近零碳排放区示范工程理论研究

2018-09-04吴智泉唐宏芬

中国科技论坛 2018年9期

吴智泉，唐宏芬，冯强

(1.中国大唐集团新能源科学技术研究院，北京 100043；2.中国大唐集团科学技术研究院火力发电技术研究院，北京 100040)

1 近零碳排放区研究现状

从概念上,Matthews于2008年提出为了稳定全球平均气温，需要实施近零碳排放，直至未来碳排放绝对为零[1]；2017年叶祖达等对城市迈向近零碳排放进行研究，提出了正气候发展模式，指出向近零碳排放的发展不能局限于建筑技术应用方面，应积极探讨空间尺度可以带来的外部性减碳手段，并引入动态监控碳排放机制[2]；2017年李艳梅等对近零碳排放区示范工程的内涵进行研究，提出了以县(县级市/区)级行政区边界为区域的近零碳排放区示范工程[3]。从技术上，Myöhänen于2009年使用碳捕捉的方式实现循环流化床锅炉的近零碳排放[4]；Salkuyeh等于2015年使用化学循环燃烧和化学循环气化技术对石油焦炭和天然气联合发电的二氧化碳排放100%捕捉，实现了该领域的零碳排放[5]；Hong等于2015年综合考虑技术、经济、社会政治等因素，通过使用核能和可再生能源设计了一系列零碳排放的能源方案[6]。从经济上，Decanio于2011年通过对太阳能及替代能源的能源供应模式分析，研究了净零碳排放下经济上的可行性，并指出在21世纪中叶可能创造出一个零碳排放的全球能源系统[7]；唐葆君等于2015年对APEC成员碳排放与经济增长之间的关系进行研究，结果显示APEC成员中随着经济增长并不能保证碳排放必然下降，提出应加大财政补贴力度、支持科研及技术推广，从而控制能耗及调节能源结构[8]；Schandl等于2016年通过设计合理的经济-环境互动模型，指出经济发展和环境友好可以同时实现[9]。从机制上，Kmdem等于2016年采用小波分析法对时域内的清洁发展机制与欧盟碳排放配额之间的关系进行研究，指出了两者之间的依赖关系[10]；宋杰鲲等于2017年对省域范围的碳排放配额进行研究，通过对世袭制、平等主义和支付能力的分配方式进行加权平均后进行优化分配，将30个省份划分为四类，对每类省份碳减排分别提出建议[11]。

从文献研究可以总结出，对近零碳排放的概念已有少量研究，但对这一概念的理解为技术、碳排放机制方面，并未综合考虑顶层设计；技术上，近零碳排放已经具备了一定的基础，但并未有学者对近零碳排放区的技术特征进行提炼；经济上，虽然已明确低碳发展与低碳经济并不冲突，但具体关系仍需进一步研究；机制上，对碳排放配额的机制进行了详细研究，但对总体规划并未有相关讨论。

2 近零碳排放区示范工程理论研究

要有效推进近零碳排放区示范工程建设，必须从基础理论上对其准确分析和把握，厘清不同层次的逻辑关系，深入思考经济新常态下示范工程建设面临的新形势、新任务、新挑战、新机遇，从而在新发展理念的引领下，以低碳技术创新和低碳管理创新为核心，把建设近零碳排放区示范工程与深化供给侧结构性改革，推动经济发展质量变革、效率变革、动力变革，提高全要素生产力有机结合起来。

2.1 近零碳排放区示范工程的概念理论

(1)碳排放与环境保护。由于碳排放具有的“全球性”特点，人们对碳排放的认识要比对诸如粉尘、二氧化硫、废水、固废等直接影响自身生活和生产环境的污染物排放的感受要弱很多。实际上，低碳发展首先是一个严肃的环保问题。在一定程度上，碳排放指标直接决定着区域其他污染物的排放指标。有研究表明[12]，如果构建合理的模型，完全可以用“碳”这一个指标来确定一个区域的节能减排推进情况和经济社会发展水平。因此，碳排放与区域环境保护不是割裂的，与经济社会发展更不是对立的。

(2)低碳、近零碳与零碳的区别。近零碳排放区从概念上需要同低碳、近零碳排放、零碳进行区别，实施近零碳排放区示范工程，要全面贯彻落实“五大发展理念”，牢牢把握“为人民提供更多优质生态产品，推动形成绿色发展方式和生活方式，协同推进人民富裕、国家富强、中国美丽”的本质要求和“推动低碳循环发展”的精神实质，准确理解“主动控制碳排放”和“碳排放峰值目标”的核心要义。

