中国科学院院士邹才能：“碳中和”的内涵、创新与愿景

邹才能，男，1963年9月出生于重庆，1987年本科毕业于西南石油学院石油地质勘查专业，2004年获中国石油勘探开发研究院工学博士学位，2017年当选中国科学院院士。石油天然气地质学家，教授级高级工程师，非常规油气地质学理论奠基人与能源战略研究科学家。现任中国石油集团新能源首席、中国石油勘探开发研究院副院长、国家油气战略研究中心副主任、页岩气勘探开发国家地方联合工程中心学术委员会主任等。

主要从事常规-非常规油气地质理论研究与勘探实践。创建了非常规油气地质学理论，第一个发现北美以外更古老的页岩气层系和具有工业价值的纳米孔隙，首创“人工油气藏”开发概念；论证了岩性地层油气成藏机理，建立湖盆中心砂质碎屑流等沉积模式；阐明了古老碳酸盐岩大气田形成分布规律，推动了我国油气勘探战略转变与重大发现；研判世界能源发展大势，提出了“氢能中国”、中国“能源独立”、新能源在碳中和中的地位与作用等战略认识。

出版《非常规油气地质学》《新能源》等第一著者中英文专著8部，发表学术论文260余篇（其中第一作者92篇，SCI共45篇、EI共38篇），5篇论文获“中国百篇最具影响国内学术论文”。2019年起，连续三年入选爱思维尔中国高被引学者榜单。2020年入选全球前2%顶尖科学家榜单。获批4个国家标准，获国家科技进步一等奖1项与二等奖1项、省部级奖10余项、李四光地质科学奖等。

摘要：地质作用引起的全球性气候变化是地质历史时期5次全球性生物大灭绝的主要诱因之一。人类工业化活动导致生态系统遭到严重破坏，大气CO₂温室效应加剧，生存环境面临威胁与挑战。碳中和目标是人类面对气候变化危机的主动作为和共同追求，探究“碳中和学”的理论与技术内涵、科技创新体系和发展前景，具有深远的意义。研究结论认为：①碳中和体现“能源学”与“碳中和学”的理论内涵，包含碳减排、零碳、负碳、碳交易等；②碳中和催生以CCUS（碳捕集、利用和封存）/CCS（碳捕集与封存）为核心的碳工业和以绿氢为核心的氢工业等新产业；“灰碳”和“黑碳”是CO₂的两种应用属性，“碳＋”“碳－”“碳＝”是碳中和的3种产品与技术；③中国实现碳中和目标面临三大挑战：一是能源转型规模大，碳中和实现周期较短；二是能源转型过程中存在着安全不确定性、利用经济性、颠覆性技术难预测性等问题；三是转型后可能面临新的关键技术“卡脖子”和关键矿产资源“断链子”等风险；④基于目前的认知预判能源领域的十大颠覆性技术与产业包括煤炭地下气化、中低熟页岩油原位开采、CCUS/CCS、氢能与燃料电池、生物光伏发电、天基太阳能发电、光储智能微网、超级储能、可控核聚变、智慧能源互联网，同时碳中和需要实施节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略协同工程；⑤未来我国不同能源类型定位各有侧重，煤炭将发挥保障国家能源战略“储备”与“兜底”作用，石油将发挥保障国家能源安全“急需”与民生原料用品“基石”作用，天然气将发挥保障国家能源“安全”与新能源最佳“伙伴”作用，新能源将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用；⑥碳中和是绿色化工业革命、减碳化能源革命、生态化科技革命的重大实践，将为人类社会、环境与经济带来新的深刻变革；⑦碳中和进程中需遵循“技术的颠覆性突破、能源的安全性保障、经济的可行性实现、社会的稳定性可控”4项原则，重点依靠科技创新与管理变革保障国家能源“独立自主”与碳中和目标的实现，为宜居地球、绿色发展、生态文明建设做出中国贡献。

0　引言

气候变化深刻影响地球环境，这是人类共同面临的巨大挑战。为了应对全球气候变化，实现人类社会文明进步与地球生态系统的可持续发展，第21届联合国气候变化大会通过了《巴黎气候协定》，提出在2050年左右达到CO₂“净零排放”的目标，即碳中和。广义上，碳中和是指人类化石能源利用、土地利用及自然界火山喷发碳排放等碳源体系与地球碳循环系统、海洋碳溶解、生物圈碳吸收等碳汇体系间形成动态平衡；狭义上，碳中和是指一个组织、团体或个人在一段时期内CO₂的排放量，通过森林碳汇、人工转化、地质封存等技术加以抵消，实现CO₂“净零排放”。

