朱守先.基于极端气候事件能源生态系统的调适与优化[J].中国人口·资源与环境,2020,30(6):64-72.[ZHUShouxian.Energy
ecosystemadaptationandoptimizationbasedonextremeclimateevents[J].Chinapopulation,resourcesandenvironment,2020,30(6):64-
72.
]收稿日期:2020-02-06 修回日期:2020-04-15
作者简介:朱守先,博士,执行研究员,主要研究方向为资源环境与区域发展。E mail:zhushouxian@yeah.net。
基金项目:科技部国家重点研发计划资助课题“雄安新区气候变化风险评估及三生适应模式研究”(批准
号:2018YFA0606304)。
基于极端气候事件能源生态系统的调适与优化
———以雄安新区为例
朱守先1
,2
(1.中国社会科学院生态文明研究智库,北京100732;2.中国社会科学院生态文明研究所人居环境研究中心,北京100732)
摘要 能源消费加剧的气候变化问题成为21世纪全球环境治理的核心议题。能源资源开发和利用引起的温室气体排放是全球环境增温的主要因素,能源生态系统不平衡导致的极化效应使人类可持续发展面临越来越严重的挑战,干旱、洪涝、高温热浪和低温冷害等极端气候事件又在一定程度上提升了气候风险的等级,能源生态系统的构建与优化,促进能源生态系统平衡是积极应对气候变化的有效举措。同时,能源又是国民经济发展的基础和动力,能源供应和安全事关我国建设社会主义现代化国家的全局,能源生态系统构建立足生态学理念,借鉴生态系统中的生产、消费、流动、分解恢复等概念,为促进能源可持续健康发展提供理论依据。雄安新区作为新时代最受关注的区域性国家发展战略之一,建成绿
智慧新城和“推进生态文明改革创新,建成绿发展城市典范”是其重要的发展目标,科学探讨能源生态系统调适与优化成为其实施高质量发展战略的必然需求,通过对雄安新区能源生态系统开展具体剖析,积极应对极端气候事件,规避气候风险,进而提出基于气候变化的能源生态系统调适与优化方案。雄安新区作为以绿低碳发展为设计理念的生态未来城市,能源生态系统设计尚处于起步阶段。本文分析认为,雄安新区能源生产的主体为清洁能源,能源消费应以可再生能源为主导,能源流应大力输入可再生能源和促进能源基础设施智能化,同时积极应对能源环境影响,有效开展环境治理,在此基础上提出了雄安新区能源生态系统的调适与优化的应对措施。关键词 极端气候;
雄安新区;能源生态;可再生能源;气候风险中图分类号 F062.1  文献标识码 A  文章编号 1002-2104(2020)06-0064-09 DOI:10.12062/cpre.20200405
  人类在社会经济活动中消费大量的化石能源,化石能源燃烧导致温室气体和其他污染物的排放,是工业革命以来全球气候变化的主要诱因。2015年联合国气候大会通过《巴黎协定》,提出把全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内而努力,全球将尽快实现温室气体排放达峰,本世纪下半叶实现温室气体净零排放。
目前,全球化石能源比重仍超过80%,所有国家都必须强化应对气候变化行动,大幅度提高国家自主
贡献减排承诺机制目标。传统的能源发展模式已经难以为继,需要在全球尺度调适和优化能源生态系统,通过采取能源结构绿化和低碳化路径,实现能源效用的最大化,加快能源变革和建设人类能源命运共同体,积极应对气候变化和气候风险。
1 研究背景
气候变化是一种大气物理特征长期大尺度变化现象,
气候变化所引起的极端气候事件,会对人类社会的生存与发展环境带来极大破坏和影响。1.1 气候变化的科学事实
