D碳社区资讯:百万亿碳中和市场,有哪些投资机遇?

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、排泄的便会产生很多甲烷。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;碳汇市场;更多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。

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