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燃煤脱硫属于碳中和吗(「原创」中国实现碳中和的支撑技术与路径)


王灿 孙若水 张九天

发表于 China Economist 2021年05期

摘要

碳中和愿景是中国具有里程碑意义的气候雄心目标,也是推动中国从工业文明迈向生态文明的重大举措。碳中和的实现需要深刻的技术体系和社会经济系统变革,主要涉及零碳电力系统、低碳甚至零碳终端用能技术和负排放技术。碳中和目标的达成也依赖于各个部门的路径选择,特别是碳排放量大且脱碳难度高的电力、工业、交通、建筑四大部门。同时,碳中和目标将对中国的经济产业体系、资源产业布局、技术创新体系、整体生态环境等方面产生深远的影响。因此,未来面向碳中和的政策体系需要充分考虑环境、技术、经济和社会影响,明确碳达峰与碳中和的关系,识别真正气候友好的清洁技术创新,将碳中和纳入生态文明建设的整体布局之中。

关键词

碳中和;低碳技术;低碳发展路径

一、引言

碳中和愿景的提出既是全球气候治理进程推进的必然结果,也是我国经济社会发展和生态文明建设的必然要求。过去30年来,全球应对气候变化的科学认知、政治进程和产业行动不断深入并加速推进。在全球气候治理的大背景下,实现碳中和是全球各国应对气候变化的必然阶段。我国向世界许下庄严的碳中和承诺将为我国经济社会发展带来巨大的机遇与挑战。我国碳排放的基本特征是碳排放总量大、碳排放强度高,两者均居于世界前列。当前和今后一段时期,我国仍处于工业化和城市化后期,同时也处于经济上升期、排放达峰期,经济发展与碳排放尚未实现脱钩,我国碳排放总量和碳强度“双高”的状况仍将持续较长时间。我国从碳达峰到碳中和的时间仅为30年左右,这意味着我国实现碳中和愿景目标的任务十分艰巨,要付出比欧美发达国家更多的努力。我国实现现代化的过程中还面临能源安全、经济安全和生态安全等必须要解决的重大战略问题,碳中和愿景恰恰提供了解决这些问题的机遇。我国迈向碳中和愿景,就是迈向新发展路径,不再走大规模消耗化石能源的老路。这意味着通过构建新的能源体系和工业体系,我国在保障能源和生态安全的同时,能够加快促进产业经济走向更广阔的新增长空间。

二、中国碳中和目标的演进

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上首次对外宣布中国将提高国家 自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。这一重大宣示是中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求作 出的重大战略决策,也是党中央、国务院统筹国际国内两个大局作出的重大战略部署。从国际上来看,“双碳” 目标的提出体现了中国对多边主义的坚定支持,并为各国携手应对气候变化挑战,共同保护好人类赖以生存 的地球家园贡献中国智慧和中国方案,充分展现了中国作为负责任大国的担当。从国内来看,“双碳”目标与 我国21世纪中叶建成社会主义现代化强国目标高度契合,关乎中华民族永续发展,影响深远、意义重大,也为 我国当前和今后一个时期,乃至本世纪中叶应对气候变化工作、绿色低碳发展和生态文明建设提出了更高的 要求、擘画了宏伟蓝图、指明了方向和路径。

中国的气候政策目标是连贯一致且不断加强的。2009年中国首次提出“2020年单位国民生产总值二氧化碳排放较2005年下降40%~45%”的碳强度承诺,并在2015年将该承诺更新为“2030年单位国民生产总值二氧化碳排放较2005年下降60%~65%”。2014年中国提出碳达峰目标,承诺2030年左右二氧化碳排放将达到峰值 并尽可能提前达峰。2020年的碳中和目标是中国气候政策的进一步强化。自我国对外宣布碳中和目标以来, 国家领导人已多次在联合国生物多样性峰会、第三届巴黎和平论坛、金砖国家领导人第十二次会晤、二十国集团领导人利雅得峰会、气候雄心峰会、世界经济论坛达沃斯议程、中央经济工作会议、中央财经委员会第九次会议、领导人气候峰会等国内外重要场合就碳中和目标发表系列重要讲话(王灿和张九天,2021)(见图1)。国家领导人对碳中和的频繁提及且一次比一次更有力度,愈加表明了我国对2060年实现碳中和的坚定决心和强有力信心;从2060年碳中和目标到进一步更新国家自主贡献目标,再到加强非二氧化碳温室气体排放管控,表现出我国碳中和目标的管控范围正逐步扩大、具体工作在有序推进与落实。实现碳中和无疑是一场硬仗,也是对我们党治国理政能力的一场大考,所以碳中和工作需要稳步推进,更需要全体社会成员的共同参与。


三、实现中国碳中和目标的支撑技术体系

(一) 技术体系概述

碳中和愿景的技术体系主要由零碳电力系统、低碳/零碳化终端用能系统、负排放以及非CO2温室气体 减排技术四大类技术构成。其中前三项是CO2净零排放技术体系的重要支撑(见图2)。


其中,电力系统的快速零碳化是实现碳中和愿景的必要条件之一。其重点是以全面电气化为基础,全经济部门普及使用零碳能源技术与工艺流程,完成从碳密集型化石燃料向清洁能源的重要转变。这既需要大力发展传统可再生能源电力(如风能、光伏、水电),还要大幅度提高地热、生物质、核能、氢能等非传统可再生能源在供能系统里面的比例。为了支撑这类高比例的可再生能源供电,需要匹配上强大的储能系统和智能电网,从而完成能源利用方式的零碳化。

