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工程6(2020)1341意见和评论实现净零排放克里斯·格雷格格哈德河美国普林斯顿大学Andlinger能源与环境客座研究员更深入地了解可行的能源转型在我们进入新的十年之际,建立和维持经济福祉的挑战,同时面临一系列可持续性挑战,这一挑战仍然存在。四个社会经济大趋势在起作用:人口增长、国内生产总值(GDP)上升、城市化和连通性。总体而言,这些趋势将推动几乎所有可以想象的商品(如能源、食品和材料)的消费大幅增长。它还将通过气候变化、生物多样性丧失以及日益脆弱的食物和淡水供应来增加我们星球的压力在这篇文章中,我们主要关注能源。将全球能源经济转变为净零排放是我们这一代最大的基础设施挑战之科学和工程研究显著提高了低碳能源技术和系统的技术和经济绩效,特别是在电力部门。这项研究有助于指导几项自上而下的综合评估和其他能源系统模型,以得出实现雄心勃勃的气候目标的各种最低成本途径尽管作出了这些努力,但全球温室气体排放量继续增加。与将全球平均气温上升限制在2°C以下的目标相一致的情景要求立即停止排放增长,并在本世纪中叶左右五个系统层面的基础支撑着这些深度脱碳情景,并应成为研究组合和国家规划职能议程的基础:(1) 提高能源生产率:少花钱多办事(2) 电力供应脱碳(3) 扩大最终用途电气化;(4) 使燃料和其他载体脱碳;(5) 应用CO2捕集和地质封存技术(CCS)减少剩余点源排放,并有可能从大气中去除CO2预测这五个基础中每一个基础的技术解决方案的演变及其在国家能源转型过程中的相互作用,有助于指导累积的项目和基础设施需求。然而,分解这些预测的空间和时间粒度的高水平是必要的,以评估过渡的可行性。关于工厂和基础设施所需规模和速度的构造可以突出显示可能限制计划的过渡的各种潜在瓶颈和冲突。这些因素包括能力限制、对自然环境和社区的影响、对社会变革的期望、就业机会的差异、当代市场机制的限制、资本投资流动以及现有资产价值的侵蚀。这些见解对于指导支持持续资本投资和公众支持低碳能源转型的政策至关重要。因此,每个基金会各自可能作出的贡献存在很大的不确定性。让我们考虑一些深度脱碳的每一个基础所必需的系统转换的例子基础1:提高能源生产率能源生产率(单位GDP最终能源消耗的比率)逐年提高从历史上看,每年的改善率然而,大多数深度脱碳方案要求能源生产率在未来40年内每年持续提高2. 5%这将需要广泛采用最节能的工艺和设备,以及人类行为和消费、城市规划、建筑标准和工业实践的重大转变。基础2:电力供应脱碳电力部门脱碳最重要的资源选择包括风能、太阳能、生物质、水力和核能,以及化石燃料燃烧和CCS。虽然所有这些技术都可能是消除电力部门排放所必需的,但它们都有自己的社会、经济和环境挑战。技术、制造和供应链创新降低了风力涡轮机(陆上和海上)和太阳能光伏(PV)模块的资本成本,使其能够在能源市场上竞争此外,系统集成和储能方面的创新有助于缓解长期以来对风能和太阳能可变性的担忧然而,这两种技术目前仅占全球发电量的10%。这两种技术的容量系数相对较低(约为20%-40%),土地利用强度较高。最好的资源与可用的土地往往是遥远的https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.09.0052095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页:www.elsevier.com/locate/eng1342C. 格雷格/工程 6 (2020)1341××从主负荷中心,并因此需要大量的新的传输基础设施,这可能会受到社区的抵制。核能需要的土地最少,但也必须克服社区对安全和废物的重大关切。基础3:最终用途电气化传统上依赖石油/煤衍生液体燃料和天然气的能源需求,包括轻型和中型客车、家庭供暖和工艺热,预计将实现电气化。这将需要个人和公司在投资决策方面做出重大转变,而且往往需要注销现有资产的意愿对作为能量载体的导电性的日益依赖也对上述电力系统的已经具有挑战性的转变施加了额外的压力此外,如果电力供应的脱碳在很大程度上依赖于太阳能光伏发电,而太阳能光伏发电只在白天可用,那么长期以来一直认为电力总是按需供应的个人和公司可能需要更加意识到他们的用电时间。基础4:使燃料和其他载体即使最终用途电气化增加,所有脱碳途径仍然依赖于不同数量的液体和气体燃料,如果我们寻求实现我们的气候目标,就必须脱碳。氢气预计将发挥核心作用,无论是作为合成液体和气体燃料的原料,还是作为独立的载体,例如,通过燃烧发电和钢铁生产中铁矿石的直接还原。清洁氢可以通过使用无碳电力的电解、与CCS耦合的天然气重整、与CCS耦合的煤的气化或与CCS耦合的生物能气化来生产这些生产方法中的每一种都进一步使电力生产、生物质生产和CO2封存需求复杂化。基础5:应用二氧化碳捕获、使用和储存(CCUS)即使广泛采用基础1-上文提到的CCS对于电力和燃料脱碳至关重要,也是水泥、铁、钢和石化产品等材料工业生产大幅脱碳的一种选择然而,CCS只可能减少由于残余排放,点源排放量减少了80%-95%。此外,越来越多的人期望,在全球范围内,我们不可能足够快地实现足够的减排,以避免气候变化的不可接受的后果,我们将需要从大气中提取二氧化碳虽然通过再灌溉增加自然土地的汇,但改进的农业做法或其他方法将发挥重要作用;大多数深度脱碳情景还依赖于生物能源,CCS(BECCS)作为一种能源供应技术,提供净负排放。总的来说,这些方案需要51012和3到本世纪中叶,每年可维持1013公斤的二氧化碳地质封存。这一规模相当于目前CCS水平的1000倍,与目前全球石油和天然气的开采率相当,或在某些情况下远远高于目前全球石油和天然气的开采率。对BECCS来说,生物能源作物也是土地使用密集型的,最好的地点与对粮食供应至关重要的农作物竞争。总之,为了向净零排放过渡,全球经济将需要前所未有的设备和基础设施部署速度尽管未来技术成本和性能存在很大的不确定性,但政府和私营部门都必须迅速投入大量资金。现有资产需要提前报废和注销。电力部门必须与燃料和工业部门无缝结合。能源部门将以新的、广阔的方式依赖陆地、海洋和深层地下风能、太阳能、生物能源作物和粮食作物之间的土地竞争将加剧。在能源消费和购买资本项目(如汽车和家用电器)方面,有必要在全世界范围内改变行为社区将需要在当地环境中接受大规模的侵入性基础设施,包括输电线路、管道和可再生能源农场市场需要进行重大改革。这种广泛的物理、环境、经济和社会变化的可能程度研究已经并将继续是至关重要的,但要有效,我们必须①通过探索过渡情景而不是禁止路径来尊重不确定性;②采用综合系统方法;③召集跨学科团队(科学家,工程师,经济学家,商业学者,社会和行为科学家以及政策实践者)讨论关键挑战;与私营部门和政府深入接触,确保有关实施挑战、研究优先事项和研究结果的信息双向流动。
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cpongm
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