1、碳中和目标下能源发展的思考目录碳中和目标下能源发展的思考11 碳中和含义11.1 碳中和概述21.2 发展趋势21.3 实现碳中和的意义32 全球发展41.全球清洁能源技术发展历程42全球关键清洁能源技术发展现状53 清洁能源技术主要技术国家64不同领域技术领先国家65.德国发展75.1 德国现状75.2 德国碳中和城市能源系统创新105.3德国能源系统碳中和发展对中国的借鉴意义113 国内发展123.1 面临的困难与挑战123.2能源转型161意义162清洁能源发展所需矿产资源供需特征173转型路径204 结论221 碳中和含义“碳中和”概念的首次提出是在二十世纪末，具体指一个国家或企业、个
2、人，在日常生产活动的时候会排放出温室气体，同时又通过植树造林、节能减排等行为治理排放物，那么，在某一个阶段中，排放的污染与治理的能够做到相互抵销，就意味着污染物相对零排放，从而实现碳的平衡与中和。该概念在提出之后逐渐被大众认知，并且不断推广，接受度大大上升，新牛津英语字典在2006年将这个词汇评选为年度词汇，到2007年正式将碳中和（carbon neutral）”收编至字典中。2013年7月，国际航空协会提出了航空业“2020碳中和”方案，通过提高燃油效率、达到碳排放量顶峰、实现碳排放量消减这三大承诺促进碳中和目标的早日实现，各航空公司2020年后超出排放指标的部分需要以缴纳“碳税”的形式自
3、行承担。2018年，隶属于联合国的部门，政府间气候变化专门委员会发布报告，呼吁各国从能源、土地、工业、运输、城市建设等方面展开有效而长远的改革，尽各国的努力，将未来全球变暖的温度控制在1.5之内。1.1 碳中和概述要理解碳中和的概念首先要理解什么是“碳”以及为什么要“中和”。全球变暖以及其带来的一系列后果，是人类生产，生活等社会活动中直接或间接地改造环境，导致的地球气候变化。碳”，从狭义的角度来讲，是一种基本自然元素，而从广义的角度看，其实是对煤炭、石油、木材等由碳元素构成的自然资源的一种环保层面上的概括。这些自然资源的利用为人类社会的发展起到了巨大的积极作用，但与此同时，“碳”的消耗，也会带
4、来“碳”的排放一一二氧化碳。温室气体排放的增加是全球气候变暖的元凶。二氧化碳是温室气体中占比最大的一种。能源的消耗随着经济的快速发展不断增加，二氧化碳的排放亦然，并已成为影响我国经济健康可持续发展的一大因素。多年以来因为气候变暖而导致的问题接踵而至，人们的生活也因此受到巨大影响。严重的环境污染，频发的自然灾害和令人堪忧的空气质量等显著的问题已经受到国家和社会的广泛关注，为了减缓这些问题，“低碳环保”、“绿色生活”等理念相继推出，人们也开始越来越注重节能减碳的生产和生活方式。2020年9月习近平总书记宣布碳中和目标以来，“碳中和”一词在我国家喻户晓。其实在这之前，碳中和”作为环境经济学的一个重要
5、名词一直备受国际社会的关注，无论在民众还是在各企业间，已有许多自发进行的“碳中和”活动，通过节能减排、植树造林、循环利用、能源替代等一系列环保措施，来减少碳排放量。当减少的碳排放量与已排放的二氧化碳量相等，两相抵消，即达到了相对的“零排放”，也就是碳中和。1.2 发展趋势有关机构测算的目前中国年均碳排放量，大概在100亿吨左右，这是一个十分庞大的数字，而我国应对气候变化的目标是“二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。由此可见，我国必须在较短的时间里完成一个十分艰巨的任务。但碳中和的进程不会是线性的，它是一个逐步加速的过程。从我国目前“碳中和”的发展水平来看，虽
6、然压力巨大，但未来可期。目前改变十分显著的首先是能源产业。传统化石能源产能逐步下滑，可再生清洁能源快速崛起。化石能源中碳密度最高的是煤炭，石油产生1吨标准煤热值的碳排放是2.1吨，达到相同热值，煤炭的碳排放量则是2.6吨，而这种高碳排高污染的发电方式也将被逐步淘汰。可再生清洁能源在发电结构中的占比将越来越大。虽然2019年底发生了全球性新冠疫情，但2020年全球新增可再生能源装机容量达到了260GW，比之前的记录高出近50%，而这个记录将会不断提高。其次是交通运输产业，正在全面朝着电气化的方向发展。中国已发出强烈政策信号，电动汽车的发展上升至国家战略，许多国家和地区也已宣布逐步使零排放汽车替代
