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技术动力学下的能源结构改变

  • 2022-03-28
  • 来源:能源杂志
现实世界无疑比仿真模型复杂得多。

技术发展存在一定的规律,这是技术动力学以及创新经济学研究的内容。关于过去技术的进步,特别是进入小市场之后的扩散过程,学者们喜欢总结一些程式化事实(stylized facts),作为参考基准去预测未来技术的可能前景,以及检验未来情景的可信度乃至现实可行性。这方面的集大成者,无疑是刚刚退休的耶鲁大学/国际应用系统分析研究所Arnulf Grübler教授,一个高大的奥地利人。没错,那个以“创造性毁灭”与企业家精神研究驰名的伟大思想家——熊彼特的老乡。

2006年7月炎热的夏季,我与他在北京新世纪日航酒店见面,聊我正在打磨的博士论文。现在15年过去了,我至今仍记得那天晚上我跟他讨论了2个小时交通能源情景模拟,然后吃了1个半小时海鲜大餐之后,我撑着肚子,站在北京天桥上的那种无助与怅然——他把我之前2年多的工作全部扔进了垃圾堆,称之为“trash”。我不知道怎么办了。

当然,后来担忧与不安变成了喜剧。半年的时间,他帮我重新确定了工作重点;我因此得以发表自己的第一篇国际论文;因为这篇论文有了进一步拓展工作平台的机会;因为这种经历从而对气候变化问题有了专业的了解,为今天的持续关注与应用研究打下基础;从而,今天疫情期间,我能够静静地坐在书桌前,冰箱中充满着食物、房间具有充足供暖,给读者写下这些文字。

未来的结构需要如何变化?

目前确定的气候目标看起来十分紧迫。这使得气候减排的情景在大众和各路专家眼中都有些极端。让我们首先看看这些情景预示的结构变化需要多大以及多快。

由于排放的“累积”性质,从现在到2100年排放轨迹如何,无疑存在着一个短期与长期的权衡问题。那么基于系统成本最小化的标准,就可以得出一个所谓的“最优排放轨迹”(optimal emission pathway)。

2度目标的研究大体给出的排放“里程表”是:尽快在短期内实现达峰,然后电力部门经历一个20-30年的快速脱碳过程接近于零;其他减排困难部门,特别是货运、重工业以及部分非CO2气体减排逐步跟上,在2050-2070年间实现所有温室气体零排放,之后进入净碳回收的阶段,尽管这部分量级不大;而1.5度需要的减排节奏更快,全球2030年的排放就需要下降到20 Gt CO2的程度(目前仅能源部门CO2排放就在35Gt),然后借助大量的负排放技术(森林碳汇、地球工程)才能使1.5度目标保持可行。

基于典型减排路径的分析表明:要实现2度气候目标,年平均减排要超过3%,而要实现1.5度目标,大约年减排需要7%。排放开始以某个速率下降的时间每晚1年,实现1.5度目标预算的耗尽时间就提前大约2年。

最新的测算表明:要在50%的概率上实现1.5度气候目标,90%的煤炭储量需要永久地留在地壳中。2021年的COP会议,首次在政治认识层面明确,“要最终实现1.5度目标,到2030年全球必须相比2010年减排45%”。

在避免大量使用高风险不确定性的地球工程的情况下,本世纪中叶大部分能源部门排放降低到接近于零的程度,这似乎是个不太需要思考的答案。那么,现状在哪里呢?以我国为例,从一次能源消费结构来看,能源系统中煤炭仍旧占据50%以上份额。终端能源消费结构(对应于采暖、照明、炊事等吃穿用行的能源需求)与电力生产结构的情况更加复杂与困难。目前我国煤炭发电仍旧占据总发电量的60%以上,而终端(工业、建筑、交通、农业等)的化石能源直接消费(煤、天然气、各种油品)也超过60%。这对应着巨大的能源基础设施存量。他们都需要在30-40年的时间内被替代掉或者关掉,这意味着技术可得性、经济竞争力、新的投融资充分性、政治上的可行性、社会变革接受程度等问题。

结构变化的程式化事实

人类社会已经经历了从薪柴到煤炭、从煤炭到油气的能源转型。这种转型是自然发生的,在微观、中观、宏观层面上都有所体现。

微观上,一个地区的煤炭如果采光了,那么它必须实现经济模式、能源结构与就业结构的转变,比如中国辽宁的阜新地区就是最早一批煤炭资源枯竭地区与转型的试点。

中观上,天然气基础设施如果普及——比如在四川、重庆、甘肃等地——那么当地利用天然气的物理障碍消除,这些地区发展天然气的更大程度的利用,也自然是顺理成章的事情。

宏观上,能源的结构随着基础设施、消费升级、市场动态与技术进步也随时在变化,比如欧美发达国家上世纪50年代之后的油气化,我国农村地区在上世纪90年代以后比较快速的生物质燃料(薪柴)退出。

