2023年12月13日

低碳未来我们能有多快地过渡到新能源系统

作者 admin

换用可持续能源的步伐加速:纽约长岛太阳能电厂的建设,是我们向低碳时代的重要一步。(图片来源:brookhavenlab/flickr, CC BY-NC)当前,我们可通过明智的政策措施,加快向低碳经济转型的速度,以缓解全球气候变暖之危。2005年11月,全球国家共议定减轻气候变化的承诺。而在任何一个可持续的能源系统中,摆脱碳的措施至关重要。

 

能源基础设施脱碳是人类有史以来最大的基础设施问题,涉及能源生产、交通、照明、供暖、烹饪等各个领域。化石燃料基础设施不仅包括油气井、煤矿、炼油厂等固定设施,还涉及手机、加油站、储气库、发电厂、矿车、供暖系统、炉灶和烤箱等移动和家庭设施。美国的这些基础设施总价值约为10万亿美元,占国内生产总值的六成。如何加速向可持续能源基础设施的过渡?借鉴历史的教训或许可以提供答案。虽然把全球三分之二基础设施升级为可持续能源设施的工程之巨难以想象,时间跨度可能长达数十年,但好消息是所有的基础设施都有使用寿命。一项2010年的研究就提出了这个问题:“如果等现有基础设施自然寿命结束才更新,会怎样?”研究发现:当燃煤电站到期被太阳能、风能或水能电站替代,汽车报废后一律换成电动车等等,我们能够刚好抵达行星安全线,即使继续使用现有基础设施直至其寿命终结,全球气温也不会更快上升超过尚可接受的温度上限2摄氏度。虽然我们面临的问题是如何尽快更新能源基础设施,但现实是我们还在建造更多的基础设施以替代到期的设施,并继续矿井开采等不可持续的行为。但我们可以改变这种现状。基础设施历史学家指出了一个典型的时间模式,即缓慢创新的阶段后出现一个“起飞”阶段,新的技术系统迅速被采用,直到基础设施进入“增建”阶段的稳定状态。这种时间模式在不同基础设施的发展过程中表现惊人的类似。在美国,运河、铁路、电报、输油管道和铺设道路的起飞阶段持续了长达30~100年,而广播、电话、电视和网络的起飞阶段则持续了30~50年。我们可以借鉴这个模式,尽快进入能源基础设施的起飞阶段,从而更快地实现可持续能源基础设施的全面更新和转型。过去十年来,可再生能源生产已经开始了“起飞”阶段,并且前进速度十分迅速,特别是当政府支持这一目标的时候。目前,太阳能和风能电站的建造速度比其他能源电站都要快。在2009年至2014年之间,全球太阳能电站年增长率为50%,而风能电站为18%。这些能源可以利用现有的基础设施将电力注入到电网中。但由于这些能源发电功率不稳定,管理人员需要使用负载均衡技术来处理。此外,风能和太阳能也可以为离网用户、农场和偏远地区提供电力,因为这些能源具备独特的灵活性。一些国家,尤其是德国和中国已经承诺使用可再生能源。德国使用的电力有25%来自可再生能源,这使得全国碳排放总量比1990年减少了25%。而中国目前的太阳能发电量已经越来越多,这表明可再生能源将在不久的将来成为主流能源。在过去的几年中,可再生能源设施得到了迅速发展。例如,中国成为世界上首个装机容量超过3000万千瓦的国家,并在2015年底实现了4300万千瓦的目标。此外,澳大利亚的太阳能光伏发电能力在2010年至2015年之间从13万千瓦增长到了470万千瓦,年增长率达到96%。除了这些可再生能源,通过结合其他辅助技术,如电动车、高效LED照明、地热采暖和制冷等,我们可能更接近实现碳平衡的目标。许多指标表明,基础设施的发展过程可以加速。对于电力系统,只有能源需要更新;电网则需要改变管理方式,而不需要重建。此外,欠发达国家可能通过利用可再生能源技术直接跨越整个旧基础设施的阶段,向可持续发展迈进。自2000年以来,移动电话网络已经在许多发展中国家得到普及,这些国家没有铺设昂贵且脆弱的固定通信线路。而在电力领域,使用太阳能电池板和小型风机为建筑物、农村和临时安置点提供电力,已经成为许多发展中国家的普遍选择,因为这些设施可以任意安装,而且无需长距离输电线。然而,在发达国家中,转向使用可再生能源的过渡可能需要更长的时间,因为设备、专业技术、教育、金融、法律、生活方式以及其他社会文化制度都支持并依赖基于化石燃料的能源基础设施,需要进行大量的适应性改变。对于一些产业,例如大型煤矿和石油公司,这种改变可能会带来巨大的挑战。在能源转型中,化石燃料工业——包括煤炭、石油和天然气工业——将面临巨大的挑战和转变。这些历史性的承诺会遭遇强大的阻力,就像我们如今在美国所见到的一样。然而,面对珍贵的地球资源稀缺、气候变化和生态平衡的问题,推行脱碳的过程显然是必不可少的。 除了能源基础设施的问题,脱碳还必须解决许多艰巨的技术难题。例如,在老旧建筑上增加隔热层、提高燃油经济性和安装更多的高效电气装置等方式可以有效减少碳排放量,但这些方式已经没有办法激发人们的热情,因此很难进行广泛推广。此外,现在和可预见的未来都没有哪种能源是真正的“零碳”的。开采原材料和运输成品时仍需要使用驱动化石燃料的设备,如太阳能电池板或风力涡轮机等可再生能源系统生产的成品。这些都是棘手的问题,需要采取切实可行的解决方案。本来,电力是一种非常灵活的能源形式,但是如何储存电力仍然是个未解决的难题。目前最好的电池技术需要使用相对稀有的元素——锂。尽管相关的研究很多,电池仍然昂贵且沉重,而充电需要耗费很长时间。另外,稀土元素非常稀有,目前只有少数几个地方有生产,但它们对于风力发电机和其他可再生能源技术至关重要。这不可避免地带来了未来供应的隐忧。最后,在许多场合下,石油、煤和天然气的燃烧仍然是最便宜和简便的供电方式。例如,大多数运输方式(如跨洋船、空运和长途货运)很难转变为使用可再生能源。生物燃料可以减少这些运输方式的碳排放量,但是栽培用于生物燃料的植物会与粮食作物或野生环境争夺土地。这是一个很棘手的问题,需要寻找可行的解决方案。从整体上看,完全使用可再生资源来满足全球能源需求的最终目标依然是可以实现的。最近重要的一项研究发现,只要能源价格不高于现有能源系统的价格,所有的能源需求都可以轻松地通过风能、水能和太阳能来满足。但是,加速脱碳的过程不可能仅依靠技术创新来实现,因为基础设施不仅仅是一个技术系统,还代表了一个复杂网络,由经济、社会和文化因素交织而成,每个组成部分都有着深厚的历史和忠实的支持者。因此,任何重大的变化都将导致实质性的文化转变和斗争。从文化方面来看,动员人们加速变革的口号可能是“能源自治”。这个概念指的是人们可以在家中或其他场所以小型化方式自产自用自己的能源,从而激发变革的加速。新的建筑技术和负担得起的太阳能电池板价格,已经使得在普通人的经济范围内出现了“零耗能”房屋,即房屋可以自给自足地生产能源来满足居民的能源需求。这些房屋是德国宏大的能源转型计划的一部分,更具体地说,是该计划中偏离化石燃料的能源转型计划的一个组成部分。

