极精微 ▎从能源转型到科技创新，“碳中和”正在掀起一场全球革命
引 言
工业革命以来，化石能源的使用大幅提升生产效率，推动社会经济快速发展，但碳排放量的持续增加也导致全球极端天气的频发以及生态环境的恶化。
为应对温室气体增加可能导致的气候危机，全球各国近年来先后宣布了控制温室气体排放的承诺。
中国在第75届联合国大会上，首次明确了实现“碳中和”的时间表。这一承诺不仅是全球应对气候变化进程中的里程碑事件，更是中国对“人类命运共同体”建设的最实质性贡献。
入局“碳中和”，将对中国的能源结构、产业结构等领域产生深远的影响。展望未来，“碳中和”相关的主题投资或许已悄然开始。
本专题将对“碳中和”背景下，中国面临的挑战以及科技创新机遇进行深度解析。
一、全球变暖与碳排放
截至2020年，全球平均气温（指陆地表面与海平面以上2米高度的气温）较工业化前水平（一般取1850至1900年平均值）上升了1.2摄氏度（如图1）。
图1 全球平均气温距平（较1850至1900年平均值的偏差）（单位：摄氏度）
来源：国家气候中心、凯丰投资
2020年是有完整气象观测记录以来第三暖的年份，2011至2020年也是1850年以来全球最暖的十年。
中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区，升温速率明显高于同期全球平均水平。
图2 中国地表平均气温距平（单位：摄氏度）
来源：国家气候中心、凯丰投资
1951至2020年，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，升温速率为0.26度/10年（如图2）。近20年是20世纪初以来的最暖时期，1901年以来的十个最暖年份中，除1998年，其余九个年份均出现在21世纪。
全球变暖可能会给人类带来一系列的生态环境危机。
全球变暖将造成北极海冰、南极和格陵兰岛的大陆冰川加速融化，导致全球海平面上升，而全球变暖背景下海水体积也会有所膨胀，必然加剧海平面的上升趋势。
目前，全球变暖已经造成全球范围内极端天气（如高温干旱、暴雨洪涝、台风/飓风、低温寒潮）出现的频次明显上升，而未来这种趋势可能还将继续维持，这必然会导致农作物减产的风险显著增加，同时导致人类和地球生物所处的生态环境进一步恶化，可能加速濒危生物的灭绝。
此外，全球变暖背景下，北半球中高纬度气温加速升高，过去典型的热带传染病向全球扩散的风险变得更加严峻。
大量科学研究表明，过去100年的全球气候变暖与人类活动导致的碳排放增加有直接关系。更专业的解释可能是，全球变暖的罪魁祸首是人类活动引起的“增强的温室效应”（enhanced greenhouse effects）。为了更好地理解这个名词，我们需要重新认识地球获得能源以及保持温度的物理过程。
地球的能量主要来源于太阳辐射（又称“短波辐射”），但地球大气层无法直接吸收来自太阳的能量，当太阳的短波辐射穿过大气层达到地球表面时，大部分能量被地表（如海表、海冰、冰川、水面）反射或被陆地表面吸收后再次以长波辐射的形式向天空发射，而直接被地球表面吸收和利用的太阳能量通常较少。
大气层中的水汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等气体能够对地面发射的长波辐射进行再次吸收并加热地表，从而对地球表面起到 “保温”的作用。
由于上述物理过程十分类似于栽培农作物的温室，因此被称为“温室效应”（或“自然温室效应”），而能够产生“温室效应”的气体统称为“温室气体”。
据科学家估计，假设地球大气层不存在温室气体，地球表面的平均气温可能降至零下19摄氏度，正是因为温室气体的存在，地表平均气温才得以上升至目前的14摄氏度。
图3 全球平均的二氧化碳（左）、甲烷（右）浓度变化
来源：NOAA、凯丰投资
备注：数据截至2021年5月。
