《中国能源》杂志社 ENERGY OF CHINA

试论本世纪末全球实现二氧化碳“净零排放”的难度

陈俊武，陈香生

（中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳  471003）

摘要　《巴黎协议》确认要将全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2℃内，争取低于1.5℃，本世纪末实现二氧化碳“净零排放”。经分析，要实现该目标难度非常大，主要原因是：《巴黎协议》实现目标的措施不具体，依靠各国自主贡献的碳排放量总和远大于实现温升目标的碳排放限额，与科学家的判断和预测相距甚远；发展中国家在中远期还需要使用相当份额的化石能源，由于缺乏丰富的可再生资源，本世纪末仅中国每年就至少还要使用十几亿吨煤炭，实现净零排放难度相当大；发达国家已经跨过了碳排放峰值，而发展中国家碳排放峰值年不可能提前到2020年，要延后到2030~2040年，其后还有几十年的平台期或准平台期；发展中国家尤其是中国2050年非化石能源的替代份额已相当可观，已占到一次能源消费总量的32.2%（基本情景）和43.0%（积极情景）；本世纪末化石燃料燃烧、水泥生产、土地利用改变对大气中二氧化碳累积量增加的正贡献仍然大于土地吸收和海洋吸收的负贡献；CCS封存量有限，花费相当大的建设成本只封存几百万到几千万吨二氧化碳对减少温室气体排放起不到根本性的作用。

关键词　碳排放　净零排放　大气温升　碳排放峰值　化石能源　碳封存

本文第一作者为本刊学术指导委员会委员。

作者简介：陈俊武，中国科学院资深院士、中国炼油催化裂化工程技术开拓者、全国工程勘察设计大师，现任中石化洛阳工程有限公司技术委员会名誉主任，长期从事炼油工程设计工作，近年来致力于我国煤化工、能源替代和节能减排领域的研究与工程开发，指导设计了世界首套大型180×10⁴t/a甲醇进料（烯烃产能60×10⁴t/a）DMTO和DMTO-Ⅱ工业装置。E-mail：chenjw.lpec@sinopec.com

1　前言

2015年12月12日，195个国家和欧盟在巴黎就应对气候变化达成《巴黎协议》。2016年4月22日，165个国家在纽约联合国总部签署了《巴黎协议》，协议将在至少55个缔约方（其温室气体排放量占全球总排放量至少约55%）核准后第30天起生效。全球两大废气排放国——中国和美国表示将在2016年底核准巴黎协议，《巴黎协议》有望在2016年或2017年生效。

《巴黎协议》的目标是将全球平均气温较工业化前水平升高的幅度控制在2℃之内，并为控制在1.5℃之内而努力，要求全球尽快实现温室气体排放峰值，争取本世纪下半叶实现温室气体“净零排放”。目前的措施仅仅是从2023年开始，每5年将对全球行动总体进展进行一次盘点，以帮助各国加大力度、加强国际合作，实现全球应对气候变化长期目标。目前在减排额度和数量方面还难以达成协议，缺乏法律性的约束。

在责任区分方面与以往不同的是，过去划分为发展中国家和发达国家2档，现在细分为发达国家、发展中国家、最不发达国家和小岛屿发展中国家4档；由过去自上而下“摊派式”的强制减排，代之为“自主贡献行动”（INDC）的方式，已经有160个国家向联合国气候变化框架公约秘书处提交了“国家自主减排贡献”文件。中国与美国、欧盟、巴西、印度等在巴黎会议召开之前就气候变化签署了多项双边声明，提前化解了此前影响谈判进展的诸多分歧，为《巴黎协议》的达成做出了重要贡献。

《巴黎协议》并不完美，这是会后众多专家和媒体的看法。作者认为不可能通过一个《巴黎协议》解决全球气候变暖的所有问题，各国自主贡献的碳排放量总和远大于实现温升目标的碳排放限额，与科学家的判断和预测相距甚远。发达国家已经跨过了碳排放峰值，发展中国家碳排放峰值年不可能提前到2020年，要延后到2030~2040年才能实现，其后还有几十年的平台或准平台期。由于中国缺乏丰富的可再生资源，估计到本世纪末至少每年还要使用十几亿吨煤炭，实现净零排放难度相当大。

2　对本世纪末碳排放量的预测

对气候系统变化的预估是基于一系列模式得出的，联合国气候变化框架公约（UNFCC）所属政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次工作报告（AR5）的浓度路径情景（RCPS），是世界气候研究计划（WCRP）中耦合模式比较计划第五阶段（CMCP5）框架下的一套新情景，用于进行新的气候模式模拟。现在该计划已经发展到第六阶段（CMCP6），由于IPCC的第6次工作报告（AR6）尚未完成，本文大部分数据源于国际知名能源咨询机构和美国能源信息署2015年底的报告。

