说说碳达峰和碳中和

本文为西莫首席技术专家李保来老师（西莫ID：标准答案）原创文章，本期期刊西莫视角栏目收录，并由西莫电子期刊主编hahafu整理发布以飨读者

最近一段时间，“碳达峰”、“碳中和”等字眼频频刷屏，碳中和概念股票飞涨，那么到底“碳达峰”、“碳中和”这些新鲜词汇的背后包含了哪些不为人知的故事？本期我们就详细说说这其中的那些事。要想说清楚这些，首先从一些基本概念和背景说起。

1什么是“碳”

先来恶补一下相关化学知识，学过化学的同学们都知道，碳是一种非金属元素，化学符号为C，在元素周期表中的排序是第6号元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。碳在自然界是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气、地壳和生物中。我们知道碳、氢、氧是构成有机物的主要元素，在我们的身体中，碳含量大约为18%，是构成我们身体的重要元素。碳有多种同位素，所谓同位素就是每种元素按照其原子核内的质子数量不同，在元素周期表中都占有一个“牌位”，而同位素就是有多个元素在周期表中占有同一个牌位，因为它们的原子核里质子数相同，但中子数不同，因此它们的原子量不同，但由于质子数相同，化学性质基本相同，所以在元素周期表中共同占有一个“牌位”。现代已知的碳元素的同位素就有十五种之多，从碳8至碳22，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性。在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有1.07%，其余同位素乎其，因此C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子数为1摩尔。

碳还有许多同素异形体，所谓“同素异形体”是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质，其中碳最常见的两种同素异形体是石墨和金刚石，如1所示。

这两种东东虽然都是由碳元素组成，但由于它们构成单质的原子结构不同，使得对外表现出的物理特性截然不同。石墨是一种层状结构，具有良好的导电和导热性能。由于它比较软，可以做成铅笔芯；由于它们每层之间的结合力很小，层与层之间很容易滑动，因此它还是一种很好的润滑剂，家里的锁具生锈发涩时，往锁芯里削点铅笔芯就可以轻松搞定。另外由于石墨的层间很容易被剥离分层，现代材料技术可以把单层的石墨分离开，这就是传说中的“石墨烯”，石墨烯对于材料工业就是一种神奇的存在，它就像烹饪中的味精一样，把它称为“材料精”毫不夸张，在普通材料里加一点石墨烯，就会使原来材料的物理特性发生神奇的变化，包括导电性能、导热性能、力学性能、光学性能等等。把两层石墨烯以不同的角度再重叠起来就可以做成超导体、绝缘体、超导热体、绝热体…神奇不？1996年出生于成都的95后神童——曹原就是专门研究这玩意的，1998年，年仅22岁的小鲜肉就在这一领域做出了世界领先的科研成就，把论文发表在《自然》杂志上(想看小鲜肉的花痴可参见龙行天下公众号科学分享系列之一《石墨烯与超导体》)。

金刚石大家都很熟悉，就是传说中的钻石，就是结婚戒指上的那玩意，它是由碳原子组成的四面体结构，结构非常牢固，因此对外表现的晶莹剔透，硬度极高，除了做戒指还可以用它来划玻璃。

顺便说明一下，我们日常生活中还经常提到一种东东，叫做“炭”。碳和炭是两码事，碳是我们前面所说的一种化学元素，而炭则是木材在隔绝空气的条件下干馏得到的东西。炭不是一种元素，是一种多孔性物质，常保留木材原来的形状，质硬，有很多细孔，当然炭这种物质中的主要成分是碳元素。我们常说的炭是指木炭、焦炭、竹炭等物质。

说了这么多其实都不是重点，我们要讲的碳达峰、碳中和里的“碳”即不是指碳元素，也不是指炭物质，而是指在我们的日常生产、生活过程中产生的一些温室气体，由于这些温室气体大多是碳的化合物，因此也把温室气体的排放称为“碳排放”。

2温室气体

如前所述，碳达峰、碳中和所说的的“碳”是指“碳排放”，也叫温室气体的排放。说到这儿，就不得不说说什么叫“温室气体”，所谓“温室气体”是指大气中能吸收地面反射的长波辐射，并重新发射辐射的一些气体。主要的温室气体包括：水汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、氧化亚氮（N2O）、氟利昂、甲烷（CH4）等气体。这些气体类似于温室大棚中的塑料薄膜，只能让太阳辐射的热量穿透薄膜进入大棚，却阻隔了大棚内的热量向外辐射，这类气体起到了加热温室内空气的并保温的作用，这种作用称为“温室效应”，在这些温室气体中，二氧化碳的贡献最大，达60%，因此通常说的“碳排放”主要是指二氧化碳的排放，其它温室气体的排放都等效的温室效应折算成二氧化碳当量。

