专家演讲 | 贺克斌:碳中和与绿色高质量发展:机遇与挑战

时间:2023-07-27            浏览量:2600            打印


本文根据清华大学碳中和研究院院长,中国工程院院士贺克斌教授在“2023两岸碳中和论坛”上发表的主旨演讲《碳中和与绿色高质量发展:机遇与挑战》内容整理,以飨读者。



我们为什么关注碳中和?

碳中和已经引起全球高度关注,在未来几十年里,无论从事什么行业,都会直接或间接与碳中和有关。截至去年年底,全世界已经承诺碳中和的国家和地区,已经覆盖全球超过80%的人口、GDP和二氧化碳排放量。

目前我们正在经历高温和极端气候现象,这对经济发展造成了灾害性冲击。根据国家应急管理部统计,2021年经济损失排名前十的自然灾害中,除了两次地震外,其余全部都是极端气候现象。

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最近全球地表以上两米的平均温度突破了历史最高纪录,达到了17.1度。极值不断被突破的趋势是一个预警,将对我们的经济发展产生直接影响。

从全球范围来看,气候变化对粮食安全等方面也带来了威胁。研究表明,如果气候问题继续下去,大宗粮食和其他副食品的产量可能会受到不同程度的削减风险。如果真的出现这种情况,就会有一部分人因为粮食问题饥饿死亡,这是一个非常严峻的威胁。

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碳中和:世界经济将从对能源的资源依赖走向能源的技术依赖

推进应对气候变化行动的重要切入点是气候履约。与此同时,我们正在经历一个产业的颠覆性变革。这对各个经济体来说既有促进经济的作用,也带有竞争的意义。可以说进入碳中和时代,世界经济正在从过去对能源的资源依赖型逐渐转向对能源的技术型依赖。

这意味着两层含义,一是从总量上,我们过去高度依赖化石能源,但未来要实现碳中和,就需要转向以风光能源为代表的可再生非化石能源,实现多能互补。有大量研究表明,现有的化石能源可能在未来50年到200年之间用光枯竭。然而,如果世界经济通过碳中和走向以风光能源为代表的可再生能源,按照国际能源署(IEA)的结论,可再生能源的资源量足够支持我们的需求。另外,可再生能源的特点是循环性,所以它的资源量在很大程度上解决了世界经济面临化石能源枯竭威胁的问题。

二是现有的化石能源在全球的分布是非常不均匀。全球3/4的煤炭、2/3的石油和天然气,集中在全球排名前五的储量国。因此,地缘政治问题和发展不平衡问题都与化石能源分布有直接或间接的关联。相比之下,尽管全球的风光资源分布也不均匀,但不均匀程度与化石能源完全不可比。在世界上找到一个没有化石能源的国家很容易,但却很难找到一个没有风或太阳的国家。因此,风光资源相对均匀程度成为未来一个重要的支撑条件。

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有人说,由于能源形势的改变,任何国家都有机会发展风光能源,但谁能更好、更早地发展,完全取决于谁能率先建立起稳定的、大规模新能源技术体系。所以,未来的约束不在于资源,而在于技术体系的建设。

值得注意的是,全球的头部企业通常宣布碳中和目标年份早于它们所属国家碳中和目标年份,这与技术竞争意识密切相关。

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我们看到碳权经济投资界的分析(包括未来走向和技术走向),不亚于学术单位的分析。最近几年,全球的能源转型投资、绿色债券发行和碳市场交易额,2021年比2022年增加了至少50%,这显示出经济产业竞争推动投资和企业积极性的强烈信号。

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发展中国家:减污降碳协同治理

发展中国家面临着两个问题:一方面是全球减碳的任务,另一方面是自身常规环境问题的解决。因此,发展中国家既有减碳的国际义务,也有国内减污的任务。这是发展中国家共同面临的问题。

以中国主要大气污染物排放量为例,在过去十多年里,我国逐渐走向国际上公认的绿色高质量发展的方向。具体表现为在GDP增长保持较高速度增长的同时,能耗增长幅度合理的情况下,几大污染物排放量逐渐与经济发展脱钩,形成了一个喇叭口曲线。这表明经过十多年的努力,我们已经迈出了绿色高质量发展的第一步。

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大气污染物排放量的下降会带来空气质量明显改善。将过去二十一年时间(2000-2020年)按七年一段分开来看,前七年尽管我们采取末端加尾部治理装备等传统控制措施,在经济快速增长的情况下,只能减缓Pm2.5等颗粒物污染增长速度,但不能扭转增长趋势。中间七年,我们采用传统的末端控制加上总量控制等综合手段,尽管污染浓度仍处于相对高的水平,但稳定在了这个水平。从2013年以来,通过进一步加强质量控制措施,我们取得了非常好的改善效果。以北京为例,在2013年全年平均 Pm2.5 浓度为89,去年下降到了30。

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目前,中国大陆的339个地级以上城市的平均PM2.5浓度已降至29,但根据世卫组织的标准,还需要进一步降低,其驱动力是碳污协同。

未来,中国的碳中和将导致发电结构产生根本性变化,未来非化石能源可能占能源结构的百分之七、八十。这将导致民用、工业和交通等终端用能高度电气化,比如电动汽车替代燃油车等。

