第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

安徽信息工程学院 刘春静

01 “双碳”战略——应对全球气候变化，推动绿色可持续发展

1990年，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）发布了首份全球气候变化评估报告，首次系统性地向全世界展示了自工业革命以来人类活动排放的温室气体对地球气候系统的显著影响。这份报告的发布不仅在科学界和公众中引起了广泛讨论与关注，还推动了一项具有里程碑意义的国际公约的产生——《联合国气候变化框架公约》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）。这份报告揭示了人类活动对气候系统产生的深远影响，强调了采取行动的紧迫性，为全球气候治理奠定了科学基础。

1992年5月9日，《联合国气候变化框架公约》在联合国大会期间由150多个国家共同签署通过，于1994年3月21日正式生效。该《公约》的目的是将大气温室气体浓度稳定在一个稳定的安全水平，以防止气候系统受到危险的人为干扰。

1997年，伦敦未来森林公司（后改名为The Carbon Neutral Company）首次提出了“碳中和”的概念，旨在通过计算个人或组织一年内产生的二氧化碳排放量，再以植树等方式完全吸收所有的碳排放，力求达到净零碳排放（碳排放量 = 碳吸收量）的状态。同年12月11日，在日本东京召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议上签署了《京都议定书》，这是全球首个在法规层面限制温室气体排放的国际协议，规定了发达国家在第一承诺期（2008年至2012年）内，应当在1990年碳排放水平基础上至少降低5%。为了实现减排目标，《京都议定书》设立了三种灵活的合作机制：国际排放贸易机制、联合履行机制和清洁发展机制。这些机制允许发达国家通过碳交易市场等手段灵活完成减排任务，发展中国家则可以通过参与这些交易项目获得资金和技术支持。

2015年12月12日，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》，这是继《京都议定书》之后的第二份具有法律约束力的气候协议，长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。

2020年9月22日，在第七十五届联合国大会一般性辩论会上，习近平主席郑重宣布：“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（即碳达峰），努力争取2060年前实现碳中和。”

2023年11月30日至12月12日，阿联酋迪拜，《联合国气候变化框架公约》第28次缔约方大会（Conference of the Parties，COP28）在《巴黎协定》的全球盘点、“损失与损害”基金、气候融资、甲烷减排等方面取得了实质性进展，发布了《全球临界点》报告，报告指出，随着全球持续变暖，地球即将迎来温暖水域珊瑚礁死亡、北大西洋大气环流中断、格陵兰岛冰盖融化、南极西部冰架崩塌、永久冻土层消融等5个灾难性的气候临界点。

2024年5月23日，国务院印发的《2024—2025年节能降碳行动方案》提出，2024年，单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放分别降低2.5%左右、3.9%左右，规模以上工业单位增加值能源消耗降低3.5%左右，非化石能源消费占比达到18.9%左右，重点领域和行业节能降碳改造形成节能量约5000万吨标准煤、减排二氧化碳约1.3亿吨。2025年，非化石能源消费占比达到20%左右，重点领域和行业节能降碳改造形成节能量约5000万吨标准煤、减排二氧化碳约1.3亿吨。

表1 世界各主要国家碳中和承诺及实施时间表

注[1][2][3]均以1990年碳排放量作为比较标准

GtCO2表示“千兆吨二氧化碳”（Gigatonnes of carbon dioxide），用于衡量温室气体的排放量，特别是二氧化碳的排放量

图1 全球气候变化行动计划及相关控碳术语

02 实现“双碳”目标的关键技术

图2 低碳技术、零碳技术与负碳技术之间的关系

为了实现全球“双碳”目标，拯救日益快速变化的地球环境，世界各国都在致力于低碳（无碳、减碳、去碳）技术、零碳技术和负碳技术的研发。

低碳技术指广义上所有能降低人类活动碳排放的技术，旨在通过各种手段减少温室气体排放，从而减缓全球气候变化。

零碳技术涵盖了广泛的领域，是指能够实现净零排放的技术，如碳捕获与封存和氢能技术等；零碳技术不仅关注能源生产，还包括能源储存、运输以及最终消费环节，确保整个系统不产生碳排放。

