朱云来:气候变化和双碳经济

2022年中国国际服务贸易交易会

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9月1日上午,2022年服贸会首届气候经济高峰论坛在北京举行。金融专业人士、中金公司原总裁兼首席执行官朱云来围绕“气候变化和双碳经济”作专题报告,探讨如何用气候科学原理,结合经济学测算与工艺技术进步,创造新的、更健康的双碳产业经济机会。


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中金公司原总裁兼首席执行官

朱云来

以下是发言全文:

大家好,今天非常高兴受邀参加首届气候经济高峰论坛。何为是气象?空气的形象吗?气象以多变著称,所以叫气象万千。如何理解气候?我想气候就是长期平均的气象。我和气象圈内同仁有过一些讨论,包括对气象科学本身和人类经济发展的问题,我们面临未来的气候变化应该采取什么措施,会有什么样的经济影响等等。下面跟大家分享一下我们的初步交流研究。

首先来看下面两张图,其中有很重要的两个基础观测。上图(黄线)为碳浓度,从1850年到现在大概是170多年的历史,上面的插图是最早在夏威夷的大气二氧化碳观测,内部有一个小的波动是联动的月度频率周期,外图是年度平均数的展示。下图是人类从1850年开始二氧化碳排放记录。大家知道世界第一次工业经济博览会在1851年,代表着工业革命的开始,西湖博览会在1929年,大概是1850年后面的七八十年的样子。

工业革命其实肇始于1776年左右,也就是说1850年的工业博览会是在工业革命开始的近80年之后,当时已是工业体系初步形成,其影响已开始显现的阶段;这个阶段全球碳排放也就每年2亿吨,而现在已经是每年362亿吨。

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如果把刚才那两条曲线合并,我们可以看出来碳的排放和碳浓度的增加趋势是非常一致的。从1850年到2021年,碳浓度从285提高到417,这两点的差值可以看成碳从1850年以后的升幅,碳浓度增加132个PPM,比较同期的温度升幅为1.28度,这与刚才翟先生图中结论也很一致。这些研究证明可能就是人类而不是其它的自然因素造成的碳浓度提高、全球变暖。碳浓度和温度的升高,幅度也非常吻合。

去年诺贝尔物理学奖的结果就是说如果碳的浓度升高一倍温度要增加3度,按照我们现在实际的观测,相当于实际上我们升高了45%,温度增加了3度的45%,就是大概1.3度与上面说的1.28度温度升幅很接近。刚刚翟先生讲的1.5度,相信这条曲线如果再继续往上延伸很快就会到1.5度。

不了解气象的人也许不一定理解为什么1.5度这么重要,但今年夏天咱们国家南方的高温,全世界范围内的酷热山火等恶劣天气已经在给大众普及温度提高、气候变化的后果。事实上,如果不采取措施,很快就会升温达到甚至超过1.5度,恶劣高温天气越来越多,包括其他灾害频度、强度都在提升,我们的生存环境将变得非常恶劣。

当前,人类遇到探寻可持续发展路径的问题。刚才解振华先生讲了一个现象,过去发展中国家不太愿意减排,要想发展就要有能源,限制排放的话担心发展可能受到影响,而发达国家已经发展到一定程度了,开始关心环境、生活质量、未来子孙,所以他们愿意更快地减排。

但是现在情况一变它又调过来了,发达国家面临衰退挑战更大,又怕对经济造成影响,它对减排承诺在回缩。世界各国有不同的利益发展观点、思考角度,这个可以理解。但我想起有一本书的题目叫做《只有一个地球》,因为我们都生活在这个地球上,最终这个地球会影响到我们每一个人。

因为大家都生活在一个地球上,天气是绕地球不断地传导,相互影响。气象必定与世界各国都息息相关,而要想防范气象灾害也是要相互联系,分享经验,合作共赢。无论是哪国过度碳排,最后结果都是全人类来共同承担。

那么,气候变化的问题有没有出路呢?它是有可能通过科学的来解决。

我下面讲的内容也正是从科学到经济,经济的发展以及对推动技术实现的作用,让我们一起重新认识生活的环境,找到可持续发展的道路。

刚才讲了碳排放碳浓度的关系,下面这张图我称它“澡盆原理”。排放600多亿吨,最后折算每年6.9个ppm,就是百万分之一的浓度水平。但是碳浓度每年上升2个ppm。

为什么人类工业活动释放到大气里面的碳有6.9ppm,但是大气中碳浓度最后只升高了2.0ppm。这背后的道理就像这个水池子一样,排放相当于水龙头不断地往澡盆里灌水,水位就会上升,但是如果这儿有一个下水道是开着的,有一部分在往外流,这里面的水位升高就会比进水的量要小一点。

既然排了6.9ppm,但是只上升了2.0ppm,说明漏掉了或是被吸收掉4.9ppm,那这4.9ppm上哪儿去了?

