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碳访|何时启动大规模负碳减排技术?警惕陷“无米之炊”困局

澎湃新闻首席记者 贺梨萍
2022-09-23 07:48
来源:澎湃新闻
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对玉米、小麦等重要的粮食作物来说,在其不同的生长阶段有着不同的适宜温度需求。升高1℃,就会意味着可能有全球一部分人群口粮的消失。

气候变化之下,粮食危机已经成为一个亟需面对的共同话题。然而,在复旦大学环境科学与工程系青年研究员王戎的视角下,农作物亩产量的减少,则会进一步威胁到气候变化。一条必然却又被忽视的路径是:作物秸秆是清洁生物质能源的重要来源,其生物量的多少受气候变化影响;生物量的减少,最终又会阻碍我们利用作物捕获和封存碳并以此限制全球变暖。

“负碳减排技术的反馈对未来气候变化的长期趋势存在显著影响,由于受气候变化的负面效应,粮食产量和BECCS(注:生物能源碳捕获和储存技术,是国际上目前认为潜力最大的负减排技术)减排潜力同时下降,导致无法实现《巴黎协定》的2°C目标,并威胁全球的粮食安全。”近日,王戎在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者专访时如是表示。

气候变化与BECCS生物质亩产量的反馈机制示意图。

实际上,在应对气候变化、保护生态环境等多重问题日益受到重视之下,碳捕集利用和封存(CCUS)技术已成为各界关注的焦点。理论上来说,CCUS可以将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来,直接加以利用或注入地层以实现二氧化碳永久减排。众多能源、化工企业已纷纷尝试将该技术作为减碳的重要方式。

就在8月29日,中国石化宣布,我国最大的碳捕集利用与封存全产业链示范基地、国内首个百万吨级CCUS项目——“齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目”正式注气运行。这标志着我国CCUS产业开始进入技术示范中后段——成熟的商业化运营。据中国石化方面介绍,该项目每年可减排二氧化碳100万吨,相当于植树近900万棵。

而王戎等人关注的BECCS则被视为负碳减排技术。“BECCS是指将生物质燃烧或转化过程中产生的二氧化碳进行捕集、封存,直接加以利用或注入地层以实现二氧化碳的永久减排。”其进一步解释,因为该技术中封存的碳是生物质通过光合作用吸收的大气中的二氧化碳,它在生产能源的同时,不仅不排放二氧化碳,反而实现了二氧化碳的负排放,最大减排量理论上可以达到太阳能、风能的两倍,可抵消一些未来工业环节中无法避免的部分碳排放。

理想的情况是,使用太阳能、风能可暂缓气候变暖,但BECCS技术可逆转气候变暖的趋势。王戎及其合作者正在持续探索的关键问题则是:何时应启动实施大规模低碳技术?启动的不同时间段将相应产生怎样不同影响?

王戎等人近期在顶级学术期刊《自然》给出了他们的初步答案。美国哥伦比亚商学院气候经济学家、《气候冲击》(climate Shock)一书的合著者赫尔诺特·瓦格纳(Gernot Wagner)等人同期刊发了新闻与观点文章。

瓦格纳等人写道:时间是一个关键因素,我们在大规模实施BECCS之前等待的时间越长,气候对作物产量的影响就越负面,也就进一步恶化气候变化。“时序与非线性阈值效应的相互作用并不局限在BECCS、作物产量和温度之间的关系。事实上,这是一个更广泛的现象,突显了在应对气候临界点时需要谨慎。”

如何将全球变暖限制在2°C以内?

气候变化是一项跨越国界的全球性挑战。要解决这一问题,需要在各个层面进行协调,需要国际合作,帮助各国向低碳经济转型。

为应对气候变化,197个国家于2015年12月12日在巴黎召开的缔约方会议第二十一届会议上通过了《巴黎协定》。协定在2016年11月4日正式生效,是具有法律约束力的国际条约,旨在大幅减少全球温室气体排放,将本世纪全球气温升幅限制在2℃以内,同时寻求将气温升幅进一步限制在1.5℃以内的措施。

然而,眼下严峻的是,2021年全球平均气温比1850-1900年的平均水平高出1.2°C。这意味着,如果想要实现上述目标,需要在当前的10年内大幅减排。

在此目标限定内,许多相关研究将未来减排情景假设在本世纪下半叶,即在前期放缓减排步伐、甚至多排放一点,短期内超过既定的温度目标,然后通过实施大规模负碳减排技术如生物质能源结合碳捕获与封存技术(BECCS)实现短时间气候减排。

王戎等人提醒道:BECCS的大规模应用面临着生物物理、技术和社会等方面的挑战。过度依赖BECCS可能会拖延其他脱碳技术,并在超出预期的情况下无法实现《巴黎协定》目标。

