從碳平衡的角度看低碳發展和可持續性

杜 雯 機械工業環保產業發展中心

一、引言

城市化給全球資源管理帶來了巨大的壓力。可持續的城市化正在成為一個巨大的挑戰，特別是對發展中國家[1]。中國正處于社會經濟轉型的關鍵階段，其城市化戰略一直是世界關注的焦點。如今，城市化和氣候變化是不可避免地聯系在一起的，它們是復雜的、多方面的、往往是微妙的雙向互動。自2001年全球碳計劃(GCP)啟動以來，碳循環與可持續性的關系一直是學術界關注的重要課題。GCP的目標是建立全球碳循環的完整圖景，包括自然和人為的二氧化碳來源，以及與氣候和人類活動的相互作用和聯系[2]。碳循環研究的關鍵問題包括碳排放和碳匯的時空格局、不同來源間的動態過程和機制以及碳管理策略。此外，碳足跡的概念最早是用來估計一個組織、事件、產品或個人造成的溫室氣體(GHG)排放總量。然后可以在國家或全球水平上建立一個集體碳足跡。碳循環主要強調碳排放和碳匯的動態變化，而碳足跡的概念通常是指絕對效應或影響。現有的碳循環研究主要集中在全球、國家或城市等大尺度上。全球陸地生態系統的碳交換在20世紀80年代基本達到平衡，到了90年代成為凈碳匯[3]。20世紀80年代和90年代中國陸地碳平衡，中國東北是大氣中二氧化碳的凈源，而中國南方占了碳匯的65%以上[4]。雖然全球碳平衡反映了整個世界的整體情況，但通過使用當地統計局的高分辨率數據和衛星圖像，地方碳循環可以提供詳細的證據。例如，可以更好地估計當地農田和沿街和河流散布的樹木的影響，而這在全球和國家碳預算中通常被忽視。

2015年在巴黎舉行的第21次締約方大會上，中國在國家自主貢獻計劃(INDC)中宣布，中國將在2030年或更早的時候達到碳排放總量的峰值[5]。在氣候變化背景下，碳排放約束加大，低碳發展與可持續發展密切相關。因此，有效的碳管理在創建一個可持續的社會中發揮著至關重要的作用，盡管我們仍然對地方層面的碳循環和代謝知之甚少，特別是在發展中地區。同時，缺乏從碳循環的角度來綜合評價歷史和現行政策對可持續發展的影響的綜合方法。計劃與實踐之間的差距也因缺乏系統的計劃績效評估方法而擴大。例如，低碳規劃和實踐之間的脫節往往會導致一種似是而非的發展，偏離最初的低碳目標。本研究探討了碳代謝與可持續性之間聯系的概念模型。旨在為地方決策者提供可持續性評價的碳平衡定量分析工具，為城市化進程中的時空優化提供參考。本研究還旨在進一步理解可持續發展的基本原理，為決策者實現可持續碳資源管理提供理論依據。

二、碳中和的發展現狀

2015年，城市人口占全球總人口的54%，預計將上升至全球人口的66%。可持續的城市化是實現低碳發展、提高全球可持續性的關鍵。碳循環在城市化地區社會經濟發展過程中發揮著重要作用，城市化地區既是環境變化的驅動者，也是環境變化的接受者。本研究探討了如何從碳循環的角度衡量局部可持續性，強調了碳匯的不可替代作用。

碳循環在全球、國家或城市層面已經有了很多研究。然而，由于數據的缺乏碳循環研究較少。在較小的尺度上，缺乏或缺乏與碳循環相關的數據是很常見的。因此，基于分析方法可以為數據的獲取提供有益的補充。此外，碳循環容易受到不同層次政策的影響，特別是對周邊地區依賴程度較高的地區。隨著人類活動對氣候變化的認識，碳封存能力已經成為一種獨特的資源。不同地區的碳排放與碳匯差距可能與環境影響的規模和強度在多個層面上存在關聯。因此，碳平衡是分析碳代謝與可持續發展關系的理想概念。碳平衡分析可以確定地方對氣候變化的貢獻，是將地方行動與全球影響聯系起來的有效工具。坦率地說，在小空間尺度上實現碳平衡是困難的，因為城市化地區通常有更多的排放。然而，由于人類活動對碳循環的影響不同，碳排放與碳匯的相對比例可以揭示多樣性。例如，城市化地區生活水平的提高將增加碳排放，城市化的影響將改變土地使用(例如從農田到建設用地)。另一方面，工業發展和技術進步可以提高能源效率，同時減少碳排放。