能源是社会经济发展的物质基础与重要保障,极端气
候事件对能源生态系统产生极大扰动[1-2]
。郑景云等分
析了中国过去2000年极端气候事件变化的若干特征,认为历史时期极端气候事件变化是当前气候变化研究的热
点领域[3],朴世龙等以干旱、极端降水、极端高温和极端低
温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环
描述天气的谚语
的影响及其机理[
4]
。2020年2月,《自然》同时发表七篇文章探讨极端天气事件如何影响能源系统,其中通过大量
案例分析了可再生能源发展的潜力与方向[
5-12]
,对于我国城市积极应对气候变化,保障能源生态系统良性运行具有借鉴意义。
2020年3月发布的《2019年全球气候状况声明》显
中国人口·资源与环境 2020年 第30卷 第6期 CHINAPOPULATION,RESOURCESANDENVIRONMENT Vol.30 No.6 2020
示,全球气温总体处于上升态势,2019年是有记录以来温度第二高的年份,2015年至2019年是有记录以来最热的5年,2010年至2019年是有记录以来最热的10年;自20世纪80年
代以来,每个连续10年都比1850年以来的前一个10年更热;2019年结束时,全球平均温度比估计的工业化前水平高出1.1℃,仅次于2016年创下的纪录[13]。国际上主要从灾害损失视角,进行了气候变化引起的气候风险分析,《全球气候风险指数》(GlobalClimateRiskIndex,简称CRI)通过各国历史灾情数据建立气候风险指数,用于分析与气象相关的损失事件(如风暴、洪水、热浪等)对世界各国的影响,积极应对气候风险,变被动适应为主动调适成为各国特别是受风险影响最大的小岛国等最重要的环境发展任务。
2013年11月,《国家适应气候变化战略》指出,应在基础设施流域修订相关标准,根据气候条件的变化修订基础设施设计建设、运行调度和养护维修的技术标准,根据气温、风力与冰雪灾害的变化调整输电线路、设施建造标准与电杆间距。2016年,《城市适应气候变化行动方案》提出提高城市基础设施设计和建设标准,调整能源设施标准,针对不同城市及城市居民、企业、公共部门等不同用户,评估气候变化对制冷、采暖及节能标准的影响,修订相关设施标准,进一步明确调整能源工程与供电系统运行的技术标准。
本文在全球气候变化背景下,基于极端气候事件频发的事实,讨论能源生态系统调适优化的必要性,并以雄安新区为例,通过能源生产、能源消费、能源流动和能源环境影响评价分析,提出雄安新区未来建立以非化石能源生产、消费为主导的能源生态系统,并力求将能源开发、流动等带来的环境影响降低到最低,增强基于能源活动的自然恢复力,为建设全球能源生态文明示范区提供经验借鉴。1.2 能源
消费对全球气候变化的影响
1.2.1 全球二氧化碳浓度和二氧化碳排放总量变化目前,世界范围内普遍关注的是全球气候变化问题,而全球气候变化的核心问题是全球变暖,即温室效应,虽然二氧化碳等温室气体在我国尚未纳入污染物范畴,但欧盟在20世纪末就将温室气体视为大气污染最突出的典型代表,而且是生态环境代价中最具全球化威胁的一个问题。2013年9月,根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告《气候变化2013:物理科学基础》,认为人类活动极有可能是20世纪中期以来全球气候变暖的主要原因,可能性在95%以上,在过去的130年间全球升温了0.85℃,导致气温上升的主要是二氧化碳、甲烷、一氧化氮、氧化亚氮、氯氟烃等温室气体,其中二氧化碳和甲烷两类气体的比重超过了80%,主要来自矿物燃料为主的能源消耗排放。根据美国环境保护局的报告,大规模的矿产资源利用和开发以来,主要温室气体分别增长了1~400多倍,其中以碳氢矿物为主的能源利用贡献度在49%,工业制造业为24%,森林砍伐为14%,农业种植业为13%。
