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            碳中和資訊

            碳中和路徑如何選:烏龜,兔子,直升機?

            2022-01-10 碳中和資訊 加入收藏
            隨著世界多國提出各自凈零排放的年份目標,碳減排路徑的終點似乎已經確定。然而減排這條路究竟該怎么走,仍懸而未決。是原地等待的“直升機”,先慢后快的“兔子”,還是循序漸進的“烏龜”?綜合現有研究,本文作者認為,“烏龜策略”,即早行動似乎是更穩妥、更容易也更經濟的近期選擇。

            撰文 | 劉尚煒   邱明昊

            責編 | 馮灝


            近兩年來,中國、歐盟、美國和印度等世界主要排放大國提出了實現二氧化碳或溫室氣體凈零排放的長期目標。歐盟和美國提出在2050年前實現溫室氣體凈零排放,中國提出在2060年前實現碳中和,而印度則提出2070年前實現凈零排放。這些長期目標主要關注實現凈零排放的年份,并未規劃從今天到凈零排放年的減排路徑。

             

            近年來的氣候科學研究表明,全球平均氣溫升幅主要取決于全球累積二氧化碳排放量,且兩者在數十年到數百年尺度上呈近線性關系 [1,2]。也就是說,實現一定的溫度控制目標,最關鍵的是控制全球的累積二氧化碳排放,而不是確定實現凈零排放目標的年份。

             

            統籌設計和優化全球碳減排路徑是氣候變化減緩中最基礎、最重要的研究問題之一。具體地說,碳減排路徑需要在一個橫軸是時間(年)、縱軸是年凈碳排放量的圖上繪制一條碳減排曲線,而如何畫這條曲線會涉及三個相互聯系的問題:

             


            1
            多減排還是少減排(即減排路徑曲線下的總面積)?
            2
            是否允許負排放和過沖(能不能畫到負的象限去,是否選擇黃色路徑即“直升機”策略)?
            3
            早減排還是晚減排(即曲線何時下降以及下降的斜率,選擇綠色還是藍色路徑,也即龜兔策略的取舍)?



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            圖1 碳減排路徑選擇策略示意圖。黃色路徑是賭博負排放的“直升機策略”:近期維持高排放,而后在本世紀下半葉大規模部署負排放技術;藍色路徑是先慢后快的“兔子策略”,不依賴負排放技術的成熟,但是近期不快速行動,之后再迅速減排;綠色路徑是循序漸進的“烏龜策略”,也就是從現在開始就扎實推進碳減排,漸進地推向凈零排放 | 制圖:王若男/知識分子




            多減排還是少減排:

            尋找溫度目標的最優解



            多減排和少減排關注的是全球累積二氧化碳排放量,而全球累積二氧化碳排放量又和全球氣溫升幅控制目標有關。《巴黎協定》為全球氣候治理提出的長期溫控目標是 “把全球平均氣溫升幅控制在工業化前水平以上的2度之內,并努力將氣溫升幅限制在工業化前水平以上1.5度之內” [3]。1.5度目標和2度目標雖然只差0.5度,但是兩者的氣候影響和減排難度完全不同。

             

            從長期的氣候影響看,2度目標下,熱浪、干旱、海平面上升、洪水、生物多樣性減少等自然風險都明顯高于1.5度。以熱浪為例,在1.5度溫升下,全球每五年至少經歷一個嚴重熱浪的人口估計占全球總人口的14%,但是在2度溫升下,這一比例會大幅升高到37% [4]。從宏觀經濟的角度看,勞動生產率、農業產出等經濟的主要要素和溫度的關系都存在一個倒U型的曲線。一旦溫度升高超過 “最適溫度”(拐點),溫度升高會對全球經濟產生非線性的負面沖擊。經濟學家估計,2度溫升下全球GDP的損失量可能是1.5度溫升下的2倍 [5]。

             

