2021年中國碳中和行業研究報告

北京新浪網 (2021-07-21 11:21)
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  來源:艾瑞諮詢 

  碳中和丨研究報告

  前言:

  復活節島位於南太平洋東部,向東距離智利大陸本土約3600公里,荷蘭航海家羅赫芬於1722年4月5日復活節發現並登上該島,該島因此而得名。復活節島因巨大的石雕像和大石城遺迹馳名於世,也為人類文明留下了一個疑團,即:如此恢弘的文明,為何今天如此凋零?隨著研究的逐步深入,這個謎團也逐步解開。

  15世紀時,復活節島上的森林已經消失,絕大部分樹木滅絕,動物隨之滅絕。由於森林消失,人們找不到木材建造船隻,也就再也無法出海捕捉海豚。他們只能在淺海捕魚,使得淺海的生態也遭到了嚴重的破壞,甚至連海貝也基本被吃光。隨後復活節島民由捕獵者轉為農民,開始耕作。但森林消失帶來的水土流失,讓土壤變得越來越貧瘠。最終,當時具有世界上最為發達社會組織形式的復活節島,只剩下孤獨的石像能證明曾經的燦爛……

  復活節島的教訓是工業時代人類以消耗能源為代價取得經濟發展的一個古老縮影,這個縮影以碳循環的形式,變成了盤旋於人類文明頭上的一朵陰雲。然而當下所有有關碳中和的行動,都尚不能真正使碳循環恢復健康狀態。所以,作為一種理念與行動兼具的碳中和,必然將矛盾的焦點轉移向能源最終消耗載體,也就是城市,以及直接消耗能源的工業生產環節。在完美碳中和狀態下,人類的社會組織形式、城市環境、居住狀態和生產能耗率都將得到顛覆性優化。

  01 碳中和的起源與重要性

  一個老詞的新生命

  地球上的碳中和,可以追溯到35億年前

  就目前的研究來看,被科學界普遍認可的是地球形成於46億年前。在形成之初,地球的地質活動十分劇烈,所以產生了超大量的二氧化碳。以現在我們的認知,二氧化碳是破壞環境的有害氣體,但在當時,這些超量的二氧化碳很好的保護了地球,溫室效應使地球得以留住來自太陽的能量。而到了35億年前,地球孕育出了第一種生命——藍藻。這種最初的原核生物,歷經20多億年的時間,將地球上超量的二氧化碳,通過光合作用轉化為氧氣,並將大量的碳固化下來,這才逐步形成了今天我們適宜地球生命生存的自然環境。在這第一輪的碳中和過程中,藍藻和後續其他動植物的作用下,原始地球中那些超大量的碳,都以煤、石油、天然氣以及最重要、儲量最大的頁岩氣、頁岩油的形式,儲藏在地殼裡。

  隨著科技的發展,文明的進步,人類進入工業時代,對化石能源的依賴與日俱增。當今維持世界能源正常運轉的代價,就是將過去首輪碳中和所固化下來的碳,挖掘出來重新釋放它們的化學能,進而將二氧化碳再度排放到大氣中。所以這就給地球環境帶來了「倒退」的風險,也是基於這種認識,新一輪碳中和在環保、政治和經濟的博弈下徐徐展開。

  嚴峻的碳排放形勢

  想讓國際社會客觀看待中國排碳量是不可能的

  目前碳中和集中於二氧化碳方面的討論,但實際上,高壓電力設備絕緣使用的六氟化硫;半導體生產中作為氯氟碳的替代物的全氟化碳;一氧化氮、甲烷等氣體,都是碳中和的目標。而在國際上,這些氣體也是摺合成二氧化碳當量,作為目標予以管控的。在聯合國常任理事國中,中國的二氧化碳排放量在2000年以後加速上升,截至2019年,中國全年二氧化碳排放量高達106億噸,已經遙遙領先全球。造成這種現狀的原因是多方面的,而也正是因為原因過於複雜,中國的碳中和問題才更難得到國際社會的客觀對待。所以於中國來說,碳中和是勢在必行的國策,它將對未來中國社會和商業模式產生巨大影響。

