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    平心而论 | 碳中和要有策略 有顺序

    | 超级管理员    阅读: 发稿时间:2021/2/3 16:41:04

    平心而论 | 碳中和要有策略 有顺序

    原创 韩晓平 中能网 1月18日


    2020年9月22日,中国对世界宣布:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”

    主席一声令下,各行业、各地方和各个企业都开始考虑自己如何碳达峰,如何碳中和,并调整或重新制定自己的发展规划。大家都动起来了,这是好事,但碳达峰、碳中和一定要有一个章法,要有策略,要科学地循序渐进,要与技术发展和经济发展的节奏相适应。

    有策略

    碳达峰和碳中和要有步骤地推进,要按照中国经济与能源技术的发展循序渐进。先做什么,后做什么;什么能源先退,什么后退,什么能源不一定退;什么技术先退,什么后退,什么技术要留下迭代更新的空间?需要有一个总的策略。不能一股脑地搞齐头并进,一时激动乱了步伐。就顺序而言,首先应该是节能,提高能效;然后是高碳向低碳,有顺退出。

    事情不能极端,也不能迟迟无所作为。极端了阻力就大了,不作为,将问题留到最后,会失去低碳发展的主动权。

    “碳中和”不是“净零排放”,也不是“气候中性”。三者之间根据IPCC的定义,是存在区别的。

    碳中和:当一个组织在一年内的二氧化碳(CO2)排放通过二氧化碳去除技术应用达到平衡,就是碳中和或净零二氧化碳排放。

    净零排放:当一个组织的一年内所有温室气体(CO2-e,以二氧化碳当量衡量)排放量与温室气体清除量达到平衡时,就是净零温室气体排放。

    气候中立:当一个组织的活动对气候系统没有产生净影响时,就是气候中立。在气候中立的定义中,还必须考虑区域或局部的地球物理效应。

    这之间区别在于哪里?“碳中和”的目标只与二氧化碳排放有关;而“净零排放”的目标包括所有温室气体;“气候中性”的目标还要考虑其他地球物理效应的影响。

    “碳中和”是我们通过植树造林等碳汇手段将人为排放的二氧化碳吸附达到平衡即可;而“净零排放”需要我们将所有的温室气体清除达到平衡,这也包括自然界循环本身的温室气体排放量。比如植树造林落叶腐烂过程所产生的温室气体,绿化后动物吃草拉出粪便形成的温室气体等;“气候中性”将范围进一步扩大,延伸到可能造成的地球物理效应对环境直接或潜在影响。

    这可能导致的结果是碳汇能否核减排放量,将直接关系到我们能否保留部分清洁高效的化石能源,用以保障我们的能源电力系统安全可靠运行。中国和各国一样,将承诺的范围局限在“碳中和”,但是一些气候专家和热心人士通常喜欢混淆这些概念的范围,在我们制定策略时扩大了我们的责任范围。

    2020年10月28日在《自然》期刊上英国爱丁堡大学保罗•帕尔默教授等发表的文章说,研究人员基于实地考察和卫星观测,分析出中国两个区域的新造树林吸收二氧化碳规模被低估了。中国西南部的云南、贵州和广西三地以及东北的黑龙江和吉林,在过去10至15年间,省级森林面积平均每年增加4万至44万公顷,这些森林碳汇量规模令人惊讶。

    《中国绿色时报》刊文说“1公顷森林每天可以吸收1005公斤二氧化碳”。森林每蓄积1立方米,平均吸收1.83吨二氧化碳,释放1.62吨氧气。IPCC估算,陆地生态系统2.48万亿吨碳储量中有1.15万亿吨贮存在森林生态系统中。根据2018年第九次全国森林资源清查结果,我国森林面积 2.2 亿公顷,森林覆盖率22.96%,森林蓄积175.6亿立方米。森林植被总生物量188.02亿吨,总碳储量 91.86亿吨。而十年前在2008年,第七次森林资源清查,中国森林植被储碳总量78.11亿吨,森林蓄积151.37亿立方米。

