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如何在沒有相應能源政策的情況下同樣實現二氧化碳減排？

Ernest J. Moniz是麻省理工學院能源和環(huán)境實驗室主任、物理學教授，自1973年以來，他一直在該學院任職。Moniz博士在1997年至2001年間曾任美國能源部副部長，在1995年至1997年間曾任美國總統(tǒng)行政辦公室的科技政策辦公室科學副主任。他現任美國總統(tǒng)科技顧問委員會委員。Moniz擁有斯坦福大學的理論物理學博士學位。

人們常說能源效率有可能是滿足世界能源需求的最大貢獻者。您如何看待這種觀點？

Moniz：能源效率是非常重要，但是它需要能夠抓住其優(yōu)勢的政策聯合發(fā)揮作用，也就是為降低能源需求而制定的政策。舉個例子，內燃機的效率已經越來越高。但是在美國，這種效率提升的優(yōu)勢并未反映到能源使用量的降低上。相反，效率的提高反而使同種能源的使用量有增無減。

主要在哪些領域可以將能源效率目標與降低需求的政策統(tǒng)一起來？

Moniz：就溫室氣體排放而言，有兩大領域。一個是住宅樓和商業(yè)建筑的供電。在美國，僅這一個領域就消耗了大約70%的商業(yè)發(fā)電量，其中一半左右來自燃煤發(fā)電。第二個重點領域是交通燃料。所以就構成了應對碳排放挑戰(zhàn)的四個主要支點：建造高能效建筑物和車輛、電力脫碳及側重低碳燃料。這是當前的重要任務。

們來談談建筑物。那些用來管理電耗的系統(tǒng)具有什么樣的節(jié)能潛力？

Moniz：需求響應技術的節(jié)能潛力是毫無疑問的。據美國國家科學院2008年發(fā)布的報告預計，即便按現有的建筑物數量計算，截至2020年，我們也可以通過開展節(jié)能增效項目每年節(jié)約大約1.8 X 1016英熱單位的能源，這些節(jié)能增效項目具有合理的投資回報期。而這正是通過建筑物中的需求響應系統(tǒng)來實現的。簡而言之，就是在能源提供者和主要消費者之間簽訂協議，消費者同意在需求高峰期減少既定數量的能源使用量。整個美國的能源使用總量約為1017英熱單位。所以說1.8 X 1016是個很可觀的數字。然而如果沒有聯邦法規(guī)的支持，要實現這一目標還是很難的。

交通運輸領域最近出臺了新的單位燃料行駛距離標準……

Moniz：對。新標準要求未來十二年汽車單位燃料行駛距離增加一倍，從每加侖27.5英里增加到54英里。這意味著效率的巨大提升。

除技術和經濟手段外，還可以采用什么樣的方式來激勵人們減少能源的使用？

Moniz：消費者行為在節(jié)能方面可以發(fā)揮重要作用。比如，沃爾瑪曾經做過一項調查，他們將冷凍食品放置在封閉式玻璃冰柜中，而不是浪費能源的敞開式冷凍柜中，觀察在這種情況下消費者行為的變化。零售專家預期封閉式柜門可能會使從柜中取商品的消費者變少。但是研究結果發(fā)現，柜門的存在使成本得以降低，不僅是因為電費減少了，還有一個原因就是，消費者行為降低了重新上架的需求。標示是另一個途徑。舉個例子，麻省理工學院的學生曾做過一個實驗，他們通過標示告訴用戶雙開門的空氣流通量為旋轉門的八倍。他們發(fā)現這些標示確實對用戶行為產生了影響。

電器、照明產品和車輛的能效標識會有什么影響？

Moniz：隨著汽油價格和電價的上漲，還有環(huán)保意識的提高，面向消費者的能效信息越來越重要。消費者也越來越多地將產品的高能效與高品質聯系起來，不論它是電器的“能源之星”標識，還是建筑領域的“能源與環(huán)境設計先鋒認證”，無不如此。歐洲的趨勢是使用能體現能源、排放、生態(tài)和人體工學因素的標識，這一趨勢很有趣。