从人类原始社会的近零碳排放，至人类工业高度发展但尚未实施减排的高碳排放阶段，再到未来人类文明高度发达的近零碳排放甚至零碳排放，这个过程类似于一个正态分布过程。如图1所示，其中横坐标的数值表述为：-2表示人类原始社会，-1表示人类工业阶段发展初期，1表示人类文明较为发达的阶段，2表示人类文明高度发达的终极阶段。从图1可以看出，人类对碳排放开始认识以后，其发展进程是一个逐渐趋近于零的过程。这一过程可看作双曲线函数的正发展方向部分，如图2所示，用公式可表示为：

其中，x表示时间；y表示归一化碳排放量；a表示参考年份，常量，以该年的碳排放量为基准对后续年份的碳排量进行衡量。

图1 人类发展进程与碳排放关系

图2 碳排放发展进程

进一步分析可知，变量x与对碳排放的认识、人类的技术水平、技术经济管理模式存在一定联系。虽然数学关系尚未建立，但可以确定的是，随着x的增加，对碳排放的认识逐渐深入、人类的技术不断进步、技术经济管理模式持续优化。从图2中可以看出，两虚线之间的部分为低碳，但低碳是相对于高碳而言的，对于虚线的上限及下限并没有一个明确的规定，这在国际上是公认的，并且低碳强调的是减排这一行为，通常以北欧五国为标杆，没有可以参照的绝对量。在我国，低碳指标体系一般是用碳排放量与碳排放区、域内的经济(总)量、人口(总)量或国土面积等的比值，来分析和评价该区域的低碳发展进程，具有明显的相对性概念。下方虚线以下直至零之间的部分为近零碳，虽然很难说明多少排放量以上算低碳、以下算近零碳，但可以肯定的是近零碳排放是低碳发展概念的进一步深化和落地，必须着眼于碳排放绝对量的减少，是不断趋近于零的一个动态过程，此过程即为现阶段对碳排放认识的深入；这一过程所需的发展低碳经济、应用低碳技术对应着人类技术的进步；在技术进步的基础上，需要技术经济管理模式的优化，即推进能源革命和循环经济升级，创新性集中应用各类基于全生命周期考量的先进的零碳技术，实现区域内碳源与碳汇达成基本平衡，通过产业的融合与转型升级，实现碳排放强度加速降低，碳排放总量持续减量化发展。近零碳排放必须考虑所在区域的自然资源、环境容量、生态系统、人口集聚度、经济发展水平等因素，将示范工程与区域的经济、政治、文化、社会建设紧密结合，明确近零碳排放区示范工程建设定位和重点，提出有针对性的近零碳排放发展模式，确定近零碳排放发展目标。显然，近零碳必须强调区域碳排放总量不断减少而趋近于零，而不仅仅是与产业、人口、面积等量的相对值。零碳是近零碳发展的终极目标，零碳则必须强调区域内碳排放量绝对值为零，由于监测、计量、考核等实际上的不可操作性，零碳概念的绝对性也就决定着其理想化的基本特性。

毫无疑问，从低碳向近零碳转变是我国“主动控碳”在理论和实践上的重大突破。因此，在推进近零碳排放区示范工程建设中，必须牢牢抓住区域内碳排放总量持续降低这一核心指标。这也就要求近零碳排放区完全实现经济发展与碳排放的彻底脱钩，通过示范工程建设，达到经济发展、产业进步与碳减排的高度融合。

(3)近零碳排放区示范工程的内涵。目前，“近零碳排放”还没有统一的定义，由于国际和国内低碳发展的总体政治经济环境，“近零”的指标也难以确定。“近零碳排放区示范工程”的定义应该与“近零碳排放”既有联系，也有区别。概括而言，近零碳排放强调的是各类先进绿色技术的创新与应用，而近零碳排放区示范工程则更加关注技术方案和发展模式的融合，强调的是规划引导与全面统筹。

近零碳排放区是在一定尺度的区域内，基于统筹规划基础上的一系列低碳、减碳技术方案、发展模式、人类行为、金融特性的整体融合，是以先期顶层设计为指导，以各类先进技术、循环经济、用能方式等为操作手段，在区域内经济社会持续健康发展的基础上，碳排放总量不断减少且趋于零。