  不出大氣層的新航天

  能源關乎國際競爭格局,也關乎一個國家的科技走向

  蒸汽機的發明對於人類科技的走向起了決定性的作用,工業革命以後,人類對能源的需求量大幅增加,為了滿足蒸汽動力對能源的需求,燃燒產生提供能量的資源,就成為幾乎唯一的手段,這種能源利用模式至今都在社會和科技領域發揮著統治性的作用。中國近代在自然科學領域上處於不利地位,所以中國國家的工業化起步比較晚,在成為世界工廠以後,中國對間接太陽能的需求呈指數型暴增,所以其燃燒化石資源獲取能源的百分比陡增。法國由於政治原因和地緣方面的原因,國家整體放棄了化石能源,轉而使用核能。所以其通過化石燃料獲得能源的佔比在全球發達國家中最低。其餘工業化國家其能源需求對化石燃料的消耗基本維持在正常水平。

  而碳中和目標的提出,實際上是需要讓人類對能源的供需恢復到「自產自銷」的階段,而不是一直向化石能源索取。由此引發的關於能源生產的技術革新,與工業製造低能耗化的技術革新,都將對未來產生深遠影響,如果說蒸汽機改變了人類能源的歷史走向,那本輪碳中和極大可能會使人類的科技線再度轉折。從某種程度上說,就是讓人類在面對地球時以「孤立無援」的拜訪外星的情況作為思考基點,是不出大氣層的新航天產業。

  以碳中和為名義的產業升級

  中國若實現碳中和,對國內能源和製造業會產生顛覆性影響

  02 碳中和對中國的顛覆性影響

  碳中和導致的中國能源革命

  短期會針對火電進行改造,中長期布局清潔能源

  如前文所述,本輪碳中和會從能源結構上和製造工藝能耗上兩個方面徹底改變中國。所以從能源角度看,由於中國在煤炭資源上的優勢,中國火力發電從操作上和經濟成本上是最好的選擇。因此目前中國火力發電裝機量佔全國的56.8%,所以中國的能源結構勢必發生深遠的轉變,這會從原材料生產、到發電設備製造、再到到居民用電習慣等全產業鏈產生影響。就目前的規劃看來,未來30年火力發電機組將不會有明顯的增量,多半是以調峰用電、或老舊改造、或碳中和化改造為主。水電受制於自然資源的限制也難有大幅增長。核能受制於技術和安全因素,雖然有明顯的增量,但整體裝機量並不多。所以風電和光電作為匹配中國遼闊國土的最優選擇,在規劃上就會得到最優先考量。未來30年如果沒有新的能源技術革命爆發,中國風光電的裝機量將分別增長599%和831%。

  風和光作為自然資源是星球依靠自然規律產生的能源,對這些能源的應用,是任何航天探索得以為繼的基礎,所以中國的能源革命就是要在這個基礎上有所改善。

  清潔能源在裝機量之外的問題

  由於自然資源的不穩定性,電調峰解決方案將成為發展關鍵

  以目前的氣象手段來說,對風的預測準確率很低。光伏在夜間則絲毫不起作用,並且白天不是用電高峰。所以中國新能源產業發展必須解決電調峰問題。目前有多種技術輔助實現電調峰,電池技術、抽水蓄能電站、水庫庫容比較大的電站、氫能源,還有傳統火電站的碳中和改造,生物能源發電等。由於這些技術的適用時間不同,所以在建設中需要綜合使用。

  不久前,國家能源局、國家發改委聯合發佈了《關於加快推動新型儲能發展的指導意見(徵求意見稿)》,文件指出新型儲能裝機規模達3000萬千瓦以上。未來再建的新能源電廠,則必須配備儲能發電機組,裝機比例為10%,即電廠發電機組裝機量的10%,是儲能發電機組的最低裝機量。這就意味著,如果實現2050年的能源結構改革,那麼至少需要4.3億千萬的儲能發電機組。從目前國家電網披露的信息來看抽水蓄能電站在建裝機量為4160萬千瓦,加上已經在運行的2073千瓦,距離目標還不足25%。並且抽水蓄能電站也不能解決全部問題,在西部一些缺水地區,抽水蓄能不可能實現,所以未來多種儲能技術將得到均衡發展。其中氫能源由於其泛用性比較廣,所以前景較大,但氫能源的運輸網路是否會得到國家的政策和資源傾斜,是需要再觀察的事情。

