文 | 陳新華

目前，歐盟、英國、中國、美國、日本、韓國、新加坡等50多個國家相繼宣布在本世紀中葉實現(xiàn)碳中和，還有近100個國家正在研究自己的目標，碳中和已成為一場全球規(guī)模的運動，涉及人類的共同命運。

筆者在歐洲及歐洲企業(yè)工作多年，最近在與歐洲機構(gòu)與企業(yè)交流過程中，發(fā)現(xiàn)歐洲許多企業(yè)和機構(gòu)提出的碳中和路徑存在兩大問題：一是碳和二氧化碳（CO₂）不分，存在“逢碳必反”的傾向，沒有正確認識到碳元素在人類當今和未來的作用。二是在處理CO₂問題上，強調(diào)以長期地質(zhì)封存為最終目的的碳捕獲與封存（CCS），而對碳轉(zhuǎn)換和利用不夠重視。

正視這兩大問題并對此進行思辯，對中國制定基于科學、切實可行的碳中和路徑具有重要意義。

碳還是二氧化碳？

在氣候問題成為政治正確的許多歐洲國家，碳幾乎成為了一只人人喊打的過街老鼠。在“低碳、減碳、去碳、零碳”的輿論環(huán)境下，不僅是環(huán)保組織強烈反對任何含碳化石能源的生產(chǎn)和消費，一些大型跨國石油公司也在自己的“零碳”戰(zhàn)略中主動減少油氣產(chǎn)量，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的零排放，承諾要將銷售給終端客戶產(chǎn)品的碳足跡也降到零，并將碳捕獲與地質(zhì)封存作為碳中和的主要技術(shù)手段。

歐洲許多研究機構(gòu)提出，能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型路徑要以零碳電力代替化石能源，一些難以減排的領(lǐng)域（如重卡、船舶、石化、水泥和鋼鐵）則以零碳電力制取的綠氫來代替化石能源。國內(nèi)有些機構(gòu)也沿著這樣的思路在開展國家、企業(yè)和地方的碳中和路徑研究。然而，這些研究沒有正確認識碳的重要性，也忽略了能源系統(tǒng)不僅提供能量還提供化工原材料這一事實。

碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能夠形成生命的最核心要素，沒有碳，就沒有生命。碳與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。鉛筆的筆芯由碳組成，鉆石也是。米飯蔬果都是以碳為基本元素的化合物組成，衣服和日常用品也全是碳化合物產(chǎn)品。在人類的發(fā)展歷史上，碳不僅是食物的來源、能量的來源，更是材料的來源。

原英國石油（BP）公司首席執(zhí)行官約翰.布朗勛爵退休后寫了好多書，其中一本書叫《七個改變了世界的元素》。七個元素分別是鐵、碳、金、銀、鈾、鈦和硅， 碳就是其中之一，位居鐵之后的第二位。在布朗勛爵眼里，碳如鋼鐵，是幫助人類建成了今天現(xiàn)代社會的“七大元帥”之一，功不可沒。

隨著科技的進展，碳材料將扮演越來越重要的角色。由二維碳材料組成的石墨烯（Graphene）是一種革命性的材料，具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在包括材料、能源、化工、生物醫(yī)學、航空航天等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由碳原子組成的納米碳材料（碳納米管，碳納米纖維，納米碳球）在硬度、光學特性、耐熱性、耐輻射特性、耐化學藥品特性、電絕緣性、導電性、表面與界面特性等方面都比其它材料優(yōu)異，對未來科技的發(fā)展將其中重要的支撐作用。

所以，問題不在于碳，而在于CO₂。但從嚴格意義上來說，CO₂本身也不是問題。沒有CO₂，都零碳了，植物靠什么來進行光合作用呢？問題的核心是自工業(yè)革命以來，化石能源的大量燃燒帶來的CO₂過量排放。隨著大氣中CO₂濃度的增加，越來越多地吸收地面反射的紅外線，使得大量進入大氣層的太陽輻射能保留在地面附近的大氣中，從而使地球表面變得更暖，類似于溫室截留太陽輻射，這一過程被稱為溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)導致氣候變化，而氣候變化的后果十分嚴重，包括極端天氣、干旱、颶風、洪澇、森林大火、冰川消融、永久凍土層融化、珊瑚礁死亡、海平面上升、農(nóng)作物欠收、生態(tài)系統(tǒng)改變、致命熱浪、以及更廣泛的健康危害等，威脅人類在地球上的生存和發(fā)展。