            另一方面,從短期減排的要求看,1.5度和2度目標下的減排難度也是天壤之別。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告和全球碳計劃(Global Carbon Project)的計算 [2, 6],從2022年算起,1.5度目標剩余的碳預算只有420 Gt,相當于目前11年左右的全球碳排放;而2度目標的剩余碳預算仍有1065 Gt,相當于目前28年左右的全球碳排放,2度目標的剩余碳預算是1.5度目標的2.5倍。因此,達成1.5度目標所需要的減排力度、資金投入和轉型難度都是2度目標的數倍。

            微信圖片_20220110112344.jpg

            圖2 1.5度目標和2度目標下全球碳預算(單位:十億噸 (Gt)二氧化碳)。1.5度目標的碳預算對應50%的可能性。2度目標的碳預算對應67%的可能性(與巴黎協定“well below 2 degree” 一致)。數據來源:2021全球碳預算[6], IPCC 第六次評估報告[2]

            合適的溫升控制目標(也即累積二氧化碳排放)需要在長期氣候變化的自然風險和短期系統減排的轉型風險之間小心平衡。無論對于科學家還是氣候政策制定者,這都是一項非常困難的工作。以IPCC報告為例,氣候變化的研究被分為自然科學基礎、影響適應和脆弱性、氣候變化的減緩三個部分。雖然這種分類在邏輯上沒有問題,但會導致這三部分的工作相對獨立,更難將三部分研究匯總起來評估不同溫升控制目標的氣候影響和減排難度。目前發表的其他學術論文和智庫報告也類似,大多數要么關注減排難度,要么關注氣候影響,鮮有統一整合兩者的。

             

            一些氣候經濟學模型嘗試用經濟學的方法找到所謂“最合適”的溫升控制目標,即在此溫度氣候變化造成的負面影響,等于為控制溫度在這一水平繼續減排所需付出的經濟成本(邊際相等)。這一類模型的代表是耶魯大學環境經濟學教授、2018年諾貝爾經濟學獎獲得者威廉·諾德豪斯(William Nordhaus)團隊開發的氣候與經濟動態綜合模型(Dynamic Integrated Climate Change, DICE)[7]。然而,因對氣候變化的危害和減排成本估計高度不確定,此類模型一直飽受爭議 [8]。

             

            近年來,更多研究拓展了 “減排成本” 的概念:在減排所需的系統成本之外,將快速減排導致的就業損失、食品和能源價格波動、高排放行業沖擊等納入考慮 [9]。但是,將如此眾多的因素同時納入模型,在實際操作中其實面臨深層次的挑戰,比如,迥然不同的減排收益和風險,能否放在天平的兩端比較?(例如,X%生物多樣性的破壞等于Y位煤電廠工人下崗)

             

            我們也許永遠無法知道究竟哪一個溫控目標是真正的 “最優解”。但是我們可以估計全球氣溫升幅對于人類的安全范圍:至少如果人類持續當前的高排放發展模式,氣候變化必然會對人類發展產生極端不利的影響。因此盡管 “最優解” 無法獲得,人類仍應盡快行動控制全球溫升以避免災難性的后果。


             


            是否等待大規模負排放:

            一場人類命運的賭博




            除了確定長期溫控目標(累積排放量),另一個重要問題就是規劃排放的時間分配,而這就需要對在多大程度上利用負排放技術做出選擇。

             

            負排放技術指的是把二氧化碳從大氣中移除的一類技術,如生物能結合二氧化碳捕獲和封存(Bioenergy with carbon capture and storage,BECCS)以及凈農業、林業及其他土地利用(Agriculture, forestry and other land use, AFOLU)等。

             

            負排放技術的出現提供了新的減排可能:即在前期可以放緩減排步伐、甚至多排放一點,短期內超過既定的溫度目標(稱為“過沖”,英文為“overshoot”),而在后期大規模利用負排放技術吸收大氣中的二氧化碳,讓溫度再降下來。如圖1中的直升機策略,短期超過1.5度對應的碳預算,使溫度升高到1.6度或者更高,之后再利用吸收大氣中二氧化碳的技術,使溫度數十年內再回到1.5度。

