GGV有话说：
低碳时代，你了解碳中和吗？
实现碳中和，简单来说，就是指一个个体或团体通过植树造林、节能减排等形式来抵消一段时间内向大气排放的二氧化碳气体，这样从一段时间的平均情况来看，就实现了大气二氧化碳的相对“零排放”。
但这道看似是“正负相抵”的计算题并没有说起来这么简单，当解题背景是一个动态发展的世界时，计算的复杂程度便可想而知。
今天的GGView，让我们看看科学家是怎么分析“碳中和”这道“烧脑”计算题的吧。
来源：“科学大院”公众号（ID：kexuedayuan）
解题背景：
一场广泛深远、意义非凡的重大改革
碳元素是地球生物的基础有机物质，可以说碳元素构成了地球文明的基本支架，因此人类的生产生活必然伴随着二氧化碳的排放。自工业革命以来，煤炭石油的燃烧让人类文明进入了发展的快车道，却也带来了恶果。
人类向大气排放的二氧化碳气体导致全球变暖已是公认的事实，并且政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第六次评估报告指出，全球气温每升高0.5℃都会造成极端高温、极端降水和部分地区极端干旱事件频率增多、强度增强。
（图片来源：NOAA）
“碳中和”无疑是当今世界共同应对气候变暖问题的全球行动。实现“碳中和”的核心，就是减少人为消耗化石燃料所排放的二氧化碳气体，这一行动必将撼动当下人类文明发展的根基——能源结构。
不久前，一篇发表在Advances in Atmospheric Sciences期刊上，由中国科学院大气物理研究所曾宁等人撰写的观点文章定量地指出，实现“双碳”承诺意味着，在我国现有的能源结构中，化石燃料与非化石能源的消耗占比需要完全逆转。
这一研究工作基于中国综合政策评估（IPAC）模型，该模型的预估结果表明，在“双碳”目标下，到2050年我国非化石能源占比需要增加到77%，化石燃料占比需要下降到23%。而这23%的化石燃料所排放的温室气体，也需要有大量的碳汇（如陆地海洋碳汇、碳捕集利用与封存技术等）来抵消。
“双碳”目标下，化石燃料与非化石燃料能源结构转换图
（图片来源：Zeng et al.2022）
作为社会发展动力的能源结构一旦发生改变，必将带动整个社会经济体系的巨大变革，因此“碳中和”注定是一场广泛深远、意义非凡的重大改革。从这样的解题背景来看，解答“碳中和”这一道计算题无疑是任重而道远。
解题过程：
如何计算碳排放？
人类活动、社会发展需要排放二氧化碳气体，但目前由于二氧化碳含量增多而升高的大气温度已经趋近于气候临界点——当大气升温超过一定幅度，地球气候将产生不可逆的巨变，届时人类可能将面临一个不再适宜居住的地球。
2015年签署的《巴黎协定》中，各国领导人表示将致力于实现将全球平均气温上升幅度控制在相较于工业化前2℃以内，并努力将其控制在1.5℃以内。今年4月IPCC最新发布的《2022年气候变化：减缓气候变化》报告中强调，如果想要达到这一目标，当下就要采取有效的行动。在发展与控制升温的矛盾下，人类该如何寻找突破口，化矛盾为平衡？
基于以上描述，我们将“碳中和”计算题的题干简述如下：
已知解题目标为“到2060年，年均二氧化碳净排放量为0”，解题条件为“在1.5/2℃温控目标下，需要限制到2060年前的总二氧化碳排放量”，那么该如何求解出“当下到2060年，保证社会稳定发展的前提下每年二氧化碳净排放量的最优规划？”
不同行业二氧化碳排放量的历史情况及“碳中和”情景下的未来预估趋势。
（图片来源：Han et al. 2021）
“碳中和”之所以是一道极其复杂的计算题，是因为社会碳排放量的计算涉及到诸多具有不确定性的影响因子，比如人口、生产技术、社会能源需求等等，并且这些因子间又存在着相互的动态影响。因此，科学家们通过分析影响碳排放量的相关因子的变化规律，以及因子间的相互关系，构建了一系列关于二氧化碳排放的数学模型。
我们可以以一个典型模型——全球变化评估模型（GCAM）来了解这其中的复杂程度。全球变化评估模型（GCAM），是用来估计未来全球多个区域能源消耗和二氧化碳排放的模型，涉及了能源、技术、经济和气候等多个方面。
在GCAM中，二氧化碳排放量与全球能源需求和消耗紧密相关，在这其中人口和生产效率是能源需求的关键主导因子。但同时能源需求会受到技术发展和能源价格的影响：技术越先进，每增长单位GDP所需的能源消耗越低；如果能源价格过高，市场对该资源的需求将会降低，而能源价格与产能区域的能源资源和关税的密切相关。
全球变化评估模型（GCAM）的能源经济模块关系
（图片来源：Brenkert et al.2003，本文作者汉化）
