厘清碳排放的来龙去脉，才知碳中和之路怎么走 | 峰瑞研究所
碳中和是探讨人类社会和地球文明如何延续的重要话题。双碳、碳中和、碳达峰等概念近一两年非常火，氢能源、智慧电网、核能、储能等概念与双碳或多或少有所关联。双碳这个话题很大，不是某一个具体的行业或者产业，而是牵一发动全身的系统。
本期是峰瑞环保双碳系列第二篇，峰瑞资本执行董事刘鹏琦，将会对“双碳”相关的问题进行系统性地拆解。
刘鹏琦拥有清华大学电子系学士学位和卡内基梅隆大学计算机硕士学位，加入峰瑞资本前，曾在微软总部担任软件工程师，负责搜索广告算法研发。他还曾在多点Dmall担任大数据部门负责人，搭建大数据平台、搜索推荐和数据运营系统。目前，刘鹏琦关注科技赋能产业升级，代表项目包括i背调、感易智能、爱选科技、优解未来。
本位将围绕这些问题，剥掉“碳中和”的外壳，一层层拆解，厘清双碳背景下的技术创新机会。
为什么要提“双碳目标”？
碳排放到底从哪里来？
减“碳”的路径和方法有哪些？
双碳背景下存在哪些投资机会？
希望能提供新的思考角度，也期待跟大家交流探讨绿色创新技术，欢迎联系本篇文章作者刘鹏琦（pengqi@freesvc.com）
直播预告
9月开始，我们将推出「峰瑞创投对话·环保双碳系列」直播，我们会与创新企业探讨，在环保双碳的背景之下，消费、新能源、生物医药等行业如何顺势而为，以获得新的发展机遇。峰瑞作为投资机构，也会把我们从创始人们身上学到的认知分享出来。
第一场直播《合成生物：从黑暗中摸索，到风口之上》将于9月4日（本周日上午）准时上线，蓝晶微生物联合创始人兼CEO张浩千、联合创始人兼总裁李腾将与峰瑞资本合伙人马睿畅谈合生生物领域的绿色创新机会。
欢迎扫码报名，填写您对环保双碳领域感兴趣的问题，我们将会在筛选后向嘉宾提问。直播前，我们也会通过邮箱发布直播链接，邀请大家进行业社群。
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我们为何要提双碳目标？
首先想要探讨的是，我们为何要提双碳目标？
大背景是，全球每年碳排放（除了二氧化碳、还有甲烷、氧化亚氮等温室气体）超过450亿吨。如果放任不管，持续这样排放，地球的温度会持续升高，全球变暖，整个生态就会崩溃。所以全球就少减碳排放达成了共识。
如果什么都不做，到21世纪下半叶，全球温度会增长超过2摄氏度，这是一个不可逆的过程。目前全球会采取多种方式去控制温度的升高，最乐观的情况，是在21世纪下半叶，整个温度提高控制在1.5摄氏度以下。
为了一步一步实现此目标，国家制定了两个阶段性目标。
一个小目标是碳达峰，指在某一个时间点，一个区域或国家的二氧化碳的排放量达到峰值后逐步回落。全球有很多国家已经实现了这一点，多数是发达国家，一部分经济增长小制造业不发达的发展中国家，本身排放小，也实现了碳达峰。
中国是世界第二大经济体，仍然保持快速增长。碳达峰对我国而言，并不容易，因此国家将时间定在了2030年。
一个大目标是碳中和，指一定时间内产生的温室气体排放，通过植树造林、节能减排等方式，实现正负抵消，达到“零排放”。目前，一些欠发达、森林覆盖率高的国家，也已经实现了，比如苏里南，不丹。
但无论对于发达国家，还是像中国这样的发展中国家，实现碳中和的目标都有难度。瑞典预计2045年实现，英国、法国预计2050年实现。我国将实现目标的时间定在2060年。
中国碳排放量全球第一，高于北美、高于欧洲、高于任何亚洲国家，减排难度和压力很大。尽管2020年的疫情我国并未受太大影响，但碳排放量占比却进一步提高到了30%以上。对于中国来说，实现双碳是一件非常难的事情，也需要做更多的努力。
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碳排放从哪里来？
了解了为何要实现碳中和，接下来我们就要弄清楚，这些碳排放到底从哪里来？
