碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。为减缓全球变暖导致的生态环境问题，世界各国陆续宣布碳中和时间表。2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。” 碳中和越来越受到国内国际的广泛关注，并成为当前流行语。 本书将从为什么要研究碳中和，温室气体排放与全球气候变暖，碳中和国际演变的历程，欧盟、美国、日本等主要发达国家碳中和概况，中国宣布2060年碳中和的意义、挑战与路径分析，碳减排关键技术，陆地生态系统碳汇，海洋生态系统碳汇，碳捕集、利用与埋存，实现碳中和的市场机制与政府体制，碳中和对未来世界个体生活方式的影响等方面对碳中和做出全面的解读。 本书可作为高等院校通识课教材，也可供普通读者阅读。

金之钧
----------------------------
金之钧，中国科学院院士，俄罗斯自然科学院外籍院士，国家 “973”项目首席科学家，页岩油气国家重点实验室主任，国家页岩油研发中心主任，中国石油学会副理事长。长期从事石油地质理论与油气战略选区评价的研究与勘探实践，在AAPG、GPC、3P、MPG、中国科学等期刊发表论文400余篇，申请发明专利34项，获国家发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项。

第1章 引论 ………………………………………………………………………………… (1) 1.1 碳中和的基本概念 ……………………………………………………………… (1) 1.1.1 碳中和的概念 …………………………………………………………… (1) 1.1.2 碳中和的交叉科学性 …………………………………………………… (3) 1.2 碳中和的国际演变 ……………………………………………………………… (6) 1.2.1 国际社会对碳排放与气候问题的认知过程、科学证据、尚存争议 …… (6) 1.2.2 全球气候治理的历史演变 ……………………………………………… (7) 1.2.3 主要国家的碳中和承诺 ………………………………………………… (9) 1.3 中国宣布2060年碳中和的意义、机遇与路径 ………………………………… (10) 1.3.1 中国宣布碳中和的意义 ………………………………………………… (10) 1.3.2 中国实现碳中和的机遇 ………………………………………………… (11) 1.3.3 中国碳中和的路径分析 ………………………………………………… (13) 1.4 本章小结 ………………………………………………………………………… (15) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (16) 第2章 部分发达国家和地区碳中和概况 ……………………………………………… (18) 2.1 引言 ……………………………………………………………………………… (18) 2.2 美国 ……………………………………………………………………………… (18) 2.2.1 美国应对气候变化历程 ………………………………………………… (18) 2.2.2 页岩革命对美国能源转型的影响 ……………………………………… (19) 2.2.3 美国部分州的减排政策 ………………………………………………… (20) 2.2.4 美国碳中和路径研究 …………………………………………………… (20) 2.3 欧盟 ……………………………………………………………………………… (21) 2.3.1 欧盟主要国家减排历程 ………………………………………………… (21) 2.3.2 欧盟的能源转型 ………………………………………………………… (22) 2.3.3 欧盟绿色协定及气候法 ………………………………………………… (22) 2.3.4 欧盟碳交易市场政策 …………………………………………………… (23) 2.4 日本 ……………………………………………………………………………… (25) 2.5 发达国家碳中和的普遍性启示 ………………………………………………… (26) 2.5.1 技术进步是根本动力 …………………………………………………… (26) 2.5.2 市场环境提供了创新条件 ……………………………………………… (26) 2.5.3 社会共识是政策基础 …………………………………………………… (27) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (28) 第3章 能源结构转型与碳减排 ………………………………………………………… (30) 3.1 能源系统与碳排放 ……………………………………………………………… (30)3.1.1 认识一个完整的能源系统 (30) ……………………………………………… 3.1.2 经济社会发展、能源消费、碳排放的关系 (35) ……………………………… 3.1.3 基本的能源及碳排放计量统计方法体系 ……………………………… (37) 3.2 能源转型与碳减排 ……………………………………………………………… (43) 3.2.1 宏观经济变化与能源转型及碳减排 …………………………………… (43) 3.2.2 供给侧能源转型与碳减排 ……………………………………………… (47) 3.2.3 需求侧能源转型与碳减排 ……………………………………………… (49) 3.3 基于能源系统模型的碳中和分析 ……………………………………………… (51) 