IPCC在AR5报告中预估2010~2050年间累积排放量约1800Gt二氧化碳，2050~2100年间累积排放约1200Gt二氧化碳^[1]。全球碳工程（The Global Carbon Project）网站每年都发布全球碳收支报告，2015年12月发布的“Global Carbon Budget 2015”报告中图1^[2]的预测数据表明，如果按照目前的增长速度，2050年的累积二氧化碳排放量（来自化石燃料、工业和土地利用改变的二氧化碳排放）将达到3500Gt二氧化碳，比2010年增加约1800Gt二氧化碳，大气温升将达到2.5℃左右；如果2080年要保持2.5℃的大气温升，则要求在目前增长速度的基础上降低2%；如果2080年要保持2.0℃的大气温升，则要求在目前增长速度的基础上降低4%，在2010年排放1800Gt二氧化碳的基础上只允许再排放600~1100Gt二氧化碳，增加到2400Gt二氧化碳（概率为90%）或2900Gt二氧化碳（概率为66%）。到2080年平均年可排放量太低，满足不了发展中国家经济增长的需要（后文还将述及）。

3　对世界碳排放峰值年的预期

UNFCCC第21次气候变化框架公约巴黎会议决议也认识到本世纪末温升控制在2℃以内的难度，决议文本中提及，“估计2025年和2030年由自主贡献产生的温室气体排放合计总量不符合成本最低的2℃情景，而是在2030年预计会达到550×10⁸t水平”，“需要做出的减排努力应远远大于与国家自主贡献相关的减排努力，才能将排放量减至400×10⁸t，才能将与工业化前水平相比的全球平均温度升幅控制在2℃以内，或减至以下第21段提到的特别报告所指出的水平，使温度升幅限定在比工业化前水平高1.5℃”。

图1　不同碳排放增长速度对应的世界累积二氧化碳排放量

“Global Carbon Budget 2015”报告的图2列出了1990~2015年全球实际的二氧化碳排放量^[2]7，图3预测了2015~2100年不同情景下的二氧化碳排放量^[2]8。将图3中控制温升2℃的曲线（1.7~3.2℃范围线）和控制温升1.5℃的曲线（0.9~2.3℃范围线）分4个年代段计算累积排放量（见表1）。图3和表1数据表明，控制温升2℃的峰值年是在2030年后不久，而且还维持了近20年的平台期，最高的2030~2050年间允许每年平均排放400×10⁸t二氧化碳，之后不断下降，这难以满足广大发展中国家GDP增长、能源使用量在完成工业化阶段之前仍然需要增加的碳排放需求。而控制温升1.5℃的峰值年出现在2020年，之后要求碳排放量急速下降，更难以满足发展中国家的碳排放需求。

表1　不同大气温升条件下全球碳累积排放量　         　Gt二氧化碳

图2　1990~2015年全球实际二氧化碳排放量

图3　不同大气温升条件下全球碳排放量预测

目前发达国家的二氧化碳排放量约占世界排放总量的35%，发展中国家约占65%。随着发展中国家经济的发展和能源使用量的增加，预计发达国家所占份额会逐步下降到30%以下，发展中国家所占份额会上升到70%以上，仅中国的碳排放量就将达到近100×10⁸t二氧化碳。如果按照上述控制2℃温升的方案，2030~2050年间二氧化碳可排放量仅为400×10⁸t二氧化碳，之后还要迅速下降，该方案显然对广大发展中国家是行不通的。

联合国环境规划署（UNEP）也于2015年底发布了“2015年碳排放缺口报告”（The Emissions Gap Report 2015）^[3]，与图3结论大致相当，认为如果按不加约束的温升大于4℃的基本增长情景，2050年温室气体排放量将达82Gt二氧化碳当量（68Gt二氧化碳）；如果按温升不大于2℃的情景，2050年温室气体排放量（概率大于66%）应该控制在24Gt二氧化碳当量（20Gt二氧化碳）。该报告的附图（见图4）表明，可允许碳排放量由2010年的47.5Gt二氧化碳当量（39.6Gt二氧化碳）上升到2020年52Gt二氧化碳当量（43.3Gt二氧化碳）的峰值，然后迅速下降。该减排方案显然对发展中国家也是行不通的。