碳排放主要从能源利用和生产过程中产生。从全球来看，碳排放主要来自几大领域:发电、供热、交通运输（包括汽车、航空、船舶）、制造业、建筑业、农业。
中国是全球制造业大国，直接能源利用——用于发电、供热以及制造业和建筑业的碳排放，减排压力很大。
从长周期来看，一些发达国家的交通、服务业、农业、畜牧业，碳排放量较大，未来也会面临较大的减排压力。
碳排放可分为两大部分：一是直接的能源利用；二是生产过程。如何来理解这两个部分？
能源直接利用，就是燃烧石油、煤、天然气等能源，获得热能，这些热能可以直接用，也可以转为机械能，再通过机械能转为电能。利用能源本身燃烧的能量，可以拿去供应我们所有的应用，比如钢铁、有色、化工、汽车、航空、船舶等。
能源利用产生的碳排放占80%，另外20%就是生产过程中产生碳排放。以制造业为代表，产品制造、原料供应（选择、运输和储存）以及所售成品的加工和使用过程中，都不可避免会带来二氧化碳和其他温室气体的排放。
举个例子，生产水泥，我们先开采石灰石，将其煅烧，煅烧的产物是生石灰，这过程就必然会排放二氧化碳。
另外一个例子就是畜牧业。牛羊等动物放屁、排泄的粪便会产生很多甲烷。牛通过吃草和饲料等含碳物质，给人带来牛肉牛奶等产品，但这个过程中，一定会有部分浪费，会带来额外的碳排放。
从化工产业来看，举个例子，合成氨要用氢气，氢气很多都是用水加煤，制作释放出来的，这过程中会排放大量的二氧化碳。
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减碳的路径与方法
既然碳排放来自能源直接利用和生产过程，那如何去减碳？
首先看能源利用。可以采取两个办法，一个是提高能源的生产率和利用率，减少燃烧化石燃料产生的二氧化碳，这是相对缓和的减碳方法，另一个方法更为直接，将化石燃料替换成新能源，用新能源去提供生产生活、工业所需要的这些热能和电能。
在生产过程中如何去减碳呢？替代原料，降低对终端产物的使用，使用生产过程不产生二氧化碳的终端产物，采用新工艺降低生产中产生的二氧化碳。
此外，如果生产中不可避免会产生二氧化碳。可以选择碳捕获、利用与封存（ccus）技术。
这个比较好理解，如果真的不可避免，一定会产生二氧化碳，可以先把二氧化碳先收集起来，去做二次利用，或者封存在地下，不排到空气里。同时还有一些经济学和市场化的一些方法，也可以用来减碳。
了解了减碳的大背景之后，我们再以史为鉴，看看人类从进化的过程中，怎么一步一步来利用自然界能源的？
人类文明的演进，是和人类对于能量的运用程度成绝对正相关的。我们把对能量的运用大体分为工业革命前和后两个阶段。
工业革命之前，人类对能源的利用，基本都来自于直接从自然界获取。最源头的核心能源是太阳，太阳是核聚变产生能量，能源的源头是核能。未来是否有别的方法创造新的核能，终极地解决能源问题，有待讨论。
太阳带来了光，光带来了温度的变化，温度的变化带来了水能、风能。人类在过去，在传统的社会，人们直接利用这些能量。光能带来了农业、林业、畜牧业、野生动植物，本质上是带来了食物，食物养活了人。人吃了食物可以干活，干活本身能够产生机械能。百分之八、九十的机械能，基本都由人手工提供的。
当时因为生产效率很低，机械能基本都反过来，又用于农业的生产，农业生产又反过来养活了这些人。基本上处在一个比较动态平衡的过程。因此，工业革命之前，全球一直没能实现经济快速增长，人口没有大幅快速增长。人类也没有多余精力和能量去发展其他产业。
当然一小部分来自自然界的能量可以用于手工业，比如人类可以利用很小的风能去带动风车，打开机械能，靠水能去转动水车。但这部分比例非常低，因此当时的社会发展很慢。这是在最自然的情况下，我们如何去利用自然界能量。
这之中有一个能源的分支，化石能源。光能带来了很多野生动植物，它们死之后，经过上亿年的沉积，很多都变成了化石能源藏在地下。在工业革命之前，可能有一小部分被人利用了，但是绝大部分都是没有被利用的。
