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诺奖得主公布一张表：如没这些有前景的技术，低碳将绝无可能|读书

百家作者：互联网思想 2022-06-21 22:41:15

诺奖得主威廉·诺德豪斯：

低碳经济的挑战与前景

进入工业革命以来，世界平均气温正在逐步上升，全球变暖已成为了气候变化的共识。对于人类来说，如何遏制或减缓全球变暖，成为了我们人类当前最需思考的问题。气候变化关乎人类未来的生存与发展，气候风险已然成为全球面临的最大风险。

随着气候变化问题的尖锐化，气候治理已成各国提升全球影响力、彰显国际领导力的新杠杆。目前，包括中国在内的110个国家作出到21世纪中叶实现碳中和的重大承诺，以期控制全球温度的上升。一场重塑低碳经济规则的国际竞争已开始。各国为实现碳中和的目标，纷纷进入到应对气候变化和发展低碳经济的快车道，但对新兴绿色低碳产业的行业认定、包括减排在内的各类低碳标准制定、包括碳交易在内的各款绿色规则约定、包括绿色金融在内的各种市场准入门槛等，都面临着新一轮的国际博弈和谈判进程。

诺贝尔经济学奖得主威廉·诺德豪斯在新书《绿色经济学》中指出，低碳经济转型面临着一系列挑战，寻找到有前景的技术能够促进低碳经济发展的巨大机遇。

低碳经济的挑战

让我们从经济脱碳的挑战开始。许多国家气候政策的目标之一是将全球变暖限制在2℃以内。计算结果表明, 为达成这一目标,需要在2050 年左右实现全球二氧化碳和其他温室气体的零净排放,这是一个非常远大的目标。事实上, 近年来, 全球二氧化碳排放量一直在增长, 而不是在下降。当今世界80% 的能源来自化石燃料, 其中大部分用于房屋和发电厂等长期资本。可想而知, 到2050年实现零净排放的挑战会有多大?

故而问题的答案也很简单, 这一目标就是极不可能和不可行的, 除非我们在未来30 年内替换绝大部分的世界资本存量。一些研究对实现上述目标带来的经济影响进行了评估。能源建模论坛的一项重要研究用一系列模型和不同的技术假设考察了实现2℃目标所需的成本。在最乐观和最不乐观的技术假设下, 成本(将损失折现为2010 年的现值) 从40 万亿美元到500 万亿美元不等。6其他研究同样表明, 如果没有全球政策的剧烈变化和极快的技术变革, 2℃的目标是不可能实现的。

有前景的技术

考虑到实现低碳经济所需的巨大转型规模, 哪些低碳能源才是真正有前景的? 这是当今科学家和工程师的一个主要研究领域, 而我们只能进行一些浅尝辄止的讨论。不过, 简单的分析就能说明这一转型的性质。我们可以从美国目前和未来不同发电方式的成本入手。表18. 2 显示了能源信息管理局的估计, 为我们提供了有关美国能源的最好数据。8该表显示了当前和未来技术下, 每1 000 千瓦时电的成本。这三列数字为包含了三种不同碳价(或碳税)的发电成本。第一列显示了美国和大多数国家每吨二氧化碳为0 美元时的发电成本, 这意味着没有气候政策。后两列显示了低碳价和高碳价的影响。较低的是美国政府推荐的价格(每吨二氧化碳40 美元), 而较高的是与积极减排目标相一致的价格(每吨二氧化碳200 美元)。

有三组情形需要考虑:

• 第一组是现有的发电厂。对于这些企业来说, 资本已是沉没成本, 因此唯一的成本就是燃料和其他当期成本。

• 第二组是当前可用的技术。

• 第三组是正在开发的技术。有些技术正在开发进程中(如下文所述的高级联合循环), 而另一些技术则需要经历多年的开发和测试环节(如高级核能)。

• 最后一行显示的是目前的平均发电成本为每1 000 千瓦时41美元。

首先在没有气候政策(碳价为0 美元) 的背景下考虑最划算的现存技术。在目前41 美元的平均成本下, 表18. 2 中所示的四种现存发电技术都是划算的。

在碳价为40 美元时, 在第二组的新电厂和当前技术中, 前三种技术都较为划算, 但由于监管成本的影响, 传统煤炭变得不经济了。其中的主导技术是天然气(传统联合循环) 和陆上风电。事实上, 这些是过去几年中增长最快的能源。

接下来,让我们看最后一列, 它显示了在强有力的气候政策和200 美元碳价下的电力成本。目前, 唯一成熟的低碳技术是可再生风能和太阳能。如果将碳价计算在内, 煤炭和天然气电力的成本是目前成本的3 ~ 5 倍。然而, 可再生能源发电不仅在技术(如负荷曲线) 上有严重缺陷而且其长期供应也有局限。还要注意的是, 用可再生能源发电替换当前的电力结构将是一项无比艰巨的任务, 因为可再生能源发电只占总发电量的一小部分, 2018年, 它仅贡献了总发电量的大约10%。