碳中和是有效控制全球气温快速升高，推动能源利用绿色转型，促进绿色、低碳等技术进步的重要途径，是推动世界经济发展和增长的新动力。实现碳中和将改善人类赖以生存的地球生态环境，减少由人类活动引起的环境问题。2019年，世界卫生组织公布：空气污染和气候变化排在全球十大健康威胁之首。预计2030—2050年，气候变化将导致全球每年新增约25万人死于营养不良、疟疾、腹泻和气温过高，每年将有700万人过早死于癌症、中风、心脏病和肺病等疾病。碳中和将推动人类能源体系向绿色、低碳、无碳转型，实现无碳新能源对高碳化石能源的替代，带动新能源产业领域就业岗位增长和国民生产总值增加。预计到2050年，全球能源低碳转型领域年均投资将超过3.2万亿美元，累计投资将超过95万亿美元，提供超1亿个就业岗位。

碳中和是全人类的共同目标与追求，以共商共议为主体的全球协作机制是实现碳中和的前提和保障。在全世界积极推动碳中和的进程中，需以科学问题为导向开展碳中和研究。碳中和既是“能源学”和“碳中和学”的重大理论问题，又是实现人类能源利用与地球生态系统可持续发展的重大实践问题，将催生以CCUS（碳捕集、利用和封存）/CCS（碳捕集与封存）为核心的碳工业、以绿氢为核心的氢工业，推动实施节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略工程协同创新发展。

一　碳中和提出的背景

1.1　气候变化是引起地质历史时期生物大灭绝的诱因之一

地球形成距今约46亿年。38亿～35亿年前，原核生物出现，生命正式登上地球舞台；距今约600万年前，原始人类出现。自生物出现以来，地球上已经发生了5次大规模的生物大灭绝事件，分别发生在奥陶纪末、晚泥盆世、二叠纪末、三叠纪末和白垩纪末（表1）。全球气候变化引起海平面变化，产生环境—生命互馈效应，导致大量物种灭绝。其中，二叠纪末生物大灭绝事件的毁灭程度最大，大约96%的海洋生物、70%的陆地生物物种灭绝。人类出现以前，火山爆发、天体撞击地球、海洋生物变化等灾难性事件引起大气中CO2浓度发生突变，产生大气温室效应，发生全球性海平面变化、生物大灭绝等连锁效应。生物灭绝也为形成化石能源奠定基础。

表1 全球生物大灭绝事件统计表^【5-6】

1.2　大气CO₂温室效应引起全球气候变化加剧

人类进入工业化时代后，全球大气中CO₂平均浓度达到了近百万年以来的最高水平，气温不断升高，地球生态系统和人类社会发展受到严重威胁。据统计，过去80万年至工业化前（1750年前），全球大气中CO2浓度低于280×10^－6。2015年CO₂浓度突破400×10^－6，2019年CO₂浓度继续快速增长，仅4年时间突破了410×10^－6。过去70年，大气中CO₂浓度的增长率是末次冰期结束时的100倍左右，1960年末期大气中CO₂浓度年均增速为0.7×10^－6，2005—2019年间CO₂浓度年均增速达到2×10^－6，全球平均温度也比工业化前升高约1.1 ℃。未来，人类将面临全球气温上升、极端天气事件增加、海平面上升和海洋、陆地生态系统被破坏等一系列日益严重的气候变化及其连锁反应。到本世纪末，如果全球气温升高达到2 ℃，海平面高度将上升36～87 cm，99%的珊瑚礁将消失，约13%的陆地生态系统将被破坏，许多植物和动物可能濒临灭绝。

1.3　碳中和是全球应对气候变化的战略举措

目前，气候异常“突变”、地球不断“发烧”，是全人类必须共同面对的系统问题，共商共议是实现碳中和目标的必然要求。世界各国应积极采取措施，减少CO₂排放量，共同应对气候变化问题。1997年12月，在日本京都召开的联合国气候变化框架公约大会通过了《京都议定书》，并于2005年2月16日正式生效，旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球气候变暖；该协议书规定到2010年，所有发达国家的温室气体排放量要比1990年减少5.2%。2015年12月，第21届联合国气候变化大会通过《巴黎气候协定》，并于2016年11月4日起正式实施，目标是较之于工业化前，全球气温升高幅度控制在2 ℃以内，力争将升高幅度控制在1.5 ℃以内。因此，全球在2050年左右需要实现碳中和。这次气候变化大会邀请联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估全球升温1.5 ℃的影响及温室气体的排放途径。2018年10月8日，IPCC发布了《IPCC全球升温1.5 ℃特别报告》，明确了全球升温1.5 ℃的潜在影响及可能的减排路径，并提出了在可持续发展和努力消除贫困的前提下加强全球响应的建议。

