全球碳中和運(yùn)動(dòng)缺乏一個(gè)明確的理論基礎(chǔ)

大氣網(wǎng)訊:目前，全球已經(jīng)有歐盟、中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)、新加坡等50多個(gè)國(guó)家相繼宣布在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，與此同時(shí)，還有近100個(gè)國(guó)家正在研究制定各自的碳中和目標(biāo)?？梢哉f，碳中和已經(jīng)在全球范圍掀起一場(chǎng)涉及人類共同命運(yùn)的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)。在這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中，各國(guó)方案不同，路徑也各有特色，形成了豐富的實(shí)踐案例。

然而，我認(rèn)為，這場(chǎng)偉大的運(yùn)動(dòng)還缺乏一個(gè)明確的理論基礎(chǔ)。理論指導(dǎo)實(shí)踐，并在實(shí)踐中得到完善。只有明確理論基礎(chǔ)，才能避免戰(zhàn)略誤區(qū)，以最低的社會(huì)成本和最快的速度達(dá)成碳中和目標(biāo)。本文拋磚引玉，在碳中和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域做些理論探索，旨在引發(fā)思考，建立基于科學(xué)、符合國(guó)情、體現(xiàn)東方智慧的碳中和理論體系。

01 碳中和的前提仍是要滿足人類不斷增長(zhǎng)的能量和碳素需求，且保持經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力

碳是人類在地球上賴以生存的最重要元素。人類社會(huì)的發(fā)展不僅擺脫不了對(duì)碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對(duì)碳基材料與產(chǎn)品的需求會(huì)與日俱增。碳不是問題，減碳低碳針對(duì)的是二氧化碳，不是碳。因此，不能談碳色變，更不能逢碳必反。

嚴(yán)格意義上，二氧化碳（CO2）本身并沒問題。沒有CO2，都零碳了，植物靠什么來進(jìn)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，引發(fā)了地球表面溫室效應(yīng)和氣候失衡，對(duì)人類自身生存產(chǎn)生了巨大危脅。這才是人類社會(huì)真正需要共同努力解決的問題。

所謂“碳中和”，就是要把某個(gè)實(shí)體（企業(yè)、城市、國(guó)家、全人類）在某一時(shí)期內(nèi)（日、月、年）CO2的排放量減到最低限度，并通過碳匯等各種對(duì)沖手段來中和，使得人類活動(dòng)往大氣中排放的CO2總量為零?！疤贾泻汀毕Ｍ鉀Q的根本問題是消除包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體所導(dǎo)致的地表氣候失衡，確保人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，但前提是要滿足人類不斷增長(zhǎng)的能量和碳素需求，并且保持經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力。任何碳中和技術(shù)路徑的設(shè)計(jì)都要尊重這一前提。

對(duì)沖的手段選擇很重要。西方主流認(rèn)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。而東方的智慧告訴我們，對(duì)待CO2應(yīng)該順治而不是簡(jiǎn)單的逆治。任何垃圾都是有價(jià)值的資源，只是放錯(cuò)了地方而已，應(yīng)該更加強(qiáng)調(diào)循環(huán)利用，而不是簡(jiǎn)單的封存。

在碳中和技術(shù)路徑上，西方傾向用今天的技術(shù)一步到位解決未來30-40年的問題，很容易走極端，比如說禁止天然氣的使用。而東方的智慧啟示我們，要以漸進(jìn)而不是冒進(jìn)的方法來解決問題，不追求在今天就要做出非常完美的解決方案，而是讓這些不完美為未來技術(shù)進(jìn)步留下空間。這樣可以動(dòng)態(tài)地制定與執(zhí)行各行各業(yè)的碳中和技術(shù)路徑，充分技術(shù)進(jìn)步所需要的時(shí)間，讓未來的技術(shù)在今天的碳中和解決方案繼續(xù)孵化，建立能夠隨著時(shí)間的推移，不斷吸納新技術(shù)的體制機(jī)制和商業(yè)模式。

02 物理學(xué)基礎(chǔ)：碳中和愿景下，需要更多“逆燃燒”和“逆蒸汽機(jī)”技術(shù)

自工業(yè)革命以來，人為的大規(guī)模CO2排放來源包括能源領(lǐng)域和非能源領(lǐng)域兩個(gè)方面。能源領(lǐng)域主要是化石能源燃燒所產(chǎn)生的排放，而非能源領(lǐng)域則是來自于化工、鋼鐵、水泥等工業(yè)制造過程中的化學(xué)反應(yīng)。前者占CO2排放總量的80%左右。

化石能源燃燒主要通過蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的主要燃料分別是煤炭、石油和天然氣。以上三種燃燒技術(shù)都涉及到共同的物理化學(xué)原理，即碳?xì)浠衔锛友跞紵?，釋放能量產(chǎn)生動(dòng)力，同時(shí)形成二氧化碳，并通過水蒸汽散發(fā)余熱。