    十年净增储碳13.75亿吨,如果换算到二氧化碳等于50.42亿吨,平均每年5亿吨。随着全球气候变暖,水汽循环量加大,降水量的增加,以及政府有利地驱动,中国正在被快速绿化。原来寸草不生的地方长出了草,原来只能长草的地方长出了树,原来小树稀拉的地方正在变为茂密的树林,中国森林碳积蓄能力在持续不断地加强。而国土绿化面积的扩展,有效降低的地表温度,促成降水量的进一步增加,土壤含蓄能力的同步增强,植被固碳能力也进一步提升。中国的生态正在步入一个良性循环,碳汇量呈迅速稳定增长,且容量空间极大。

    讨论这个问题的目的是什么?如果是“碳中和”,我们可以继续科学合理地利用这5亿吨碳汇。那么5亿吨二氧化碳能干什么?如果用目前最先进的燃煤火电技术发电,效率50%,可发7649亿度电;而采用目前最先进的天然气联合循环技术发电,效率65%,可以得到近2万亿度电,相当于可以继续利用3083亿立方米的天然气,其中一部分还可以通过生物质技术生产。

    中国握有这近2万亿度清洁、可靠、高效的电能,就可以稳步推进碳中和,确保电网承载更多的不稳定、不确定的可再生能源,电网也可以非常从容、安全地向高比例可再生能源的转型。碳中和的目标实现之后,我们再根据当时的技术经济发展情况,决定什么时间再进一步实现“净零排放”。但现在千万不要把步骤混淆,把自己的步伐搞乱。

    万度电

    随着中国经济社会的持续进步,特别是要实现“碳中和”的目标,中国将全面进入新型电气化社会,几乎所有能源生产都将集中向电能,所有的终端能源消费也全部依靠电能。根据国家电网的预测届时将达到人均1万度电,甚至更多。人均1万度电,可以说是我们实行碳中和的必备条件。

    人均1万度电并非天方夜谭,美国现在就是人均将近1.35万度。气候比较温和的德国,也是很多专家给我们树立的应对气候变化的典范,人均消耗7378度电。德国另外还人均消耗1068方天然气,如果按热值核算,这又相当于10432度电。而目前中国人均消费的天然气228方,不到德国的21%,人均电力5350度电,是德国的72.5%。像中国这样一个全球化和全域化的制造业国家,如果进入全电能社会,再怎么节约用电,人均1万度是个底线。

    日本为应对碳中和,将积极推进工业、交通和家庭的再电气化。日本目前人均电量8160度,日本政府预计到2050年碳中和,电力需求将增加30%-50%,也就是超过1万至1.2万度。日本计划其中50%-60%的电力来自可再生能源,10%将由氢和氨提供,30%-40%的电力由核电和配有CCS的火电保障。来自可再生能源的电力,绝大部分将来自太阳能的分布式发电。

    未来电力系统中最主要的一部分电力将来自光伏,而且是分布式光伏。光伏发电是采用电力电子技术,要通过电子变频控制技术,通过直流—交流变频,跟踪电网的相序、频率、电压巨额相位。这种发电方式的稳定供电需要电网提供更加坚强的稳定性,电网维持稳定性要有分布均匀合理的转动惯量,提供惯性动能的质量支撑。不仅仅是光伏,风电、储能电池、电动汽车的V2G、燃料电池都需要电网转动惯量的支撑。

    同时在电力需求侧也有大量的电力电子的变频控制的用电设备,同样需要电网强有力的转动惯量的支撑。所以电网必须保留足够的旋转发电技术,而且要分布在电网各负荷中心。电网惯性不足不仅带来电能质量低下,而且安全性矛盾会更加严峻。

    燃气发电在对电网提供转动惯量的稳定性、持续期和可调节性优势是非常明显的,而且相对成本更低,更加灵活可靠。但是,现在有很多人要坚持电力系统的绝对零排放,显然这一目标是值得商榷的。

    电网的安全运行需要调峰、频率控制、可靠性旋转备用、无功支撑、黑启动、稳定性控制等辅助服务,而没有这些辅助服务能力,电网根本就无法安全运行。由于中国的水电主要集中在西南,而且存在丰水期和枯水期矛盾,难以承担如此巨大电网的辅助服务,而抽水蓄能电站平均每天只能运行6-7小时左右,只能部分承担电网的辅助服务。所以,燃气发电是最好的辅助服务手段。如果因为我们一时兴起将天然气也不加区别地纳入与煤电同步的退出序列,我们的碳中和可能真成了空头支票。