低碳/零碳终端用能技术往往集中于减排成本曲线最左端,具有减排成效显著、减排成本较低、减排收益显著等特点。该类技术的应用领域涉及工业、建筑、交通等重要的能耗部门。其中,工业领域可细分为钢铁、水 泥、化工等,因此该类技术涵盖范围较广,门类众多,工艺上存在较大差异。但从减碳方式上,该类技术可以分为两个方向:一是通过结构调整、产品替代、工艺再造、行为改变来提高单位产出的用能效率、减少能源消费;二是通过新型燃料替代、电气化替代来减少终端能耗过程中化石能源的直接使用进而减少碳排放。例如根据已有研究测算,目前各应用领域的能源效率仍有较大提升空间,例如交通部门能效仍有可能提高50%,工业部门能效提高潜力可达到10%~20%左右(能源转型委员会,2020)。

负排放技术可为以可再生能源为主的电力系统增加灵活性,这类技术主要包括农林碳汇,碳捕获、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage,CCUS),生物能源和碳捕获与封存(Bioenergy with Carbon Capture and Storage,BECCS)以及直接空气碳捕集与封存(Direct Air Carbon Capture and Storage,DACCS),其经济性将取决于各地区可行且安全的碳封存有效容量的大小(能源转型委员会, 2020)。

(二) 零碳电力系统

能源系统尽快实现零碳化是我国碳中和愿景的必要条件之一,这对零碳电力系统提出了更高要求。工业、交通、建筑等多部门实现碳中和均依赖零碳电力系统,在各部门全面电气化的基础上,全经济部门需要普遍使用零碳的电力,完成能源系统从碳密集型化石燃料向清洁能源的转变,从而实现能源利用方式的零碳化(王灿和张雅欣,2020)。在我国实现碳中和的达峰期、平台下降期及中和期三个阶段,新能源技术均将承担重要角色。2030年前达峰期需推广节能减排技术、可再生能源技术;2050年前平台下降期主要减排手段集中为脱碳零碳技术规模化推广与商业化应用,脱碳燃料、原料和工艺全面替代;2060年前中和期中,脱碳、零碳技术将进一步推广,全面支撑碳中和目标实现。碳中和愿景将引发能源革命,重构能源产业,以低碳为核心,能源系统中的煤炭等化石能源将逐步被新能源取代,能源系统向绿色、低碳、安全、高效转型,实现电气化、智能化、网络化、低碳化。

零碳电力系统包括三个部分:零碳电源、储能和电网。碳中和愿景下的新型电力系统包括以可再生能源 (光伏、风能、水力等)为核心的零碳电力生产端、以规模化储能技术为支撑的零碳电力使用端和以智能电网 为核心的零碳电力分配端。同时,新能源汽车、物联网、人工智能等多个战略新兴技术产业也将共同支撑能源系统安全稳定运行。

零碳电源技术是构建零碳电力系统的核心。目前比较成熟的技术包括风力、光伏、水力、生物质能源、地热和潮汐能、核能等发电技术。风电和光伏发电是较为成熟的零碳电源技术,具有正面的就业、局地环境和健康效益,以及相对较高的技术成熟度和公众接受度,发电成本已随累积装机容量的增加而下降至与传统火电相比具有商业竞争力的水平,在经济成本和技术水平上均具有较为明显的优势。水电具有技术成熟度 较高、能源密度高以及经济性优良的特点,长期以来在我国能源系统的低碳转型中发挥着重要作用(能源转型委员会,2020)。然而,水电资源相对有限,随着各流域的下游地区首先完成开发,未来可开发的水电 资源主要集中在四川、云南、青海、西藏等中上游地区,开发造价成本持续提升,发展潜力有限(中金公司, 2020)。核能技术包括已达到实用阶段的重核裂变和尚处于研究试验阶段的轻核聚变。与光伏或生物质发电相比,核电具有更加显著的减排效益(Zwaa n,2013;国际能源署,2015)和更加积极的就业红利;但核电也面临着来自供应链建设、经济性、核安全、政治因素、公众接受度等多方面的挑战。地热资源包括温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地热能、通过人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源 等,具有储量丰富、分布较广、稳定可靠、能源利用系数高的优点,但是同时也受到资源分布不均衡、勘查程度较低、核心技术欠成熟和政策管理体制不成熟的制约,总体上还处于起步阶段。生物质能源的来源包括污泥、农林残留物、能源作物、多年生木质纤维素植物等(国际能源署,2017)。生物质能技术相对成熟,但废弃物生物质总量偏低,而生物质能源作物的大规模发展又可能带来占用土地资源、增加水资源压力等生态风险。

由于未来零碳新能源的分布式特性,储能系统、电网及电源结构将会发生根本性的变革。着眼于2060年碳中和愿景,氢储能、氨储能、电化学储能三种储能方式被认为是未来需要持续发展的技术。不同储能方式在储能时长、储能效率、储能规模上各有所长。对短期与低容量输电来说,电池储能系统是最快与方便的办法, 但是如果要长期储电或是大规模应用,氨气储能系统可能更有效。电网的调度模式和能力将极大程度地影响能源的利用效率,催生了电网智能化调度、智慧能源服务、电网智能控制的出现。电网系统需要从传统聚焦稳 定性、可靠性、坚强性的集中性网络,向更加智能、灵活的分布式网络进化。

(三) 低碳、零碳终端用能技术

实现碳中和不仅需要能源来源的低碳化,也需要终端使用侧做出脱碳努力。低碳、零碳的终端用能技术分为五大类:节能、电气化、燃料替代、产品替代与工艺再造,以及碳循环经济。