近兩個(gè)多世紀(jì)以來，人類依靠化石能源燃燒的“火”建立了現(xiàn)代工業(yè)與文明。然而事實(shí)證明，這一集中式燃燒化石能源的“舊火”系統(tǒng)越來越不可持續(xù)，對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全、健康、環(huán)境的威脅也越來越大。美國(guó)洛基山研究院主席兼首席科學(xué)家Amory Lovins（盧安武）博士在2011年出版的《重新發(fā)明火》一書中指出，鑒于“舊火”系統(tǒng)對(duì)人類在地球上生存的嚴(yán)重威脅，非常有必要重新發(fā)明“火”，以“新火”代替“舊火”，徹底改造現(xiàn)有的能源系統(tǒng)。他預(yù)計(jì)，到2050年，美國(guó)經(jīng)濟(jì)將達(dá)到2010年規(guī)模的2.6倍，而通過“新火”替代“舊火”，不再需要消耗任何石油、煤炭和核電，就可為美國(guó)節(jié)約5萬億美元的能源開支，且這一切可以完全利用現(xiàn)有的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，不需要任何政府補(bǔ)貼和國(guó)會(huì)法案的支持。

這里的“新火”即指那些不需要燃燒碳?xì)浠衔锞湍軌颢@取能量的技術(shù)手段，主要包括源于地上的節(jié)能和可再生能源，廣義層面也包括挖自地下的地?zé)岷秃四?，即我們常說的“零碳”能源。然而，以零碳能源代替化石能源來解決CO2排放問題，與CO2的關(guān)系是間接的。由于當(dāng)前CO2排放的主要來源是化石能源燃燒，因此有必要直接就CO2排放問題開展一些理論探索，如化石能源能否不通過燃燒來獲取能量？有沒有好的辦法來消除CO2對(duì)大氣的影響？化石能源燃燒的過程是否可逆？能否通過“逆燃燒”的辦法，將CO2和水合成為碳?xì)浠衔铮?/p>

此外，燃燒過程產(chǎn)生大量的廢熱，除了可以梯級(jí)利用部分之外，大多數(shù)還是通過水吸熱相變，從液態(tài)變成氣態(tài)，并以水蒸氣的形式散發(fā)到空氣中。有沒有可能通過“逆蒸汽機(jī)”的方法，將這些水蒸汽冷凝成液態(tài)水，從而釋放熱量，為我所用？

回答上述問題，筆者認(rèn)為答案無疑是肯定的。

■化石能源能否不通過燃燒獲取能量？能！燃料電池就是通過非燃燒的方式從化石能源中獲取能量。

■能否消除CO2對(duì)大氣的影響？能！碳捕獲、利用和封存(CCUS)技術(shù)就是基于這個(gè)問題來發(fā)展起來的，核心是轉(zhuǎn)換利用，而不是簡(jiǎn)單的地質(zhì)封存。

■能否通過“逆燃燒”的辦法，將CO2和水合成為碳?xì)浠衔?？能！這方面的技術(shù)進(jìn)展非?？焖?，并且有望很快得到商業(yè)化推廣。北京光合新能公司的等離激元技術(shù)，就是利用工業(yè)廢熱或太陽能光熱，在常溫常壓下將CO2和水低成本地合成為碳?xì)浠衔?，該技術(shù)目前正在中試階段。

■能否通過“逆蒸汽機(jī)”的方法，將燃燒過程產(chǎn)生的大量水蒸汽冷凝成液態(tài)水，從而釋放熱量，為我所用？能！這方面我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；茝V的階段了。北京國(guó)際能源專家俱樂部2017年評(píng)估與推廣過的湖南東尤水汽能技術(shù)就是將空氣中的水蒸汽進(jìn)行冷凝放熱，并通過熱泵技術(shù)提前所釋放的熱量，給政府辦公大樓、醫(yī)院和廠房提供取暖和制冷服務(wù)，成本比常規(guī)燃?xì)馊∨椭醒肟照{(diào)要低很多。這一技術(shù)在湖南已經(jīng)有了多個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的案例實(shí)證。

筆者認(rèn)為，工業(yè)化時(shí)代是通過蒸汽機(jī)燃燒化石能源“賣碳”方式來支持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與CO2排放成正比。與此模式相反，碳中和時(shí)代需要通過減碳來支持經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)要與CO2成反比，形成越來越大的剪刀口。在新模式下，我們需要更多的“逆燃燒”和“逆蒸汽機(jī)”技術(shù)。

03 能源系統(tǒng)學(xué)基礎(chǔ)：碳中和要在保障能源與原材料供應(yīng)安全的基礎(chǔ)上，注重系統(tǒng)優(yōu)化，穩(wěn)步有序推進(jìn)

能源系統(tǒng)一直有兩個(gè)重要的職能：一是為人類活動(dòng)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(dòng)力；二是通過能源化工，提供人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。國(guó)際能源署在2018年發(fā)布的《石化行業(yè)的未來》報(bào)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(fèi)的14%和天然氣消費(fèi)的8%。然而，因?yàn)樗峁┑氖腔ぎa(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(shí)，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(guó)，按照楊芊等測(cè)算，現(xiàn)代煤化工行業(yè)已經(jīng)占到2020年全國(guó)煤炭消費(fèi)總量的3.9%并還呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2025年將提高至6.7%-6.9%。