三、碳平衡與可持續發展之間關系

碳平衡的概念與可持續發展是一致的，原因有三。首先，可持續發展強調自然、社會和經濟的平衡，而碳平衡也強調人為排放和自然匯的平衡。其次，可持續性受到自然、社會、經濟等因素的影響，其中自然因素最為重要。碳平衡分析還指出了碳匯的重要作用。然后提出不同方面的平衡發展可能與碳排放和碳匯之間的復雜聯系有關。第三，碳平衡分析可以幫助確定地方碳管理的優先事項，這有助于低碳發展作為可持續發展的重要組成部分。因此，碳平衡可以定量地部分揭示特定的狀態。與強可持續性的概念相一致，即假設經濟和自然資本不總是可以互換的，一些生態功能不能被人類或人力資本重復，碳平衡分析還可以識別協調發展的最關鍵要求，這是維持生態底線的基礎。因此，通過碳平衡分析來評估低碳發展和、可持續性是一種可能的方法。此外，城市化還涉及人口和產業的時空重新分布，導致不同的碳排放和碳匯之間的轉換。因此，土地利用或覆被變化也可能與碳平衡的空間分異有關。

(一)碳排放的分析

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的《全球升溫1.5℃特別報告》指出，碳中性是指一個組織通過二氧化碳消除技術在一年內實現二氧化碳排放的平衡，也稱凈零二氧化碳排放。碳中和目標是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年減少45%左右，到2050年實現二氧化碳凈零排放，實現二氧化碳凈零排放。碳中和的首要任務是到本世紀末將全球變暖控制在1.5℃以內。碳中和不僅可以緩解氣候變化，而且是人類保護生態環境的根本措施。它還有助于保護生物多樣性和生態系統，防止更多物種滅絕。碳中和加快了能源體系的低碳、綠色轉型，為全球提供了一個新興的經濟增長點。根據國際可再生能源署發布的《2050年能源轉型》，碳中和可以為全球經濟帶來額外2.4%的GDP增長，并在能源行業增加700萬個就業崗位等。

(二)碳中和的進展與實踐

截至2021年1月，根據英國能源與氣候情報部門的統計，世界上已有28個國家實現或承諾實現碳中和目標[5]。其中，蘇里南和不丹實現了碳中和；包括瑞典、英國、法國已經承諾在法律上實現碳中和；歐盟、加拿大、韓國等6個國家和地區正在制定相關法律；包括中國、澳大利亞、日本和德國在內的14個國家承諾實現碳中和。2050年是世界實現碳中和的主要時間節點，除這兩個已經實現碳中和的國家外，芬蘭承諾最早在2035年實現碳中和。其他99個國家正在討論碳中和目標，其中烏拉圭計劃在2030年設定目標，其他國家則計劃在2050年設定目標。這兩個實現碳中和的國家都具有土地面積小、森林覆蓋率極高的特點。其中，蘇里南的森林覆蓋率為90%，不丹的森林覆蓋率為72%。在碳中和進程中，歐盟一直是最積極的參與者，愿意建立第一個碳中和大陸。歐盟委員會于2019年12月發布的《歐洲綠色協議》中提到，2030年溫室氣體排放量將比1990年減少50%—55%，到2050年實現碳中和的目標。日本政府于2020年12月提出的“綠色增長戰略”被認為是日本在2050年實現碳中和的進度表。對于已經承諾實現碳中和的國家，除了歐盟和日本已經制定了具體的碳中和路線圖外，其他國家的碳中和路徑仍在制定之中。

本文對主要國家和地區的做法進行了如下分析和總結：

1.逐步退出燃煤發電計劃。除德國外，承諾實現碳中和的歐盟國家的煤炭資源相對較少，領土面積也較小。這些國家都終止了燃煤發電。德國宣布將在2040年前退出燃煤發電。煤炭資源相對豐富、煤炭占電力消費比重較高的國家(如澳大利亞)尚未確定退出煤炭發電的計劃。

2.加快太陽能、風能、氫能等新能源產業的應用和推廣。光伏發電將成為歐盟和日本的主要電力來源，海上風力發電將迎來爆發式增長。據估計，到2050年，歐盟和日本的海上風力發電將增加25倍以上。在氫能方面，歐盟注重綠色氫的生產和制備；日本全面發展氫能產業鏈；韓國已經對氫能進行立法，將其應用范圍擴大到交通、冶金、發電等領域。

