電光伏必將上新臺階。

核電。核電包含兩類：核裂變和核聚變。一是，現(xiàn)在的核裂變，用于核裂變的核材料現(xiàn)在普遍使用的是鈾。我國最近取得的科研進展，更安全，國內(nèi)蘊藏量更豐富而使之更有前景的釷熔鹽堆，在不久的未來可以逐步大規(guī)模商業(yè)運營。二是將來的核聚變，即“小太陽”，它為我們描繪了一個更令人期望的前景。雖然核電，最有可能成為替代煤電的主力地位，但從謹慎發(fā)展的原則上講，這個過程會走得比較長。

2020 年發(fā)電量和結構注：本表根據(jù)國家統(tǒng)計局2020 年國家統(tǒng)計公報和國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)（2021.1.20）制作。

展望來看，將來中國的電力結構，是一個以核電為主的多元化結構，包括核、水、風、光、生，以及一定規(guī)模的煤電。

二是煤等碳基燃料的用途由燃料而變成材料源頭。對于缺油多煤的資源稟賦結構，煤炭資源不能棄之不用。如果取其碳成為有機材料里的結構要素，即替代從石油里取碳生產(chǎn)石化產(chǎn)品如塑料和合成橡膠等高分子材料，理論和技術及其產(chǎn)業(yè)化等方面都行得通，即煤化工。碳被固定在工業(yè)產(chǎn)品里，不產(chǎn)生碳排放，還減少了對進口石油的依賴，也為煤炭資源區(qū)提供了經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的新動力和出路。習近平總書記在陜西榆林視察大型煤化工項目時指出“煤化工產(chǎn)業(yè)潛力巨大，大有前途”，為煤炭的出路指明了方向。

三是汽車等交通工具電動化。僅局限于碳再平衡而言，電動化是出于兩個目的或滿足兩個功能使命。一是以電驅(qū)動代替內(nèi)燃機燃燒汽柴油而不產(chǎn)生不可逆碳排放，我國現(xiàn)在每年燃油車產(chǎn)生的碳排放量在10億噸以上。二是從系統(tǒng)的角度講，電動車在新能源結構體系“源網(wǎng)荷儲”里，唯其四字全占：網(wǎng)——不需要另建一套網(wǎng)絡，直接接入和利用電網(wǎng)，且無須再次能源轉(zhuǎn)換過程;荷——是現(xiàn)有工民用電之外的一個最大用電負荷系統(tǒng)。根據(jù)公安部運輸管理局的統(tǒng)計，截至2021年6月，全國機動車保有量3.84億輛，刨除600萬輛新能源車，粗略估算，若全部以電動車取代燃油車，總共起來，每天可以消納的電量相當于現(xiàn)有總耗電量的40%，即45億千瓦時;儲——它能從電網(wǎng)大量消納儲存電能，并可向電網(wǎng)釋放電能，削峰填谷。

另外來源于生物質(zhì)能即燃料乙醇的內(nèi)燃機動力交通工具，以及醇電混合動力車，它們產(chǎn)生的是可逆碳排放不影響碳平衡，所以將來也有可能占有一定地位。

20年內(nèi)全部替代燃油車，年均替代速度是20%;40年內(nèi)替代，年均替代速度是9.58%。從現(xiàn)在電動車年均產(chǎn)銷增速20%以上看，上述替代進程是完全可以達到的。

路徑二：階段性打破自然碳平衡，使階段內(nèi)碳的下行即碳固定大于碳的上行即碳排放，以此為不可逆碳排放騰出空間和贏得時間。措施是通過工程生物固碳儲能，重點是依靠大規(guī)模植樹造林。

把工程生物固碳儲能，重點是大規(guī)模植樹造林。作為碳再平衡發(fā)展戰(zhàn)略五大重點之一，其目的是讓其完成兩大功能使命：一是替代，即以生物質(zhì)能和材料替代碳基物質(zhì)（碳基燃料和碳酸鈣）的消耗而減少不可逆碳排放，二是為不可逆碳排放騰出空間贏得時間。