在未來的人類發(fā)展進(jìn)程中，我們不僅擺脫不了對(duì)碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對(duì)碳基材料與產(chǎn)品的需求會(huì)與日俱增。塑料是最典型的高碳化合物，也是全球使用最普遍的物資。從1950年到2015年，全球塑料產(chǎn)量從200萬噸飆升至4.07億噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4%。截至2019年底，中國(guó)的初級(jí)塑料產(chǎn)品累積總量已經(jīng)達(dá)到10億噸。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系統(tǒng)提供，未來靠什么來替代？在能源系統(tǒng)低碳化的進(jìn)程中，正確處理能源系統(tǒng)的能源服務(wù)和碳基材料兩重性對(duì)于能源轉(zhuǎn)型的路徑設(shè)計(jì)尤為重要。

隨著地球上人口的繼續(xù)增長(zhǎng)和生活水平的提高，人類對(duì)電力、熱力和交通移動(dòng)力這三項(xiàng)能源服務(wù)的需求以及對(duì)碳基化工產(chǎn)品的需求都在上升。碳中和的能源系統(tǒng)學(xué)基礎(chǔ)是在滿足這些需求的前提下，如何把能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換和最終使用過程中所產(chǎn)生的CO2排放降到最低，且整個(gè)過程具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

換言之，能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的邊界條件是保障能源供應(yīng)安全，滿足碳基化合物的需求，并且具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，即能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型不應(yīng)以犧牲經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展和降低人民生活福祉為代價(jià)。

從供應(yīng)側(cè)看，張映紅從人類文明發(fā)展的不同紀(jì)元角度，將能源轉(zhuǎn)型分為代際轉(zhuǎn)型（如農(nóng)業(yè)文明紀(jì)元的傳統(tǒng)可再生能源體系向工業(yè)文明紀(jì)元的化石能源體系轉(zhuǎn)型）和代內(nèi)轉(zhuǎn)型（如化石能源體系內(nèi)的煤炭時(shí)代向石油時(shí)代轉(zhuǎn)型），認(rèn)為目前我們正處于從工業(yè)文明紀(jì)元的化石能源體系向未來智慧文明紀(jì)元的核聚變能源體系的代際轉(zhuǎn)型與化石能源體系內(nèi)石油時(shí)代向天然氣時(shí)代的代內(nèi)轉(zhuǎn)型的重疊期。對(duì)于未來有戰(zhàn)略布局的世界主要國(guó)家而言，成功的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型就是通過新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，在保障國(guó)家能源可持續(xù)、科技可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、環(huán)境可持續(xù)、文明可持續(xù)基礎(chǔ)上，借助新的能源優(yōu)勢(shì)創(chuàng)建更先進(jìn)的能源文明，并能通達(dá)終極能源安全。

通過分析美國(guó)、德國(guó)和日本1965-2019年能源結(jié)構(gòu)的變化，張映紅發(fā)現(xiàn)，那些謀劃未來戰(zhàn)略布局的發(fā)達(dá)國(guó)家在能源轉(zhuǎn)型問題上是比較謹(jǐn)慎的，僅將一次能源消費(fèi)總量的40%～50%用于轉(zhuǎn)型（美國(guó)只有50.3%的能源參與能源轉(zhuǎn)型，德國(guó)只有40.6%，日本只有44%），剩下的是保障能源安全、不參與能源轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)能源。基礎(chǔ)能源主要選擇國(guó)家能源技術(shù)和/或能源資源控制能力較強(qiáng)、傳統(tǒng)能源工業(yè)基礎(chǔ)成熟的中低碳或零碳能源系列（例如美國(guó)的水電、石油和核能），而那些國(guó)家能源資源不足、能源獲取風(fēng)險(xiǎn)高、受國(guó)際能源市場(chǎng)影響明顯的國(guó)家，則采用籠統(tǒng)指標(biāo)，限定用于轉(zhuǎn)型的比例范圍（如日本），根據(jù)國(guó)際能源市場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。能源轉(zhuǎn)型過程中，替代方多為天然氣和可再生能源，被替代方主要為煤炭、燃油發(fā)電、老化的傳統(tǒng)核能，或比例過高的化石能源?？傮w上，發(fā)達(dá)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型是一國(guó)一策，根據(jù)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征、能源資源稟賦、能源工業(yè)基礎(chǔ)、能源技術(shù)實(shí)力等，確定能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模式和路線。

由此可見，發(fā)達(dá)國(guó)家的能源轉(zhuǎn)型也是以保障能源安全為基礎(chǔ)的，在特定的時(shí)期選擇一定比例的能源參與能源轉(zhuǎn)型，而不是一股腦兒將全部的能源都投入進(jìn)去。