工业革命以来，人类活动导致的温室气体持续增加，导致地球大气层中以二氧化碳、甲烷为代表的温室气体浓度大幅上升（如图3）。
截至2021年5月，全球平均二氧化碳浓度达到416ppm，较工业革命前（1750至1800年）的平均值（278ppm）增幅接近50%。地球大气层中温室气体浓度的大幅上升必然导致温室效应的增强，从而导致全球范围内气温的上升，我们通常将这一物理过程称为“增强的温室效应”。
二、“碳中和”与全球碳排放
对于全球温室气体排放可能导致的气候危机，在很早前就引起了全球范围内众多国家政府的关注和重视。
早在1988年，世界气象组织（WMO）及联合国环境规划署（UNEP）便联合成立了“联合国政府间气候变化专门委员会”（简称IPCC）。该机构的主要任务是对气候变化中的科学问题，气候变化对社会、经济的潜在影响以及如何适应和减缓气候变化的可能对策进行评估。值得一提的是，该组织与美国前副总统艾伯特·戈尔共同分享了2007年诺贝尔和平奖。
IPCC的评估结果对全球气候治理具有深远的影响。
例如，第一次IPCC评估报告（FAR）于1990年发布，1992年联合国通过《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC)，并于同年在巴西里约热内卢召开的地球峰会上共同签署，以“共同但有区别的责任”原则开始应对全球气候问题。
第二次IPCC评估报告（SAR）于1995年发布，1997年12月《京都议定书》出台，全球决定“将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平，进而防止剧烈的气候改变对人类造成伤害”。
2014年，IPCC第五次评估报告发布（AR5），2015年12月《巴黎协定》出台，全球决定要到本世纪末把全球升温控制在2度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5度以内。
为了遏制全球温室气体增加可能导致的气候危机，近年来全球各国的政治领袖先后宣布了在控制温室气体排放方面的承诺。2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上，宣布中国力争在2030年前达到碳排放峰值，并努力争取2060年前实现“碳中和”。
“碳达峰”是指在某一个时点，二氧化碳的排放达到峰值，不再增长，之后逐步回落。
“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。
习近平主席在联合国大会上的表态首次向全球明确了中国实现“碳中和”的时间表。
2020年12月12日，习近平主席在气候雄心峰会上通过视频发表题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话，宣布中国国家资助贡献一系列新举措，承诺到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。
截至2020年底，全球44个国家和地区承诺将实现“净零排放”（即“碳中和”）的目标，覆盖全球约70%的二氧化碳排放量。
如前文所述，二氧化碳是导致全球气候变暖的重要温室气体，约占全球温室气体总排放量的四分之三，甲烷和氧化亚氮的占比分别为16%和6%。
表1 主要温室气体的全球变暖潜力值、占比及主要来源
来源：政府间气候变化专门委员会（IPCC）、凯丰投资
不同的温室气体（如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮）所引起的大气增温效应差异很大。如果将1个单位二氧化碳所产生的增温效应（又称“全球变暖潜力值”，Global Warming Potential）计为1，那么同单位甲烷、氧化亚氮所产生的增温效应将分别达到25、298（如表1）。