7、传统燃油汽车的目标，在这样的背景下，全球电动汽车销量急剧增长。最后，消费领域也在慢慢的发生着巨大的变化。引导消费者降低对高耗能产品的消费需求是政府和企业实现碳中和目标的重要举措。目前全社会正在形成节约型消费、绿色低碳消费等新风尚。由此不难推测，在未来10-40年间，能源领域将迎来巨大变革，清洁能源将占据主导地位，渗透进生产生活等各个领域，并为减少碳排放，实现碳中和做出巨大贡献；交通电气化也将逐步全面覆盖，以内燃机为动力来源的民用交通工具将成为历史，同时交通运输结构将迎来巨大优化，新能源带来的效率和交通运输工具的利用率水平得到更大的提升；随着消费低碳化的不断普及和深入，共享经济，绿色经济等新业态
8、将变成常态，人们的生活水平在可持续，低耗能，生态性的要求下稳步提高，逐渐达到一个高质量且可持续的健康状态。1.3 实现碳中和的意义尽管我国的“脱碳”任务时间紧、压力大，但“碳中和”目标的完成对我国具有重要意义。首先，它是改善我国的自然生态环境、缓解气候灾害问题最直接的手段。我国属于生态和气候敏感型国家，近年来，如特大暴雨引起的洪涝灾害等气候风险走高，而“碳中和”的进程将对降低这样的风险产生积极作用；其次，在巨大压力下的减碳工作有助于实现从“量变”到“质变”。“质变”意味着技术的创新和改革的升级，在完成减碳目标的同时实现高质量发展，更好更快地推动我国在可持续发展之路上行稳致远；再次，我国作为世界
9、上的碳排放大国，在全球气候治理中的发挥的作用举足轻重。据测算，中国实现“碳中和”将使全球温升幅度降低约0.2到0.3摄氏度，还可能使全球提前5至10年实现“碳中和”；我国是全球最大可再生能源投资国，将带动全球清洁技术平均成本持续下降，引领全球更多国家走上低碳发展和生态文明建设之路。最后，积极参与不仅体现大国担当，对提升国际话语权同样意义重大。我国秉持人类命运共同体理念，承诺在实现“碳中和”的进程中有力推动绿色、低碳、可持续的国际发展合作，打造负责任大国新范式。2 全球发展能源领域作为全球温室气体排放的首要“贡献者”，已成为世界各国推进碳中和行动的重要改革领域P。能源系统脱碳转型已成为全球发展趋
10、势，风能、太阳能等可再生能源比重持续提升101，清洁能源技术快速发展，电气化、高效化、低碳化和互联化的新一代全球能源体系正在形成。美国能源信息署（EIA）发布的2021年国际能源展望-预测2050指出，全球能源消费量在未来30年将持续平稳上涨，可再生能源消费总量增速显著，经合组织国家可再生能源电力增长约5倍，非经合组织国家可再生能源电力增长约11倍。至2050年，太阳能和风能的发电比重将大幅增加，增幅分别为1120.3%和292.4%。届时太阳能发电将成为电力生产的主要方式之一，占全球电力生产的24.2%，可再生能源发电比重将达到56%。1.全球清洁能源技术发展历程清洁能源技术在加速全球能源转
11、型方面发挥着关键作用。近年来，世界主要经济体持续加大清洁能源技术研发，积极推动清洁能源产业发展。国际可再生能源署（IRENA）统计数据揭示13，2009-2021年全球可再生能源领域专利数量持续攀升，其中太阳能光伏、太阳能热和生物燃料专利数量分别增幅443%、256%和211%（图1）。与此同时，氢能、核能等清洁能源技术也进入快速发展期。2007-2019年，氢能产业专利数量迅速增长，自2014年起年均增幅约30%。在全球碳中和背景下，清洁能源关键技术研发受到高度关注，研发强度增加、研发周期缩短将进一步推动清洁能源产业快速发展。2全球关键清洁能源技术发展现状能源领域作为全球温室气体排放的主要来
12、源，在应对全球气候变暖背景下，受到世界各国高度关注14。美国、欧盟、英国、法国、日本等国家/地区先后发布相关战略支撑，加速能源系统低碳转型，系统部署清洁能源前沿技术研发，以期推动清洁能源产业快速发展和化石能源产业低碳转型。国际能源署（IEA）聚焦于实现全球净零排放所需的关键清洁能源技术，通过整理与汇编构建了涵盖444项关键清洁能源技术的数据库15。本文基于该数据库，从技术领域、技术成熟度、净零排放重要性、清洁能源技术主要研发国家和不同领域技术领先国家五个维度开展对比分析。按行业领域，清洁能源技术划分为能源转型、工业、建筑业、交通运输业和CO2基础设施5个一级技术领域和26个二级技术领域。其中能