從需求側(cè)看，電力、熱力和交通移動(dòng)力這三項(xiàng)能源服務(wù)需求各有特色。電力從負(fù)荷到電源已經(jīng)形成了高度復(fù)雜的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里，各種電源與多樣化負(fù)荷，中間的電網(wǎng)以及起著調(diào)節(jié)功能的儲(chǔ)能設(shè)施，在現(xiàn)代信息通信技術(shù)的調(diào)控下，形成了相互關(guān)聯(lián)的互動(dòng)效應(yīng)。電力來源的多樣性給電力系統(tǒng)的去碳化提供了可能。一方面是以不排放CO2的非化石發(fā)電技術(shù)（水、核、風(fēng)、光等）來替代化石能源燃燒發(fā)電，使得電源更加清潔；另一方面是對(duì)化石能源電廠所排放的CO2進(jìn)行捕集、利用與封存，消除CO2過量排放產(chǎn)生的負(fù)面影響。前者的優(yōu)勢(shì)在于資源非常廣泛且隨著技術(shù)進(jìn)步，既可依靠“電從遠(yuǎn)方來”，又可實(shí)現(xiàn)“電從身邊取”，并且就近取電的相關(guān)成本已經(jīng)大幅度下降；劣勢(shì)在于分光等可再生能源能量密度低且不穩(wěn)定，雖然通過儲(chǔ)能和氫能的調(diào)節(jié)可以增加穩(wěn)定性，但實(shí)現(xiàn)100%可再生電源供應(yīng)還需時(shí)日。后者的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高且可穩(wěn)定運(yùn)行，但需要在CCUS（碳捕捉、封存與利用）方面取得突破。

電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是如何在低碳轉(zhuǎn)型過程中如何確保供應(yīng)安全，特別是在分布式能源大規(guī)模接入，數(shù)字技術(shù)大量滲透，氣候變化引起的極端事件越來越頻繁的時(shí)代，如何保持強(qiáng)大的系統(tǒng)韌性。

在未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)可行的解決方案還在于可再生能源和化石能源的組合，兩者之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，逐步實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)從化石能源為主向可再生能源為主的過渡。在過渡期內(nèi)，通過技術(shù)創(chuàng)新，或找到能夠克服可再生能源劣勢(shì)的新型發(fā)電技術(shù)（如小型可控核聚變），或找到可以克服化石能源CO2排放問題的新技術(shù)（如CCUS）。短時(shí)間內(nèi)一步跨入100%可再生電力時(shí)代的想法既不現(xiàn)實(shí)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面也很難實(shí)現(xiàn)。落實(shí)中央提出的“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”任務(wù)，不僅需要在技術(shù)創(chuàng)新方面加大投入，還需要在電力體制、商業(yè)模式和投融資機(jī)制等方面加大創(chuàng)新力度。

電力之外，熱力和交通交通移動(dòng)力也需要在滿足需求的前提下，采用最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的去碳化途徑。

熱力需求的核心是溫度要對(duì)口（有些應(yīng)用也需要壓力對(duì)口），高溫工業(yè)過程（如發(fā)電）產(chǎn)生的余熱完全可以是其他中低溫過程所需要的熱能。著名工程熱物理學(xué)家吳仲華【5】結(jié)合熱力學(xué)的第一和第二定律，提出的“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的能量利用16字原則，至今對(duì)于熱能的循環(huán)利用還具有重要的指導(dǎo)意義。建筑物的暖通需求是能耗和碳排放大戶，應(yīng)同時(shí)做好通過“被動(dòng)房”和“主動(dòng)房”技術(shù)提升建筑物能效，優(yōu)化建筑物用能結(jié)構(gòu)。

交通領(lǐng)域亦需要通過電氣化與氫燃料電池等技術(shù)路徑，并在全社會(huì)提倡低碳出行盡可能減少燃油消費(fèi)等，積極打造綠色交通體系。但需要注意的是，航空與海運(yùn)領(lǐng)域在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，還需要液態(tài)燃料來驅(qū)動(dòng)。包括生物質(zhì)燃料在內(nèi)的“零碳”燃料，或者說是“碳中和燃料”將扮演重要角色。

綜上，從能源系統(tǒng)視角，可以看到從單個(gè)能源產(chǎn)業(yè)角度無法看到的現(xiàn)實(shí)，從而避免一些片面的做法。這里涉及的幾個(gè)核心問題包括：

首先，由于化石能源一直擔(dān)負(fù)著能量提供與材料提供的雙重功能，系統(tǒng)分析要求我們?cè)谀芰康牡吞嫁D(zhuǎn)型后，必須要為材料的供應(yīng)尋找新的可行途徑?；谶@一點(diǎn)，那些認(rèn)為未來社會(huì)全部由電力驅(qū)動(dòng)的觀點(diǎn)就站不住腳，100%電氣化或者電力加氫能的碳中和技術(shù)路徑就可能是一個(gè)戰(zhàn)略誤區(qū)。從這個(gè)角度看，中央提出“構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)”，而不是“構(gòu)建以新能源為主體的能源系統(tǒng)”，是非?？茖W(xué)合理的。