王戎为这项最新研究的通讯作者。此外,中国科学院院士、复旦大学教授张人禾、欧洲科学院院士、复旦大学教授陈建民以及复旦大学教授汤绪、王琳为重要共同作者,中科院大气物理所、西班牙全球生态研究所、法国气候变化中心、法国索邦大学、比利时安特卫普大学、英国约克大学、奥地利国际应用系统分析研究所参与了合作研究。

王戎长期从事气候变化减缓的模拟研究,在气溶胶、碳循环、地球系统、气候变化及低碳能源等领域开展研究。曾获联合国工业发展组织颁发的全球科技创新“突出贡献奖”、亚洲气溶胶“杰出青年科学家奖”、中国化学会环境化学青年奖、上海市“青年科技35人”计划提名奖等。

王戎,青年研究员,2018年加入复旦大学环境科学与工程系。

他对澎湃新闻记者表示,应对和减缓气候变暖是当前国际社会的重要议题,亟需全球统一一致的行动。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)最新发布的第六次评估报告指出,如果要在本世纪末将全球变暖的温升幅度控制在2°C以内,负碳减排技术不可或缺。

实际上,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)、国际能源署(IEA)等国际机构均认为BECCS技术是必需的减排技术。王戎具体提到,IPCC《全球温升1.5 ℃特别报告》对实现1.5 ℃温控目标给出了四种情景和途径分析,这四种情景和途径全部都应用了BECCS技术。IEA《世界能源技术展望2020—CCUS特别报告》则预测,2030年后,BECCS技术开始大规模应用;2050年和2070年,BECCS技术将分别抵消全球能源系统碳排放的7%和30%,约相当于10亿吨和27亿吨的二氧化碳排放;到2070年,全球1/4的生物质能利用将采用BECCS技术。

“生物能源碳捕获和储存技术(BECCS)被认为是一种最具发展潜力及性价比最高的负碳减排技术,在国际上得到了高度重视。”王戎表示,这是起团队研究BECCS的初衷。

气候变化与BECCS减排潜力的反馈机制

目前具有共识的是,大幅减少化石燃料的二氧化碳排放将减缓气候变化。但在大多数情景下,仍需要在全球范围内采用大规模负减碳技术将全球变暖限制在2°C以内。

而生物质能作为最具潜力的可再生能源,已成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。其中,生物质发电技术是目前最成熟、发展规模最大的现代生物质能利用技术。燃煤发电厂的改造是眼下的路径之一。比如通过利用木质纤维素能源作物或残余物中的生物质来替代化石燃料发电,这被认为是综合评估模型(IAMs)中一种具有成本效益的选择。

生态环境部部长黄润秋在9月15日的“中国这十年”系列主题新闻发布会上介绍,十年来,我国碳排放强度下降了34.4%,扭转了二氧化碳排放快速增长的态势,绿色日益成为经济社会高质量发展的鲜明底色。

黄润秋表示,十年来,我国稳步推进能源结构调整,不断优化升级产业结构。煤炭消费占一次能源消费比重由68.5%下降到去年的56%,非化石能源消费占比提高了6.9个百分点,达到了16.6%。可再生能源发电装机增长了2.1倍,突破了10亿千瓦,风、光、水、生物质发电装机容量都是稳居世界第一的。

《“十四五”可再生能源发展规划》也显示,“十三五”期间,我国可再生能源实现跨越式发展。截至 2020 年底,我国可再生能源发电装机达到9.34亿千瓦,占发电总装机的42.5%,风电、光伏发电、水电、生物质发电装机分别达到 2.8、2.5、3.4、0.3 亿千瓦,连续多年稳居世界第一。“十四五”期间,将稳步推进生物质能多元化开发,包括稳步发展生物质发电、积极发展生物质能清洁供暖、加快发展生物天然气、大力发展非粮生物质液体燃料等。

然而,在发展生物质能及BECCS的进程中,何时大规模启动实施是需要回答的关键问题。

王戎表示,作为清洁生物质能源的重要来源,获取作物秸秆的重要性不言而喻,而伴随着气候变化,秸秆生物量的多少受气候变化影响。而目前的综合评估模型没有考虑到的一点就是,如果推迟强有力的缓解气候变化的行动,未来的作物产量可能会由于气候变暖的有害影响而下降,从而降低BECCS的缓解能力。

为综合评估减排效用,王戎等人创造性地将能源、技术、气候、农业、贸易、社会经济的相互作用纳入综合考虑范围,首次将气候变暖与BECCS减排潜力的反馈机制引入地球系统模型,使用全球观测资料校准了农作物亩产量对生长季节平均气温、大气CO2浓度、氮肥施肥强度和降水的响应关系,建立全球的未来社会经济情景大数据集。

“负碳减排技术的反馈对未来气候变化的长期趋势存在显著影响,由于受气候变化的负面效应,粮食产量和BECCS减排潜力同时下降,可能导致到2200年都无法再实现巴黎协定的2°C目标,并威胁全球的粮食安全。”