因此，需要以控制地表溫度上升為目的，控制溫室氣體在大氣中的濃度，使得全球氣候處于適合人類居住的范圍內(nèi)。

但是，能夠產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體除了CO₂，還有甲烷（CH?）、氧化亞氮（N₂O）、以及氫氟碳化物（HFCs），含氯氟烴HCFCs、六氟化硫（SF6）等人造氣體。據(jù)美國環(huán)境署統(tǒng)計，2015年全球溫室氣體排放由CO₂ (76%)，CH?（16%），N₂O（6%）和其他氣體（2%）構(gòu)成。

由于CO₂在所有溫室氣體中占有絕對優(yōu)勢，它就成為了控排和減排的主要對象。“碳中和”就是把某個實體（如一個企業(yè)、一個城市、一個國家等）在某一時期的CO₂排放量減到最低限度，實在無法減少的則通過對沖手段來中和，使得人類活動往大氣中排放的CO₂總量為零，而“氣候中和”則包括所有的溫室氣體，比“碳中和”更進一步。

能源系統(tǒng)一直有兩個重要的職能：一是為人類活動提供所需要的能源服務(wù)，這些服務(wù)包括電力、熱力和交通移動力；二是通過能源化工，提供人類生活與生產(chǎn)活動所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。國際能源署在2018年發(fā)布的《石化行業(yè)的未來》報告中指出，為人類生活提供各類必需品（塑料、化肥、包裝、衣服、醫(yī)療器具、洗衣粉、汽車輪胎等碳基化合物）的石化行業(yè)已經(jīng)是全球能源行業(yè)的重要組成部分，分別占全球石油消費的14%和天然氣消費的8%。然而，因為它提供的是化工產(chǎn)業(yè)的原材料而不是能源產(chǎn)品，一直被能源界所忽視。同理，在討論能源轉(zhuǎn)型時，人們往往只關(guān)注能源服務(wù)部分，而忽略后者的存在。

在中國，現(xiàn)代煤化工行業(yè)已經(jīng)占到煤炭消費總量的3.9%并還呈增長趨勢。

在未來的人類發(fā)展進程中，我們不僅擺脫不了對碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對碳基材料與產(chǎn)品的需求會與日俱增，即使在未來實現(xiàn)碳中和的年代，人類對碳基材料的需求還會保持在高位。因此，正確處理能源系統(tǒng)的能源服務(wù)和碳基材料兩重性對于能源轉(zhuǎn)型的路徑設(shè)計尤為重要。

碳中和的挑戰(zhàn)正在于，既要滿足人類不斷增長的能量需求、碳素需求和持續(xù)經(jīng)濟增長需求，又要把CO₂的排放降到最低，實在無法減排的部分，再通過碳循環(huán)利用和封存來進行對沖。

碳封存還是碳利用？

按照物質(zhì)不滅定律，地球上（包括地下和地表大氣）的碳元素總量是穩(wěn)定的，自遠古到今天，既不會增加也不會減少，只是通過碳固定和碳釋放的方式，在地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中進行循環(huán)。

碳固定是指植物的光合作用吸收CO₂、海水溶解大氣中的CO₂、干旱區(qū)鹽堿土吸收CO₂、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術(shù)將CO₂轉(zhuǎn)化為化學品或燃料等。碳釋放主要來自于植物和動物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。

中國科學院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院副院長鄒才能在最近發(fā)表的文章中指出，CO₂是地球碳循環(huán)的重要介質(zhì)，具有實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)有機物轉(zhuǎn)換和造成地球表面溫室效應(yīng)的雙重屬性。對應(yīng)這兩種屬性，他將大氣圈中的CO₂分成兩類，可以被固定或可利用的CO₂為“灰碳”， 而無法被固定或利用并留存在大氣圈中的CO₂被稱為“黑碳”。碳中和的任務(wù)，是捕獲和循環(huán)利用“灰碳”，通過可再生能源替代化石能源和通過節(jié)能等方式從源頭上減少“黑碳”排放，并對CO₂進行捕集與地質(zhì)封存，將CO₂與大氣隔離。