其次，能源低碳化轉(zhuǎn)型要在保障能源安全的前提下穩(wěn)妥進(jìn)行，可參照發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在未來一定時(shí)期（如10-20年）內(nèi)，將一定比例（如60%）的能源作為保障能源供應(yīng)安全的基礎(chǔ)能源，拿出剩余的部分參與能源轉(zhuǎn)型，主要用可再生能源、天然氣和核電來代替煤電。由于我國(guó)基本沒有燃油發(fā)電，而且油氣具有良好的工業(yè)基礎(chǔ)，在核聚變工業(yè)化突破之前，石油需要力求總量穩(wěn)定，為煤炭的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和核能發(fā)展贏得時(shí)間和空間。天然氣要穩(wěn)中有升，對(duì)石油進(jìn)行有序替代，確保油氣行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，最終向零碳過渡。這樣分步滾動(dòng)實(shí)施碳中和計(jì)劃，而不是一步到位。

第三，電力、熱力或交通移動(dòng)力是人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)所需要的能量服務(wù)。對(duì)于節(jié)能減碳而言，提高“有用能量”占總消耗能量的比例，即提高能效，可以減少能源浪費(fèi)，進(jìn)而減少碳排放。這就要求相關(guān)技術(shù)設(shè)備在設(shè)計(jì)指標(biāo)方面更加精確、嚴(yán)苛，盡可能提高各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化和傳輸效率，甚至可以按照有用能量的概念重新設(shè)計(jì)耗能設(shè)備，以此反推能源轉(zhuǎn)化和供應(yīng)系統(tǒng)的合理性。這就是為什么在很多耗能領(lǐng)域存在巨大節(jié)能空間的原因。2016年，北京國(guó)際能源專家俱樂部對(duì)杭州泵浦公司的循環(huán)水節(jié)能技術(shù)開展了評(píng)估與推廣工作。按該公司介紹，我國(guó)的化工、電廠、冶金行業(yè)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，80%以上的循環(huán)水系統(tǒng)具備15%以上的節(jié)能潛力。

第四是重視對(duì)電、熱、冷等多種用能需求的集成與優(yōu)化，提高能量的綜合利用效率，降低碳排放。

能源系統(tǒng)的特征是任何一種資源都可提供多樣的能源服務(wù)，而任何一種能源服務(wù)都可由不同的能源資源來提供。這就需要圍繞著某一需求，或者某個(gè)客戶，針對(duì)其能量需求對(duì)不同技術(shù)和資源進(jìn)行集成優(yōu)化、梯級(jí)利用，提升整體效率，降低碳排放和客戶綜合成本。并通過先進(jìn)技術(shù)對(duì)各種資源進(jìn)行整合，促進(jìn)傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向更高效、更安全、更清潔、更智能、更協(xié)調(diào)的現(xiàn)代能源體系轉(zhuǎn)變。

第五是重視數(shù)字技術(shù)的推廣應(yīng)用。當(dāng)前，數(shù)字技術(shù)正在以“互聯(lián)網(wǎng)+”為主要手段的第一階段向以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和區(qū)塊鏈等為主要手段的第二階段進(jìn)軍，更多的行業(yè)將被新的數(shù)字化浪潮重塑。數(shù)字技術(shù)作為新的生產(chǎn)力，可推動(dòng)不同種類能源在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置，構(gòu)建電力、天然氣、熱力與互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商之間互惠共贏的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，這對(duì)提高能源系統(tǒng)整體能效，降低CO2排放起著關(guān)鍵作用。建議國(guó)家在電力系統(tǒng)現(xiàn)有“能源互聯(lián)網(wǎng)”的整體架構(gòu)基礎(chǔ)上，籌劃能源化工領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展的整體架構(gòu)，明確重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域與試點(diǎn)項(xiàng)目。

第六是全局優(yōu)化。能源系統(tǒng)是一個(gè)互聯(lián)互通的體系，碳中和戰(zhàn)略需要全局考慮，不能只考慮局部?jī)?yōu)化。如將數(shù)據(jù)中心這樣的電耗“巨獸”轉(zhuǎn)移到可再生能源富足的西部，必將導(dǎo)致西電東送電量減少；在內(nèi)蒙古牧區(qū)“一刀切”禁止新上發(fā)電項(xiàng)目有可能會(huì)影響到東北和華北的電力供應(yīng)。碳中和在需求側(cè)應(yīng)強(qiáng)化節(jié)能工作，充分開發(fā)身邊的可利用資源，在供應(yīng)側(cè)還應(yīng)整合各類低碳要素資源，跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨地區(qū)進(jìn)行協(xié)同、有序、穩(wěn)步推進(jìn)。碳中和在路徑上也應(yīng)多元化，而不是過分依賴某一技術(shù)路徑。

此外，能源基礎(chǔ)設(shè)施是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，可以通過城市規(guī)劃及智慧城市建設(shè)，將水、電、通訊、交通、生活垃圾處理等城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行集成優(yōu)化，產(chǎn)生融合效應(yīng)。

04 經(jīng)濟(jì)學(xué)基礎(chǔ)：應(yīng)為碳排放減量化設(shè)計(jì)一個(gè)全新商業(yè)模式，鼓勵(lì)全民參與

