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走向零碳:重磅氢弹

如何使全球经济脱碳?亨利·特里克斯的答案是大量的清洁电力和向最轻气体的革命性转变

坐在无人驾驶的电动特斯拉S型车的驾驶座上,掠过挪威的森林和峡湾,这个星球的未来看起来相当不错。感觉几乎就是你无需动手,就在一路通往一个“后化石燃料”的未来。挪威几乎所有发电都是零排放的。电来自奔流的瀑布、水坝和河流产生的水力,它们如此靠近道路,几乎触手可及。快速充电站随处可见,你不太可能被困在路上。特斯拉在奥斯陆已经如此普遍,以至于车身溅满泥、座位上落满狗毛的也不少见。

如果你去往奥斯陆西侧三个小时车程的尤坎,化石燃料的替代品看起来就更容易实现了。这里在20世纪初是世界上最大的发电厂之一:早在1928年,尤坎就已经在用水力发电生产迄今最好的潜在零碳选择之一——氢气。由氢燃料电池驱动的汽车现在开始出现在挪威的街道上,尽管比起为短途车辆供能,氢气可能还有更好得多的用处。挪威氢能公司Nel的历史可以追溯到尤坎,它拥有的一辆现代Nexo的后窗上贴着一句话:“感谢恐龙们送了一程!我们就从这接手了。”这可能成为脱碳时代的座右铭,也可能沦为极端的夸张。

挪威和中国一样,大大增加了对电动汽车的需求,但由于石油和天然气带来的巨大财富,挪威可以负担减税和其他激励措施所需的资金。挪威国家能源公司Equinor生产的烃类在2017年产生了3.1亿吨温室气体。这几乎与英国产生的二氧化碳总量一样多,而英国是挪威人口的12倍。

这种同时存在解决全球变暖的愿望和对化石燃料的依赖的矛盾同样撕裂着整个世界,让能源系统脱碳变得太过缓慢。如果根据2015年巴黎气候变化协议所作出的承诺行动的话,到本世纪末,全球变暖将超过工业化前水平3℃,而不是各国同意努力争取的1.5℃至2℃。为了稳定全球气温,到大约本世纪中叶,人类必须停止向大气中净排放二氧化碳。

干干净净

可再生能源正在发展,它在去年吸收了两倍于煤炭、天然气、石油和核能总和的发电投资。电动汽车的销售也在加速增长。据清洁能源咨询公司彭博新能源金融称,从2014年中到2016年的17个月里,全球乘用电动车数量从100万增加到200万辆,而今年仅用了6个月就从300万增加到了400万辆。

然而,去年全球能源系统仍然有85%的能源从化石燃料中获得。预测机构国际能源署(IEA)预计今年全球二氧化碳排放量将创下新纪录。为了减轻全球变暖的影响并减少严重危害全世界身心健康的空气污染,当务之急是鼓励推广零碳(“清洁”)电力和蓄电池。据估计,在未来30年内,电力供应需要增加四倍。要生产这么多电,可再生能源、核电(更有可能在发展中国家而非发达国家推广)以及带碳捕获和储存(CCS)的化石燃料使用都需要大幅增加。而这只是专家所说的“简单”的部分。

要让不易使用电力和锂离子电池的经济部门脱碳会更难,例如重型运输、供暖和工业。2014年(可获得数据的最近一年),这些“难以减碳”的行业产生了约150亿吨二氧化碳,占总量的41%,而整个电力行业的排放量为136亿吨(见图表)。最大的工业排放源是水泥、钢铁和化工。

据联合国支持的专家组织政府间气候变化专门委员会(IPCC)称,为了将全球变暖限制在2℃以下,到2050年,全球各行各业能源使用的总排放量必须比现在低50%至80%,如果温升上限定为1.5℃,则需要降低75%至90%。即便如此,在整个21世纪还需要从大气中提取数千亿吨的二氧化碳,即所谓的“负排放”工程。

这是一项历史性的事业。从煤炭时代开始到1970年的200年间,化石燃料燃烧、废气燃烧和水泥制造产生了4200亿吨温室气体,主要是二氧化碳,相当于当今地球上所有人体重总和的1200倍。从1970年到2011年,这一排放量增加了两倍,达到1.3万亿吨。

二氧化碳看不见摸不着,又没有气味,所以相对于会导致酸雨的硫和氮氧化物等更明显的祸害,它的影响更难想象。然而,其排放量是惊人的。钢铁和水泥行业产生的二氧化碳均超过了除中国和美国外的任何国家排放总和。每生产一吨水泥,会有近0.75吨二氧化碳渗入大气。汽车和卡车对气候的影响更大。而如果你知道自己搭飞机出行时会产生多少二氧化碳,会破坏你飞行的乐趣。本报告重点关注与使用能源相关的排放,而不是农业、林业等土地使用产生的温室气体排放。后者约占总排放量的四分之一。

我们制氢时你在哪里?

