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1 引言

不同技术所发挥的作用在很大程度上取决于其应用环境。虽然有不同的出版书籍强调将BECCS（生物能源碳捕获与储存）纳入可以使得低稳定目标更容易实现，但还没有尝试对不同模型进行比较。因此，本IMAGE/TIMER、GET。 就二氧化碳浓度而言，这相当于对于气候敏感度为每二氧化碳当量加倍3度的CO2浓度为400ppm（如果气候敏感度高达每二氧化碳加倍4.5度，所需的CO2浓度将低于350 ppm；相反，如果气候敏感度低至每二氧化碳加倍2度，即使大气中的CO2浓度达到500ppm，也可以实现2度的目标。 在本文中，我们简要探讨了BECCS（碳捕获与储存的生物能源）作为可行的负碳排放技术， 对实现低于大气二氧化碳浓度下限稳定目标的可行性贡献，这一下限被认为是对三种不同全球能源模型的感知。 在过去的几年中，已经发布了一系列减缓情景，这些情景研究了与特定气候目标一致的技术组合。人类为了实现联合国气候变化框架公约的目标应该努力达到什么大气GHG浓度水平是一个充满价值判断的问题。在“雄心勃勃”方面，一些科学家认为，需要将全球气温升高的目标设定在工业化前水平以上约 2°C甚至更低。一个2°C的目标转化为长期温室气体目标，范围在450ppm（二氧化碳当量）（20-70%概率），400ppm（40-90%）甚至更低。要达到二氧化碳稳定浓度目标低于400ppm，这意味着全球净碳排放量最终必须减少到接近于零甚至可能需要成为负值。通过几种技术可以产生负排放，包括重新造林、直接空气捕获以及生物能源与碳捕获和储存相结合在发电厂中的应用（BECCS；Obersteiner等人2001年）。后者技术现在已经在几个情景研究中使用过 （包括上面引用的那些）；一般来说，这些研究表明该技术确实使得低目标的实现变得更加可行。尽管如此，科学界对于是否可以达到450、550甚至650ppm的二氧化碳当 量目标—以及不同的技术，包括BECCS，实际上可能扮演什么角色—仍然存在持续 的争论。这场辩论早在2000年代初期就已经在进行。有趣的是，迄今为止还没有任何研究比较了在不同模型中包含BECCS的影响。

在本文中，我们简要探讨了BECCS（碳捕获与储存的生物能源）作为可行的负碳排放技术，对实现低于大气二氧化碳浓度下限稳定目标的可行性贡献，这一下限被认为是对三种不同全球能源模型的感知。这三个模型分别是IMAGE/TIMER，GET和MESSAGE。

2 方法

不同技术所发挥的作用在很大程度上取决于其应用环境。虽然有不同的出版物强调将BECCS（生物能源碳捕获与储存）纳入可以使得低稳定目标更容易实现，但还没有尝试对不同模型进行比较。因此，本文探讨了在三个不同模型中加入BECCS和CCS的影响，即IMAGE/TIMER、GET以及MESSAGE，特别关注低温室气体浓度目标的实现性。所有这三个模型都明确代表了技术（正如所要求的，以显示BECCS的影响）并且确实发布了早期情景，其中包括BECCS。同时，这些模型在假设的技术发展和考虑的减排选项方面存在显著差 异。

IMAGE/TIMER模型是一个综合评估模型，特别关注空间明确的土地利用和碳循环的表现。TIMER模型构成了能源组成部分，并基于枯竭和技术发展动态，代表了大约 10种主要能源载体的生产和使用的长期动态。该模型中的技术主要是使用多项逻辑 斯蒂方程选择的，这些方程赋予低成本选项较大的市场份额，而成本较高的选项则 获得较小的市场份额（因此不是完全优化）。MESSAGE是一个动态线性规划模型， 在资源可用性、给定技术的菜单以及有用能源的需求限制下，计算成本最小化的供 应结构。它估计了详细的能源系统结构，包括能源需求、供给和排放模式，与初级和最终能源消耗的变化保持一致。GET也是一个线性优化模型，旨在选择满足（在此版本中）价格弹性的能源需求、总成本最低的主要能源来源、转换技术和运输技术，同时受到碳排放约束（税收或排放上限）。