經(jīng)濟(jì)學(xué)決定商業(yè)模式，而商業(yè)模式是保證一個(gè)事業(yè)能否以市場(chǎng)化方式推進(jìn)的決定性要素。

在傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)里，環(huán)境污染問題，包括碳排放問題，都是作為生產(chǎn)與消費(fèi)過程所產(chǎn)生的外部影響來考慮的。將上述外部影響內(nèi)部化的主要途徑包括：（1）通過政府法規(guī)，對(duì)這些外部影響進(jìn)行收費(fèi)，提高生產(chǎn)與消費(fèi)過程的成本；（2）認(rèn)可生產(chǎn)與消費(fèi)過程中外部影響不可避免，給予生產(chǎn)企業(yè)一定量的排放權(quán)，并允許他們之間進(jìn)行排放權(quán)交易。

碳中和的核心是減少CO2排放，但是當(dāng)排放量規(guī)模巨大，就無法通過將CO2當(dāng)作一個(gè)正常生產(chǎn)消費(fèi)過程的外部影響來實(shí)現(xiàn)減排了，應(yīng)為碳排放的減量化設(shè)計(jì)一個(gè)全新的商業(yè)模式。這就涉及到供需關(guān)系及定價(jià)問題。

由于碳排放源來自社會(huì)的方方面面，國(guó)家可以在全國(guó)層面設(shè)定一個(gè)減排的目標(biāo)值，形成全國(guó)總需求，推動(dòng)企業(yè)實(shí)體去落實(shí)，在核實(shí)減排量的情況下，或按照國(guó)家規(guī)定的價(jià)格給予回報(bào)，或給予企業(yè)減排量認(rèn)證，讓企業(yè)到相關(guān)市場(chǎng)上通過交易產(chǎn)生價(jià)格，獲取回報(bào)。這就是全國(guó)碳市場(chǎng)的基本邏輯。

國(guó)家也可以通過行政手段，將減排總量分解下達(dá)給省市等行政主體和企業(yè)等商業(yè)主體，這些主體有了硬性減排量指標(biāo)后，就有了對(duì)解決方案的需求?；谶@些需求就可以形成供應(yīng)，通過解決方案之間的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)低碳技術(shù)創(chuàng)新，并引導(dǎo)資本投向創(chuàng)新型技術(shù)解決方案。

在碳中和的經(jīng)濟(jì)范式下，有以下四個(gè)話題很值得經(jīng)濟(jì)學(xué)界研究：

首先是相比于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)里圍繞著人的衣食住行等自然需求，碳中和下的經(jīng)濟(jì)理論將是基于國(guó)家代表人民的集體利益而人為創(chuàng)造的需求，且這一需求與之前自發(fā)的商品及服務(wù)需求是相反的。

在之前的模式里，企業(yè)通過消耗能源，排放CO2，對(duì)物品進(jìn)行加工形成產(chǎn)品，賣給客戶。這一過程中，碳排放是價(jià)值創(chuàng)造的一部分，產(chǎn)品中都有自己的“碳足跡”，企業(yè)在某種程度上說是“賣碳翁”，多賣碳多賺錢，具體項(xiàng)目大多是資本和資金密集型的大型項(xiàng)目，如煉油廠和發(fā)電廠，做的是加法。

而在碳中和模式下，企業(yè)要成為“減碳翁”或“埋碳翁”，不能再依靠上大項(xiàng)目賺錢，而是要重視對(duì)現(xiàn)有的項(xiàng)目進(jìn)行低碳化改造，做的主要是減法。這是一個(gè)全新的經(jīng)濟(jì)范式。能否利用現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)學(xué)體系來支撐這一范式的落實(shí)？筆者認(rèn)為在理論上還需要繼續(xù)探討。

其次是以邊際成本定價(jià)（即滿足最后一個(gè)需求的邊際生產(chǎn)成本，一般較高）的傳統(tǒng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論，如何適應(yīng)零邊際成本時(shí)代？不僅是數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展使得信息的復(fù)制和傳輸是零邊際成本，現(xiàn)有太陽能與風(fēng)力項(xiàng)目發(fā)電的邊際成本也是零。傳統(tǒng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論的零邊際成本定價(jià)機(jī)制對(duì)應(yīng)的是流水線生產(chǎn)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，然而在進(jìn)入小規(guī)模定制時(shí)代（能源系統(tǒng)也將如此）的當(dāng)下，傳統(tǒng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)如何適應(yīng)，政府的監(jiān)管和治理方式又該如何調(diào)整，值得深入研究。

