从环保看碳中和——相关技术&产业发展逻辑梳理
从环保看碳中和——相关技术&产业发展逻辑梳理 “碳中和与环保是什么关系?” 这是最近被问到的最多的，但每次却总觉得回答不好的一个问题。环保一词在不同语境下有不同的涵义，字面意思是生态环境保护，倘若把应对全球气候变化视为环境保护的一环，碳中和的概念应该是包含在环保的范畴中。不过，在具体的产业界划分时，或者更狭义的叫法中，诸如“环保产业”、“环保行业”、“环保赛道”、“环保板块”等词，一般指的是为解决水、气、固、土壤等环境污染问题而进行具有针对性的举措，包括末端治理、环境修复和环境监测等。而一些虽然也有助于环境保护的行业，例如光伏、风电、电动车等，由于具有更多因素的考量(例如能源安全)，其一般不会划分到通常意义内的环保产业范畴。
碳中和解决的是以CO2为主的温室气体的排放问题，CO2尽管是全球气候变暖的“罪魁祸首”，但由于其不会直接污染到生态环境，不属于环保行业直接关注的污染问题。碳中和与传统环保行业中关系最为密切的是空气污染治理行业。大气污染治理主要是解决SO2、NOx、颗粒物等污染物的排放问题，通过一些催化吸附等物理化学反应将其固定下来，防止逸散到空气中造成大气环境质量的恶化。这里有一个问题，既然都是为了解决气态排放问题，那么能否把“碳中和”视为在原有的大气污染治理框架中新增加了CO2这一项呢?
从原理上来看似乎没什么问题，大气污染治理有脱硫脱硝除尘等技术，碳中和也有CCS(碳捕获封存及利用)技术，都属于末端控制。控制CO2排放并不比其他污染物难多少，通过CCS技术处理1吨CO2的价格是120-900元/吨，而通过脱销技术处理1吨SO2的价格是300-800元/吨。然而，碳中和与大气污染治理最大的区别在于体量。煤炭组成中接近80%是碳，含硫量一般在0.5%-3%，因此，每燃烧1吨煤炭只需要解决10-60kg的SO2排放，但是需要解决接近3吨的二氧化碳排放。整体上讲，空气污染物的体量大概比化石燃料小两个数量级，而碳排放和化石燃料的体量相当，随着控制体量的增大，对应的产业革新也会发生“量变到质变”的过程——-仅靠末端控制技术绝对不是解决碳排放问题的唯一出路，需要寻找更广泛和深层次的变革。碳减排巨大的体量背后蕴藏着庞大广阔的发展和投资机会，这也是为什么碳中和能够成为了2021年资本市场最关注的热点话题之一的原因。
碳中和热还体现在该概念涉及到的产业相当之多，光伏、风电、新能源车、储能、氢能、生物能等都属于典型的碳中和赛道，煤炭、电力、钢铁、水泥、化工、有色等传统行业在受到碳中和影响的同时，时常也会涌现出碳中和相关的技术。无处不在的碳中和可能会让人眼花缭乱，搞清楚复杂的碳中和技术图谱似乎也不是一件特别容易的事情，那么究竟该如何从最基本的逻辑构建一套自己对碳中和技术的认知体系呢?
首先需要理解地球系统的碳循环。碳中和最根本上解决的是过度使用化石能源打破了地球碳循环平衡的问题。倘若没有工业革命，地球的碳循环是相对平衡的，植物光合作用从空气中吸收二氧化碳，经过食物链的层层传递，最终通过呼吸作用和分解作用回归大气。化石能源是地球系统经过上亿年的碳循环形成的产物，来自于上古时期的动植物残骸，固定在地壳层中。那么工业革命后人类大量利用化石能源，实际上是在用几百年的时间尺度上逆转地球系统花了上亿年完成的结果，可见地球因此而“发烧”也算是在情理之中了。
从原理上来划分，笔者将碳中和相关技术分成三类，节能技术、负碳技术和新能源技术。碳中和归根结底就是为了解决【使用化石能源打破地球碳循环】的问题，节能技术可以让这个过程变慢，负碳技术可以让它可逆，新能源技术可以让它消失。 节能技术的概念并不是一个新的概念，在能源利用中会存在利用率的问题，同时也会存在一定的浪费现象。节能技术一方面用于不断提高能源利用效率，例如先进的节能设施、智能化管理;另一方面是为了减少能源的浪费，例如循环经济、严控产能产量等。节能措施最大的好处在于可以减少能源使用成本，在很多场景下甚至存在正的收益。由于具备现实的经济可行性，在过去很多的低碳实践中都把节能和减碳看作一回事。这在一定程度上具备合理性，毕竟碳排放和能耗挂钩，节能一定蕴含着减碳。但是要注意的是，减碳不一定必须靠节能，碳中和目标也远远不是单靠节能技术可以完成的。