  特高壓的網路打造與天然氣管道的共用問題

  中國的幅員遼闊既為清潔能源的獲取創造了條件,也為能源運輸帶來了問題。中國對能源需求量大的地區集中在東部沿海地區,而清潔能源的生產則大多集中在西北和西南地區,雖然核能因安全問題主要集中在東部沿海地區,但其總量不足以支撐龐大的電能消耗。所以電能傳輸的特高壓網路對於中國清潔能源的使用來說是至關重要的問題,目前特高壓已被列為中國新基建七大項目之一,在國家大力扶植的環境下,未來將得到妥善解決。

  但是另外一個問題則更需要注意,即氫能作為解決電調峰問題的備選方案之一,其運輸問題在當前中國的體制框架下,可能會遇到阻礙。氫是可通過電解水的方式利用多餘的可再生能源製成,也可通過甲烷水蒸汽重組轉化法製成。它可以按照最高10%的體積比例在天然氣管網中與天然氣混合,無需進行系統改進即可用於供熱或發電。但天然氣的運輸網路與國家電網從屬於不同機構,其協調涉及利益分配與未來能源主導權等諸多大問題。這在中國非常難辦,如果氫能源想要得到更多資源傾斜,那氫能源汽車體系的打造將是很好的助力。

  智能電網是輸配電的核心工程,它將影響中國未來城市狀態

  目前關於智能電網,普遍著眼點在於優化能源分配與傳輸。這一方面源於城市的確是耗能大戶,另一方面也源於現在技術運營顆粒度比較粗。但是當下,無論是技術領域的精細化趨勢,還是碳中和不出大氣層的新航天化發展,都倒逼著城市反思自身能源的可循環利用上。所以分散式發電與新能源微電網就變成了未來城市自身可生產能源,實現能源自產自銷的基礎設施。目前,能夠轉化二氧化碳等溫室氣體的所有手段,都無法逆轉這個過程。所謂的碳捕捉和碳封存,僅是把二氧化碳收集起來,不排到大氣中而已。所以未來的城市本身就是能產生能源的電廠,各類民用發電設備、城市節能改造、綠色建築的設計理念會改變城市的狀態。在這之前,智能電網的打造,民用發電設備併入國家電網的便捷性將是促進這個進程的關鍵一步。

  目前國家個人能源的生產入網工作已經開始,由於電價由國家制定,所以不涉及經濟性測算的問題。具備發電能力的建築和機構只需要填寫相關的申請表,就可以完成入網工作。不過由於現階段發電設備的效能問題,城市自生的電能對空間的要求比較大,主要依靠大型倉庫的房頂鋪展太陽能電池板。

  迫在眉睫的碳捕捉與碳封存

  碳捕捉與碳封存技術並不治本,但勢在必行

  碳捕捉與碳封存技術,是目前工業生產環境下,最直接針對碳排放進行控制的手段,對碳中和之前的碳達峰目標有立竿見影的效果。由於其對傳統能源企業來說,改造起來最容易落地,所以碳封存和碳捕捉技術最核心服務的是為電調峰預備的火力發電站,這樣中國龐大的火力電站就不至於全部作廢,從宏觀視角上看,屬於資源利用的最大化策略。

  單就碳捕捉技術來看,主要分為三段:燃燒前、燃燒中和燃燒后,其技術實現原理各異,但當前均沒有大規模應用。當捕捉以後,就需要進行碳封存。碳捕捉與碳封存全部完成後,將會給現在的能源企業增加巨大的財務負擔。

  目前碳封存的技術非常原始,僅僅是將捕捉到的碳進行填埋,這設計運輸和封存的雙重成本支出。

  解決中國排碳問題不能僅靠能源產業

  中國綠色產業與經濟增長的協調性將得到加強

  1990年以來,全球森林面積最多的六個國家和地區,除巴西和加拿大以外,都處於增長態勢。而且從增速上看,中國增長接近40%,數據上遙遙領先於其他國家。這得益於中國近年來對環境的重視。歐洲等海外地區也藉助中國的綠化行動獲取了大量碳匯。綠色產業和中國追求經濟增長的需求之間存在一些斷層,這一方面源於綠色產業的經濟性在過去沒有得到重視,也沒有充分開發,另一方面也源於科學技術和綠色理念長期遊離於經濟最繁榮的場景。這兩方面原因都會在本輪碳中和浪潮下得到改善,使綠色產業和經濟發展之間互助發展。