技术动力学回答了一个“技术是如何变化、进步以及普及”的问题。总体上,过去的能源转型是缓慢的,从开始出现到占据3%的小市场,通常需要20年以上的时间。

Grübler 1999年的文章提供了一个理解这一现象的分类方法,并且认为:寿命长且属于某个网络组成部分的技术,通常需要最长的时间来扩散并与网络中的其他技术共同发展;这种网络效应产生了很高的进入壁垒。即使是对众多标准下更优秀的竞争者,可能也会因为与网络中的其他技术并不配套而困难甚至被淘汰,典型的比如目前这种字母排列混乱的QWERTY键盘(最初为了防止打字过快,造成打字机故障而引入),以及磁带制式的标准。

并且,新的技术进入市场,往往经历“S型”变化——先缓慢增长成为小市场、再起飞提速,到最终饱和,然后进入衰退。英国是世界上第一个使用煤炭与煤电的国家。煤炭使用驱动了整个工业革命的发生与辉煌。如果以降低到高峰份额的10%以内计算,英国用了100多年,而美国德国是60-80年。现在,英国也将成为第一批即将淘汰煤炭的国家。

当然,以上的技术动力学讨论仍然立于理解过去发生的事情,总结其“规律”。至于这些规律是否在未来保持稳定是另外一个问题。我们也有不少的案例证据表明:政府积极的政策改变,以及某些创新型技术的突然进步,可以促进转型的更快发生。

1865年,英国经济学家William Jevons写了一本带有预言性质的书——关于英国对于煤炭的依赖,题为《煤炭问题;关于国家的进步和我们的煤炭可能耗尽的调查》。他提到:“鉴于煤是一种有限的、不可再生的能源资源,我们是否明智,允许这个国家的经济增长超过我们可以长期维持的程度?”。

这一思想跟影响力巨大的罗马俱乐部《增长的极限》是一脉相承的。类似的,1956年,美国人Hubbert根据对美国油田产量的观测,认为对于任何特定的地理区域,从个别产油区到整个地球,石油生产的速度将趋向于遵循一个钟形曲线。也就是说:产量必然会在某个时候达到一个高峰,并且最终不可避免地下降。这就是著名的“石油峰值论”。

这一预言在70年代得到了近乎惊讶的证实,美国的石油产量似乎达到顶峰并且逐年下降了——直到2005年的页岩气革命。2005年之后,页岩油气重新开始迅速地上升并占据开采量的重要乃至主体部分。石油峰值论只能修正为“对传统油气资源而言”。当然,何为传统,何为非常规(nonconventional),很难划一条明确的界限。因此这一经验理论已经日渐式微了。

人们越来越认识到:化石能源相对于有限的大气资源,可以说是过度的丰富。以储采比——探明的经济储量与年度开采量的比值——衡量,世界石油与天然气一直保持在不下降的程度,而煤炭的丰富程度也还足够开采上百年乃至200年以上。相比大气资源在10-25年内的耗尽,这一程度还丰富的很。

如何看待预测

历史总是惊人的相似,但却并不是简单的重复。过去的总结,往往只能用来理解过去,在多大程度上可以预测未来,不得而知。预测神棍们如果沾沾自喜于似乎准确或者比较准确地预测了某个东西,而不是从这种预测准确中获得了多大收益或者避免了多大的损失,其实99%(或者100%)的情况下都是运气还好而已。

“未知的未知”是永远存在的。就在作者写下这些文字的时候,太平洋岛国汤加发生了破坏力惊人的海底火山爆发。它的影响是大是小,会对全球气候与农业产生多长时间影响,还有待进一步理解。

趋势是那假以时间就可以实现的东西。在我国,由于社会规范巨大的“裹挟”作用,趋势还是一种“论证完毕”的快捷方式。它自动跳过了为何需要顺势而为,而不是逆势而动的必要逻辑论证。趋势有内在的,或者已经存在的持续动力。

在煤炭代替薪柴的过程中,很明显可以看到确定性的趋势。因为煤炭在当时的环境下,可能各个方面都比薪柴要“优质”,清洁,能量密度高;内燃机汽车代替马车的过程,无疑也是一种快速的趋势。那么,碳中和中,有哪些趋势呢?便宜的占据更大的市场份额是个趋势?碳中和的趋势,可惜笔者还总结不出来一个。