加州大学欧文分校的史蒂芬·戴维斯(Steven Davis)领导了一个研究小组,利用他称之为“相当简单和有限”的一系列现有技术,描绘了对一个零净排放能源系统的构想。除电力和电池外,它还包括氢和氨、生物燃料、合成燃料、CCS,以及从大气中去除碳。这可以有许多最终用途。氢可用于轻型和重型运输、供暖、炼钢,以及喷气式飞机用的合成燃料。CCS可用于供暖和水泥制造。

每种方法都有其优缺点。大规模制造、运输和使用氢气存在困难。在巴西和美国等地,乙醇等生物燃料已混入了烃类燃料,但能源作物与食品工业争夺土地,而其种植也会产生温室气体。无排放合成燃料依赖大量氢气和一氧化碳来生产烃类替代品,因此其发展取决于这两种气体的低成本供应。用戴维斯的话来说,CCS引发了环保主义者的“集体叹息”,他们视之为化石燃料行业的维生器。但很难想象,如果不靠捕获烟气中排放的二氧化碳,水泥等行业要怎么脱碳。

有些方案比另一些距离实现商业化要近得多。致力于使能源系统脱碳的人有一个大致的时间框架。他们说到2025至2035年就会出现使用电池和氢动力的长途货车,以及靠氢燃料供暖的住宅。到2030年代就可能出现为船舶和飞机开发的合成烃类。到2040年代,CCS和氢气可大规模用于工业。到2050年代将会通过大规模再造林或直接从空气中捕获碳排放来实现全面的碳去除。

如果你居住在非洲或其他贫困地区,那里的当务之急还是满足现有的能源需求,那么所有这些看起来都像是空中楼阁。关键要看政府的指令,以及有何种税收激励措施来引导这种转变。

不过,本报告仍然认为,能源部门脱碳的障碍并非不可克服。更重要的是,它们可以带来经济效益。据IPCC估计,在2016年至2035年之间,将温升控制在1.5℃内的年度成本约为2.4万亿美元,约占世界GDP的2.5%。去年,能源方面的总投资为1.6万亿美元,主要投向煤炭、石油和天然气。全球机构能源转型委员会(ETC)主席阿达尔·特纳(Adair Turner)表示,到2050年,每年以零净排放运营那些“难以减碳”的行业将另外需要1.2万亿美元的成本。“[这个数字]绝对会吓到你。但如果你回到1850年去造铁路,我敢说你也会吓一跳。”

此外,这种转变所涉及的技术没有一件是新的。而且,与化石燃料不同,它们被用得越多,成本就越低,这就会鼓励尽可能多的行业去使用它们。氢可能是最有希望的解决方案,因为它是大规模电气化的最佳补充,也可用于重型运输、供暖和工业。

ETC在一份报告中表示,哪怕不做未来会有很多氢燃料电池汽车的假定,要实现零净排放,全球氢气产量也需要从今天的每年约6000万吨增加到本世纪中叶的5亿至7亿吨。这听起来十分艰巨,但对氢能的兴趣正在快速增长。2017年启动的氢能委员会(Hydrogen Council)是一个由全球化学、汽车和石油公司组成的论坛,其成员数量在18个月内翻了两番。麻省理工学院能源计划(MIT Energy Initiative)的研究负责人弗朗西斯·奥沙利文(Francis O’Sullivan)表示:“我们也许会觉得蓄电池是转型中的头条。但最终它会成为氢能的副手。”

为使氢能洁净,其中大部分必须来自于电解水,而它目前仅占氢产量的5%(其余来自化石燃料的“蒸汽重整”)。这将需要大量低成本的零碳电力。如何提供这样的电力,加上让汽车电气化的电池,将是在未来十年中最紧要的大事之一。