因此，在估算全球温室气体总排放量时，需要考虑不同温室气体的增温效应，将每种温室气体的排放量转化成相同增温效应的二氧化碳的排放量（又称“二氧化碳当量”、CO2 equivalent或CO2-eq或CO2e）
按照目前的主流估算数据（2019年），全球二氧化碳的年排放量为370亿吨，其中碳排放量接近100亿吨。若考虑甲烷、氧化亚氮等温室气体及其全球变暖潜力值（如表1），全球二氧化碳当量为510亿吨。
图4 全球主要经济体二氧化碳排放量占比（2019年）
来源：世界资源研究所、凯丰投资
截至2019年，全球二氧化碳年排放量排名前6名的经济体分别为中国、美国、欧盟、印度、俄罗斯、日本，覆盖全球65%的二氧化碳排放量（如图4）。其中，中国的二氧化碳排放量接近全球总排放量的28%，相当于美国的2倍、欧盟的3.5倍、印度的4倍、俄罗斯的6倍、日本的9倍。
从这个角度来说，作为2019年全球碳排放总量占比最高的国家，中国对“碳中和”的承诺是全球应对气候变化进程中的里程碑事件，具有巨大和深远的意义，也是中国对“人类命运共同体”建设的最实质性贡献。
图5 全球分部门的温室气体排放占比情况（2017年）
来源：世界资源研究所、凯丰投资
从分部门的二氧化碳排放占比来看，全球约73%的二氧化碳排放量来自于能源消耗。其中，直接用于发电和供热的排放量占比约为30.4%,交通、制造业、建筑业的二氧化碳排放量占比分别为16.2%、12.4%、5.6%（如图5）。
此外，农业生产和工业生产（如水泥、钢铁）过程中所排放的二氧化碳占比分别为11.8%和5.7%。
图6 全球主要经济体温室气体排放量的来源比较（2019年）
来源：世界资源研究所、凯丰投资
从温室气体的排放来源来看，全球二氧化碳排放主要来源于石油（33.9%）、煤炭（39.4%）和天然气（20.9%）的使用，而水泥生产过程所排放的二氧化碳量达到总排放量的4.3%（如图6）。
不同经济体的排放结构差异较大。其中，美国、欧盟为代表的发达经济体表现较为一致：石油消费所排放的二氧化碳占比约为45%、煤炭消费所排放的二氧化碳占比约为20%至25%、天然气消费所排放的二氧化碳占比约为25%至30%。
与欧美的排放结构有所差异，俄罗斯的原油、煤炭消费所排放的二氧化碳占比相当，均为23%左右，而天然气消费所排放的二氧化碳占比接近全国总排放量的50%，这主要由俄罗斯自身的资源禀赋所决定。
印度、中国的排放结构中，煤炭消费所排放的二氧化碳占比达到65%至70%，显著高于西方发达经济体。印度的石油和天然气占比约为30%，而中国仅为20%。此外，中国水泥生产所排放的二氧化碳占比高达8%。
三 、中国实现“碳中和”所面临的重大挑战
分部门来看，中国的温室气体排放结构与全球平均（如图5）具有明显的差异。
图7 中国分部门的温室气体排放占比情况（2017年）
来源：世界资源研究所、凯丰投资
中国能源消耗的温室气体排放量占比高达85.2%（如图7），明显高于全球平均水平（73.1%），其中电力与供热用能和制造业用能的排放量占比分别为41.6%、23.2%，相比全球平均值（30.4%、12.4%）明显偏高。
此外，中国工业生产（主要是钢铁、水泥）过程中的温室气体排放占比达到9.7%,明显高于全球平均水平（5.7%）。中国的交通、建筑、农业等部门的温室气体排放分别为7.5%、4.5%、6.1%，均低于全球平均水平。
图8 全球主要国家年度温室气体排放量（1919至2019年）
来源：世界资源研究所、凯丰投资
1949年以来，我国的温室气体排放量持续增加，在20世纪70年代先后超越了英国、日本、德国，在2003年前后超越欧盟，2006年前后超越美国。过去10年中，我国的温室气体排放量依然保持较快的增速，短期没有放缓的迹象（如图8）。
由于我国对世界承诺的“碳达峰”“碳中和”时间分别是2030年、2060年，因此在实现“双碳”目标的道路上，留给我国的时间并不多。