             

            絕大多數綜合評估模型(Integrated assessment models, IAMs)設計的減排路徑都偏愛負排放技術。IPCC第五次評估報告利用綜合評估模型計算得到的最優減排路徑中,負排放技術對于實現1.5度和2度目標都很關鍵。在它們設計的路徑中,實現1.5度和2度目標在本世紀所需要的累積負排放量在400-1600 Gt和250-1150 Gt的范圍;作為比較,全球當前一年的碳排放只接近40 Gt [10]。如果采用這些模型得出的路徑,全球必須在本世紀下半葉大規模地部署負排放技術去彌補近期減排的不足。

             

            之所以這些綜合評估模型偏愛負排放技術,并不是因為利用負排放技術減排一定最有效、成本最低,而是因為這些模型的假設。這些模型往往假設:




             1  負排放技術未來能夠發展成熟并被大規模利用;

             2  因為貨幣的時間價值,同等的錢在未來更不值錢(折現率),晚減排天然就比早減排成本低;


             3  模型把1.5度和2度目標闡釋為到本世紀末(即2100年)實現對應的溫升控制,但對于目標的具體實現路徑不做約束,也即允許過沖存在。


             

            對于如何解讀這些大量依賴負排放的技術路徑,目前也存在不同觀點。

             

            一方面,一些研究者提出將負排放技術作為保險政策或兜底政策。即在碳減排達不到預期的情況下,利用負排放技術降低大氣中二氧化碳的濃度,以避免災難性的氣候事件。而另一方面,很多研究者認為負排放技術依然很不成熟,對環境和人類社會有許多未知的影響。正如《科學》雜志2016年發表評論所指出的那樣,“負排放技術不是一種保險政策,而是一場不公正和高風險的賭博” [11]。

             

            以生物能結合二氧化碳捕獲和封存為例,即使成本在未來不斷下降,這種新技術的大規模部署對于土地利用、糧食生產、生物多樣性等問題會形成怎樣的影響,仍未可知。

             

            此外,依賴負排放技術的道德風險也非常明顯,因為負排放賭博成功帶來的收益和失敗導致的后果,存在強烈的分配上的不平等。如果負排放技術這場賭博成功,受益的會是全世界,或者更有可能是開發那些技術的發達國家;但如果賭博失敗,遭受氣候變化重創的則更多是小島嶼國家和熱帶的發展中國家。

             

            為解決模型中不合理的假設而導致的對負排放的偏愛,《自然》2019年發表的一篇論文提出,綜合評估模型應該重新闡釋1.5度和2度目標,不再只關注本世紀末的溫升幅度,而要對最高溫升(peak warming)有所限制,從而減少對負排放的依賴 [12]?;谶@一思路,最近的一些研究也表明,盡早減排而不是依賴負排放技術(即選擇藍/綠路徑而不是黃色路徑),可能是實現全球氣候目標更好的選擇。

             

            從經濟學意義上看,盡早減排還是依賴未來大規模部署負排放技術首先是一個減排投資時間偏好的問題。如果早減排,那么我們現在就需要加大低碳技術的投資,但未來就不需要部署大量的負排放,可謂 “近期花錢,遠期省錢”;相反,如果現在不大力投資低碳技術的開發和利用,將來就可能需要部署大量的負排放技術,所以是 “近期省錢,遠期花錢”。研究表明,選擇早減排來實現1.5度和2度目標,會導致近期全球GDP分別損失0.5-4.8%和0.1-1.6%,但是因為避免了負排放技術未來的大規模投資,遠期收益的絕對值會高于近期的相對損失 [13]。

             