如果我们着眼于未来的技术, 也许可以考虑以下两项技术:配备碳捕存的天然气联合循环, 以及高级核能。此类技术的发电成本大约是当前发电成本的两倍, 但从理论上讲, 它们可以满足整个经济体的需求。此外, 它们距离大规模使用还有很长的路要走。目前还没有大型发电厂使用配备碳捕存的天然气联合循环技术, 抑或高级核能技术, 因此大规模引进这些技术需要时间。

表18. 2 值得仔细研究, 它仅仅显示了电力这一个行业向零碳经济转型过程中必须克服的主要挑战。主要结论如下: 第一, 未来零碳目标下, 能源成本将远高于今天的生产成本。其次, 为实现零排放, 国家需要替换绝大部分的电力资本存量。再次, 最优的长期解决方案是开发新技术, 但其高昂成本势必会给各国的监管和经济体系带来极大负担。

但终究,我们需要谨慎看待上述所有估计, 因为我们无法预见遥远的未来和诸多领域迅速发展的科学技术。因此, 我们必须为新的可能性做好准备。更重要的是, 我们需要鼓励基础科学和应用科学研究, 并确保市场能为发明家和投资者提供合理的激励, 以促进新低碳技术的发现和引入。接下来, 本文的最后一节便着眼于此, 探讨政府推动低碳创新的政策。

推动低碳创新

大多数关于能源和环境的决策都是由私人企业和消费者根据价格、利润、收入和习惯做出的。主要的能源决策是在市场供求的背景下做出的, 政府只能通过监管、补贴和税收来影响决策。

当我们想到能源和环境决策时, 我们通常会想到新车、新电器, 或者翻新我们的房子和工厂。所有这些都发生在现有的设计和技术下。然而, 正如本节所示, 从长远看, 转向绿色经济还涉及有关新技术和目前未开发技术的关键决策。例如, 快速脱碳要求我们的发电技术发生重大变革, 包括上文提及的碳捕存等全新的技术。

技术变革是如何产生的? 答案是, 通常通过个人的才智和坚持不懈、经济激励、公司结构以及市场需求的复杂互动而产生。例如, 太阳能很好地说明了大多数基础发明的曲折历史。故事始于1839 年, 当时年轻的法国物理学家埃德蒙·贝克勒尔(Edmond Becquerel) 在试验电解电池时偶然发现了光生伏特效应。1905 年, 阿尔伯特·爱因斯坦解释了光电效应背后的物理原理, 并因此获得了诺贝尔奖。

在贝克勒尔的重大发现之后的一个多世纪, 光伏电池才得到了它的第一次重要实际应用。贝尔电话实验室的科学家在20 世纪50 年代中期研发了太阳能电池, 多国政府也参与其中, 因为它们意识到太阳能在太空卫星和偏远地区的应用潜力。自那以后, 太阳能技术蓬勃发展, 应用于太空卫星、房屋上的小型太阳能板和大型太阳能发电厂。到2020 年, 太阳能的效率(单位太阳能的照明能量)从第一批太阳能电池的4% 提高到目前最佳应用的47% 。自第一批太阳能电池问世以来, 其成本已大幅下降。图18. 5 显示了光伏组件的价格变动趋势, 自1976 年以来, 光伏组件的价格以每年10% 的速度下降。回顾表18. 2 的内容, 在碳价适中的情况下, 太阳能光伏发电可同当今最划算的燃料发电竞争。

让我们回到绿色创新的双重外部性问题。低碳技术的投资受到抑制, 是因为创新的私人回报低于社会回报; 由于碳的市场价格低于其真正的社会成本, 私人回报进一步受到抑制。

我们对低碳技术的讨论表明, 低碳或零碳世界将需要碳捕存等新技术。碳捕存到底是什么? 下面的描述基于麻省理工学院工程师和经济学家团队的一项严谨研究。基本思想很简单。碳捕存是指在化石燃料燃烧时捕获其排放的二氧化碳, 然后将其运输并储存在某个地方, 在那里保留数百年, 因此这些二氧化碳不会进入大气。

我们以煤炭为例, 因为煤炭是存量最多的化石燃料, 也是需要大规模使用碳捕存的主要候选能源。工程师们认为, 相比美国目前的天然气价格, 使用配备碳捕存的天然气成本会更低, 不过煤炭的基本原理与天然气相似。

我们可以将煤假设为纯碳, 从而可将基本过程表示为化学反应:

