本文来自微信公众号：峰瑞资本（ID：freesvc），作者：刘鹏琦（峰瑞资本执行董事），原文标题：《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》，头图来自：视觉中国（图为北京首个“碳中和”主题公园）
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。本文将会对“双碳”相关的问题进行系统性地拆解。
主要将围绕以下4个问题，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？
一、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。2020年我国碳排放量占比进一步提高到了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。
二、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。
三、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。
四、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。
五、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。
六、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。
七、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。
八、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。
本文来自微信公众号：峰瑞资本（ID：freesvc），作者：刘鹏琦