大气中的温室气体主要为二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和水汽， —— 它们是维持地球环境具备人类生存条件的必要物质。 碳元素是温室气体中最为重要的成分， 在不同碳库间，可通过物理、化学、生物、地质过程发生迁移，从而使碳库间的碳分布发生改变。 温室气体浓度的突变会促使地表的温度、降水、植被分布等发生相应改变。 进入工业革命时代，各国消耗大量的化石能源，排放大量的碳，导致大气中的二氧化碳和甲烷浓度不断攀升。 相应地，全球地表平均温度增加了1摄氏度左右，导致海平面上升、冰川消退，以及降水格局、生物分布等一系列变化。 据预测，如果不对温室气体排放加以控制，地球气候将出现一系列灾难性改变。 基于这样的认识，世界各国达成了应对气候变化的国际合作协定，其核心是： 在21世纪中叶，人类活动排放的温室气体量同自然过程吸收和人为封存的量相一致，即达到碳的净零排放，或称碳中和。
《碳中和：逻辑体系与技术需求》丁仲礼等著
如何实现碳中和？
碳减排或碳中和需要逐步减少化石能源的利用，而能源的相对廉价和易获得性又是经济社会发展的基础。 从发达国家走过的路径看，一般在人均国内生产总值(GDP)达到4万美元之前，人均能源的消费量呈增长趋势。 中国的人均GDP刚超过1.2万美元，可以预见，在未来几十年中，中国的人均能源消费还有较大的增长。
因此，中国要实现碳中和，需发电端、能源消费端和固碳端——“三端共同发力”。
把水、光、风、核作为主力发电能源，并大幅提高发电、储能、输电的能力。
发展非碳/低碳能源发电技术，实行电力系统灵活性调节，四步走：控碳、降碳、低碳、零碳
用绿电、绿氢、地热等替代化石能源的使用；并在替代过程中，重新建立一系列工艺过程。
建筑部门应在三个方面发力。 首先是对建筑本身作出节能化改造； 其次是针对城市的建筑用能，包括取暖/制冷和家庭炊事等，均应以绿电和地热为主； 农村的家庭用能，则可采用屋顶光伏+浅层地热+生活沼气+太阳能集热器+外来绿电的综合互补方式。 交通部门可着眼于五个方面。 未来私家车以纯电动车为主； 重卡、长途客运可以氢燃料电池为主； 铁路运输以电气化改造为主，特殊地形和路段可采用氢燃料电池，同时发展磁悬浮高速列车； 船舶运输行业中的内河航运可用蓄电池，远航宜用氢燃料电池或以二氧化碳排放相对较少的液化天然气作为动力； 航空则可用生物航空煤油达到低碳目标。 钢铁行业碳排放主要来自炼焦和焦炭炼铁，它可分两阶段实现低碳化。 第一阶段是对炼焦炉、高炉等的余热、余能作充分利用，同时用钢化联产的方式把炼钢高炉中的副产品充分利用起来。 第二阶段是逐步用新的低碳化工艺取代传统工艺，研发和完善富氧高炉炼钢工艺， 炼钢过程中以绿氢作还原剂取代焦炭，对废钢重炼用短流程清洁炼钢技术等。 我国建材行业的排放主要来自水泥、陶瓷、玻璃的生产，其中80%来自水泥。 建材行业低碳化应从三方面研发技术， 一是用电石渣、粉煤灰、钢渣、硅钙渣、各类矿渣代替石灰石作为煅烧水泥的原料，从原料利用上减少碳排放的可能性； 二是煅烧水泥时，尽可能用绿电、绿氢、生物质替代煤炭； 三是用绿电作能源生产陶瓷和玻璃。 化工排放来自两大方面， 一是生产过程用煤、天然气作能源， 二是用煤、油、气作原材料生产化工产品时的“减碳”， 比如用煤生产乙烯，需要加氢减碳，其中加的氢如果不是绿氢，就会有碳排放，减的碳一般会作为二氧化碳排放到大气中。 因此，化工行业的低碳化应从四个方面入手， 一是蒸馏、焙烧等工艺过程用绿电、绿氢； 二是对余热、余能作充分的利用； 三是适当控制煤化工规模，条件许可时尽量用天然气作原料； 四是对二氧化碳作捕集—利用处理。 