节能技术几乎适用于所有终端用能部门,这类技术可以通过提高能效、调整结构和转变生活方式,在保证人们生活水平的前提下实现脱碳。根据国际能源署的估算,建筑行业可以通过高效烹饪、高效供冷供热技 术、低碳设计等方法对全球能源效率提升做出超过40%的贡献(国际能源署,2019)。交通部门的节能主要包括传统燃油载运工具的降碳技术、运输结构的优化调整、运输装备和基础设施用能清洁化等。工业生产过程中节能技术涉及范围较广,相关技术繁多,总体上是通过实现换热流程优化、设备效率提升、数字化转型来提高系统能源效率。

电气化是实现碳中和的重要推动力,是配合低碳或零碳能源供应实现能源系统碳中和的重要工具。据估算,中国当前人类活动温室气体排放量的脱碳约50%将通过使用清洁电力来实现,包括交通运输系统的电气化、生产绿色氢能和各种工业流程的电气化(Sachs,2021)。交通电气化为5G通信、人工智能、大数据、超算等前沿技术的接入提供了空间,未来这些前沿技术与车路协同系统的融合发展将成为帮助交通部门脱碳的重要技术趋势。在建筑部门,照明、制冷、家用电器等已基本实现电气化,热泵供暖将成为电气化技术早期部署的关键领域。预计到2030年,全球家庭热泵取暖使用比例将提高到22%,这将为建筑部门减少50%的碳排放 (国际能源署,2020)。

新型燃料替代是终端用能领域实现零碳化必不可少的技术。氢能可以用于燃料替代以应对减排难度最大的20%温室气体排放,例如交通业可利用氢+燃料电池解决长距离运输问题,工业生产可以利用氢解决钢 铁和化工业的高排放问题,建筑业可以通过在天然气网掺混氢气降低燃气供热碳排放(Renssen,2020)。生物质从全生命周期的角度看具有近零碳排放的属性,具有良好的气候效应,在北方农村清洁供暖、交通运输,以及水泥、钢铁、化工等工业领域均有广阔的应用空间。

产品替代与工艺再造是适用于工业部门的低碳终端用能技术。产品替代主要体现在混凝土和钢铁等建筑材料方面。例如,煅烧黏土和惰性填料是减少水泥熟料含量的最被广泛使用的方法,据估计,通过该种方法每年可减少水泥行业6亿吨CO2的排放量。另外,通过智能化、新技术、新装备及具有颠覆性的节能工艺等工业流程再造技术研发,可降低工业生产的能耗,提高能源和资源利用率,有效降低碳排放。

循环经济是以再生和恢复为基础的经济模式,其目标是让经济增长不再依赖有限的资源,转而打造更加坚韧、可持续的经济社会系统。循环经济策略在工业领域有巨大的减排潜力,这类策略包括在产品设计源头避免废弃、重复使用产品和部件、材料再循环等。据测算,若在水泥、钢铁、塑料和铝四大关键工业领域运用循环经济策略,则能在2050年前减少其40%的二氧化碳排放量,约为37亿吨(能源转型委员会, 2018)。循环经济策略不仅具有减排潜力,也具有较高的成本效益。通过共享商业模式、高质量回收利用、 在建筑施工过程减少废弃等举措有望实现负减排成本,即在减排的同时创造收益(Material Economics,2018)。

(四) 负排放技术

负排放技术又称为碳移除技术(Carbon Dioxide Removal, CDR),是实现“1.5℃目标”不可或缺的关键技术。随着碳中和概念的提出和地球碳循环宏观视角的扩大,负排放技术也逐渐被用来总括所有能够产生负碳效应的技术路径,主要包括陆地碳汇和CCUS技术。

陆地碳汇是重要的基于自然的解决方案(Nature-based Solutions,NbS),按照介质分为林地、草原、农田和湿地碳汇。林地碳汇主要通过提升森林蓄积量和森林改造进行提升,具体手段包括森林保护、封山育林、 森林抚育、林分改造、森林可持续经营等森林减排增汇技术措施;草原碳汇提升需要保护草原和防止过度开垦放牧,包括建立草原生态补偿的长效机制、实施退牧还草工程;农田碳汇主要通过提高农田生产率和改善土壤质量实现吸收固定碳的功能。特别是提升农田土壤有机质含量,能够增强土壤对温室气体吸收和固定;湿地碳汇的增加主要通过湿地的总量增加和生态恢复实现,主要方式包括保护湿地、湿地生态恢复与重建、 增加湿地面积等。

CCUS技术一直是被认为是实现化石能源真正清洁利用的唯一解决方案。CCUS技术的主要原理是阻止各类化石能源在利用中产生的CO2进入大气层。在碳中和目标下,化石能源在能源消费体系中面临大幅度下降,最终将保留一定的占比以支持电力系统稳定、难脱碳工业部门和其他部门的应用等。这部分化石能源的利用需要匹配CCUS技术以保证其净零排放的目标。CCUS技术作为一项可以实现化石能源大规模低碳利用的技术,是未来我国实现碳中和与保障能源安全不可或缺的技术手段。生物能源、BECCS技术和DACCS技术是以传统的CCUS技术为基础发展而来的负排放技术,BECCS是通过生物能源在生长过程中的光合作用 捕集和固定大气中的CO2,DACCS则是利用人工制造的装置直接从空气中捕集CO2。由此可见,相比传统的 CCUS技术,BECCS和DACCS能够实现大气中CO2浓度的降低,是真正实现“负排放”的技术手段,且捕集装置的分布地点可以更加灵活便捷。