作為美國總統(tǒng)科技顧問委員會（PCAST）的成員，您提出或支持過什么樣的能源效率政策？

Moniz：我認為，在美國能源系統(tǒng)面臨的所有挑戰(zhàn)中，目前仍居首位的最大挑戰(zhàn)是制定出氣候變化風險的及時響應機制。它的重要性甚至高于能源安全。同時很明確的一點是，如果我們要對氣候變化的風險作出響應，那么就必須涉足能源供應系統(tǒng)的核心及其礦物燃料基礎。在這方面，解決問題的辦法十分簡單：對碳排放收費。無論具體實施方式如何，這種方法將能夠激勵技術發(fā)展，并通過價格信號改變行為。需求管理是短期內成本最低的方法。

長期來看，美國在能效提升方面的重點工作是什么？

Moniz：短期內，美國能源政策會側重三大領域：需求縮減、天然氣替代煤炭和加快具有經濟優(yōu)勢的零碳解決方案的創(chuàng)新步伐。正如我在前面談到的，通過出臺新的車輛單位燃料行駛距離政策等措施，在一定程度上抑制了能源需求。但還有另一個非常重要的方面，我們尚未提及，它就是用天然氣來替代煤炭。由于天然氣使用量的增加，目前美國電力生產的煤炭使用量已經從幾年前的50%左右降到去年的45%。公用事業(yè)公司也已經敲定關閉產能近2萬兆瓦的燃煤發(fā)電設施，并以成本低廉的天然氣作為替代發(fā)電燃料。另外，近期依據《清潔空氣法案》出臺的汞排放限制規(guī)定，則帶來另一福音：本世紀二十年代，將有裝機總容量為6萬至9萬兆瓦的發(fā)電廠從燃煤發(fā)電改造為燃氣發(fā)電?？偠灾鹤儦饪勺屓腊l(fā)電行業(yè)二氧化碳減排高達20%，這將讓美國步入一個非常合理的減碳軌道。

50%以上的初級能源以熱量的形式被浪費掉。在這方面有沒有可行措施？

Moniz：在美國，熱電聯產領域蘊含著很大的潛力。大約十年前開展的一項研究發(fā)現，僅全美各地的醫(yī)院、大學等機構就蘊含著8萬兆瓦的節(jié)能潛力。早在15年前，麻省理工學院就采用了用于發(fā)電、供暖和制冷的熱電聯產系統(tǒng)，一直沿用至今。公用事業(yè)公司對此的關注也越來越多，因為應用熱管理解決方案意味著他們不必再建造調峰電廠，或在輸電、配電方面進行額外投資。美國的很多城市已實現集中供暖，實際上，紐約市早在19世紀晚期就開始采用這種模式了，這一領域正在吸引著越來越多的關注。不過，美國在這方面與歐洲和加拿大相比仍有差距。