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我们发现三个最重要的地球系统:大气、海洋(就是水),还有生物圈(主要是植物),放到大气里面的碳有一部分会融在水里面,因为二氧化碳的分压提高,向水里面的溶解增加,剩下还有一部分是被绿色植物吸收了的二氧化碳,所以又少掉一部分,再剩下一部分吸收不掉的就是这个黄的,就是最后排在大气里的。

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其实排放到海洋的二氧化碳相对不多,但这个其实更可怕。因为二氧化碳溶解在水里就变成碳酸,碳酸的浓度不断在提升,而珊瑚、贝壳类等海洋生物本质都是碳酸钙,随着海水酸性的提升,这些生物都会遭到毁灭性的打击,这将是对环境巨大的变化。可能人类不生活在海洋中,对海洋酸化感受不直接,但是迟早我们都会受到它的间接影响。

接下来,我们再看看世界经济社会的发展变化,目前数据可以追溯到1965年,近60年的历史。可以看出来红线是人口,总体在增长,但是平均年增速也就1.5%,较为稳定。而蓝线是我们的经济,是产值数据。经济的增速比人口的增长速度高不少,这对应的是全世界人类生活水准的提高,但是付出的代价是能耗,也就是下图的黄色线。

全世界原来在60年代初的时候用掉53亿吨标准煤,现在已超过200亿吨标煤/年,人均2.6吨标煤/年;而最上面灰色的线则是二氧化碳的排放,现在已经超过300亿吨/年。

世界产值增长对应的煤耗弹性总体是在下降的,现在速度已越来越慢了,这是改善与进步。但是,增速只是下降而已,总量使用还是不断提升,这对气候变化的影响仍然可能是不断加剧地。

我们再来看一下经济学上两个重要指标,一个流量是产值,也就是每年生产的增加额。存量是投资以后形成的资产,比如公路、铁路、工厂、住房等等,今天没有时间完全展开讲,主要是希望让大家有一个总体感觉,经济结构中各变量是互相影响的,存量与流量是关联的,这亦是一门复杂的科学。

经济学也可能比较生动、有意思的。经济学的主体跟气象学的主体不一样,气象学的主体是空气,是云,是雨。这些东西不以人的意志为改变,但是经济学研究的主要对象恰恰是人类的活动,甚至是人本身。但是你觉得人类的活动就是主观的吗?其实不是,具有主观的人的活动,在群体总体意义上看是遵循着比较客观的规律,背后有它自己的运行逻辑。我们是在试图抓住这些经济学的道理,并运用这些经济学原理进行科学分析。

下面两张图是我国的产值能耗情况以及经济帐本。时间关系我不展开细讲,大家可以比较来看一下我国与世界的数据。

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我们再来看看中国能耗更具像化的表现。从原来将近10亿吨标煤,增长到目前50亿吨标煤左右。我们将能耗按不同行业进行结构化分解,这里包括了水泥、钢材、化工、电力、玻璃、交通等,我们做这个分类也是想看看从哪个行业入手尽量减少碳排,以最终实现我国的双碳目标。

比如钢材,过去用焦炭炼钢。为什么用焦炭炼钢?因为要把三氧化二铁的氧气置换出来,碳氧结合变成二氧化碳,剩下来的就是提纯后的铁。

但这样会形成太多的二氧化碳,不利于双碳目标。科技在进步,现在有可能利用氢气去置换出氧气,而且氢置换的活性可能比碳还要强。倘若直接用氢去置换氧,最后生成的是水,剩下纯度更好的铁,同时又可能不产或少产生大量的二氧化碳。

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过去受发展阶段目标等因素所限,对碳排重视程度不足,且焦炭的技术已很成熟、成本也不高,就没有动力去改变。

现在双碳目标已经制定,倒逼我们去改进工艺。假如未来完全用氢炼钢,是可能大量减少二氧化碳排放的。我们国家光是炼钢及为炼钢而炼的焦炭,一年就得几亿吨煤,对应十几亿吨的碳排放,如果把这块减掉了,就向实现双碳目标更进了一大步,随着技术不断成熟,是有可能性的。

当然,减少碳排最重要可行的方法还是 - 光伏发电替代火电。太阳是我们能看得见的来源,离我们1.5亿公里,非常的稳定,不断地放出来能量,到达地球的轨道的时候它的强度是每平方米1367瓦,再经过大气系统,被大气吸收,被云气反射,剩下只有差不多一半到地面,到地面以后又被反射掉了7%。

所以太阳能量到地面大约也就是一半,每平米700多瓦,这个数值跟我们过去说100瓦的灯泡是一个道理。照在地面上瞬间能达到700瓦,我们目前采用的主流太阳能光伏板,其标称功率是200瓦左右,可利用的有700多瓦,而最终能利用的最大功率200瓦左右,也就是光伏转化效率在20%-30%。

下面这些图,学气象的同仁都很熟,首先是中国的地势图。这些决定了我们的环境特点。刚才讲到太阳。最低的平原低于500米高度,第二阶台阶是云贵高原、黄土高原等等,最高的第三台阶是青藏高原,就是青海、西藏。它们的平均高度应该是3000米以上。

这个地形决定了我们很多特征,刚才说的太阳辐射的分布,这里有比较高的分布带,从西藏到内蒙,包括西北的边疆比较高,最低的是云贵高原,为什么?