总之，发达国家提出的方案将碳排放峰值年提前至2020年，而且2020年达峰后缺乏平稳过渡的平台期（或较长过度时间的准平台期），留给发展中国家2050年至本世纪末的可排放量很少，致使巴黎气候峰会在最后时刻仍达不成协议，无法协调发展水平相差极大的发达国家和发展中国家的利益和目标，最后时刻各方妥协才达成目前这份缺乏约束力的协议。一切都寄托于各国从2023年开始每隔5年对全球减排行动总体进展进行盘点，希望各国自觉约束，提出自己的“自主贡献行动（INDC）”指标。所以说，《巴黎协议》目前还看不到全球平均温度升幅控制在2℃以内的希望，更不要说1.5℃了。

图4　2050年不同大气温升条件下全球碳排放量

为了帮助发展中国家采用清洁能源和高效节能技术，发达国家有义务为发展中国家提供资金和技术援助，而《巴黎协议》在这方面也未能落实，在发达国家应援助发展中国家提供资金方面仅是泛泛地提及“2020年后每年提供1000亿美元帮助发展中国家应对气候变化，……各方最迟应在2025年前确定新的资金资助目标”。倒是中国承诺的“设立200亿元人民币的中国气候变化南南合作基金，在发展中国家开展10个低碳示范区、100个减缓和适应气候变化项目及1000个应对气候变化培训名额”显得更为突出，难怪许多媒体和专家认为《巴黎协议》的目标是遥远的美好愿景，是政治家的博弈。

4　发展中国家碳排放峰值年将延后

中国是世界上最大的发展中国家，国际上普遍预测中国的二氧化碳排放量不论是2050年还是2100年都将占世界总量的25%左右。如果2100年中国、印度、巴西、南非、印尼等发展中国家难以达到“净零排放”，世界也难达到“净零排放”。中国由于煤炭资源相对丰富、石油资源短缺、天然气需大量进口、可再生资源面临封顶、核能不太可能大规模发展等因素的制约，2030~2040年碳排放达到峰值后还会维持相当长一段时期的准平台期，中长期内化石燃料还将占到不小的比率，实现“净零排放”相当困难。以中国为例进行分析是具有代表性的。

4.1　中国可实现2030年碳排放达峰目标

中国提出的自主贡献是以满足2℃温升要求为标准的。在巴黎气候变化峰会上，中国提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右，森林蓄积量比2005年增加45×10⁸m³左右。作者在文献[1]和[4]中针对实现该目标的措施和能源消费量做了详细论述，预计中国在2030年达到碳排放峰值104×10⁸t二氧化碳（见表2）后仍将维持几十年时间^[4]。

4.2　中国2050年后仍然会消费较多煤炭能源

由于中国可再生资源有限，2050~2100年仍然会有十几亿吨的煤炭用于电力行业发电，二氧化碳排放量将达50×10⁸t左右。表3^[1]汇总了中国2020~2050年使用可再生能源、非化石能源、煤炭能源的发电量以及不同部门的煤炭使用量。用于发电的煤炭份额仍较大，分别是2020年13.8×10⁸t标煤，2030年14.7×10⁸t标煤，2050年11.8×10⁸t标煤。如果能够将电煤的使用量压缩到这个程度，2050年煤炭占一次能源消费量的比例将下降到36%，仍然处于比较高的水平，是二氧化碳排放的主要来源。

对风电而言，目前中国风电装机容量已经世界第一，2050年中国基本情景装机10×10⁸kW，积极情景20×10⁸kW，已是相当高的比例，风电将在中国未来非化石能源替代中占主导地位；对太阳能而言，2050年中国基本情景的装机容量取10×10⁸kW，积极情景取14×10⁸kW，也是相当高的规划；核电将在绝对保证安全的前提下在中国大幅度发展，不然难以保证非化石能源消费提高到32%~43%的水平，如果像专家建议的那样，2050年实现核电装机容量3.0×10⁸kW（基本情景）和4.0×10⁸kW（积极情景），就将占发电总量的20%~30%，规模当居世界首位，但困难相当大，能否进口大量核燃料资源就是非常大的制约因素；我国水能资源并不丰富，只分布在水量丰沛的大江大河流域，如果取中国2050年积极情景水电装机为4.0×10⁸kW，年均发电按3500h计，年可发电1.40×10¹²kW·h，鉴于环境和生态保护要放在首位的原则，目前国家已经搁置了长江水系的大开发，水电装机能否达到如此规模很不明朗。

