諾獎得主威廉·諾德豪斯：低碳經濟的挑戰與前景

本文摘編自《綠色經濟學》，作者：[美]威廉·諾德豪斯 著，36氪經授權發布。

進入工業革命以來，世界平均氣溫正在逐步上升，全球變暖已成為了氣候變化的共識。對於人類來說，如何遏制或減緩全球變暖，成為了我們人類當前最需思考的問題。氣候變化關乎人類未來的生存與發展，氣候風險已然成為全球面臨的最大風險。

隨著氣候變化問題的尖銳化，氣候治理已成各國提升全球影響力、彰顯國際領導力的新槓桿。目前，包括中國在內的110個國家作出到21世紀中葉實現碳中和的重大承諾，以期控制全球溫度的上升。一場重塑低碳經濟規則的國際競爭已開始。各國為實現碳中和的目標，紛紛進入到應對氣候變化和發展低碳經濟的快車道，但對新興綠色低碳產業的行業認定、包括減排在內的各類低碳標准制定、包括碳交易在內的各款綠色規則約定、包括綠色金融在內的各種市場准入門檻等，都面臨著新一輪的國際博弈和談判進程。

諾貝爾經濟學獎得主威廉·諾德豪斯在新書《綠色經濟學》中指出，低碳經濟轉型面臨著一系列挑戰，尋找到有前景的技術能夠促進低碳經濟發展的巨大機遇。

低碳經濟的挑戰

讓我們從經濟脫碳的挑戰開始。許多國家氣候政策的目標之一是將全球變暖限制在2℃以內。計算結果表明, 為達成這一目標, 需要在2050 年左右實現全球二氧化碳和其他溫室氣體的零淨排放, 這是一個非常遠大的目標。事實上, 近年來, 全球二氧化碳排放量一直在增長, 而不是在下降。當今世界80% 的能源來自化石燃料, 其中大部分用於房屋和發電廠等長期資本。可想而知, 到2050 年實現零淨排放的挑戰會有多大?

故而問題的答案也很簡單, 這一目標就是極不可能和不可行的, 除非我們在未來30 年內替換絕大部分的世界資本存量。一些研究對實現上述目標帶來的經濟影響進行了評估。能源建模論壇的一項重要研究用一系列模型和不同的技術假設考察了實現2℃目標所需的成本。在最樂觀和最不樂觀的技術假設下, 成本(將損失折現為2010 年的現值) 從40 萬億美元到500 萬億美元不等。6其他研究同樣表明, 如果沒有全球政策的劇烈變化和極快的技術變革, 2℃的目標是不可能實現的。

有前景的技術

考慮到實現低碳經濟所需的巨大轉型規模, 哪些低碳能源才是真正有前景的? 這是當今科學家和工程師的一個主要研究領域, 而我們只能進行一些淺嘗輒止的討論。不過, 簡單的分析就能說明這一轉型的性質。我們可以從美國目前和未來不同發電方式的成本入手。表18. 2 顯示了能源信息管理局的估計, 為我們提供了有關美國能源的最好數據。8該表顯示了當前和未來技術下, 每1 000 千瓦時電的成本。這三列數字為包含了三種不同碳價(或碳稅) 的發電成本。第一列顯示了美國和大多數國家每噸二氧化碳為0 美元時的發電成本, 這意味著沒有氣候政策。後兩列顯示了低碳價和高碳價的影響。較低的是美國政府推薦的價格(每噸二氧化碳40 美元), 而較高的是與積極減排目標相一致的價格(每噸二氧化碳200 美元)。

有三組情形需要考慮:

• 第一組是現有的發電廠。對於這些企業來說, 資本已是沉沒成本, 因此唯一的成本就是燃料和其他當期成本。

• 第二組是當前可用的技術。

• 第三組是正在開發的技術。有些技術正在開發進程中(如下文所述的高級聯合循環), 而另一些技術則需要經歷多年的開發和測試環節(如高級核能)。

• 最後一行顯示的是目前的平均發電成本為每1 000 千瓦時41美元。

首先在沒有氣候政策(碳價為0 美元) 的背景下考慮最劃算的現存技術。在目前41 美元的平均成本下, 表18. 2 中所示的四種現存發電技術都是劃算的。

在碳價為40 美元時, 在第二組的新電廠和當前技術中, 前三種技術都較為劃算, 但由於監管成本的影響, 傳統煤炭變得不經濟了。其中的主導技術是天然氣(傳統聯合循環) 和陸上風

電。事實上, 這些是過去幾年中增長最快的能源。

接下來, 讓我們看最後一列, 它顯示了在強有力的氣候政策和200 美元碳價下的電力成本。目前, 唯一成熟的低碳技術是可再生風能和太陽能。如果將碳價計算在內, 煤炭和天然氣電力的成本是目前成本的3 ~ 5 倍。然而, 可再生能源發電不僅在技術(如負荷曲線) 上有嚴重缺陷而且其長期供應也有局限。還要注意的是, 用可再生能源發電替換當前的電力結構將是一項無比艱巨的任務, 因為可再生能源發電只佔總發電量的一小部分, 2018年, 它僅貢獻了總發電量的大約10%。

