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魏一鸣:应对气候变化——能源科技创新的若干思考

作者:ceep    来源:科学时报    日期:2011-05-22

    魏一鸣 王 恺

 
    能源科技创新是应对气候变化的关键途径
 
    全球气候变化是21世纪人类面临的最复杂的挑战之一。气候变化的影响是大尺度、全方位、多层次的,气候变化对自然、生态与环境,乃至人类社会的生存与发展产生重要影响,相对于发达国家,发展中国家受到的影响更大。
 
    全球气候变暖除了自然因素外,更大程度上是人类活动造成的,这一观点已经得到越来越多的科学研究结果的支持。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第三次评估报告认为,全球变暖有66%的可能是人类活动造成的,而第四次评估报告将这一可能性提高到了90%。地球表面温度与大气中二氧化碳浓度呈现显著的相关性。IPCC(2007)的统计数据表明,由于工业革命以后大量化石能源的利用,使得人类生产、生活等活动导致的温室气体排放约占全球温室气体排放总量的90%以上,其中五个主要的温室气体排放部门(能源供应业、工业、林业、农业和交通运输业)中多数是化石能源相对集中的部门。世界资源研究所(WRI)指出,二氧化碳占全部温室气体排放的77%;全部温室气体中,61.4%来自能源使用。因此,化石能源的开采与利用是温室气体的最主要来源。要应对气候变化带来的挑战,必须从能源问题入手。
 
    从历史累计排放量来看,中国仅占工业革命以来全部排放量的8.2%,发达国家对温室效应负有主要责任。中国的人均碳排放量仍然低于世界平均水平,2004年,美国、俄罗斯、日本的人均碳排放分别是中国的5.34倍、2.75倍和2.56倍。中国面临着国际上越来越大的承担减排义务的压力。而中国将在未来较长一段时间内以煤为主的能源消费结构不会改变,煤炭等高排放能源将继续占据主导能源地位,这愈发需要能源科技创新来应对中国的二氧化碳减排、节能降耗问题。
 
    应对气候变化是涉及社会(Society)—能源(Energy)—经济(Economy)—环境(Environment)—科技(Technology)所组成的复杂系统(简称SE3T)。科学技术与其他四个方面相互影响,在整个系统当中发挥着重要作用,是解决气候变化问题的重要因素。科技(Technology)通过提高能源利用效率,发展低排放的替代能源对能源(Energy)产生影响,同时,科技有助于维护和改善环境(Environment)、向社会(Society)提供知识储备、向经济(Economy)提供先进科技;另一方面,能源、环境与社会均对科技发展提出迫切需求。
 
    应对气候变化能源科技创新的若干趋势
 
    应对气候变化问题是当前的热点与前沿研究领域之一,发达国家相继投入巨额资金开展应对气候变化的科学与技术研究,占据了气候变化科技领域的领先地位。国际社会应对气候变化科技创新有以下4个趋势:
 
    1. 发达国家在能源科技上的预算投入逐年递增
 
    上世纪90年代中期以来,IEA国家(International Energy Agency,国际能源机构成员国家)越来越重视能源科技的投资。其政府的研发预算从1997年的91.69亿美元,上升至2007年的120.48亿美元(2007年美元不变价)。IEA国家对能源效率高度重视,提高能源效率的投资所占总投资比重从1974年的3.92%,上升到2007年的13.05%。核能在IEA国家政府总投资的比重逐步减小,从1974年的74.86%下降到2007年的37.96%。2002年以来,IEA国家在氢能和燃料电池上的投资大幅度增加,从2002年的3200万美元,迅速增长到2007年的8.47亿美元(2007年美元不变价),6年间增加了26倍之多。重视能源效率提高,发展低排放的新能源,是IEA国家能源科技创新的一大趋势。
 
    2. 二氧化碳捕集与储存技术越来越受到重视
 
    二氧化碳捕集与储存技术(CCS)技术从大型稳定排放源中捕集二氧化碳,并将其封存到地层深处,以避免二氧化碳泄露到大气中去。从长期减排效果来看(到2100年),CCS技术和节能与能效、可再生能源、非二氧化碳能源一起,将发挥重要作用。2008年G8峰会上,发达国家保证到2010年将支持投放20个大规模的CCS示范项目,同时考虑到不同国家情况的多样性,将会在2020年前开始进行CCS的推广。2007年,经济合作与发展组织(OECD)国家在CCS技术上的研发投入比2004年增长了53%。美国在2004~2007年期间对CCS的投入达2.54亿美元。美国、法国、加拿大、挪威在CCS技术方面投入大额资金,有望在未来的科技竞争中处在领先位置。
 
    3. 各国纷纷出台气候变化科研计划
 
    目前,有很多跨国家有影响力的国际研究合作计划。例如由国际科学理事会(ICSU)、世界气象组织(WMO)、联合国教科文组织政府间海洋委员会(IOC)联合资助的世界气候研究计划(WCRP),中国科学家发起和运行的季风亚洲区域集成研究计划(MAIRS)等。这些项目促进了学术界对气候变化科技问题的认识,推动了气候变化领域的科技创新。
 
    另外,发达国家也出台了各自的应对气候变化科技规划。
 
    2002年,美国政府能源部、环保局等相关部门在“美国全球变化研究计划”和CCRI的基础上联合发起了“美国气候变化科学计划”(CCSP)以统一协调美国的全球变化科学研究行动,从而建立了以CCSP为主的美国全球变化科学研究框架。在奥巴马提出的总计1019亿美元的经济振兴法案中,对能源行业投入451亿美元,是获得资金最多的行业;美国能源部获得30亿美元的研发资金,是获得研究资金最多的政府部门。在美国的能源投入中,能源效率提高和燃料电池开发占了很大份额。
 