无论是BECCS,还是DACCS,二者的大规模发展以CCUS技术的成熟商业化应用为基础,当前还处于示范阶段,技术成本依旧是制约其发展的重要因素。DACCS当前还处于基础研究阶段,其成本约在134~345美 元/吨CO2(国际能源署,2020),但也可能是CO2去除潜力最高的负排放技术。相比DACCS,BECCS技术在价格上更具有落地潜力,其成本在15-85美元/吨CO2(国际能源署,2020)。同时,广泛存在的生物能源原料也为BECCS的快速发展提供了现实可能。不过BECCS的广泛部署依然依赖于CCUS技术的大规模成熟应用,而当前制约CCUS技术的成本因素自然也成为BECCS技术快速发展的限制因素之一。

四、重点行业碳中和路径

(一) 电力部门

中国电力部门的减排脱碳是中国实现2030年碳达峰和2060年碳中和目标的关键部分和重要行动抓手, 也对全球气候变化温升控制目标的实现具有重要价值。

在碳中和路径下,电力系统面临着重大的结构性调整,从当前以高温室气体排放的化石燃料为基础的电力生产结构,逐渐调整为以零碳排放的可再生能源为主体,配合高灵活性的电力传输供应网络,构建现代化新型零碳电力系统。随着碳中和路径下工业、交通、建筑等能源需求部门电气化水平的不断提高,未来经济社会对零碳电力的需求将迅猛扩张,这也将成为中国电力部门低碳转型的新挑战和新机遇。

根据王灿和张九天(2021),电力部门碳中和的三个阶段如下:

第一阶段(2021~2030年),主要目标是实现电力部门的碳排放达峰。主要工作:在电力生产侧,光伏和风电等可再生能源成本持续下降,新能源发电低于标杆电价水平,核能、水电稳步发展,煤炭等化石能源发电需求量和使用量达峰,电力系统碳排放达峰;针对火力发电进行灵活性改造,使其具有以更低的成本为电力系 统稳定提供辅助支持的能力;规范可再生能源电力生产标准,减少因规范不匹配导致的弃风弃光问题。在电力传输供应侧,持续推进特高压电网建设,增强电网的传输能力,推进灵活性电网技术的研发,与可再生能源并网能力相匹配,加大力度推进储能技术的研发,推进智能化需求侧响应管理系统的研发。在此阶段中,非化石能源发电量占比将从2020年的32%增长至2030年的46%~53%,非化石能源装机量将从2020年的43%增长 至2030年的65%~69%(中金公司,2020;落基山研究所和能源转型委员会,2021)。当前主要研究认为,电力系统有较大的可能性在2030年前甚至是2025年左右实现碳达峰(能源基金会,2020;清华大学气候变化与可持 续发展研究院,2020)。

第二阶段(2031~2045年),主要目标是实现电力部门的碳排放的快速下降。主要工作:在电力生产侧,可再生能源的发电量和装机占比不断增加,通过非化石能源发电补足新增电力需求增量,并逐渐通过非化石能 源发电加速替代已有化石能源产能存量;在电力传输供应侧,灵活性电网技术基本成熟,与非化石能源高比例装机发展速度相匹配,智能化的生产与用户需求双向管理技术基本成熟,新商业运营模式出现。在此阶段将实现电力需求侧储能技术的率先应用,期间储能成本将显著下降,并实现可再生能源电力生产端加储能成 本低于标杆电价水平(中金公司,2020),加速可再生能源的部署发展。到2045年,非化石能源发电量将增长至 88%左右,装机量将达到94%左右(中金公司,2020),电力部门的碳排放量随着高比例可再生能源的应用而显著下降。

第三阶段(2046~2060年),主要目标是实现电力部门的碳中和。主要工作:通过长期发展,氢能生产技术成本达到具有竞争力的水平,随着以工业为主的电力需求侧部门对氢能使用的增加,电解制氢所需要的电力供给进一步增长。因此,从电力生产侧,非化石能源发电技术随着电力需求的增加进一步增长,并在上一阶段 的基础上进一步完成必要的化石能源发电的存量替代;从电力传输供应侧,灵活性电网技术完全成熟,智能化的电力生产与消费匹配技术完全成熟并广泛应用于电力系统管理调度,电力部门完全实现碳中和。现有研究认为,电力部门有很大的可能性在2050年左右实现零碳排放(能源基金会,2020;清华大学气候变化与可持续发展研究院,2020),并于2060年利用生物质能等技术实现电力部门的负碳排放,从而促进全经济系统于2060年实现碳中和(能源基金会,2020)。到2050年,电力部门的发电量将达到11万亿~18万亿千瓦时,其中非化石能源发电量占比约80%~94%,化石能源发电量占6%~20%。

提高能源需求部门的电气化水平,并确保电力生产来源于零碳资源,是现有研究公认的实现碳中和目标 的关键。因此,电力系统的低碳转型同时面临着零碳能源替代的结构性调整、高电气化水平的电力需求扩张两方面的挑战,而这也被全球越来越多的国家视为碳中和愿景下的新需求和新机遇。已有研究基于不同的情景假设,预测了中国碳中和路径下电力生产的规模和机构构成,如表1所示。研究结果普遍认为,中国在碳中和愿景下2050年的发电量在11万亿~18万亿千瓦时左右,相较于2020年中国总发电量7.6万亿千瓦时提高了 0.4~1.4倍,而其中80%将用于建筑、轻型公路运输、铁路运输和工业等部门直接电气化的终端消费,20%用于生产氢气、合成氨等以电力为基础的燃料生产(能源转型委员会,2020)。