13、源转型和工业部分涵盖技术数量最多，分别为126和125项，建筑业、交通运输业和CO2基础设施部门依次为116、67和10项。不同领域清洁能源技术研发重心具有很强的聚焦性。能源转型领域共涵盖126项清洁能源技术，细分成7个子领域，分别为电力、热能、生物燃料、氢能、氨、合成烃燃料和炼化。其中电力63项，占能源转型领域技术数量的50%，具体技术方向既包括太阳能、风能、氢能、海洋能、核能等电力生产端，同时包括柔性交流电传输系统和液体空气储能等电力传输和储能方向。此外，生物燃料和氢能是能源转型的重点子领域，关键技术分别为29和20项。建筑业领域技术分布具有相似特征，研发重点为制冷/制热和建筑物建造/翻新
14、两个子领域，关键技术分别为61和34项，占比分别为52.6%和29.3%。具体技术包括热泵、热辐射反射屋顶、蒸发式太阳能集热器、固液储能、绝热玻璃涂层等。交通运输业领域技术研发聚焦于公路和航运两个子领域，关键技术分别为34和20项，在本领域占比51%和30%，具体技术包括氢燃料发动机、氢燃料电池、甲醇燃料发动机和电动汽车等。CO2基础设施领域关键技术研究方向聚焦于CO2储存子领域，涉及5项，占比50%，关键技术包括碳封存监控技术、CO2提高采收率和矿物储存等。相较于上述4个领域，工业领域技术研发分布较为平均，主要聚焦在化学品/塑料、电池回收和交叉技术三个子领域，关键技术分别为29、28和23项
15、，占比分别为23.2%、22.4%和18.4%，包括生物乙醇制备、甲烷热解、阴极回收稳定钝化技术等。3 清洁能源技术主要技术国家从国家层面对清洁能源技术统计可知，排名前十的国家依次为美国、日本、中国、德国、荷兰、英国、法国、加拿大、瑞典和挪威（表3）。美国在清洁能源技术领域具有明显的技术优势。在444项关键技术列表中，美国有131项技术处于世界领先地位，远超排名第二的日本（65项）和排名第三的中国（62项）与此同时，美国在不同领域研发分布较为平均，能源转型、建筑业、工业、交通运输业和CO2基础设施五个领域均有涉及，且每个领域清洁能源技术数量均居榜首。虽然不同国家清洁能源技术研发各有侧重，但能源
16、转型是各国普遍高度关注的技术领域，在本国清洁能源技术的占比也最高。另外，日本在建筑业领域具有较好的清洁能源技术研发基础，德国、荷兰、英国和加拿大在工业领域具有较强的清洁能源技术研发实力。4不同领域技术领先国家研究结果显示，不同领域的技术领先国家存在一定差异，但美国在五个领域均保持技术领先地位。在建筑领域，关键清洁能源技术数量排名前五的国家依次为美国、日本、中国、荷兰和瑞典，领先技术分别为37、22、19、8和7项（图4）。研发聚焦于制冷/制热和建筑物建造/翻新两个子领域，其中美国在硅碳质气凝胶绝缘材料、建筑集成热湿交换板和蒸发冷却耦合渗透膜等技术领域处于全球垄断地位，日本在固体干燥冷却剂技术领
17、域处于全球垄断地位，荷兰在地下储热系统领域处于全球垄断地位。此外，法国在集成系统子领域具有技术研发优势，在能源转型领域，排名前五的国家依次为美国、日本、德国、法国和英国，领先技术分别为46、34、24、22和21项，研发聚焦于电力、生物燃料和氢能三个方向（图5）。电力子领域排名前五的国家依次为美国、日本、中国、法国和英国，领先技术分别为25、24、13、11和10项；生物燃料子领域排名前五的国家依次为美国、法国、德国、丹麦和瑞典，领先技术分别为11、7、6、4和4项；在氢能子领域排名前五的国家依次为美国、英国、德国、澳大利亚和日本，领先技术分别为10、7、6、5和5项。日本在混合燃料火力发电和
18、混合燃料燃气轮机两个技术领域处于全球垄断地位，美国在CCUS氢化学循环技术领域处于全球垄断地位，英国在煤气加热重整领域处于全球垄断地位。此外，德国和挪威分别合成烃燃料和炼化两个子领域具有技术研发优势。在交通运输业领域，排名前五的国家依次为美国、中国、德国、韩国和瑞典，领先技术分别为12、11、8、7和6项，整体较为接近（图6）。研发聚焦于公路子领域，主要技术涉及甲醇燃料发动机、乙醇燃料柴油机和电动汽车三个方向。我国在公共交通电动车和甲醇燃料发动机方面具有领先技术实力。此外，德国和丹麦分别在铁路和航运两个子领域具有技术研发优势。在CO2基础设施方面，排名前五的国家依次为美国、挪威、加拿大、荷兰和