有色工业中的碳排放主要来自选矿、冶炼两个过程，在整个冶金行业排放中，铝工业排放占比在80%以上，因为电解铝工艺用碳素作阳极，碳素在电解过程中会被氧化成二氧化碳排放。 因此，冶金工业的低碳化一是在选矿、冶炼过程中尽可能用绿电； 二是研发绿色材料取代电解槽中的碳素阳极； 三是对电解槽本身作出节能化改造； 四是对铝废金属作回收再生利用。 在其他工业领域中，食品加工业、造纸业、纤维制造业、纺织行业、医药行业等也有一定量的碳排放， 其排放来源主要有两个方面，一是生产加工过程中用的煤、油、气，二是其废弃物产生的排放。 这些行业的低碳化改造主要在于用绿电替代化石能源，同时做好废弃物的回收再利用。 服务业是一个庞大的领域，但服务业以“间接排放”为主， 即服务业用电一般被统计到电力系统碳排放中， 运输过程中的用油一般被统计到交通排放中， 建筑物中的用能则被统计到建筑排放中，似乎“直接排放”的量并不大。 但这样说，并不是说服务业可以置身于低碳化之事外，恰恰相反，服务业亦有可以“主动作为”的地方， 这一方面是大力做好节能工作，另一方面是尽可能用电能替代化石能源的使用。 农业的碳排放主要来自农业机械的使用，与此同时，农业中的畜牧养殖业以及种植业是甲烷、氧化亚氮的主要排放源， 而这二者的温室效应能力是同当量二氧化碳的数十倍至数百倍。 从这样的前提出发，农业的低碳化一是农业机械用绿电、绿氢替代柴油作动力； 二是从田间管理的角度，挖掘能减少甲烷和氧化亚氮排放但不影响作物产量的技术； 三是研发出减少畜牧业碳排放的技术； 四是尽可能增加农业土壤的碳含量。 根据这九方面的介绍，我们可以看出： 在能源消费端用绿电、绿氢等替代煤、油、气，从理论上讲是不难做到的，但工艺和设备的再造重建绝不是一件简单的事。 同时我们也可以想象，这样的替代和重建一定会增加最终消费品的成本。所以说，替代和重建需要时间。
通过生态建设及CCUS等技术把碳人为地固定在地表、产品或地层中。
CCUS：碳捕集(carbon capture)、利用与封存(utilization and storage)
目前全球每年排放的二氧化碳大约是400亿吨，其中14%来自土地利用，86%来自化石燃料利用。 排放出来的这些二氧化碳，大约46%留在大气，23%被海洋吸收，31%被陆地吸收。 这个数据可能不是特别准，但一百年以来碳循环基本上就是这么一个规律。
碳捕集技术分三大类。 一是化学吸收法，它用化学吸收剂同烟道气中的二氧化碳生成盐类，再加热或减压将二氧化碳释放并收集。 二是吸附法，又细分为化学吸附法和物理吸附法。化学吸附法是用吸附材料同二氧化碳分子先作化学键合，再改变条件把二氧化碳分子解吸附并收集；物理吸附法是利用活性炭、天然沸石、分子筛、硅胶等对烟道气中的二氧化碳作选择性吸附后再解吸附回收。 三是膜分离法，即利用膜对气体分子透过率的不同，达到分离、收集二氧化碳之目的。在具体操作上，碳捕集还可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、化学链燃烧捕集、生物质能碳捕集、从空气中直接捕集等技术。
碳捕集后的工业化生物利用技术目前主要有四大类： 一是利用二氧化碳在反应器中生产微藻，这些微藻再用作生产燃料、肥料、饲料、化学品的原料。 二是将捕集到的二氧化碳注入温室中，用以增加温室中作物的光合作用，这个过程又可称为二氧化碳施肥。 三是把二氧化碳同微生物发酵过程相结合，生成有机酸。 四是把二氧化碳用于合成人工淀粉。
碳捕集后的工业化化工利用又分两大类技术途径： 一大类是把二氧化碳中的四价态碳还原后加甲烷、氢气等气体，再整合成甲醇、烯烃、成品油等产品。 另一大类为非还原技术，有二氧化碳加氨气后制成尿素、加苯酚后合成水杨酸、加甲醇后合成有机酸酯等技术，也有合成可降解聚合物材料、各类聚酯材料等技术。