如果我們著眼於未來的技術, 也許可以考慮以下兩項技術:配備碳捕存的天然氣聯合循環, 以及高級核能。此類技術的發電成本大約是當前發電成本的兩倍, 但從理論上講, 它們可以滿足整個經濟體的需求。此外, 它們距離大規模使用還有很長的路要走。目前還沒有大型發電廠使用配備碳捕存的天然氣聯合循環技術, 抑或高級核能技術, 因此大規模引進這些技術需要時間。

表18. 2 值得仔細研究, 它僅僅顯示了電力這一個行業向零碳經濟轉型過程中必須克服的主要挑戰。主要結論如下: 第一, 未來零碳目標下, 能源成本將遠高於今天的生產成本。其次, 為實現零排放, 國家需要替換絕大部分的電力資本存量。再次, 最優的長期解決方案是開發新技術, 但其高昂成本勢必會給各國的監管和經濟體系帶來極大負擔。

但終究, 我們需要謹慎看待上述所有估計, 因為我們無法預見遙遠的未來和諸多領域迅速發展的科學技術。因此, 我們必須為新的可能性做好準備。更重要的是, 我們需要鼓勵基礎科學和

應用科學研究, 並確保市場能為發明家和投資者提供合理的激勵, 以促進新低碳技術的發現和引入。接下來, 本章的最後一節便著眼於此, 探討政府推動低碳創新的政策。

推動低碳創新

大多數關於能源和環境的決策都是由私人企業和消費者根據價格、利潤、收入和習慣做出的。主要的能源決策是在市場供求的背景下做出的, 政府只能通過監管、補貼和稅收來影響決策。

當我們想到能源和環境決策時, 我們通常會想到新車、新電器, 或者翻新我們的房子和工廠。所有這些都發生在現有的設計和技術下。然而, 正如本節所示, 從長遠看, 轉向綠色經濟還涉及有關新技術和目前未開發技術的關鍵決策。例如, 快速脫碳要求我們的發電技術發生重大變革, 包括上文提及的碳捕存等全新的技術。

技術變革是如何產生的? 答案是, 通常通過個人的才智和堅持不懈、經濟激勵、公司結構以及市場需求的復雜互動而產生。例如, 太陽能很好地說明了大多數基礎發明的曲折歷史。故事始於1839 年, 當時年輕的法國物理學家埃德蒙·貝克勒爾(Edmond Becquerel) 在試驗電解電池時偶然發現了光生伏特效應。1905 年, 阿爾伯特·愛因斯坦解釋了光電效應背後的物理原理, 並因此獲得了諾貝爾獎。

在貝克勒爾的重大發現之後的一個多世紀, 光伏電池才得到了它的第一次重要實際應用。貝爾電話實驗室的科學家在20 世紀50 年代中期研發了太陽能電池, 多國政府也參與其中, 因為它們意識到太陽能在太空衛星和偏遠地區的應用潛力。自那以後, 太陽能技術蓬勃發展, 應用於太空衛星、房屋上的小型太陽能板和大型太陽能發電廠。到2020 年, 太陽能的效率(單位太陽能的照明能量) 從第一批太陽能電池的4% 提高到目前最佳應用的47% 。自第一批太陽能電池問世以來, 其成本已大幅下降。圖18. 5 顯示了光伏組件的價格變動趨勢, 自1976 年以來, 光伏組件的價格以每年10% 的速度下降。回顧表18. 2 的內容, 在碳價適中的情況下, 太陽能光伏發電可同當今最劃算的燃料發電競爭。

讓我們回到綠色創新的雙重外部性問題。低碳技術的投資受到抑制, 是因為創新的私人回報低於社會回報; 由於碳的市場價格低於其真正的社會成本, 私人回報進一步受到抑制。

我們對低碳技術的討論表明, 低碳或零碳世界將需要碳捕存等新技術。碳捕存到底是什麼? 下面的描述基於麻省理工學院工程師和經濟學家團隊的一項嚴謹研究。基本思想很簡單。碳捕存是指在化石燃料燃燒時捕獲其排放的二氧化碳, 然後將其運輸並儲存在某個地方, 在那裡保留數百年, 因此這些二氧化碳不會進入大氣。

我們以煤炭為例, 因為煤炭是存量最多的化石燃料, 也是需要大規模使用碳捕存的主要候選能源。工程師們認為, 相比美國目前的天然氣價格, 使用配備碳捕存的天然氣成本會更低, 不過煤炭的基本原理與天然氣相似。

我們可以將煤假設為純碳, 從而可將基本過程表示為化學反應:

