新能源在碳中和中的地位与作用

2021-04-27

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,2021,48(02):411-420.


摘要:

二氧化碳是全球碳循环的重要介质,具有实现生态系统有机物的转换和造成温室效应的双重属性。将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为“灰碳”;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”。碳中和是人类发展的共识,但在实施过程中面临着政治、资源、技术、市场、能源结构等诸多挑战。提出碳替代、碳减排、碳封存、碳循环是实现碳中和的4种主要途径,其中碳替代将是碳中和的中坚力量。新能源已经成为第3次能源转换的主角,未来将成为碳中和的主导。目前,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;“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;人工碳转化技术是连接新能源与化石能源的桥梁,有效降低化石能源的碳排放。预测2030 年中国碳达峰的峰值约110*108t。按照高、中、低3 种情景预测2060 年中国碳排放将分别降至22*10833*10844*108t。针对中国实现碳中和提出7 项实施建议。构建中国新的“三小一大”能源结构,推动实现中国能源“独立自主”战略。

 

一、碳中和的进展与做法

截至20211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)。其中,苏里南共和国和不丹已经实现碳中和。

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。

 

二、碳中和面临的主要挑战与对策

1、全球碳排放现状据

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*108t),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。

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。

1  20002019 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


2、碳中和面临的主要问题

政治层面上,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。

资源层面上,新能源替代化石燃料是实现碳中和的根本措施。全球太阳能、风能等新能源分布存在时空差异性,为新能源规模发展带来挑战。

技术层面上,新能源技术成熟度决定了碳中和进程的快慢。

市场层面上,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。

能源结构层面上,全球能源消费结构仍然以化石能源为主,新能源占比偏低。

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。依据技术成熟度或与常规化石能源价格的竞争性,预测20202050年全球碳中和目标下二氧化碳减排趋势(见图3)。20202030年,二氧化碳减排速度相对较慢,主要原因是新能源的价格优势尚未显现,未能实现大规模应用,且碳封存技术尚未成熟。20302050年,随着相关技术的成熟,新能源成本可与化石能源竞争,新能源项目快速推广落地,二氧化碳排放大幅度下降。碳封存技术达到推广应用要求,为碳中和做出主要贡献。总体看,碳替代将成为碳中和进程中的中坚力量,预测到2050年,贡献率占全球碳中和的47%,碳减排、碳封存和碳循环贡献率分别占21%15%17%

3  202020504种途径对全球碳中和的贡献

三、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,碳中和的主导

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。

4  19252019 年全球能源结构变化趋势图

从能源生产和消费结构看,世界能源已形成煤、油、气、新能源“四分天下”的格局。研究预测,到2030年将是新能源的转折年,多种新能源成本下降至可与化石能源竞争,能源去碳化趋势持续加强。预计2025年石油需求增速放缓,到2030年石油需求进入平台期,天然气由于其低碳属性,或将成为唯一有望保持增长的化石能源。预计2030年后,新能源成本基本低于化石能源。预计20302050年,世界一次能源消费总量将维持在较为平稳的水平。到2050年,世界一次能源消费量基本与2030 年持平,其中煤炭占4%、石油占14%、天然气占22%、新能源占60%,世界能源消费结构发生根本性变化,新能源将超过煤炭、石油、天然气,成为主体能源。

5  20192050年全球能源结构变化趋势

2、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。2019年以来,新能源平均发电成本已实现低于燃气发电成本,但总体水平较煤发电仍高出16%。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。电价占电解水制氢成本的60%70%,随着电价大幅度下降,“绿氢”成本将快速下降。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。

人工碳转化技术是连接新能源与化石能源的桥梁,有效降低化石能源碳排放,将过剩电量转化为化工产品或燃料进行储存,对新能源电网起到削峰填谷作用。电转气是人工碳转化的主要形式,可以将二氧化碳重整制甲烷,被视为是欧洲实现能源转型的关键。预计到2050年,欧盟工业部门10%65%的能源消耗来自电转气,供热行业和交通运输行业30%65%的能源来自于电转气。

 

四、中国碳中和实施路径

与其他国家相比,中国在实现碳中和道路上将面临碳排放量大、能源消费以化石能源为主、碳达峰到碳中和缓冲时间短等诸多挑战。途径如下:

1)推进煤炭高效清洁化利用

2)加快清洁用能替代

3)提升天然气在低碳转型中桥梁作用

4)大力发展“绿氢”工业及其产业链

5)加大二氧化碳埋藏及封存应用与推广

6)发展碳转化及森林碳汇

7)建立市场机制控制碳排放

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(见表2)。

2  中国实现“碳中和”路径主要途径与技术成熟度

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;20302050 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。本文观点是目前阶段性认识,未来不同时期,随着科技与世界格局变化,碳中和的认识将不断革新和发展。


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