情景是我们理解复杂未来多种可能性的工具之一,帮助建立能动性的政策。基于可能的驱动力与影响因素,探讨其可能的结果。碳中和显然不是“照常发展”情景。也就是说:基于目前的政策、技术与消费动态现状,是无法实现碳中和的。需要探讨的是“从现在开始的增量政策是什么?”。情景无疑是一种主观社会构建(social construct),它并不代表客观与真实存在。因此,对国际机构发表的情景结果做“预测式”解读,诸如国际能源署预测显示:2050年碳中和,煤炭份额会下降到5%以内。无疑是一种“偷懒”的行为。

Wild Card——牌类术语中的“百搭”,体育术语中的“外卡”——也有着“难以琢磨的足以改变事物形态的低概率、高影响的事件或者变化”含义。与“黑天鹅”事件不同的是,Wild Card跟“微弱信号分析”(weak signal analysis)与临界点(Tipping)联系在一起,可以包括各种微小概率事件酿成的巨大改变动力。而“黑天鹅”本来就是存在的,它更多指的是确定性事件但是还不普遍为人所知。一些重大的颠覆性技术可以预见是通卡,比如极其便宜的储能、热核聚变商业化等。当然,它们是否具有实现这样的技术经济表现,是高度不确定的。

可行与可能

负排放技术与手段在政治与心理上降低了立刻行动的紧迫性。OLIVER GEDEN是个德国政治学者,为不少人赞赏或者唾弃。他在2010年就明确断言:“由于联合国气候谈判在短期内不会取得突破,加上当前的碳排放趋势无法扭转,因此达到两度目标几乎不可能”。这在数学可行解意义上显然是不对的。因为已经存在示范或者想象中的“负排放”技术与手段。无论你超出排放限额多少,未来总可以通过回收技术重新达到之前的平衡,如果忽略掉那些不可逆的变化的话。

当然,数学上的解只是理论上的可能性。数学上的可行解有无具有清晰的含义。一个优化问题,如果约束太多,或者约束的边界条件太紧,那么可能,这样的问题就无解。比如如果只考虑年度的电量约束,那么无疑,只要你堆足够多的风光一起,完全可以覆盖100%的电量需求。但是,如果加上8760小时每个小时都需要满足电力需求的条件,那么很可能有些时刻风也不刮,也没有太阳,其约束就无法满足了。这样的问题就无解。稍微放松一下标准,比如允许需求一定程度的“削减”,那么这个问题可能就又会变得有解。

可以想象,允许削减的程度越高,那么获得可行解的机会也会越大。必须区分以上理论上的可行性(feasibility)与现实中的可能性(possibility)。现实中的约束很多是无边界的,不可预见的。所以,一个东西是否可行,特别是涉及到未来,并不存在泾渭分明的判断标准以及客观性,属于主观问题。

近些年,一些年轻学者展露头脚,有力地从“可行性”视角补充了能源情景的可实现性。能源情景基于简化的经济—环境—经济描述,能够考虑模拟的因素是有限与有边界的,而现实无疑存在更多以及诸多操作性因素,特别是一些影响转型进程的摩擦因数(friction)。比如Elina Brutschin的工作从时序(timing)、打破旧秩序(disruptiveness)以及转型的量级(scale)视角,区分了5个维度的可行性因素:

地理与物理因素。比如巨量的风电与光伏,是否存在足够的地理空间。这个因素不再是个琐碎的问题。比如在西欧的德国、法国以及岛国英国,都已经出现了较为严重的陆上可再生能源发电选址困难。

技术因素。技术是否存在,经过了大规模商业开发的考验?是否具有可扩展性,比如CCUS的很多技术明显不具备。需要的增长速度是否在历史上出现过?

经济因素。比如,是否过于昂贵,是否在政治经济上可行?

社会因素。需求是否需要大幅下降?

制度因素。特别地,减排的节奏与规模是否挑战决策者的心理?

现实世界无疑比各种仿真模型要复杂的多。任何一项伟大的事业是否可行,归根到底是一个主观认识问题,事先并不能确切准确的掌握,而事后存在失败的可能。因此,推行足够程度的能源转型,无疑也意味着拥抱某种程度的不确定性。

在这方面,一些缺乏参照系的貌似稳妥的表达,对于理解正视我们面临的挑战是没有帮助的。这些说法诸如“应避免出台激进的碳减排措施,大幅度减少煤炭、油气等化石能源的产量与消费,导致出现因能源转型力度过大、化石能源投资不足而带来的能源短缺,损害经济的发展”。

模糊逻辑上你不能说它不对,但是因为缺乏“过大”、“不足”、“大幅度”等抽象形容词的明确参照系(比如结合现状的力度)界定,缺乏明确的信息含量与行动方向。它反而容易对决策者的政治心理造成影响,进一步保守化,从而失去信心,可能从不可行(infeasible)的主观认识过渡到“不期望”(not desirable)的政治运动当中。这在我国反对“运动式减排”的讨论中已经有苗头。

 

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