第一次工业革命之后，人类技术水平大幅提升，增加了对化石能源的开采和利用程度。通过燃烧带来了热能，包括蒸汽机、内燃机。机械能赋能交通运输业，赋能制造业。第二次工业革命带来了电，这个电又可以再去转化为社会生活中需要的机械、热能、光能，赋能千家万户，各行各业。当然这个电也能够连成网，还有一些弱电，也可以带来一些信息产业。
早期人类只能采集天然的这些光能、风能，而这些都是过程性能源，24小时就有这么多，你能用多少就用多少，没有采集到，这个能量就消失不见了。后来，历史几亿年沉积下来的石油能源，被我们一次性地开采出来，用以支持过去400年的发展。使用化石能源，带来很多问题。第一，这个能源本身不可持续。第二，它本身带来了大量的温室气体的排放，会破坏生态，我们就必须要想办法解决问题。
怎么解决呢？其实也很直接。
回溯历史，最早人类怎么利用太阳能的？会利用水能、光能、风能，现在也一样。只不过当时利用方法非常低效，只有水车、风车。现在则能够通过风力发电，通过光伏发电，通过水电站，更高效地采集这些能源，将其变成电能，继而可以减少对化石能源的依赖。双碳里就包含光伏发电、风力发电等技术路线。
还有一个重要路线，核聚变。所有能源的源头都是核能。如果能人造一个太阳，是否所有问题会迎刃而解？目前这个路径还没有走通，很多人正在做研究。
此外，还有一个次级路径，用核裂变解决部分问题，但是它有各种各样的挑战，所以很多国家抛弃了核裂变的路线。
目前全球主要关注光能、风能。光能、风能的应用也有相关的挑战，光能源自自然界，不可能保证每天都有光，也不能保证光的强度每天都一样，更不可能能保证24小时有光。风能当然也不是24小时稳定的，我们需要的电是可控、可调，灵活的能源形态。
光能、风能，天然不适应把它们直接灌入电网，所以就引来了储能的概念。现在有很多投资机构在投储能。储能是为了能够更好地将这些新能源接入现有的电网，所诞生的一个技术路线。
另外一部分很重要的就是电池。现在锂电池非常火热。因为电能需要联网才能用，很多产业里是不联网的。比如交通运输为主，开的汽车，是无法直接接入电网的。过去必须靠石油提炼出来的汽油带着车跑。现在则把这些电能转化为可以携带的化学能，把它放在车上，将电能用于驱动车行驶。人们也会在电池上不断做技术研发和演进。
新能源领域的主要技术路线的框架已经清晰，除了增加新能源替换现有化石能源外，对于那些不可替代的能源，我们可以做的是提升能效。这是当前主要的两个方向。
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一次能源与二次能源
梳理了减碳的技术路线之后，我们来回看能源的分类。
一次能源，是直接取自自然界，没有经过任何加工转换就可以拿来用的能源。比如原煤、原油、天然气、太阳能、水能。但在人类目前生产工业品种用的能源，多数会将其做某种程度上的转换，变成二次能源。
不论经过一次、二次还是三次转换，都统一被称为二次能源，统称为被转化过的能源，可以被我们的社会生活直接应用，比如电能、煤气、汽油、煤油、柴油。
日常生活中用到的多是二次能源。二次能源又有两个非常重要的概念，一个叫过程性能源，一个叫含能体能源。二者不可以互相替代。
过程性能源，是物质在运动过程中产生的能量。比如自然界的风能，太阳能，水能。水在流动，所以才有能量。风在吹，才有能量。但它吹过了，这部分能量就没有了。电能其实也是这样的，需要电网把连接才能被应用，本身并不能直接存储和运输。
含能体能源，即其本身就含有能量，可以被用来存储和运输。比如汽油、柴油。为什么会发明电池？电池大家知道，大家以为它是存储电的，不是的，存的是化学能。是把电能转化成化学能，化学能是可以被存储和运输的。我们在社会生活当中，必须要同时用到过程性能源和含能体能源，两者不能替代。假设全社会全是电能，就不需要这些含能体，大家觉得这是可行的吗？应该是不可行的。为了让车能够用上电能，必须把它先变成电池才能上车。弄清楚了一次、二次能源的概念，就了解为何要发展氢能了。