第三是如何處理好個(gè)人利益和集體利益的關(guān)系。這里涉及到帕累托最優(yōu)（Pareto optimality）在碳中和時(shí)代的應(yīng)用。帕累托最優(yōu)的核心思想是，個(gè)體利益的最大化會(huì)促使整個(gè)社會(huì)利益的最大化，當(dāng)社會(huì)發(fā)展到一定程度，使得在不損害任何其他人利益的情況下已經(jīng)無法改善某些人的境況，那么整個(gè)社會(huì)就達(dá)到了最優(yōu)的境界。個(gè)體利益最大化會(huì)促使社會(huì)整體利益最大化，這一思想可以說是200多年來市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總則，但前提是資源可以充分獲得，個(gè)人和社會(huì)的發(fā)展都沒有外部約束。在碳中和背景下，社會(huì)整體有了一個(gè)非常強(qiáng)大的約束，如何將這一約束傳遞到個(gè)人，值得深入研究。

第四是如何讓人人都參與到碳中和這場(chǎng)人類自救的偉大運(yùn)動(dòng)中來。在傳統(tǒng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)里，滿足人的個(gè)體需求是最終的。而在碳中和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)里，個(gè)體不是需求主體，但仍然需要找到能夠讓個(gè)體都參與的方式。

筆者研究認(rèn)為，減少一個(gè)經(jīng)濟(jì)體的碳排放需要通過能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型來降低單位能量的碳排放、降低單位GDP部門活動(dòng)量（如塑料消費(fèi)總量、飛機(jī)出行總量）、降低單位活動(dòng)量能耗，同時(shí)要調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，特別是消費(fèi)結(jié)構(gòu)。而部門活動(dòng)量取決于人均活動(dòng)量，消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整也涉及到人的消費(fèi)傾向，因此減碳工作要“以人為本”，鼓勵(lì)全民參與，倡導(dǎo)節(jié)能減碳的文化氛圍。這與3月15日中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)在討論落實(shí)“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略部署時(shí)強(qiáng)調(diào)的“要把節(jié)約能源資源放在首位，實(shí)行全面節(jié)約戰(zhàn)略，倡導(dǎo)簡(jiǎn)約適度、綠色低碳生活方式”完全契合。

05 社會(huì)學(xué)基礎(chǔ)：有效組織+保障公平，提升系統(tǒng)意識(shí)避免顧此失彼

3月15日召開的中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。這一論述非常深刻。既然涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的系統(tǒng)性變革，就需要在社會(huì)學(xué)與系統(tǒng)論兩個(gè)層面下功夫，研究變革的社會(huì)動(dòng)力與系統(tǒng)性問題。

碳中和的社會(huì)學(xué)主要涉及兩個(gè)方面：一是有效組織社會(huì)各方參與到碳中和中來；二是保障公平性，讓即使被淘汰出局的行業(yè)（如煤炭）也有積極性參與碳中和工作。兩者之間，保障公平性無疑最為關(guān)鍵。公平性涉及到不同地區(qū)、不同城市、不同行業(yè)之間的公平參與，需要特別關(guān)注煤炭行業(yè)的市場(chǎng)退出問題。

碳中和的系統(tǒng)性工作也需要整個(gè)社會(huì)的運(yùn)營(yíng)方式從“工程項(xiàng)目意識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭鐣?huì)的系統(tǒng)意識(shí)”，避免以傳統(tǒng)的思路上一大堆工程項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)碳中和的模式，以及由此可能造成的“顧此失彼”。

06 十個(gè)方面著力，建立符合中國(guó)國(guó)情的碳中和理論體系

基于以上理論探索，筆者認(rèn)為建立基于科學(xué)原理、符合中國(guó)國(guó)情且體現(xiàn)東方智慧的碳中和理論體系框架，至少需要包含以下十個(gè)方面的內(nèi)容：

一是應(yīng)將碳中和問題聚焦于CO2的過量排放上。正確理解碳元素對(duì)于人類社會(huì)生存與發(fā)展的重要性，以及碳和二氧化碳的關(guān)系，圍繞著問題的本身即CO2的過量排放，來尋找氣候變化問題的解決方案，而不是不顧青紅皂白，“逢碳必反”，極端冒進(jìn)。

二是以科學(xué)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。這個(gè)方案包括循環(huán)和資源化利用，而不是簡(jiǎn)單粗暴、“事倍功半”地對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)封存。任何垃圾都是放錯(cuò)了位置的有用資產(chǎn)，CO2也是如此。解決CO2問題在于全面系統(tǒng)性調(diào)理。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(duì)抗式封存大行其道且面臨困境時(shí)，何不努力開發(fā)基于中醫(yī)疏通調(diào)理，通過轉(zhuǎn)換利用的中國(guó)方案呢？

三是碳中和不應(yīng)以犧牲經(jīng)濟(jì)的合理發(fā)展和老百姓的生活福祉為代價(jià)。按照中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)的要求，“以系統(tǒng)觀念推進(jìn)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(jì)系統(tǒng)之間的顧此失彼。碳中和的路徑設(shè)計(jì)要以保障能源與碳基化合物材料供應(yīng)安全，支持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展為邊界條件。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。在能量去碳化的進(jìn)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。

