互动科普

围剿碳排放

撰文  罗伯特·H·索科洛（Robert H. Socolow）

         斯蒂芬·W·帕卡拉（Stephen W. Pacala）

翻译  波特

消融后退的冰川、日益强劲的飓风、酷热难耐的夏日、日渐消瘦的北极熊……化石燃料不断消耗，导致全球变暖，接连涌现的种种征兆拉响了警钟，迫使企业和政府不得不直面现实。近两个世纪以来，人类年复一年，并且越来越快地把碳带出地表，散布到大气之中。现在，全世界煤、石油和天然气产业每年挖掘、抽取的碳多达70亿吨，而人类社会几乎能把它们全部烧光，释放出二氧化碳（CO2）。越来越多的人意识到，我们必须谨慎行动，遏制二氧化碳排放量不断攀升的势头。

如果大气中的二氧化碳浓度接近18世纪工业革命之前的两倍，那么碳排放就不再是一种理论上的愚蠢行为，而会真真切切地带来危险。二氧化碳浓度每一次升高都会带来新的风险，但只要不突破这条警戒线，我们就能降低气候发生巨变的几率，避免出现诸如格陵兰冰盖消失这样无可挽回的灾难性后果。两年前，我们提出了一种简单的框架，根据目标，制定未来二氧化碳的排放计划。

我们不妨对比一下两个版本的未来。在其中一个版本里，排放率增长一直保持着过去30年的上升速度，到2056年，碳排放量将达到每年140亿吨（当然，排放速率也可能稍有起伏）。到了这个地步，即便在接下来的100年中，人们能够实现世界能源体系的去碳计划，大气中二氧化碳浓度仍将扶摇直上，达到前工业时代的3倍之多。在另一个版本里，人们把二氧化碳排放量锁定在目前的规模（每年70亿吨），一直维持到2056年，然后再花50年时间，让排放量下降一半，由此，我们就能逃脱二氧化碳浓度突破临界线的噩运。请看40页左边的图表，在坐标轴上，一种是任由曲线一路攀高，另一个计划则压制曲线的走势，我们把这两条变化曲线中间的差异部分称为“稳定三角”。

在世界经济持续发展的同时，维持全球碳排放稳定，的确是一项令人望而生畏的任务。过去30年来，世界商品与服务总产量（GWP）平均每年增长近3%，而碳排放量的年增长速度只有前者的一半。因此，排放量与全球总产值的比率——也就是全球经济的碳排放系数（carbon intensity），每年能下降1.5%左右。要让目前全球的碳排放量维持50年不增长，碳排放系数下降的速度就不能只有全球经济增长速度的一半，而应该与之保持一致。

有两种长期趋势肯定会延续下去，并帮助我们达成目标。首先，当社会越来越富裕，教育、健康、娱乐、银行业等等服务部门，将比能源消耗集中的领域(比如钢铁生产)成长得更快。这一趋势本身就能降低碳排放系数。

其次，技术进步带来的深刻变革将促进能源更新换代。今天，数以百计的发电厂可以关门大吉，因为现在的冰箱、空调和发动机比20年前更有效率；数以百计的油田和气田放慢了发展脚步，因为航空发动机消耗燃料减少，采用燃气供暖的家庭也能更有效地锁住热量，不至于再从窗户放跑很多的热量。

将全球排放量维持在目前的水平直到2056年，暂时还是一个梦想。2056年的世界可能是全新的：所有汽车、飞机等交通工具都是前所未有的类型；绝大多数建筑都是目前尚未建造的全新楼房；决定建筑位置和居民交流方式的社区规划也尚未确定；业主们才刚刚开始规划为社区提供照明用电的发电厂，一切都有希望。如果人们能在能量效率上投以空前的关注，声名狼藉的低效能量系统就会逐渐退出历史舞台。未来几十年，能源领域可能会发生翻天覆地的变化，因为它还有那么多可供发挥的地方。