就提升能源效率而言，哪些國家取得了不錯的進展？

Moniz：據我所知，德國是這方面的典范。尤其是在建筑行業(yè)，他們取得了巨大進步。

美國的產品是否會因為對節(jié)能技術重視不足而失去競爭優(yōu)勢？

Moniz：能源成本是衡量制造競爭力的因素之一。這個因素固然很重要，但我不認為它是決定性因素。

為什么美國沒有更果斷地推進能源的高效利用？

Moniz：原因有兩個。首先，能源是一個年產值高達數萬億美元的行業(yè)。它是一個資本高度密集的行業(yè)，供應者的資產使用壽命長達數十年。它還是一種商品行業(yè)，是社會所必需的服務業(yè)之一。這就意味著它的可靠性優(yōu)先于創(chuàng)新。這個行業(yè)已經擁有極其高效的供應鏈。這個行業(yè)身受嚴格監(jiān)管，由于其所提供服務的性質，這種監(jiān)管永遠不會改變。而嚴格監(jiān)管又讓它匯集了政治利益?？傊茉词莻€發(fā)展緩慢、牽涉到很大責任問題的行業(yè)。第二個問題是能源效率需要前期投資，經過一定的生命周期才能實現經濟效益。通常很難克服這段艱難時期。政策要能使能源效率變成消費者錢包里節(jié)省的錢，這樣的政策很重要。能源服務合同等形式很有意思，在這種合同中，有些人為你投資，然后分享收益。但即便在這方面，我們還是會遇到一個大問題：由于能源生產和分配的管轄權下放到了各個州以及一些城鎮(zhèn)，我們缺少統(tǒng)一的全國性政策。我個人認為如果電力監(jiān)管不能在全國范圍內實現更大程度的統(tǒng)一，很多問題就無法得到有效的解決。我們可以看看貨車運輸、航空和電信等行業(yè)，這些行業(yè)在過去的二十幾年中，都經歷了非同小可的監(jiān)管轉變。然而相比之下，電力領域的監(jiān)管在很多方面仍然延續(xù)著上個世紀30年代的結構。這與如今電網的物理和數字化現狀已經脫節(jié)。這是一種嚴重的不協調。

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城市：更加光明的能源未來 

眾多能夠快速、穩(wěn)定地降低現代工業(yè)化國家的能耗的高能效解決方案和技術已經問世。通過對一座堪稱全球能效冠軍的假想城市的研究，我們可以揭示這些解決方案的實際作用。

政府間氣候變化專門委員會發(fā)布的一份報告，讓每個人都清醒地認識到，氣候變化已是不爭的事實。顯然，諸如天然氣、煤和石油等礦物燃料的燃燒是溫室效應的元兇。那么，怎樣才能扭轉局面？如果我們開始在汽車、發(fā)電廠和家用電器中采用能效最高的先進技術，會發(fā)生什么轉變？如果一切從頭開始，一座擁有1,000 萬人口的假想城市需要消耗多少能源？這樣做并不是異想天開，如果將這座假想城市與工業(yè)化國家的常規(guī)城市進行比較，我們將得出一些讓人吃驚的結果……

每1,000 萬人的能源需求和二氧化碳排量( 基于2007 年德國的數據)。節(jié)省熱能、電能和交通能源，是從消費者的角度降低二氧化碳排量的最有效的途徑；減少損耗則是發(fā)電領域的主要減排因素。

下面，我們將以僅次于美國、中國、俄羅斯、日本和印度的世界第六大能耗國家德國的數據為基礎，分析這座假想城市的能耗情況。目前德國每年要消耗14,100 多拍焦耳(PJ) 的初級能源(1PJ 等于1015J，即10 的15 次方焦耳)。德國人口為8,200萬，也就是說，一座擁有1,000 萬人口的假想城市應消耗大約1,715 PJ 的初級能源。事實上，德國的能源構成是：石油33.5%、天然氣22%、無煙煤15%、褐煤11%、核能11%、水電、風能、太陽能、生物質、地熱和其他能源占大約7.5%。發(fā)電設施本身和電力傳輸過程都要消耗能源，因此，將這些初級能源轉換成可使用的能源形式會發(fā)生損耗。這樣，用戶真正使用的只有1,045PJ 所謂的“現場能源”.其中,工業(yè)和商業(yè)活動消耗了44%，家庭生活消耗了26%，交通部門消耗了30%。

在我們的假想城市，住戶、政府部門和工業(yè)界，全都保證實行節(jié)能措施?？梢詮漠a生熱量開始入手，因為在德國，有53% 的現場能源是完全用于為辦公室和家庭供暖，以及提供生活熱水和工業(yè)生產用熱能。據德國七家能源協會組成的聯盟機構——能源平衡工作組(Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen) 提供的數據，在私人住宅中，用于產生熱量的能源占家庭總能耗的80%

因此，用于產生熱量的能源存在巨大的、易于挖掘的節(jié)能潛力。德國聯邦環(huán)境署稱，只要對老房子進行改造，為外墻和地下室頂棚加裝隔熱裝置，以及安裝隔熱窗，就能將其能耗減少56%。老房子每年每平方米要消耗相當于17~25 升石油( 或立方米天然氣) 的能源。相比之下，常規(guī)新建房屋每年每平方米消耗的能源為10 升/ 立方米，節(jié)能房屋僅為5 至7 升/ 立方米。更令人嘆服的是一種所謂的“被動式節(jié)能房屋”，它每年消耗的能源僅相當于1.5 升石油或1.5 立方米天然氣/ 平方米。