    有顺序

    在碳中和过程中,不能搞齐头并进,一定要有顺序,什么能源该优先退出,什么能源应该缓步,大家心里要有个数。在自然界中,人类通过化学反应能够获得能量的主要是碳和氢,碳和氧反应生成二氧化碳,氢和氧反应生成水,反应的过程释放能量。煤炭的典型分子式:C135H96O9NS,碳多氢少,能量低排放多;天然气:CH4,氢多碳少,能量高排放少;石油:C5H12到C36H74,居于中间。

    就减排的顺序而言,自然应该是碳排放多的先减,碳排放少的后减,煤炭的退出理所当然应是首当其冲。根据国家统计公报,2019年中国自产煤39.7亿吨,同比增长4.0%;进口煤炭29967.4万吨,同比增长6.3%;出口6.3万吨,可以忽略不计。而当年全球煤炭产量81.29亿吨,中国消费了52.53%,这是造成中国全球温室气体排放量巨大,占全球18.46%的人口,排放了28.76%的二氧化碳。

    实现碳达峰、碳中和目标的第一步必然是严控煤炭增长,而且要从现在开始,甚至要通过减少煤炭将排放空间腾出给更加低碳高效的天然气,为大规模可再生能源和电气化社会搭起桥梁。二氧化碳排放存在巨大的惯性问题,这种惯性来自于能源系统,也来自于生产生活方式。因为能源是一个长周期的投资、建设、运营的过程,煤矿、运煤铁路、火电厂、输电设施以及码头等的服役周期都超过30年。而从它们建成到达产就要有好几年。能源系统构建了,能源市场建立了,能源消费习惯养成了,要想改变也需要一个漫长艰难的过程。我们必须意识到这种惯性巨大的动能,以及所产生的长周期影响。

    在煤炭的退出过程中,也要有一个顺序。我们要尽快推进散煤燃烧和中小燃煤锅炉的退出,无论怎么说这些应用都应该优先退出,应成为“十四五”的工作重点,甚至留出排放空间建设一些高效燃煤火电。我们现在先进的燃煤火电技术的发电效率几乎达到50%,如果我们采用空气能热风空调采暖,在今年北京最冷-20℃,COP可以达到2.15,也就是1大卡煤炭发电再制热可以转化超过1个大卡热能,而中小型燃煤锅炉供热只能转化60%左右的热能。如果温度升到-12℃,COP就升至2.3;若是再升至7℃,COP会达到3.75,整个采暖季的系统效率要比直接燃煤高得多,各种污染物的排放也低得多,而且为未来新型电气化奠定更高效的能源系统。

    在整个能源结构转型的过程中,我们要通过技术、政策、市场、税收和舆论等多种手段逐步对高碳能源形成挤出效应。我们比西方国家更有利的是我们还有较多的行政手段配合目标的实现。这是一个优势也是一个风险,因为并不是所有地方的行政部门对于碳达峰和碳中和的步骤认识会达到同一个水平。

    能源需求会受到外部影响出现很强的波动性,比如气候、市场、生产方式、消费习惯的变化等等。今年冬季非常寒冷,随着全球气候变暖,大家以为冬天会越来越暖和,但由于大气层水汽循环量的变化,反而造成夏天更热,冬天更冷,而且湿度也增加,至少导致南方一些省区能源电力供应的紧张。所以,气候学家们说全球变暖带来气候变化,极端气象频发。而这就会导致能源需求和碳排放的波动性,造成我们兑现承诺的外部不确定性。

    中国是一个制造业大国,中国的产品供应着全世界,世界市场的变化也会直接影响中国的碳达峰和碳中和的进程。这次疫情导致很多国家的生产企业陷入困局,到2020年四季度大量订单开始转给中国企业,也是成为今年冬季部分省市能源电力供应紧张的原因,随着中国对外开放力度不断加大,能源需求的波动性会被进一步放大。低碳化是我们向国际社会承担的责任,贸易自由化便利化也是我们要承担的责任。

    过去我们一直认为产业会随着中国劳动力成本的增加出现梯度外移。但这几年,随着智能化生产技术全面展开,劳动力低成本优势正在被逐步抵消。智能制造的残次品率低,生产效率高,正在彻底改变人们的观点。发展智能制造也使人们担心制造业会回流欧美,但根据这几年的观察,有限的回流并没有改变中国作为全球制造业中心的地位,反而在不断加强。这是因为中国拥有一个超过OECD国家人口的更巨大的新兴市场,任何一个产品如果再加上中国市场才具有全球真正的竞争力。况且中国对于这些智能生产线建设部署的速度无与伦比,上海特斯拉超级工厂就是一个典型的范例。当年开建、当年完工、当年投产,2019年完成一期,2020年完成二期,现在又开始三期扩建。而这背后需要更多的高效低碳的能源的支撑。