19、澳大利亚，领先技术分别为8、6、5、4和3项，研发领域涵盖CO2储存、直接空气捕获和CO2运输，其中CO2储存为研发重点。美国在直接空气捕获、CO2航运、CO2地质封存（盐水层和深层）等技术领域处于全球领先地位。在工业领域，排名前五的国家依次为美国、德国、英国、荷兰和中国，技术数量分别为28、21、13、13和12项。美国在工业领域中共有10项技术处于全球垄断地位，技术领域涵盖铝业、水泥/混凝土、化学品/塑料、钢铁/冶金和交叉技术。在多个工业领域中，中国仅在化学品/塑料子领域的部分技术处于全球垄断地位，例如高附加值化学品、甲醇制备和苯-甲苯制备。5.德国发展5.1 德国现状城市能源系统碳中和发
20、展战略的关键是需要从政策、技术和市场3个不同维度进行顶层设计、精细规划和稳步实施，并对实施过程中的问题、成熟度和效用进行长期跟踪和评估。a.德国城市电力系统减排现状及挑战得益于德国完备的新能源法的保障和完善的能源市场交易机制，新能源在德国电力系统中的比例不断增加。在2020年，新能源发电量的比例达到近46%的历史高点。在城市能源系统中，接人城市配电网的分布式屋顶光伏是主要的新能源电源。但由于城市中的建筑物密度大，产权及建筑用途复杂，老城保护和环保多方面的限制，城市中新能源发电仅能为城市电力能源提供小部分的能源补充。此外，基于生物质能等小型热电联产装置已经应用于办公楼、高层住宅和商业区。不断变化
21、的发电侧和用电侧需求将导致城市电力运营商面临不断增加的转型挑战，具体归纳为以下几点：1）城市配电台区中发电装置不多且小型化、碎片化，要求配电网公司显著提高规划、运行、监测等方面数据处理的频率和效率。2）电动汽车和充电桩的推广使充电负荷迅速增长。这使得电网公司需要在电网再投资和投人新调控技术之间谨慎选择。3）随着引入针对分布式能源接入的Redispatch2.0（二次调度），导致电网调度的复杂性提高。配电网公司将面临电网调控技术和成本上的挑战。4）随着多能互补及能源互联技术的不断发展，配电网公司需要加强与其他能源网络的互动，提高信息采集和分析能力，以提高电网运行可靠性，优化电网规划方案。5）配电
22、网运营商缺少有效的市场手段调配供电区域内的灵活性资源以实现可再生能源的就地消纳，但未来需要主导区域灵活性市场。目前，灵活性市场还需进一步开发并验证其宏观经济及市场经济的可行性。b.德国城市供热系统减排现状及挑战与城市电力供应同样重要的还有城市热能供应以及与其紧密相连的天然气供应。现阶段，德国城市的主要供热方式有：热电厂远程集中供热、基于天然气网的热电联产供热及人户式供热、楼宇柴油供热、楼宇电热及热泵系统供热和光热辅助供能。在能源供给方面，德国还十分依赖天然气及柴油等传统石化能源。城市远程供暖网络并不能完全满足供热需求，而在住宅中供热系统基于本地安装的小型低效供热系统。近年来，越来越多替代传统能
23、源的供热方式被采纳，如利用生物质能的小型热电联产装置，燃料电池、太阳能光热以及基于热泵的电能替代技术等。然而，现阶段城市热能系统的主要问题是缺少规模效应。由于城市产权、使用目的和建造年代等多种因素的约束，供暖的解决方案呈现出多样化、不兼容、不互联的特点。为了达到优化和改造现有供热系统，提高系统效率，减少碳排放的目的，就需要根据不同需求状况，制定不同的政策和解决方案但这也同时加大了供热问题的难度和深度。c.德国城市建筑能源系统减排现状和挑战德国总共拥有近2170万栋住宅建筑以及工商用和公共建筑，而其中使用燃油、燃气供能系统的高耗能老式建筑占到了70%。2020年德国建筑领域总能耗为8650亿kW
24、.h，用能占到了全国总能源消耗的近40%9，占总碳排放比例的近25%。由此可见，建筑领域的减排和能耗优化对实现碳中和目标举足轻重从1990年代开始，德国就启动建筑领域节能减排，制定建筑节能法案法规以及统一的能耗标准证书，并开展被动式能源房屋、主动式能源房屋的技术研究及示范。但到目前，建筑领域的减排总体进展大大低于预期，其面临的主要挑战，表现在以下3个方面：1）建筑领域能源结构依旧老化，特别是供热系统，使用传统燃油和天然气供暖的占比依旧很大；2）旧房节能改造的成本居高不下，且未能打破“投资-收益-困境”的经济难题，还未形成成熟可持续的商业模式；3）分布式能源在建筑领域和用户侧的应用虽然催生了新的
25、商业模式，如Mieterstrom邻里售电（类似国内隔墙售电）和供热微网等，但各子系统和其模式还主要是独立设计、实施和运行，未能实现真正的耦合和经济性最优。d.德国城市电动交通系统减排现状及挑战作为传统的交通和汽车强国，德国交通领域的燃油替代和电动化的战略转型进展并不顺利。德国交通领域的碳排放在20世纪90年代呈上升趋势，进人21世纪小幅下降后基本都保持在年排放量1.65亿t左右。直到2020年受新冠疫情的影响，出行减少才使交通行业的减排进一步降低，勉强达到欧盟目标。德国制定了2030年电动汽车保有量达到1000万辆，以及建成100万个公共充电桩的交通电动化目标。而德国的轨道交通基本已经完成了