根据世界气象组织2019年11月发布的《温室气体公报2019》,2015年,全球二氧化碳浓度首次突破400ppm(1ppm为百万分之一),2018年,全球二氧化碳浓度已经达到407.8ppm,较2017年405.5ppm上升了5.67个百分点,是1750年工业化前水平的147%,同样,甲烷和氧化亚氮浓度水平也呈上升态势,1984—2018年分别上升了13%和8.95%,尽管甲烷和氧化亚氮浓度上升水平低于二氧化碳,但是二者的增温潜势却远高于二氧化
碳,其中甲烷的增温潜势是二氧化碳的20倍以上,氧化亚氮的增温潜势则是二氧化碳的200倍以上。因此,基于温室气体减排的各国行动方案也纷纷展开,其中我国作为温室气体第一排放大国,提出到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放强度在2005年降低60%~65%,体现了我国参与国际应对气候变化治理的大国担当与减排决心。
根据世界气象组织温室气体统计数据,本文对全球二氧化碳浓度和二氧化碳排放总量运用散点图进行多项式拟合分析,结果见图1。
第一,拟合曲线显示全球二氧化碳浓度和二氧化碳排放总量两者之间存在着显著的关联关系(R2=0.9692);
第二,根据一元二次函数(y=ax2+bx+c)含义,模型函数的初始正数常数意味着,随着全球二氧化碳浓度的增加,全球二氧化碳排放总量的增长还呈现逐步上升的趋势。
  因此,从全球碳排放趋势分析,化石能源消费是碳排放来源的主体,特别是广大发展中国家,由于发展阶段、资源禀赋、技术水平的制约,
是高碳能源消费增长的主力军。
图1 全球二氧化碳浓度和二氧化碳排放总量相关性分析
(1984—2018年)
数据来源:世界气象组织《WMO世界温室气体数据中心数据摘要》。
朱守先:
基于极端气候事件能源生态系统的调适与优化
大力发展非化石能源,调整优化产业结构和能源消费结构,提升碳生产力,减低人均碳排放和能源消费碳排放系数,促进低碳发展是未来降低碳排放的主要途径。1.2.2 能源系统结构优化与碳排放增长的相关关系
为增强应对极端气候事件的弹性,需要从能源系统结构优化和总量增长视角,实现能源与碳排放增长的脱钩,从而进一步实现气候变化调适。根据B
P世界能源统计年鉴(2019年)数据分析,中国、美国和欧盟三大经济体是世界能源消费和碳排放的主体,2018年三大经济体能源消费量和碳排放总量分别占全球总量的5
2.4%和53.3%,其中中国能源消费量和碳排放总量分别占全球总量的23.6%和27.8%,而同期中国人口和GDP占全球的比重分别为18.3%和15.8%,GDP占全球比重比碳排放占全球比重低了12个百分点,其中能源利用效率和能源消费结构是主要因素。
目前能源消费结构的低碳化甚至零碳化成为国际能源领域应对气候变化的重要举措。关于低碳能源的概念,2011年国家能源局研究认为,中国正在进行着一场新的低碳能源革命
[14]
,分析了低碳能源的开发利用状况,分析
的低碳能源包括水能、核能、风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等类型。煤炭、石油、天然气单位能源碳排放系数分别为0.7476,0.5825和0.4435[15]
,本文界定碳排放系数高于0.5的煤炭和石油为高碳能源,低于0.5的天然气为低碳能源,因此广义的低碳能源包括天然气、核能和可再生能源,其中核能和可再生能源属于非化石能源,也是零碳能源。
在全世界所有国家和地区中,位于北欧的冰岛、挪威和瑞典是能源消费结构演进程度最高的三个国家(见图2),2018年冰岛能源碳强度系数为0.43tCO2/tce,仅相当于我国能源碳强度系数的21.4%,