    中国改变了很多产业的发展逻辑,这使中国的能源需求与世界市场具有更大的联动性。中国签署RCEP后,这就需要我们能源结构转型要与我们的经济发展和世界市场的联系具有更大的协同性。如果我们没有一个全局化的部署,不分能源种类,不分能源利用方式,不考虑能源利用效率,也不考虑企业与市场的适应性,没有顺序横竖不吝地到处搞一刀切,不仅搞乱了世界经济秩序,也会影响我们第二个百年大目标的实现。

    油先退

    尽管我们说:碳先退,低碳后退,无碳不退。但是,由于全球技术进步因素以及地缘政治和国际关系因素,会使含碳量居中的石油更快地退出中国的能源燃料体系。

    欧洲主要的汽车制造企业纷纷提出将在10至15年后,淘汰燃油汽车,沃尔沃宣布将在2025年停售燃油车,日产也宣布计划在2025年后停售旗下燃油车型,并将研发与销售方向转向纯电动与混合动力车型。一些欧洲国家相继表示在2025至2035年淘汰燃油汽车,我国的海南省也在去年宣布将在2030年全面淘汰燃油车。

    中国新能源汽车保有量达492万辆,几近达到“十三五”500万辆的目标。产销量连续5年位居世界第一,成为全球拥有电动汽车最多的国家。由于中国的努力,促进了电动汽车和储能电池等技术的发展,使一些困扰电动车的技术和应用障碍逐渐得以克服。使电动汽车越来越接近于传统燃油车的适用性。不仅在乘用电动车方面,在市政车辆、公共交通、轻型卡车,甚至重载卡车和工程机械方面电动车辆都发展出了替代性产品,为燃油车辆的退出基本奠定了基础。

    虽然,电动车在低温适用性方面还存在一些需要提升的空间,但对我国超过80%人口居住的区域都已经具有适用性。从”十四五”开始将进入一个全面的替代时期,正如王传福所言:“电动汽车全面替代燃油车的时机已经成熟”。专家保守预测,到2035年中国新能源车的保有量将达到1.6亿辆,其中90%以上是电动汽车。

    就在一年前,大家还普遍认为重载卡车将无法被电动替代,但最近出现的换电式模式开始改变我们的认识。国家电投和宁德时代等企业发展了一种电池可快速更换的卡车,3分钟就可以在自动换电站更换电池,一次更换电池能够行驶150-170公里,基本可以满足短途定点运输的要求,而且也被市场接受。宁德时代采用的是传统的磷酸铁锂电池,能量密度大约在170-180Wh/kg,而现在蔚来汽车即将装车的固态电池的能量密度将翻一番,达到350Wh/kg。固态电池能量密度、安全性、充电速度和低温性能都有很大提升,如果这样的电池大规模替换传统技术,换电卡车的行驶里程将翻番达到300公里,基本可以满足长途运输、大型工程车辆和大型农业机械的需求,会形成汽油、柴油同步退出的格局。

    在所有能源系统中,燃油退出的技术准备是最充分的,这是因为燃油退出是全球性问题,全世界都在积极想办法,有大量的创新资本长期投入在相关领域,市场竞争最充分,资本投入最密集,创新主体最多元。其主要原因是最核心的电池和电力驱动技术不在传统大企业的垄断之下,电池的突破性进展主要来自信息技术发展的联动效应,是一个从边际实现颠覆的典型案例。

    风电、光伏、储能、电力电子等技术都具备这样的特性,成为能源行业实现碳中和的一个个改变游戏规则的突破口,形成强有力的推进力。中央向世界承诺碳达峰和碳中和的目标,背后是对相关技术进步的研判,可以说绝大部分实现低碳发展的技术都已经解决,而且随着时间的推移,更多的解决方案还会源源不断展开,只要我们尊重规律,策略科学,顺序合理,我们就可以实现我们对世界的承诺。

    (作者:韩晓平)

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