近零碳排放区示范工程是在发展低碳经济、应用低碳技术和建设低碳试点的基础上，通过自主有效的额外努力，推行循环经济升级和用能方式革命，将各类先进的低碳技术加以集成应用，实现碳排放不断减少，直至区域内碳源与碳汇达成平衡，确保区域内经济社会持续健康发展的同时，总体碳排放的总量趋于零的综合性工程。

(4)近零碳排放区示范工程的特征。建设近零碳排放区示范工程，应基于可操作、可计量和可推广的原则进行，同时其应该是先进的模式，有别于落后生产力背景的近零碳排放。在理论辨析的基础上，通过对十二五期间低碳试点区建设经验的总结，构建近零碳排放区示范工程特征模型，归纳六个不同的特征来定义、描述近零碳排放区示范工程，并引领其科学的推进。根据特征内容衍生出可量化指标，对近零碳排放区示范工程评价指标体系的构建起到支撑作用，前四项特征所对应的为具体量化指标，后两项特征为用于整体评价体系的更新和分类，如图3所示。其中，集成性涉及人口、产业、设施、机制等复杂要素；通用性在因地制宜充分考虑当地资源的基础上提炼可供推广和借鉴的内容；开放性需要以更高的视野，从更宽广的角度考虑；多样性应为一致性与多样性的对立统一。

图3 近零碳排放区示范工程特征模型

2.2 近零碳排放区示范工程的技术理论研究

低碳和零碳技术是实现近零碳排放的基础，也是近零碳排放区示范工程能够实施和建设的根本保障。与近零碳排放区示范工程的上述特征相对应，低碳和零碳技术的提炼与归纳需注意以下两个方面。一是相关技术的选择要因地制宜，充分考虑近零碳排放区示范工程的性质(生产、生活、生态等)和尺度，针对区域的尺度、类型、功能、当前碳排放状态有针对性地提出适用的低碳和零碳技术；二是低碳和零碳技术不仅需要具备先进性，还必须具备可实现性与可持续性，必须注重其技术经济特征。

(1)低碳和零碳技术分类。对低碳和零碳技术的分类研究是为了从不同角度清晰地认识这些先进的技术，为低碳和零碳技术的合理的选择、技术的集成和有效的技术管理提供重要依据。通过分析整理已有的低碳和零碳技术，挖掘不同技术的共性特征，梳理不同技术之间的层次与关联，从而更好地指导低碳和零碳技术发展。本文主要针对目标任务的分类策略进行分类研究，使减碳目标的技术方案更为明确。

从碳排放领域的角度，可将低碳和零碳技术分为三大类，如图4所示。

据统计，工业领域的二氧化碳排放占我国排放总量的60%[13]。工业能源消费领域的低碳和零碳技术具有以清洁低碳、安全高效为目标，其发展特征为从总量扩展转变为提质增效，并且与电气化水平的持续提升是离不开的。工业能源消费领域的技术特性和市场机制角度分为备智能化、信息对称、供需分散、交易开放。

建筑领域方面，图4中的整个生命周期具体涵盖材料、运输过程、环境破坏、建筑垃圾管理、施工能耗管理、能源供应技术、用户垃圾管理、用户使用能耗管理、日常维护管理等；碳中和、补偿需要将园林技术、先进的碳吸收植被、合理的布置手段同时考虑在内。另外，从建筑工程管理的角度来看，其公益性强、低碳目标复杂、低碳和近零碳建筑技术复杂、初始投资成本大，因此建筑工程管理需要更具有针对性和创新性。

图4 主要碳排放领域技术特征

交通领域方面，智慧交通技术具有智慧、融合、全面、变革的特点，是对交通领域的深度开发利用，其对交通行业的支撑和引领主要体现在高效衔接、改造升级、服务透明、细化管理、模式改造等方面。应该注意的是，共享交通虽然符合绿色低碳循环发展理念，但应对管理手段进行完善，建立合理的监管制度和体系。土地利用是交通领域低碳和零碳技术需要考虑的基础条件，其应当符合集约化利用、多功能混合利用、以公共交通为向导发展的特点，以人性化的土地利用为前提。