如果按照这种趋势继续发展,空气质量将进一步改善。假设以2020年Pm2.5浓度33为基数,按传统方法只是治污,到2060年Pm2.5浓度最多降至25。如果我们2030年碳达峰,那么2060年Pm2.5浓度能降至20。如果我们争取2030年之前实现达峰,比如在2028年,那么在2060年内能将PM2.5浓度降至18。无论是在2030年还是2028年达峰,最终在2060年碳中和时能将PM2.5浓度降至8.4,这已经低于世卫组织在2021年之前设定的最低浓度要求。因此,在实现美丽中国的同时,也会对健康中国目标做出巨大贡献。

碳中和:世界面临三大挑战

挑战1:关键核心技术的创新

实现碳中和至少面临三个方面的挑战。首先是关键核心技术的创新。未来的五大支柱能源技术可以分为四大板块,即:硅能、储能、氢能和智能。目前,硅能技术,也就是光伏与电力电子技术已经相对成熟,但储能(绿电储存)、氢能(绿色氢能)、智能(智慧能源)仍面临着挑战和威胁。

根据国际能源署的报告,虽然未来的风光资源足以支撑实现碳中和,但要实现大规模稳定的使用,技术还不够成熟,差距约为一半。中国科技部的分析显示,中国大陆要实现碳中和目标,需要技术能解决近100亿吨二氧化碳的任务。目前,约1/3的任务已有技术解决,1/3在中试和示范阶段,另外1/3仍处于概念和研发阶段,因此仍需要长足努力。

中国技术和国际上来比较,中国大陆零碳电力能源技术整体成熟度较高,太阳能、风能技术基本与国际水准持平,输配电技术国际领先。而在零碳非电能源技术方面,中国大部分技术仍处于基础研究和中试阶段,除了工业副产氢电等少数技术外,大部分技术与国外有较大差距。

实际上,未来的核心是实现多能互补。以新兴电力系统为例,新型电力系统需要解决许多关键技术问题。传统电网只需要电机系来管理,但现在的关键技术问题远远超出了电机系的能力范围。还涉及化工、建筑、车辆、材料、地球科学、环境科学工程等专业院系。可见,建立这个新型系统是一个交叉学科系统,这也是清华成立碳中和研究院的初衷之一,可以充分发挥清华大学多学科理工协同、文理协同的优势。

挑战2:新能源产业供应链——关键材料

英国石油公司今年出版的《BP世界能源展望》报告对新能源进行了大幅改版,特别强调新能源对关键矿产资源的需求。虽然我们对化石能源资源的依赖降低了,但对关键矿产资源的依赖增加了。比如铜、锂、镍等与光伏和电动车密切相关的资源需求正在快速增加。以光伏为例,如果按照10倍、20倍的增长速度,现有的全球储量远远不够,必须通过新技术和循环利用来解决,否则不可持续。

还有就是电动车的快速发展。上海车展上展出的新车型中,有70%是新能源车型。人们担心在未来两年,比如2025年的上海车展上是否还会有油车的新车型展出。据我了解,在上海车展上,一些国际大型汽车制造厂商的高层专门来考察中国大陆电动车的研发、产业链、新车型等情况。但是电动车的生产需要付出巨大的材料代价,电动车几乎用到周期表中一半的元素,其中用量超过一公斤的就有7种元素,还有4种元素毒性非常大,要解决环境问题。

另外,全球储量也是一个问题。以目前主流的锂电池为例,中国只占有石墨储量的近1/4,其他矿产资源的占比都只在个位数。比如锂电池的主要矿产资源主要集中在智利、澳大利亚和阿根廷,中国大陆仅占7%,排在第四位。因此,在这方面全球合作显得非常重要。

挑战3:全球资源协同

以风光资源为例,过去40年我们对全球40多个经济体的发展进行了研究,观察太阳能和风能在空间和时间上的互补性,分析需要多大规模的储能来实现大规模稳定使用。其结论是国土面积较大的经济体,如中国、美国、俄罗斯、欧盟,在合理的工程经济范围内增加储能,能形成一个稳定的系统。

但是对于国土面积较小的国家,比如英国离开欧盟,韩国离开东亚,即使配备12h长时储能容量的风光互补发电系统仍会有约2000小时的电力供应缺口。所以,未来全球各国之间一定程度的风光资源的分享非常必要,就像中国的七大电网一样,值得共同探讨如何以最小的工程经济代价获得最大的风光资源,以支撑世界经济的发展。

在投资方面,根据IPCC,IIASA的分析,未来全球实现2度温控目标,可能需要有150到170万亿美元不等的总投资。由清华大学解振华主任主持,全国20多个单位共同开展的一项研究表明,到2050年,为了实现碳中和目标,我们需要投资约130万亿元人民币。

最后,还要考虑在碳中和过程中应对全球不同地区的贸易壁垒,如碳边境调节税、气候俱乐部、产业链采购俱乐部等。当然,竞争与合作是并存的,我们最终要通过全球资源共享,实现以工程经济代价的最小化,获得地球村减碳效益最大化的目标。

(本文图片由演讲嘉宾提供)


2023年7月7日,由清华大学两岸发展研究院、清华大学碳中和研究院和台湾21世纪基金会共同主办“2023两岸碳中和论坛”在北京举行。本次论坛以“碳权经济合作与发展”为主题,来自两岸的百余位专家、学者和企业家参会,就推动两岸低碳经济发展、碳权市场建设等议题展开交流讨论。