为了让减少碳排放的任务更加明确，我们将稳定三角7等分，把每一份都当作一个“楔子”，代表从2006年开始的50年中，每年转移排放量10亿吨（把2006年的排放量算作起始点0吨）。例如，一辆车每年行驶1万英里（约1.6万千米），燃料效率是每加仑汽油行驶30英里（即30mpg），每年会释放近1吨碳。交通专家预测，2056年全世界将有20亿辆汽车在道路上来来往往。假设每辆车每年平均行驶1万英里，而平均燃料效率是30mpg，它们的排气管每年将喷出20亿吨碳；如果燃料效率达到60mpg，碳的排出量就会减半，也就完成了一个楔子的碳削减任务。

精打细算

新技术的广泛应用，将帮助我们完成7个楔子的碳削减任务、实现目标。

在我们的计划中，两种预先设定的碳政策将通向两种截然不同的未来，只有比较这两种情况之后，你才能将差异计入楔子。目前对碳排放增长量的预计，早已把碳排放系数的稳步下降计算在内，而我们的目标是进一步降低这个系数。例如，有些人认为，即使社会对碳排放漠不关心，汽车连续发展50年，平均燃料效率也会提升到60mpg，那么，这种进步就不能算作一个楔子，因为这项进步已经被计算在基本的预测之内。

此外，你只能将那些已经实现商业化的技术考虑在内，可以考虑它们的提升空间，但不能把虚无缥缈的“空中楼阁”也算进来。我们设计楔子框架，就是为了设计出务实、有可行性的解决方案——帮助我们主动出击，而不是坐等兵临城下。我们认为，即使有了这两条计算规则的限制，世界同样可以填满全部7个楔子，而且方法还多得很（见下页图表）。不同的国家在同一个国际合作框架下行动，需要确立自己专攻的方向。国家的制度、经济能力、自然资源的占有量以及政策上的偏好，将决定它们会选择实施哪几块楔子。

几乎每一个楔子目标的完成，都需要新技术来降低成本。而且，在新技术的普及过程中，总有新的问题冒出来，需要设法解决。但是我们完全可以达成目标，维持二氧化碳的排放量，同时不影响经济增长。

让传统燃煤电厂的时代彻底结束，是最重要的去碳议程。出于能源安全的考虑（即摆脱对能源进口的依赖），再加上石油和天然气的价格节节攀升，煤炭已经成为一种颇具竞争力的电力和燃料来源。可是，在提供等量电力的前提下，一座燃煤电厂消耗的碳是一座天然气发电厂的两倍。如果不考虑碳排放的问题，今后50年，世界上的煤储量足以让我们再兴建几千座大型（发电量达到10亿瓦）的传统燃煤电厂。700座这样的电厂就能释放出一个楔子的碳。因此，世界各国可以采取一些重大措施，取消建设这些发电厂的计划，来冻结碳排放量。现在就该采取行动，因为未来十年内兴建的设施很有可能会持续使用几十年。

要减少煤发电，提高电力使用效率是最直接的方式。在2056年140亿吨的计划碳排量中，也许将有60亿吨来自电力生产，大部分来自煤。住宅和商用建筑占了全球每日电力需求的60%（美国占其中的70%），将消费大部分的新增电力。因此，通过配备效率超高的照明和电器设备，把建筑用电削减一半，就可以削减两个楔子。如果工业上发现了更有效利用电力的新方法，就可能再削减掉一个楔子。