3.發展固碳和碳轉化技術。德國將重新啟動二氧化碳捕集和封存項目，同時利用其豐富的天然氣管網設施，快速發展電制氣技術，將二氧化碳轉化為甲烷用于管網運輸。日本正在開發二氧化碳捕獲和資源回收技術。到2030年，二氧化碳回收燃料的價格將與傳統航空燃料相當，到2050年，二氧化碳制造的塑料產品的價格將與現有塑料產品的價格相當。

4.引入碳定價機制，提高碳排放成本。歐盟開始實施排放交易計劃，這是世界上第一個有多個國家參與的碳排放交易制度。該交易系統采用限額與交易規則，通過行政許可交易，以限制溫室氣體排放總量為基礎進行碳排放交易。通過規定限額和制定交易計劃，該交易體系還對各成員國設定限額，將減排目標分配給企業，并確定減排上限以強制執行。

四、碳中和可持續性主要挑戰和策略

碳中和是全球氣候變化的解決方案已成為全球共識，但其實施仍面臨政治、能源、技術、市場、能源結構等各方面的挑戰。

實現碳中和是一個全球性的目標，需要世界各國的合作。聯合國安理會常任理事國應該在碳中和目標上發揮帶頭作用，然而，美國和俄羅斯還沒有承諾做到碳中和。在全球碳排放前五名的國家中，印度尚未承諾實現碳中和的時間。安哥拉、伊朗、伊拉克、南蘇丹、土耳其、也門等國最初簽署了《巴黎氣候協定》，但尚未獲得正式立法批準。另外99個國家正在討論碳中和目標，這些目標尚未被采納。

開發新能源取代化石燃料是實現碳中和的首要措施。包括太陽能和風能在內的新能源在全球的分布在時間和空間上都有很大的差異，這給新能源的大規模開發帶來了挑戰。全球太陽能資源主要集中在赤道附近和北回歸線與南回歸線之間，其中北非撒哈拉地區最為豐富。非洲大陸東部和南部、中國西北地區、澳大利亞也是太陽能資源豐富的地區。風能資源主要分布在東亞、東南亞、中亞和美國南緯30度至北緯30度的地區，以及中國的北部和東部地區、蒙古、澳大利亞的東北地區、非洲的撒哈拉沙漠南部等地區。全球陸地太陽能和風能在不同地區和季節差異顯著。

新能源技術的成熟程度決定了碳中和過程的進展。太陽能、風能等新能源發電的總體價格仍高于煤炭發電。同時，峰谷穩定性還很不理想，調峰技術還需要進一步創新。重工業、長途運輸等領域很難實現電氣化。雖然氫燃料電池是最佳選擇，但一些關鍵技術仍處于示范和原型階段，尚未達到推廣和大規模工業應用。與傳統化石能源制氫(也稱灰氫)相比，可再生能源制氫(也稱綠氫)成本較高，相應的二氧化碳捕集和封存技術仍處于示范階段。雖然低碳技術轉讓能夠顯著減少碳排放、控制變暖效應，但發達國家對發展中國家提供資金和低碳技術援助的承諾尚未兌現。在碳中和過程中，新能源的推廣應用依賴于成本優勢和應用便利。目前，新能源的成本每年都在下降，但與化石能源相比，仍然缺乏競爭力。特別是在2020年全球原油價格暴跌的時候，化石燃料的成本優勢對新能源轉型造成了不利影響。新能源配套設備的不完善也帶來了不便。充電樁不普及、加氫站數量不足等問題推高了新能源汽車的使用成本。

五、結語

生態環境關系到人類的生存和可持續發展，需要各國攜手應對挑戰。碳中和不僅是人類應對全球氣候變化的共識，也是世界各國的共同目標。碳替代、碳減排、碳固存和碳循環是實現碳中和的四大途徑，其中碳替代是實現碳中和的骨干力量。碳平衡是一個理想的目標，而不是一個真實的狀態。由于方法、參數和可用數據的不確定性，碳平衡分析的方法將受益于新知識、數據集和及時更新的數據庫的額外工作。這項工作可以在許多方面進行擴展。特別是碳平衡長期時空變化的驅動力有待進一步研究。