二　碳中和面临的挑战

碳中和已成为全球应对气候变化的共识性目标，但实现碳中和还面临以下 5 个方面的挑战：

①全球CO₂排放总量大，大气中的平均CO₂浓度仍在持续增加；
②印度、俄罗斯等世界大国尚未承诺实现碳中和的时间；
③全球能源消费结构仍以化石能源为主，呈现煤、石油、天然气、新能源“四分天下”格局，新能源占比偏低，能源转型面临挑战；
④全球太阳能、风能等新能源资源存在间歇性、空间分布差异性，给新能源规模化发展带来了挑战；
⑤氢能、CCUS、储能等技术应用成本较高，尚未实现规模性商业化推广与应用。

我国能源消费和CO₂排放大致经历了缓慢发展（缓坡区）、快速发展（陡坡区）和平稳发展（平台区）3个阶段（图1）。1980—2001年，我国能源消费处于缓坡区，能源消费量年均新增0.43×10⁸ t标煤，CO₂排放量年均新增0.93×10⁸ t，年增CO₂排放量与年增能源消费量比值为2.2；2002—2013年，我国能源消费处于陡坡区，能源消费量年均新增2.06×10⁸ t标煤，CO₂排放量年均新增4.50×10⁸ t，年增CO₂排放量与年增能源消费量比值为2.2；2014—2020年，我国能源消费处于平台区，能源消费量年均新增1.12×10⁸ t标煤，CO₂排放量年均新增0.81×10⁸ t，年增CO₂排放量与年增能源消费量比值为0.7。目前我国能源生产与消费结构中，主体偏煤炭、油气偏轻、新能源偏少，中国实现碳中和需要将现阶段以煤炭为主的“一大三小”能源消费结构，转型为以新能源为主的“三小一大”结构，但在实施过程中将面临以下三大挑战：①能源转型规模大，碳中和实现周期较短（仅有40年左右时间），能否按期实现能源结构转型存在很大困难；②能源转型过程存在着能源供应安全的不确定性、能源利用的经济性、能源颠覆性技术的难预测性等问题；③能源转型后，以新能源为主的“三小一大”能源结构，可能面临新的关键技术“卡脖子”和关键矿产资源“断链子”等难题。

三　碳中和学的内涵

3.1　碳中和学的理论内涵

“碳中和学”是指以人类活动引起的碳排放与地球碳循环系统之间的动态平衡为目标，以无碳新能源有序替代化石能源为途径，以经济产业政策、能源技术等为内容，研究人类活动足迹对自然环境影响最小化的一门学科，是能源科学与社会科学的交叉学科。

“碳中和学”涉及能源科学，以地球、能源、人类三者相互影响与协同演化为核心的能源学研究思路，立足于地球系统演化，从时间尺度、空间尺度研究能源的形成分布、评价选区、开发利用、有序替代、发展前景等。“碳中和学”包含能源学三大核心内容：①地球系统背景下能源的形成和能源消耗对地球气候与环境的反馈，体现了地球与能源间的相互关系；②地球环境孕育人类演进和人类行为改造地球环境，体现了地球与人类间的相互关系；③人类利用技术开发能源和能源驱动人类社会进步，体现了人类与能源间的相互关系。

构建以碳中和为目标的世界能源体系是“碳中和学”的理论核心和首要任务。地球能源始于生物在太阳下的繁盛、灭绝、埋藏和演化，并与地球系统同步演进，最终转向“人造太阳”（可控核聚变），完成能源“从太阳中来、回太阳中去”的终极循环（图2）。碳中和目标下，将形成以清洁、无碳、智能、高效为核心的“新能源”＋“智能源”体系的能源发展目标：能源体系的主体要素将发生根本性转变，能源形态将从化石能源向新能源，从有碳向无碳转变。能源技术将从资源优势占主导地位的能源资源型，转变为技术优势占主导地位的能源技术型；能源结构将从以一次能源直接消费为主，调整至电气化二次能源消费为主；能源管理将从集中式利用，发展为智能化平衡用能。碳中和目标符合能源学研究主旨，从资源角度揭示地球系统内化石能源与非化石新能源共生分布关系、碳系能源与氢系能源有序接替转型、能源体系与绿色地球和谐发展的自然变化规律。

图2 地球及能源协同演化模式图^【5】

“碳中和学”也是社会科学，涉及人与自然的和谐可持续发展、人类能源利用与地球生态系统的动态平衡；既是人文社科领域的重大研究命题，也是社会科学与碳中和与时俱进的结合、拓展与创新。“碳中和学”聚焦碳中和目标下国际能源经济、能源政策和能源法律法规等经济社会领域的根本性转变，涉及社会科学领域的重大理论研究问题。当前，碳中和相关理论研究已经逐渐成为国际科技和人文研究领域的前沿课题。2010年12月1日，日本九州大学成立国际碳中和能源研究所；2017年2月27日，英国诺丁汉大学化学学院成立全球碳中和实验室；2020年12月25日，中国科学院大气物理研究所成立碳中和研究中心；2021年5月9日，西北大学联合榆林市人民政府成立榆林碳中和学院；2021年5月22日，上海交通大学成立碳中和发展研究院。

