全球碳中和運(yùn)動(dòng)缺乏一個(gè)明確的理論基礎(chǔ)

 

能源系統(tǒng)一直有兩個(gè)重要的職能：一是為人類(lèi)活動(dòng)提供所需要的能源服務(wù)，這些服務(wù)包括電力、熱力和交通移動(dòng)力；二是通過(guò)能源化工，提供人類(lèi)生活與生產(chǎn)活動(dòng)所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。國(guó)際能源署在2018年發(fā)布的《石化行業(yè)的未來(lái)》【2】報(bào)告中指出，為人類(lèi)生活提供各類(lèi)必需品（塑料、化肥、包裝、衣服、醫(yī)療器具、洗衣粉、汽車(chē)輪胎等碳基化合物）的石化行業(yè)已經(jīng)是全球能源行業(yè)的重要組成部分，分別占全球石油消費(fèi)的14%和天然氣消費(fèi)的8%。然而，因?yàn)樗峁┑氖腔ぎa(chǎn)業(yè)的原材料而不是能源產(chǎn)品，一直被能源界所忽視。同理，在討論能源轉(zhuǎn)型時(shí)，人們往往只關(guān)注能源服務(wù)部分，而忽略后者的存在。

 

在中國(guó)，按照楊芊【3】等測(cè)算，現(xiàn)代煤化工行業(yè)已經(jīng)占到2020年全國(guó)煤炭消費(fèi)總量的3.9%并還呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2025年將提高至6.7%-6.9%。

 

在未來(lái)的人類(lèi)發(fā)展進(jìn)程中，我們不僅擺脫不了對(duì)碳的依賴(lài)，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類(lèi)對(duì)碳基材料與產(chǎn)品的需求會(huì)與日俱增。塑料是最典型的高碳化合物，也是全球使用最普遍的物資。從1950年到2015年，全球塑料產(chǎn)量從200萬(wàn)噸飆升至4.07億噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4%。截至2019年底，中國(guó)的初級(jí)塑料產(chǎn)品累積總量已經(jīng)達(dá)到10億噸。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系統(tǒng)提供，未來(lái)靠什么來(lái)替代？在能源系統(tǒng)低碳化的進(jìn)程中，正確處理能源系統(tǒng)的能源服務(wù)和碳基材料兩重性對(duì)于能源轉(zhuǎn)型的路徑設(shè)計(jì)尤為重要。

 

隨著地球上人口的繼續(xù)增長(zhǎng)和生活水平的提高，人類(lèi)對(duì)電力、熱力和交通移動(dòng)力這三項(xiàng)能源服務(wù)的需求以及對(duì)碳基化工產(chǎn)品的需求都在上升。碳中和的能源系統(tǒng)學(xué)基礎(chǔ)是在滿(mǎn)足這些需求的前提下，如何把能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換和最終使用過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放降到最低，且整個(gè)過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

 

換言之，能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的邊界條件是保障能源供應(yīng)安全，滿(mǎn)足碳基化合物的需求，并且具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，即能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型不應(yīng)以犧牲經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展和降低人民生活福祉為代價(jià)。

 

從供應(yīng)側(cè)看，張映紅【4】從人類(lèi)文明發(fā)展的不同紀(jì)元角度，將能源轉(zhuǎn)型分為代際轉(zhuǎn)型（如農(nóng)業(yè)文明紀(jì)元的傳統(tǒng)可再生能源體系向工業(yè)文明紀(jì)元的化石能源體系轉(zhuǎn)型）和代內(nèi)轉(zhuǎn)型（如化石能源體系內(nèi)的煤炭時(shí)代向石油時(shí)代轉(zhuǎn)型），認(rèn)為目前我們正處于從工業(yè)文明紀(jì)元的化石能源體系向未來(lái)智慧文明紀(jì)元的核聚變能源體系的代際轉(zhuǎn)型與化石能源體系內(nèi)石油時(shí)代向天然氣時(shí)代的代內(nèi)轉(zhuǎn)型的重疊期。對(duì)于未來(lái)有戰(zhàn)略布局的世界主要國(guó)家而言，成功的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型就是通過(guò)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，在保障國(guó)家能源可持續(xù)、科技可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、環(huán)境可持續(xù)、文明可持續(xù)基礎(chǔ)上，借助新的能源優(yōu)勢(shì)創(chuàng)建更先進(jìn)的能源文明，并能通達(dá)終極能源安全。

 