回溯主要国家的碳排放量历史，我们可以发现，英国、德国等欧洲发达资本主要国家在20世纪70年代已经先后实现了温室气体排放达峰（也即“碳达峰”），而英国、德国承诺的“碳中和”时间均为2050年，因此它们的温室气体排放量从达峰到中和具有70至80年的时间。
美国的温室气体排放量在2007年达峰，目前也呈现逐年下降的趋势，截至2019年已较峰值水平下降约20%。美国承诺的“碳中和”时间也是2050年，因此美国也有40余年的时间从达峰到中和。
而中国从“碳达峰”到“碳中和”只有30年时间，且目前中国的年温室气体排放量已达到美国的两倍，因此我们的时间紧、任务重。
在实现“碳达峰”“碳中和”的道路上，我国面临的最大挑战可能来自于目前我国经济所处的发展阶段。
图9 全球主要国家人均GDP（1960至2019年）
来源：Wind、凯丰投资
图10 全球主要国家人均能耗（1965年至2019年）
来源：Our World in Data、凯丰投资
截至2019年，我国的人均GDP仅为美国的六分之一，德国、英国、日本的四分之一，韩国的三分之一（如图9）；我国的人均能耗仅为美国的三分之一，韩国的四成，德国、日本的六成，英国的八成（如图10）。
因此，从人均经济指标来看，我国还有很大的发展潜力和需求，未来经济的增长和城镇化的发展，必然会带来能源总需求量的继续增长。
在向低碳转型的道路上，我国最突出的短板是单位能耗的GDP产出（即GDP/能耗）远低于其他国家。
图11 全球主要国家单位能耗的GDP产出
来源：Wind、凯丰投资
备注：数据区间为1990至2015年。
截至2015年，我国单位能耗的GDP产出值仅为英国的三分之一、日本的二分之一、德国的四成、美国和印度的三分之二（如图11）。
换句话说，我国的经济发展过程中，能耗强度远高于其他国家，这至少可以归因于以下原因：1）产业结构特殊，GDP增长对于能耗依赖度过高；2）能源利用率偏低；3）大量小型企业奉行“薄利多销”的经营理念。
分行业来说，在实现“碳达峰”与“碳中和”的过程中，我国电力行业所面临的挑战最大。
我国是世界上最大的温室气体排放国，每年的煤炭消耗量接近全球总消费量的一半。以长三角地区（如上海周边250公里半径范围内）为例，我国的火电装机量达到100GW，相当于俄罗斯（全球第四大火力发电国）总装机量的2倍。在“十四五”规划中，未来仍可能有数百个火电厂将被建设。
在制造行业中，钢铁和水泥行业属于典型的能源密集型产业，这两个行业的温室气体排放在全国总排放量中的占比可能分别达到16%和15%。
图12 水泥生产过程中的二氧化碳来源（示意图）
来源：凯丰投资（根据行业信息与互联网资料整理）
以水泥生产为例，二氧化碳的排放主要产生在石灰石煅烧生成熟料的过程中（如图12），未来水泥行业脱碳路径可能需要从底层实现原材料的颠覆，如使用非石化基材料代替石灰石原材料，同时相应的燃料也需要实现零碳替代。钢铁行业的脱碳可能需要推动由高炉炼钢向电弧炉炼钢的路线转变。
然而，由于工业生产的上下游的关联度较高，改变现有生产流程必然带来整个产业链的变革，这可能导致大量原有设备需要重建改造，并可能带来资产浪费、负债压力以及银行坏账，因此可能会产生“牵一发而动全身”的连锁反应。
中国不同区域、不同行业的经济发展水平差异很大。在实现“碳中和”的过程中，对不同区域、不同行业会带来不同程度的冲击，可能会进一步加剧发展不平衡的问题。
已有研究表明，中国高收入地区的产出能源强度远低于低收入地区，在“碳中和”实现的过程中，可能会让低收入地区承担更多的减排责任，进一步带来“穷人补贴富人”的不平等问题。
在实现“碳中和”的过程中，碳排放密集型行业（如煤炭、煤电、钢铁、水泥、石化、铝业等）的成本上升、竞争力下降，未来市场份额可能会被低碳产品替代，传统碳排放密集若不能做出调整转型，或将面临严重的失业问题和资产减值损失；而低碳行业的发展也可能带来新的投资和就业机会。