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在节能体系里，
氢能的位置在哪里？
过程性能源最理想的是电能，这毋庸置疑。所有能源利用的中介都是电。
含能体能源，到底应该是什么？新的双碳环境下的含能体能源，到底应该是什么？其实还存在争议，或者还有不成熟的点。过去含能体能源就是汽油、柴油，现在却把它替换掉。
目前的方案是什么呢？锂电池，把电能转换成一部分的化学能，锂电池就可以拿来做运输和存储。锂电池也存在挑战，比如能量较低，低温环境下能量会衰减，原材料锂钴镍等依赖去自然界开采，这些资源也是有限的。
除了锂电池以外，我们还需找到另外一个可替代的含能体能源。氢能就成为了大家讨论最多，也认为是相对比较理想的一种含能体能源。
氢是最轻的原子，氢能衰减率比较低，能量密度很高，理论上是比较适合用于含能体的能源。
但目前技术不够成熟，还无法完全替代现有能源。业界普遍认为氢能会从对能量要求比较高的场景开始落地，替代现有的柴油、煤油等。
我做一个远期的大胆设想。未来社会一次能源全部由核聚变提供，过程新能源由电能提供，含能体能源由氢能提供，这是解决问题的理想状态。路径是核聚变产生电，跟氢互相转化，这个氢必然还要经过多次转化才能提取。如果有源源不断的电能，就能实现高效能源利用，减少排放。
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生产过程为何会产生碳排放？
如何减碳？
生产过程中的碳排放量约等于原料的含碳量，减去最终产品的含碳量，中间少的碳，就被排放掉了。
知晓原理后，我们该如何减碳？
原料端，是否可以采用低碳原料？是否可以替代部分原料，比如，用氢气去替代一氧化碳在炼钢里去做还原剂，就不会产生二氧化碳了。
终端产品，是否可以不用高碳产品？或者替换为生产过程中碳排放少的产品？
投资领域，比如生物基的材料，以及与之相关的工艺，都会带来更少的二氧化碳排放。这是峰瑞重点在看的一个方向。
举个例子，水泥生产是碳排量非常多的行业，2021年，中国水泥产量23.6亿吨，位居全球第一。然而就减碳来说，水泥生产，很难去替换原料，工艺升级也有限。那在终端是否能不用水泥？
到2060年，整个城市化基本结束，建筑行业需求下降，水泥的产量就会跟着减少。一些替代方案会逐渐出来，比如装配式建筑，可以重复利用这些材料，或者降低生产过程中的损耗，或者用一些新材料去替代现有的混凝土，这是大家比较关注的创新领域。
在碳排放领域，农业容易被忽略，但农业里的种植和养殖排放量不小。除二氧化碳、还有甲烷、氧化亚氮等温室气体，以二氧化碳当量计，在全球总排放中占比10-12%。
农业用地的养花、养蛋带来的化肥降解排放，水稻生产本身也会有不少的碳排放。畜牧业动物养殖过程中，也会带来碳排放。从原料到终端产品，都存在可以减少碳排放的机会：
从原料替代来看，有些饲料可以升级，改一下肥料的结构，降低一部分化肥的使用量。
工艺方面，改善水稻种植环境，减少秸秆带来的温室气体，提升对秸秆的二次利用。
降低水稻灌水，减少灌水后微生物发酵带来的甲烷排放。
终端产品方面，众所周知，用动物去转化蛋白质，效率比较低。如何直接提升创造蛋白质的效率?人造肉，生物合成角蛋白质，这些领域值得关注。
化工方面，碳排放占比4%，总额不高，但单位产值碳排放量高于工业平均水平。可以用新的原料，比如生物基材料，在工艺方面用合成生物的方法去做化工，会有减排的效果。
相较于化工生产，水泥行业的减碳压力较大。根据中国水泥协会发布的数据，水泥行业二氧化碳的排放占全球碳排放的比例约为7%，占中国约13%。2020年，中国水泥产量23.8亿吨，占全球水泥产量的50%以上。