图3展示了已有研究在碳中和图景下各类电源装机容量的预估结果,其中风电的装机容量占比将从当前 的12.8%增长至31.3%~43.6%,约为23.1万亿~27.4万亿千瓦,是当前装机容量的9倍左右。光伏发电装机占比将从当前的11.5%增长至35.2%~44.4%,为22.1万亿~35.5万亿千瓦,是当前装机容量9~14倍。核电装 机容量比例将从当前的2.3%增长至3.1%~5.8%,约为2.3万亿~3.3万亿千瓦,是当前装机容量的4.6~6.6 倍。水电装机将增长至6.6%~7.8%,为4.2万亿~5.8亿千瓦,是当前装机容量的1.5倍左右。在碳中和图景 下,非化石能源发电装机将显著增加,具有广阔的发展前景和投资机会。


当前,电力部门零碳转型路径已经较为明晰,但是必要的支撑性技术仍处于研发或待研发阶段,碳中和图景的实现需要突破性技术的支持,特别需要关注当前仍不太成熟、成本较高,但发挥战略性关键作用的技术。提高电力系统稳定性高度依赖电网技术、储能技术、分布式可再生能源技术和需求侧响应技术,然而与已经具备竞争力的可再生能源发电技术相比,上述技术的应用成本仍较为高昂,部分技术仍处于研发阶段,尚未有成熟的应用案例。安全稳定的电力供应对零碳电力系统的构建至关重要,是当前面临的重要技术热点和难点。

在电源侧,以风电、太阳能发电为主的可再生能源发电技术,虽然经过多年的发展培育,其经济成本已经具备一定的竞争力,但是发电效率和经济效益仍有待进一步提高。核能、生物质能、CCUS技术作为未来零碳电力系统中重要的组成部分,在未来的碳中和路径中不可或缺,相关技术的更新换代、研发推广至关重要。此外,基于技术研发进程,兼顾能源转型的综合影响,从研究的角度合理规划现有化石能源发电产能退役路径, 配合以科学的政策引导,对电力系统以更经济有效的方式进行零碳转型至关重要。

(二) 工业部门

工业部门碳排放量大、机制复杂、脱碳难度高、减排技术种类繁多。与发达国家相比,我国在关键性低碳技术领域仍有一定的差距,亟须加快研发进程。工业部门碳排放占全国人为碳排放总量的比例也呈现先升后降的趋势,目前约占到40%左右,是仅次于能源行业的最大碳排放源。表2至表4展示了不同研究对未来中国工业部门减排路线的描绘和认识。研究普遍表明,目标年份下,工业部门仍会有一定的正碳排放。在与碳中和接近的情景中,工业部门的正碳排放普遍认为在0~15亿吨左右,其中水泥和钢铁部门仍是工业部门中主要排放的子部门,分别会保留3亿~4亿吨的碳排放。这意味着整个经济社会净零排放的情况下,工业部门仍需要靠其他部门(例如能源部门和农林碳汇等)的负碳排放去抵消其难以完全脱碳的部分。



工业碳中和目标的达成需要关注以下重点。能源消费结构调整是我国工业部门实现碳中和的重要抓手。具体而言,钢铁、水泥、化工等工业部门,需要进一步提高电力及其他非化石能源的比例,逐步降低煤炭、石油、天然气等化石能源的消费比例。对于钢铁部门,我国需要加大对氢能炼钢技术的研发。对于水泥部门,我国在能源效率提高和降低熟料系数方面已走在前列,需要加大对燃料替代和原料替代技术的研发。在燃料替代方面,可利用沼气或生物质(高热值固体废物)代替化石燃料,依托国内垃圾分类制度的推进,研发多源替 代燃料的综合处理与应用技术;同时可使用脱硫石膏、电炉渣等低碳排放的替代原料,降低石灰石分解带来的碳排放,研发氧化镁和碱/地质聚合物粘合剂等更广泛替代原料的综合应用技术。

研发重点工业部门的CCS技术有助于保障我国工业部门打赢碳中和目标下的“决胜战”。由于工业生产过程不可避免会释放二氧化碳,因此CCS技术将是工业部门深度脱碳的兜底技术。目前CCS技术还未能实现商业化应用,只在国际上有一些大型试点项目,我国目前研发则较为落后,应当在钢铁、水泥等重点部门开展重点研发工作。例如可采用创新的窑炉设计,将燃料燃烧的废气(低二氧化碳含量)与煅烧废气(高二氧化碳含量)分离。

(三) 交通部门

随着我国经济发展水平的不断提高,交通运输业步入快速发展阶段。交通已经成为仅次于工业的第二大CO2排放生产服务部门(黄晗,2017),且排放量年均增长率保持在7.5%以上。若交通部门无法尽快进行绿色转型,排放量不容小觑。加之交通部门的碳排放具有很强的锁定效应和路径依赖,温室气体减排成本高于其他部门;且由于涉及主体较多,受制于技术进步和行为变化,其减排难度较大,因此也被认为是碳减排最具挑战的部门之一。2060年碳中和目标下,交通部门应尽快转向低碳发展,在建设交通强国的同时,实现二氧化碳净零排放。交通行业碳排放量要在2030年前尽快达峰,在经历平台期后快速下降,力争到2050年排放量相较于2015年减少80%(能源基金会,2020)。不同研究对交通部门排放路径有不同的估计,表5列举了重要参数的 预测。总体而言,交通部门的碳中和可以分为以下3个阶段:


