新能源在碳中和中的地位与作用

 

研究背景：

2018 年10月，联合国政府间气候变化门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称 IPCC）提出了碳中和的目标，到本世纪末将全球气温升高控制在1.5℃。

人类活动导致的二氧化碳排放主要来源于化石燃料消费。

发展新能源，实现能源转型，降低化石能源消费，构建绿色低碳的能源体系，是降低二氧化碳排放，实现全球碳中和的重要举措之一。

研究结论：

1、碳中和是人类应对全球气候变化达成的共识，世界各国积极承诺实现碳中和目标。

碳替代、碳减排、碳封存、碳循环是实现碳中和的 4 种主要途径，碳替代是实现碳中和的中坚力量，预计到 2050 年将贡献 47%的二氧化碳减排量。

2、 碳中和进程加速了全球能源从化石能源向新能源转型，新能源已成为第 3 次能源转换主角，未来将在碳中和发挥主导作用。

预计 2030 年是新能源发展的转折年，新能源成本下降至可与化石能源相竞争；

2030— 2050 年新能源将大规模推广应用，碳排放下降趋势加快。

2050 年全球大部分地区和国家将实现碳中和，新能源走上能源舞台中央成为主体能源。

预计到 2100 年以前，能源消费结构由现阶段的四分天下转变为 一大三小新格局（一大为新能源，三小为 煤炭、石油、天然气）。

未来中国也将逐步向世界能源 消费结构新趋势靠拢发展，实现从现阶段一大三小 （一大为煤炭，三小为石油、天然气、新能源）向三小一大（三小为煤炭、石油、天然气，一大为新能源）跨越。

加快氢能、新材料储能、可控核聚变等颠覆性技术攻关及工业化，以新能源为主实 现中国能源独立战略，为宜居地球、绿色地球作 出贡献。

分析思路：

1、全球碳中和概况

（1） 碳的类型

（2）碳中和的内涵及意义

（3）碳中和的进展与做法（表1）

2、碳中和面临的主要挑战与对策

（1）全球碳排放现状（图1、图2）

（2）碳中和面临的主要问题

（3）实现碳中和的对策（图3）

3、新能源在碳中和进程中的重要地位

（1）新能源是第 3 次能源转换的主角（图4、图5）

（2）新能源是碳中和的主导（图6）

（3）新能源在碳中和进程中的作用

4、中国碳中和实施路径

（1）中国碳中和目标与路线图（图7）

（2）中国碳中和实施路径（表2、图8、图9）

图文说明：

1、全球碳中和概况

（1）碳的类型

将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为灰碳；

将无法被固定或利用，并留存在大 气圈中的二氧化碳定义为黑碳。

碳中和主要目的是减 少大气圈中黑碳含量，逐步恢复绿色地球碳循环 平衡，保护人类赖以生存的生态环境，建设宜居地球。

（2）碳中和的内涵及意义

IPCC 发布的《全球升温 1.5 ℃特别报告》指出，碳中和（Carbon-neutral）是指 1 个组织在 1 年内的二氧化碳排放通过二氧化碳消除技术达到平衡，或称为 净零二氧化碳排放（netzero CO2 emissions）。

碳中 和目标是到 2030 年全球二氧化碳排放量比 2010 年下降约 45%，到 2050 年实现净零二氧化碳排放。

碳中和的首要任务是到本世纪末将全球气候变暖控制在 1.5 ℃。碳中和不仅控制气候变化，也是人类 保护生态环境的根本措施，有助于保护生物多样性和生态系统，避免更多的物种灭绝。碳中和加速了能源 系统的低碳绿色转型，为全球带来新的经济增长点。

根据国际可再生能源机构（IRENA）发布的《能源转 型 2050》报告显示，碳中和为全球带来 2.4%的 GDP 额外增长，额外增加 7´106 个能源行业就业岗位等。

（3） 碳中和的进展与做法

截至 2021 年 1 月，根据英国能源与气候智库（Energy & Climate Intelligence Unit）统计显示，全球已有 28 个国家实现或承诺碳中和目标（见表 1）。

表1 各国家及地区承诺实现碳中和时间表

主要国家和地区碳中和的做法有如下几点：

①逐步退出煤发电计划。

②加快 太阳能、风能、氢能等新能源产业应用与推广。

③发展 碳封存与碳转化技术。

④出台碳定价机制，增加碳排放成本。

2、碳中和面临的主要挑战与对策

（1）全球碳排放现状

图 1 2000—2019 年全球能源相关主要大洲（a）及主要国家（b）二氧化碳排放量统计

据国际能源署（IEA）统计，2019 年全球与能源相关的二氧化碳排放量与 2018 年持平（为 333´108 t）， 前 5 名碳排放量国家分别为中国、美国、印度、俄罗 斯、日本。

亚洲的碳排放主要来自中国、印度和日本，美洲的碳排放主要来自美国、 加拿大和巴西，欧洲的碳排放主要来自俄罗斯、德国和英国，非洲的碳排放主要来自南非、埃及和阿尔及 利亚，大洋洲的碳排放主要来自澳大利亚。