电力系统全部实现水
图2 世界部分国家和地区能源碳强度变化趋势(1965—2018年)(1984—2018年)
数据来源:BP世界能源统计年鉴(2019年)。
电和地热发电等可再生能源发电,供热能源基本上也来自地热等可再生能源,是世界上能源消费结构最为“低碳”的国家,2018年挪威的水电占全部能源消费总量的比重高达66.1%,是世界上水电消费比重最高的国家。2018年冰岛、挪威和瑞典三国的经济增长率分别为4.6%、1.3%和2.2%,能源消费和碳排放总量自20世纪90年代以来呈现显著脱钩态势,其中瑞典能源消费总量呈现零增长稳态趋势,碳排放总量自2010年以来呈现绝对量下降趋势。尽管近年来我国积极开展绿低碳行动,大力发展可再生能源,2018年非化石能源消费比重达到14.3%,但是仍低于世界平均水平,煤炭等高碳能源占能源消费结构主体的地位短期内很难改变,唯有在部分试验区实施低碳或近零碳行动,通过发挥示范效应予以推广应用。
2 能源生态系统的基本理论
2.1 能源生态系统概念的提出
2004年张雷等[16]
从工业生态学视角对能源系统进行
重新界定,提出“能源生态系统”概念,认为能源生态系统指的是根据现代能源生产、消费活动链条为主体组成的人类社会生态系统,包括3个组成部分:内生系统,外生系统,共生系统,并探讨了其空间结构的类型划分和基本形
态,建立了现代能源生态建设基本框架。张雷等[17-18]
以我国西部能源资源开发为案例,分析了能源生态系统的发育特征,研究认为为了避免西部能源生态系统未来发育随着资源开发规模的扩大呈现一定程度的“退缩”,应不断加大对外生和共生两大系统的投入,以保持当地能源生
态系统发育自身的有机协调。张玉卓[19]基于近零碳排放
视角,分析了煤炭清洁能源生态系统,认为在全球低碳发展背景下,应促进煤炭利用方式从高碳向低碳和零碳趋势转变,加速清洁煤转化,促进煤炭与新能源和可再生能源的耦合发展,大力促进碳捕获、利用与封存(CCUS:CarbonCapture
,UtilizationandStorage)技术,建立清洁能源智能价值链等。杜祥琬、周大地[20]研究认为,“科学、绿、低碳
能源战略”是经济与环境双赢的战略,也是应对气候变化国家战略的重要组成部分,“科学、绿、低碳能源战略”的实施需要强有力的科技支撑,提出了科技支撑的基础性研究、新技术的创新、重大工程项目和战略性产业的支持
等3个层次。姜巍等[21]分析了我国第一能源消费大省山
东的能源生态系统特征,认为节能、增效是解决山东省能源短缺和能源污染问题的最现实、有效的途径。朱守
先[22]以县域高比例可再生能源示范城市建设为例,分析
了基于近零碳发展的能源生态系统优化路径。本文认为
能源生态系统是指根据能源生产、消费、空间流动和环境恢复力链条为主体组成的复合社会生态系统,其运行状态
中国人口·资源与环境 2020年 第6期
决定着社会经济系统的有效性与稳定性。2.2 能源生态系统的基本框架
自然生态系统由非生物环境、生产者、消费者和分解者4个组分组成,4个组分通过能流和物流为纽带,形成
协调共生、持续生存和相对稳定的系统[23],其机理对于人
工生态系统的建设具有借鉴和启示意义。参考自然生态系统的理论框架,本文认为,能源生态系统由能源流系统、能源生产系统、能源消费系统和环境恢复系统4个部分组成(见图3),其中能源流系统主要包括促进能源跨区域流动的交通、电网等基础设施建设,环境恢复系统主要包括有效开展环境治理,提升恢复与治理能力,包括能源流动、生产和消费过程中对生态环境造成的影响与破坏,如电网建设对土地和生物多样性的影响,煤炭开采引起的地下水系破坏,化石能源燃烧引起的大气污染物与温室气体排放等。