3.2　碳中和学的技术内涵

“碳中和学”的技术内涵包括人类生产生活引起的CO₂排放、捕集、利用、封存和移除的全过程及其相关的技术体系。首先，从源头上研究制定经济政策和产业政策，引导人类低碳生活和低碳消费，降低由人类生产、生活的碳排放量。其次，以减少和降低碳排放量为目标，研究降低碳排放量的相关技术，同时满足人类生产生活对能源、物质的需求。最后，对过去过度排放的存量CO₂，研发碳捕集、碳封存和碳移除等技术，有效降低地球大气系统中的CO₂浓度。“碳中和学”的技术内涵涉及以下4个方面：①化石能源清洁利用、清洁用能替代、资源回收利用、节能提效等碳减排技术；②利用风能、太阳能、海洋能、地热能等可再生能源，以及氢能、新材料储能、智慧能源、核能与可控核聚变等零碳技术；③CO₂捕集、利用、封存、转化及林业、海洋、土壤碳汇等负碳技术；④碳税制度、碳交易制度、复合碳排放权交易体系、碳经济与碳产业政策、碳财政补贴等碳经济技术。

四　碳中和核心技术体系

4.1　碳工业体系

碳中和的核心是降低甚至消除CO₂排放量。CCUS/CCS可以发挥重要作用，以CCUS/CCS为核心的碳工业将成为碳中和目标下的新兴产业。CO₂具有实现生态系统有机物转换和产生温室效应的双重属性，可以分为可供人类利用或固定的“灰碳”和不可利用或固定的“黑碳”。在地球碳循环系统中CO₂主要来源于能源消费、农林用地、土地利用、垃圾排放等。利用生态系统碳汇、CO₂生产化工产品、CO₂人工绿色转化、CO₂地质驱油等技术，可以增加“灰碳”的利用率，有效减少大气中CO₂的浓度。在碳中和目标下，以CCUS/CCS为核心的碳工业技术体系涵盖碳捕集、碳运输、碳驱油、碳封存、碳产品、碳金融等业务，是彻底消除“黑碳”的革命性技术（图3、表2）。因此，以CCUS/CCS为基础的低成本、高能效的碳工业将是世界各国实现碳中和目标的关键产业和新兴产业之一。未来它将利用地下具有巨量储集空间的枯竭性油田、气田、水田等为碳中和做出大贡献。此外，建立和完善碳税制度、碳交易制度、复合碳排放权交易体系、财政补贴等碳经济与政策杠杆，有效控制CO₂排放量。

表2 碳工业技术体系构成表

CO₂主要来源于能源消费、农林用地、土地利用、垃圾排放等。利用生态系统碳汇、CO₂生产化工产品、CO₂人工绿色转化、CO₂地质驱油等技术，可以增加“灰碳”的利用率，有效减少大气中CO₂的浓度。在碳中和目标下，以CCUS/CCS为核心的碳工业技术体系涵盖碳捕集、碳运输、碳驱油、碳封存、碳产品、碳金融等业务，是彻底消除“黑碳”的革命性技术（图3、表2）。因此，以CCUS/CCS为基础的低成本、高能效的碳工业将是世界各国实现碳中和目标的关键产业和新兴产业之一。未来它将利用地下具有巨量储集空间的枯竭性油田、气田、水田等为碳中和做出大贡献。此外，建立和完善碳税制度、碳交易制度、复合碳排放权交易体系、财政补贴等碳经济与政策杠杆，有效控制CO₂排放量。根据对碳中和贡献程度的不同，形成“CO₂=0”“碳＋”（或“C＋”）、“碳－”（或“C－”）、“碳＝”（或“C＝”）符号（图4、表3）。“CO₂=0”对应碳中和，即CO₂排放量与吸收量相抵消。“碳＋”对应于不符合碳中和发展要求的高能耗、高碳排放的能源、产品或技术，对碳中和具有负面作用，并将逐步被替代或退出市场，例如煤炭、石油等高碳化石能源和燃油车等能源与产品，以及煤发电、燃煤供热等技术。“碳－”对应符合碳中和发展要求的绿色低碳能源、产品或技术，对碳中和具有长期正面作用，未来将逐步得到推广与应用，例如太阳能、风能、地热等可再生能源和可再生能源产生的绿电、绿氢等能源与产品，以及清洁能源发电、CCUS、储能、智慧能源、海洋和森林碳汇等技术。“碳＝”对应于CO₂作为重要的循环介质，短期内能够达到减少碳排放效果的能源、产品或技术，对碳中和具有短期的正面作用，未来或将被选择性推广与应用，如生物航油、燃料乙醇等和以CO₂为原料生产的化学产品等能源与产品，以及生物质能加工技术、垃圾回收、CO₂超临界发电、CO₂跨临界循环制冷（制热）、CO₂热电储能等技术。