从源头掐断

能源技术革新、重新分配不同能源的比例将逐渐压低二氧化碳的排放量。

即使技术突飞猛进，能源利用效率不断提高，这个世界依然需要发电厂。发电厂可以继续用煤发电，但它们应该变成智能电厂，学会捕集二氧化碳，并通过管道输送到地下（参见《环球科学》2006年10月号《埋葬二氧化碳》一文）。石油价格居高不下，反而降低了电厂捕集二氧化碳的成本，因为捕集的二氧化碳通常可以卖给石油公司，注入油田内部，挤榨出更多石油；因此，石油的价格越高，捕集就越划算。为了削减一个楔子，我们需要武装800个大型燃煤电厂，捕集并封存这些电厂制造的几乎全部二氧化碳。即使在严格限制碳排放的世界里，采煤业和煤电厂依旧可以运转，这要归功于碳捕集和封存技术（CCS）的发展。

到2056年仍在运转的大型天然气发电厂，也可以捕集和封存它们的二氧化碳，也许可以再完成一个楔子的目标。可再生能源和核能源同样可以发挥作用：直接利用太阳光产生可再生电力，制造太阳能电池，要么通过透镜聚焦，加热流体，驱动涡轮机，水力发电和风力发电的能量也都源自太阳驱动的天气系统。可再生电力的间歇性特点，并不会影响它们削减楔子的能力。即使需要煤和天然气发电厂提供后备电力，它们也只须在部分时间内运转（配合能量贮存系统），相比全年运转时，电厂使用的碳也会相应减少。地热能是地球内部蕴藏的热量，并不是严格意义上的可再生能源，但通常也被归为此类。前面提到的任何一种能源，都可以在现有基础上扩大份额，进而完成削减一个楔子的任务。我们必须注意，不要重复计算可能性；同一个燃煤电厂只能建设一次，所以放弃建设也只能算作一次。

所有楔子策略中，核能发电可能是争议最大的。到2056年，如果全球核电站的整体规模能够扩大5倍，取代传统燃煤电厂，就能再削减两个楔子。如果现在所有的核电站通通关闭，换成没有CCS措施的现代化燃煤电厂，结果可能会增加半块楔子的排放量。核能发电的比例是增还是减，取决于各国政府能否找到处置核废料的解决方案，以及核电站能否安全运转（核电站都是一根绳上的蚂蚱，一座运转状况不佳的核电站会毁掉世界上其他所有核电站的前途）。制定严格的法规，以防民用核技术转化为核武器，也是至关重要的。这些法规必须适用于所有国家，避免双重标准。

2002年，石油排放的二氧化碳占到全球化石燃料排放量的43%，煤占了37%，剩下的是天然气的份额。超过一半的石油都耗费在交通运输上，因此，仅仅削减电力生产过程的碳排放量，并不能填满整个稳定三角，运输行业也必须去碳。与燃煤发电一样，在减少使用、改进功效和能源去碳这三个互为补充的选项中，任何一项都至少能削减一个楔子。人们可以减少不必要的行程（用远程办公代替出差），乘坐更加高效的交通工具出门旅行，这些车辆还可以用低碳燃料来驱动。这些低碳燃料也有多种选择：可以用农作物残渣或专门种植的农作物加工制成燃料，也可以用低碳电力制成氢燃料；甚至可以直接用低碳电力给车载电池充电。低碳电力的来源包括风能、核能，还有经过CCS处理的煤炭。

未来的交通运输系统将更依赖煤炭，从能源安全的角度出发，这个前景无疑非常诱人。如果用于交通运输的燃料可以从煤中提取，而不是石油，这个前景就会成为现实。以煤为基础合成的燃料，即所谓的合成燃料（synfuel），提供了一条降低全球石油需求的途径，不仅节约成本，也减少了全球对中东石油的依赖。但对气候而言，这绝对不是个好策略。一辆合成燃料动力车与一辆汽油动力车释放的二氧化碳相差无几，但合成燃料的制作过程中释放的碳却大大超过从原油中提炼汽油时释放的碳——足以使车辆行驶每英里的排放量翻一番。不过我们可以捕集并封存合成燃料工厂排放的碳，从缓解气候变化的角度考虑，无疑是不幸中的大幸。如果目前的趋势继续发展下去，合成燃料的广泛采用将锐不可当，那么在合成燃料工厂捕集二氧化碳，也可能削减一个楔子。