值得關(guān)注的是碳封存與碳利用之間的選擇，因為這不僅是碳減排技術(shù)路徑之爭，更是體現(xiàn)了東西方文化的差異。西方主流認為，CO₂是罪惡的源泉，應(yīng)該通過極端的手段，將其深埋地下幾千年，永世不得翻身，不再跑入地球大氣層。因此，歐洲多家企業(yè)在碳封存方面投入大量資金。挪威政府宣稱，挪威大陸架可以為整個歐洲的CO₂提供封存地，并已經(jīng)啟動了在奧斯陸水泥廠和垃圾焚燒廠捕獲并液化CO₂，通過專用船只運輸600公里到挪威西海岸，再通過海底管道注入到海床以下2600米封存點的“長船”（Longship）項目。英國政府則是在假設(shè)北海海底擁有巨大封存能力的基礎(chǔ)上于去年8月發(fā)布了CCS商業(yè)模式白皮書。而東方的智慧告訴我們，任何垃圾都是有價值的資源，只是放錯了地方而已，應(yīng)該更加強調(diào)循環(huán)利用，而不是簡單的封存。

2010年，時任國家能源局局長張國寶會見來訪的美國能源部長朱棣文時，就此話題進行了有趣的對話。朱棣文極力推崇碳捕獲與封存(CCS)，認為這是解決氣候問題的主要技術(shù)手段之一。但張國寶認為，這種做法事倍功半，效果甚微。

張國寶指出，且不論能否確保這些封存于地下的CO₂將來不會泄露到大氣中來，單說為了捕捉CO₂所需消耗的能源，CCS是否值得就令人懷疑？即便能夠捕捉到一億噸的CO₂，和全球每年排放到大氣中的300多億噸總量相比，也是一個微乎其微的數(shù)據(jù)，對氣候變化的影響很小?；ㄟ@些代價，莫如綠化荒漠，多種樹種草，通過植物的光合作用來捕集CO₂，也許更經(jīng)濟適用，事半功倍。

為了讓事實說話，張國寶還給客人介紹了中石油在國家發(fā)改委的支持下，在塔克拉瑪干大沙漠建設(shè)500公里公路綠化帶的案例。

當然，光靠植樹造林所吸收的那些量是解決不了全球CO₂排放問題的。但十年來全球CCS的發(fā)展證明張國寶當時的疑慮是對的。盡管西方各國對CCS都寄予厚望，但該技術(shù)的進展并不盡人意。2005年，歐盟提出要在2015年前建成12個CCS示范項目，至今仍一個都沒有落實。

國內(nèi)方面，某能源集團煤制油分公司原定每年捕集與封存100萬噸CO₂的項目，但在2011-2015年間封存了30萬噸后停止。另一發(fā)電集團原定要在天津建設(shè)的250MW IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)）加CCS項目也是無疾而終。國內(nèi)已經(jīng)建成的CCUS（碳捕集與利用）示范項目，加起來每年處理的CO₂不到100萬噸。目前的示范項目大多是以科研為目的，需要來自不同渠道科研經(jīng)費的支持。這些項目在示范后不久就因技術(shù)和商用價值缺乏等原因而停運，或處于間歇式運營狀態(tài)。

技術(shù)不成熟與成本居高不下造成此類項目無法實現(xiàn)市場化運營，而沒有市場化運營就難以擴大應(yīng)用規(guī)模。無論是按照國際能源署在2020年9月發(fā)布的《能源技術(shù)展望》，還是中國科技部2019年5月發(fā)布的《中國CCUS發(fā)展路線圖（2019年版）》的分析，按照目前的技術(shù)路徑，未來40年內(nèi)CCS還很難看到商業(yè)化前景。

根據(jù)現(xiàn)有項目估算，CCS項目的商業(yè)化運行成本需要每噸CO₂約70美元左右（美國一機構(gòu)最近評估需要95美元）的碳價，而無論歐盟、美國還是中國，這樣的碳價還是過高。

CCS最大的問題在于封存，沒有封存就沒有CCS。人們都假設(shè)地球上有很大的封存能力，但實際上封存方面存在許多問題。封存工作需要在地質(zhì)和地球物理方面進行大量研究，找到最適合封存CO₂的地質(zhì)構(gòu)造，研究它的封存能力，確定打井數(shù)量，探討降低封存成本的途徑。在美國，大規(guī)模地下封存為獲得地面土地擁有者的準許需要曠日持久的溝通與協(xié)商過程。

