文献阅读 | 低碳电合成技术发展的公共政策分析

题目

Spurring low-carbon electrosynthesis through energy and innovation policy

作者

Tobias S. Schmidt

期刊

iScience

时间

2021年2月

一作

单位

Energy Politics Group – Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich, Haldeneggsteig 4, 8092 Zurich, Switzerland

链接

https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102045

研究背景

    为了避免灾难性的全球变暖并遵守《巴黎协定》中关于气候变化的目标，全球经济的所有部分都需要脱碳。此外，货运、钢铁生产和化学工业等难以脱碳的行业需要大幅减少排放。这些部门的活动导致主要的能源和过程相关排放。尽管效率提高和一些工艺优化已经导致这些部门碳足迹（单位碳排放）的减少并将在未来几年继续发挥重要作用，但深度（甚至完全）脱碳需要大量的技术变革。一般来说，脱碳最重要的机制是目前基于化石燃料的工业过程的电气化。当然，也存在其他脱碳机制，例如生物燃料、合成燃料或碳捕获和储存 (CCS)，并且可能会发挥重要作用。然而，其他脱碳机制也带来了额外的挑战，例如土地可用性问题（生物燃料）、高成本（合成燃料）和公共接受度问题（CCS）。

       电合成 (Electrosynthesis) 是一种在电气化转型中的脱碳选项。它获得广泛关注的原因有两个：一方面，电合成可以直接取代目前基于化石燃料的化学和工业部门的合成过程。例如，在钢铁行业，可以通过铁电解将氧化铁还原为铁。在水泥行业，基于电合成的煅烧可以帮助大幅减少二氧化碳排放。另一方面，水电解可用于生产氢气，可作为燃料替代化石资源或作为化学、钢铁、货运和其他部门的生产原料。

       在工业电气化和电合成方面，有两个政策任务尤为重要：①保证去碳（carbon-free）、低成本的基荷电力供给（能源政策）。②加快电合成技术的创新和成本下降（创新政策）。第一项任务一般涉及工业过程的电气化，而第二项任务更具体地涉及电气化下属的电合成。

图 1 全球十个最大的工业温室气体排放部门

公共政策分析

（1）能源政策：保证去碳、低成本的基荷电力

在宏观经济系统中，不同的子系统（例如经济部门）不仅通过基础设施相互关联，而且通过材料和能源供应链相互依存。因此，单独对一个子系统进行脱碳通常是不够的。在工业和化学过程（包括氢气生产）电气化的情况下，只有以无碳排放的方式生产输入的电力，脱碳效应才会在全球和经济范围内发挥作用。因此，能源政策（尤其是电力政策）在电合成中发挥着重要作用。在过去的几十年中，几种低排放的可再生能源发电技术（可再生能源技术；特别是太阳能光伏和陆上风能）已经成熟，使可再生能源发电在成本平准化的基础上与化石燃料发电相比具有成本竞争力（IRENA，2020）；然而，当前在能源政策领域仍然存在着三个重要挑战，仍然需要决策者采取行动。

挑战一：可再生能源间歇性导致基荷不稳定，影响电合成的降碳潜力

当需要电力时，太阳光和风能并不总是充足，这需要大幅提高电力系统的灵活性。化学工业是非常资本密集型的，合成过程以连续的方式运行，间断的、不稳定的定力供给会显著提升生产成本。例如，在欧洲，化工行业的平均资本密集度比制造业的资本密集度高 21%。因此，持续（基本负荷）零碳电力供应对于挖掘电合成的脱碳潜力至关重要。电池存储等短期灵活性解决方案已经并将继续经历成本快速下降；然而，平衡长期波动，尤其是季节性波动仍然是一个问题。

挑战二：具有较低融资成本的可再生能源项目才能在总成本上与化石能源竞争

       除了化石发电厂的度电成本由燃料成本主导外，可再生能源技术项目是非常资本密集型的，需要大量的前期融资（图 2A）。图 2B 展示了融资成本的增加如何导致光伏项目电力的度电成本更高（风电也是如此）。

图2 不同发电技术成本比较 (A)可再生能源电力和化石能源电力的度电成本组成 (B)光伏融资成本对其度电成本的影响

挑战三：需要大规模的电网升级才能保证低碳基荷电力的供需匹配   

未来需要将依赖电合成的大型化工厂更深度地整合进入高压电网。此外，交通等部门的电气化则更依赖中低压配电网的建设。同样，如果氢要取代化石燃料，则有必要建立氢气管网或升级现有的天然气管网。要知道，电力和天然气电网扩建和升级项目的准备期非常长。例如，在欧洲，获得新建高压电网线路建设许可证的平均时间为 7 年，超过四分之一的项目则需要超过 14 年。因此，电力规划人员应该已经考虑到电合成的潜在需求。由于公众接受问题可能进一步推迟电力基础设施项目，因此需要进行长期规划。