4.2　氢工业体系

氢能是最清洁的二次能源，是后石油时代最理想的能量载体。在碳中和目标下，需建设与煤炭工业、石油工业类似的全产业链氢工业体系，以绿氢为核心，涵盖氢制备、氢储存、氢运输、氢加注、氢利用、氢检测及氢安全等业务，涉及氢交通、氢储能、氢化工、氢冶金等领域。目前，绝大部分氢能都来源于化石燃料，主要应用于工业领域，如炼油、合成氨、制甲醇、炼钢等，在交通、发电、建筑等领域尚未大规模推广应用。当前，氢能应用成本较高是制约氢能在发电、工业和民用领域推广应用的主要原因之一。预计到2030年，绿氢的生产成本将下降30%，绿氢的价格有望低于化石燃料制氢。2050年，预计全球氢能在终端能源消费结构中的占比将达18%左右，氢能将大规模应用于难以通过电气化实现“零碳排放”的工业、长距离交通运输等领域。以绿氢为核心的氢工业将替代以石油为核心的油气工业，形成可再生能源制氢，并建立完整的制备、储运、燃料电池用氢和加氢站为一体的氢能产业链，氢能将广泛应用于发电、工业、建筑和交通等重点领域（图5、表4）。

4.3　十大颠覆性技术与产业预测

在煤炭、油气、新能源等能源领域，突出煤炭地下气化、中低熟页岩油地下原位开采、CCUS/CCS、氢能与燃料电池、生物光伏发电、天基太阳能发电、光储智能微网、超级储能、可控核聚变、智慧能源互联网十大颠覆性技术与产业研发（表5），推动能源生产与消费结构革命性转型，保障国家碳中和目标实现与能源安全可控。突破煤炭地下气化、中低熟页岩油原位开采，实现煤炭清洁化利用，提升国家油气供应能力，保障国家油气供应安全；大力发展安全高效、低成本氢能技术，重点推进交通领域用氢的制取/储存/运输/加注、规模化氢储能及管网输配、固定式燃料电池综合供能等氢能全产业链技术创新；突破生物光伏发电、天基太阳能发电等太阳能利用技术，进一步拓宽太阳能的利用途径，努力实现“从太阳中来、回太阳中去”的终极循环；攻克超级储能、光储智能微网、智慧能源互联网等颠覆性技术，以支撑未来可再生能源发电的大规模开发利用，保障以新能源为主体的新型电力系统安全稳定运行；研发可控核聚变能源开发和应用关键技术，积极推进热核聚变实验堆建设，力争早日实现“人造太阳”技术应用。

4.4　五大战略工程

碳中和是一项系统性、革命性的重大协同工程，涉及节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略工程。

4.4.1　节能提效工程

节能提效工程是实现碳中和目标的首要工程，通过意识节能、结构节能、技术节能、管理节能等举措，推动能源消费的刚性或强制性节约与高效。树立“节能是第一能源”的理念，倡导全民节能行动，变“要我节能”为“我要节能”。调整产业用能结构，淘汰高耗能产业，有序推进产业结构调整、转型升级，提高能源利用效率。加快节能技术及装备研发，推进新一代数字技术、信息技术与能源行业的深度融合，依靠技术创新提高能效。健全节能提效制度，加大奖惩力度，保障节能减排管理长期稳定运行。

4.4.2　减碳固碳工程

碳中和不是完全无碳排放或零碳排放，而是通过技术手段，实现碳排放量与碳吸收量（或消除量）的平衡，达到“净零排放”。碳中和目标下，要强化减碳、固碳、替碳、埋碳等举措，实现能源生产和能源消费的碳中和。立足于节约能源和提高能效两个抓手，大幅度提升用能效率和清洁能源利用率，实现减碳。坚持人工碳转换与生态固碳相结合，加快发展CO₂制备化学产品，积极推进植树造林，增强生态系统固碳能力与规模。利用“绿电”替代煤电，“绿氢”替代“灰氢”，地热和太阳能供热替代燃煤供热，实现清洁用能替代。石油工业发挥独有优势，按照攻关示范、推广应用、全面实施“三步走”路线，大力发展CCUS/CCS技术，成为实现碳中和的兜底保障技术。

4.4.3　科技创新工程

大力发挥科技创新在碳中和过程中的战略支撑作用，突出颠覆性技术布局与突破，推动能源生产和供应“净零排放”。做好碳中和科技顶层规划和路线设计，把加快碳中和科技创新作为当前科技发展的重要任务之一。设计碳中和科技创新行动方案，统筹推进科技创新支撑引领碳中和工作。编制碳中和技术发展路线图，提出技术选择和发展路径，设立“碳中和关键技术研究与示范”重点专项。突出颠覆性技术研发，推动能源生产与消费结构革命性转型，保障国家实现碳中和目标与能源安全。

