美國無CO₂排放無核能的能源技術路線圖

2007年8月美國能源與環境研究所與核政策研究所合作出版了一本極其前瞻性和創見性的研究報告——《在無核能條件下美國實現二氧化碳減排至零的路線圖》，主要探討了在無核能條件下，美國經濟實現二氧化碳零排放的技術與經濟可行性，描繪了美國經濟通向二氧化碳零排放的路線圖，其中包括各種技術可實際應用的時間表，以及研發與示范的建議。本文將簡要介紹該報告的8項主要結論及關于降低二氧化碳排放的12項政策建議。在當前核能安全受到空前關注的情況下，希望本文能為領導決策提供有價值的參考。

結論5

運用目前已有的高效的能源技術與建設設計，能夠大大減輕向二氧化碳零排放經濟轉型的困難，并能降低成本。按目前的趨勢，如果單位GDP的效率能夠每年增長兩個百分點，那么它將使年能耗下降一個百分點，并使GDP每年增長3％。在現有技術能力下這些是完全可以實現的。

在1973年第一次能源危機之前，人們普遍認為，能耗的增長與經濟增長是正相關的。然而，危機之后，美國的能源圖景迅速改變。10年中，實現經濟增長并未伴隨著能耗的增長。

1990年代中期以來，盡管國家并沒有采取大幅增加能源效率的政策，能耗的增長率仍比GDP的增長率要低大約2％。例如，采用現有的技術，居民樓與商駐樓建設每平方英尺的平均能耗就能降為目前的1／3—1/10。又例如，自1970年代以來，即使總產量上升，美國工業的能耗量保持不變。

本研究顯示，在輸出能源(不包括在電力與生物燃料生產中的能耗)每年下降1％的同時，經濟仍能按照官方能源計劃的預測保持增長。

結論6

廣義上的生物燃料對于實現向二氧化碳零排放經濟的轉型是至關重要的，同時不會帶來嚴重的環境副作用；不過，它們也可能會產生可觀的間接損害，或對環境產生嚴重的損害，并且增加溫室氣體的排放。其結果本質上取決于公共與私人部門的政策選擇、動機、以及研發情況。

基于食用谷物的生物柴油與乙醇將會造成并正在造成對社會、經濟與環境的損害，包括高昂的食物價格，對發展中國家的窮困者用于生計的耕種與放牧的土地所構成的壓力，以及溫室氣體的排放將大部分地或完全抵消運用生物燃料利用太陽能所得的效果。雖然它們能夠減少石油的進口，來自谷物的乙醇與來自棕櫚油的生物柴油是破壞性生物燃料手段的兩個顯著事例，即使是投入中等規模的生產，它們也已經造成了上述這些問題。

例如，以可再生能源為名，將生產的棕櫚油用于歐洲生物柴油之用，這已經惡化了印度尼西亞的二氧化碳排放問題，因為印度尼西亞焚毀泥炭沼而排放出二氧化碳，而那里棕桐油的主要生產國。由谷物提取乙醇產量的激增是導致墨西哥玉米粉圓餅價格上揚的部分原因。此外，即使由谷物提取的乙醇能夠減少石油進口，但它對減少溫室氣體排放的影響是微乎其微的，因為谷物與乙醇的生產都需要集中地耗費能源，而且大量地使用人造肥料，它們也會導致其它溫室氣體的排放(值得注意的是一氧化氮的排放)。對由食用谷物提取的燃料的補貼應該完全取消。

與此相反，具有較高太陽能吸收效率(5％左右)的生物質，比如生長在高二氧化碳環境下的微型藻類，能夠承擔很大一部分能源供給，包括電力生產與為交通與工業提供液態和氣態燃料。微型藻類已被證實能從發電廠中吸收白天超過80％的二氧化碳排放量，并且能夠用來生產超過1萬加侖液態燃料／英畝／年。某些水生植物，例如水葫蘆，具有相似的太陽能吸收效率，并能在廢水中生長，作為復合水處理與能源生產體系的一部分。

圖4和圖5表示兩類重要的生物樣本，它們具有約5％的太陽能吸收效率的潛力，是谷物類植物的10倍左右，包括谷物與農作物殘余。圖5所示的路易斯安那州的NRG煤炭發電廠正在綠色能源技術公司的指導下進行田野試驗。這個工廠是商業規模的藻類生物反應系統的可能選址地點。它將TF排放的二氧化碳循環轉化為生物柴油或乙醇。

圖5所示的水葫蘆已用來清潔廢水。因為生長迅速，且能吸收大量的營養物質，它們在熱帶與亞熱帶氣候下的繁殖能力與微型藻類相當，每公頃年產量超過250噸。它們被用于生物質的飼料以生產液態和氣態燃料。