上述因子之间的相互影响，就是这个数学模型的基本框架。通过数据分析确定基本数学框架后，只要输入未来的人口增长趋势、产业结构变化、能源消耗预估以及二氧化碳排放要求，该模型就能够计算出满足解题条件的二氧化碳年均排放量的变化情况。
但这些驱动数据从哪来呢？以人口为例，我国未来人口增长趋势的数据来自于联合国发布的2017年人口调查报告：2015年，我国人口为13.75亿，预计到 2025 年将达到 14.10 亿的峰值，然后到 2050 年将缓慢下降至 12.77 亿。其它的数据也需要科学家们从不同领域的前沿调研报告中获取。下图是利用GCAM模型求解出的“参考答案”之一。
（a）和（b）图分别是中国和全球在不同的温控要求（1.5℃和2℃对应图中绿线和蓝线）下，从2015到2100年每年能够排放的二氧化碳量。图中红线所示的年均碳排放量是《巴黎协定》中各国承诺的在温室气体减排行动中所要达到的国家自主贡献（Nationally Determined Contributions，NDC）情况。但从图中可以看出，这一减排力度远难以实现到21世纪末2℃的温控目标，而想要达到1.5℃的温控目标，全球的减排力度得进一步加强。
基于全球变化评估模型（GCAM）得到的不同情境下的二氧化碳排放路径。NDC表示《巴黎协定》情境，T20表示2.0℃温控目标情景，T15表示1.5℃温控目标情景。
（图片来源：Zhou et al. 2021）
解题难点：
“碳中和”之题尚未找到标准答案
除了复杂的数学关系，“碳中和”之题的难点更体现在答案的不确定性上。
为什么说上述CGAM给出的结果只是“参考答案”之一，是因为还有许多这样的客观模型。不同模型对不同影响因子的考虑侧重不同，对因子之间相互影响的数学关系的衡量也不同，加之因子之间的关系还受社会发展、国际形势的影响而发生动态变化。所以尽管手头中有这么多答案，但目前我们还无法确定哪种模型给出的答案是适合我国发展情况的最优解。
不同模式计算出来的，在1.5℃温控目标下的碳排放量相对于没有政策管控条件下的碳排放量的百分比。
（图片来源：Duan et al (2021)）
规划未来年均二氧化碳净排放量只是解答了“碳中和”之题的第一步。接下来该如何发展可再生能源，比如如何规划太阳能、风能、水能、生物能以及核能在可再生能源发展中的比重，是一道更为精细的计算题。同样地，不确定因素仍然是解题过程中无法避开的拦路虎。
（图片来源：SIGNATURE）
例如在未来化石能源减少的前提下，有的模型要求大幅提高核能的占比，而有的模型要求显著提高风能、太阳能的能源占比。但细心的读者可以发现，扩大可再生能源的生产规模其实也需要消耗大量化石能源，如果要将这部分能源成本考虑在内，又将大大提升求解难度。目前一些客观预估模型还难以将上述因子考虑在内，因此降低了求解结果的可信度，这也增加了决策的难度。
智能风力发电
（图片来源：EG）
同时，我们还得考虑到，根据不同路径来“碳中和”对社会的发展也会造成不同的影响。科学家们估计，在未来20-30年的时间内迅速减少化石燃料的使用，意味着我国许多燃煤电厂等高耗能产业将面临一系列转型问题；而对可再生能源的需求，也对可再生能源技术提出了挑战，各种清洁能源发挥作用的程度还取决于人才资源和技术成本，这些都会改变未来社会资源和人口从业的布局。
可以说，在解答“碳中和”之题所面临的诸多不确定中，唯一确定的是我们实现“碳中和”、应对全球气候问题的决心。科学家们基于客观估计，提供前瞻视角为政策的制定提供科学指导，但最终正确的答案还需在摸索实践中得以呈现。
（图片来源：NRCD)
解题助手：
 增强“碳汇”的碳吸收能力
实现“碳中和”的核心是减少人为二氧化碳的排放，但二氧化碳的排放与社会发展仍处于紧张的矛盾关系中，因此提升对二氧化碳的吸收能力能够大大舒缓这一紧张关系，也能够有效降低“碳中和”之路上所面临的不确定性。
陆地、海洋都是重要的碳汇。对中国的陆地碳汇（包括森林、灌木、草地、农田等）的估计，不同研究尚存在较大差异，每年的吸收量约为10-40亿吨二氧化碳（0.2-1.1 Pg C， Pg=petagram十亿吨，C=carbon碳），能够抵消约10%-40%的化石燃料二氧化碳排放。虽然随着生态系统（主要是森林）的发展成熟，对碳的吸收能力会下降。但是，目前的预估结果尚未考虑正在进行的各种绿化行动（比如近两年实施的“大规模国土绿化行动”政策），这些都将大大增强我国的陆地碳汇能力。
中国陆地碳汇能力的历史及未来预估情况（图片来源：Han et al.2021）
与“绿色碳汇”的陆地相辅相成的是被称为“蓝色碳汇”的海洋碳汇（点此学习：海洋负排放）。中国海洋碳汇的总量可达每年100 TgC（Tg=terrogram 百万吨，C=carbon 碳）。科学家指出，海洋微生物生态过程可以将活性溶解有机碳转化为惰性溶解有机碳并储存在海洋中，惰性溶解有机碳可在海洋中可储存长达5000年且不会导致海洋酸化。