第一阶段:2020~2030年,为达峰期。该阶段的主要目标是尽快实现交通部门碳排放达峰,严控排放峰值,为后期碳排放的下降过程留出缓冲时间。燃油等传统能源的改造升级和氢能等新能源的开发利用“双管齐下”应是这一阶段的重要战略。具体而言,加快交通用油结构优化,并争取用油量于2025年前后达峰(中国石油经济技术研究院,2020)。同时,加快电力、氢能、生物质能等清洁能源的替代使用,力争到2030年实现新上市乘用车全部转型为纯电动、燃料电池等新能源汽车,大幅降低新能源汽车的购置和使用成本,使之与传统燃油车辆相当或更为经济,实现新能源汽车总体占比达到40%的目标,并实现汽车全生命周期的碳中和。清华大学气候变化与可持续发展研究院(2020)预测,2030年中国交通运输部门能源需求约为5.83亿吨标准煤,排放量为10.37亿~10.75亿吨二氧化碳当量(Carbon Dioxide Equivalent,CO2e)。

第二阶段:2030~2050年,为平台期和下降期。该阶段的主要目标是加速脱碳。此阶段中,交通体系不断优化,用能效率持续提升,更多低碳新技术的重大突破和用能新模式的出现和发展将进一步推动交通能耗的 低碳化和多元化。公路交通中,到2035年,新能源汽车将占到50%以上(中国汽车工程学会,2020),氢燃料电 池汽车保有量将突破100万辆,除极少部分的低油耗车型外,传统燃油车将被禁止使用。航空飞行中,随着储能技术的进一步发展,电动和氢动力飞机将实现一定程度的商用,航空碳排放大大降低。

第三阶段:2050~2060年,为全面中和期。经过之前两个阶段的转型之后,中国交通运输部门的能源需求将在本阶段实现完全重塑。到20世纪50年代,乘用车中的电动汽车比例将接近100%,其他类型车辆中替代燃料的经济性也将高于传统车辆。电气化铁路的占比将接近100%,难以实现电气化的铁路可选择氢能,航空业中氢燃料渗透率也将超过50%。清华大学气候变化与可持续发展研究院(2020)预测,2050年交通运输部门能源需求将降至3.46亿~4.02亿吨标准煤,排放量也将下降至1.72亿~5.50亿吨CO2e,比峰值下降一半以 上。2050年中国交通运输领域能源消耗将降至3.8亿吨标准煤,其中电力将占到40%以上(能源转型委员会, 2020)。在进一步提高交通领域能源利用的清洁化和低碳化的同时,联合多领域行动,并利用负排放技术,最终实现碳中和目标。

交通部门碳中和目标的实现需要注意三个方面。第一,全面推进交通运输电气化是实现碳中和的根本途径。电气化是实现交通部门碳中和最为重要的技术手段,涉及公路、铁路、航空等各个领域,是最为本质、贡献最大的减排举措。第二,积极促进清洁燃料替代是实现碳中和的重要保障。公路交通领域,除纯电动汽车外, 推广混合动力汽车和燃料电池汽车也是去油化和清洁化的重要方向。铁路交通领域,氢能利用也将成为铁路运输脱碳的另一条重要途径(姜克隽和冯升波,2021),太阳能和生物燃料的使用也将加快铁路部门脱碳。航空领域应加快可持续性生物燃油的推广应用,降低成本,尽快使其价格达到可接受范围。第三,交通部门碳中和需要相关领域的配套支持。这需要加强低碳交通政策引导、大力发展公共交通、科学制定城市空间规划等。

(四) 建筑部门

中国建筑行业规模位居世界第一,与之相应的全过程碳排放总量为49.3亿吨,约占中国碳排放的51.3% (中国建筑节能协会,2021)。随着我国城镇化进程的持续和快速推进,城乡居民的建筑服务需求,炊事、热水、 取暖、制冷、照明和电器等使用将不断增加。而城镇化,伴随着经济增长、数字化程度的提高,以及新经济增长模式下的消费转型,将给我国住宅建筑和商业建筑的碳中和带来严峻挑战。

如表6所示,已有研究测算了中国实现碳中和目标下,建筑部门不同情景下的碳减排趋势。在基准情景下,2050年建筑部门排放相较现状将降低,而在贯彻“1.5℃”目标路径下,建筑部门需在2050年前实现50%~ 95%的碳减排。而考虑到技术和经济的不确定性,“2℃”目标路径下,建筑部门碳排放需在2050年下降20%~ 80%。建筑部门的碳中和将会经历从高碳到低碳到零碳的过程,分别是现在至2035年,建筑部门的煤炭,天然气消费量达峰,碳排放在2035年左右达峰;2035~2050年建筑部门大幅度降低碳排放;2050~2060年深度脱碳,实现建筑部门的碳中和目标。


第一阶段(2021~2035年):该阶段的主要目标是实现建筑部门的煤炭、天然气消费量达峰,实现建筑部门碳排放的达峰。该阶段下,碳中和路径对应的关键策略为提升电气化率,淘汰家庭煤炭和天然气使用,提高建筑物能效。具体策略主要包括:持续提高建筑节能设计标准,完善家电能效标准和标签计划;大规模翻新老旧建筑;提高分布式光伏发电和高效生物质利用技术在农村建筑中的应用。预计该阶段,农村住宅煤炭使用 将逐步被禁止,建筑材料行业在2025年前全面实现碳达峰,水泥等行业在2023年前率先实现碳达峰。2030年绿色建筑面积在新建面积中的占比达90%以上。预计到2025年装配式建筑新增面积达到10.69亿平米,建筑部门整体的电气化率达到50%以上。