王戎表示,他们的研究表明,当大规模BECCS的减排行动的启动时间推迟到2060年时,在2200年是否考虑该反馈机制对全球增温的效应将达到0.8°C。当全球变暖超过一定的临界点,大规模的负碳减排技术的气候行动很可能无法在2200年达到巴黎协定的温控目标,并引发全球社会经济系统的变革性变化。

其对澎湃新闻记者进一步解释,例如,当BECCS从2040年推迟到2060年开始实施,可用于负碳生物质技术的农业秸秆和能源作物的亩产量受气候变化影响下降,导致在2200年的全球增温从1.7°C增加到3.7°C。“因此,通过理解农作物亩产量与气候变化的正反馈机制,我们的研究主要是强调了早期减排技术(包括太阳能、风能)的重要性。”

农业反馈对全球增温和粮食供应量的影响。该图表示的是在2040年、2050年和2060年开始启动减排时,2100年和2200年的全球变暖和人均每天卡路里的蒙特卡罗结果和不同敏感性试验的结果,其中横线表示的是中间的预测值,虚线表示不考虑气候对农作物亩产量影响的情景下全球变暖的差异。研究发现从2050年开始实施减排时,在考虑农业-气候反馈作用后,在2200年可以实现2°C气候目标的几率从47%下降到4%,表明认识气候与农业的反馈增加了早期减排的紧迫性。

BECCS技术还处于发展阶段,中国生物质潜力如何? 

值得注意的是,从全球范围来看,BECCS技术尚处于发展阶段,并未投入广泛的使用。

不过,王戎介绍,根据国际能源署(IEA)的报告,碳捕获收集的技术在各国已开始有试点项目:如英国德拉克斯发电站是全球首个从全部生物质发电中进行碳捕获的项目。而其他国家在关键技术节点也有所试点,如日本的Osaki CoolGen碳捕集示范项目,美国的NET Power 50兆瓦清洁电厂等。

目前国内BECCS的部署也同样处于发展阶段。王戎表示,国内已经开始在地质储存潜力、捕获技术成熟度方面进行评估和试验。例如,在珠江口进行二氧化碳储存潜力的评估、中海油惠州炼油厂试点研究碳捕获技术等,“这些关键技术节点的试用是后续投入大规模实施的重要依托。”

王戎在此前的研究中发现,中国拥有丰富的生物质潜力及充足的碳储存空间,但生物质来源、火电厂、碳储存三者在空间分布上不匹配性显著。

2021年5月,王戎及合作者在在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)发表了一项研究。该研究建立了中国首个生物质可再生能源、火力电厂改造和碳储存“三位一体”的高空间分辨能源系统。

研究团队综合考虑BECCS全生命周期的温室气体排放,包括土地利用变化、肥料生产和施用、生物质预处理及收获、生物质运输和电厂改造等过程,并考虑BECCS全生命周期的经济成本,包括生物质获取、火力电厂改造、生物质运输、捕集碳的管道运输、碳捕获和储存、水消耗、肥料使用等成本,“实现了中国县级生物质可再生能源和碳储存联合的优化模型。”

他们的研究结果表明,中国生物能源碳捕获和储存技术(BECCS)的年减排最大潜力为50亿吨二氧化碳,总经济规模接近9140亿美元。

BECCS在中国电力部门二氧化碳减排的贡献。

王戎表示,总体来说,BECCS技术的实施,需要综合考虑电厂位置、发电潜力、碳捕获技术、地质储存条件、生物物理条件等因素,也要考虑运输、配置过程中的成本,充分评估其可行性与不确定性,发挥其最大的效用,成为碳减排的重要助力手段。

王戎最后总结称,清洁能源和负碳技术的使用对于实现碳中和、减缓全球气候变暖具有重要意义。对于国内在该领域的推动发展,王戎提出四项建议:

第一、加强我国BECCS理论与技术研究,充分发挥科技创新对实现“碳中和”目标的支撑作用;第二、建立我国BECCS综合利用工程以及示范基地建设,突破生物质来源及其发电、碳储存等关键技术以及综合配套,开展三者在空间分布上的最佳配置示范;第三、加强国际合作研究,重点关注能源、气候、经济耦合系统中的气候变化临界点,科学评估各国制定的国家减排责任的有效性,为全球协同应对气候变?威胁提供科学依据;第四、基于第三世界国家生物质能源现状,加大BECCS的国际推广应用力度,推动我国先进BECCS理论与技术在第三世界国家中的广泛使用。

瓦格纳等人在他们的新闻与观点文章的最后提醒:就像在气候变化中获得遥远的技术拯救的前景一样,BECCS未来的预期效果不能降低现在减排的必要性。他们认为,王戎等人提供了进一步的证据,证明单纯依赖技术突破是令人担忧的。

“正如他们的分析令人信服地证明的那样,等待拯救很可能加速全球变暖,因为拖延可能会限制我们现在可用的技术。”

    责任编辑:孙扶
    校对:张艳
    澎湃新闻报料:021-962866
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