碳中和與氫能社會

　　當今世界正經歷百年未有之大變局，世紀疫情席捲全球，地緣政治賽局愈演愈烈，逆全球化暗流湧動……諸多因素正在加劇人類社會的不安全感。2020年以來，全球經濟因新冠疫情遭受到了前所未有的重創，跨國交通旅行陷入停滯，人與人的交流從線下被迫搬到了線上，社會生產生活秩序屢屢遭受脈衝式疫情的衝擊。在世界局勢動盪不安的時代背景下，「人類命運共同體」的理念被國際社會所接受，世界各國政府愈加重視「人與自然和諧共生」的價值意蘊。人類與大自然共生共存的數百萬年以來，除了與瘟疫的持續抗爭，還遭受著大自然的其他考驗，比如洪水、乾旱、颶風、寒潮等，極端天氣的波及和影響範圍不亞於任何一場疫情。進入工業時代，煤炭、石油、天然氣等化石能源成為推動社會發展的重要動力，然而也不可避免地造成二氧化碳、硫氧化物、碳顆粒物等汙染物的大量排放。人類賴以生存的自然環境已變得千瘡百孔，氣候變化正在加劇，嚴重的自然災害頻頻發生，「生態危機」正演變為人類的「生存危機」。如何平衡人類社會發展與自然生態保護之間的矛盾，這是地球母親對我們所有人的現實拷問。

1.1溫室氣體與溫室效應

　　每當提到氣候變化，溫室氣體與溫室效應往往是大家討論的重點話題。首先，什麼是溫室氣體？顧名思義，此類氣體是形成溫室環境的主要原因。當太陽光照射到地球時，其中約一半的輻射能量被地球表面吸收，而另一半則被地球表面和大氣層反射回宇宙。地球自身熱輻射和從地球表面反射回宇宙的太陽光大部分處於紅外波段（即紅外線），它們在經過大氣層時會被溫室氣體吸收，從而阻止熱量「逃逸」出大氣層。因此，溫室氣體更像是地球的一件外衣，在處於合適的濃度水準時，可以使地球的「體溫」保持在相對適宜的區間，為萬物生長提供舒適的環境。如果地球沒有溫室氣體的保護，地球表面的平均溫度將會降至-20℃，絕大部分地區將不再適合人類和動植物生存。所以，溫室氣體對於維持地球表面溫度和生態環境的平穩發揮著至關重要的作用。在人類進入工業社會之前，自然界中的溫室氣體主要為水蒸氣（H2O）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）及氧化亞氮（N2O）等氣體。其中二氧化碳作為最主要的溫室氣體，主要來自人類和動植物的呼吸作用，以及火山噴發等地球自然運動。甲烷和氧化亞氮等氣體則主要源自反芻類動物、農田耕作以及自然濕地。

　　隨著工業化時代的到來，人類開始大量使用煤炭、石油、天然氣等化石能源，導致二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放量顯著增加，打破了自然界原有的平衡狀態，超出了地球的自我調節能力。此外，化工技術的發展產生了大量人工合成的溫室氣體，其中氣態氟化物是最具代表性的化學汙染物之一，如氫氟碳化物（HFCs）、三氟化氮（NF3）和六氟化硫（SF6）等。此類氣體在鋁工業和半導體行業有著廣泛用途，而大部分則用於替代消耗臭氧層物質（如製冷劑）。消耗臭氧層物質主要包括全氯氟烴、含氫溴氟烴、含氫氯氟烴等，曾廣泛應用在製冷、滅火、泡沫隔熱等領域。這些物質被釋放至空氣中時會上升至平流層，在紫外線的照射下分解出大量的氯原子（Cl）和溴原子（Br）。這些原子破壞臭氧層的威力巨大，其中，一個氯原子可以破壞超過10萬個臭氧分子。為了保護臭氧層，聯合國環境規劃署1987年在加拿大蒙特利爾召開會議並通過《蒙特婁議定書》，正式以法律形式要求簽署國逐步停用消耗臭氧層物質。

　　為了衡量溫室氣體對全球升溫的影響強弱，聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panelon Climate Change，IPCC）定義了全球升溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）和在大氣中存留時間兩個指標。前者是以二氧化碳在100年裡所造成的溫室效應作為基準（時間尺度也可以定義為20年或500年），約定其GWP為1。其他溫室氣體在同樣時間尺度內的GWP值均透過對比二氧化碳計算得出，如甲烷GWP約為28，即在100年時間尺度內，1t甲烷對地球暖化造成的影響相當於28t二氧化碳的總和。總體來看，人造溫室氣體的GWP顯著高於自然產生的溫室氣體。根據IPCC第6次評估報告第一工作組報告數據，人造HFCs的GWP普遍超過1000，NF3和SF6的GWP更是分別達到17400和25200，可見人類工業活動對於全球升溫的顯著影響。