（2）创新政策：加快电合成技术创新和成本下降

当前关于政策在电合成创新中所起到的作用研究很少，但人们可以从电力部门正在进行的转型中得到许多见解，电力转型仍处在对主要复杂技术的大规模、长期投资中。近年来，研究人员发现了可再生能源技术成本下降的潜在因素。一个关键因素是支持可再生能源技术研发、示范和部署的政策的影响。在供应链下的不同部门中，示范和部署相关的支持政策将有效发挥“干中学（learning by doing）”、“用中学（learning by using）”、“互动学习（learning by interacting）”的作用。

图3 工业技术的学习反馈作用原理图

如图 3 所示，技术进步得益于从示范项目、制造过程和使用过程中获得的技术经验的知识反馈。结合规模经济和竞争加剧导致的利润减少，这些学习效应解释了“经验曲线”，它描述了技术的特定成本（例如，每千瓦时输出）随着技术的发展而降低的经验观察。有趣的是，这些学习效应不仅影响着投资成本，还对运营和维护成本甚至融资成本产生正面作用。然而，从历史经验来看，不同领域技术的学习效应不同。经过作者总结，具有较高学习率的技术往往具有如下两个特征：

①具有相对较低的技术设计复杂性，允许大规模制造。

②如果转移到新的环境中，几乎不需要调整（如图4所示）。

图4 影响技术学习率的要素

针对以上两个特征，典型的正面例子是光伏和风电，二者都有较高的技术进步率（光伏达到22%），典型的负面例子则是生物质，历史技术进步率则仅为9%。生物质的技术进步较慢的原因就是因为需要更复杂的技术设计，并且具有区位和技术异质性，导致技术可复制性较差。

对电合成技术，尽管当前缺乏对以上两个特征更详细的研究，并且不同电合成过程之间存在差异，但最近一项针对电合成技术的研究显示电合成工厂具有中等水平设计复杂性（只有少数零件是批量制造的）。

据作者所知，如果在新的环境中引入电合成，没有任何研究证明需要进行大量调整。然而，当前化学领域创新的研究文献表明，大量的隐性知识仍然掌握在技术用户（technology user）中；因此，激励技术用户和生产者之间持续的跨部门学习将是非常重要的。随着复杂电合成技术的进入壁垒迅速增加，保证稳定的国内市场和跨部门的电合成技术合作的国家或地区将可能获得先发技术优势。这是因为这些过程获得的知识往往是隐性的，只能通过产品及其制造的经验获得，并且难以转移。

电合成技术创新富有潜力，但仍面临两大关键挑战：

①资金渠道不清晰和体量不足

针对具有复杂工业流程的电合成技术，风险资本模式可能不会起到太好的作用。对于风险资本，它们更喜欢短期和高回报的投资，比如在能源技术领域，喜欢小规模的硬件和软件解决方案投资。开发全新电合成技术的新企业可能面临巨大的资本约束。这种现实被称为创新的“第一个死亡谷”（first valley of death），这一效应发生在图 3 中左侧的两个方框周围。为了解决这种资本市场失灵，早期风险偏好型资本是必需的， 一种可能的来源是公共（“绿色”）投资银行，例如欧洲投资银行。

②技术风险厌恶

即使“第一个创新死亡谷”能够被克服，许多创新也失败了，因为它们在早期部署阶段没有获得足够的下游资金。基础设施和行业投资者通常厌恶风险，因此回避为新技术融资。这阻止了创新进入市场，这种现象被称为创新的“第二个死亡谷”（second valley of death）；这可以位于图 3 中右侧的两个方框周围。在这里，提供政策激励更为重要——无论是大棒（sticks，例如以碳价的形式）还是胡萝卜（carrots，例如以补贴的形式）。

研究结论

（1）低碳转型：请将视野由承担责任转为谋求战略机遇

    一个重要的发现是，将绿色技术视为一种经济机遇是一种更有前景的国家战略，而不是将其视为一种限制气候变化减缓负担的方式，这意味着未来可能会有一场针对电合成技术的全球竞争。目前，已经可以在电动汽车领域观察到这种竞争，欧洲政策制定者在该领域表现出非常高的雄心，与东亚国家（尤其是中国）参与者竞争。有趣的是，欧盟和德国政府也开始围绕“绿氢“（green hydrogen 即用可再生电力电解生产的氢）制定产业战略。该策略也是德国 COVID-19 刺激计划的组成部分。同样，中国表现出生产低成本“绿氢”的雄心。

（2）强化政策的反馈影响研究（Policy feedback research）

另一个重要见解是：旨在激励社会技术转型的政策必须具有“粘性”（sticky，即不应迅速撤回）。基础设施和工业部门的转型需要几十年的时间——因此需要政策的持久性。公共政策反馈的相关研究指出，为了使政策具有粘性，重要的是触发积极的政策措施并避免早期的负面政策反馈。因此，应在早期使用积极的政策激励措施（即“胡萝卜”，如补贴）。一旦围绕电合成的行业趋势形成起来，创造就业机会并因此获得一定的产业影响——应该引入负面激励措施（即“大棒”，例如排放标准）。

编辑&排版：黄晨

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