四是采取漸進(jìn)而不是冒進(jìn)的方法來解決問題。在碳中和路徑設(shè)計(jì)上，整體考慮人類文明的發(fā)展進(jìn)程，從大國(guó)戰(zhàn)略布局的角度，充分考慮保障能源安全的重要性，分時(shí)期設(shè)定基礎(chǔ)能源和轉(zhuǎn)型能源的比例，按照多元的技術(shù)路徑來穩(wěn)步推進(jìn)。在方案設(shè)計(jì)上，不追求在今天就要做出非常完美的解決方案，而是讓這些不完美為未來技術(shù)進(jìn)步留下空間。如，可先對(duì)高濃度的CO2進(jìn)行轉(zhuǎn)換利用，實(shí)現(xiàn)增量減排；再?gòu)目諝庵胁都⑥D(zhuǎn)換利用，實(shí)現(xiàn)CO2的循環(huán)利用；之后才是從空氣中捕獲并轉(zhuǎn)換成可以封存的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)地球降溫減排。通過動(dòng)態(tài)地制定與執(zhí)行各行各業(yè)的碳中和技術(shù)路徑，充分技術(shù)進(jìn)步所需要的時(shí)間，讓未來的技術(shù)在今天的碳中和解決方案中繼續(xù)孵化，并建立能夠隨著時(shí)間的推移，不斷吸納新技術(shù)的體制機(jī)制和商業(yè)模式。

五是以全局而非局部視覺，審視整個(gè)能源系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型。應(yīng)高度重視現(xiàn)有能源系統(tǒng)能量與物質(zhì)的兩重性，在能源服務(wù)低碳化轉(zhuǎn)型的過程中，保障社會(huì)對(duì)碳基化工原材料持續(xù)增長(zhǎng)的需求，避免“100%電氣化”或“電加氫包打一切”的戰(zhàn)略誤區(qū)。此外，應(yīng)高度重視能源系統(tǒng)集成優(yōu)化。吳仲華先生提出的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的“總能系統(tǒng)”效率概念，超越了單一過程和單一設(shè)備的能效提高，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體優(yōu)化，而不是片面單一的效率最大化，充滿中國(guó)智慧，對(duì)于今天的碳中和工作還有很高的指導(dǎo)價(jià)值，并且今天我們還具備了更好的數(shù)字技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)吳老先生強(qiáng)調(diào)的總能系統(tǒng)效率。

六是支持并鼓勵(lì)所有零碳低碳技術(shù)在實(shí)現(xiàn)碳中和的過程中發(fā)揮作用。這些技術(shù)包括節(jié)能，氫能、電動(dòng)汽車、可再生能源，核能、儲(chǔ)能，CCUS等技術(shù)，可通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和一視同仁的政策支持實(shí)現(xiàn)各類技術(shù)在中國(guó)這個(gè)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。充分利用中國(guó)在可再生能源、儲(chǔ)能及電解槽裝備制造及數(shù)字化領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，打造具有中國(guó)優(yōu)勢(shì)的碳中和技術(shù)解決方案。在碳中和戰(zhàn)略規(guī)劃過程中，要為未來技術(shù)的應(yīng)用留下空間。

七是在經(jīng)濟(jì)模式上重視發(fā)揮政府可見之手的“推動(dòng)”和市場(chǎng)看不見之手的“拉動(dòng)”作用。通過可見的手來創(chuàng)造減碳的需求，再通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來鼓勵(lì)創(chuàng)新技術(shù)解決方案，推拉結(jié)合，“雙手”合力，促進(jìn)碳中和目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

八是重視技術(shù)創(chuàng)新與體制創(chuàng)新并舉。及時(shí)對(duì)不適應(yīng)新的經(jīng)濟(jì)范式，不利于新技術(shù)應(yīng)用與推廣，不利于碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的體制機(jī)制進(jìn)行改革，建立一整套新的規(guī)范與機(jī)制。

九是關(guān)注低碳轉(zhuǎn)型的公平性。避免新能源與傳統(tǒng)能源的兩極分化，通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)制，讓被淘汰的行業(yè)企業(yè)體面地退出，保障社會(huì)的穩(wěn)定和從業(yè)人員的妥善安置。

十是突破傳統(tǒng)思維與認(rèn)識(shí)對(duì)創(chuàng)新特別是技術(shù)創(chuàng)新的羈絆。適應(yīng)碳中和時(shí)代的減碳需求及其與工業(yè)化時(shí)代發(fā)展模式相反的特征，大膽地就逆蒸汽機(jī)、逆燃燒、從地下到地上，從供應(yīng)側(cè)到需求側(cè)等逆向技術(shù)工程開展研發(fā)，探索建立一個(gè)能夠在保障能源供應(yīng)安全與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的全新技術(shù)范式。

以上十個(gè)方面構(gòu)成了中國(guó)特色的碳中和理論基礎(chǔ)框架。希望本文的拋磚引玉，能夠推動(dòng)更多同行就這些問題開展進(jìn)一步研究，進(jìn)而為中國(guó)碳中和這場(chǎng)事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的偉大實(shí)踐，提供具有指導(dǎo)意義的理論基礎(chǔ)。

原標(biāo)題:建立基于科學(xué)、符合國(guó)情、體現(xiàn)東方智慧的碳中和理論體系