            除了投資的時間分配,另一個重要問題就是 “過沖” 的自然風險。最近發表在《自然-氣候變化》的一篇文章就指出,1.5度目標下如果允許過沖溫升到1.55-1.66度,會大幅增加氣候變化相關的自然風險 [14]。特別是類似熱浪這樣的極端天氣存在一個長尾分布,意味著雖然平均溫度只升高一點,但是極端熱浪會顯著地變得更頻繁、更漫長。而且這些影響因為過沖的存在會持續幾十年時間,直到負排放技術成功地把地球溫度再次拉回1.5度才停止。

             

            因此,是否允許對沖也需要平衡減排投資成本和 “過沖” 自然損害成本。研究發現,由于路徑優化和自然損害的貨幣化存在巨大不確定性,很難完整比較哪一種路徑更經濟 [14]。尤其是對于1.5度這樣難度很大的減排目標,過沖和不過沖哪個更好很難判斷。但是對于1.8-2.0度這些相對寬松的目標,早減排的收益一般更大;而且因為目標更寬松,實現這些目標也基本不需要或者只需要很少的過沖。

             




            早減排還是晚減排:

            龜兔賽跑背后的頂層設計




            如果給定允許的累積排放量并不允許過沖,早減排和晚減排孰優孰劣呢?

             

            在不允許過沖的前提下,達成1.5度目標需要2030年碳排放減半,2050年左右達到碳中和;2度目標則需要2030年碳排放減少25%左右,2070年左右達到碳中和 [4]。為了達到1.5度或是2度目標,不允許過沖的早減排和晚減排都需要在本世紀中葉左右達到凈零排放。因此,這時早減排和晚減排的區別不在押注未來會否產生革命性技術,而更像是在未來20-40年的尺度上進行 “微操”。

             

            在這個意義上,早減排是指從今天開始行動,循序漸進地減排,直到本世紀中葉達到凈零排放;晚減排則是指在短期內不下大力氣減排(甚至允許碳排放進一步增加),未來進行更為激進的減排。早減排路徑可以為后期的減排爭取一定的空間,但卻可能在近期面對更大的減排壓力和社會經濟系統的轉型風險。

             

            2020年12月發表在《自然·通訊》的一篇論文用“龜兔賽跑”比喻這兩種減排路徑 [15]。

             

            研究者設計了在2度目標下歐洲電力和供暖兩個行業的減排路徑。一種早而緩的減排路徑(烏龜策略)要求從今天開始減排,并在五年之內減少碳排放約30%,并最終在2050年達到凈零排放;另一種晚而急的路徑(兔子策略)則允許最近五年的碳排放幾乎不變,但是要在隨后快速減排,最終在2040年達到凈零排放。

             

            該研究發現,同樣是實現2度目標,龜路徑的減排成本要比兔路徑低5%。這主要是因為,在研究涉及的電力和供暖兩個行業中,電力行業的減排是相對容易和便宜的(因為風電和光電成本的大幅度下降)。因此,盡管烏龜策略短期(近五年)之內面臨的減排壓力很大,但其所需額外付出的減排成本并不是非常高;與之相反,由于兔子策略在一開始過快地透支了剩余碳預算,因而不得不在2040年前就要達到凈零排放。而2040年時減排的任務已經從減排更為容易的電力部門變成了減排更難的供暖部門,兔子策略由此要付出的額外成本更大。

             

            這篇研究進一步討論了早減排比晚減排的優勢所在:好鋼要用在刀刃上,寶貴的碳排放額度要留給那些更難減排的經濟部門和生產活動。由于氣候變化問題的緊迫性,世界不應該將寶貴的剩余碳排放預算 “浪費” 在我們已經知道如何減排的部門上(如文中所提到的歐洲的電力部門)。只有早行動,將碳排放額度省出來,我們才能為難減排的部門和活動爭取一定的減排空間。

             

            在歐洲這個例子上,早減排換來的成本減少并不顯著(5%)。這主要是因為在文中的框架里,歐洲這兩個行業的減排技術(風電、光電、熱泵等)已經基本成熟,未來成本下降的空間不大。但是對于世界上的其他國家來說,早減排可能帶來新的機遇:早減排省下的碳預算可能可以換來技術學習和進步的時間,也可能等來形成氣候變化應對政治和社會共識的良機。同時,如果推遲減排,可能會導致一些高碳排放的基礎設施(如煤電廠)新建。這些新建的高碳排放的基礎設施往往需要運行幾十年的時間,將為后期進一步減排提出更大的挑戰 [16]。