26、电气化，如德国高铁系统已经基本实现绿电供应目前德国城市交通领域面临的主要挑战为：1）新建设充电桩网络，特别是公共充电桩的渗透率，明显落后于新能源车辆的增速；2）虽然德国已经定义了统一完善的充电技术标准和要求，但高度的市场化要求跨售电商充电结算、跨国漫游充电，还需要进一步打破技术和市场壁垒，降低充电成本和提高用户充电体验；3）小区、办公楼宇、购物中心等高密度地区的电动汽车无序充电，与整个配电台区容量的矛盾日益凸显出来，对电网的影响还有待进一步落地检验；4）新冠疫情之后，德国民众出行将以电动汽车和自行车为主，以公共交通为辅，同时，更多通过共，享电动租车、共享电动单车等低碳模式出行是未来的趋势。这对
27、交通及其相关的电力网络的规划和升级提出了新的挑战5.2 德国碳中和城市能源系统创新对德国碳中和城市能源系统的政策发展、技术创新以及模式创新3个维度进行分析和总结。根据相关技术和项目的投入以及实践示范经验总结，图2对德国城市能源系统的关键减碳措施和技术从成本和潜力角度的评估进行了汇总，并将在后文作进一步介绍分析。图中，V2G表示电转气。a政策发展1）供能系统政策对于促进可再生能源的使用，德国政府采取了，了不同的补贴政策引导。随着新能源产品逐渐成熟，政策的趋势将是补贴政策的逐渐减少甚至取消，取而代之的是法律义务下的强制安装。在2021年德国新政府上台后，能源部提出了从2020年起，引人在新建建筑屋
28、顶强制安装光伏发电和光热装置义务的建议。在此政策执行以后，将有效加速分布式光伏装置在城市电网的渗透率。在风力发电方面，由于城市建筑密度大，而德国各个联邦州对于风机到住宅的距离有严格的规定，使得风力发电在城市能源系统中占比很小。德国补贴政策主要应用于新能源发电、安装光伏储能系统、利用可再生能源的电动汽车充电系统等。在补贴之外，光伏发电商还可以参与电力市场交易来保证一定的收益。由于当前德国的电价高企，通过光伏装置生产自用电力而非回馈到电网中将对业主更具有吸引力。户用储能系统可以使户用光伏发电的自用率提高到55%14。目前，德国联邦政府及各个联邦州都出台了关于储能的补贴政策2）建筑能源政策德国于20
29、20年底颁布并实施新建筑能源法案，对新建建筑和节能改造出台了新规定，比如新建住宅房屋必须达到超低能耗建筑标准，并加入对屋顶光伏、充电桩配置的规定。从2020年将阶梯碳税引人建筑供暖领域，增加燃油和天然气供暖成本，同时规定这两种高能耗技术的退役步骤，以此激励系统改造。同时结合欧盟环境-社会-治理（environmental-social-governance，ESG）可持续发展规则要求，推动绿色资产金融服务，鼓励绿色建筑认证。通过政策引导改变投资收益关系，刺激各方节能改造的积极性，并制定强制改造规划要求。统筹完善和简化多项能源法规对建筑能源中新能源隔墙售电、自发自用微电网、虚拟电厂（VPP）等新
30、技术和业务模式的流程和税收模型，以助提高其经济性和推广性。3）电动交通政策德国政府制定了到2030年电动交通发展目标配以针对交通枢纽超级充电站、公共充电桩以及非私人充电桩总计超过10亿欧元的补贴政策。在未来，结合屋顶光伏和储能设备的绿色充电模式也将是政策支持和补贴的主要方向。此外，德国政府已须布多个充电新基建及运营相关法案，定义充电桩基建运营商（CPO）（类似电网运营公司）和充电服务商（EMP）（类似售电公司）两类市场角色，将类似售电市场的充分竞争引人充电服务领域，为用户能够根据自身需要更加灵活的选择和匹配整套充电服务莫定了良好的基础。5.3德国能源系统碳中和发展对中国的借鉴意义从德国对能源转
31、型和碳中和加速发展的经验来看，最值得借鉴和吸取经验之处在于以下3点。1）为应对当下欧洲的能源供应危机，德国重新审视碳中和战略与能源安全战略之间的平衡关系，在保证包含化石能源的安全供应前提下同时确定进步加速推进新能源的推广，以实现最终的能源自主和安全。这也说明，碳中和发展首先要立足能源安全，推动可再生能源的高效利用，最终实现未来绿色能源体系。2）德国碳中和战略是在能源、交通、建筑等主要领域同步开展，并兼顾政策、技术和市场三方面的协调发展，以逐步实现可持续化长期目标。特别是在综合能源多能互补、能源数字化以及源网荷储充售等领域，从技术研发、市场政策及模式的设计以及引导规模化发展等方面提供了有价值的参
