目前，全球已经有欧盟、中国、美国、日本、韩国、新加坡等50多个国家相继宣布在本世纪中叶实现碳中和的目标，与此同时，还有近个国家正在研究制定各自的碳中和目标。可以说，碳中和已经在全球范围掀起一场涉及人类共同命运的大规模运动。在这场运动中，各国方案不同，路径也各有特色，形成了丰富的实践案例。
然而，我认为，这场伟大的运动还缺乏一个明确的理论基础。理论指导实践，并在实践中得到完善。只有明确理论基础，才能避免战略误区，以最低的社会成本和最快的速度达成碳中和目标。本文抛砖引玉，在碳中和相关学科领域做些理论探索，旨在引发思考，建立基于科学、符合国情、体现东方智慧的碳中和理论体系。
01碳中和的前提仍是要满足人类不断增长的能量和碳素需求，且保持经济竞争力
碳是人类在地球上赖以生存的最重要元素。人类社会的发展不仅摆脱不了对碳的依赖，相反，随着人口的增加和生活水平的提高，人类对碳基材料与产品的需求会与日俱增。碳不是问题，减碳低碳针对的是二氧化碳，不是碳。因此，不能谈碳色变，更不能逢碳必反。
严格意义上，二氧化碳（CO2）本身并没问题。没有CO2，都零碳了，植物靠什么来进行光合作用呢？问题的核心是自工业革命以来，化石能源的大量燃烧带来的CO2过量排放，引发了地球表面温室效应和气候失衡，对人类自身生存产生了巨大危胁。这才是人类社会真正需要共同努力解决的问题。
所谓“碳中和”，就是要把某个实体（企业、城市、国家、全人类）在某一时期内（日、月、年）CO2的排放量减到最低限度，并通过碳汇等各种对冲手段来中和，使得人类活动往大气中排放的CO2总量为零。“碳中和”希望解决的根本问题是消除包括二氧化碳在内的温室气体所导致的地表气候失衡，确保人类社会可持续发展，但前提是要满足人类不断增长的能量和碳素需求，并且保持经济的竞争力。任何碳中和技术路径的设计都要尊重这一前提。
对冲的手段选择很重要。西方主流认为，CO2是罪恶的源泉，应该通过极端的手段，将其深埋地下几千年，永世不得翻身，不再跑入地球大气层。而东方的智慧告诉我们，对待CO2应该顺治而不是简单的逆治。任何垃圾都是有价值的资源，只是放错了地方而已，应该更加强调循环利用，而不是简单的封存。
在碳中和技术路径上，西方倾向用今天的技术一步到位解决未来30-40年的问题，很容易走极端，比如说禁止天然气的使用。而东方的智慧启示我们，要以渐进而不是冒进的方法来解决问题，不追求在今天就要做出非常完美的解决方案，而是让这些不完美为未来技术进步留下空间。这样可以动态地制定与执行各行各业的碳中和技术路径，充分技术进步所需要的时间，让未来的技术在今天的碳中和解决方案继续孵化，建立能够随着时间的推移，不断吸纳新技术的体制机制和商业模式。
02物理学基础：碳中和愿景下，需要更多“逆燃烧”和“逆蒸汽机”技术
自工业革命以来，人为的大规模CO2排放来源包括能源领域和非能源领域两个方面。能源领域主要是化石能源燃烧所产生的排放，而非能源领域则是来自于化工、钢铁、水泥等工业制造过程中的化学反应。前者占CO2排放总量的80%左右。
化石能源燃烧主要通过蒸汽机、内燃机和燃气轮机进行，对应的主要燃料分别是煤炭、石油和天然气。以上三种燃烧技术都涉及到共同的物理化学原理，即碳氢化合物加氧燃烧，释放能量产生动力，同时形成二氧化碳，并通过水蒸汽散发余热。