如果说能源生产、消费和流动决定着区域能源保障和供给安全的话,环境恢复系统则是维护能源可持续发展和生态系统平衡的纽带。根据自然生态投入产出公式,能源生态系统演进水平可以用能源活动的经济影响来衡量,其概念评价公式可以定义为:
EEC=f(EP,EC,EF,ER)
式中,EEC为国家或地区能源生态系统演进状态系数;EP为能源生产系统发育状态;EC为能源消费系统发育状态;EF为能源流系统发育状态;ER为环境恢复系统发育状态。
3 雄安新区能源生态系统的实证分析
3.1 雄安新区能源适应基础条件
雄安新区作为“十三五”时期国家启动建设的最受关注的国家级新区,需要高标准规划、高质量发展,其中能源生产与消费结构的优化、严格控制碳排放和加强环境综合治
理是雄安新区总体规划中建设绿低碳之城的主要措
图3 能源生态系统理论框架
施。《国务院关于河北雄安新区总体规划(2018—2035年)的批复》(国函〔2018〕159号)对雄安新区能源发展提出了明确要求,即“优化能源结构,建设绿电力供应系统和清洁环保的供热系统,推进本地可再生能源利用,严格控制
碳排放”[24]
。本文从能源生态系统的调适与优化视角探讨
雄安新区建设之路,以期为雄安新区的可持续发展和建设成为“美丽中国”的样本提供可行性依据。
雄安新区地处京津冀腹地,从地理区位而言,雄安新区位于北纬38°~39°,属温带大陆性季风气候,全年平均气温11.9℃,极端最高气温40.9℃(1972年6月10日),极端最低气温-
21.5℃(1970年1月5日),最热七月平均气温26.1℃,干旱、洪涝、高温热浪和低温冷害等极端气候事件带来的气候风险在雄安新区均大概率存在,能源作为社会经济发展的基础与命脉,需要整体性、协同性、系统性开展风险应对。
雄安新区范围涉及河北省保定和沧州2
个地级市的5个县(县级市),与张北地区构成新时代河北省两大高质量发展增长极,和北京市副中心成为北京市非首都功能疏解的两翼,同时和北京、天津两大直辖市构成的“京津雄”地区也将成为我国北方区域发展最为耀眼的金三角。马丽梅,史丹等研究认为,中国能源转型正处于“十字路口”,所面临的问题是何种能源转型方案在近期所带来的成本能够被经济系统消纳包容,而在长期又能够推动经济
的可持续增长[25]。雄安新区规划面积1770km2,大于浦
东新区,略小于深圳市,但是由于原处于经济洼地,经济总量仅200多亿元,不足浦东新区的2%,与西部的国家级新区相比也有较大差距,进入“十四五”时期,雄安新区经济发展速度将呈现快速增长态势,与此同时能源消费总量必然也会出现快速增长趋势,需要借鉴国际经验,高标准规划能源发展战略,实现经济快速增长阶段,依靠科技进步与效率提升,达到能源消费总量与经济增长呈现“脱钩”态势,雄安新区能源生态系统的调适与优化不仅具有区域意义,而且具有全国意义和世界意义。
从能源安全角度,《河北雄安新区规划纲要》提出保障新区能源供应安全,落实安全、绿、高效能源发展战略,突出节约、智能,打造绿低碳、安全高效、智慧友好、引领未来的现代能源系统,实现电力、燃气、热力等清洁能源稳定安全供应,为新区建设发展夯实基础。国务院关于河北雄安新区总体规划(2018—2035年)的批复提出,建设绿低碳之城,要坚持绿低碳循环发展,推广绿低碳的生产生活方式和城市建设运营模式,推进资源节约和循环利用;优化能源结构,建设绿电力供应系统和清洁环保的供热系统,推进本地可再生能源利用,严格控制碳
排放;提高绿建筑、节能相关标准,全面推动绿建筑设
朱守先:
基于极端气候事件能源生态系统的调适与优化
计、施工和运行;实现电力、燃气、热力等清洁能源稳定安全供应,提高能源安全保障水平。能源基础设施包括电力生产供应系统、燃气生产供应系统、供热生产供应系统以及其他四大类,四大类型中又可以分为发电设施、变电配电设施、输电设施、煤气站、天然气站、液化石油气站、燃气输送管道、供热站、供热输送管道、民用燃煤制品站等。为有效应对气候变化,特别是极端气候事件带来的损失与负面影响,需要加强能源基础设施建设的有效性,规避技术锁定和设施锁定带来的风险,保障能源供应安全与有效可持续运行(见表1)。3.2 雄安新区能源生产系统