挪威是全球CCS最成功的國家，其最大的Sleipner封存項目自1996年開始每年封存100萬噸CO₂，每噸60美元的碳稅，加上項目作為天然氣田的重要組成部分，可通過天然氣銷售來補貼封存的開支是其成功的主要因素。然而，前述挪威政府涵蓋CCS全價值鏈的“長船”項目總投資18.5億歐元，10年的總運營成本為8.64億歐元，按照每年封存80萬噸，10年封存800萬噸算，合計每噸CO₂封存的總成本為337.5歐元，其中運營成本為108歐元每噸。即使未來該項目封存能力大幅提升，每噸CO₂的封存成本也將是高得無法接受。

許多人將CO₂驅(qū)油認為是封存的一種，但驅(qū)油和封存存在巨大差異。驅(qū)油是一個短期過程，往往是幾年，最長也不過40年，而封存的時間維度是幾千年。驅(qū)油項目所用的CO₂大約有三分之二會回到地表，但封存項目要求將100%的CO₂永久地封存在地下。每年逸散1％的CO₂對驅(qū)油項目無關(guān)緊要，但對封存來說是完全不合格的。封存有更高要求，需要更多監(jiān)測。

大規(guī)模地質(zhì)封存在商業(yè)模式、法律責任、生態(tài)影響、公共接受度方面都存在巨大挑戰(zhàn)，無論對于全球還是中國的減排需求，都遠水不解近渴。

國際專利文獻檢索發(fā)現(xiàn)，自2016年開始，國際社會已經(jīng)將CO₂處置的重點從封存轉(zhuǎn)移到利用上，即CCU，將捕獲到的CO₂轉(zhuǎn)換成有規(guī)模化市場需求的燃料、化工產(chǎn)品或建筑材料。一方面通過現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施有效減少碳增量排放，另一方面以多種高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存，實現(xiàn)高排放產(chǎn)業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟，并為未來以產(chǎn)品的方式進行封存打下基礎(chǔ)。在這方面，國內(nèi)外有很多機構(gòu)都在研究示范，并已經(jīng)有了一些突破性的進展。

2020年6月，美國能源部決定投入1700萬美元的聯(lián)邦資金，用于碳利用研發(fā)計劃的11個項目。這些項目重點研發(fā)和測試將電力系統(tǒng)或其他工業(yè)排放的CO₂作為主要原料的創(chuàng)新技術(shù)，旨在減少排放，并將CO₂轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品。項目覆蓋四個重點領(lǐng)域：有機增值產(chǎn)品的合成，無機固體碳制品生產(chǎn)，藻類捕集CO₂，無機材料的生產(chǎn)-最大限度利用混凝土和水泥。

今年3月22日，日本東芝宣布開發(fā)出全球最高效的CO2電催化技術(shù)，比之前技術(shù)處理的速度提高了60倍。該技術(shù)利用底面積為信封大小的機器（底面積約300平方厘米，高23厘米），每年最多可將1噸CO2轉(zhuǎn)化成一氧化碳，然后再加氫合成為燃料或化工原料。東芝計劃2025年推出試制品。

在國內(nèi)，多個研究團隊在CO₂轉(zhuǎn)換利用方面做出了令人矚目的成績。中海油于2020年9月實現(xiàn)了年產(chǎn)500噸的CO₂加氫制甲醇試點項目。中科院大連化物所李燦院士的團隊也在蘭州建成了千噸級“液態(tài)太陽燃料合成示范項目”，并于2020年10月通過了評審。

最讓人振奮的是北京光合新能科技有限公司的等離激元技術(shù)。該技術(shù)利用電廠余熱或太陽能光熱，在常溫常壓下低成本地將CO₂合成為清潔燃料，目前已經(jīng)完成了實驗室小試而進入了中等規(guī)模工業(yè)示范的階段。在CO₂的轉(zhuǎn)換率、廢熱到合成產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換效率、成本競爭力等方面都取得了很好的效果，有望很快就可以商業(yè)化推廣。