第二阶段(2036~2050年):该阶段的主要目标是大幅度降低碳排放。此阶段下的主要工作是以生物质、 不产生额外碳排放的工业余热以及太阳能热等替代建筑部门的电力需求,继续推进建筑部门电气化率的提 升。具体策略包括实现因地制宜的开发高效的热泵技术提高供暖电气化率;进一步提升新建建筑中光伏一体化建筑和被动式建筑的比例;继续推广太阳能热水技术和分布式光伏技术在农村和城市建筑中的应用等。预计该阶段下,2050年北方城市集中供暖系统将实现完全脱碳,新增建筑实现零碳排放;此外,2050年,建筑部门整体的电气化率将达到85%。住宅和商用建筑的烹饪将实现100%的电气化。

第三阶段(2051~2060年):主要任务是深度脱碳,实现碳中和目标。深度脱碳的关键在于电力的脱碳和负排放技术(CCUS、BECCS)。对于无法实现零碳排放的部分,通过碳汇和负排放技术实现建筑部门的碳中和目标。

建筑部门的碳中和实现需要注意三个方面:第一,提升建筑物能效是实现碳中和的关键要素。为了达成这一点,需要提升现有电器和设备的能效标准和渗透率、设立更严格的建筑节能设计标准,实现新建建筑的近零/零碳能耗、全面实现对老旧建筑的节能改造。第二,电气化是建筑部门实现碳中和的必然趋势。2019年中国建筑部门整体的电气化率仅为37%,这一部分未来具有巨大改革潜力。第三,还应加快部署低碳建材生产技术、可再生能源建筑技术和智能支持技术等创新技术,从根本上实现建筑部门的碳中和。

五、实现中国碳中和目标的综合影响

碳中和目标将重塑我国经济和产业体系。碳中和目标给中国提供了这样一个换道超车、拓展产业竞争力的重大机遇。在新能源、电动汽车、零碳工业等领域,我国已经有了很好的技术和市场基础,部分领域已经具备领先的优势。因此,如果能够抓住机遇在这些新兴科技产业领域迅速崛起,我国就能够脱离原有落后产业竞争不利的格局,占据全球主导产业。总体而言,在碳中和愿景下全球产业格局将发生深刻调整,在产业链的细分领域将产生众多的新兴产业,创造大量的就业机会,形成新的行业标准,创造新的合作机会,构造新的世界产业格局。传统能源和重工业产业将面临较大的挑战,绿色低碳转型势在必行,新兴绿色低碳技术产业将成为未来提高长期经济竞争力的关键所在。

碳中和目标将重构全球能源资源与产业格局。首先,碳中和愿景下,能源的资源属性降低,产品属性凸显。我国石油资源相对贫乏,需要大量进口,带来了能源安全的隐患。在碳中和愿景目标下,化石能源将逐步被淘汰,清洁能源占比将大幅提升,从而帮助我国摆脱对传统能源资源的依赖局面,从而形成既能够提升能源安全又能够促进产业发展的双赢格局。其次,电气化和数字化将联动能源供应侧与消费侧,从而改变能源消费供应模式。能源系统中终端部门电气化与电力部门脱碳是长期低碳转型战略最关键的要素,能源互联网有望成功整合未来电力系统的核心要素,创建更高效和有韧性的能源体系。未来能源消费供应模式将发生巨大变革,也将催生更多的产业增长点。

碳中和目标将重新定义区域经济版图。实现碳中和的空间尺度范围不同,其实现的难易程度、战略纵深和策略空间会有极大的不同。我国具有广阔的国土空间纵深,碳中和将发挥区域间各自资源禀赋之所长,进而重新定义我国各区域在经济版图上的角色。在达成碳中和目标的过程中,中西部地区具备清洁能源资源丰富、碳封存潜力巨大的两个优势,进而为中西部地区的经济发展带来强劲的新动能。

碳中和目标将变革技术和产业创新体系。能否化碳中和的挑战为机遇,关键要依靠科技进步,一方面要在经济结构、技术条件没有明显改善条件下,促进碳达峰碳中和的技术进步,另一方面要加大科技研发力度, 部署面向碳中和的科技创新体系,更好发挥科技在整个碳达峰碳中和中的战略支撑和引领作用。在碳中和目标的倡导下,各行业已开始进行相关科技与产业创新的尝试,这将引导先进低碳、零碳和负碳技术成为未来经济社会发展的战略支撑。

碳中和目标将推动气候投融资浪潮。实现碳中和既要有技术的支撑,也要有资金的投入。我国要在2060 年实现碳中和目标,2020年至2050年能源系统需要新增投资约138万亿元(清华大学气候变化研究院,2020)。高盛预计我国碳中和目标意味着到2060年投资需求规模为16万亿美元。如此巨量资金的投入,需要政策的引 导,也需要各利益相关方的支持和投入,目前在这两方面都已经启动了相关进程。

碳中和目标将引领生态环境的根本改善。碳达峰碳中和目标的实现需要从能源结构、经济结构等方面开展源头性变革,有助于推动污染物源头治理,协同实现降碳减污,推动高质量发展。降碳是生态环境源头治理的牛鼻子,将碳中和目标纳入生态文明建设的框架,有助于实现应对气候变化与生态环境质量改善的协同增 效。一方面,碳中和目标的实现路径将为深度治理大气污染、持续改善空气质量提供强大的推力。温室气体排放和大气污染物排放存在着“同根同源”的特征,在政策目标、实施路径和治理主体方面有着诸多交叉点,可 以实现协同治理。另一方面,碳中和目标的实现也会对水、土壤的污染防治以及提升生态系统服务功能、保护生物多样性间接地产生积极的影响。