碳+ 氧氣→作為熱量的能量+ 二氧化碳

因此, 化石燃料燃燒得到了合意的產出(可用於發電的熱量) 和不合意的副產品二氧化碳。

關鍵便是在二氧化碳分子進入大氣之前將其捕獲。目前, 二氧化碳分離技術已在石油和天然氣田中投入使用。然而, 現有技術只能小規模操作, 尚不足以應用於大型燃煤發電廠。一種有前景的技術是配備碳捕存的集成氣化聯合循環(IGCC)。這一過程將從煤粉開始, 將其氣化生成氫氣和一氧化碳, 然後使一氧化碳反應生成高濃度的二氧化碳和氫氣, 用溶劑分離二氧化碳, 將之壓縮, 然後運輸到指定地點儲存。這些流程看起來十分煩瑣, 的確如此, 但它們並不比目前使用的煤炭發電技術復雜多少。

碳捕存的主要問題是成本和存儲。碳捕存對電力成本的影響如表18. 2 中最後一組技術所示。引入碳捕存後, 高級聯合循環的成本增加了63% (從每1 000 千瓦時41 美元增加到68 美元)。二氧化碳捕獲是整個碳捕存過程中成本高昂的部分, 但運輸和儲存可能更具爭議性。一個問題是儲存介質的規模, 最合適的儲存地點是地下多孔岩層, 如枯竭的石油和天然氣田。另一個問題是洩漏的風險, 這不僅會降低項目的價值(因為二氧化碳會進入大氣), 還會對健康和安全形成威脅, 我個人認為, 最好的選擇是在深海中使用重力儲存, 如果比水重的二氧化碳沉積在深海, 則會在那裡停留好幾個世紀。

目前, 碳捕存的大規模使用尚面臨許多障礙。要做出實質性的貢獻, 每年需要捕存數百億噸二氧化碳, 但目前每年僅捕存2 500 萬噸。這意味著需要將現在的規模擴大近1 000 倍。此外, 關於地下儲存性能的數據不足, 需要豐富的經驗來確保科學性和公眾的可接受性, 否則, 人們會持續為捕存的二氧化碳噴發造成的巨大、不可預見的損害而擔驚受怕。

與其他許多大規模和資本密集型技術類似, 碳捕存似乎也陷入了一種惡性循環。由於一些強化因素(reinforcing factors) 的惡性循環, 企業不會大規模投資碳捕存。它有財務上的風險, 公眾接受度低, 大規模使用不僅面臨巨大的監管障礙, 且缺乏經驗。打破這一惡性循環是公共政策面臨的重大困境, 這一點與其他新的大規模能源系統無異。

這裡的關鍵點是外部性的價格對創新激勵的影響。假設目前可以按每噸100 美元的成本消除二氧化碳。如果二氧化碳的價格為零, 那麼工廠就會賠錢。如果知道二氧化碳的價格將永遠為

零, 任何利潤驅動型企業都不會對消除二氧化碳進行投資。

然而, 假設一家企業認為, 全球將實施一項雄心勃勃的應對氣候變暖的政策, 如表18. 2 最後一列所示, 在這項政策中, 碳價將在幾年內上升到每噸200 美元。按照這個價格, 企業估計投資碳捕存將是有利可圖的。該企業將以每噸100 美元的成本捕存二氧化碳, 卻可以以每噸200 美元的價格出售給政府。企業會謹慎行事, 考慮不同的方法, 但它們會有經濟理由投資這項技術。同樣的邏輯也適用於太陽能、風能、地熱和核能的投資。事實上,同樣的觀點可更廣泛地適用於各類綠色創新。

本文得出兩個主要結論。第一, 當今面臨的許多綠色挑戰都呼籲深刻的技術變革, 無論是科學、工程還是制度層面的。我們在討論電力行業零碳發展的潛在技術時看到了這一點, 在這一領域, 亟待大規模應用的技術尚待開發。

第二, 實現綠色目標的進程取決於利潤驅動型企業的創新行為, 而這反過來要求對企業提供適當的激勵, 使其創新活動有利可圖。這可以通過確保主要外部性的內部化來實現, 比如為污染定價。例如, 碳價必須高到使低碳技術投資能夠獲得切實可靠的財務回報。沒有高碳價, 創新者和企業沒有動力投資低碳技術。因此, 對外部性的補救措施可以進一步推動未來綠色新技術的發展。

我們可以把這些觀點放在更廣泛的情境中。美國可能擁有最優秀的氣候科學家, 他們能開發出最有技術含量的氣候變化預測模型; 它可能也擁有最頂尖的材料科學家, 他們可以在二氧化碳產生過程中的各個環節高效地作業; 它還可能擁有最聰明的金融奇才,他們可以開發出新的金融衍生品為所有這些投資提供資金……但是, 如果碳價為零, 那些前途光明但成本高昂的低碳技術項目將在進入一家利潤驅動型企業的董事會討論之前便已夭折。

書名：《綠色經濟學》作者：[美]威廉·諾德豪斯，出版社：中信出版集團

作者簡介

威廉·諾德豪斯（William D. Nordhaus），2018年諾貝爾經濟學獎得主，耶魯大學經濟學斯特林講席教授。美國國家科學院和美國藝術與科學院院士。他被經濟學界評為“美國最有影響的50名經濟學家之一”。出版過多部著作，與薩繆爾森合著經典教材《經濟學》。

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