通過(guò)分析美國(guó)、德國(guó)和日本1965-2019年能源結(jié)構(gòu)的變化，張映紅發(fā)現(xiàn)，那些謀劃未來(lái)戰(zhàn)略布局的發(fā)達(dá)國(guó)家在能源轉(zhuǎn)型問(wèn)題上是比較謹(jǐn)慎的，僅將一次能源消費(fèi)總量的40%～50%用于轉(zhuǎn)型（美國(guó)只有50.3%的能源參與能源轉(zhuǎn)型，德國(guó)只有40.6%，日本只有44%），剩下的是保障能源安全、不參與能源轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)能源。基礎(chǔ)能源主要選擇國(guó)家能源技術(shù)和/或能源資源控制能力較強(qiáng)、傳統(tǒng)能源工業(yè)基礎(chǔ)成熟的中低碳或零碳能源系列（例如美國(guó)的水電、石油和核能），而那些國(guó)家能源資源不足、能源獲取風(fēng)險(xiǎn)高、受?chē)?guó)際能源市場(chǎng)影響明顯的國(guó)家，則采用籠統(tǒng)指標(biāo)，限定用于轉(zhuǎn)型的比例范圍（如日本），根據(jù)國(guó)際能源市場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，替代方多為天然氣和可再生能源，被替代方主要為煤炭、燃油發(fā)電、老化的傳統(tǒng)核能，或比例過(guò)高的化石能源?？傮w上，發(fā)達(dá)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型是一國(guó)一策，根據(jù)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征、能源資源稟賦、能源工業(yè)基礎(chǔ)、能源技術(shù)實(shí)力等，確定能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模式和路線。

 

由此可見(jiàn)，發(fā)達(dá)國(guó)家的能源轉(zhuǎn)型也是以保障能源安全為基礎(chǔ)的，在特定的時(shí)期選擇一定比例的能源參與能源轉(zhuǎn)型，而不是一股腦兒將全部的能源都投入進(jìn)去。

 

從需求側(cè)看，電力、熱力和交通移動(dòng)力這三項(xiàng)能源服務(wù)需求各有特色。電力從負(fù)荷到電源已經(jīng)形成了高度復(fù)雜的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里，各種電源與多樣化負(fù)荷，中間的電網(wǎng)以及起著調(diào)節(jié)功能的儲(chǔ)能設(shè)施，在現(xiàn)代信息通信技術(shù)的調(diào)控下，形成了相互關(guān)聯(lián)的互動(dòng)效應(yīng)。電力來(lái)源的多樣性給電力系統(tǒng)的去碳化提供了可能。一方面是以不排放CO2的非化石發(fā)電技術(shù)（水、核、風(fēng)、光等）來(lái)替代化石能源燃燒發(fā)電，使得電源更加清潔；另一方面是對(duì)化石能源電廠所排放的CO2進(jìn)行捕集、利用與封存，消除CO2過(guò)量排放產(chǎn)生的負(fù)面影響。前者的優(yōu)勢(shì)在于資源非常廣泛且隨著技術(shù)進(jìn)步，既可依靠“電從遠(yuǎn)方來(lái)”，又可實(shí)現(xiàn)“電從身邊取”，并且就近取電的相關(guān)成本已經(jīng)大幅度下降；劣勢(shì)在于分光等可再生能源能量密度低且不穩(wěn)定，雖然通過(guò)儲(chǔ)能和氫能的調(diào)節(jié)可以增加穩(wěn)定性，但實(shí)現(xiàn)100%可再生電源供應(yīng)還需時(shí)日。后者的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高且可穩(wěn)定運(yùn)行，但需要在CCUS（碳捕捉、封存與利用）方面取得突破。

 

電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是如何在低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中如何確保供應(yīng)安全，特別是在分布式能源大規(guī)模接入，數(shù)字技術(shù)大量滲透，氣候變化引起的極端事件越來(lái)越頻繁的時(shí)代，如何保持強(qiáng)大的系統(tǒng)韌性。

 

在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)可行的解決方案還在于可再生能源和化石能源的組合，兩者之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，逐步實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)從化石能源為主向可再生能源為主的過(guò)渡。在過(guò)渡期內(nèi)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，或找到能夠克服可再生能源劣勢(shì)的新型發(fā)電技術(shù)（如小型可控核聚變），或找到可以克服化石能源CO2排放問(wèn)題的新技術(shù)（如CCUS）。短時(shí)間內(nèi)一步跨入100%可再生電力時(shí)代的想法既不現(xiàn)實(shí)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面也很難實(shí)現(xiàn)。落實(shí)中央提出的“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”任務(wù)，不僅需要在技術(shù)創(chuàng)新方面加大投入，還需要在電力體制、商業(yè)模式和投融資機(jī)制等方面加大創(chuàng)新力度。 本+文`內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com