不难看出，工业能源消费领域中的低碳和零碳技术主要是新能源与清洁能源技术以及传统能源的低碳改造技术的集合，建筑设施领域中的低碳和零碳技术主要指材料、设计、工程管理以及运维方面的低碳和零碳化，而交通领域主要是通过低碳和零碳交通工具的替代以及交通系统的低碳优化体现低碳和零碳技术。此外，随着低碳和零碳技术的不断进步，除了关于低碳和零碳的关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术以外，不排除颠覆性技术的出现可能超出以上的分类范围，但其仍然属于低碳和零碳技术的范畴以内，属于分类体系中不可预见的发展部分。

(2)低碳经济与低碳和零碳技术创新的互动机理研究。低碳和零碳技术具有明显的创新性和时代特征，是当前社会发展的第一生产力，是经济全球化的核心竞争力。低碳和零碳技术与低碳经济的互动关系如图5所示。

图5 低碳和零碳技术与低碳经济的互动关系

经过20多年的应对气候变化谈判，低碳发展、低碳经济已经成为世界各国的共识。先进的低碳和零碳技术创新对于占领全球经济发展制高点，推动构建人类命运共同体，实现国内发展和对外开放良性互动，都具有特殊的战略意义。

(3)低碳和零碳技术创新的本质目标。低碳经济与低碳和零碳技术创新的互动关系，本质上是深化供给侧结构性改革，推动经济发展质量变革、效益变革、动力变革，提高全要素生产率的具体实践。当前世界范围内基于绿色低碳循环发展的新一轮科技革命和产业变革蓄势待发，信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术广泛渗透，重大颠覆性创新涌现，各种新科技、新业态不断涌现。发达国家纷纷出台应对措施，美国再工业化战略、德国工业4.0战略等应运而生，新技术革命正在有力推动全球供给体系调整。我们必须准确把握以绿色低碳技术为内核的全球经济发展大形势，抓准历史性机遇期，以低碳和零碳技术助推供给侧机构性改革，不断提高经济新常态下供给体系质量，解决我国经济面临的最为突出的结构失衡矛盾，将其转变为我国经济发展的巨大驱动力。

低碳和零碳技术推动质量变革，就是要通过技术创新，产品和服务的多样性和质量得到不断增加和提升，以满足广大人民对多样性和高品质的潜在需求，进而全面提高国民经济各领域、各层面的素质，推动创新要素的流动和集聚。从消费、生产、流通、投资到生活方式，加快全方位的绿色低碳转型，使绿色低碳成为高质量产品和服务的重要特征。

低碳和零碳技术推动效率变革，就是要通过技术创新，实现绿色技术对传统技术的替代，降低对传统资源的依赖，降低成本，提高产品附加值，提高投入产出效率，提高核心竞争力。在技术创新的过程中，提高开放型经济水平，更大范围、更高水平参与国际竞争和合作，稳步提升我国产业在全球价值链中的地位。

低碳和零碳技术推动动力变革，就是要通过技术创新，加快经济增长动力转型。要瞄准国际先进水平，在传统产业优化升级、新兴战略型产业和先进制造业、现代服务业三个方面同步推进。要找准低碳技术短板，集中力量突破一批关键共性技术和基础零部件、工艺和材料。

低碳和零碳技术推动三大重要变革，统一于建设现代化经济体系的目标，关键是以绿色、低碳、循环为内核驱动全要素生产率的提高。质量变革是主体，就是要用创新的绿色低碳技术提高产品和服务质量；效率变革是主线，就是要通过绿色技术替代降本增效提高核心竞争力；动力变革是基础，就是要瞄准先进补短板实现技术创新和突破。

3 建设路径总体规划的建议

规划引领和全面统筹是实施近零碳排放区示范工程的本质要求，具有战略性、系统性、地域性、综合性的基本特点。近零碳排放示范区的总体规划就是要统筹兼顾，因地制宜，全面安排好区域内生产性和非生产性建设，使之布局合理、比例协调，构建“绿色、低碳、循环”的区域生产和生活体系。

3.1 完善区域分类

梳理我国低碳示范工作的开展，可以初步总结近零碳排放区示范工程可能存在的五种典型区域类型：

(1)居住区：是指具有一定的人口和用地规模，并集中布置居住建筑、公共建筑、绿地、道路以及其他各种工程设施，被城市街道或自然界限所包围的相对独立地区，其特点在于较高的人口密度，耗能以交通与生活用能为主，涉及的主要碳排放产业包括交通、建筑与生活。