    欧盟框架计划(Framework Program,FP)第7个研究与技术开发框架计划(2007~2013年),总预算为50.5亿欧元。环境(包括气候变化)是FP7十大优先研究领域之一,预算为18亿欧元。2007年3月,欧盟领导人通过欧盟能源行动纲领。纲领旨在建立具有竞争力的、可持续发展的、安全的能源系统,并在2020年实现以下目标:大幅提高设备的能源效率,降低能源消费20%;提高可再生能源比例,由2007年的7%提高到20%;把生物燃料在汽油和柴油中的比例,由2007年的1%提高到10%;采取政策措施确保碳捕获与封存技术推广中的环境安全性,在新的化石燃料电厂部署CCS技术,到2015年在欧洲建设12家大型示范电厂。
 
    这一系列应对气候变化的科研规划,显示了发达国家对气候变化科学研究的重视,彰显科技在气候变化领域的重要作用。
 
    4. 学术界对气候变化关注度越来越高
 
    学术界对气候变化领域愈来愈关注,美国、英国与德国是科研成果最丰富的国家,显示了其科技研究实力。2003~2007年,气候变化科学研究领域共发表论文15146篇;发文量表现出稳定的增长趋势,年均增速达16.72%。气候变化科学研究的特点是:以地球科学为核心,跨自然科学和社会科学的多学科协同发展。能源问题是学术界在气候变化方面的研究热点,从应对气候变化的能源科技到能源政策,都有越来越多的学者予以关注。
 
    能源科技创新值得关注的几个问题
 
    我国应对气候变化的能源科技创新,应重点考虑以下几个问题:
 
    1. 着手长远,进行前瞻性能源科技创新长远规划
 
    气候变化时间尺度长的特征,使得对科学技术进行长远规划尤为重要。从科技创新自身的规律来讲,科学技术从无形技术(知识)到有形技术(工厂、设备)的转换有较长的周期,要面对技术创新到全面推广的滞后期、资本周转率的滞后期和基础设施建设的滞后期。另外,科技队伍自身的建设也有其内在的发展规律。因此,国家在进行应对气候变化科技发展规划时应当着手长远,高屋建瓴。从更长远的角度,煤炭石油等固体液体化石能源在能源消费中的比重会逐步降低,新能源所占比重将逐步提高,新能源的推广与利用需要进行大量的技术革新;这一未来的能源转换革命,对中国的科技研究提出了严峻挑战。
 
    2. 集中科研力量改善能效,降低中国二氧化碳排放强度
 
    20世纪80年代以来,中国能源强度和碳排放强度整体呈现下降趋势,但仍高于世界主要国家。提高能源效率可以有效地降低温室气体排放,根据IEA的分析,至2050年,终端使用效率提高在不同的减排情境下可以贡献总减排量的约36%~44%。2003年中国大陆每千瓦时电力和热力的碳排放为771克二氧化碳,高于全球和OECD国家平均水平,位居全球第22位。从部门的角度,中国化学制品业、非金属矿物制品业、初级金属业以及金属制品业的碳排放强度是美国的5倍之上,迫切需要改进技术水平,缩小与发达国家之间的差距。通过降低排放强度,将会产生明显的减排效果,有巨大的减排潜力。
 
    3. 加大新能源和可再生能源的研发投资,大力扶持中国低碳能源发展
 
    从投资比重来看,1990年以来,中国能源投资占总投资的比重呈下降趋势(从1990年的29.01%下降至2003年的13.28%)。从投资结构来看,中国对高碳排放的煤炭、石油天然气投资比重远高于IEA国家。相较之下,IEA国家的核能比重一直在40%之上。1985~2004年,美国对可再生能源的投资占其全部投资的16%。因此,中国应当适当调整投资结构,加大对低碳能源的投资力度,保证资金支持,扶持低碳能源发展。
 
    4. 有所侧重,关注固体化石能源的减排科技创新
 
    固体化石燃料是中国最大的二氧化碳排放来源,1950年以来其二氧化碳排放比例一直占中国总排放的70%以上。该领域排放量高,减排潜力大,应对其减排科技予以重点关注。除了现有技术的更新与改进,从应对气候变化的角度,应当对气候变化相关的关键技术进行超前科技储备,包括CCS化石燃料发电、煤炭—IGCC(整体煤气联合循环发电)系统、煤炭—USCSC(超临界发电)等。
 
    5. 完善引导低碳经济的政策法规,实现和谐发展
 
    应制定符合中国国情的应对气候变化能源科技创新战略。以科学发展观为指导,以建设人与自然和谐相处的环境友好型社会作为中国气候变化领域科技发展战略的最终目标。在制定政策法规时,应把握以下三个原则:
 
    一是综合治理的原则。应对气候变化从根本上是为了中国的可持续发展,应当兼顾各种不同的利益与矛盾;二是自主创新的原则。以建立一系列拥有自主知识产权的减缓与适应技术为目标;三是重点突破的原则。选择具有一定基础和优势、对温室效应影响最大的关键领域,超前部署前沿技术和基础研究,集中力量、重点突破。
 
    气候变化既是环境问题,也是发展问题,但归根到底是发展问题。应对和解决气候变化问题的关键是科学技术进步。认识气候变化规律、识别气候变化的影响、开发适应和减缓气候变化的技术、制定妥善应对气候变化的政策措施等,都需要气候变化科技工作的有力支撑。为应对气候变化提供科学的理论,方法与技术方面的知识储备是一项长期且紧迫的任务。
 
    (作者单位:北京理工大学管理与经济学院/北京理工大学能源与环境政策研究中心/中国科学院科技政策与管理科学研究所)

《科学时报》 (2009-11-10 A3 观察)