前两天的中央经济工作会议上提出了尽早实现能耗双控向碳排放双控的转变，这也意味着在未来能耗和碳排放将在更大程度上解绑。 所谓负碳技术，就是把在化石能源使用时“逃到大气”中的二氧化碳给“抓”回来。典型的技术是前文提到的CCS，通过捕获化石燃料释放的二氧化碳，将其封存在地下或者进行其他利用，总之不能出现在大气中。那么已经“逃”到大气中的CO2该怎么办呢?还可以通过植树造林，通过植物的光合作用把空气中的CO2固定在植物体内，也称之为碳汇。值得注意的是，只有植树造林生物量的净增量才是碳汇，所以碳汇的潜力并不算很大。还有一类负碳技术是空气中直接碳捕获(DAC)，CCS针对的是高浓度CO2气体，DAC针对的是很低浓度CO2的空气，显然后者比前者的成本要更大，不过后者的理论潜力更大。
当然另一种思路是，与其这么费劲地给化石能源“擦屁股”，不如直接抛弃它。人类社会的发展不能离开能源，那么就需要发展不会破坏地球碳循环的新能源技术，例如风能、太阳能、水能、地热能、生物质能等。历史的选择告诉我们，用新能源替代化石能源绝对不是一件容易的事情。纵观人类能源发展史，最先胜出的是生物能(柴薪等);随着工业革命的到来，胜出的是煤炭、石油、天然气等化石能源;第二次工业革命把电力推上了关键的地位，但发电端还是无法摆脱化石能源的依赖。可见，尽管人类最先找的到的是风、太阳、水等自然资源，但蕴藏在其中的能源从未在竞争中获得有利条件。直接原因是它们不像化石能源一样具备可以燃烧的物质形态，难以直接利用。属于新能源的生物质能具备物质形态，但其分布非常分散，潜力有限，还需要很多加工过程才能作为成型燃料。所以工业革命后的历史也没有选择生物能。
不过，随着碳中和目标的提出，在某种意义上这将彻底打破了目前不同能源之间的竞争格局。 新能源最直接的利用方式是发电，当然每一种新能源发电模式都有自己的局限性，不存在单一最优解。水电未来增长的潜力有限，核电存在大量的废料，生物能发电存在燃料收集运输困难。风、光是目前看起来最具有增长潜力的可再生能源，过去十年中发电成本也实现了大幅下降，不过还需要解决发电供需之间的时空匹配性问题。在时间匹配性上，化石能源可以人为地调整供给时间，以达到和需求负荷的匹配;但风光等新能源显然不具备随用随到的特点，因此需要配套发展储能技术。在空间匹配性上，化石能源可以通过运输+电网的形式满足电力需求，但新能源不具备运输的条件，而往往新能源发电的主要生产端(西部为主)和电力主要需求端(东部为主)是错位的，因此需要进一步发展远距离特高压工程的建设。
当然，技术的发展仍然存在一定的不确定性。倘若某一天具备无限能源供给特点的可控核聚变技术得到实质性突破的话，或许能成为能源系统中的单一最优解。 更进一步的逻辑是，新能源可以用于发电的属性，在很大程度上促使电气化技术在特定的场景中获得了更大的竞争优势。尽管目前社会已经步入电气化时代，但并不是在所有场合下电都可以打败化石燃料。
一个最为典型的例子是机动车，电动汽车不是什么新鲜产物，第一辆电动汽车出现在十九世纪上半叶，甚至早于内燃机汽车。汽车市场曾经一度形成了以蒸汽、电动和内燃机三分天下的格局。但由于可靠、续航、便利等因素，电动汽车还是在内燃机汽车面前败下阵来。随着人们对大气污染问题的重视，没有尾气排放的电动汽车重新得到了关注。而碳中和目标的提出，则是彻底改变了电动汽车和内燃机汽车的竞争地位格局。单个汽车碳排放量较小，使用负碳技术进行碳去除的难度非常大;而电动技术的发展也是十分迅速。因此，电动汽车未来实现大规模的发展算是一个非常明确的信号了。
当然，还有一些使用化石能源的行业目前看起来在技术上难以实现电气化，例如重型及远距离运输(重卡、火车、飞机)和一些重工业(钢铁和化工)等。这些领域一般都需要具有物质形态的燃料进行稳定地供能，新能源中生物燃料可以对其进行很好地替代。当然，其他新能源还可以通过“曲线救国”的方式把其能量转变为到具有物质形态的燃料中，最典型的是氢能。通过新能源发电+电解水制氢的方式获得“绿氢”，绿氢在供能过程中也不会产生CO2排放。需求侧的用氢技术也初步显现出一定的可行性，例如可以替代合成氨生产中的灰氢，替代炼钢过程中焦炭，替代重卡使用中的柴油。当然，氢能大规模存储和运输仍是一个有待于解决的问题。当然，在这些领域中应用碳捕获技术，或者攻克电气化技术也同样具备未来发展的可能性。 整体上来看，节能技术是必然的发展趋势，但潜力有限;负碳技术和新能源技术存在互相竞争的关系，但新能源替代化石燃料已是确定的发展方向。不同类别的新能源技术之间、新能源的终端应用(电气化、氢能、生物燃料)也存在竞争关系。究竟哪种技术会在未来的市场竞争中获胜，尽管在一些特定场景下已现端倪，但在很多场景中还存在较大的不确定性，有待进一步信号释放和更深入的研究。