所有三种模型都允许将碳捕获和储存（CCS）应用于化石燃料和生物质。 本文中，所有三种模型都已用于生成三不同案例的一系列稳定情景：完全不使用CCS的案例、仅将CCS用于化石燃料的案例以及将CCS用于化石燃料和生物质的案例。在一切照旧的情况下，电力、运输燃料和固定燃料的能源需求水平大致与IPCC SRESB2 中的所有模型一致。模型中的所有其他因素都没有进行协调，以便在默认假设下比较BECCS在不同模型中的作用。在这种情况下一个重要因素是生物能源的潜力，这在第4节中将进一步讨论。

3 结果

图1显示了三种不同模型在不同稳定情景下的成本与2100年二氧化碳浓度水平之间的关系。成本以未来年度成本的净现值表示，贴现率为5%（选择该贴现率是为了 与第三次和第四次评估报告中的类似数字进行比较）。对于接近 300ppm（MESSAGE和GET）和360ppm（IMAGE/TIMER）的浓度目标，成本在 0-25万亿美元之间，最高可达225万亿美元。不采用CCS的情景的成本估计与文献报道的结果一致。

图1 不同模型到2100年稳定大气中CO2的净现值成本。黑线表示包含BECCS的情况，蓝线表示仅含化石燃料CCS的情况，红线表示TIMER、GET和MESSAGE模型的无CCS情况。成本以相对于基线（1990-2100年）的额外减缓支出的净现值表示，并以5%的实际金额贴现（以2000年美元的市场汇率计算，单位为万亿[10^12]美元）。

从图1可以看出，使用CCS（碳捕获与储存）技术来减少化石燃料的使用可以降低实现大部分稳定目标的成本。此外，还可以看出BECCS（生物能源与碳捕获与储存）技术使得达到比在没有BECCS的情况下更低浓度的目标成为可能，或者以更低的成本实现某个既定目标。例如，利用BECCS技术的可能性可以使大气浓度在相同成本下减少50到100ppm。潜在贡献因使用的模型而异，并且取决于稳定目标。稳定目标越低，来自BECCS的成本削减贡献就越显著。其原因是，只有对于较低的稳定目标，实现负全球排放的可能性才变得至关重要。成本的降低不仅源于BECCS能够以更低成本满足年度碳排放限制的事实，还源于引入BECCS改变了通往大气稳定目标的最低成本排放轨迹，从而在短期内减少了减排量，并在较晚的时间发生更多的减排。推迟减排会增加本世纪内我们可能排放的累积碳量，对于任何给定的浓度目标都是如此。

将缓解成本与预期未来收入进行比较是有益的。在大多数情况下，到2100年，全球未来的收入比今天高出约一个数量级。如果与未来全球收入的净现值相比较，图1中显示的最低稳定化成本的数字约为2%。

当运行具有BECCS的模型时，我们发现到2100年为止，大气中二氧化碳浓度可达到最低300到360ppm的范围，其中最高的一种情景在2100年后不久接近350ppm。三个模型描绘出不同程度的可实现浓度的原因与基础条件有关。

假设和替代建模方法。为了在模型和情景之间代表一个说明性的范围，除了主要能源驱动因素（如国内生产总值(GDP)的发展）之外，没有协调基本假设。在图2中，我们提出了三个能源情景（每个建模小组各一个），展示了在大约2100年左右实现350ppm目标的技术可行性。模型结果多种多样，有些模型更依赖于非生物质可再生能源，而其他的则更依赖于生物质、BECCS或核能。所有模型中化石燃料与CCS的贡献相似。在所有模型中，大部分减排量来自除BECCS之外的其他来源（可再生能源、能效、化石CCS和核能）。最后，可以注意到MESSAGE的能源供应比其他模型高出约50%。GET和IMAGE/TIMER的初级能源供应较低，是因为这些模型是在能源需求价格弹性下运行的。