3.3.1 系统需求分析 …………………………………………………………… (51) 3.3.2 数据指标选取与收集 …………………………………………………… (52) 3.3.3 建模与功能模块设计 (53) …………………………………………………… 3.3.4 情景设计与碳减排、碳中和路径分析 (54) ………………………………… 3.4 本章小结 ………………………………………………………………………… (54) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (56) 第4章 新型电力系统低碳路径 ………………………………………………………… (57) 4.1 电力系统低碳转型路径 ………………………………………………………… (57) 4.2 新型电力系统面临的挑战与构建路径 ………………………………………… (58) 4.2.1 新型电力系统面临的问题与挑战 ……………………………………… (58) 4.2.2 新型电力系统构建发展路径 …………………………………………… (60) 4.3 新型电力系统的“源网荷储”特征 ……………………………………………… (61) 4.3.1 电源侧 …………………………………………………………………… (61) 4.3.2 负荷侧 …………………………………………………………………… (64) 4.3.3 储能侧 …………………………………………………………………… (66) 4.3.4 电网侧 …………………………………………………………………… (69) 4.4 本章小结 ………………………………………………………………………… (71) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (72) 第5章 工业系统减碳与主要技术 ……………………………………………………… (73) 5.1 钢铁行业碳排放现状与减碳主要技术 ………………………………………… (73) 5.1.1 钢铁行业碳排放现状 …………………………………………………… (73) 5.1.2 钢铁行业产量预测 ……………………………………………………… (75) 5.1.3 钢铁行业减碳的关键环节与减碳预测 ………………………………… (76) 5.1.4 钢铁行业碳中和路径及主要减碳技术 ………………………………… (77) 5.2 水泥行业碳排放现状与减碳主要技术 ………………………………………… (79) 5.2.1 水泥行业碳排放现状 (79) …………………………………………………… 5.2.2 水泥行业产量预测[10] (81) ………………………………………………… 5.2.3 水泥行业减碳的关键环节与减碳预测 (82) ………………………………… 5.2.4 水泥行业碳中和路径及主要减碳技术[10] (83) …………………………… 5.3 石油炼化行业碳排放现状与减碳主要技术 …………………………………… (85)5.3.1 石油炼化行业碳排放现状 (85) ……………………………………………… 5.3.2 石油炼化行业主要石油产品产量预测[12] (87) …………………………… 5.3.3 石油炼化行业减碳的关键环节与减碳预测 …………………………… (88) 5.3.4 石油炼化行业碳中和路径及主要减碳技术 …………………………… (88) 5.4 煤化工行业冷热能源供给过程减碳技术 ……………………………………… (89) 5.4.1 煤化工行业发展现状及能耗情况[17] ………………………………… (89) 5.4.2 煤化工行业冷热能源供给现状及存在的问题 (90) ………………………… 5.4.3 煤化工行业未来发展预测[17] (91) ………………………………………… 5.4.4 煤化工行业新型冷热能源联供技术助力碳中和 ……………………… (94) 5.5 工业过程制冷制热减碳技术 …………………………………………………… (95) 5.5.1 工业过程冷热制备现状及能耗情况 …………………………………… (95) 5.5.2 工业过程冷热过程减碳的关键环节分析 ……………………………… (96) 5.5.3 工业过程冷热制备碳中和路径与关键技术 …………………………… (97) 5.6 本章小结 ………………………………………………………………………… (98) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (100) 第6章 交通系统减碳与主要技术 ……………………………………………………… (101) 6.1 交通系统概述 ………………………………………………………………… (101) 6.1.1 交通系统分类 ………………………………………………………… (101) 6.1.2 道路交通是交通系统碳排放的主要贡献者 ………………………… (101) 6.2 道路交通减碳路径 …………………………………………………………… (102) 6.2.1 电动汽车是道路交通减碳的主要手段 ……………………………… (102) 6.2.2 氢燃料电池汽车是道路交通减碳的重要补充 ……………………… (104) 6.2.3 自动驾驶技术发展蕴含巨大减碳潜力 ……………………………… (105) 6.3 道路交通电气化转型全球市场进展 ………………………………………… (105) 6.3.1 全球电动汽车市场概况 ……………………………………………… (105) 6.3.2 全球充电基础设施市场概况 ………………………………………… (107) 6.4 实现道路交通减碳的关键产业环节 ………………………………………… (108) 6.4.1 纯电动汽车产业链 …………………………………………………… (108) 6.4.2 充电基础设施产业链 ………………………………………………… (111) 6.4.3 氢燃料电池汽车产业链 ……………………………………………… (112) 6.5 实现道路交通减碳的重要保障体系 ………………………………………… (113) 6.5.1 上游资源 ……………………………………………………………… (113) 6.5.2 消费市场 ……………………………………………………………… (115) 6.5.3 碳市场 ………………………………………………………………… (116) 6.6 中国道路交通碳减排远景预测 ……………………………………………… (116) 6.6.1 中国汽车保有量预测 ………………………………………………… (116) 6.6.2 中国汽车碳减排发展趋势预测 ……………………………………… (117) 6.7 本章小结 ……………………………………………………………………… (119)参考文献 ……………………………………………………………………………… (119) 第7章 建筑领域的碳中和 ……………………………………………………………… (122) 7.1 建筑相关碳排放的核算方法 ………………………………………………… (122) 7.2 建筑隐含碳排放的现状和中和 ……………………………………………… (123) 7.2.1 碳排放现状 …………………………………………………………… (123) 7.2.2 碳中和路径 …………………………………………………………… (123) 7.3 建筑运行碳排放 ……………………………………………………………… (124) 7.3.1 核算方法 ……………………………………………………………… (124) 7.3.2 运行碳排放现状 ……………………………………………………… (125) 7.3.3 建筑运行实现零碳的三大任务 ……………………………………… (126) 7.4 促进建筑用电零碳化 ………………………………………………………… (127) 7.4.1 调峰火电是解决冬季电力短缺的最好途径,同时可为建筑供暖 …… (127) 7.4.2 城乡建筑屋顶是安装光电的巨大空间资源 ………………………… (128) 7.4.3 利用建筑的用电柔性实现风光电的有效消纳 ……………………… (128) 7.5 促进建筑用热零碳化 ………………………………………………………… (132) 7.5.1 余热资源的潜力 ……………………………………………………… (132) 7.5.2 采调储输一体的零碳供热网络 ……………………………………… (132) 7.6 建筑用能系统的节能与低碳 ………………………………………………… (133) 7.6.1 建筑用能全面电气化 ………………………………………………… (133) 7.6.2 绿色生活方式与建筑节能 …………………………………………… (134) 7.6.3 建筑和机电系统的节能高效 ………………………………………… (135) 7.7 本章小结 ……………………………………………………………………… (136) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (137) 第8章 农田温室气体减排增汇与主要技术 …………………………………………… (138) 8.1 概述 …………………………………………………………………………… (138) 8.2 农田温室气体来源和土壤有机碳周转 ……………………………………… (138) 8.2.1 稻田 CH4 的产生与排放 ……………………………………………… (138) 8.2.2 农田 N2O 的产生与排放 ……………………………………………… (139) 8.2.3 农田土壤有机碳周转 ………………………………………………… (139) 8.3 全球和中国农田温室气体排放和土壤有机碳变化 ………………………… (140) 8.3.1 估算方法 ……………………………………………………………… (140) 8.3.2 全球和中国稻田 CH4 排放 …………………………………………… (141) 8.3.3 全球和中国农田 N2O 排放 …………………………………………… (142) 8.3.4 全球和中国农田SOC变化 …………………………………………… (143) 8.3.5 中国农田土壤碳汇对抵消 CH4 和 N2O 排放的贡献 ……………… (144) 8.4 农田温室气体减排增汇技术 ………………………………………………… (145) 8.4.1 稻田 CH4 减排技术 …………………………………………………… (145) 8.4.2 农田 N2O 减排技术 …………………………………………………… (147)8.4.3 农田SOC提升技术 …………………………………………………… (148) 8.5 中国农田温室气体减排增汇潜力 …………………………………………… (150) 8.5.1 中国农田温室气体减排潜力 ………………………………………… (150) 8.5.2 中国农田SOC提升潜力与碳中和 …………………………………… (150) 8.6 本章小结 ……………………………………………………………………… (151) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (152) 