我们下面看到这个地方是下雨很多,从云量图可以看到大气从这儿产生漩涡,降雨极高,云彩很多,这是一个太阳辐射的低值区。

下面的日照图也是,大家很明显可以看出来四川等地这一部分日照最少。

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我们讲到气象,讲了一些风雨的事。雨跟水利很有关系,水利就是雨水从高山上流下来,会受地势影响限制的。为什么?绝大部分降雨都降在东南角,这是比较低的地方,高原是很高,但是水不多,所以我国最终可利用的水利能量是相对有限的。

风速也是集中分布,比如说我们风机的启动风速是3米,3米以上才能正常运行,但是平均风速3米以上的最重要的是从西南到东北的一个带,即内蒙和青藏。东南沿海有非常狭窄的带,风速很强,但是毕竟面积太窄,大部分都在海上,实际上工程利用上会很受限制,大部分地区这些都是非常低风速的地区,两米以下,三米以下。

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刚才讲的这些我们面临的环境,最大的影响因素还是辐射、日光。

我们也算了一下从光伏使用的角度看,每平方地面可能将近200瓦左右的日照功率可以利用。光伏电板的光电转换效率从08年16%、17%左右是缓慢的上升,不断有所改进,但是改进的幅度似乎有所放缓,从物理学的结构上推导,最高的转换效率可能不会超过33%。现在看大概在20%上下,将来达到了理论极限有可能是30%,存在持续缓慢提高的空间。

光伏效率提高且制造成本还在下降。从单机光伏设备(标称功率200瓦)的成本看降幅很大。

此处的度价是什么?打比方说,你有了这么一个光伏电板,像电视这么一大一平米,大概六七百块钱,每瓦的成本到0.6美元左右,大概就是4元人民币左右,如果使用寿命是20年,那么20年的折旧每年就是0.03美元,相当于是折旧成本,每天日照的小时数大概就是1000多小时左右,200瓦光伏设备乘上1000小时就是200千瓦时,200度。

我们实际上每度电现在用光伏大概是可以到5个美分这么高。

现在光伏实际上已到达跟传统电价差不多的水平,当然这里有一部分可能是归功于光电推广政策的补贴效应等。未来随着效率进一步提高,成本进一步下降,光伏应用范围还会进一步扩大。

下面是我们当前的传统电力体系。电力是我们改革最重要部分之一,这是它的基本构成。我们看到火力装机还是很高,占到一半以上,虽然这些年我们水利、风、光装机都是相当快速的增加,但对总体来说还只能提供相当有限的电量。

再来看看当前电力系统最重要两个财务数字,存量是整个电力资产,大概有17万亿,其中大概10万亿是电厂资产,剩下的7万亿是电网供电资产。电网终端的收入大概是4万亿元,我们大概8万亿度左右的售电量,也就是5毛钱一度左右的终端电力价格,这是现有的整个现有电力体系给我们提供的服务价值。

对于这样的系统,我们过去听过弃风、弃电、弃光,是因为传统的电力体系里面没有储存电力的能力。

现在如果依靠太阳白天的照射发电,晚上用电就要存储起来,新的体系必须要有一个储能功能。抽水系统最简单,白天有电的时候把水提高到一个高度,晚上再放水下来推动发电机,形成一个循环。

锂电池的概念也很简单,充电放电。氢可以通过电解水产生,晚上再用氢气燃烧发电。压缩空气就是把空气加压到一个容器里面存储,然后晚上再把它释放出来推动汽轮机。这个图里我们示意性地比较了一下这些储能成本,先以此为例仅便于大家感觉。更细致测算是需要跨学科同仁共同合作的。

其实气候影响问题在很多时候都需要各个领域的科学家来跨界进行综合研究,因为涉及领域较多,通过这种群策群力的论证更有可能得到一个整体最佳方案。

刚才讲了储电,下面再谈一下输电。因为地形结构,我国大量的人口(近10亿人)生活在东部沿海平原地带;而我们的电源,包括阳光辐射最强的区域大部分都在西北或者是西南,需要电输送。