草原的草本植物具有中等的繁殖能力，但它們可在貧瘠土地上生長，并把二氧化碳儲存在泥土中。因此，這種方法既能用來生產可再生燃料，又能從大氣中去除二氧化碳。

最后，太陽能能夠用來生產氫，它很有希望作為一種主要能源來源，實現向氫能利用的轉型。相關的技術包括：光電子化學制氫法，它使用非常類似于太陽能電池的設備，在高溫下由太陽能驅動將水分解為氫氣與氧氣，并在氣化工廠中由生物將其轉化為一氧化碳與氫氣。在嚴格控制下的特殊藻類與生物質發酵也能夠被用來生產氫。某些方法能夠同時生產能源、食物和藥物。由于缺乏資金，研發速度比預期的進度要慢得多。如圖6所示，利用藻類生物在進食中吸收硫，陽光能夠直接用來生產氫氣。

圖6利用藻類直接用太陽能制氫

注：在“分批模式”中，為了補充營養物質，生產會間隔性地停止。在“恒化器模式”中，為了持續生產，營養物質的供應是連續性的。“Chl”表示“chlorophyll(葉綠素)”。

結論7

實現絕大部分的二氧化碳減排不會導致任何高昂的成本負擔(例如，運用高能效的照明與制冷設備)。消除其余的由使用化石燃料引起的二氧化碳排放成本可能會在每噸二氧化碳10-30美元之間。

表1表示在電力部門用不同方法消除二氧化碳的預計成本(基于2004年的能源成本)。根據2007年的價格(每百萬英熱單位的天然氣約為8美元，每千瓦時電力接近9美分)，成本將會更低廉。

注：1、粉煤的熱比率=10000英熱單位／千瓦時；天然氣聯合循環的熱比率=7000英熱單位／千瓦時。

2、風能電力成本=5美分／千瓦時；粉煤=4美分／千瓦時；核電=6-9美分／千瓦時。

3、石油成本為30美元，桶，或者更高。

4、如將太陽能與風能一起進行優化部署，則二氧化碳的成本，加上風能的相關物項成本，都能夠得以降低。

此外，在能源部門的總成本中，由削減二氧化碳所導致的成本正在增長，但其影響依然很小，能源部門在GDP中的整體比重仍然會保持在當前約8％的水平，甚至還會有所下降。1970年以來，它主要在8％-14％的區間內變動，1980年達到峰值。1990年代末，當1998年石油價格急劇下跌到每桶約12美元的低點時，它也曾一度降到約6％。

表2表示，在GDP中居住與商業部門的年能源與投資的預計總成本。如果每戶與每平方英尺的能耗量愈低，根據能源與環境研究所(IEER)的參考圖景，人們就需要考慮投入愈多的投資。

以及愈多的預期電力與燃料成本。通過提高能效與全部轉用可再生能源，人們就可以降低居住與商業部門的能耗，而這對預期凈GDP的影響是微小的，并且完全在各種不確定性的預計范圍之內。

根據能源與環境研究所(IEER)參考圖景的估計，在GDP中，所有各部門的能源比重仍將保持在約8％。或者更少。對每個新家庭的主人而言，其凈增加的成本，包括增加的抵押付款，將在每月大約20-100美元之間。后一數字小于2050年的預期中等家庭收入的0.7％。

注：1、正常的燃料與電力價格分別為：大約12美元／百萬英熱單位，9.6美分／千瓦時。IEER參考圖景中的價格分別為：20美元／百萬英熱單位，14美分／千瓦時。正常電力價格從2006年1月起計。

2、增加的能效投資：現有的住宅，每幢住宅20000美元，假定發生在2010-2050年售出的三分之一現有住宅上；新住宅=10美元／平方英尺(每幢住宅約20000美元，接近LEED認證住宅增加的成本)；加上每15年用當時流行的先進家庭用具更換原有家庭用具的成本。對太陽熱能、供熱并發電與地源熱泵的投資按照使用它們的居住區比例，已增加到這些數字中。LEED表示“領先能源與環境設計”，它是一個住宅認證項目。

3、商業能效投資：10美元／平方英尺；這高于“領先能源與環境設計”(LEED)中白金級別的投資。對太陽熱能、供熱并發電、以及地源熱泵的投資已被加入到這些數據中去。

4、國內生產總值(GDP)=消費支出+投資+政府開支(貨物與服務)+出口－進口。

結論8

在目前仍在生產化石燃料的地區，它們向二氧化碳零排放體系的轉型能夠以與當地經濟發展相協調的方式進行。

目前，化石燃料主要產于阿巴拉契亞地區、西南部地區、西部地區、以及中西部與落基山脈地區的部分州。這些地區也具有很好的可再生能源稟賦——太陽能與風能。為了幫助工人、社區向新的產業轉移，聯邦、州和地區所實行的相應政策看起來完全能達到這一目的，而不再需要像二戰后的美國，進行更大規模的人口自然遷徙。據認為，大遷徙的主要原因是由于錯誤的選址與產業的關停，導致了社區與工人們度日維艱。通過出售二氧化碳配額而累積的資金應該用于減輕此類動蕩。例如，利用二氧化碳捕獲技術，特別是微型藻類從現存的化石燃料工廠中收集二氧化碳，就能在各個地區創造出新的產業和工作崗位，并淘汰對經濟具有最嚴重負面影響的化石燃料。公共政策與財政資源的引導有助于確保在社區中創造出新能源部門的高薪工作崗位。