如何利用化石能源推动碳达峰、碳中和

　　◎  高  堋

　　2020年9月，中国向世界宣布了“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的目标。在今年的全国两会上，“碳达峰、碳中和”首次被写入政府工作报告。这一组词成了当下的热点词汇。“碳达峰”是指二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后再慢慢减下去；“碳中和”是指人类活动产生的碳排放，通过森林碳汇以及其他多种技术手段实现利用或封存，从而使排放的温室气体净增长为零，实现净零排放。那么“碳达峰、碳中和”所针对的“碳”都是从哪来的呢？

　　据国际能源署（IEA）统计，化石能源的消耗是现今碳排放的主要来源。2019年，煤炭、石油、天然气以及其他消耗，分别占总碳排量的44%、34%、21%、1%。各个行业里，电力、交通、工业、建筑等行业，分别占总碳排量的38%、24%、23%、9%。可见，人类活动所产生的碳排放，主要来自于能源领域。

　　能源推动了人类文明的进步，人类文明的进步同样使得能源不断发展。自人类使用火种以来，人类利用的能源类型经历了从薪柴到煤炭，从煤炭到石油、天然气的阶段，并将从油气转变为新能源。总体表现为“高碳能源（薪柴、煤炭）-中碳能源（石油）-低碳能源（天然气）-无碳能源（新能源）”的发展趋势，最终实现“碳达峰、碳中和”。现今人类文明的发展正处于以煤炭、石油、天然气为主力的化石能源阶段。

　　煤炭是人类最早开始大规模使用的化石能源，在全球分布广泛，储量巨大，且开采成本和技术要求都很低，价格也非常低廉，以固体形态存在，易于保存。它的缺点在于，燃烧值低，燃烧效率不高，燃烧时会产生大量废气、废渣，造成环境污染，并且固体能源运输不便，在运输过程中同样会产生污染。

　　石油是当前人类文明发展阶段最为重要的化石能源，它的燃烧值和燃烧效率较高，燃烧时不会产生废渣污染，由于是液体可采用管道运输，较为方便。它的缺点在于，分布和储量较为局限，勘探开发成本和技术要求较高，价格较贵，且同样会产生大量温室气体对环境造成影响。

　　天然气是最为清洁的化石能源，作为气体能源与液体能源石油有很多相似性，但其在燃烧释放相同能量时所产生的碳排放量是最少的，同时其成分中的有害物质少，燃烧更为环保。因此天然气是当下全世界最为倡导的化石能源。

　　鉴于全球碳排放的来源仍以化石能源的燃烧为主，根据不同化石能源的特点，为实现能源利用碳中和，《巴黎协定》要求，世界各国共同努力加快煤炭退出一次能源消费、加快石油消费尽早达峰、加快天然气消费占比提升。为切实履行《巴黎协定》，尽快通过能源转型实现“碳达峰、碳中和”，当前世界主要发达经济体纷纷减少了利用煤炭和石油发电，天然气在总发电量中的占比在近30年呈现出快速增长的趋势。

　　之所以《巴黎协定》和世界主要发达经济体大力发展天然气，主要是基于天然气自身的优点。

　　首先，相同质量的不同化石能源在燃烧时，天然气可以释放出更多的能量。化石能源燃烧所产生的能量主要来自于新的化学键形成释放的能量和原有化学键断裂吸收的能量之间的正向差。三种化石能源燃烧释放能量的差异，是由于三者的主要成分不同造成的：天然气的主要成分是小分子烷烃甲烷，石油的主要成分是大分子碳链的烷烃、环烷烃和芳香烃等，煤炭的主要成分则是有机物和无机物组成的复杂混合物。化学研究表明，在各种化石能源的主要成分当中，相同质量的小分子烃类物质相较于大分子烃类物质完全燃烧时产生能量更多；其中甲烷燃烧时成键释能与断键吸能的能量差较大，产生的能量较多。这主要是因为小分子烃类物质中的碳氢键占比较高，碳氢键相较于大分子碳链中的碳碳键更易断裂，所需吸收能量较少。因此相同质量的煤炭、石油、天然气燃烧时，以小分子烷烃为主要成分的天然气释放的能量比其他化石能源更多。

　　其次，天然气燃烧释放较多能量的同时，产生的二氧化碳较少。根据研究所得，天然气和煤炭燃烧释放相同能量时，天然气所产生的二氧化碳仅为煤炭的一半。天然气的热值约为8300千卡/立方米，标准煤的热值约为7000千卡/千克，当二者燃烧同时放出10000千卡热量时，天然气产生二氧化碳约2.26千克，标准煤产生二氧化碳约5.14千克。故而天然气因其较高的热值和较低的碳排放量，被称为“低碳能源”。

　　另外，天然气的化学成分较为单一，不含杂质，燃烧产物为二氧化碳和水。而石油和煤炭燃烧产生碳排放的同时还会产生氮氧化物和硫氧化物等污染物，对环境造成较多负面影响。

　　因此，天然气以其相对于石油和煤炭更为高效、低碳、清洁等方面的优点，或将成为未来全球唯一保持增长的化石能源。

　　基于这种情况，国际油公司纷纷做出战略转型，以清洁化、低碳化能源生产为目标，加大了天然气业务，提升了天然气产业的盈利能力。其中壳牌公司和BP公司是国际油公司的先行者，两家公司均将天然气等低碳业务从传统油气业务中分离出来，成立了天然气与新能源板块，寻求天然气与可再生能源在发电业务上的协同效应。道达尔公司也提出了碳排放“净零计划”并继续壮大天然气业务。

　　在这种大背景之下，作为最清洁的化石能源，天然气已经步入快速发展阶段，成为了化石能源向新能源过渡的桥梁，将在未来全球能源发展中发挥支柱作用。近五十年来天然气成为了全球能源结构中增长最快的化石能源，这其中页岩气、致密气、煤层气等三类非常规天然气起到了重要的推动性作用。页岩气等非常规天然气产业突破，在全球天然气产能贡献中的占比提升，大幅提高了世界天然气的总产量，特别是美国“页岩气革命”，助力美国成为天然气出口国，改变了全球能源供给格局。

　　从总体来看，天然气作为“低碳能源”，在热值、燃烧效率、碳排放、环保等方面较其他化石能源更具优势，且资源潜力巨大，将在未来世界能源结构中扮演更加重要的角色，是最现实、可获取的清洁能源。对天然气的大力发展，有助于全球“碳达峰”乃至“碳中和”的早日实现。

　　（作者单位：中国地质调查局油气资源调查中心）