  自然資源稀缺引導綠色產業變革

  森林的極限也無法中和碳總量,導致產業向非傳統領域滲透

  從國家統計局公佈的數據看,中國最後一次林業普查中森林面積22044.6萬公頃,森林覆蓋率為23%。雖然植樹造林是國家大力提倡的事,但並非所有土地都可以種植林木。在林業體系中有宜林地的概念,全中國所有可種植森林的面積加在一起,也只有32591.1萬公頃。這些宜林地全部轉換為森林后,中國的森林覆蓋率也不過33.95%,更不用說森林質量本身也不高的問題了。所以,由中國碳中和引發的關於綠色產業革命的問題,勢必會從傳統的林業本身,向其他關注碳中和的非林業傳統領域去滲透,以求更好的解決問題。

  新林生長最快,所以活立木蓄積量增速最快

  按照樹齡劃分,森林可分為:幼熟林、中熟林、近熟林、成熟林及過熟林五個級別。但林木最為茂盛的成熟林雖然光合作用強度最高,但固碳效果並不是最好的。幼熟林,中熟林和近熟林中,樹木木質部的增多主要依靠吸收二氧化碳完成,所以越是年輕的森林,碳中和能力反而更強。而林木木質部的增加,也就是森林蓄積量的概念,是評估和衡量碳中和的核心指標。按照不同的樹種和森林質量,每生長1立方米林木,可吸收1.3至1.83噸二氧化碳。

  附錄

  03 當前體系下控碳的可行模式

  碳達峰是碳中和的權宜之策

  指標+碳匯的管理方式目的是控制總量,為改造爭取時間

  從前文結論看,能源和綠色環保產業均無法只通過自身的改善就解決碳中和問題,它涉及全社會各產業的合力,但這需要時間。所以在達成完美碳中和的狀態之前,需要通過碳達峰來進行階段性的管理。一方面限制各行各業粗獷式使用能源的習慣,另一方面也完善機製為未來做鋪墊。目前,中國採用指標+碳匯的方式進行管理。從社會整體來看,一共九方勢力參與全部指標與碳匯方面的工作。以現在的情況看,這九方勢力將成為未來中國碳交易領域的核心參與方,並且現有的機制和流程亦將成為未來的標準操作。

  碳指標的操作全流程

  碳匯服務商與項目開發商的作用非常重要

  現行框架下的注意事項

  並非所有的項目都可以成為交易所認可的碳匯項目

  未來保障指標+碳匯體系能夠有效的控制中國排碳總量,在制度設計和項目審核過程中,有一系列嚴格的限制條件。自碳中和一事進入國際視野尚未發酵之時,中國就已經在全國範圍內做了相關的部署。全國範圍內共簽發了6000萬噸左右的碳匯指標,目前已經消耗約2000萬噸,但此事在2017年後所有提交的碳匯項目審批已被暫停。原因有二:一方面碳中和現由生態環境部統一管理,但要處理的問題太多,尚無餘力著手進行於碳資產相關的評估工作,這件事在未來會下放到各地環境交易所進行審批;另一方面,目前申請審批的項目過多,所以在交易還不活躍的情況下,新進入的碳匯指標會對之前試點地區的碳匯價格造成衝擊。不過即便未來碳匯項目審批再啟動,也會在項目申報、項目內涵和項目交易,這三個環節存在很多注意事項。

