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2060年中国“碳中和”目标的路径、机遇与挑战

2020-11-18 20:47:50

作者:林伯强    责编:许云峰

实现“碳中和”,从排放端必须考虑工业和电力的能源效率、可再生能源的使用

2020年9月22日,在七十五届联合国大会一般性辩论上,国家主席习近平提出我国将争取在2060年前实现“碳中和”。目前我国的年碳排放量约为160亿吨,简言之,就是要在40年间使我国的净排放从100亿吨变为0亿吨。我国拥有全球最大的能源系统(生产和消费),化石能源在一次能源中所占比例目前在85%左右。“碳中和”这一雄心勃勃的计划会为我国带来怎样的机遇与挑战?备受关注

“碳中和”意味着社会活动引起的碳排放和商业碳汇等活动产生与从空气中吸收的二氧化碳的量相等。实际生产生活中不可能不排放二氧化碳,即使电力行业实现了全额可再生能源,但其他行业很难做到生产过程的零排放(包括可再生能源制造过程),还有其他例如水泥生产的导致碳排放等。“碳中和”的概念就是可以通过拥有等量碳汇或者国外的碳减排信用抵消自身的碳排放,使净碳排放接近零。

实现“碳中和”,从排放端必须考虑工业和电力的能源效率、可再生能源的使用,但受资源、技术局限或安全、经济等因素,部分排放并不能完全避免,其中一方面可以通过森林、海洋等碳汇进行自然吸收,同时还需要一定量的人工碳汇,比如碳捕获、利用和封存技术(CCUS)等。

2060年“碳中和”路径

“碳中和”的基本公式为:商业活动导致的碳排放=碳汇总量+碳信用总量。我们需要考虑的技术不仅仅是节能减排技术,同时还要考虑负碳排放技术。根据麦肯锡推出的温室气体减排成本曲线,可以对各类减排的技术与手段的先后顺序进行相应的排序。每个阶段都有很多的减排途径,这个顺序应是综合考虑各类减排措施的成本效益与实施难易度来决定的。可以将“碳中和”路径大致分为三个阶段:

阶段I(2020年-2030年)。主要目标为碳排放达峰。在2030年达峰目标的基本任务下,主要任务是降低能源消费强度,降低碳排放强度,控制煤炭消费,大规模发展清洁能源,继续推进电动汽车对传统燃油汽车的替代,倡导节能(提高工业和居民的能源使用效率)和引导消费者行为。

阶段II(2030年-2045年)。主要目标为快速降低碳排放。而达峰后的主要减排途径转为可再生能源为主,大面积完成电动汽车对传统燃油汽车的替代,同时完成第一产业的减排改造,以CCUS等技术为辅的过程。

在阶段III(2045年-2060年)。主要目标为深度脱碳,参与碳汇,完成“碳中和”目标。深度脱碳到完成“碳中和”目标期间,工业、发电端、交通和居民侧的高效、清洁利用潜力基本开发完毕,此时应当考虑碳汇技术,以碳捕集、利用与封存(CCUS)、生物质能碳捕集与封存(BECCS)等兼顾经济发展与环境问题的负排放技术为主。

为何会进行如上的排序?首先需要了解中国的碳排放产业分布。中国已经是一个高度工业化的国家,碳排放大部分是来自于发电和工业端,交通行业也占有一定的份额,而农业、商业与居民排放占比较小。因此,在这巨大的体量上,应当优先对占有83%的碳排放量的第二产业入手,由简入繁。

一个有效的减排路径一定是从减排成本最低的方向、最容易操作的地方下手,目前而言,我国的能源使用效率仍然比较低,大部分工厂的节能项目的投资回收期较短,相比于工厂设备的寿命,这使得不少节能项目本身就有经济收益,唯一需要考虑的是降低信息不对称,规范好节能市场;而新能源板块,无论是新能源发电还是电动、混动汽车,其成本发电成本与全寿命周期成本快速下降,能够做到具有市场竞争力,在市场中大规模自发替代火电厂或者传统汽车或许在十年间就能开始,接下来就是行业的快速发展。因此,近二十年的新能源项目或许将呈现指数型增长。

当中国的碳排放达峰并开始下降以后,这种本身具有经济效益的节能减排的项目将会变得很少,致使节能带来的减排空间缩小,此时是新能源与传统能源的替代过程,因此,在碳排放从达峰到逐渐下降的过程中,减排的主力新能源对传统一次化石能源的替代技术。由于火电厂一般都具有50年以上的寿命周期,即使不再新建火电厂,已经建成的火电厂也将继续发挥着供能的作用,这时大部分排放仍来自于燃煤电厂、同时也有部分工业/民用天然气和水泥等工厂的工艺排放。

在深度脱碳的过程中,需要额外资本加入,就像对新能源的巨额投资与补贴一样。为了保证“碳中和”,必须要解决发电端的碳排放,因此CCUS技术在此时必须急速扩张,不过深度脱碳过程应当在2045-2050年左右开始,基于前期的技术积累和创新,此时CCUS的单位减排成本应该可以大幅度下降。

2060年能源供给体系与技术

“可再生能源+储能”的能源供给体系。2060年随着电力技术的发展、电网设施的完善、电动汽车的普及,中国大部分的能源消耗都来自于电力,而非化石能源。而煤炭、石油、天然气等矿产的主要去向从燃烧提供电力和动力,变为了原材料,提供给橡胶、塑料等化工品,而这一部分的能源使用在较长的时间范围内只会造成很少的碳排放。

