全球碳中和運動缺乏一個明確的理論基礎

 

能源系統(tǒng)一直有兩個重要的職能：一是為人類活動提供所需要的能源服務，這些服務包括電力、熱力和交通移動力；二是通過能源化工，提供人類生活與生產活動所必需的原材料，如塑料、化肥和各種化纖材料。國際能源署在2018年發(fā)布的《石化行業(yè)的未來》【2】報告中指出，為人類生活提供各類必需品（塑料、化肥、包裝、衣服、醫(yī)療器具、洗衣粉、汽車輪胎等碳基化合物）的石化行業(yè)已經是全球能源行業(yè)的重要組成部分，分別占全球石油消費的14%和天然氣消費的8%。然而，因為它提供的是化工產業(yè)的原材料而不是能源產品，一直被能源界所忽視。同理，在討論能源轉型時，人們往往只關注能源服務部分，而忽略后者的存在。

 

在中國，按照楊芊【3】等測算，現代煤化工行業(yè)已經占到2020年全國煤炭消費總量的3.9%并還呈增長趨勢，到2025年將提高至6.7%-6.9%。

 

在未來的人類發(fā)展進程中，我們不僅擺脫不了對碳的依賴，相反，隨著人口的增加和生活水平的提高，人類對碳基材料與產品的需求會與日俱增。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，全球塑料產量從200萬噸飆升至4.07億噸，年均復合增長率為8.4%。截至2019年底，中國的初級塑料產品累積總量已經達到10億噸。如此巨量的碳基材料目前全部由能源系統(tǒng)提供，未來靠什么來替代？在能源系統(tǒng)低碳化的進程中，正確處理能源系統(tǒng)的能源服務和碳基材料兩重性對于能源轉型的路徑設計尤為重要。

 

隨著地球上人口的繼續(xù)增長和生活水平的提高，人類對電力、熱力和交通移動力這三項能源服務的需求以及對碳基化工產品的需求都在上升。碳中和的能源系統(tǒng)學基礎是在滿足這些需求的前提下，如何把能源生產、運輸、轉換和最終使用過程中所產生的CO2排放降到最低，且整個過程具有經濟競爭力。

 

換言之，能源系統(tǒng)低碳轉型的邊界條件是保障能源供應安全，滿足碳基化合物的需求，并且具有經濟競爭力，即能源系統(tǒng)低碳轉型不應以犧牲經濟合理發(fā)展和降低人民生活福祉為代價。

 

從供應側看，張映紅【4】從人類文明發(fā)展的不同紀元角度，將能源轉型分為代際轉型（如農業(yè)文明紀元的傳統(tǒng)可再生能源體系向工業(yè)文明紀元的化石能源體系轉型）和代內轉型（如化石能源體系內的煤炭時代向石油時代轉型），認為目前我們正處于從工業(yè)文明紀元的化石能源體系向未來智慧文明紀元的核聚變能源體系的代際轉型與化石能源體系內石油時代向天然氣時代的代內轉型的重疊期。對于未來有戰(zhàn)略布局的世界主要國家而言，成功的能源結構轉型就是通過新舊動能轉換，在保障國家能源可持續(xù)、科技可持續(xù)、經濟可持續(xù)、環(huán)境可持續(xù)、文明可持續(xù)基礎上，借助新的能源優(yōu)勢創(chuàng)建更先進的能源文明，并能通達終極能源安全。

 

通過分析美國、德國和日本1965-2019年能源結構的變化，張映紅發(fā)現，那些謀劃未來戰(zhàn)略布局的發(fā)達國家在能源轉型問題上是比較謹慎的，僅將一次能源消費總量的40%～50%用于轉型（美國只有50.3%的能源參與能源轉型，德國只有40.6%，日本只有44%），剩下的是保障能源安全、不參與能源轉型的基礎能源。基礎能源主要選擇國家能源技術和/或能源資源控制能力較強、傳統(tǒng)能源工業(yè)基礎成熟的中低碳或零碳能源系列（例如美國的水電、石油和核能），而那些國家能源資源不足、能源獲取風險高、受國際能源市場影響明顯的國家，則采用籠統(tǒng)指標，限定用于轉型的比例范圍（如日本），根據國際能源市場變化趨勢進行動態(tài)調整。能源轉型過程中，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，或比例過高的化石能源?？傮w上，發(fā)達國家能源轉型是一國一策，根據國家的經濟發(fā)展水平、產業(yè)結構特征、能源資源稟賦、能源工業(yè)基礎、能源技術實力等，確定能源結構轉型模式和路線。

 

由此可見，發(fā)達國家的能源轉型也是以保障能源安全為基礎的，在特定的時期選擇一定比例的能源參與能源轉型，而不是一股腦兒將全部的能源都投入進去。

 

從需求側看，電力、熱力和交通移動力這三項能源服務需求各有特色。電力從負荷到電源已經形成了高度復雜的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)里，各種電源與多樣化負荷，中間的電網以及起著調節(jié)功能的儲能設施，在現代信息通信技術的調控下，形成了相互關聯(lián)的互動效應。電力來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（水、核、風、光等）來替代化石能源燃燒發(fā)電，使得電源更加清潔；另一方面是對化石能源電廠所排放的CO2進行捕集、利用與封存，消除CO2過量排放產生的負面影響。前者的優(yōu)勢在于資源非常廣泛且隨著技術進步，既可依靠“電從遠方來”，又可實現“電從身邊取”，并且就近取電的相關成本已經大幅度下降；劣勢在于分光等可再生能源能量密度低且不穩(wěn)定，雖然通過儲能和氫能的調節(jié)可以增加穩(wěn)定性，但實現100%可再生電源供應還需時日。后者的優(yōu)勢在于能量密度高且可穩(wěn)定運行，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)是如何在低碳轉型過程中如何確保供應安全，特別是在分布式能源大規(guī)模接入，數字技術大量滲透，氣候變化引起的極端事件越來越頻繁的時代，如何保持強大的系統(tǒng)韌性。

 

在未來相當長時間內，電力系統(tǒng)現實可行的解決方案還在于可再生能源和化石能源的組合，兩者之間取長補短，逐步實現電力系統(tǒng)從化石能源為主向可再生能源為主的過渡。在過渡期內，通過技術創(chuàng)新，或找到能夠克服可再生能源劣勢的新型發(fā)電技術（如小型可控核聚變），或找到可以克服化石能源CO2排放問題的新技術（如CCUS）。短時間內一步跨入100%可再生電力時代的想法既不現實，在技術經濟層面也很難實現。落實中央提出的“構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”任務，不僅需要在技術創(chuàng)新方面加大投入，還需要在電力體制、商業(yè)模式和投融資機制等方面加大創(chuàng)新力度。 本+文`內/容/來/自:中-國-碳-排-放-網-tan pai fang . com