(2)工业园区：是指聚集各种生产要素，在一定空间范围内进行科学整合，提高工业化的集约强度，突出产业特色，优化功能布局，所形成的适应市场竞争和产业升级的现代化产业分工协作生产区，其特点是耗能产业集中，减碳潜力巨大。

(3)生态功能区/旅游区：生态功能区(或称生态功能保护区)是指在涵养水源、保持水土、调蓄洪水、防风固沙、维系生物多样性等方面具有重要作用的重要生态功能区内，有选择地划定一定面积予以重点保护和限制开发建设的区域。旅游区是表现社会经济、文化历史和自然环境统一的旅游地域单元。生态功能区和旅游区往往相伴而生，其特点是对环境保护要求极高，初始碳排放较低，碳排放源主要来自管理人员与旅游人员的活动。

(4)科技园区：一般是指集聚高新技术企业的产业园区，与工业园区不同，科技园区内高耗能产业较少，其主要设施为写字楼、标准研发区间、无污染生产单元等，同时一般配备商业物业设施(食堂、会议中心、餐饮服务、商业住宿等)，其涉及的主要碳排放产业为交通与农林。

(5)农产品产区：是指农业生产上具有类似的条件、特征和发展方向的一定区域，其一般具备较好的农业生产条件，以提供农产品为主体功能，以提供生态产品、服务产品和工业品为其他功能，需要在国土空间开发中限制进行大规模高强度工业化城镇化开发，以保持并提高农产品生产能力，其设计的主要碳排放产业是农林、能源、交通等。

可以看出，五种不同的区域的碳排放重点各有不同，实施近零碳排放的重点领域、关键技术、关注对象、管理思路也各有侧重。当然，区域之间不是封闭运行的，不同的行政区划和特定的经济区划、产业区划之间存在着合作的冲动与博弈。合作的冲动来自于对彼此资源的需求及对更大范围配置生产要素的追求，博弈来自于不同利益主体利益诉求的失衡。开放发展必然是近零碳排放区的应有之义，在近零碳排放区总体规划中贯彻开放发展理念对示范工程的成功实施将起到积极作用。

3.2 建立完善的评价体系

完善的评价体系能够科学合理地评价近零碳排放区示范工程的发展情况，同时能够起到推动和引领的作用，可作为申请相关资金及政策支持的重要参考[14]。

评价体系构建应具备科学性、全面性、方向性、可行性。需要考虑六大原则：①系统性与层次性相结合；②可操作性、特征性与科学性相结合；③区域性；④可持续发展；⑤可达性与前瞻性相结合；⑥定性与定量相结合。为了区别近零碳排放与低碳，评价体系从达峰、减碳、固碳入手，其中达峰和减碳为主要目标，是评价体系基本的、具有方向性的要求。

3.3 深入研究碳循环机理

近零碳排放是生态文明建设的重要举措，代表当今科技和产业变革的方向。因此，对近零碳排放的研究要加深对自然规律的认识，自觉以对规律的认识指导行动，要从全球变化、碳循环机理等方面加深认识[15]。

按照物质守恒定律，在相对封闭的地球系统，碳存在着不同物质形式的转化过程，而其总量不变。研究碳的转化过程及其成本，将为有效指导提供理论基础。

实际上，在碳循环过程中，我们可以对不同行为和主体做以区分。自然物质活动过程中可以分为碳的固化过程和碳的转化过程，经济社会活动中可以分为碳的生产者和消费者。碳的生产者是指经济活动中的一类主体，其特征是通过生产过程的处理向外界提供传统能量形式(包括一次和二次能源)；碳的消费者是指经济活动中的另一类主体，其特征是通过对碳生产者提供能量的利用，达到满足人类的需求。碳的生产者，往往是进一步富集碳作为高效能源或者是分离碳产生电力、热力、动力等二次能源。碳的消费者与碳的生产者的身份不是固定不变的，根据生产流程的不同，站的角度各异，得出的结论也不尽相同。科学划分分析对象的系统边界，是做好二者定性的关键。深入研究这些过程，将为人类改造自然活动的主动性和社会管理的合理性提供科学的方案。比如，可以把管控的关注点放在碳的生产者上，把市场引导的关注点放在碳的消费者上。