由于未来的能源供给体系是以电力为主,因此,电源结构的清洁与否变得至关重要。储能技术与可再生能源发电的结合应用,可能是实现未来可再生能源大规模应用的重要手段。将储能与可再生能源发电技术相结合成为一个联合系统,可以减少波动和增强电力系统的灵活性。由于风电、光伏出力的不可控性,当可再生能源大规模并网以后,对电网的调度会有较大的影响,可能造成电网电压、电流和频率的波动,直接影响电网的电能质量,导致用电设施寿命折损等问题。此时,能够对电力需求峰谷进行适时调节的储能放能设备尤为重要,储能设施是首位的。

因此,2060年的能源供给体系将会以“可再生能源+储能”的方式存在。这套供给体系既能有效降低碳排放,达到中国“碳中和”目标,又能提供安全稳定的电力能源。

根据《能源生产和消费革命战略(2016~2030)》,到2030年和2050年,非化石能源占能源消费总量的比例分别要达到20%和50%。因此,在完成“碳中和”目标的过程中,我们必须关注清洁能源技术的发展与变革、优势与劣势。对于非化石能源而言,目前光伏和风能无疑是两个新能源中的翘楚,核能一定程度上受到了安全性的挑战,因此难以大规模利用,而氢能作为一个储备技术,也将受到一定的关注。

随着光伏发电在商民两用的领域成本持续下降,其大规模应用的前景光明。近年来,中国不仅成了最大的太阳能光伏发电系统的主要供给国家,同时也是光伏装机最大的市场。有相关研究表明,光伏发电一定程度上达到了平价上网,其蕴含的规模经济效应不言而喻。

无论是储能、光伏发电、电动汽车还是智能手机等都对电池寿命以及电池生产的环保型与高效性提出了更高的要求。如果新能源发电项目与储能项目在全寿命周期上仍然存在较高的碳排放或环境问题,那未来的“可再生能源+储能”的供给体系将不是真正的环境友好的能源供给体系。因此,新型的电池技术可能是未来能源供给体系的一个瓶颈,需要突破。目前,各类电子产品的电源大都依靠锂电池提供持续的电力。而且,锂是一种比较昂贵的金属物质,在自然界中的储量有限,大规模使用锂电池可能会导致锂价格飙升。因此,高效、安全、可充电电池的大规模应用需要考虑那些储量丰富、价格低廉的材料,用以替代目前常用的锂电池。

2060年中国将“碳中和”和基本上替代火力发电、工业能源消费、燃油汽车,并且基本完成建筑零排放。但是仍有部分能源消费及碳排放是无法替代的,因此,可以预测2060年中国的“碳中和”目标下的碳排放来源与碳汇项目。碳排放包含无法用其他能源替代的能源消费,例如航空和航海过程中的碳排放、作为工业原料的能源导致的碳排放、少量畜牧业带来的碳排放。碳汇包含基于自然的碳汇(植树造林,退耕还林等)以及碳捕获与封存。

2060“碳中和”对中国的机遇与挑战

中国在实现“碳中和”目标的过程中,会带来就业、可持续发展的方面巨大的机遇,同时也将迎来巨大的挑战。无法否认的是,随着“碳中和”目标的设定,在阶段I和阶段II时期内,大部分新能源行业、储能行业与节能行业将会迎来发展的春天。对这些行业进行投资或许都将有长期收益,包括节能技术、节能设备、新能源车产业链、光伏/风电产业链等。2019年,非化石能源(水电+可再生能源)装机量占比达到42.0%,发电量占比达到32.7%。2019年各种能源的装机容量增长率分别为:水电1.5%、火电4.%、核电9.1%、风电和太阳能分别是13.5%和17.1%。在“碳中和”目标提出之后,新能源的发展需要提速。

阶段III期间,届时正在进行深度脱碳的过程,各类负排放技术才正式大量启用,CCUS产业链可能要到10年后才能迎来增长的爆发期,但是依旧会带来充足的就业以及周边产业链。其他如造林,农林废弃物利用,垃圾资源化利用行业也会迎来增长。

目前,部分发达国家已经通过立法和政策的形式提出了“碳中和”目标,如法国、德国、英国、加拿大等。作为四个最大排放国家中,中国是第一个提出“碳中和””目标的国家,无疑会对其他碳排放大国带来压力,加快全球的减排进程。在我们不断向”碳中和”目标迈进的过程中,将有机会增进与其他国家(欧洲国家可能会更有意愿)的交流与对话,进一步提升国际影响力;另一方面,在中国领先的减排领域与其他发展中国家展开经济技术合作,还能实现互惠互利、合作共赢。

如果要实现2060年的“碳中和”目标,相应的政策与法律法规的出台与执行是保证“碳中和”目标达成的必要条件,将”碳中和”目标列入未来四十年发展目标中,使中国”碳中和”的承诺有法可依、有据可循;从“十四五”规划开始,在未来四十年的各个五年规划中开始布局,提出阶段性的减排目标,并配以相应的减排政策支持。

但是,基于以往的碳减排政策对经济的影响,我们认为40年内达到“碳中和”对中国经济来说,是挑战和机遇并存。尽管受到中美贸易战、新冠肺炎疫情等因素的影响,中国总体发展态势并没有受到影响。由于新能源起步较晚而存在后发优势,随着深度减排的到来,不少领域中国会走在世界的前列。(作者系厦门大学中国能源政策研究院院长)

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