负碳技术不仅能够减少碳排放，还能通过各种方式从大气中移除二氧化碳，使碳的总量变为负数，这类技术主要包括碳捕获、利用与封存、增强风化、生物炭土壤改良等。

低碳技术、零碳技术和负碳技术之间既有联系又有区别，三者之间的关系如图2所示。为了更为方便、直观地实现众多技术的分类，通常按照源头控制、过程控制和末端控制进行区分，如表2所示。

实现碳中和目标需要大规模部署负排放技术，目前最成熟的生物质能碳捕集和封存技术（Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS）存在成本和技术障碍，并且可能对粮食生产等可持续发展目标产生不利影响。被称为“黑色黄金”的生物炭（Biochar）是一种作为土壤改良剂的木炭，能帮助植物生长，可应用于农业生产、碳收集及储存使用，有别于一般用于燃料的传统木炭。生物炭作为一种可行的负排放技术，通过对生物质进行热裂解生产生物炭并改良土壤以固碳，在土壤质量和作物产量方面具有协同效益。

2024年2月5日，清华大学滕飞教授课题组以“探索生物炭负排放潜力以实现中国碳中和目标”（Exploring negative emission potential of biochar to achieve carbon neutrality goal in China）为题的研究论文在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。该文采用空间显示分析的方法评估了中国生物炭负排放潜力及最具成本效益的生物炭类型和部署地点，研究结果表明，生物炭技术的负排放成本较低，中国的生物炭负排放潜力最大可达0.92 GtCO2/年，平均净负排放成本为90美元/吨CO2，远低于BECCS和直接空气捕集（Direct Air Capture and Carbon Utilization，DACCS）的成本，具有在中国实现碳中和目标发挥关键作用的潜力，华中、华南和华东地区可优先选择作为生物炭应用试点地区。

表2 实现“双碳”目标的关键技术分类

03 实现“双碳”目标的全球性机遇与挑战

图3 聚焦全球临界点，准确把握战略机遇，积极应对风险挑战

“双碳”目标展现了我国在全球气候治理中的大国担当，增强了在国际社会中的影响力。在日本、韩国等国相继作出碳中和承诺后，国际应对气候变化的行动进一步加速。为实现“双碳”目标，我国加快绿色科技创新和先进绿色技术的推广应用，已在诸如光伏、风电等领域取得显著进展，成为全球最大且最具竞争力的清洁能源产业链的一部分，有助于提升国际市场的竞争力。

但是，我们仍然面临诸多全球性的挑战，主要包括以下五个方面：

1. 能源结构转型：我国是全球最大的煤炭消费国，煤炭在能源结构中的占比较大。实现“双碳”目标需要大规模调整能源结构，增加非化石能源（如风能、太阳能等）的使用比例，对当前现有的能源体系是一大挑战。

2. 经济增长与碳排放脱钩：我国经济仍处于较快速度发展的阶段，需要大量的能源动力支持。在保证经济持续增长的同时，实现有效可控的碳排放达峰和碳中和，需要创新经济发展模式，推动低碳技术广泛应用。

3. 环保与气候政策实施：制定并执行有效的环保政策、推广绿色技术的实践面临多方面的挑战，包括但不限于技术成熟度、资金投入、政策连贯性及公众参与等。

4. 社会整体低碳转型：除了产业转型，还需引导全民生活方式向低碳转变，如推广电动汽车、绿色建筑等。同时，构建低碳城乡结构、智慧交通体系也是当前迫切的重要任务。

5. 国际合作与竞争：在国际舞台上，需处理与其他国家在气候变化、绿色发展领域的合作与竞争关系，尤其是低碳技术合作以及全球碳市场博弈等。