  現行框架下的短期問題

  體系龐大導致推進緩慢,基礎參差不齊導致標準制定較慢

  從指標+碳匯現行體系的九大參與方來看,核心參與者排碳企業大多是能源和製造業大戶,它們普遍體系龐大並且使它們內部順利運轉的機制也非常固定,雖尚待驗證,但業內普遍認為如果隨意變動這些規則機制,會嚴重影響運轉效率;產生碳匯指標所涉獵的林業、新能源等行業亦擁有龐大的體系,面臨的問題與排碳企業類似;監管機構、金融機構等,一來並非最直接參與碳中和實際運維的勢力,二來本身也有更為重要的目標要完成,心思不會全在碳中和上面;至於那些碳匯項目的開發商和服務商,很多也是各地方大型企業孵化出的子公司,所以碳中和一事統合能力非常弱,推進相對緩慢。

  另一個問題在於排碳企業本身,雖然在碳中和項目上有明確的條款規定項目資質。但是對於全中國企業的真實排碳情況,卻沒有統一的、科學的和可量化的基礎設施。這一方面源自排碳企業節約成本的考量,不願意多負擔監測和控碳設備。另一方面也源自過去技術型企業不願意在一個沒有經濟前景的行業上加大投入。這也使得與碳中和息息相關的全產業鏈,失去了解決問題的共同資料庫,即便有資料庫也是指標和方法各自為戰,難以達成一致。

  基於這兩點突出的問題,中國碳中和全產業鏈條中的參與企業,都有「隔靴搔癢」之勢。所以我們認為,當下能夠打破這一局面可以有「由上而下」和「由下而上」兩種突破方式。

  04 完美碳中和下的社會改造

  城市生存空間產生的劇變

  城市碳中和產業的興起,樓宇升級與智慧建築

  如前文所述,中國作為新興的工業大國排碳量巨大,所以單靠能源業、製造業,甚至依託林業等綠色環保產業,都不可能解決中國的碳中和問題。所以碳中和問題的解決必然向這兩個行業外尋找出路,城市作為能源和製造產業的最終需求方,便成了一個重要的突破方向,也是更為治本的一個方向。其目的有二,第一是減少城市對能源的浪費;第二是讓城市本身也變成能源的提供方。這項改造涉及社會生存理念本身,要以移民陌生行星的思路進行城市整體規劃,所以在城市規劃之初,就不能過度依賴已有的能源體系供應。這樣一來,城市個體建築單元的能源自循環能力就必然需要加強,「以樹為屋」的整體理念會得到貫徹。但在這一步達成之前,對現有建築的改造是短期內的城市發展趨勢。

  生產能源應用的改革

  用更少的能源完成等價的功能是未來全社會的共同課題

  21世紀以後,歐美等國的人均能源使用量呈現出微弱下降的趨勢,一方面源於大量企業在全球人力成本低的地區構建自己的供應鏈體系,導致中國等亞洲地區製造能耗陡增;另一方面也源於歐美企業實行「U型戰略」,在本國以科技研發為核心職能的總部,也對生產環節中降低能耗問題起到了推動作用。

  從現階段評估碳中和這件事,城市作為人員聚集地,它是能源消耗的最終端需求,所以要對城市進行改造。而生產環節是排碳量直接產生的原因,一味的中和與節約,不去溯源亦無法解決碳中和問題。並且如果想要降低生產環節的能耗問題,在中國勢必會讓粗獷式的生產經營脫胎換骨,這對於中國數年來無法妥善解決的產業轉型問題也有幫助。

  遙感在碳中和領域的應用

  特殊地形估測,城市綠化監控,行政KPI監控,全球資料庫

  除了城市以外,綠色產業是根本上治理碳中和的產業,主要是綠色植被的培育與養護。但常規的監測手段比較原始,依靠人工工作進行實地測試,並估算林木體量和健康狀態。耗時費力成本高,無法形成實時的動態數據,而且對於非常規意義的林區,比如城市植被的生長情況,幾乎沒有效用。而且,隨著國際碳價格水漲船高,排碳量必然進一步成為國際談判過程中的籌碼,因此掌握各國碳中和的數據,更精細化的對本國碳中和進程進行監督,就是一個國家在國家層面的戰略部署。基於此,遙感衛星在碳中和領域的應用,就可以解決上述所有問題。目前國內已有部分林業和碳匯公司開展了衛星領域的實踐,在未來5-10年內,綠化和環保指標不僅會得到更精準的評估,其更可能成為地區行政機構的考核指標,對中國來說意義深遠。