近两个多世纪以来，人类依靠化石能源燃烧的“火”建立了现代工业与文明。然而事实证明，这一集中式燃烧化石能源的“旧火”系统越来越不可持续，对经济、安全、健康、环境的威胁也越来越大。美国洛基山研究院主席兼首席科学家AmoryLovins（卢安武）博士在年出版的《重新发明火》一书中指出，鉴于“旧火”系统对人类在地球上生存的严重威胁，非常有必要重新发明“火”，以“新火”代替“旧火”，彻底改造现有的能源系统。他预计，到年，美国经济将达到年规模的2.6倍，而通过“新火”替代“旧火”，不再需要消耗任何石油、煤炭和核电，就可为美国节约5万亿美元的能源开支，且这一切可以完全利用现有的技术来实现，不需要任何*府补贴和国会法案的支持。
这里的“新火”即指那些不需要燃烧碳氢化合物就能够获取能量的技术手段，主要包括源于地上的节能和可再生能源，广义层面也包括挖自地下的地热和核能，即我们常说的“零碳”能源。然而，以零碳能源代替化石能源来解决CO2排放问题，与CO2的关系是间接的。由于当前CO2排放的主要来源是化石能源燃烧，因此有必要直接就CO2排放问题开展一些理论探索，如化石能源能否不通过燃烧来获取能量？有没有好的办法来消除CO2对大气的影响？化石能源燃烧的过程是否可逆？能否通过“逆燃烧”的办法，将CO2和水合成为碳氢化合物？
此外，燃烧过程产生大量的废热，除了可以梯级利用部分之外，大多数还是通过水吸热相变，从液态变成气态，并以水蒸气的形式散发到空气中。有没有可能通过“逆蒸汽机”的方法，将这些水蒸汽冷凝成液态水，从而释放热量，为我所用？
回答上述问题，笔者认为答案无疑是肯定的。
■化石能源能否不通过燃烧获取能量？能！燃料电池就是通过非燃烧的方式从化石能源中获取能量。
■能否消除CO2对大气的影响？能！碳捕获、利用和封存(CCUS)技术就是基于这个问题来发展起来的，核心是转换利用，而不是简单的地质封存。
■能否通过“逆燃烧”的办法，将CO2和水合成为碳氢化合物？能！这方面的技术进展非常快速，并且有望很快得到商业化推广。北京光合新能公司的等离激元技术，就是利用工业废热或太阳能光热，在常温常压下将CO2和水低成本地合成为碳氢化合物，该技术目前正在中试阶段。
■能否通过“逆蒸汽机”的方法，将燃烧过程产生的大量水蒸汽冷凝成液态水，从而释放热量，为我所用？能！这方面我国已经进入规模化推广的阶段了。北京国际能源专家俱乐部年评估与推广过的湖南东尤水汽能技术就是将空气中的水蒸汽进行冷凝放热，并通过热泵技术提前所释放的热量，给*府办公大楼、医院和厂房提供取暖和制冷服务，成本比常规燃气取暖和中央空调要低很多。这一技术在湖南已经有了多个商业化运营的案例实证。
笔者认为，工业化时代是通过蒸汽机燃烧化石能源“卖碳”方式来支持经济增长，经济增长与CO2排放成正比。与此模式相反，碳中和时代需要通过减碳来支持经济的持续增长，经济增长要与CO2成反比，形成越来越大的剪刀口。在新模式下，我们需要更多的“逆燃烧”和“逆蒸汽机”技术。
03能源系统学基础：碳中和要在保障能源与原材料供应安全的基础上，注重系统优化，稳步有序推进
能源系统一直有两个重要的职能：一是为人类活动提供所需要的能源服务，这些服务包括电力、热力和交通移动力；二是通过能源化工，提供人类生活与生产活动所必需的原材料，如塑料、化肥和各种化纤材料。国际能源署在年发布的《石化行业的未来》报告中指出，为人类生活提供各类必需品（塑料、化肥、包装、衣服、医疗器具、洗衣粉、汽车轮胎等碳基化合物）的石化行业已经是全球能源行业的重要组成部分，分别占全球石油消费的14%和天然气消费的8%。然而，因为它提供的是化工产业的原材料而不是能源产品，一直被能源界所忽视。同理，在讨论能源转型时，人们往往只