32、考。此外，引导金融系统对碳中和项目的投人和收益测算保证了金融系统足够的支撑和风险意识，同时通过交易市场建设为碳中和技术和服务落地的新型商业模式提供基础。3）德国碳中和技术和产品从示范项目到产业落地推广形成了联邦和地方政府各自补贴，大公司小公司各有贡献的共享型协作体系。特别是各种智慧综合能源示范项目落地并不只集中在大型城市，而是分散在中小城镇、乡村振兴型新城等地区，并因地制宜和有意识地让地方研究机构和中小创新公司加人，提升整个行业的零碳意识和人人有为的参与意识。3 国内发展3.1 面临的困难与挑战碳中和目标的提出与逐步实现，不仅有利于我国尽早实现碳排放与经济发展脱钩、高质量完成“绿色工业革命”，
33、还有助于全球实现绿色转型，构建清洁、高效、永续发展的世界经济格局，彰显我国作为世界最大的碳排放国在应对全球气候变化方面的责任与担当。然而，个不可忽视的事实是，我国作为发展中国家，经济发展尚有很长一段路要走，能源消费需求、二氧化碳排放量在短期内仍将持续上升，用40年左右的时间快速实现碳中和难度不小。欧美发达国家从碳达峰到碳中和，经历了70至80年的时间8；相比之下，现阶段我国能源需求总量大、煤炭占比高、单位GDP能耗大，要想在40年内迅速实现碳中和目标，将被迫面对下述四大挑战。（一）前置挑战：如何准确界定并核算碳中和如何以全世界广泛认可的方式对碳中和进行界定与核算，是我国实现碳中和愿景的前置挑战
34、。之所以称之为“前置”，是因为它是讨论、核算碳中和问题必须具备的前提条件。任何目标的达成都必须有一个较为明确的界限作为评判标准。虽然当前理论与实务界都基本认为，碳中和是指二氧化碳的净零排放，但在具体实施过程中，如何判定碳排放量与被吸收的汇之间是否能相互抵消？要使碳排放量完全等于碳汇，几乎不具有可行性，只能说当排放端与吸收端的差值控制在某个特定范围之内时，碳中和就近乎实现。到目前为止，尚无国家层面的文件正式明确该“特定范围”与其相应的界限值，也鲜有研究涉及这一问题。虽然我国已经为碳中和愿景设定了部分量化目标，如到2060年将“非化石能源消费比重提高至80%以上”，但如果没有界定明确的碳中和评判标
35、准，将在后续阶段性成果的核验、实现路径的适时调整甚至碳中和愿景最终能否如期实现等系列关键问题上，面临界定标准上的困惑与分争。此外，即使能够清晰界定碳中和与否，随之而来的另一个基础挑战是怎样准确核算二氧化碳的排放量与吸收量？碳中和的实质是二氧化碳的净零排放。从排放端看，我国基于国际通行的温室气体核算方法，已建立了一套较为成熟的二氧化碳排放量计算体系，能够借助实地观测、数值模拟、统计分析等手段，获取二氧化碳的排放强度、变化趋势等信息从吸收端看，主要面临自然吸收的碳汇难以准确测算的问题。以陆地生态系统为例，由于不同性质土壤的固碳速率不一致，用不同技术手段测算的自然碳汇量存在显著差异已有研究在自然碳汇
36、的功能、速率与测算方面涉及较少，且对生态系统未来固碳潜力的分析也不足，这些都将直接阻碍二氧化碳的吸、排核算。（二）核心挑战：二氧化碳排放量能否在40年内迅速下降能否使二氧化碳排放量在40年内快速下降，将直接决定碳中和愿景是否能够如期实现，因而称其为“核心挑战”以下试图从总量、结构与技术三个层面加以分析。1.总量方面。一方面，我国是世界上最大的发展中国家，在未来相当长一段时间内经济发展仍需扩大规模，能源消费和二氧化碳排放量也将持续增长。根据国际碳行动伙伴组织（ICAP）的数据，欧美发达国家在20世纪70年代左右实现了碳达峰，目前都已进人碳排放量下降阶段2。鉴于我国仍将保持较高的GDP年增长率，能
37、源消费需求与二氧化碳排放量在10年内不会达到峰值，更不用说下降了另一方面，我国的总人口规模仍居世界首位，虽然近年来人口数量已进入低增长阶段，但人口基数大，能源消费需求多，要想短期内实现二氧化碳的净零排放，难度较大。2.结构方面。从产业结构来看，第二产业（特别是工业中的制造业）占GDP的比重是影响二氧化碳排放量的重要因素。统计数据显示，截至2022年一季度，我国第二产业增加值占GDP比重为39.3%，制造业增加值占GDP比重为28.9%3。相比之下，欧美发达国家在碳达峰时制造业比重（约为14%）远低于我国现阶段水平，且有预测认为，即使至2030年，我国这指标仍将维持在22%左右由此可知，在未来较