图2旨在将大气中二氧化碳稳定在350ppm的方案的主要能源载体（十亿焦耳/年）和二氧化碳排放量（万吨/年）的全球发展情况。a-c显示了核能（黄色）、其他可再生能源（蓝色）、BECCS（绿色向下对角线）、生物能源（绿色）、化石燃料与CCS结合（黑色向上对角线）、不使用CCS的化石燃料（黑色）的贡献。d给出了这三模型对应于350 ppm的排放轨迹。GET 和 MESSAGE 在2100年实现了350ppm的二氧化碳浓度；TIMER/IMAGE 的浓度量为360 ppm，预计将在2100年后不久达到350 ppm。

4 讨论与结论

在检查的所有三种模型中，包括BECCS（生物能源与碳捕获和储存）都使得更低的减排目标变得可行—而且成本也较低。相比之下，对于不太雄心勃勃的目标，将BECCS纳入技术组合对成本几乎没有甚至没有影响。这意味着目前可以将BECCS（以及CCS）视为实现低稳定化目标的的关键技术。然而，有几个关键问题需要注意。

在评估BECCS的潜在作用时，一个关键问题是生物质的潜在供应。所有建模组都做出了自己的假设（以反映各种不同的观点）。在我们的三次模型运行中，2050-2100年期间每年使用200-400艾焦（EJ）的生物质（即，大约占能源供应的20-40%）。部分生物量可以从农业和林业废弃物中获得，在我们的模型中，这部分生物量的估计值为每年约80-100艾焦。然而，剩余的生物量需要大量的土地来进行生产。例如，如果我们假设每年的平均生物量为每公顷10吨干物质（如果所有的生物量都与CCS结合使用，那么每年可能捕获约2.5Gt碳），那么100艾焦/年的生物量可能需要5亿公顷的土地。在不同的研究中，他们的结论估计了在关于产率、可持续性标准和土地利用转换的不同假设下生物能源的潜力。结果似乎表明，到本世纪中叶，潜力可能在0-400艾焦之间，但在积极假设下的较高数值只有在假设产量和使用自然草地（从而导致生物多样性丧失）的情况下才是可行的。总的来说，这意味着如果BECCS要对全球碳预算做出重大贡献，可能需要大量土地。将需要实施政策来避免生物质侵犯粮食安全和其他环境目标（包括大规模扩大生物质种植园可能导致在森林上建立或在森林上间接推动农业前沿，并因此作为负面副作用造成大气碳的大量释放，我们的情景的另一个关键问题是储存来自化石燃料和生物质的碳的潜力。IPCC对文献的最新评估预测，地质构造中的储存能力至少为550GtC。报告指出，对于盐碱地构造中的储存能力存在不确定性，并强调储存能力可能要大得多，达到数千GtC（IPCC，2005）。本世纪储存的CO2量如情景分析所示，范围在350到500GtC之间，远低于上述报告的全球能力。然而，在这样规模的碳储存应用之前，还需要进行大量的研究。可能会出现意想不到的情况—无论是物理方面还是行政方面—这些情况都可能导致排除使用地下或海洋CO2储存。目前，北海Sleipner油田每年储存100万吨CO2。为了实现这里呈现的CCS情景，全球储存活动必须比现在大几万倍。我们不能想当然地认为，这种技术要大规模应用，就有足够安全的地质储存选择和足够的行政接受度。

最后一个关键问题涉及减排的时间安排。选择负排放技术—无论是BECCS还是直接从空气中捕获二氧化碳纯粹从物理角度看，有可能推迟近期的排放减少，并在未来某个时候通过移除二氧化碳来补偿，最终仍然达到相同的浓度目标。然而，我们警告不要将这种可能性作为近期减排的论据。继续像往常一样排放会导致（更高的）浓度水平超过预定目标值，从而导致更多的气候影响，这些影响甚至可能是不可逆的。此外，应注意的是，像BECCS这样的技术的开发需要很长时间才能大规模部署。为了对大气中的CO2浓度产生重大影响（每年减少0.5-1 ppm CO2浓度），可能需要大约半个世纪的时间来发展全球生物质能源系统与CCS的技术和社会基础设施。

编辑：高翔