六、讨论

(一) 碳中和政策体系

碳中和目标的实现离不开社会的良性互动,政府、地方、企业、个人分别在迈向碳中和愿景进程中具有至关重要而又各有侧重的作用。因此面向不同主体的政策类别构成了碳中和愿景下的政策体系。在国家层面应建立健全相关法律法规。碳中和愿景下的长期深度减排是我国未来发展的必然趋势,有必要通过立法手段为减排政策的长效实施提供法律基础、增强执行力度。当前,气候立法正逐渐成为国际碳中和行动的重要组分。通过立法来保障减排政策的法律基础和效力,可以把碳中和的长期愿景转换为全社会的行动共识、全面促进低碳转型的个人行为、企业行动、资金流动、技术研发。在此基础上,我国可以进一步考虑完善应对气候变化相关制度建设,例如,持续推进以《碳排放权交易管理暂行条例》为代表的国家碳交易制度建设,以及将创新性低碳和负排放技术的长期发展纳入我国关键技术发展战略。

在地方层面,应差异化地方碳中和行动方案。地方自主探索碳中和方案是实现碳中和愿景的必然途径。一方面,碳中和愿景指引下的发展需要各地结合各自资源禀赋、发展阶段、产业结构等方面特点探索合适的转型路径。另一方面,开展碳中和行动,有利于地方因地制宜推动能源生产和消费革命、经济高质量发展和生态环境高水平保护。

对行业和企业,应强化碳中和约束与激励。实现碳中和最终要靠技术,而企业既是技术创新的主体,又是碳排放的直接来源,因此,能否让企业采取切实可行的创新和行动是实现碳中和的关键。为推动企业层面的碳中和行动,首先我国应充分利用市场化工具,降低企业零碳化发展成本。此外,需要加强低碳/零碳技术保护和扶持,通过完善低碳/零碳知识产权保护,对于新技术给予税收抵免,进行政府采购以及技术授权等,提高企业碳中和发展收益。

(二) 碳达峰与碳中和的关系

碳减排与碳中和有着根本性的逻辑差别(王灿和张九天,2021)。一是内涵逻辑不同。碳达峰是落在传统意义的碳减排概念中,而碳减排是对现有排放和发展路径的改进与优化,仅以排放现状作为基线。碳中和的参考基线是净零排放,需要在最大可能减排的基础上,对能源、经济甚至社会体系进行深度重构。二是概念范围不同。碳中和对经济社会发展会产生全方位的影响,传统产业和新兴产业、供给侧和需求侧都需要做出响应,需要建立全面适用、科学精准的概念体系。三是方法路径不同。碳中和要求在发展理念和方式上有根本的转变,实现碳中和需要在基础设施、市场规则和供应链体系、技术体系等诸多方面采取全新的方法和路径。

努力提前达峰和降低峰值水平有利于减缓碳中和压力。我国在达峰后不可能像发达国家一样有较长的平台期,而是需要迅速进入深度脱碳期,容不得丝毫懈怠。曾经有一种声音认为碳达峰比较容易达到,在达峰前继续大量排放,将碳排放推高上去,之后再退出一些高碳项目就能轻松实现碳达峰。这种“摸高式”的碳达峰或者“数字意义”上的碳达峰完全不可取,完全违背了我国实现碳达峰的初衷,而且会造成大量的资源浪费。我国2030年前实现碳达峰后还要实现碳中和,两者之间紧密关联,碳达峰的峰值年和峰值水平都会对碳中和路径的难易程度产生影响,碳达峰时间往后延迟意味着压缩了碳达峰到碳中和的时间,峰值水平越高意味着同样的时间内减排工作的强度越大,简单说就是前松则后紧,前紧则后松。因此,努力实现早达峰和降低峰值水平都会有利于减缓碳中和过程中的压力。

(三) 企业行动需求及驱动手段

企业的碳中和关系到绿色产品的制造与创新、行业链条的传递等方方面面,作为生产制造和创新的主体,积极探索实践碳中和之路非常重要。在碳中和愿景下,企业面临来自多方面的碳中和要求,包括落实国家碳达峰碳中和战略的要求、产业链传导而来的碳中和要求、欧盟“碳关税”等市场准入要求、消费者环保偏好要求、投资者对低碳企业青睐的要求等(罗荟霖等,2021)。因此,企业自身的碳中和转型受到多方面的激励, 而成功的转型也会给企业带来多重利好。为了完成这一目标,企业需要开展碳核算与盘查,摸清家底,在此基础上制定企业面向碳中和目标的战略规划,进而采取行动策略、强化品牌影响力。深化对碳中和概念和边界等的认知、减少对碳抵消的过度依赖将帮助企业更好地完成碳中和转型。政府需在其中加强标准规范引领、 加速低碳/零碳基础设施建设、加快绿色低碳技术供给。

(四) 技术创新的双刃剑

碳中和目标是我国生态文明建设的重要战役,与清洁生产、环保技术的发展密不可分。然而,两者之间也存在着差异,清洁技术的创新并不一定必然促进碳中和,甚至有可能会起到相反作用。例如,清洁燃煤发电技术提升了燃煤效率,减少了燃煤发电的末端空气污染物排放,却增强了能源部门对化石能源的路径依赖。再比如,继续提高燃煤电厂末端处理标准将增大煤电退役的沉没成本。在碳中和愿景下,这些技术创新和环境政策都将在一定程度上影响或阻碍碳中和所需的新能源体系的快速形成。因此,需要将碳中和纳入生态环境保护整体布局,准确识别气候友好的清洁技术,让碳中和目标成为形成生态文明建设合力的重要推动力。

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