38、长一段时间内，我国工业与制造业在生产结构中的占比仍将位于较高水平，这将给二氧化碳减排带来巨大挑战。从能源消费结构看，目前我国能源消费中煤炭比重过高，直接导致二氧化碳排放量居高不下。据英国石油公司世界能源统计年鉴2021的数据，2020年我国二氧化碳排放总量为98.99亿吨，以30.7%的比重位居世界第一，其中煤炭开采利用是最主要的碳排放源，且煤炭消费量仍显著上升。有学者指出，自第二次工业革命以来，世界能源结构转型主要经历了三个阶段，大部分国家和地区历经百余年已逐步实现了从以煤炭为主、到以油气为主、再逐渐进人到以非化石能源为主的转型而我国想要在40年的较短时间内，大幅度降低以煤炭为代表的化石能源
39、比重，进而构建清洁、多元的能源消费格局，难度之大可想而知。3，技术方面。首先，我国面临排放端的技术困境。在第二产业比重大、能源消费总量大、煤炭依赖度高的情况下，倘若有普及较广、成效显著的节能减排技术“兜底”，那么碳减排就较为容易。但事实却是，虽然过去40年我国单位GDP能耗年均降幅超过4%，累计降幅近84%，但由于先进节能减排技术普及率不及30%，单位GDP能耗仍是世界平均水平的1.5倍。要想如期实现碳中和愿景，我国在二氧化碳排放端的技术应用与效率提升等方面仍有较大差距。其次，吸收端技术难题也不容小觑。在碳排放量短期内仍将持续增长的情况下，不能仅靠自然生态系统吸收碳排放，还必须加大碳汇的人为努
40、力。国际上通行的负排放技术（如将二氧化碳制成燃料、混凝土碳捕集、植树造林等）在我国的应用面较窄，且碳移除潜力较大的矿物碳化和生物碳技术领域也少有国内学者涉及，项目落地较少，相关的基础研究及拓展应用仍待进一步深化。（三）连带挑战：能否承受因迅速碳中和所可能引发的经济社会代价距离2060年实现碳中和只有不到40年的时间。一方面，碳中和能否如期实现取决于政治、经济、社会各要素的发展态势以及相互之间的磨合、匹配程度；另一方面，快速碳中和也会对我国现有的经济发展与社会格局造成一定冲击。在此情况下，经济社会能否承受因快速碳中和所带来的各方面剧变是值得深思的问题。鉴于这一挑战具有外生性特征，因而称其为“连带
41、挑战”。由前文分析可知，显著降低煤炭在能源消费中的比重，大力发展清洁、高效、可持续的新能源是我国未来能源结构调整的大方向。现阶段，煤炭仍是我国生产与消费大头，这一局面在短期内难以改变。煤炭消费比重的大幅降低，将首先影响煤炭主产地的财政收入，给当地经济发展带来严峻考验。同时，在能源转型进程中，可以预期的是，大量煤炭工人将伴随煤炭行业的萎缩而面临下岗失业风险。其次，限制煤炭行业的发展还会引发能源交易市场变化，新能源替代廉价的煤炭会使能源价格上涨，甚至影响居民的日常生活。此外，由于新能源的应用场域尚且有限，煤炭供给的下降极易导致能源“青黄不接”同时，用清洁能源逐渐替代能耗高的煤炭，还可能面临风能、光
42、电等新能源输出不稳定、供应不及时、覆盖不全面、储能不到位等问题，给居民与企业的生产、生活带来诸多难以避免的负面影响。（四）机制挑战：如何更好地发挥政府与市场“两只手”的作用我国实现碳中和目标还面临机制层面的挑战：如何激发市场的积极性与参与度、更好地发挥政府与市场“两只手”的作用？之所以将其作为一个挑战，是因为要想40年内快速实现碳中和，需要在能源结构、能源消费、碳汇技术等方面“下大力气”，所需的投资、资金更是巨大实现长期低碳转型目标的投资、资金包括能源和电力系统新建基础设施资金、终端节能与能源替代基础设施资金与既有设施的资金等有学者估算，我国2020-2050年累计能源投资需求大约为100万亿
43、元，仅靠政府财政补贴难以弥补资金缺口。碳中和愿景的达成离不开政府与市场的联动与耦合，既需要政府部门的大力支持，更应坚持市场导向，充分激发市场的活力与创造力然而，现阶段的减排工作依然由政府主导，政策性干预大于市场机制的作用，市场力量较少涉足碳中和，各市场主体也缺少必要的实践经验无论是重点行业的结构性减排、碳汇技术的研发应用，还是碳排放权与碳交易市场的正常运行，都离不开市场主体的广泛参与。只有将政府规制性措施与市场机制相结合，为碳中和创造充满活力、竞争力的市场环境，才能如期实现减排目标。因此，从长远来看，排斥多元主体参与的“一元化”制度安排，不利于资源的优化配置，也会束缚性减排事业的可持续发展，最