并不是所有楔子都和新的能源技术有关。如果全世界农民都采用免耕农业（no-till agriculture）取代传统的耕作方式，他们将为削减一个楔子做出贡献。（土壤翻耕会将有机物氧化，释放出CO2，而免耕法用农药控制杂草和病虫害，有助于增加土壤的碳固定。免耕法还提倡把秸杆留在田地里滋养土地，避免了燃烧秸杆造成的污染。）与任由人们砍伐森林、以目前的速率继续砍伐下去的情况相比，全面禁伐可以消减两个楔子。目前甲烷对温室效应的影响是二氧化碳的一半左右，减少这种气体的排放量，也可能削减一个楔子（我们还需要进一步了解家畜、稻谷和水田中厌氧微生物的甲烷排放情况）。降低出生率也是办法之一：比方说目前预计，到2056年，全球人口会达到90亿，但如果到2056年，我们能把全球人口维持在80亿左右，而不是目前预计的90亿人，那么又可以削减一个楔子。

行动计划

如果来自石油的碳排量升高，就要把来自天然气和煤的碳排量压低；如果第三世界的碳排量增长，发达国家就应该减低碳排量……一切都是为了限制大气中二氧化碳的水平。

什么样的策略组合能完成7个楔子的削减？需要明确一点：我们预计，化石燃料体系应该会发生巨变（包括对CCS技术的常规应用），但这些巨变必须依靠一定的制度才能实现，这些制度必须为现在和未来的碳排放制定出适当的价格。按照我们的估计，要想帮助这种转变迅速启动，每吨碳排放的价格必须在100～200美元之间——煤电厂管理方会发现，实施CCS比直接排放更划算。随着技术进步，价格还有下降的空间。在美国，每吨100美元的碳排放价格，与目前美国为可再生能源和核能提供的生产补贴（与煤炭发电）大致相当，是美国给乙醇类能源提供的补助金额（相对于汽油）的一半左右。这个价格也符合2005年到2006年间，欧盟排放交易体系中二氧化碳的排放价格。（3.7吨二氧化碳才包含1吨碳，相当于每吨二氧化碳的价格为27美元。）如果根据碳含量计算，对每吨碳排放收取100美元的价格，相当于对每桶石油加收12美元，对每吨煤加收60美元；再进一步讲，就相当于对每加仑汽油加收25美分，对燃煤电厂生产的每千瓦时电量加收2美分。

但是，仅有一个二氧化碳的排放价还是不够。政府也许需要鼓励低碳技术商业化，增加切实有效的备选技术，丰富我们未来的选择（比如风力发电、太阳能电池发电和复合动力车就是很好的选项）。当然，我们也需要一些政策，防止人们兴建那些与未来政策有冲突，服役生涯又很长的重大设施。例如，现在就应该鼓励人们在兴建燃煤电厂的时候，把CCS技术考虑进去，如果以后再来改造，费用反而更高。同时，另定一套政策，鼓励能源供应商提高能源的使用效率，例如：引导发电厂关注高效电器的安装和维护；促进天然气公司关心使用天然气的建筑；激发石油公司注意采用石油燃料的发动机。

为了把排放量维持在目前的水平，如果其中一类的排放量上升，另一类的排放量就必须下降。比如来自天然气的碳排放量升高了，石油和煤的碳排放量就必须相应降低。如果航空运输的碳排放量上升了，其他经济领域产生的碳排放量就必须下降。如果现在的贫穷国家排放更多二氧化碳，现在的富国就必须减少二氧化碳排放。

减排到多少才算合适？答案显而易见。目前，经济合作与发展组织（OECD）成员国，也就是工业化国家的二氧化碳排放量几乎占到全球二氧化碳排放量的一半，而发展中国家加上前苏联各国才占到了另一半的份额。在一个碳排放总量保持稳定的世界里，OECD成员国继续霸占50%的份额似乎不太公平，因为世界上80％的人口都生活在非OECD国家，他们的能源需求长期受到压制。不过，到2056年，OECD成员国必定还是会占一定的份额。简单算算就会发现，为了保持全球排放速率的稳定，非OECD国家的排放量增长再快，也不能翻番。