不足為奇的是，假想城市的政府出資對所有老房子進行了改造，并且要求所有新建房屋符合節(jié)能或被動式節(jié)能房屋標準。

工業(yè)和商用建筑與民居類似，用于產生熱量和供暖的能源，占其總能耗的67%。通風和空調系統(tǒng)需要消耗電力。然而，在高能效的假想城市，這些系統(tǒng)不再是全天候滿負荷運行，而是按需運行。在這里，配備了負責測量房間溫度和空氣質量的熱傳感器和二氧化碳傳感器，以及用于判斷房間里是否有人和需要多少新鮮空氣的傳感器。這些解決方案是西門子樓宇科技集團(SBT) 的專長，從醫(yī)院、購物中心，到政府部門和學校，SBT 的節(jié)能專家都能找到其“能源漏洞”。通常，這種解決方案可以使許多建筑的能耗降低20% － 40%，而且不需要花大筆資金購置新的設施。

吝嗇的電機。這座高能效的假想城市還堵上了其他的能源漏洞，如傳動裝置、傳送帶和泵等使用的電機。電機耗能量約占工業(yè)總能耗的70%。利用更高能效的智能電機，就可以節(jié)省大量能源。過去，幾乎沒有人知道工廠里的每一臺機器各自要消耗多少電力。但西門子自動化與驅動集團開發(fā)了一款分析軟件，可以向業(yè)主提供此類數據。該款軟件通過分析工廠的生產過程，計算出每一臺機器在什么時候消耗了多少能源，從而揭示潛在的優(yōu)化空間，查清能源“耗子”。

當然，余熱也得到了有效利用。針對玻璃、冶金、制藥和水泥生產等將產生大量余熱的行業(yè)，西門子工業(yè)系統(tǒng)及技術服務集團提供了一種完美的解決方案。這些解決方案的原理都一樣。余熱使液體變成蒸汽，蒸汽推動輪機，輪機再產生電力。

無疑，所有這些措施都要花錢。鑒于地方政府的預算一般都很緊張，能效保證合同是一個理想的解決方案。根據這種合同，西門子負責制定和部署新的解決方案，確保實現節(jié)能。地方政府則利用節(jié)能帶來的經濟效益，向西門子分期支付解決方案的費用。這種做法不會對地方政府造成經濟壓力，而且當十年合同期滿后，客戶將獨享所有的節(jié)能收益。例如，在柏林，SBT 已經對11 家游泳館進行了改造，更換了鍋爐并安裝了更高能效的余熱回收利用裝置和溫水處理系統(tǒng)。此外，SBT 還將其使用的燃料從石油改為天然氣?，F在，這些公共游泳館每年可節(jié)省163 萬歐元的費用，相當于過去的能源費用的三分之一。對于原有的市政建筑，能效保證合同特別有效，通?？梢詫⒛芎臏p少一半。許多醫(yī)院和大學也成功實施了能效保證項目。

控制能源消耗。這座假想城市也在能耗占交付能源28% 的第二大耗能大戶——交通領域，采取了相關措施。就在不久前，仍有560 萬輛乘用車穿梭在這座假想城市的街頭，每年排放1,500 萬噸二氧化碳。正因為如此，該市的居民開始使用四通八達的現代化公交網絡，特別是在稅收制度和各項費用加重了高排放車輛的費用之后。新的公共汽車和地鐵非常舒適，發(fā)車頻繁、行車準時，并且，得益于輕型材料和再生制動系統(tǒng)，能耗比上一代產品降低了30%。此外，人們駕駛的混合動力汽車可將制動能量儲存在電池中，電池再驅動電機，從而節(jié)省了約20% 的燃料。通過將電子傳動裝置和電子制動裝置直接集成到每個車輪上，還可以節(jié)省更多能源。與此同時，通過互聯網獲取的信息和高效的交通引導系統(tǒng)有助于防止交通堵塞，方便停車。

