碳中和体系解读

摘要：应对全球气候变化,加速全社会绿色低碳转型,尽早实现碳中和,是全人类的共同期望。为系统了解碳中和背景,掌握概念体系,把握发展战略,判定实施路径,介绍了碳中和起源和国内外背景及形势、主要国家的碳中和目标,界定了碳达峰、碳中和相关术语概念,描述并分析了欧盟、英国、日本、中国、美国等的低碳发展战略,最后分析归纳了实现碳中和目标的10个关键方法或技术。

关键词： 气候变化; 温室气体; 碳达峰; 碳中和; 概念; 战略; 关键方法或技术

本文引用格式

张晋宾, 周四维. 碳中和体系解读[J]. 华电技术, 2021, 43(6): 1-10 doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.06.001

ZHANG Jinbin, ZHOU Siwei. Interpretation on carbon neutrality system[J]. Huadian Technology, 2021, 43(6): 1-10 doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.06.001

（来源：《华电技术》 作者：张晋宾 周四维）

0 引言

工业革命以来,人类行为带来了大量的温室气体排放,大幅增加了大气中温室气体的体积分数,增强了地球自然温室效应,由此而导致的全球气候变化造成全球干旱、热浪、暴雨、滑坡等恶劣气候现象频发,同时也引起了海平面上升、海洋酸化和生物多样性丧失。气候变化是当代人类社会发展面临的重大挑战,限制全球气温上升,碳达峰是前提,碳中和是关键。

准确了解碳达峰、碳中和的国内外背景和形势,是判断其发展态势的前提。全面、系统、准确地知晓与碳中和相关的主要概念和知识,了解发达区域或国家（包括中国）的低碳转型战略,对于碳达峰、碳中和路线的制定具有重要参考价值。明确实现碳中和的关键方法或技术,对于深入开展碳中和工作,达成碳中和目标至关重要。当前国内进行这些方面系统性综合性研究的文献尚不多见。

本文从碳达峰、碳中和背景及形势,基本术语概念及知识,主要经济体的低碳发展战略,实现碳中和的关键方法或技术等方面,对碳中和体系进行系统解读。

1 碳中和背景及大势

1.1 国际背景及全球大势

政府间气候变化专门委员会（IPCC）是世界气象组织（WMO）和联合国环境规划署（UNEP）于1988年联合成立的联合国下属机构,专门负责评估与全球气候变化相关的科学技术和社会经济事务（如气候变化科技和社会经济认知现状,气候变化原因及对社会、经济的潜在影响,如何适应和减缓气候变化的可能对策等）。自成立以来,IPCC每5~7年编写1套全球气候评估报告,至今已编写了5套多卷册的评估报告,为《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）《京都协定》《巴黎协定》等的制定做出了重大贡献。目前正处于IPCC第6个评估周期, AR6综合报告预计于2022年发布[1]。

气候变化是当今人类社会可持续发展面临的重大挑战。IPCC认为,人类对气候系统的影响是明确的且该影响仍在不断增强（如图1—4所示）。自20世纪50年代以来,许多观测到的变化在几十年乃至上千年时间里从未出现过。破坏气候的人类活动越多,对人类和生态系统造成严重、普遍和不可逆转影响的风险也就越大。

图1 全球平均陆地和海表综合温度异常变化

Fig.1 Abnormal variation of global average land and sea surface temperature

图2 全球平均海平面变化

Fig.2 Global average sea levels

图3 全球平均温室气体体积分数变化

Fig.3 Global average GHG volume fractions

图4 所有来源的全球温室气体排放

Fig.4 Global GHG emissions from all sources

要将全球平均气温升幅限制在工业化前水平以上低于2 ℃甚至1.5 ℃以内,需要紧急并彻底远离“一切照常”的做法,尽早将大气中温室气体的体积分数稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平。越晚采取行动,成本将越高,而且面临的技术、经济、社会和体制方面的风险也将越高[2,3]。

为应对由于人类活动大幅增加大气中温室气体体积分数而带来的全球气候变化,自20世纪90年代以来,国际社会在联合国框架下进行了一系列气候变化谈判,先后达成了《联合国气候变化框架公约》《京都协定》《巴黎协定》等条约或协定（如图5所示）,奠定了世界各国携手应对全球气候变化的法律基础。

图5 UNFCCC及其相关系列活动时间表

Fig.5 Time-table of UNFCCC and its activities

《巴黎协定》第2条提出“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2 ℃之内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5 ℃之内”的目标;其第4条要求各缔约方尽快做到温室气体排放达峰,在21世纪下半叶实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡[4]。《巴黎协定》生效后,各缔约国先后制定了各自的碳中和行动目标。截至2021年4月,全球已有100多个国家正式通过、宣布或承诺在21世纪中叶左右实现净零排放目标。当前,全球已有不丹、苏里南2个国家实现了碳负排放,世界主要国家或地区碳中和目标见表1[5,6]。

表1 世界主要国家或地区碳中和目标

Tab.1 Carbon neutrality targets of major ries/regions

1.2 国内背景及形势

据联合国环境规划署《2020年排放差距报告》,中国绝对温室气体排放量处于全球第1位（如图6所示）,人均排放量处于全球第4位且高于全球平均水平（如图7所示）[3],中国碳减排压力巨大。计及中华民族永续发展和构建人类命运共同体,党中央经过深思熟虑作出了中国“力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”的重大战略决策。

