碳中和也意味著我們將實現能源獨立，國內自產的原油、天然氣將能滿足化工原料之需要，進口油氣將大為減少，所謂的“馬六甲困境”將不再是一個實質性威脅。能源獨立從某種程度上還會為糧食安全提供助力。

根據我國能源資源稟賦及目前所處發展階段，要真正在2060年前實現碳中和，最大的困難是尚無全面支持從“高碳社會”向“碳中和社會”轉型的技術體系。

那么，我國實現碳中和需要形成一個什么樣的技術體系？

在習近平主席宣布“雙碳”目標后，中國科學院設立了一個大型咨詢項目，組織百余位來自多個學部的院士和專家，著重就此問題做了“清單式”的研究。

本文將以這個研究為依據，從碳中和的概念和邏輯入手，重點介紹完成碳中和的“技術需求清單”，并在此基礎上討論幾個公眾比較關心的問題。

碳中和應從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個側面來理解。碳排放既可以由人為過程產生，又可以由自然過程產生。人為過程主要來自兩大塊，一是化石燃料的燃燒形成二氧化碳（CO2）向大氣圈釋放，二是土地利用變化（最典型者是森林砍伐后土壤中的碳被氧化成二氧化碳釋放到大氣中）；自然界也有多種過程可向大氣中釋放二氧化碳，比如火山噴發、煤炭的地下自燃等。但應該指出：近一個多世紀以來，自然界的碳排放比之于人為碳排放，對大氣二氧化碳濃度變化的影響幾乎可以忽略不計。

碳固定也有自然固定和人為固定兩大類，并且以自然固定為主。最主要的自然固碳過程來自陸地生態系統。陸地生態系統的諸多類型中，又以森林生態系統占大頭。所謂的人為固定二氧化碳，一種方式是把二氧化碳收集起來后，通過生物或化學過程，把它轉化成其他化學品，另一種方式則是把二氧化碳封存到地下深處和海洋深處。

過去幾十年中，人為排放的二氧化碳，大致有54%被自然過程所吸收固定，剩下的46%則留存于大氣中。在自然吸收的54%中，23%由海洋完成，31%由陸地生態系統完成。比如最近幾年，全球每年的碳排放量大約為400億噸二氧化碳，其中的86%來自化石燃料燃燒，14%由土地利用變化造成。這400億噸二氧化碳中的184億噸（46%）加入到大氣中，導致大約2ppmv的大氣二氧化碳濃度增加。

所謂碳中和，就是要使大氣二氧化碳濃度不再增加。我們可以這樣設想：我們的經濟社會運作體系，即使到有能力實現碳中和的階段，一定會存在一部分“不得不排放的二氧化碳”，對它們一方面還會有54%左右的自然固碳過程，余下的那部分，就得通過生態系統固碳、人為地將二氧化碳轉化成化工產品或封存到地下等方式來消除。只有當排放的量相等于固定的量之后，才算實現了碳中和。由此可見，碳中和同碳的零排放是兩個不同的概念，它是以大氣二氧化碳濃度不再增加為標志。

我國當前二氧化碳年排放量大數在100億噸左右，約為全球總排放量的四分之一。這樣較大數量的排放主要由我國的能源消費總量和能源消費結構所決定。我國目前的能源消費總量約為50億噸標準煤，其中煤炭、石油和天然氣三者合起來占比接近85%，其他非碳能源的占比只有15%多一點。在煤、油、氣三類化石能源中，碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我國能源消費結構中，煤炭占比如此之高，在世界主要國家中是絕無僅有的。

約100億噸二氧化碳的年總排放中，發電和供熱約占45億噸，建筑物建成后的運行（主要是用煤和用氣）約占5億噸，交通排放約占10億噸，工業排放約占39億噸。工業排放的四大領域是建材、鋼鐵、化工和有色，而建材排放的大頭是水泥生產（水泥以石灰石（CaCO3）為原料，煅燒成氧化鈣（CaO）后，勢必形成二氧化碳排放）。

電力/熱力生產過程產生的二氧化碳排放，其“賬”應該記到電力消費領域頭上。根據進一步研究，發現這45億噸二氧化碳中，約29億噸最終也應記入工業領域排放，約12.6億噸應記入建筑物建成后的運行排放。所以我們說，我國工業排放約占總排放量的68%，如此之高的占比在所有主要國家中，也是絕無僅有的，這是我國作為“世界工廠”、處在城鎮化快速發展階段、經濟社會出現壓縮式發展等因素所決定的。