像水泥、钢铁这样无法用生物基替换原材料的行业，怎么减碳？
可以用碳捕集、利用、封存技术。可以将碳捕捉起来，从低浓度富集到高浓度，进行燃烧。主要技术包括燃烧前捕集，燃烧后捕集，富氧燃烧捕集。
碳利用，以食品级二氧化碳（碳酸饮料）为例，可以延迟释放。还可以以二氧化碳为原料，与其他物质进行化学反应，产生新产品，如二氧化碳加氢制甲醇等。
碳封存，就是将二氧化碳封存在地质结构中，实现与大气长期隔绝。方式包括陆上、海水咸水层封存、枯竭油气田封存等。这方面的技术需重资产投入。
图片中展示的是一个典型的水泥企业捕集二氧化碳的案例，生产过程产生二氧化碳之后，做一些脱硫和清洗。纯度提高，密度提高，最终用于食品工业加工等等这些方向。这是一个可行的路径，但在实操的过程中还是得考虑成本问题。
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减碳的经济学考量
减碳落地目前的主要挑战就是成本。刚才谈到在供给侧，如何通过技术创新，替换现有能源也好，或是生产过程也好，本质还是在保证市场经济发展和实现减碳目标间做平衡。
有一个有意思的衡量标准，绿色溢价，最初这个概念由比尔盖茨提出，即相比现有的高碳生产技术，使用零碳技术带来成本上升的比例。碳中和的关键即在于降低绿色溢价。降低零碳排放成本的关键措施即技术进步，如使用光伏、风力发电代替传统火电。
挑战在于，无论是在电力、交通，还是制造业，使用零碳技术的成本很高。零碳技术很难在短时间内被广泛接受，很多技术需要靠量去迭代。
想要产业使用零碳技术，离不开市场调控，当然也离不开政策的补贴，社会治理的帮助。在市场调控层面，可以引入一些经济学的调控机制，比如碳市场、碳定价。
也就是，产业可以有两个选择，继续用高碳的技术生产，这些碳排放要交税，或者对碳排放进行限额，如果碳排放超额了还需要到市场上去买。这会增加高碳生产的成本。
如果使用零碳技术的成本低到和高碳技术一样，产业自然会选择使用零碳技术。
双碳想落地，一方面是技术价值本身要带来更低的绿色溢价，同时要有更好的商业价值，以及符合政策引导。峰瑞会持续投降低绿色溢价的技术方向，这是一个正确的大方向。
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碳中和领域的投资机会
落到具体的投资实践，碳中和意味着百万亿的市场与多个方向的投资机会。
全球能源互联网发展合作组织（Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organisation， GEIDCO）研究显示，中国在2060年能源系统累计投资将达到122万亿元，带动整体投资规模超过410万亿元，对中国GDP贡献率超过2%。根据母基金周刊的不完全统计，2021年，一级市场中与碳中和相关的基金总量已有2000亿元。
有两个层面值得关注，一是底层技术，另一个是数字化。
底层技术针对早期到成长期的产业。这阶段的产业中下游还未形成规模，技术迭代的空间很大。比如电池领域的新材料硅碳负极、钠离子电池、液硫电池等。这些技术大多是交叉学科和软硬件结合，比如在光伏、氢、核聚变、碳利用、合成生物学、储能、新型建材等方向，都有底层技术的机会。
数字化，针对一些新的成熟行业，进入存量期的行业，关键就是要做节能减排。能源制造公司可以通过SaaS平台，传感器、运筹学、智能决策优化调度；智能电网可以优化对电能的利用；企业做碳收集的管理，知道了排放了多少碳才能管理，去做交易，甚至参与到绿色金融体系里。
在你的视角里，环保双碳领域有哪些创新机会？欢迎在留言区分享你的思考。留言最走心的6位读者，我们将送出峰瑞定制版《趋势2030：重塑未来世界的八大趋势》这本书。期待和你一起寻找变化中的确定性，始终保持敏锐。
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