此外，中國工程院院士、四川大學校長謝和平團隊于2014年就已經(jīng)在實驗室成功完成了CO₂礦化發(fā)電并生產(chǎn)碳酸鹽的實驗，據(jù)他們測算，每噸CO₂能夠產(chǎn)出140度電，同時產(chǎn)出1.91噸碳酸氫鈉。

這些把CO₂從減排負擔變成高價值資源的技術(shù)，可以滿足提供能量與化工原材料的雙重功能，如能成熟且大規(guī)模利用，或?qū)㈤_創(chuàng)一個全新的碳中和技術(shù)范式。

人病了，可以選擇中醫(yī)調(diào)理或者西醫(yī)手術(shù)。地球病了，在基于西醫(yī)的對抗式封存大行其道且面臨困境時，何不努力開發(fā)基于中醫(yī)疏通調(diào)理思路，通過轉(zhuǎn)換利用的中國方案呢？

或許您會說，燃料燃燒以后CO₂還會回到空中，碳轉(zhuǎn)換和利用解決不了碳總量降低的問題。是的，但如果有了高效率低成本大的CO₂轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品的技術(shù)，我們可以先對高濃度的CO₂進行轉(zhuǎn)換利用，不再燃燒化石能源，實現(xiàn)增量減排。第二步再從空氣中捕集并轉(zhuǎn)換利用，實現(xiàn)CO₂的循環(huán)利用，在滿足能源需求的過程中不再往大氣排放CO₂，這樣就可與可再生能源取得同樣的效果。第三步才從空氣中捕獲并轉(zhuǎn)換成可以封存的產(chǎn)品，實現(xiàn)地球降溫減排。封存CO₂轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品要比CO₂地質(zhì)封存要簡單的多。

這里的核心思想是以漸進而非冒進的方法來解決問題，不追求在今天就做出完美解決方案，而是讓今天的不完美為未來技術(shù)進步留下空間。這樣可以動態(tài)制定各行各業(yè)的碳中和技術(shù)路徑，讓未來的技術(shù)在今天的碳中和解決方案中扮演自己的角色，并建立相應(yīng)的體制機制和商業(yè)模式。

科學理性的碳中和之路

在低碳轉(zhuǎn)型實踐上，歐美國家有著非常豐富的經(jīng)驗，值得我們學習與借鑒。但在本文探討的兩大核心問題上，我們要保持清醒的頭腦，走科學理性、符合自己國情且富有中國特色的碳中和之路。

首先，應(yīng)該將碳中和問題聚焦于CO₂的過量排放上。正確理解碳元素對于人類社會生存與發(fā)展的重要性，以及碳和CO₂的關(guān)系，圍繞CO₂的過量排放來尋找氣候變化問題的解決方案。

其次，應(yīng)該以科學的態(tài)度與方法研究CO₂過量排放問題的系統(tǒng)性解決方案，方案需要包括循環(huán)和資源化利用的“順治”，而不是簡單粗暴、事倍功半地封存的“逆治”。任何垃圾都是放錯了位置的有用資產(chǎn)，CO₂也是如此。解決CO₂問題在于中醫(yī)全面系統(tǒng)性調(diào)理，而不是西醫(yī)的頭痛醫(yī)頭，腳痛治腳。

第三，碳中和不應(yīng)以犧牲經(jīng)濟的合理發(fā)展和老百姓的生活福祉為代價。按照中央財經(jīng)委員會的要求，“以系統(tǒng)觀念推進碳中和的工作，處理好減污降碳和能源安全、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全、糧食安全、群眾正常生活的關(guān)系”，避免碳系統(tǒng)與能源系統(tǒng)之間，能源系統(tǒng)與經(jīng)濟系統(tǒng)之間的顧此失彼。

鑒于能源系統(tǒng)具有提供能源產(chǎn)品與化工原材料的雙重功能，能源系統(tǒng)需要考慮的不只是能量，還有物料。未來的能源系統(tǒng)肯定是以電力為核心，但全面電氣化的能源系統(tǒng)無法提供人類社會需要的碳基原材料。在能量去碳化的進程中，需要考慮如何滿足碳基物料的需求和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的安全。

第四，采取漸進而不是冒進的方法來解決問題。在碳中和問題上，我們可以借鑒歐洲很多好的做法，但不能仿效部分歐洲機構(gòu)否定所有化石能源，避免逢碳必反，急躁冒進。