地质利用技术也有很多类型，这些技术有的已在工业化示范中，有的尚停留在实验室探索阶段。 比如利用收集起来的二氧化碳驱油、驱煤层气、驱天然气、驱页岩气等， 这属于油气开采领域的应用，这类技术的一个共性是通过生产性钻孔把超临界的二氧化碳压到地层中， 利用它驱动孔隙、裂隙中的油、气流出开采性钻孔，达到油气增产或增加油气采收率的目的， 与此同时，二氧化碳则滞留在孔隙、裂隙中得以长期封存。 该类技术国内外已有工业应用示范。而另一些技术则在探索过程中，比如用于开采干热岩中的地热。 干热岩埋深在数千米，其内部基本没有流体存在，温度在180℃以上， 开采干热岩中的热能需要打生产井并用压裂手段使岩石增加裂隙， 然后在生产井中注入工作介质，让其流动并采集热量， 最后从开采井中收集热量。 一些研究表明：用二氧化碳作为工作介质，既起到开采干热岩热量的作用，又可把部分二氧化碳封存于地下。
地质封存技术则是把二氧化碳收集后直接通过钻孔注入地下深处或灌入深部海水中。 这里要特别指出：深海对二氧化碳的溶解保存能力是巨大的。 总之，固碳的技术有多种，但这些技术不可避免地需要额外能量加入，因此有可能把最终产品的成本提高一大块。 至于地质封存，尽管理论和实践上可行，但它似有“空转”之嫌。
从现阶段看，只有生态固态才可兼顾经济效益和社会效益。
政府早就开始做全国能源消耗总量和能源消耗强度的控制工作了，相信大家对“双控目标”这个词不陌生。 我认为，要想实现真正的低碳转型，所需的资金将会是天文数字，不可能全部依靠政府强力政策推动或者财政补贴来满足。
相对于设定二氧化碳排放总量的天花板，政府的更优解应该是坚持市场机制和政策调控两手抓， 即在市场机制充分发挥自身作用的基础上，再加以政策引导， 通过四步走的策略，去促进社会生产生活各领域的减碳、无碳化。
首先，政府把财政资金主要投入在发电端非碳能源技术研发体系的建设，和消费端用能工艺再造上， 有针对性地进行特殊支持，发挥社会主义集中力量办大事的优势， 把大学、研发机构和企业三方力量统筹起来，列出技术需求清单，完成系统化研发布局，这是实现“碳中和”的第一步。 第二步，是要投入适量财政资金，构建产业化示范体系。 第三步，在这个示范的过程中，引导相关技术不断迭代，促进成本降低， 那时候各项新技术自然就会逐渐显示出竞争力，就能够顺应市场需求，逐步挤压传统化石能源技术的生存空间。 第四步，才是政府来推动整个行业的转型发展，进行产业的总体规划，比如计划多少年内把哪些传统化石能源全部替代掉。
这里需要注意的是，在“碳中和”大转型中，行业整体的协调共进极为重要， 如果某一行业不同企业间不能协调共进，势必会使“不作为企业”节约了成本，从而出现“劣币驱逐良币”现象。 因此，必须要由政府设计好分行业的“碳中和”路线图并出台有效的激励/约束制度，督促行业整体推进。 这四个步骤不能调换顺序，更不能大而化之，“一刀切”地要求企业马上就实施非碳能源替代。 部分地方政府觉得只需要强力政策推动，不需要这个循序渐进的过程，这就犯了唯心主义的错误。 在碳排放问题上，我们一定要实事求是。没有技术迭代作为前提，“碳中和”就是无源之水，无本之木，企业也将无所适从。 所以，国家首先要把技术体系建起来，不要急急忙忙去下达比较激进的指标， 否则指标一下，地方政府若没有完成的能力，要么造假，要么“拉闸限电”，事与愿违。 任何政策都有一个酝酿期和适应期，如果立马以雷霆万钧之力往下压，一定会带来问题。
注：本页的图片均源于《丁仲礼：中国碳中和框架络线图研究PPT》及 《碳中和：逻辑体系与技术需求》