3京都议定书

温室气体的存在，就像给我们的地球搭了一个恒温大棚，使得地球的温度基本控制在±40℃的范围内，这80K的温差在宇宙范围来看，基本就是恒温室，温暖适宜，适合各类生物滋润地在这个星球上生活。但如果温室气体含量过高，就会带来地球温度逐年升高，以致于影响我们的生存环境，必须加以控制，否则我们都将over！关于地球温度升高带来的危害不多赘述，目前世界上已形成广泛的共识，就是近一个世纪以来，地球平均温度有明显的升高趋势，其主要原因有两个：一是工业革命带来的温室气体大量排放引起；二是由于森林的大量砍伐，造成碳吸收量的减少引起。要想遏制地球变暖趋势，首先要从减少温室气体排放(以下简称“减排”)入手。怎么减、谁来减、减多少…等等一系列问题怎么办？谁说了算呢？俗话说，天塌下来有大个子顶着，这些事情自然要由各国的大大们操心，于是各国大大们就在联合国开会时商量！于是就建了个“联合国气候变化框架公约”群，1992年5月9日通过了个群公告——《联合国气候变化框架公约》，这个群公告于1994年3月21日生效。截至2016年6月，已发展到197个群成员。群友们约定轮流做庄，每年召开群会议（ConferencesoftheParties，COP）以评估应对气候变化的进展，更重要的是安排任务谁该减排多少。于是就开始了旷日持久的撕逼大战，每次开会就是一件事——撕逼！众所周知，在经济发展过程中必须要使用能源，在目前情况下，能源主要来自煤炭、石油等化石类能源，化石类能源的消耗必然要排放二氧化碳。因此一个国家的GDP与与碳排放有着紧密的正相关，这就意味着发展经济与减排是一对很难协调的矛盾，你是想穷困潦倒地享受蓝天白云，还是想花天酒地地快速作死？谁都不傻，谁都想自己花天酒地排放，让别人穷困潦倒地减排，因此撕逼就不可避免了。每次撕逼的主要焦点是谁该承担更多的减排任务。对此分两派观点：一派是以发达国家为代表的富豪派；另一派是以发展中国家为代表的穷哥们派。

富豪派主张穷鬼们要多承担减排任务，至少要按排放量等比例减排，理由有两个：一是穷鬼们是排放大户，理应多承担减排任务，比如：据统计2017年排放前五名的国家分别为：第一名中国，年排放10357万吨、第二名美国，年排放5414万吨、第三名印度，年排放2274万吨、第四名俄罗斯，年排放1617万吨、第五名日本，年排放1237万吨。前五名中穷鬼就占了三席，我大中国排名第一，你们不承担大头谁承担；第二个理由是穷鬼们大多技术落后，能源生产粗放，污染严重，减排相对容易，减排潜力巨大，而富豪们技术先进，各方面技术都基本做到了极致，很难再采取减排措施；穷哥们派主张富豪们应该承担更多的减排任务和责任，理由也有两个：一是虽然目前我们的绝对排放量较大，但是从人均排放量看，我们与富豪们比人均排放量小得多，比如说虽然我大中国排放量第一，但你把每年的10357万吨除以我们的14亿华夏儿女，看看每人才多少，再把你们的排放量除以你们的人口数量，看看谁该承担大头！第二个理由是你们目前花天酒地的生活是你们的祖宗从第一次工业革命开始，大量排放换来的，今天的地球变暖，主要是你们祖宗造的孽，你们应该为你们的祖宗赎罪，理应承担大头！凭什么你们的祖宗以前排放没人管，我们现在刚开始要发展了，排放了你们就不让了？我们也想花天酒地，我们就是要排放，怎么着！

鉴于双方公说公有理婆说婆有理，互不相让，因此每年开会除了喝个酒叙叙旧，其他就是相互撕逼，根本达不成一个像样的协议，经过多轮撕逼，终于在1997年日本京都达成了一个像回事的协议，这个协议叫《京都议定书》，共有84个国家在这个议定书上签字。双方经过热烈撕逼，各退一步，原则上减排应该首先考虑脱贫，不能因为减排而增加贫困；穷哥们和富豪应互相理解，加强合作，毕竟大家都住在同一个地球村，灾难来了谁都不好过，谁减排了都对我们村的环境有好处。这个协议的核心内容包括：

①明确了针对的六种温室气体进行削减，即：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。

②明确了到2012年达到的减排目标，各自认领了减排任务。

③允许采取以下四种方式完成减排任务：

一、两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的“排放权交易”，即难以完成削减任务的国家，可以花钱从超额完成任务的国家买进超出的额度。