在這里，生物固碳儲能是主體，工程是輔助手段。運用大規(guī)模工程手段，即利用大量富余的新能源電力取水和生產(chǎn)氮肥（如高壓電離空氣中的氮氣）鉀肥，以及選育速生樹種，重點是在大西北進行大規(guī)模植樹造林，發(fā)揮樹木的體大壽長的生物學特性，來達到這些目的：一是可以大規(guī)模固碳——以大規(guī)模碳長周期固定于林木，而使得在一定時期內(nèi)二氧化碳下行大于上行，為不可逆碳排放騰出一定量的碳排放空間;二是可以大規(guī)模且周期長短可選地儲能;三是提供大規(guī)模的生物材料，如木材;四是即使對其生物質(zhì)能利用會產(chǎn)生碳排放，如生產(chǎn)的燃料乙醇用作汽車的動力，雖也產(chǎn)生碳排放，但因其是可逆碳排放，屬于自然碳平衡范疇;五是改善局域生態(tài)環(huán)境。

三管齊下完成平衡不可逆碳排放實現(xiàn)碳再平衡的終極任務

所以，工程生物固碳儲能，既不同于工程固碳或儲能，能量轉(zhuǎn)換過程中有很大能量損失能效極低，又不同于自然的生物固碳土地生產(chǎn)力低。能夠以現(xiàn)代工程手段，最大限度地發(fā)揮植物光合作用的固碳儲能的自然之力，耗費一定的富余電力而獲得數(shù)倍的生物學物質(zhì)和能量，從而產(chǎn)生能量倍增效應。

路徑三：剩下的不可避免存在的不可逆碳排放用不可逆碳固定予以平衡，最終達到碳再平衡。

發(fā)展不可逆碳固定技術及其產(chǎn)業(yè)化。無論采取什么手段，不可逆碳排放總是有一定規(guī)模的存在，如水泥生產(chǎn)工藝中一個關鍵就是必須煅燒石灰石即碳酸鈣來生產(chǎn)熟料。中國目前的水泥產(chǎn)量是24億噸，經(jīng)驗數(shù)據(jù)是1噸水泥產(chǎn)量產(chǎn)生1噸二氧化碳排放。由此產(chǎn)生的20多億噸且逐年增長的碳排放不是小數(shù)目。此外還有冶金，我國10億噸以上的鋼鐵加上1億噸左右的有色金屬冶煉，以噸鋼噸焦炭（包括熔劑碳酸鈣）計算也要產(chǎn)生30多億噸的碳排放。盡管廢鋼鐵再次回爐可以少用焦炭，鐵的氧化總是會讓鋼鐵存量減少的，加上鋼鐵需求量的增加，所以每年總是要新增鐵礦石冶煉。人們還想出用氫作為還原劑，用電解的辦法還原鐵金屬。這些原理上都沒有問題，但要考慮在市場中有沒有競爭力？

如果我們對這些難以消除的不可逆碳排放，不是糾結于“堵”，而是在“疏”上找出路，且以經(jīng)濟的方式實現(xiàn)，那就是面對不可逆碳排放的繼續(xù)存在找到平衡它的手段——與碳排放即碳元素氧化相反的路徑就是碳元素的還原即碳固定——不可逆碳固定！原理上，肯定沒有問題，已經(jīng)存在的實踐也已證明工藝和經(jīng)濟性都有產(chǎn)業(yè)化前景。假以時日，各種可以產(chǎn)生高附加值的不可逆碳固定技術發(fā)展成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)，那么鍋爐里排放出的二氧化碳就不是負債而成了資產(chǎn)，捕集就成了“挖礦”，變廢為寶。如此一來，一定規(guī)模的煤電，也都有了繼續(xù)存在的理由。

作者簡介：張利寧，畢業(yè)于中國社會科學院研究生院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟系，先后供職于國家財政部、社科院農(nóng)村發(fā)展研究所、華能集團、清華大學中國與世界經(jīng)濟研究中心。