第9章 陆地生态系统碳汇 ……………………………………………………………… (159) 9.1 陆地生态系统碳循环概念及全球碳收支 …………………………………… (159) 9.1.1 碳循环基本概念 ……………………………………………………… (159) 9.1.2 工业革命以来的全球碳收支 ………………………………………… (160) 9.1.3 1980年以来全球陆地碳汇及不稳定性 ……………………………… (160) 9.2 中国陆地生态系统碳汇现状 ………………………………………………… (163) 9.2.1 国家尺度陆地生态系统碳汇估算 …………………………………… (163) 9.2.2 中国典型生态系统类型的碳汇估算 ………………………………… (167) 9.2.3 陆地生态系统碳汇的驱动机制 ……………………………………… (169) 9.3 未来中国陆地生态系统碳汇潜力 …………………………………………… (171) 9.3.1 不同大气 CO2 浓度变化情景下的碳汇潜力 ………………………… (171) 9.3.2 中国植树造林的碳汇潜力 (172) …………………………………………… 9.3.3 中国陆地生态系统碳汇在“双碳”目标中的贡献 (173) …………………… 9.4 本章小结 ……………………………………………………………………… (174) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (174) 第10章 海洋碳汇 ……………………………………………………………………… (181) 10.1 海洋碳储库与碳循环 ………………………………………………………… (182) 10.1.1 海洋中的主要碳储库 ………………………………………………… (182) 10.1.2 海-气 CO2 交换 ……………………………………………………… (182) 10.1.3 海洋碳泵 ……………………………………………………………… (183) 10.2 海洋碳汇格局、时空变异及调控机制 ……………………………………… (184) 10.2.1 海洋碳汇观测方法 …………………………………………………… (184) 10.2.2 典型海洋系统的碳源汇格局及调控机制 …………………………… (187) 10.3 海洋碳汇演化趋势 …………………………………………………………… (193) 10.3.1 工业革命以来全球碳收支演化 ……………………………………… (193) 10.3.2 海洋碳源汇演化趋势预测 …………………………………………… (195) 10.3.3 陆架边缘海碳源汇演化趋势预测 …………………………………… (196) 10.4 海洋增汇途径、效益与风险 ………………………………………………… (196) 10.4.1 海洋增汇途径 ………………………………………………………… (196) 10.4.2 海洋增汇的效益与风险 ……………………………………………… (198) 10.5 海洋在实现碳中和目标中的作用与挑战 …………………………………… (198) 10.5.1 海洋碳汇的重大基础科学问题 ……………………………………… (199)10.5.2 海洋碳汇动态监测与数字化体系 …………………………………… (199) 10.5.3 基于海洋的人为增汇评估与预研 …………………………………… (199) 10.5.4 中国海在我国实现碳中和目标中的潜力与挑战 …………………… (199) 10.6 本章小结 ……………………………………………………………………… (200) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (200) 第11章 碳捕集、利用与封存 …………………………………………………………… (206) 11.1 CCUS发展现状 ……………………………………………………………… (206) 11.1.1 基本概念 ……………………………………………………………… (206) 11.1.2 进展 …………………………………………………………………… (207) 11.1.3 CCUS经济性评估 …………………………………………………… (209) 11.1.4 CCUS在碳中和中的减排贡献 ……………………………………… (210) 11.2 CO2 捕集技术 ………………………………………………………………… (210) 11.2.1 CO2 捕集技术概述 …………………………………………………… (210) 11.2.2 直接空气捕集 ………………………………………………………… (214) 11.2.3 CO2 捕集技术经济性评估 …………………………………………… (214) 11.3 CO2 利用技术 ………………………………………………………………… (215) 11.3.1 CO2 利用历史 ………………………………………………………… (215) 11.3.2 CO2 利用途径 ………………………………………………………… (216) 11.3.3 矿化利用 ……………………………………………………………… (216) 11.3.4 化学利用 ……………………………………………………………… (217) 11.3.5 生物利用 ……………………………………………………………… (218) 11.3.6 地质利用 ……………………………………………………………… (219) 