向低碳能源系统过渡我们的步伐能有多快

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措施合理的话,我们可以提高向低碳经济转变的速度。

在纽约长岛的太阳能电厂,这是迈向使用低碳能源基础设施的一步。(图片来源:brookhavenlab/flickr, CC BY-NC)

2005年11月底,世界各国齐聚刚受创的巴黎,一同敲定减缓全球气候变暖的承诺。任何一个长远的解决方案都需要为全球能源系统“脱碳”——即过渡到极少使用或者不用化石燃料的能源。

这样转型过程速度能有多快?我们又可以做些什么来加快这种过渡?回顾其他基础设施的历史也许可以为我们提供一些线索。

能源基础设施

“脱碳”是人类有史以来遇到的最大的有关基础设施的问题。这个问题不仅关系到能源生产,还涉及到交通、照明、供热、制冷、烹饪以及其他基本的系统和服务。世界上化石燃料基础设施不但包括油气井、煤矿、巨型油轮、油气管道和炼油厂,还包括了数百万的移动电话、加油站、油罐车、储气库、发电站、矿车、供暖系统、炉灶和烤箱。

对美国来说,所有这些基础设施的总价值大约是10万亿美元,约占国内生产总值的三分之二。规模如此巨大,造价如此昂贵,是不可能在一年或者几年内完全完成更新的。这个过程将会花上几十年。

然而好消息是,事实上所有的基础设施的使用寿命都是有限的。2010年的一项研究提出问题:“如果不对现有的能源基础设施进行更新,而是等到它们使用寿命自然终结,又会是怎么样的情况?”

答案令人吃惊:如果把每个寿命到了的燃煤电站都更换成太阳能、风能或者水能电站,每一辆报废的汽车用电动车代替,依此类推,我们能恰好保持不跨过行星安全线。

根据该项研究,如果继续使用现存的基础设施直至其寿命到期,并不会加快让全球升温2摄氏度(这一温度被许多科学家认为是可接受的气候变化的上限)的进程。

当然,问题是我们并未开始行动。相反,我们在更多同样的基础设施来替换那些到期的,而且还在开掘更多的矿井,建造更多建筑时。但这种现状是可以改变的。

从起飞到增建:30~100年的时间线

本人还有基础设施历史学家观察到了一个典型的模式。一个缓慢创新的阶段后会出现一个“起飞”阶段,在此期间,新的技术系统迅速建立起来并被整个领域采用,直到基础设施稳定在“增建”阶段。

这个时间模式在不同基础设施的发展过程中惊人地类似。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30~100年。而广播、电话、电视和网络的起飞阶段则可以持续30~50年。

基础设施的历史暗示可再生电力生产的“起飞”阶段已经开始,并且进展十分迅速,尤其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设速度比采用其他能源的电站都要快,2009-2014年间,它们在全球的年增长率分别为50%和18%。这些能源都可以利用现有的基础设施,将电力注入到电网中(尽管管理人员需要用负载均衡技术来处理这类能源不稳定的发电功率)。但是风能和太阳能同样可以给独户、农场和偏远地区提供“离网”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,已经做出了使用可再生能源的承诺。

德国目前使用的电力有25%是来自可再生能源,使全国的总碳排放量减少了25%(与1990年相比)。中国目前的太阳能发电量已经是世界上第一,2014年装机容量超过了3000万千瓦,在2015年底达到4300万千瓦的目标。在2010年和2015年之间,澳大利亚太阳能光伏的发电能力从13万千瓦增长到了470万千瓦,年增长率达到96%。

与其他辅助的技术,例如电动车、高效LED(发光二极管)照明、地热采暖和制冷相结合,上述转变可能让我们更接近碳平衡的目标。

基础设施30~100年的发展过程是否可以加速?一些指标表明了答案是肯定的。

首先,对于电力系统来说,只有能源需要更新;电网——电线杆、电线和其他传输电力的装置——需要改变管理方式,但并不用从头开始重建。其次,欠发达国家可能通过利用可再生能源技术来“跃过”整个旧基础设施的阶段。

类似的事情在不久前曾经发生过。比方说,自2000年以后,移动电话网络已经在大部分发展中国家普及——这些国家没有铺设缓慢、昂贵且脆弱的固定通信线路,其中一些将永远不会在主要城市外铺设这类线路。

在电力领域,与此类似的是用太阳能电池板和小型风机为建筑物、农村、临时安置点等输送电力,这些设施可以在任何地方安装且不需要长距离的输电线。这在发展中国家也已经被广泛地应用。

然而在发达国家,过渡到使用可再生能源的阶段可能要花更长久的时间。因为在这些地方,不仅仅是设备,还有专业技术、教育、金融、法律、生活方式和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。所有的这些都得适应改变。