图 2 2000—2019 年全球能源相关的二氧化碳排放量统计

化石燃料消费是二氧化碳排放增加的主要来源。 2003 年以来，煤炭消费一直是二氧化碳排放的第 1 大来源（见图 2）。

2019 年煤炭、石油、天然气消费所排放的二氧化碳量分别占总排量的45%、43%、22%。

电力行业是最大的碳排放行业，占总排量的 38%，其次为交通、工业和建筑等行业，分别占总排量的 24%、 23%和 9%。

（2）碳中和面临的主要问题

碳中和应对全球气候变化已成为全球共识，但在实施过程中还面临政治、资源、技术、市场、能源结 构等多方面挑战。

实现碳中和是全球性目标，需要世界各国合作应对，联合国常任理事国应率先在碳中和目标上做出表 率，但是美国和俄罗斯两个常任理事国尚未承诺实现 碳中和。

新能源技术成熟度决定了碳中和进程的快慢。太阳能、风能等新能源发电总体价格仍较煤发电高，峰 谷稳定性差，调峰技术有待进一步创新。

碳中和进程中，新能源的推广与应用取决于成本优势和应用便利程度。

目前，新能源成本逐年下降， 但相对于化石能源仍缺乏竞争力。

特别是 2020 年全球 原油价格暴跌，化石能源的成本优势对新能源转型产生不利影响。

碳中和进程中，要大幅度降低煤炭、石油等高碳化石能源消费占比，提高新能源占比。

（3）实现碳中和的对策

减少碳排放，实现碳中和的对策可以分为碳替代、碳减排、碳封存、碳循环 4 种主要途径。

碳替代主要包括用电替代、用热替代和用氢替代等。碳减排主要包括节约能源和提高能效。

碳封存是指将大型火力发电、炼钢厂、化工厂等 产生的二氧化碳收集后，运输至合适场所，利用技术手段长时间与大气隔离封存。碳循环包括人工碳转化和森林碳汇。

图 3 2020—2050 年 4 种途径对全球碳中和的贡献

针对碳替代、碳减排、碳封存、碳循环 4 种主要 碳中和对策，依据技术成熟度或与常规化石能源价格的竞争性，预测 2020—2050 年全球碳中和目标下二氧化碳减排趋势（图3）。

3、新能源在碳中和进程中的重要地位

图4 1925—2019 年全球能源结构变化趋势图

1925 年以来，全球能源变得更加清洁，除生物质 能外的新能源呈现加速发展态势。

1925—2019 年全球 能源的需求量从 14´108 t 油当量增加至 144´108 t 油当 量，增长了 10 倍，但新能源在全球能源中的占比从 0.6%增加至 15.1%，增幅达到 24 倍。

图5 2010—2019 年全球光伏发电与风力发电量

近 10 年来，全球能源技术变革显著加快，光伏发 电、风电等成本大幅下降，加速推动了能源系统绿色转型。

2010— 2019 年光伏发电量从 32 TW·h 增至 699 TW·h，年增幅达到 240%；

风力发电量从 342 TW·h 增至 1 404 TW·h，年增幅达到 45%。（图 5）

（2）新能源是碳中和的主导

图6 2019—2050 年全球能源结构变化趋势

预计 2030 年，全球一次能源量将达到峰值 156´108 t油当量，年均增长 1.2%，其中煤炭占19%、石油占 28%、天然气占 26%、新能源占 27%（图 6）。

（3）新能源在碳中和进程中的作用

太阳能、风能、水能、核能、氢能等是新能源的主力军，助力电力部门实现低碳排放。

预计到 2030 年左右，大部分新建光伏发电、风电项目平均投资水平将低于新 建煤发电厂，几乎所有亚太市场可实现光伏、风能发电成本低于煤发电。

预计到 2050 年，新能源发电可满足全球电力需求的 80%，其中光伏发电和风力发电量累计占总发电量的一半以上。

绿氢是新能源的后备军，助力工业与交通等领域进一步降低碳排放。

到 2030 年左右，绿氢有望比化石燃料制氢更具成本优势。

到 2050 年，全球氢能占终端能源消费比重有望达到 18%，绿氢技术完全成熟，大规模用于难以通过电气化实现零排放的领域，主要 包括钢铁、炼油、合成氨等工业用氢，以及重卡、船 舶等长距离交通运输领域。

4、中国碳中和实施路径

（1）中国碳中和目标与路线图

按照二氧化碳排放峰值的减排程度，分低、中、高 3 种情景预测中国 2060 年碳排放量（见图 7）。

低情景下，二氧化碳减排至峰值的 40%，排放量降低至 44´108 t；

中情景下，二氧化碳减排至峰值的 30%，排放量降低 至 33´108 t；

高情景下，二氧化碳减排至峰值的20%， 排放量降低至 22´108 t。

（2）中国碳中和实施路径

表2 中国实现碳中和路径主要途径与技术成熟度

针对中国国情，不能复制国外碳中和模式，需要制定符合中国资 源禀赋及国情的碳中和实施路线。

在实现碳中和的道 路上，中国需要在电力、工业、建筑、农业等领域共同努力，减少黑碳的排放量和发挥灰碳的可 利用性（表2）。

推进煤炭高效清洁化利用，加快清洁用能替代，提升天然气在低碳转型中桥梁作用，大力发展绿氢工业及其产业链，加大二氧化碳埋藏及封存应用与推广，发展碳转化及森林碳汇，建立市场机制控制碳排放。

图8 二氧化碳地下埋藏与封存地质模式图

图9 二氧化碳地下埋藏与封存模型

二氧化碳埋藏与封存能够实现二氧化碳大规模减排，是化石能源清洁化利用的配套技术。

中国以煤炭 为主的资源禀赋决定，必须加大二氧化碳的埋藏及封 存应用与推广，发挥其在碳中和进程中的作用，推动煤炭高效清洁化利用。

未来可利用开采油气后的枯竭 油田、气田和地下水田，形成埋藏及封存二氧化碳 的人工二氧化碳气田。

文献来源：邹才能, 熊波, 薛华庆, 郑德温, 葛稚新, 王影, 蒋璐阳, 潘松圻, 吴松涛. 新能源在碳中和中的地位与作用[J]. 石油勘探与开发, 20210409-20210409.