　　此外，溫室氣體在大氣中的存留時間也是研究全球溫室效應的另外一個關鍵指標。甲烷和氧化亞氮一般在大氣中可以分別停留11.8年和109年，而二氧化碳一般很難用單一的時間指標來衡量。由於二氧化碳的化學性質十分穩定，在自然情況下難以分解，因此主要透過溶解於海水中或參與植物的光合作用等方式被消化，少數二氧化碳會長期留存在大氣中，時間可長達上千年。人造溫室氣體在空氣中的存留時間長短不一，HFCs大多屬於短壽命溫室氣體，壽命大多在幾十年以內，而其他的氟化物如NF3和SF6的壽命分別長達569年和3200年，更有全氟化碳（CF4）可以在空氣中停留5萬年之久。

1.1.1全球二氧化碳排放情況

　　2021年8月IPCC發布了第6次評估報告《氣候變化2021：自然科學基礎》，認為全球氣候變化的速度正在加快，人類生存環境的惡化速度超出想像。據報告數據顯示，1750年人類進入工業化時代以來，大氣中主要溫室氣體濃度已明顯升高，其中二氧化碳、甲烷和氧化亞氮氣體的濃度已經分別升高47%、156%和23%。除了研究氣體濃度以外，科學家也長期追蹤主要溫室氣體的排放情況。國際上一般參考不同溫室氣體的GWP，以噸二氧化碳當量（tCO2e）為單位來進行計量。以1t甲烷為例，其100年時間尺度的GWP為28，對應的二氧化碳排放當量為28tCO2e。在此基礎上，IPCC對全球人為因素造成的溫室氣體排放量進行了統計，其中二氧化碳是最主要的溫室氣體，約占全部溫室氣體排放總量的八成，剩餘為甲烷、氧化亞氮及含氟溫室氣體。

　　人為因素造成的二氧化碳排放主要分為化石能源的使用和土地利用變化兩大類，而前者的排放量比重高達80%以上。2020年全球因使用化石能源造成的二氧化碳的排放量已經在1970年的基礎上增加了一倍以上，達到約36Gt。發電領域是二氧化碳排放的首要源頭，1970年以來，該領域二氧化碳排放比重持續上升，已經在2020年達到了36.5%。由於燃煤發電、天然氣發電依然是各國的主力電源，隨著社會電氣化進程的深入推進，未來電力需求將持續上升，這意味著如果保持當前的發電結構不變，二氧化碳排放量將持續成長。工業領域屬於第二大排放源，鋼鐵、水泥、化工等高耗能、高排放行業是傳統的用電大戶，同時也需要消耗大量的化石能源一方面用作燃料，另一方面用作化工原料。不過，工業領域的排放量比重正呈現逐年下降的趨勢，從1970年的28.8%降至2020年的21.7%。相比之下，交通領域的排放比重卻呈逐年上升的趨勢，已從1970年的17.7%上升至2020年的20.3%，這與全球機動車保有量上升有著密切關係。美國、日本和歐盟等國家是傳統的汽車製造和消費大國，汽車保有量一直在穩定增加。中國在改革開放（1979年）後，汽車開始走進千家萬戶。截至2022年底，中國民用汽車保有量已達到3.19億輛，占全球比重超過20%，穩居全球汽車消費市場的首位。要知道，中國在1970年的民用汽車保有量還不到50萬輛。

　　儘管在汽車總量上已穩居全球首位，但從人均保有量上看，中國與已開發國家還有著不小的差距，這意味著中國汽車市場還有較大的發展空間。不只是中國，還有印度等其他新興經濟體也在大力推動汽車消費，這意味著未來還會有更多的二氧化碳排放來自交通運輸領域，大有趕超工業領域排放量的強勁勢頭。建築領域的排放量比重已從1970年的18.4%下降至2020年的9.4%，而其他領域的排放量比重基本維持在10%左右。

　　當今世界正經歷百年未有之大變局，世紀疫情席捲全球，地緣政治賽局愈演愈烈，逆全球化暗流湧動……諸多因素正在加劇人類社會的不安全感。2020年以來，全球經濟因新冠疫情遭受到了前所未有的重創，跨國交通旅行陷入停滯，人與人的交流從線下被迫搬到了線上，社會生產生活秩序屢屢遭受脈衝式疫情的衝擊。在世界局勢動盪不安的時代背景下，「人類命運共同體」的理念被國際社會所接受，世界各國政府愈加重視「人與自然和諧共生」的價值意蘊。人類與大自然共生共存的數百萬年以來，除了與瘟疫的持續抗爭，還遭受著大自然的其他考驗，比如洪...