某些产业——特别是大型的煤矿、石油和天然气工业——在这个转变中会失去很多东西。这些历史性的承诺会遭遇强大的阻力,就如同我们今天在美国所见到的一般。

棘手问题颇多,包括来自化石燃料的竞争

能源基础设施的问题当然不是仅有的挑战。实际上,脱碳的过程也会遭遇许多艰巨的技术难题。

为老建筑增加隔热层、提高燃油经济性和安装更多的高效电气装置是目前效益最高的减少碳排放量的方式,但是这些方式已经无法激发人们的热情,因此很难宣传推广。

现在以及可预见的未来,还没有哪种能源是真正“零碳”的,开采原材料和运输成品时仍在使用化石燃料驱动的设备用,这些成品包括太阳能电池板或者是风力涡轮机等可再生能源系统。

电力是非常灵活的能源形式,但是如何储存它仍然是个悬而未决的难题;当今最好的电池技术需要锂这个相对稀有的元素。尽管相关的研究很多,电池仍然昂贵且沉重,充电过程也很耗时。

稀土元素非常稀有,目前仅有少数几个地方出产,而它们对于风力发电机和其他可再生能源技术非常重要,这不可避免地给未来的供应带来了隐忧。

最后,在许多场合下,燃烧石油、煤和天然气还是会成为最简易和便宜的供电方式。

举个例子,大部分的运输方式比如跨船运、空运和长途货运都很难改为利用可再生能源。生物燃料可以帮助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。

原则上来看,完全使用可再生资源来满足全世界能源需求的最终目标仍然是可实现的。最近的一项重要研究发现所有的能源需求可以毫无困难地通过风能、水能和太阳能来满足,只要销售价格不比现在的能源系统高。

基础设施也是一种社会责任

加速脱碳的过程不可能简单地通过技术的革新来实现,因为基础设施并不只是技术系统。它们代表了由相辅相成的金融、社会和形成的复杂网络,而每一个组成部分又都有悠久的历史和忠实的支持者。由于这个原因,重大的变化会造成实质性的文化转变和斗争。

从文化方面来看,可能激发变革加速的口号是“能源”:这个概念可以解释们可以并且应当在家里或者其他地方,小规模地生产他们自己的能源。

新的建筑技术和太阳能电池板的低廉价格已经为我们带来了在普通人经济能力所能承受范围内的“零耗能”房屋(房屋自身生产的能量与居民消耗的能量近乎一致)。这些房屋是德国野心勃勃的能量转型计划的一部分,或者,更具体地说是它远离化石燃料的能源转型计划的一部分。

从基础设施的历史看,在新技术从大公司和政府机构扩散到个人和中小型企业时,起飞阶段的进程通常会加速。20世纪早期的电力和20世纪90年代的互联网就是典型的例子。

在澳大利亚昆士兰,现在有超过20%的家庭在自己发电。这个例子说明了一种可能性,那就是屋顶太阳能在成为新的社会规范时要跃过的“临界点”已经在一些地方达到了。实际上,最近的一个研究发现,判断屋主是否会将太阳能发电板安装到房屋里的最佳依据是他的邻居是否已经装了太阳能电池板。

难题重重

许多不同的政策手段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比重。

可以被调整建筑法规,要求每一户人家都使用屋顶太阳能发电,或将标准上调到LEED(美国能源与环境设计先锋奖)“绿色建筑”的标准。逐渐增加烟尘排放税或者限制排放上限(已经存在于一些国家当中)将会在激励创新的同时,减少化石燃料的消耗和促进可再生能源的使用。

在美国,从角度看,至少取消对化石燃料的补贴要比征收碳排放税更易于减排,而两者成本却是相近的。

奥巴马政府的清洁能源计划要求燃煤发电厂减少碳排放量,这是一种合适的政策。这个计划是逐步提进的,给了电力公司足够时间来进行调整,也给仍不成熟的碳捕获和存储系统时间来发展。美国环境保护局估计,在应对气候变化上,这项计划将产生200亿美元的效益,在国民健康上的收益折合140~340亿美元,同时可以减少开支。

因为温室气体的来源有很多,如农业、畜牧业、制冷剂和森林砍伐(这里仅举几例),对于全球经济来说,脱碳比过渡到可再生能源要做更多的工作。

本文仅强调了这个巨大难题中的一个方面,但是对基础设施前景的展望可以帮助我们思考这些问题。

基础设施的历史告诉我们,脱碳的进程并不会如我们所愿地那么迅速。但是与此同时也告诉我们有许多方式可以加速这个进程,而且当抵达临界时刻时,这个进程会变得非常快。

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