图6 排名前6位的排放国家或地区及国际运输绝对温室气体排放量（不包括土地利用变化排放量）

Fig.6 Absolute GHG emissions of the top 6 emitters （excluding emission of LUC） and international transport

图7 排名前6位排放国或地区的人均排放量及全球平均排放水平

Fig.7 Per capita emissions of the top six emitters and the global average

为实现碳中和目标,世界各国都需要做出巨大努力,而发展中国家将面临更大的挑战,中国主要面临以下问题。

（1）时间紧、难度大。就碳达峰到碳中和过渡期而言,欧盟和美国等发达经济体为50 [Math Processing Error]70 a,而我国仅有30 a（如图8所示）;就减排量而言,我国碳排放量占全球的30%左右,超过美国、欧盟、日本的总和;预计2030—2050年中国年均减排率将达到8% [Math Processing Error]10%,远超发达国家的减排速度和力度[31]。

图8 全球及主要国家碳中和路径

Fig.8 Carbon neutrality process of the world and major ries

（2）发展与碳排放强耦合。发达国家已完成工业化,经济增长与碳排放弱耦合;我国尚处于工业化阶段,经济发展与碳排放仍为强耦合。

正如党中央所强调,实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,是一场硬仗,也是对我们党治国理政能力的一场大考。

2 碳达峰、碳中和相关概念及常识

2.1 温室气体

温室气体是指大气层中自然存在的和由于人类活动所产生的能够吸收并重新发射由地球表面、大气和云层所发射的、波长在红外光谱范围内的辐射的气态成分,温室气体包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6）等。温室气体排放是指温室气体和/或其前体在一个特定地区和时期内向大气的释放。

不同温室气体对地球温室效应的贡献程度不同。为统一度量各类温室气体的温室效应,同时考虑到温室气体总增温效应中CO2贡献最大,故规定二氧化碳当量（CO2e）为度量温室效应的基本单位。各类常见温室气体辐射效率及相对于CO2在给定时间范围内的全球变暖潜能值（GWP）见表2[32]。

表2 常见温室气体辐射效率及相对于CO2的GWP

Tab.2 Radiative efficiencies and GWPs relative to CO2 for common GHGs

2.2 碳达峰

碳达峰（Carbon Peaking）即碳排放达峰,是指在某个时间点（段）人为向大气环境中排放的二氧化碳（或包括其他主要温室气体）量达峰。简而言之,即指二氧化碳（或包括其他主要温室气体）排放量达到历史最高值。如图9所示,碳达峰并不是指在某一日达到最大排放量,而是一个过程。碳排放先经过迅猛或平缓增长后进入平台期并可能在一定范围内波动,然后进入平稳或快速下降阶段。C40是2005年成立的一个致力于应对气候变化的全球性城市气候领导联盟,其成员包括北京、上海、香港、广州、东京、首尔、纽约、芝加哥、伦敦、巴黎、柏林等近百个城市。C40要求必须在5年或更长时间内（可理解为平台期取值为5年）减少温室气体排放量,并且与峰值排放量相比至少减少10%,才能称之为碳达峰[33]。

图9 碳达峰过程示例

Fig.9 A typical carbon peaking process

2.3 碳中和及其相关概念

碳中和（Carbon Neutrality,Carbon Neutral）有时亦称净零碳排放（Net Zero Carbon Emission）或净零碳足迹（Net Zero Carbon Footprint）,其概念分为狭义和广义。狭义碳中和是指：（1）在规定的时间段和规定的区域内（如某个国家、地区或组织内）,人为向大气环境中释放的二氧化碳排放量与人为的二氧化碳去除量相平衡,即做到二氧化碳“源”与“汇”的平衡;（2）从规定的时间起,在规定的区域内,直接完全消除人为二氧化碳排放,即二氧化碳净零排放。广义碳中和是指不仅二氧化碳（CO2）要达到净零排放,其他主要温室气体（如CH4,N2O,SF6等）也要达到净零排放。

碳源（Carbon Source）是指任何自然或人工向大气排放二氧化碳、甲烷等含碳化合物类温室气体,气溶胶或温室气体前体的过程或活动。燃烧化石燃料、森林火灾、动物呼吸和植物降解等都是常见的碳源示例。

碳汇（Carbon Sink）是指通过物理或生物机制等从大气中清除二氧化碳、甲烷等含碳化合物类温室气体,气溶胶或温室气体前体的过程、活动或机制。光合作用植物、浮游生物、海洋、森林等即为常见的碳汇示例。

碳库（Carbon Reservoir）是指气候系统内存储二氧化碳、甲烷等含碳化合物类温室气体或其前体的一个或多个组成部分。碳在地球上有四大储层体,即生物圈、岩石圈、水圈和大气。

碳封存（Carbon Sequestration）也称固碳,指捕获和储存大气中二氧化碳的过程或方式,碳封存可细分为3种类型。（1）生物封存：指在植被、土壤、树木和水生生态系统中储存大气中二氧化碳的过程或方式;（2）地质封存：指二氧化碳被储存在地质构造中的过程,如化石燃料的形成、提高石油采收率（EOR）;（3）技术封存：指将二氧化碳捕获并储存起来的人工过程,如碳捕集及储存（CCS）,碳捕集、利用及储存（CCUS）,直接空气捕集及储存（DACS）,带碳捕集及储存的生物能（BECCS）等。