现在全国一年8万亿度用电,我们做了一个简单的输电测算,以现在最新的典型特高压线路准皖线为例,该线路长度3000公里,总投资400亿元,一天可以输2亿度,一年输700亿度电。如果全国8万亿度电都需要用这样的线路来输送,大概需要110多条线路,投资约4.6万亿。一公里投资差不多1000万多些,而高速公路一公里一个亿,我们修十条这样的线路相当于修一条高速公路,这样看用特高压输电替代公路运煤有可能是更划算的。

我们原有的电力装机在2020年约22亿千瓦。其中绝大部分是燃煤机组。假设这些机组是二十年折旧期。如果未来二十年不再增加新的替换折旧到期的机组,那么这些传统装机就会不断地下降;替代它的就增加新的光伏装机(橙色虚线),自然替代折旧到期退出的传统火电机组。

这样就完成了整个电力系统的转型。如果折旧年限是20年,这个过程是20年就可以完成的。我们原来觉得达峰很远,其实今天就可以开始,20年也就弹指一挥间。前提是系统性地由火电向光电、风电转移,现在不再建新的燃煤机组。这种系统的转变,也带动了新的产业。

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我们总结比较一下传统的火电系统与新型的光电系统权周期全系统的投入。传统火电首先投资总值6.6万亿,新型的也就是光伏为主的电力系统,按刚才算的瓦价大约5块钱一瓦,如果完全替换则总投资规模要17万亿。看起来光伏设备成本是火电的近3倍,初始投资更大,但是传统的火电燃煤成本一年可能就消耗1.3万亿元,烧20年就需要26万亿元。传统发电系统投资的设备、后续每年使用的燃料成本合计在20年内需要40万亿元。

而光伏侧的燃料成本几乎是0,如果在日照资源丰富的西北部发电,用于东部使用,就需要增加电网的特高压输电投资、以及必要的储电投资,最后合计达到了32-33万亿。所以实际上新能源是有可能更便宜的,可能比传统的电力体系还要便宜。

此处算燃料的价格还是按照2020年平均600块钱一吨的价格计算,但实际大家都知道,今年燃煤价格上涨很厉害,2022年1到8月的平均价格超过1100元/吨,几乎比下表测算用的2020年平均煤价翻了一倍。

如果按照这个最近的煤炭价格,燃煤成本也要翻一倍,就是烧20年煤会再多一个26万亿元投入。传统电力系统运作20年的投入就增加到66万亿元,与光伏新型发电系统的32-33万亿元总体投入比较,传统电力系统会贵上一倍。

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现在我国一年8万亿度电。根据我们初步测算,全部变成光伏电板解决就只需要大概6万平方公里,我们国家是960万平方公里,所以其实从国土面积上来讲,需要的面积并不多。当然,选址牵扯系统学科,需要系统的论证。我们这是一个框架方案,还有待进一步论证。

下面,我们再简单提一下燃油车的替代,就是电动车。首先,新能源汽车现在往往宣讲卖点是自动驾驶,其实自动驾驶是很不容易的,是人脑科学的问题,但解决气候问题、双碳问题是从燃油车变成电动车,只要变成电动,就可以利用以光代煤生产的清洁电。可以与以光代煤一样的思路,旧的燃油车让他折旧完寿命到期,用一个自然的折退率。只要不再生产新的燃油车,全是电动车来替代,就可以促进碳达峰,最后是碳中和的实现。

最后补充一个分布式光伏的概念。刚才讲的以光代煤主要是集中式的,因为我国主要光伏资源在西北。西北到东南输电线长度可能3000公里,存在一些集中性与距离带来的风险。那么对于生活用电来讲,大概是1万亿度是不是可以就近用分布式光伏解决呢?人均2度电每天,考虑光伏发电0.5度/平米/天,人均4平米可能就够了。相比之下,我们住宅面积人均达到40平米,也就是十分之一的居住面积来解决生活能源,还是有可能的。实际上在未来的城市规划或者电力系统的规划中,如果我们做这种分布式的系统,每平米600块钱,总投资就是3.4万亿,跟刚才集中式成本相比可能更少。

最后这张图是氢气冶金炼钢的道理,还有一些类似的其它的工业去碳化办法。比如说水泥的生产,我们国家一年现在20多亿吨的水泥产量,如果降低水泥的排放能耗,也是有一些技术解决方案的,比如利用废料粉煤灰替代熟料等等。

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总体上,通过以光代煤、以电代油、工业上引入新的节能降排生产工艺技术,我国的双碳目标是完全有可能实现的。而光伏发电等方案既要考虑经济可行性,又与气候科学密不可分。气候变化影响人们的经济发展与生活,但运用气候科学原理、结合经济学测算与工艺技术进步,我们是可能应对的,并在应对过程中创造新的、更健康的双碳产业经济机会。


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