第一章　氣候變化與碳中和
　　1.1 溫室氣體與溫室效應
　　　　1.1.1 全球二氧化碳排放情況
　　　　1.1.2 中國二氧化碳排放情況
　　1.2 氣候暖化與極端天氣
　　1.3 應對氣候變化的國際行動
　　　　1.3.1 國際公約及協定
　　　　1.3.2 世界主要國家應對氣候變化行動
　　　　1.3.3 中國應對氣候變化行動
　　1.4 小結
第二章　碳中和之路
　　2.1 碳中和政策
　　　　2.1.1 世界主要國家碳中和政策
　　　　2.1.2 中國碳中和政策
　　2.2 碳中和路徑
　　2.3 能源轉型途徑
　　　　2.3.1 化石能源清潔化
　　　　2.3.2 清潔能源規模化
　　　　2.3.3 多種能源互補化
　　　　2.3.4 終端用能電氣化
　　2.4 重點行業減排行動
　　　　2.4.1 電力
　　　　2.4.2 石油與天然氣
　　　　2.4.3 工業
　　　　2.4.4 交通
　　　　2.4.5 資料中心
　　2.5 碳排放權交易機制
　　2.6 社會各層面的減碳作用
　　　　2.6.1 各級政府
　　　　2.6.2 金融機構
　　　　2.6.3 大學及研發機構
　　　　2.6.4 社會大眾
　　2.7 碳中和是一場協奏曲
第三章　碳中和技術
　　3.1 節能與能效提升
　　　　3.1.1 工業
　　　　3.1.2 交通
　　　　3.1.3 建築
　　3.2 可再生能源
　　　　3.2.1 水能
　　　　3.2.2 風能
　　　　3.2.3 太陽能
　　　　3.2.4 生物質能源
　　　　3.2.5 海洋能
　　　　3.2.6 可再生能源經濟性情況
　　3.3 電動汽車技術
　　　　3.3.1 發展簡史
　　　　3.3.2 電動汽車類別
　　　　3.3.3 行業現狀及趨勢
　　3.4 儲能技術
　　　　3.4.1 儲能技術
　　　　3.4.2 行業現狀及趨勢
　　3.5 負碳技術
　　　　3.5.1 碳捕捉利用及封存技術
　　　　3.5.2 直接空氣捕捉技術
　　3.6 氫能
第四章　走向碳中和之路的氫能角色
　　4.1 氫的發現和利用
　　4.2 氫的能源特點
　　4.3 氫的安全性
　　4.4 氫能技術與應用
　　　　4.4.1 燃料電池
　　　　4.4.2 氫冶金
　　　　4.4.3 氫燃料燃氣輪機
　　　　4.4.4 氫儲能
　　　　4.4.5 電力多元轉化技術（Power-to-X）
第五章　氫能的生產與供應
　　5.1 氫的生產
　　　　5.1.1 化石能源及化工原料製氫
　　　　5.1.2 工業副產氫
　　　　5.1.3 電解水製氫
　　　　5.1.4 其他製氫技術
　　　　5.1.5 不同製氫技術的成本對比
　　5.2 氫的儲運
　　　　5.2.1 儲氫技術
　　　　5.2.2 運氫技術
　　5.3 氫的加注
第六章　海洋氫能
　　6.1 海洋氫能發展現狀
　　6.2 海上風電製氫方案
　　6.3 海上風電製氫經濟性
　　6.4 全球海上風電製氫專案
　　　　6.4.1 西方海上風電製氫專案
　　　　6.4.2 中國海上風電製氫專案
　　6.5 海上能源島
　　6.6 氫能貿易
　　　　6.6.1 氫能貿易市場
　　　　6.6.2 中國氫能貿易展望
　　6.7 小結
第七章　氫能社會
　　7.1 全球氫能發展情況
　　　　7.1.1 主要國家氫能策略與政策
　　　　7.1.2 全球氫能產業發展情況
　　　　7.1.3 國外氫能社會建設經驗與啟示
　　7.2 中國氫能發展情況
　　　　7.2.1 中國氫能策略與政策
　　　　7.2.2 地方政策與規劃
　　　　7.2.3 中國氫能產業發展情況
　　7.3 中國建設氫能社會面臨的挑戰
　　　　7.3.1 頂層設計和配套措施有待完善
　　　　7.3.2 安全規範和行業標準發展滯後
　　　　7.3.3 關鍵技術和核心設備研發不足
　　　　7.3.4 清潔氫的生產及供應成本高昂
　　　　7.3.5 有關氫能的利用效率尚存爭議
　　7.4 總結與展望
結語
參考文獻

第一章　氣候變化與碳中和
　　1.1 溫室氣體與溫室效應
　　　　1.1.1 全球二氧化碳排放情況
　　　　1.1.2 中國二氧化碳排放情況
　　1.2 氣候暖化與極端天氣
　　1.3 應對氣候變化的國際行動
　　　　1.3.1 國際公約及協定
　　　　1.3.2 世界主要國家應對氣候變化行動
　　　　1.3.3 中國應對氣候變化行動
　　1.4 小結
第二章　碳中和之路
　　2.1 碳中和政策
　　　　2.1.1 世界主要國家碳中和政策
　　　　2.1.2 中國碳中和政策
　　2.2 碳中和路徑
　　2.3 能源轉型途徑
　　　　2.3.1 化石能源清潔化
　　　　2.3.2 清潔能...