4.4.4　应急储备工程

构建安全可靠的“能源储备系统”，增强能源安全保障能力。碳中和目标下不同能源定位各有侧重，中国以“新能源丰富、煤多但油气不足”的资源禀赋特征，决定未来煤炭将发挥保障国家能源战略“储备”与“兜底”作用；石油回归“原料属性”，发挥保障国家能源安全“急需”与民生原料用品“基石”作用；天然气发挥保障国家能源“安全”与新能源最佳“伙伴”作用；新能源将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用。今后，要加快中国特色能源储备和应急体系建设，打造现代化应急能源供给体系与安全体系。

4.4.5　政策支撑工程

构建科学合理的政策支持体系，积极促进能源转型平稳推进。健全以碳市场为核心的法律法规，成立国家碳中和管理委员会或领导小组，统筹协调能源绿色低碳开发利用，保障碳中和目标的实现。建立财税支持体系，扶持相关企业及其主产区的低碳转型发展。加快建设碳排放权交易市场，出台碳排放权交易管理条例，持续完善碳交易、碳配额相关机制，探索建立“碳市通”境内外交易体系，充分发挥碳交易市场的激励、约束两大功能。探索建立绿色金融改革试验区，鼓励金融机构参与碳市场交易，丰富碳市场交易品种，建设具有国际影响力的碳定价中心，全面推动碳市场发展。

五　实现碳中和的原则、意义及前景

5.1　实现碳中和过程中遵循的原则

实现碳中和过程中需要遵循“技术的颠覆性突破、经济的可行性实现、能源的安全性保障、社会的稳定性可控”4项原则。实现碳中和目标，需要依靠节能提效降低能源需求量，还要有颠覆性技术的突破与支撑，加快能源生产与消费结构革命性转型。依靠科技与管理创新，降低能源生产和消费成本，实现新能源与相关产业经济性利用。保障能源安全，是国家发展中的重要底线。同时还要确保在能源消费以煤炭、油气等为主的城市或地区，实现转型升级中人员社会的稳定。碳中和要重新定位不同能源的功能，煤炭、石油将作为国家中长远应急保供与极端条件下的战略储备资源，保障国家能源安全可控与社会稳定发展；天然气是化石能源向清洁低碳能源转型过程中的“最佳伙伴”和支撑可再生能源大规模开发利用的“稳定器”，需进一步强化天然气应急保障能力建设。未来，化石能源将成为国家能源安全的“兜底”储备资源保障，CCUS/CCS将成为国家实现碳中和的“兜底”技术保障，需加快构建资源、技术“两个兜底”的战略储备。以经济可行为导向，依靠技术创新推动碳中和目标的实现，技术的经济可行性是衡量碳中和技术的前提。在实现碳中和目标的过程中，需要统筹考虑传统化石能源工业、企业、城市转型问题，坚持社会稳定性可控，确保转型平稳过渡。

5.2　碳中和是全球绿色低碳可持续发展的重大实践

碳中和是全人类的一场绿色化工业革命、减碳化能源革命、生态化科技革命，将给人类社会与经济发展带来新的深刻变革，是实现人类能源利用与地球生态系统可持续发展的重大实践。

碳中和是一场绿色化的工业革命。自进入工业革命以来，人类社会经历了机械化、电气化和信息化的3次工业革命，目前以大数据和人工智能为代表的先进信息技术掀起了第4次工业革命浪潮（图6）。在碳中和目标下，此次工业革命将改变传统的高碳、粗放的发展模式，加快构建低碳、环保、高效的绿色发展模式。碳中和引发的科技革命将对社会与经济发展产生重大变革，其意义不亚于之前的工业革命。碳中和主要通过碳减排、碳转移、碳转化3种路径来实现，具体内容包括：①加大可再生能源利用，提高能源利用效率，从而实现碳减排；②大力发展和推广应用CO₂埋藏与驱油技术，达到碳转移目的；③推动以CO₂为原料的化工产业，生产甲醇、尿素和可降解塑料等产品，最大限度地实现碳转化。在碳中和目标下，人类工业化过程中将催生以CCUS为核心的碳工业和以绿氢为核心的氢工业等新兴产业。

