實(shí)現(xiàn)凈零排放

Gerhard R.Andlinger Visiting Fellow in Energy and the Environment,Princeton University,USA

深入了解可行的能源轉(zhuǎn)變

在我們邁入新的十年之際，建立和維持經(jīng)濟(jì)福祉的同時(shí)，一系列持續(xù)性的挑戰(zhàn)依然存在。四大社會(huì)經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)正在發(fā)揮作用：人口增長(zhǎng)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增長(zhǎng)、城市化和互聯(lián)性?？傮w而言，這些趨勢(shì)將導(dǎo)致幾乎所有商品（如能源、食品和材料）消費(fèi)量的急劇增加，同時(shí)還會(huì)加劇氣候變化，使生物多樣性銳減以及食物和淡水的供應(yīng)日益減少，這些情況給我們所在的星球增加了巨大的壓力。在本文中，我們主要關(guān)注能源。將全球能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮袅闩欧攀俏覀冞@一代所面臨的最大的挑戰(zhàn)之一。科學(xué)研究和工程研究顯著提高了低碳能源技術(shù)和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，尤其是在電力方面。這項(xiàng)研究有助于指導(dǎo)幾種自上而下的綜合評(píng)估和其他能源系統(tǒng)模型，以獲得實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)大氣候目標(biāo)的各種成本最低的途徑。然而，盡管做出了這些努力，全球溫室氣體排放量仍在持續(xù)增加。

將全球平均氣溫上升幅度限制在2 ℃以下的情景要求立即停止溫室氣體的排放增長(zhǎng)，并且在本世紀(jì)中葉急劇減少至凈零排放。以下五個(gè)系統(tǒng)級(jí)基礎(chǔ)支撐著這些深度脫碳情景，并且應(yīng)在研究組合和國(guó)家規(guī)劃職能的議程中作為基礎(chǔ)：

（1）提高能源生產(chǎn)率：少花錢(qián)多生產(chǎn)；

（2）使用脫碳化的電力供應(yīng)；

（3）擴(kuò)大終端用電；

（4）燃料和其他載體的脫碳；

（5）應(yīng)用二氧化碳捕集和地質(zhì)封存（CCS）技術(shù)以減少殘留點(diǎn)源的排放，并有可能從大氣中脫除二氧化碳。

對(duì)以上每個(gè)基礎(chǔ)的技術(shù)解決方案及其在國(guó)家能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中的相互作用進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展預(yù)測(cè)，有助于管理漸增的項(xiàng)目和基礎(chǔ)設(shè)施需求。但是，為了評(píng)估過(guò)渡可行性，必須將這些預(yù)測(cè)分解為高水平的時(shí)空粒度。針對(duì)工廠和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所需規(guī)模、發(fā)展速度提出的各種見(jiàn)解，可以突出各種潛在的瓶頸和沖突，這些瓶頸和沖突可能會(huì)限制計(jì)劃的轉(zhuǎn)變。其中包括能力限制、對(duì)自然環(huán)境和社會(huì)的影響、社會(huì)變革的期望、就業(yè)前景的差異、當(dāng)代市場(chǎng)機(jī)制的限制、資本投資流動(dòng)和現(xiàn)有資產(chǎn)價(jià)值的貶值。這種見(jiàn)解對(duì)于提出支持低碳能源轉(zhuǎn)型所需持續(xù)性資本投資和公眾支持的指導(dǎo)政策至關(guān)重要。因此，每個(gè)基礎(chǔ)能做的貢獻(xiàn)存在巨大的不確定性。

讓我們了解一些系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的例子，這些轉(zhuǎn)變對(duì)于深度脫碳的每個(gè)基礎(chǔ)都是必要的。

基礎(chǔ)1：提高能源生產(chǎn)率

能源生產(chǎn)率（單位GDP最終消耗的能源比例）逐年提高。從歷史上看，每年的改善率介于1.0%～2.5%之間。但是，大多數(shù)深度脫碳情景要求能源生產(chǎn)率在未來(lái)40年內(nèi)每年持續(xù)提高2.5%～4.0%。這將需要廣泛采用最節(jié)能的工藝流程和設(shè)備，以及在人類(lèi)活動(dòng)和消費(fèi)、城市規(guī)劃、建筑標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)實(shí)踐中進(jìn)行重大轉(zhuǎn)變。

基礎(chǔ)2：使用脫碳化的電力供應(yīng)

電力部門(mén)脫碳的最重要資源包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能和核能，以及與CCS結(jié)合的化石燃料燃燒。盡管所有這些技術(shù)對(duì)于消除電力行業(yè)的排放可能都是必要的，但它們各自都面臨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的挑戰(zhàn)。技術(shù)、制造和供應(yīng)鏈的創(chuàng)新降低了風(fēng)力渦輪機(jī)（陸上和海上）和太陽(yáng)能光伏（PV）模塊的成本，從而使其在能源市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，在系統(tǒng)集成和儲(chǔ)能技術(shù)方面的創(chuàng)新有助于減輕長(zhǎng)期以來(lái)由于風(fēng)能和太陽(yáng)能多變性所帶來(lái)的擔(dān)憂。但是，這兩種發(fā)電技術(shù)目前僅占全球發(fā)電量的10%，且都具有相對(duì)較低的設(shè)備利用率（約20%～40%）和較高的土地利用強(qiáng)度。具有可用土地的最佳資源場(chǎng)地通常遠(yuǎn)離主要的負(fù)載中心，因此需要大量新的輸電基礎(chǔ)設(shè)施，這可能會(huì)受到社會(huì)環(huán)境的抵制。核電需要的土地最少，但也必須克服由其產(chǎn)生的安全問(wèn)題和廢料問(wèn)題。