如何在转型过程中兼顾效率和公平，需要决策者在顶层设计中进行通盘考量。因此，7月30日召开的中央政治局会议提出，要统筹有序做好“碳达峰”“碳中和”工作，尽快出台2030年前“碳达峰”行动方案，坚持全国一盘棋，纠正运动式“减碳”，先立后破，坚决遏制“两高”项目盲目发展。
四 、“碳中和”需要颠覆式的科技创新
过去50年（1971年至2018年），在全球一次能源中，煤炭占比几乎不变（维持在26%左右），石油的占比从44%下降至31.5%，但依然接近三分之一，天然气、核能、水力能以及可再生能源的占比由30%上升至41.6%（如图13）。
图13 全球一次能源结构的变动
来源：国际能源署（EIA）、凯丰投资
总体来看，化石能源（煤炭、石油、天然气）在一次能源中的占比依然超过80%。
化石能源之所以被广泛使用，是因为其具有储量巨大、易于储存且能量密度高的巨大优势。根据比尔·盖茨出版的新书《气候经济与人类未来》中的汇总内容，化石能源的功率密度高达500至10000瓦特/平方米，而太阳能、水力能、风能、生物质能都远远低于这个水平。
为何化石能源能够将如此多的优点集于一身？
如果要回答这个问题，需要重新审视化石能源的形成过程。事实上，无论是煤炭还是石油，它们都是远古年代的植物或者微生物（以及藻类）经过亿万年的地壳运动和漫长的物理、化学变化，最终形成了碳强度和能量密度极高的有机物。这个形成过程虽然漫长，但对于当代的人类来说完全免费，可以说是我们的地球母亲给子孙后代留下的宝贵财富。
当代社会人类对于煤炭与石油的开采和利用过程，从本质上说，是将远古生物通过光合作用固定在有机质中的能量释放出来，并将碳元素以二氧化碳的形式排放到大气层。从根本上来说，对于化石燃料的使用实际是当代人类对“远古时代太阳能”进行开发。
基于这种对化石燃料本质的认识，我们可以进一步推演，在全人类迈向“碳中和”的道路上，当代社会需要尽可能多地减少对化石燃料的依赖，如果当代人类减少了对“远古时代太阳能”的利用，势必需要增加对“当代太阳能”的利用。这里，我们说的“当代太阳能”的利用往往表现为直接利用太阳能（比如光伏）或间接利用太阳能（如水力能、风能、生物能）。
对电力行业来说，为了实现“碳中和”可能需要尽可能增加对清洁能源（如光伏、风能、水力能、核能、地热能）的开发利用，同时研发不同形式的储能技术（如电池、抽水蓄能、氢能）以及长距离输电技术（如特高压）。但是，短期来看人类社会无法彻底摆脱对于火电、石油、天然气等化石能源的依赖，因此可能还需要开发颠覆性的负碳技术（如碳捕获和碳封存）。
对交通运输行业来说，公路和铁路交通实现电气化和清洁电力的难度较小，但长距离货运卡车、航空、远洋航运等领域还需要依赖新型能源（如氢燃料电池）技术的突破。在过渡阶段，生物质燃料（如可再生柴油、可持续航空燃料）可能具有较好的发展潜力。从这种意义上来说，种植业、育种技术以及生物材料技术可能会被赋予新的使命。
对制造业来说，“碳中和”必然会导致传统的能耗密集型行业出现产能收缩（类似供给侧改革）与成本上升，未来需要加强老材料的循环利用（如废钢、回料、废纸的再利用）以及新材料新工艺的开发（如生物基的可降解材料开发）。对于碳排放强度极高的行业（如水泥行业），发展负碳技术（如碳捕获和碳封存）可能无法避免。
图14 碳排放量的拆解
来源：IPCC、凯丰投资
为了进一步理解“碳中和”的可能实现路径，我们可以对碳排放量进行简单的拆解（如图14）。
二氧化碳的排放总量与人口数量、人均GDP、GDP的能耗强度（GDP/能耗）、能源的碳强度（即二氧化碳/能耗）等因素有关。在目前全球的大环境下，我们无法通过降低人口和人均GDP来实现“碳中和”，如果需要实现“碳中和”，必须降低GDP的能耗强度以及能源的碳强度，而这两项的降低完全依赖于科技发展水平。
因此我们认为，人类社会全面实现“碳中和”的宏大目标，表面看仅仅是一次能源转型，实际可能伴随着一场全球范围内的科技革命。