根據我國二氧化碳的排放現狀，我們就非常容易作出這樣的推斷：中國的碳中和需要構建一個“三端共同發力體系”。第一端是電力端，即電力/熱力供應端的以煤為主應該改造發展為以風、光、水、核、地熱等可再生能源和非碳能源為主。第二端是能源消費端，即建材、鋼鐵、化工、有色等原材料生產過程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣，水泥生產過程把石灰石作為原料的使用量降到最低，交通用能、建筑用能以綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣。能源消費端要實現這樣的替代，一個重要的前提是全國綠電供應能力幾乎處在“有求必應”的狀態。第三端是固碳端，可以想見，不管前面兩端如何發展，在技術上要達到零碳排放是不太可能的，比如煤、油、氣化工生產過程中的“減碳”所產生的二氧化碳，又比如水泥生產過程中總會產生的那部分二氧化碳，還有電力生產本身，真正要做到“零碳電力”也只能寄希望于遙遠的將來。因此，我們還得把“不得不排放的二氧化碳”用各種人為措施將其固定下來，其中最為重要的措施是生態建設，此外還有碳捕集之后的工業化利用，以及封存到地層和深海中。

傳統上，電力供應系統包括了發電、儲能和輸電三大部分，從現在業界經常談到的“新型電力供應系統”的角度，還應把用戶也統籌考慮在內。從實現碳中和的角度，我國未來的電力供應系統應該具備以下六方面特點。

一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發電裝機容量在24億千瓦左右，如果考慮以下因素：（1）未來要實現能源消費端對化石能源的綠電替代和綠氫替代；（2）從世界大部分先發國家走過的歷程看，人均GDP從一萬美元到三四萬美元之間，人均能源消費量還會有比較明顯的增長；（3）風、光等波動性能源的“出工能力”只有傳統火電的三分之一左右，那么我國2060年前的裝機容量至少需要60億到80億千瓦。

二是風、光資源將逐步成為主力發電和供能資源。其中西部風、光資源和沿海大陸架風力資源是主體，各地分散式（尤其是農村）光熱資源是補充。

三是“穩定電源”將從目前的火電為主逐步轉化為以核電、水電以及綜合互補的非碳能源為主。

四是必須利用能量的存儲、轉化、調節等技術，彌補風、光資源波動性大的天然缺陷。

五是火電還得有，但主要作為應急電源和一部分調節電源之用。與此同時，火電應完成清潔、低碳化改造，有條件的情況下，用天然氣代替煤炭，以降低二氧化碳排放強度。

六是在現有基礎上，成倍擴大輸電基礎設施，把西部充沛的電力輸送到中東部消納區。與此同時，加強配電基礎設施建設，增強對分布式能源的消納能力。

在這樣的電力供應系統中，碳中和本身的目標要求未來電力的70%左右來自風、光發電，其他30%的穩定電源、調節電源和應急電源也要盡可能地減少火電的裝機總量。正因為如此，未來需要促進發電技術、儲能技術和輸電技術這三方面的“革命性”進步。

發電技術要為綠色低碳電力生產提供支撐。這里面需重點促進可再生能源發電技術的進步，特別是要注重發展以下技術：（1）光伏發電技術雖已發展到可平價上網的程度，但這類技術在降成本、增效率上還有潛力可挖；（2）太陽能熱發電技術對電網友好，既可保證穩定輸出，也可用于調峰，但目前發電成本過高，未來應在材料、裝置上尋求突破；（3）風力發電技術也基本具備平價上網的條件，未來要在大功率風機制造、更高空間風力的利用、更遠的海上風電站建設上下功夫；（4）地熱分布廣、總量大，但能量密度太低，如要將地熱用于發電，還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術；（5）生物質能也是可再生能源，目前生物質能發電技術是成熟的，但其在總的電力供應上的占比較為有限；（6）海洋能和潮汐能的總量不小，但其利用技術有待進步；（7）傳統的水電我國開發程度已經較高，未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發上還有較大潛力。

除以上可再生能源發電以外，社會公眾還得接受這樣的現實：要達到碳中和，核電還得較大程度地發展，因為核電應作為“穩定電源”的重要組成部分。此外，火電還得在“穩定電源”“應急電源”“調節電源”方面發揮作用，正因為如此，“無碳電力”在很長時期內是難以實現的，除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來再予以封存或利用。

儲能技術在未來的電力供應系統中將占有突出的位置，這是因為風、光發電具有天然波動性，用戶端也有波動性，這就需要用儲能技術作出調節。可以這樣說，如果沒有環保、可靠并相對廉價的儲能技術，碳中和目標就會落空。儲能是最重要的電力靈活性調節方式，包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，而靈活性調節還有火電機組的靈活性改造、車網互動、電轉燃料、電轉熱等方式和技術。

物理儲能主要有四類。一是抽水蓄能電站，它是最成熟的技術，我國以東部山地為依托，已建、在建和規劃中的抽水蓄能電站總量很大，但可再生能源豐富的西部如何建抽水蓄能電站還得探索。二是壓縮空氣儲能，主要是