11.4 CO2 封存技术 ………………………………………………………………… (220) 11.4.1 CO2 封存历史 ………………………………………………………… (220) 11.4.2 地质封存 ……………………………………………………………… (221) 11.4.3 其他封存 ……………………………………………………………… (223) 11.5 CCUS未来预测 ……………………………………………………………… (223) 11.5.1 CCUS技术发展趋势 ………………………………………………… (223) 11.5.2 CCUS未来商业模式 ………………………………………………… (223) 11.5.3 CCUS技术潜在环境风险及对策 …………………………………… (224) 11.6 本章小结 ……………………………………………………………………… (225) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (226) 第12章 温室气体浓度和排放监测与治理 …………………………………………… (229) 12.1 温室气体的主要类别与来源 ………………………………………………… (229) 12.1.1 温室气体的种类及其特点 (229) …………………………………………… 12.1.2 CO2、CH4、N2O 的来源概述 (231) ………………………………………… 12.1.3 含氟温室气体的来源 ………………………………………………… (231) 12.2 温室气体浓度监测方法 ……………………………………………………… (233)12.2.1 大气温室气体监测历史 ……………………………………………… (233) 12.2.2 近地面温室气体浓度监测方法 ……………………………………… (234) 12.2.3 大气温室气体柱总量及廓线监测方法 ……………………………… (236) 12.3 温室气体排放计算方法 ……………………………………………………… (237) 12.3.1 基于清单统计的温室气体排放计算方法 …………………………… (237) 12.3.2 基于大气监测的自上而下温室气体排放计算方法 ………………… (237) 12.3.3 典型国家和城市的温室气体排放核算体系 ………………………… (238) 12.4 降碳减污协同治理 …………………………………………………………… (241) 12.4.1 降碳减污的概念和意义 ……………………………………………… (241) 12.4.2 降碳减污的措施和方法 ……………………………………………… (242) 12.4.3 温室气体监测在降碳减污中的作用 ………………………………… (243) 12.5 本章小结 ……………………………………………………………………… (243) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (244) 第13章 实现碳中和的市场机制与政府体制 ………………………………………… (245) 13.1 碳减排经济政策介绍 ………………………………………………………… (245) 13.1.1 碳税 …………………………………………………………………… (245) 13.1.2 碳交易 ………………………………………………………………… (246) 13.2 碳交易的市场设计 …………………………………………………………… (246) 13.2.1 配额分配 ……………………………………………………………… (246) 13.2.2 配额存储及预借 ……………………………………………………… (247) 13.2.3 自愿碳市场 …………………………………………………………… (247) 13.2.4 市场稳定机制 ………………………………………………………… (247) 13.2.5 碳泄漏条款 …………………………………………………………… (248) 13.3 碳减排经济政策的国际经验 ………………………………………………… (248) 13.3.1 碳税 …………………………………………………………………… (248) 13.3.2 碳交易 ………………………………………………………………… (252) 13.4 中国碳交易市场 ……………………………………………………………… (255) 13.4.1 背景:从试点到全国市场 …………………………………………… (255) 13.4.2 全国碳市场的设计 …………………………………………………… (256) 13.5 碳减排经济政策对社会福利的影响 ………………………………………… (258) 13.5.1 碳税与碳交易的比较 (258) ………………………………………………… 13.5.2 TPS与 C&T 的比较[10] (260) …………………………………………… 13.5.3 政策影响在不同家庭中的分布 ……………………………………… (261) 13.6 碳减排经济政策对政府的要求 ……………………………………………… (262) 13.6.1 碳税与碳交易的比较 ………………………………………………… (262) 13.6.2 碳排放核查体系 ……………………………………………………… (263) 13.6.3 执行 …………………………………………………………………… (264) 13.6.4 环境治理体系与经济政策 …………………………………………… (264)13.7 本章小结 ……………………………………………………………………… (265) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (265) 第14章 民众参与和碳足迹管理 ……………………………………………………… (266) 14.1 欧美国家民众参与碳中和 …………………………………………………… (266) 14.1.1 法国“气候问题公民委员会” (266) ………………………………………… 14.1.2 低碳生活方式与瑞士的“2000 W 社区”计划 (267) ……………………… 14.1.3 垃圾分类与瑞典的实践 ……………………………………………… (267) 14.1.4 低碳骑行与丹麦的实践 ……………………………………………… (268) 14.1.5 低碳消费与瑞典的二手店 …………………………………………… (269) 14.1.6 北欧国家的绿色电力证书促进绿色消费 …………………………… (269) 14.2 衣、食、行与碳中和 …………………………………………………………… (270) 14.2.1 穿衣与碳中和 ………………………………………………………… (270) 14.2.2 饮食与碳中和 ………………………………………………………… (270) 14.2.3 骑行与碳中和 ………………………………………………………… (272) 14.3 积极参与可再生能源投资 …………………………………………………… (273) 14.4 碳普惠与碳抵消 ……………………………………………………………… (275) 14.4.1 碳普惠 ………………………………………………………………… (275) 14.4.2 个人绿色电力消费 …………………………………………………… (275) 14.4.3 生态碳汇 ……………………………………………………………… (275) 14.5 本章小结 ……………………………………………………………………… (276) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (277) 第 15 章 碳中和与全球气候治理 ……………………………………………………… (279) 15.1 全球气候治理的概念与历史演进 …………………………………………… (279) 15.1.1 全球气候治理的概念 ………………………………………………… (279) 15.1.2 全球气候治理的缘起 ………………………………………………… (279) 15.1.3 全球气候治理的发展及其对全球治理的启示 ……………………… (281) 15.1.4 当前全球气候治理面临的主要挑战 ………………………………… (285) 15.2 碳中和背景下全球气候治理的发展趋势与大国博弈 ……………………… (286) 15.2.1 碳中和背景下全球气候治理发展的新趋势 ………………………… (286) 15.2.2 碳中和目标下的大国博弈 …………………………………………… (288) 15.3 碳中和背景下中国在全球气候治理中的角色和对策 ……………………… (291) 15.3.1 中国在全球气候治理进程中的角色变迁 …………………………… (291) 15.3.2 碳中和背景下中国在全球气候治理中的新角色 …………………… (298) 15.3.3 碳中和背景下中国引领全球气候治理的路径选择 ………………… (299) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (300) 第16章 未来之路———中和、平衡、和谐 ……………………………………………… (302) 16.1 人-地系统———人类与自然的和谐相处 …………………………………… (302) 16.1.1 地球系统演变与温室气体循环 ……………………………………… (302)16.1.2 人-地系统相互作用与温室气体循环 ……………………………… (304) 16.2 控制升温———人类命运共同体的重要抓手 ………………………………… (305) 16.2.1 国家利益与责任 ……………………………………………………… (305) 16.2.2 个人责任与行为准则 ………………………………………………… (306) 16.3 技术进步———人类实现碳中和的基础 ……………………………………… (307) 16.3.1 碳中和关键技术 ……………………………………………………… (307) 16.3.2 颠覆性能源技术 ……………………………………………………… (308) 16.3.3 智能信息技术 ………………………………………………………… (309) 16.4 路径优化———人类实现碳中和的关键 ……………………………………… (310) 16.4.1 中国实现碳中和面临的挑战 ………………………………………… (310) 16.4.2 中国实现碳中和路径探索 …………………………………………… (311) 16.4.3 中国实现碳中和路径优化 …………………………………………… (311) 16.5 适者生存———人类如何适应未来气候 ……………………………………… (312) 16.5.1 未来之路的不确定性 ………………………………………………… (312) 16.5.2 如何适应未来的气候 ………………………………………………… (313) 参考文献 ……………………………………………………………………………… (314) 附录 专有名词注释表 …………………………………………………………………… (317)