我们来看看折中的方案：如果所有OECD成员国都能实现2003年英国首相布莱尔倡导的英国碳排放缩减目标，那么，到2050年，相对于现在的水平，碳排放量将削减60%，而非OECD国家的碳排放量可以提高60％。平均看来，到本世纪中期，非OECD国家的人均碳排放量将达到OECD成员国的一半。与我们此前预计的、没有气候政策、放任自流的未来相比，在这种情况下，不论是富国还是穷国，每个国家的二氧化碳排放量都会大大降低。比如美国的二氧化碳排放量就将降低大约3/4。

如果美国能借鉴，并实现布莱尔提出的目标，那么每个美国人的平均碳排放量将下降到世界平均水平的两倍（现在是5倍）。美国可以采用许多方式来达成目标（见右图）。其他国家也可以效仿。这样相互借鉴，相互配合，最终将降低所有国家的去碳成本。

幸运的是，去碳的目标与消除世界极端贫困的目标并不冲突。各国向世界上最贫穷的人民加速传输电力和现代燃料的同时，确实产生了额外的碳排放量，但是只要在其他方面再削减最多1/5个楔子就可以了。

超越2056

2056年只是我们的第一步目标，接下来的50年、100年都不能放松。整个世界的能源生产和能源效率将逐步提高，电器、交通工具、建筑以及它们的使用方式都会脱胎换骨。

稳定三角只不过是未来50年的策略。我们可以设想，这是一场以50年为一段的接力赛，第一位选手将在2056年把接力棒交到下一位运动员手中。公平起见，两位参赛者的任务难度应该差不多。如果从今天到2056年，我们在科学技术研发方面的投入跟得上发展的脚步，那么，第二位运动员的任务（在2056年到2106年间，将碳排放量在2056年的基础上削减一半）似乎就不会比第一个50年的任务（在2056年以前，将全球排放量稳定在目前水平）更困难。如果这一阶段的成果比较理想的话，将能为后一阶段提供革命性的技术，使本世纪后半叶的工作有个更高的起点。备选技术包括：从空气中直接净化二氧化碳的技术、CCS技术、核聚变发电、核热能产氢，以及人造光合作用等。可以肯定，这些技术中的一种或几种将在第一个50年内及时到位，帮助第一位选手。不过，此前已经提到，不能把这些技术算在计划之内。

如果2056年全球碳排放量真能稳定在今天的水平，那时，我们可以回头看看，自己完成了怎样的一项伟业——在经济行业和发展程度各异的所有经济体中，世界的能源生产和能源效率都将满足消费者的需求。建筑、照明、冰箱、轿车、卡车和飞机全都脱胎换骨。除了物品本身，脱胎换骨的还有我们使用这些物品的方式。

世界仍将保留一套化石燃料能源系统，虽然和目前的规模一样大，却引入了现代控制技术、先进材料和今天几乎无法想象的清洁系统。世界上将出现电力、燃料和热能的综合生产体系；空气污染和水污染大幅度降低；CCS技术得到广泛应用。一套非化石能源系统会与化石能源系统并存，规模大体相当。可再生能源将直接或间接地实现大量生产，从而复兴乡村地区，恢复退化的土地。如果核电扮演了一个重要角色，国际间就会出现一套强有力的执行机制，严防核技术从能源领域向武器领域扩散。经济增长得到延续；穷人和富人都会更富裕。我们的后代将不必耗费如此之多的人力、财力和物力，与海平面上升、高温、飓风和干旱展开天人交战。

最重要的是，人们将学会关注全人类共同的命运，学会共同分享这个星球。