从基础设施的历史来看,当新技术从大型公司和政府机构扩散到个人和中小企业时,起飞时期的发展过程通常会加速。电力在20世纪早期的发展和互联网在20世纪90年代的发展都是典型例子。

在澳大利亚昆士兰州,目前已有超过20%的家庭通过自己发电来满足自家的能源需求。这个例子表明一种可能性,即屋顶太阳能在成为新的社会规范时,已经在一些地方达到“关键点”。事实上,最近的一项研究发现,衡量屋主是否会安装太阳能板的最佳依据是他的邻居是否已经安装了它们。很多不同的政策措施可以帮助减少能源消耗,并增加可再生能源在能源结构上的占比。

可以通过调整建筑法规,要求每户家庭都安装屋顶太阳能电池板,或将建筑标准提高到LEED(美国能源与环境设计先锋奖)“绿色建筑”的标准。逐步增加烟尘排放税或限制排放上限(在某些国家已经存在)将在激励创新的同时,减少化石燃料的消耗并促进可再生能源的使用。

在美国,至少取消对化石燃料补贴的政策在减少碳排放方面比征收碳排放税更容易实施,而两者的成本却相近。

奥巴马政府的清洁能源计划要求燃煤发电厂减少碳排放,并鼓励更多的可再生能源的使用。

这些措施面临着多种难题,因为提高建筑标准和排放税必然会增加投资成本,而政策制定需要平衡各方利益。在此基础上,政策制定者需要寻求创新的方式激励能源转型,同时也需要尽可能地避免影响经济增长。放量是一种有前途的政策,它逐步实施,让电力公司有足够的时间来调整,也给仍未成熟的碳捕获和存储系统时间来发展。美国环保局估计,这项计划将在应对气候变化方面产生200亿美元的效益,对国民健康的收益折合为140~340亿美元,同时能够减少开支。

由于温室气体的来源多种多样,包括农业、畜牧业、制冷剂和森林砍伐等领域,全球经济要想实现脱碳,需要进行大量的工作,甚至比过渡到可再生能源还要更为艰巨。

本文仅强调了这个难题的某一方面,基础设施的前景可以帮助我们思考这些问题。

基础设施的历史告诉我们,脱碳的进程不会像我们期望的那样快速。但同时也告诉我们有许多方法可以加速这个进程,而当达到临界点时,这个进程会变得非常迅速。

因此,必须制定出明确的计划和政策来促进可再生能源和环保技术的发展,从而实现全球脱碳的目标。这需要政府、企业和公众的共同努力和合作。我们必须抓住现在,尝试让未来变得更加温暖、更为繁荣、更为可持续。