二、以“净排放量”计算温室气体排放量，即从本国实际排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。

三、可以采用绿色开发机制，促使发达国家和发展中国家共同减排温室气体。

四、可以采用“集团方式”，即欧盟内部的许多国家可视为一个整体，采取有的国家削减、有的国家增加的方法，在总体上完成减排任务。

这四项新措施可以说是集中了大大们的集体智慧。别的不说，我们重点说说这第三项措施，这项措施可以说对穷哥们好处大大滴，也可以看出那些富豪们的确有所让步。富豪们不是说他们技术先进，各方面措施都已发挥到极致，很难再减排了吗？不是说穷鬼们技术落后，生产粗放，减排相对容易、有巨大减排潜力吗？OK！如果在你自己的国家实在很难减排了，或者付出巨大成本减排效果不明显了，不要紧，你可以出技术、拿出比自己减排较少的银子到我们这里来实施啊，这里潜力巨大，实施成本很低，而且减排效果显著，反正空气无国界，所有的排放都是对我们这个村的污染，无论在哪里减排都是对我们这个村的贡献，你拿钱出技术在我们这里减了排，这个账记在你头上，算你的业绩就是了。你节约了成本，还替你祖宗赎了罪；而穷哥们免费得到了技术，也得到了发展，岂不两全其美！高！实在是高！

协议虽然达成了，但执行起来却不那么一帆风顺，这里面各家有各家的难处，不多赘述。值得一提的是，美国虽然在议定书上签了字，但后来又出尔反尔，2001年3月美国小布什政府首先宣布退群。在此之后，每年的群会仍然是继续撕逼，2009年在哥本哈根召开的缔约方会议第十五届会议上，经过一个多星期的撕逼，又谈妥了一份新的《哥本哈根议定书》，以取代2012年到期的《京都议定书》。紧接着2011年12月，加拿大也宣布退群，成为继美国之后第二个签署后但又退出的国家。

4“碳达峰”和“碳中和”

说了那么多概念和背景，现在回到正题，说说现在炙手可热的“碳达峰”和“碳中和”。我国是《京都议定书》的缔约国，在关乎人类发展和命运问题上，我大中国历来是一个负责任的大国，既然入了群，就应该模范地遵守群规，承担应负的责任，兑现庄严的承诺。在许多大型的国际场合以及我国重要会议上，我国领导人多次提出，中国要力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。

所谓“碳达峰”是指一个国家、企业或团体到某一个时点全年二氧化碳的排放达到峰值不再增长，之后逐步降低。这个目标我国努力在2030年之前实现。所谓“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”，这个目标我国努力在2060年前实现。在今年的两会上，“碳达峰”和“碳中和”再次成为热点，政府工作报告和“十四五”规划，就有关的措施和实现途径做了规划和布置。

这个“3060”目标说起来容易，但要实现可以说存在非常大大难度，需要做的事很多，我们不可能展开说，这里只讲一点让同学们有感触的事。

首先应该先理清自己的家底，搞清楚“碳足迹”。所谓“碳足迹”是指一个团体或个人在生产生活过程中，产生了多少碳排放。比如我们厂是生产发电机的，做发电机就必须用到钢材、铜线、绝缘材料等，这些原材料从矿石的开采到冶炼、运输、加工、装配、试验出厂都要消耗能源，必然就产生碳排放，我们的发电机出厂后，有些用到火力发电、柴油发电，在电机使用过程中还要继续烧煤、烧油产生排放，直至电机报废，处理也需要排放，在产品从“生”到“死”的整个寿命周期内一共产生多少碳排放应该算清楚，这些碳排放都需要采取相应措施去中和掉才能实现碳中和。其次还应该亲兄弟明算账，这些排放应该把账记在谁都头上，比如我们所用的钢材冶炼产生的碳排放，先是记在了钢厂头上，随着我们采购钢材，这笔账就应该部分地转移到我们头上，而我们的发电机用于风力发电时，减少的碳排放也应该部分地返还到我们头上，这样才能核算清楚我们在碳排放方面究竟是欠了债还是作了贡献，可见要算清楚这笔账有许多啰嗦事，国家需要出台一系列相应的规范、标准、政策，来理清这笔账。账算清楚以后就是如何“碳中和”，说到碳中和，我们的发电机产品有些还用在风力发电，这些发电机将来每发一度电，就会少燃烧许多煤炭或石油，从而减少许多碳排放，这笔账也要算清楚，这样在整个寿命周期内就知道净排放是多少，据说有好事者评估过风力发电组的碳足迹，一台风力发电机组从原材料采矿冶炼到并网发电，所产生的碳排放需要自身发电五年左右所减少的碳排放才能中和掉，这就意味着，一台风力发电机组从诞生之日就欠下了一笔碳排放债，它在前五年之内发电所减少的碳排放其实是在还娘胎里带出来的债，五年之后才是对这个地球作出的贡献，我们且不讨论这个估算是否准确，这里要表达的意思是，任何一个企业在生产过程中、一种产品在诞生过程中，首先是欠下了一笔碳排放债，需要后续偿还，不能随便就说我们从事风力发电，我们一直清洁绿色，我们不存在碳中和，早就中和了。错！你的产品前几年其实是在还债！以后才是贡献。风力发电如此，太阳能更是如此，据统计，太阳能光伏发电设备的制造就是一个高耗能、高污染的行业，它娘胎里带来的孽债会更多。