基礎(chǔ)3：擴(kuò)大終端用電

傳統(tǒng)上依靠油/煤衍生的液體燃料和天然氣的能源需求，包括輕型和中型客車(chē)、家庭供暖和工藝供熱，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)電氣化。這將需要個(gè)人和公司在投資決策上做出重大改變，并且通常要有注銷(xiāo)現(xiàn)有資產(chǎn)的意愿。目前越來(lái)越多的能源載體依賴電力，這給上述具有挑戰(zhàn)性的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變帶來(lái)了額外的壓力。此外，如果電力供應(yīng)的脫碳很大程度上依賴于僅在白天可獲得的太陽(yáng)能光伏，那么長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為可隨時(shí)按需獲得電力的個(gè)人和公司可能需要更加注意自己的用電時(shí)間。

基礎(chǔ)4：燃料和其他載體的脫碳

即使終端的電氣化水平得到了提高，所有脫碳途徑仍依賴于數(shù)量不等的液體和氣體燃料。如果我們要實(shí)現(xiàn)所定的遠(yuǎn)大氣候目標(biāo)，則必須將其脫碳。氫氣作為合成液體和氣體燃料的原料，或者作為獨(dú)立的載體（如通過(guò)燃燒來(lái)發(fā)電和直接還原鋼鐵生產(chǎn)中的鐵礦石），有望發(fā)揮核心作用。清潔氫氣可以通過(guò)使用無(wú)碳電力進(jìn)行電解、結(jié)合CCS的天然氣進(jìn)行重整、結(jié)合CCS的煤氣化或結(jié)合CCS的生物質(zhì)氣化來(lái)生產(chǎn)，每一種生產(chǎn)方法都會(huì)進(jìn)一步使電力生產(chǎn)、生物量生產(chǎn)和二氧化碳封存需求變得復(fù)雜化。

基礎(chǔ)5：應(yīng)用二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）

即使基礎(chǔ)1～4被廣泛采用，在航空、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域，脫碳仍是困難的。所以說(shuō)，上面提到的CCS技術(shù)對(duì)于電力和燃料的脫碳必不可少，也是對(duì)水泥、鐵、鋼和石化產(chǎn)品等材料工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行大幅脫碳的一種選擇。但是由于殘留排放，CCS僅可能將點(diǎn)源的排放減少80%～95%。此外，全球范圍內(nèi)越來(lái)越多的人認(rèn)為我們不可能很快地實(shí)現(xiàn)足夠的減排，以避免氣候變化帶來(lái)的不可接受的后果，為此，我們需要從大氣中提取二氧化碳，這是一種被稱為CDR的方法。同時(shí)，通過(guò)重新造林、改進(jìn)的農(nóng)業(yè)做法或其他方法增加自然土地匯入量將發(fā)揮主要作用。大多數(shù)深度脫碳情景還依賴于生物能源結(jié)合碳捕集與封存（BECCS）——一種提供凈負(fù)排放的能源供應(yīng)技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，在這些情景下，到本世紀(jì)中葉之前，每年要持續(xù)地質(zhì)封存5×1012～3×1013kg的二氧化碳。該規(guī)模約為當(dāng)前CCS水平的1000倍，可與當(dāng)前的全球石油和天然氣開(kāi)采率相媲美，或在某些情景下要遠(yuǎn)高于當(dāng)前水平。對(duì)于BECCS，生物能源作物也是土地利用密集型的，并且它的最佳作用地點(diǎn)與對(duì)糧食供應(yīng)至關(guān)重要的農(nóng)作物之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

總而言之，為了向凈零排放進(jìn)行轉(zhuǎn)變，全球經(jīng)濟(jì)將需要前所未有的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施部署速度。盡管未來(lái)的技術(shù)成本和性能存在很大的不確定性，政府和私營(yíng)部門(mén)仍必須大量且迅速地進(jìn)行投資，現(xiàn)有資產(chǎn)將需要提前退廢。電力部門(mén)必須與燃料和工業(yè)部門(mén)緊密結(jié)合，能源部門(mén)將以全新的和廣泛的方式依賴陸地、海洋和深地，風(fēng)能和太陽(yáng)能、生物能源作物以及糧食作物之間的土地競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)加劇。在能源消耗和購(gòu)買(mǎi)諸如汽車(chē)和家用電器之類(lèi)物品方面，需要在全民范圍內(nèi)進(jìn)行行為轉(zhuǎn)變。社區(qū)將需要在其本地環(huán)境中接受大規(guī)模的“侵入式”基礎(chǔ)設(shè)施，包括輸電線路、管道和可再生能源農(nóng)場(chǎng)。市場(chǎng)將需要進(jìn)行重大改革，這種廣泛的物理、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)變化的程度尚不確定，并且可能因地區(qū)而異。

研究的持續(xù)性是至關(guān)重要的。但要取得效果，我們必須：①通過(guò)探索轉(zhuǎn)變情景而不是規(guī)定途徑來(lái)判斷不確定性；②采用綜合系統(tǒng)方法；③召集與重大挑戰(zhàn)相關(guān)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)（科學(xué)家、工程師、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、商業(yè)學(xué)者、社會(huì)行為科學(xué)家以及政策從業(yè)者）；④與私營(yíng)部門(mén)和政府深入合作，以確保在實(shí)施挑戰(zhàn)、研究重點(diǎn)和研究結(jié)果等方面信息的雙向流動(dòng)。