能源生产系统是对能源资源的勘探、开采与开发。雄安新区能源资源禀赋较为优越,其地处华北油田和地热田
腹地[26-28]
,主要能源生产类型包括石油、天然气、地热、生
物质能等能源品种。毗邻雄安新区的任丘市是著名的石
油城市,其中3个乡镇共172.3km2
,已经由雄县托管,占
任丘市土地面积的1/5,1985年任丘油田探明石油储量为
9.3亿t,天然气16亿m3,千万吨级石化炼油项目是北京
大兴国际机场和未来雄安新区能源供应的重要物质保障。
从可再生能源分析,雄安新区地处的保定市是第一批国家低碳试点城市,早在2007年初,保定市政府已经提出了太阳能之城的概念,计划在整座城市中大规模应用以太
阳能为主的可再生能源,以降低碳排放量。规划提出力争用2~3a时间,将保定建设成国内首座在照明、供热、取暖等各个方面大范围应用太阳能的城市。保定建设低碳城市的优势在于,它拥有中国唯一的国家新能源与能源设备产业基地“中国电谷”,“中国电谷”规划打造成一个以电力技术为基础的产业和企业,重点发展风力发电的产业链、太阳能光伏发电产业链、节能产业链等七大产业园区;通过技术研发、人才培训、商务服务到产业制造,形成一个全产业链条,为国家提供一个可再生能源和节电产业的战略发展平台。在风电产业上,保定是目前国内最大的叶片生产研发基地,建立了集环境最优的风电产业体系;在太阳能光伏产业上,形成了完备的制造体系。
雄安新区发展地热和生物质能具备资源条件优势。根据国家地热能开发利用“十三五”规划,河北省浅层地热能供暖/
制冷面积和水热型地热能供暖面积增量和2020年累计量均位居全国首位(见表2),其中雄县境内60%以上的区域储藏着优质温泉,是原国土资源部命名的“中国温泉之乡”,庞忠和等对雄安新区地热资源与储量估算,其中浅层地热能、砂岩热储、碳酸盐岩热储能源开发
潜力分别可达到4亿tce、568亿tce和660亿tce[29]
,未来
雄安新区必将据此充分利用地热资源,作为建设“无烟城市”和“近零碳城市”的重要支撑。
表1 雄安新区能源供应安全主要措施
序号
类别
措施
电力
坚持绿供电,形成以接受区外清洁电力为主、区内分布式可再生能源发电为辅的供电方式。依托现有冀中南特
高压电网,完善区域电网系统,充分消纳冀北、内蒙古等北部地区风电、光电,形成跨区域、远距离、大容量的电力输送体系,保障新区电力供应安全稳定、多能互补和清洁能源全额消纳。长远谋划利用沿海核电。与华北电网一体化规划建设区内输配电网,配套相应的储能、应急设施,实现清洁电力多重保障。
燃气
构建多气源、多层级、广覆盖的城乡燃气供应体系。依托国家气源主干通道和气源点,建设新区接入系统,合理布局区内燃气管网,保障新区用气供应;长远谋划利用更为清洁的替代燃料。
3热力
科学利用区内地热资源,综合利用城市余热资源,合理利用新区周边热源,规划建设区内清洁热源和高效供热管网,确保供热安全。
4节能
坚持节能优先,发展绿建筑,推行绿出行,加快开展梯级利用、循环利用,建设集能源开发、输送、转换、服务及终端消费于一体的多能互补区域能源系统,把新区打造成为高效节能示范区。
表2河北省地热能开发目标
项目
“十三五”新增
2020年累计
浅层地热能供暖/
制冷面积/104m
水热型地热
能供暖面积/104m
浅层地热能供暖/
制冷面积/104m
水热型地热
能供暖面积/104m
河北省700011000980013600全国
726504000011185050210河北省占全国比重/%
9.64
27.50
8.76
27.09
中国人口·资源与环境 2020年 第6期