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碳中和是一场减碳化的能源革命。人类历史上，能源革命和工业革命一直交互进行。第1次工业革命以煤炭为能源，第2次工业革命使石油成为新的能源种类。碳中和将加速世界能源体系低碳化、无碳化转型，世界能源消费结构由煤炭、石油、天然气和新能源的“四分天下”向以新能源为主的“一大三小”新格局发生转变 。与煤炭和石油等高碳化石能源不同，天然气具有低碳、清洁的自然属性，是化石能源中唯一的低碳品种。因此，天然气是实现世界能源消费结构转型的关键，是连接高碳化石能源与无碳新能源的桥梁，是新能源产业不断发展和替代的最佳伙伴。天然气“鼎盛期”与新能源“黄金期”具有重叠效应和累加效应，据国际可再生能源署（IRENA）预测，到2050年新能源、电气化和提高能效将贡献90%以上的CO₂减排量，是能源转型的三大支柱。终端用能的快速电气化及绿氢制备技术的兴起将推动电力需求的增加。到2050年，电力将成为最重要的能源消费形式，将占终端能源消费结构的58%以上，发电量将是当前水平的3倍，并且新能源在总发电量中的占比将大幅度提升至90%，30%的用电量将用于生产绿氢及其衍生物。

碳中和是一场生态化的科技革命。科技革命是人类社会发展与进步的驱动力，是工业革命和能源革命的推动力，科学创新和技术进步是实现碳中和目标的关键。世界正处于第4次工业革命和第6次科技革命时期，这是一场以原子能技术、智能化技术、空间技术和生物工程技术为主要标志，涉及新能源、新材料、信息、空间、海洋和生物等诸多技术领域的信息控制科技革命。碳中和目标与新一轮科技革命的融合，将指引科技革命向着生态化方向发展。新的科技革命和工业革命将推动第3次世界能源转型，尤其是在碳中和目标下，新一轮科技革命的低碳化和生态化特征将更加显著。以可再生能源为代表的新能源利用技术将成为主导力量，绿色、生态、可持续发展将是新科技革命的重要主题。

5.3　碳中和将大幅度提升人类幸福指数

发展新能源是实现碳中和与绿色低碳发展的战略重点。新能源技术进步是推动能源从资源型向技术型转变的关键，是实现能源利用“零碳排放”的重要环节。当前，在碳中和目标下，全球能源系统投资正逐渐从化石能源转向可再生能源、提高能效和电气化。据IRENA预测，到2050年全球实现“零碳排放”，能源系统总投资将达到130万亿美元，其中可再生能源占29%，提高能效占33%，终端用能电气化占21%，化石能源占17%。同时，新能源技术领域投资收益远高于投入，将进一步推动以新能源技术进步和规模发展为核心的能源转型进程。全球能源系统的投资成本将增加26万亿美元，但通过降低环境损害和健康损害等带来的收益将达到62万亿～169万亿美元。

碳中和是推动人类社会经济发展和经济增长的新动力，引领社会经济发展模式发生变化，提升GDP增速，增加全人类的福祉指数。加速利用可再生能源、促进能源转型将成为推动全球经济复苏的要素，预计到2050年全球可再生能源就业岗位将增加3倍，达到4 200万个，能源相关工作岗位将达到1亿个，比当前就业岗位增加72%。到2050年，碳中和将带来GDP额外增加2.4%，从2019年到2050年，由能源转型带来的累计GDP增量将达到99万亿美元。碳中和提升了全球生态环境和人类健康水平，深入改善民生，到2030年和2050年人类的福祉指数将分别提高6.9%和13.5%。

5.4　碳中和是构建人类命运共同体的里程碑

气候变化具有全球性和长期性，是全人类共同面临的挑战，发达国家与发展中国家需共同承担责任。全球气候变化是冷战以后全球环境与发展领域或非传统安全领域少数最受全球瞩目、影响极为深远的议题之一，是全球框架下国家治理体系和治理能力现代化中的新兴主题。全球气候变化和碳中和对国际关系有重要的影响，并已经超越了传统的地缘政治范畴，逐步成为全球治理的关键领域。未来，全球需要建立以多赢、生态化、互信、协同、参与、分享为基础的科技创新与国际合作新模式，共同应对气候变化问题。2017年1月18日，中国提出了“构建人类命运共同体”理念。同年2月，该理念首次载入联合国安理会决议，成为国际社会的共识。人类只有一个地球，各国共处一个世界，要倡导“人类命运共同体”意识。碳中和就是构建人类命运共同体的里程碑事件，将会深远改变人类文明发展的进程。

5.5　碳中和是人类生态文明建设的共识性愿景

碳中和推动了人类社会政治、经济、文化领域的变革，将深入影响人类生活方式与思维方式，加快人类文明向生态文明发展。碳中和目标下，人类能源消费结构将从以一次能源直接消费为主转变为电气化二次能源占主导地位，电能将成为最主要的能源载体，建筑、交通和家居等行业电气化水平的不断提升将给人类生活带来根本性的变化和深层次的影响。到2050年，建筑行业的直接电气化率最高，将从目前的32%上升到73%；交通运输行业电气化率将从目前的1%大幅度增至49%，交通出行将逐渐零碳化；电动汽车销售量将占到汽车销售总量的80%以上，电动汽车保有量将从目前的1 000万辆增至17.8亿辆。家庭家居将向碳中和目标迈进，采暖脱碳、环保施工、绿色建材等方面均有望形成进一步的创新并且得到应用；制冷、供暖、家电、照明、烹饪等环节的电气化率不断提高，将加快节能减排型智能家居的开发与推广应用，不断塑造人类节能、环保用能的观念。在生活方面，垃圾分类、节能减排将彻底融入生活，从衣、食、住、行等方面，践行低碳与绿色发展的生活理念与生活方式。