中国渤海昌黎黄金海岸
（图片来源：China Internet Information Center）
除了自然碳汇外，人为的碳捕集、利用和封存（CCUS）也是关键的负碳排放技术（点此了解一种CCUS技术）。但目前CCUS技术还处于初步开发阶段，同时面临高昂技术成本问题的挑战。当前低浓度二氧化碳的捕捉成本为300-900元每吨，并且对二氧化碳的捕集能力较弱。但科学家预估，CCUS技术在中国仍然具有很大的潜在市场。
我们都是解题人
在应对全球变暖的气候问题中，中国无疑彰显了作为一个负责任大国的责任与担当。比如北京冬奥会从场馆建设到管理办公，都落实了“绿色办奥”的理念，成为历史上第一届实现“碳中和”的冬奥会，向世界展示了中国低碳转型的决心和能力。
（图片来源：新华社）
面对“碳中和”这道复杂的计算题，“言必出、行必果”的中国最终定将在不断的摸索与尝试中交出一份不令世界失望的答卷。在2021年10月国务院印发的《2030年碳达峰行动方案》明确表示，“碳中和”是“十四五”、“十五五”期间我国社会各行各业在向前发展迈进时，需要共同实现的目标。我们每个人都是这份答案的解题人。众人拾柴火焰高，众人种树青山茂，绿色低碳发展，从我们每个人做起。
参考文献：
[1] ZENG Ning, Kejun Jiang, Pengfei Han, Zeke Hausfather, Junji Cao, Daniel Kirk-Davidoff, Sheng Zhou, Shaukat Ali. 2022: The Chinese carbon neutral goal: challenges and prospects. Adv. Atmos. Sci.
[2] Yu S, Yarlagadda B, Siegel J E, et al. The role of nuclear in China's energy future: Insights from integrated assessment[J]. Energy Policy, 2020, 139:111344.
[3] Brenkert, A., Smith, S., Kim, S., Pitcher, H., 2003. Model Documentation for the MiniCAM.
PNNL-14337. Pacific Northwest National Laboratory, Richland.
[4] Wang F., Harindintwali J., Yuan Z., et al. (2021). Technologies and perspectives for achieving carbon neutrality. The Innovation. 2(4),100180.
[5] Duan H ,  Zhou S ,  Jiang K , et al. Assessing China's efforts to pursue the 1.5°C warming limit[J]. Science, 372.
[6] Han, P., and Coauthors, 2021: Decreasing emissions and increasing sink capacity to support China in achieving carbon neutrality before 2060. Advances in Climate Change Research (Accepted), and preprints is available at https://arxiv.org/abs/2102.10871.
[7] Zhou S ,  Tong Q ,  Pan X , et al. Research on low-carbon energy transformation of China necessary to achieve the Paris agreement goals: A global perspective[J]. Energy Economics, 2021(2):105137.
[8] United Nations (UN), Department of Economic and Social Affairs, Population Division, 2017. World Population Prospects: The 2017 Revision, DVD Edition.
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