关于碳中和通常有两种解决方式：一是通过植树产生的碳吸收来抵消自己的碳排放，实现碳中和。大力开发可再生能源，减少化石能源消耗来减少排放；另一种方式就是“碳交易”，有些企业算下账来是正排放，而有些企业算下账来则是负排放，即除了抵消掉自己的排放后还有富裕，比如一些林场就应该是负排放，把这些正负排放都折算成钱，拿去交易，一切就都OK了，没有拿钱摆不平的事。老师把话放在这里，估计在不久的将来，碳交易就会成为一个新的、时髦的行当，有头脑的同学们赶紧行动，可别说我没提前告诉你，等你发了大财记住回头给俺这篇文章打个赏。

5我们该怎么办

前面说的都是国家、企业、单位怎么办，在这种碳达峰、碳中和的大背景下，我们每个人该怎么办？是不是这些事就和我们每个人个体无关呢？错！碳排放、碳达峰、碳中和其实与我们每个人都息息相关，我们都需要为“3060”目标的实现贡献自己一份力量。首先别以为你自己就没“排放”，我给你算算这笔账，你只要活着就得喘气吧！你呼出来的气是什么？主要就是二氧化碳啊！别小瞧你喘的这口气，据统计每人每天通过呼吸大约释放1140克的二氧化碳，一年365天你自己算算得排放多少啊。这只是你的鼻子喘气的排放，你除了鼻子喘气还要通过其它的通道对外排放，你打嗝吧、放P吧、…也别小瞧这些影响食欲的排放，这些排放不仅仅是排二氧化碳，还有甲烷等气体，甲烷的温室效应比二氧化碳还厉害，只不过这些气体的排放量比喘气少些而已；说完喘气你得生活吧，你的衣食住行，每一项都意味着排放，你穿的衣服生产、洗涤需要排放、你吃的食品需要运输、烹饪有排放、你住的房子里有照明、家电、暖气、空调等等都需要排放、你出门开车、坐公交都需要排放…把所有这些排放加起来也是一个不小的排放量。有好事者给一位沈阳的美女算过一天的碳足迹，结果这位美女正常生活了一天的碳足迹为50.5308kg，这是一天啊！一年呢？当然这是一个特例，计算的也许有些误差，一个人每天的活动内容不同，碳足迹也会有所不同。据权威机构统计测算，中国人一年的平均碳足迹为3900kg，这个数据比发达国家的人均碳足迹要低。我们不纠结这个估算的准确性和权威性，说这些的意思是别以为碳中和只是国家、企业、团体的事，这涉及到我们每一个人，要想实现“3060”目标，需要全民参与、从我做起，先把自己碳中和了，自己实现碳中和应该怎么做呢？

①首先要有碳中和的意识，尽量减少排放，当然减排不能限制你少喘气，但日常做任何一件事情都应该有意识地想一下，这样会产生多大的碳排放，有没有更好的减排选择。比如：空调温度不要开太低、开空调不要开窗户、出门尽量不开车，甚至不乘坐机动交通工具，最好步行或骑自行车，所谓绿色出行，上飞机前尽量不吃饭、排空肚子里的所有废物，养成随手关灯习惯……只有从这些小事做起，才能积少成多为减排做贡献。

②多植树，尽量把自己的排放中和掉，这个就不用多说了。

最后我们强烈呼吁，以后见面的问候语就别问“吃了吗您呢？”，建议改成“中和了吗您呢？”，有人大代表、政协委员之类的同学请在明年的两会上提这么个议案和提案。如何领取本文PDF文档及更多最新干货文章合集长按二维码关注，回复：第28期长按二维码关注，回复：第28期长按二维码关注，回复：第28期更多最新精彩文章详见（点击进入）：·《西莫电机技术》2021年第4期重磅发布！西莫电子期刊编辑部荣誉出品！西莫视角：·逆变器非线性在电机中产生的谐波及其补偿·场是个神马鬼？西莫视角：·轴向磁场永磁同步轮毂电机的效率图分析

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