綠色能源生產。如果沒有減少耗電量，我們的城市也當不了能效冠軍。雖然電力僅占德國消耗的能源供應總量的22%，但實際情況沒這么簡單。要知道，電力首先是在燃氣發(fā)電廠、燃煤發(fā)電廠或核電站生產出來的，在發(fā)電過程中，將損耗50% 至65% 的能源。換句話說，在德國，有40% 的初級能源是用于發(fā)電。但能效冠軍用不了這么多，它采用了像聯合循環(huán)發(fā)電裝置這樣的設施，更高效地利用初級能源。目前，采用燃氣發(fā)電的聯合循環(huán)發(fā)電裝置已經可以實現58% 以上的發(fā)電效率。能效冠軍城市還充分利用了各種熱能，將燃料轉換率提高至80% 以上。此外，他們還通過管道，將發(fā)電過程中產生的蒸汽和熱量輸送給附近的工廠和公寓。

在Irsching 鎮(zhèn)，西門子正在為E.ON 電力公司建設一座570 兆瓦的聯合循環(huán)發(fā)電廠，這個項目表明，60% 以上的發(fā)電效率很快將成為行業(yè)標準。這座發(fā)電廠的核心是西門子在柏林制造的一臺長13 米的燃氣輪機。它重達444 噸，相當于六臺柴油機車的總重量，但發(fā)電量卻是這些柴油機車的100 倍。實際上，該發(fā)電廠可以向像漢堡這樣的城市提供375兆瓦的電力，滿足其居民的用電需求。據預測，這座發(fā)電廠將在10 年內，達到63% 的發(fā)電效率。想想看，如果將全世界所有的燃煤發(fā)電裝置更換成最先進的聯合循環(huán)發(fā)電裝置，每年就能減少排放40 多億噸二氧化碳，多么驚人！

可再生能源也有助于我們的假想城市減少二氧化碳排放。例如，幾乎所有的公共和私有建筑的屋頂都安裝了太陽能電池。風力發(fā)電廠、太陽能熱電廠和地熱發(fā)電站以及生物質發(fā)電廠也可以提供電力，而且大部分生活垃圾都可以被轉換成發(fā)電燃料。

家庭節(jié)能。高能效假想城市的居民也為節(jié)能做出了貢獻。冰箱、冰柜、烤箱、洗衣機和洗碗機消耗的電力，幾乎占家庭用電的一半。從1990 年到現在，這些家用電器的耗電量已經降低了30% 至75%，因此，購買新家電是最明智的投資。伍珀塔爾(Wuppertal) 氣候、環(huán)境和能源研究所預計，在德國全國范圍內更換舊家電，可將每年的耗電量減少79 億瓦或28.4 PJ，這相當于近500 萬人的年均耗電量。

這座高能效假想城市的照明系統(tǒng)也進行了全面改造。在德國，超過10% 的電能用于照明，在全球，這個比例達到近19%。按目前的全球能源結構計算，這相當于每年排放20 億噸二氧化碳，也等于7億輛乘用車的排放。照明系統(tǒng)的節(jié)能空間巨大，并且易于實現，因為節(jié)能燈泡的耗電量最多可比常規(guī)燈泡低80%。LED 燈泡則更勝一籌，其工作壽命比白熾燈長50 倍左右。

至今仍有許多生產工廠在使用數千只日光燈，節(jié)能空間巨大。技術尖端的鏡面格柵燈、電子鎮(zhèn)流器和可以自動調節(jié)為自然光的調光器，最多可以將照明相關電力消耗減少80%。

歸功于住宅、建筑、工業(yè)、交通和發(fā)電廠等領域采用的多種先進技術實現的節(jié)能，一座高能效的城市可以將初級能源消耗和二氧化碳排放減少50%。對一座假想城市的分析清楚地表明，現在已有多種可以大幅降低能源消耗的解決方案。換句話說，我們無需開發(fā)這些解決方案，只要盡快使用它們就可以了

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