表2　中国中长期年能源消费和碳排放量推算

注：①非化石能源的碳排放未按全生命周期计算，暂取为0；②年排放量数据为燃料完全燃烧后的碳排放数据，实际少量一次能源用于制造耐用品，未进行燃烧。

表3?中国中长期基准情景用于电力的煤炭需求预测

注：①包括集中式和分布式天然气发电量。

天然气发电有许多优点，而中国2050年天然气消费量要达到9000×10⁸m³，才会较大幅度提高天然气发电的份额，达到如此大的天然气消费量有相当难度，需要建立在约1/3依赖进口、页岩气开发和生产取得重大突破、常规天然气产量大幅提高、煤制气取代相当份额的基础上。美国天然气消费量已超过8000×10⁸m³，页岩气已经成为美国天然气产量的主要部分，这加快了天然气对煤炭等高碳能源的替代步伐，预计2016年其天然气发电比例将达到32%左右，与煤电比例基本相当。而中国目前天然气发电比例还不到5%，2050年只有消费量达到9000×10⁸m³时，天然气发电比例才可接近30%。美国二氧化碳排放峰值年的拐点恰恰是在页岩气产量大幅增加的2007年前后，2007年美国二氧化碳年排放量达到60×10⁸t的峰值后便开始下降。

5　本世纪末“净零排放”有难度

由图3还可以看出，直至2100年，2.0℃温升控制情景下来自化石燃料和水泥制造的二氧化碳排放量约为180×10⁸t，只有实现1.5℃温升控制情景才能达到二氧化碳“净零排放”。

化石能源排放的二氧化碳是温室气体浓度升高的主要贡献者，如果人为的温室气体贡献量大于土地吸收（Land sink）和海洋吸收（Ocean sink）的贡献，大气中温室气体浓度将不可避免地要增加。图5^[2]15表明，2014年化石燃料（煤炭、石油、天然气）排放的二氧化碳导致温室气体浓度（每百万个干燥空气分子中温室气体的分子个数）增加了184×10^-6个单位，水泥生产增加5×10^-6个单位，土地使用改变（Land use）增加69×10^-6个单位，从而造成大气层二氧化碳浓度在1870年288×10^-6个单位的基础上增加到546×10^-6个单位；而土地吸收（Land sink）和海洋吸收（Ocean sink）的负贡献仅148×10^-6个单位，最终2014年大气层二氧化碳浓度约为397×10^-6个单位，温升较工业化革命前增加了0.81℃。IPCC的第5次工作报告（AR5）第一工作组研究数据表明，1750~2011年人类人为排放了555Gt二氧化碳，其中240Gt二氧化碳进入大气层（占43.2%）；155Gt二氧化碳进入海洋（占27.9%），造成海洋酸化；160Gt二氧化碳被陆地吸收（占28.9%）^[5]。如果认为土地吸收和海洋吸收的负贡献已大致趋于平衡，未来就必须控制促使温室气体浓度提高的5个正贡献源（煤炭、石油、天然气、水泥生产、土地使用改变）导致的浓度增加值小于148×10^-6个单位，这样大气层的温室气体浓度就不会再增加。鉴于土地吸收和海洋吸收容量已经不大，寄希望于增加森林碳汇的二氧化碳吸收以及碳捕集和封存（CCS/CCUS）取得突破，才有可能控制温升在2℃以内。

图5　全球碳收支对大气层二氧化碳浓度的影响

说明：图中浓度数据为“每百万个干燥空气分子中温室气体的分子个数”

6　CCS难以封存数亿吨级的二氧化碳

按照IPCC的预估，RCP4.5情景2011~2100年全球二氧化碳排放量将达到2780Gt，大气温升将达到2.6~2.9℃。除了减少化石能源消费量、煤炭清洁化利用、加大可再生能源消费比率、增加核能比率外，科学家们希望通过碳捕集和封存（CCS）或增加了利用功能的措施（CCUS）来减少二氧化碳的排放量。事实上目前CCS均处于示范阶段，除有个别小规模商业工厂外，未见新建装置运行。陆地深部咸水层封存（DRS）、深海封存均未见实质性启动和进展，而且耗费相当大的建设成本只封存几百万到几千万吨二氧化碳，相对于每年400×10⁸~500×10⁸t二氧化碳排放量而言实在是九牛一毛，对减少温室气体排放起不到更本性作用。