碳+ 氧气→作为热量的能量+ 二氧化碳

因此,化石燃料燃烧得到了合意的产出(可用于发电的热量) 和不合意的副产品二氧化碳。

关键便是在二氧化碳分子进入大气之前将其捕获。目前, 二氧化碳分离技术已在石油和天然气田中投入使用。然而, 现有技术只能小规模操作, 尚不足以应用于大型燃煤发电厂。一种有前景的技术是配备碳捕存的集成气化联合循环(IGCC)。这一过程将从煤粉开始, 将其气化生成氢气和一氧化碳, 然后使一氧化碳反应生成高浓度的二氧化碳和氢气, 用溶剂分离二氧化碳, 将之压缩, 然后运输到指定地点储存。这些流程看起来十分烦琐, 的确如此, 但它们并不比目前使用的煤炭发电技术复杂多少。

碳捕存的主要问题是成本和存储。碳捕存对电力成本的影响如表18. 2 中最后一组技术所示。引入碳捕存后, 高级联合循环的成本增加了63% (从每1 000 千瓦时41 美元增加到68 美元)。

二氧化碳捕获是整个碳捕存过程中成本高昂的部分, 但运输和储存可能更具争议性。一个问题是储存介质的规模, 最合适的储存地点是地下多孔岩层, 如枯竭的石油和天然气田。另一个问题是泄漏的风险, 这不仅会降低项目的价值(因为二氧化碳会进入大气), 还会对健康和安全形成威胁, 我个人认为, 最好的选择是在深海中使用重力储存, 如果比水重的二氧化碳沉积在深海, 则会在那里停留好几个世纪。

目前,碳捕存的大规模使用尚面临许多障碍。要做出实质性的贡献, 每年需要捕存数百亿吨二氧化碳, 但目前每年仅捕存2 500 万吨。这意味着需要将现在的规模扩大近1 000 倍。此外, 关于地下储存性能的数据不足, 需要丰富的经验来确保科学性和公众的可接受性, 否则, 人们会持续为捕存的二氧化碳喷发造成的巨大、不可预见的损害而担惊受怕。

与其他许多大规模和资本密集型技术类似, 碳捕存似乎也陷入了一种恶性循环。由于一些强化因素(reinforcing factors) 的恶性循环, 企业不会大规模投资碳捕存。它有财务上的风险, 公众接受度低, 大规模使用不仅面临巨大的监管障碍, 且缺乏经验。打破这一恶性循环是公共政策面临的重大困境, 这一点与其他新的大规模能源系统无异。

这里的关键点是外部性的价格对创新激励的影响。假设目前可以按每吨100 美元的成本消除二氧化碳。如果二氧化碳的价格为零, 那么工厂就会赔钱。如果知道二氧化碳的价格将永远为零, 任何利润驱动型企业都不会对消除二氧化碳进行投资。

然而,假设一家企业认为, 全球将实施一项雄心勃勃的应对气候变暖的政策,如表18. 2 最后一列所示, 在这项政策中, 碳价将在几年内上升到每吨200 美元。按照这个价格, 企业估计投资碳捕存将是有利可图的。该企业将以每吨100 美元的成本捕存二氧化碳, 却可以以每吨200 美元的价格出售给政府。企业会谨慎行事, 考虑不同的方法, 但它们会有经济理由投资这项技术。同样的逻辑也适用于太阳能、风能、地热和核能的投资。事实上,同样的观点可更广泛地适用于各类绿色创新。

本文得出两个主要结论。第一, 当今面临的许多绿色挑战都呼吁深刻的技术变革, 无论是科学、工程还是制度层面的。我们在讨论电力行业零碳发展的潜在技术时看到了这一点, 在这一领域, 亟待大规模应用的技术尚待开发。

第二,实现绿色目标的进程取决于利润驱动型企业的创新行为, 而这反过来要求对企业提供适当的激励, 使其创新活动有利可图。这可以通过确保主要外部性的内部化来实现, 比如为污染定价。例如, 碳价必须高到使低碳技术投资能够获得切实可靠的财务回报。没有高碳价, 创新者和企业没有动力投资低碳技术。因此, 对外部性的补救措施可以进一步推动未来绿色新技术的发展。

我们可以把这些观点放在更广泛的情境中。美国可能拥有最优秀的气候科学家, 他们能开发出最有技术含量的气候变化预测模型; 它可能也拥有最顶尖的材料科学家, 他们可以在二氧化碳产生过程中的各个环节高效地作业; 它还可能拥有最聪明的金融奇才,他们可以开发出新的金融衍生品为所有这些投资提供资金……但是, 如果碳价为零, 那些前途光明但成本高昂的低碳技术项目将在进入一家利润驱动型企业的董事会讨论之前便已夭折。