人类社会文明经历从认识自然的原始文明，到利用自然的农业文明，再到征服自然、改造自然的工业文明，然后回到尊重自然、顺应自然、呵护自然的生态文明，最后实现人类与自然的和谐共生。碳中和以人类能源利用与地球碳循环系统之间形成动态平衡为目标，最大限度地降低人类生产、生活对地球生态系统的破坏和影响。无论是原始文明、农业文明还是工业文明，均无法消除人类日益增长的物质文明需求与保护地球生态系统之间的矛盾。以碳中和目标为基础和保障的生态文明将实现人类物质文明与地球生态系统协调统一，构建人类绿色、可持续发展的高度物质文明与精神文明。在碳中和目标约束下，人类将实现社会经济与环境的可持续发展，走向人与自然和谐共生的生态文明。碳中和将促使能源从资源依赖走向技术依赖，最终实现人与自然和谐共存。因此，它是人类生态文明建设与绿色发展的重要组成部分与共识性愿景。

六　结束语

全球CO₂过度排放，导致地球平均气温不断升高，人类赖以生存的地球环境面临前所未有的考验。为了应对全球气候变化，全球提出了2050年实现碳中和的发展目标。碳中和是全人类实现可持续发展的共同目标，世界各国需团结合作，共同应对挑战。中国实现碳中和目标面临三大挑战：①能源转型规模大、碳中和实现周期较短；②能源转型过程中存在着能源供应安全的不确定性、能源利用的经济性、颠覆性技术突破的难预测性等问题；③能源转型后可能面临新的关键技术“卡脖子”和关键矿产资源“断链子”等风险。碳中和既是“能源学”与“碳中和学”的重大理论问题，又是碳减排、零碳、负碳、碳交易等技术问题。碳中和将催生以CCUS/CCS为核心的碳工业技术体系，涵盖碳捕集、碳运输、碳驱油、碳封存、碳产品、碳金融等业务；并产生以绿氢为核心的氢工业技术系列，涵盖氢制备、氢储存、氢运输、氢加注、氢利用、氢检测及氢安全等业务，涉及氢交通、氢储能、氢化工、氢冶金等领域。“灰碳”和“黑碳”是CO₂的两种应用属性，“碳＋”“碳－”“碳＝”是碳中和的3种产品与技术。煤炭地下气化、中低熟页岩油原位开采、CCUS/CCS、氢能与燃料电池、生物光伏发电、天基太阳能发电、光储智能微网、超级储能、可控核聚变、智慧能源互联网十大颠覆性技术与产业领域，将推动能源生产与消费结构革命性转型，保障实现碳中和目标与国家能源安全可控。

中国实现碳中和目标，需遵循“技术的颠覆性突破、能源的安全性保障、经济的可行性实现、社会的稳定性可控”4项原则，实施节能提效、减碳固碳、科技创新、应急储备、政策支撑五大战略工程协同创新发展。碳中和目标下，未来煤炭将发挥保障国家能源战略“储备”与“兜底”作用，石油将回归“原料属性”，发挥保障国家能源安全“急需”与民生原料用品“基石”作用；天然气将成为能源安全的稳定器，发挥保障国家能源“安全”与新能源最佳“伙伴”作用；新能源成为能源供给和消费的主体，将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用。

碳中和与绿色低碳发展尊重自然、顺应自然、呵护自然，实现人类与自然和谐共生，是生态文明建设重要组成部分与共识性愿景。碳中和又是绿色化工业革命、减碳化能源革命、生态化科技革命的重大实践，将为人类社会、环境与经济带来新的深刻变革，大幅度提升人类的幸福指数。碳中和加快我国能源生产与消费结构革命性转型，推动实现“能源独立”战略，提升生态文明建设的内涵和质量，保障“美丽中国”的目标早日实现。由于我国人口多，能源消费量大，当前以煤炭为主的“一大三小”能源生产与消费结构特点，决定我国需要通过高效协同，依靠颠覆性技术突破与变革性管理创新，完成以新能源为主的“三小一大”能源生产与消费结构转型，如期实现能源“独立自主”与碳中和两大目标，为宜居地球、绿色发展、生态文明建设做出中国贡献。

本文观点与数据，是基于目前初步认识和引用，或有不妥和不完善之处。随着世界科技与管理创新、全球政治与经济格局等变化，相关认识也势必不断完善和发展。

（本文原载于《天然气工业》2021年第8期）