             


            從碳成本到碳機會

            利用好早減排的窗口期




            在現實氣候政策中,最優減排路徑更像是一個偽命題,真實的減排不會 “畢其功于一役”,也沒有一張藍圖可以干到底??茖W研究需要全面地識別和估計不同轉型路徑下的自然、經濟、社會和政治風險,從而為決策者的靈活應對提供完整信息。此外,每一條曲線背后都是不同的技術路線,不同的技術路線對應著不同的投資需求、環境影響和社會效應。對目前氣候政策最有價值的部分仍是要關注尋找不確定性中的確定性,尋找當前最值得做也最應該做的那些無悔(no-regret)或是穩健(robust)的氣候政策。

             

            我們的討論指出,考慮到目前氣候變化的緊迫性、能源技術的快速進步以及負排放技術的巨大不確定,早行動似乎是更穩妥、更容易也更經濟的近期選擇。

             

            目前而言,各個國家的氣候政策顯然沒有跟隨早減排的思路,研究普遍表明,如果各國按照目前2030年國家自主貢獻所提出的氣候減排強度,全球長期溫升仍會超過2度;即使是最好的情況,也就是各個國家完全兌現在本世紀中和下半葉的凈零排放承諾,全球溫升預期也在1.8度左右  [17,18]。雖然我們可以對過去二十年來氣候行動的成果感到欣慰——人類已經離最糟糕的氣候災難情景足夠遠,但我們同樣應該知道,改善仍有空間——人類離最好的氣候情景還有相當長的一段路。

             

            對于中國,“早減排” 和 “晚減排” 討論的現實政策意義是未來十年也就是十四五和十五五時期中國二氧化碳排放的達峰時間和峰值的高度問題。中國未來十年的碳減排行動,無論對于中國長期的碳中和目標,還是對于全球實現巴黎協定的溫升目標,都非常重要。

             

            清華大學氣候變化與可持續發展研究院常務副院長李政指出,碳達峰和碳中和的雙碳目標存在 “此快彼快,此低彼易,此緩彼難” 的辯證關系,實現雙碳目標要秉承 “不拖、不急” 原則,“不急” 是以 “不拖” 為前提和先決條件的 [19]。

             

            最近發表的關于中國碳減排的研究也指出,中國如果要走上符合1.5度和2度要求的減排路徑,碳排放的峰值必須盡早達到而且峰值較低 [20,21]。中國因此也面臨著一個龜兔賽跑的選擇:如果未來十年不大力控制碳排放,之后三十年的碳減排難度就會大幅增加。為了避免浪費未來十年的減排戰略機遇期,中國需要加強雙碳目標的頂層設計,加快出臺二氧化碳排放總量控制方案,明確對2030年前碳排放達峰的時間和高度的預期。

             

            總的來看,制定碳減排路徑是一個在巨大不確定性中小心平衡的任務,正如美國著名生物學家E.O. 威爾遜指出的那樣 [22],環境問題之所以很難解決,其根源在于短期價值和長期價值的沖突。對于一個人,一個國家,選擇近期的價值判斷并非難事;而如果討論長遠的未來,全球也容易形成一些人類的共同價值。然而將兩者統一起來卻非常困難;解決環境難題就是需要把這兩者結合起來,創立統一的、全人類的環境倫理框架。圖片


             
            注1:感謝Denise Mauzerall、劉泓訊對本文的討論。
            注2:E.O. 威爾遜于2021年12月26日去世。


             


             作者簡介 
            劉尚煒為普林斯頓大學公共與國際事務學院博士生,邱明昊為斯坦福大學地球系統科學系博士后。


            (本文轉載自“知識分子”公眾號,侵刪)

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