44、终阻碍短期内实现碳中和愿景。3.2能源转型1意义碳中和现代能源经济体系建设指导战略，指引着我国传统能源产业、新能源产业不断向低排放、高能效的方向发展，旨在实现经济与环境、社会协同发展。有利于促进能源产业结构的优化升级当前，在国际碳排放统计排名的20个国家中，大多数国家（如美国等发达国家）已经达到碳达峰，而我国作为发展中国家，能源产业结构处于转型的关键时期，能源生产与加工领域仍旧需要段时间，才能实现碳达峰、碳中和的目标。我国能源整体消费量呈现持续增长的态势，而传统煤炭、天然气、石油等化石能源的整体消费量占据能源消费市场总比例的80%以上；非化石类新能源占比不足20%13。在实行“双碳”战略的过程
45、中，能源产业中清洁能源的整体消费比重逐步提升，从能源供给端与需求端双侧促进能源产业结构的优化升级，全面贯彻了能源经济的低碳发展目标。有利于推进能源安全体系的现代化建设能源安全作为关系着能源经济发展的战略性问题，具有保障国家稳定发展、改善公众生活、维护社会和谐发展的职能。在现代能源安全体系建设的过程中，全面贯彻“双碳”发展策略，积极探索新时期能源转型发展路径，不仅可以提升能源生产的能效，还可以通过细化碳排放管理规划，提升能源整体利用效率，降低我国能源对外依存度。根据能源对外依存相关调查可知，我国能源对外依存度逐年上涨，2019年甚至达到了70%以上。在当前国际政治局势日益复杂的环境中，推进碳中和
46、战略目标的全面实行，构建清洁低碳、多元供应的能源安全体系，不仅可以满足公众差异化的能源需求、贯彻生态文明发展目标，还能够针对性地提高能源自给率，降低对外能源依存率，提升能源风险抵抗力，2清洁能源发展所需矿产资源供需特征推进能源结构调整、实现清洁能源转型，需要更多的金属矿产原材料。因此，这些关键金属矿产资源将成为当前和未来切中肯繁的战略资源，务实矿产资源基础对于能源结构调整至关重要2.1 清洁能源技术所需矿产资源概况清洁能源发展具有更高的矿产资源消耗强度，所需矿产原材料主要包括17种，限于数据获取原因，选择其中的锦、铅、铜、锌、铝、铁矿6个矿种，对其近年产消态势、供应特征进行分析和研究。2.1.
47、1 产消态势 清洁能源技术所需矿产资源国内产消态势表明（图1、表2），2010-2017年，精炼锦产量不能满足消费需求，消费量年均增速远高于产量年均增速；精炼铅产量基本能满足消费需求，消费量年均增速略高于产量年均增速；精炼铜产量尚不能满足消费需求，但产量年均增速明显高于消费量年均增速；锌板产量基本能满足消费需求，但产量年均增速低于消费量年均增速；精炼铝产量能满足消费需求，但产量年均增速略低于消费量年均增速；粗钢产量能满足消费需求，产量年均增速略高于消费量年均增速。（1）精炼锦产量2010年为31.43万t，2017年为41.42万t，年均增长4.54%；消费量2010年为48.93万t，201
48、7年为77.53万t，年均增长8.35%消费量年均增速远高于产量年均增速，供需矛盾凸显。（2）精炼铅产量2010年为415.75万t，2017年为466.26万t，年均增长1.74%；消费量2010年为417.08万t，2017年为474.12万t，年均增长1.95%消费量年均增速略高于产量年均增速，供需矛盾不明显，缺口较小。（3）精炼铜产量2010年为454.03万t，2017年为888.95万t，年均增长13.68%；消费量2010年为738.54万t，2017年为1179.05万t，年均增长8.52%。产量尚不能满足消费需求，产量年均增速明显高于消费量年均增速，供需缺口呈逐渐变小的趋势。（4）锌板产量2010年为520.89万t，2017年为621.90万t，年均增长2.77%；消费量2010年为535.02万t，2017年为696.47万t，年均增长4.31%。产量基本能满足消费需求，但产量年均增速低于消费量年均增速，供需矛盾逐渐增大，缺口逐渐变大。（5）精炼铝产量2010年为1 624.41万t，2017年为3227.30万t，年均增长14.10%；消费量2010年为1585.45万t，2017年为3190.80万t，年均增长14.47%。产量年均增速低于消费量年均增速，未来某个时间将会出现供需缺口。（6）粗钢产量2010年为63 8
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