7　结语

本世纪末实现温室气体“净零排放”只是政治家的美好愿景，按照目前可预见的科技水平和措施将难以达到，《巴黎协议》的签订只能说是开启了美好愿景的第一步。不过，在减缓温室气体排放对人类环境不良影响方面，要相信人类的智慧和未来的技术进步，相信未来绿色能源和低碳经济的发展和进步，既不悲观，也不盲目乐观。不能否认二氧化碳的排放及累积效应对大气温升的影响，作者认为学术可以争论，但不能够依据个别观点轻易下结论。现做阶段性小结如下：

①中国2050年尚处于中等发达国家的水平，经济还要发展，能源总量减不下来，增量要靠低碳能源补充，期望天然气、可再生能源（水电、太阳能、风能、生物质能等）和核能能够挑起大梁。但中国这些绿色资源有限，要依托国际市场，付出极大的努力才能够实现。

②以中国为代表的大多数发展中国家的碳排放峰值年处于2030~2040年，达峰后依然会有一个几十年的准平台期，不可能迅速下降，到2050年甚至本世纪末依然会使用20%~30%的化石燃料，其中煤炭仍然占有一定比率。

③既然煤炭和其他化石能源依然在远期的工业和运输行业中占有一定份额，就必然要排放二氧化碳，如果大于土地吸收和海洋吸收的二氧化碳份额，大气中温室气体浓度就还会增加。

④在技术方面，把温升控制在1.5℃之内，意味着要在本世纪末实现净零排放。要做到这一点必须依靠“负排放”技术，抵消使用化石燃料产生的正排放，需要大规模部署碳捕获和封存（CCS）技术，将碳保存于地下或海洋深处，从而做到净零排放，而这些技术目前尚未成熟。

⑤中国《前沿科学》杂志2016年第10卷第37期刊登的论文《二氧化碳不是气候变化的罪魁祸首》所下结论不够严谨，否认了IPCC集中全世界广大优秀气象和能源学者做出的已经获得国际公认的科学结论。

参考文献：

[1]　陈俊武，陈香生，胡敏.中国低碳经济前景刍议（下）——中国减少碳排放的措施[J].中外能源，2015，20（4）：11-12.

[2]　Global Carbon Budget 2015[EB/OL]. http://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/15/files/GCP_ budget_2015_v1.02.pdf.

[3]　The Emissions Gap Report 2015[EB/OL]. http://www.unep.org/climatechange/.

[4]　陈俊武，陈香生，胡敏.中国低碳经济前景刍议（上）——本世纪碳排放对气候变化的严峻影响[J].中外能源，2015，20（3）：2-5.

[5]　政府间气候变化专门委员会第五次评估报告第一工作组.气候变化2013/自然科学基础/决策者摘要（中文简版）[EB/OL].http://www.climatechange2013.org/images/report/WGlAR5_SummaryVolume_FINAL_ CHINESE.pdf.

（编辑　张峰）

No Rosy Picture for Net-zero Emissions Goal by Century End

Chen Junwu, Chen Xiangsheng

(SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation, Luoyang Henan 471003)

[Abstract]?The Paris climate treaty aims to cap global warming at two Celsius degrees compared with pre-industrial levels, with a target of 1.5 degree rise in the best scenario. These targets mean the world will need to achieve net-zero carbon emissions by the end of this century. Analysis shows these targets are really difficult to achieve, due to the following: the Paris treaty did not set out specific measures to achieve these goals and the total carbon emissions by countries are far higher than these countries’ carbon emission reduction targets in order to arrest climate warming and also a far cry from scientists’ judgments and predictions; developing countries still have to rely on fossil fuels to great extent in the long and medium term (due to a lack of abundant renewable resources, China will have to use at least more than one billion tons of coal yearly by the end of this century), meaning it is very difficult to achieve net-zero emissions; the developed world has passed the peak of carbon emissions but the developing world’s peak of carbon emissions is unlikely to appear in advance in the 2020s (it should appear in 2030-2040 and a plateau or quasi-plateau lasting for decades will follow; use of a substantial amount of non-fossil fuel has already been under way or planned by 2050 in developing countries, particularly China, which represent 32.2% (in basic scenario) or 43.0% (in aggressive scenario) of primary energy consumption; the increase in cumulative carbon dioxide volume in the air contributed by fossil fuel burning, cement production and land use remains higher than the volume of carbon dioxide absorbed by land and oceans; and the volume of carbon dioxide captured and stored is limited (storage of millions or tens of millions of tons of carbon dioxide, at a very high cost, does not have a substantial effect on greenhouse gas emission reductions).

[Keywords]?carbon emissions; net-zero emissions; climate warming; peak of carbon emissions; fossil fuel; carbon capture and storage

（文章出自：《中外能源》 第6期，2016年6月，P1-7）