文献阅读 | 缓解气候变化对健康的协同收益取决于战略性的发电厂关停和污染控制

题目

Health co-benefits of climate change mitigation depend on strategic power plant retirements and pollution controls

作者

Dan Tong, Guannan Geng, Qiang Zhang, Jing Cheng, Xinying Qin, Chaopeng Hong, Kebin He, and Steven J. Davis

期刊

Nature Climate Change

时间

2021年11月

一作

单位

Department of Earth System Science, Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Institute for Global Change Studies, Tsinghua, Beijing, 100872, China.

链接

https:/ / doi.org/10.1038/ s41558-021-01216-1

研究背景

在全球范围内，发电约占人类接触有害空气污染物的七分之一，以及近年来造成气候变化的二氧化碳排放的40%左右。历史上，严格的环境政策和排放标准旨在减少化石燃料发电厂的尾管排放，从而缓解此类空气污染带来的健康风险。但越来越多的研究指出，减少化石燃料的使用对健康有巨大的“协同效益”。然而，这些健康的共同利益并没有得到保证，而且可能根据区域气候-能源和清洁空气政策的细节而分布不均。特别是电力部门，变化的时间、现有发电基础设施的管理和空气污染排放标准的水平各不相同，可能导致本世纪每年和累计空气污染死亡人数和地点的巨大差异。然而，尽管气候变化对人类健康和减缓气候变化的总体效益有巨大影响，但还没有全面核算公共健康结果对全球电力部门单位一级管理决定差异的敏感性。

本文开发了一种数据驱动的方法，用于量化不同气候能源和清洁空气政策中与化石燃料和生物燃料相关的健康协同效益，在单个发电单元层面解决方案，并突出能够产生最大健康效益、同时满足不同气候目标的政策。

研究方法

本文首先使用全球发电厂数据库——全球电力排放数据库(GPED)来评估2010年运营中的发电厂的排放对健康的影响，该数据库按地区、燃料类型和容量划分，以及已确定的超污染单位的排放。基于发电能力和健康影响之间的不均衡，本文定义了三种关停策略:一种是允许电厂在被替换之前(40年)以其历史预期寿命运行;一种是优先让污染最严重的工厂关停，但略微缩短全球平均寿命(约33年);一种是再次优先考虑污染最严重的工厂的关停，但也大幅减少平均寿命至26年，以适应严格的气候目标。本文从全球变化评估模型(GCAM)获得的生物质和化石燃料发电厂满足的区域电力需求不受这些关停策略的影响;假设一个提前关停的燃煤电厂只有被一个更新的(更节能、更低污染的)燃煤电厂所取代，才能满足对煤电的预期需求。除关停策略外，我们还定义了三个级别的污染控制技术:第一，所有运营单位的污染去除效率保持在2018年水平供参考（即参考组）;第二种是将任何污染去除效率低于2018年平均水平的单位提高到平均控制水平(即较弱);最后，最好的控制技术被部署在所有设备上(这是最强的)。

在本文作者开发的自顶向下和自底向上组合预测模型的基础上，该模型表示在独立电厂级别上的变化。从2018年开始，对固定的社会经济发展的一系列气候缓解情景，跨越四个级别的气候目标(代表性浓度路径——RCP1.9、2.6、4.5和6.0)、三种不同的退休策略(历史退休、绩效退休和提前退休)和三种污染控制严格程度(参考、强、弱)。需要指出的是，部署碳捕集和储存(CCS)对烟道气体流中的杂质(空气污染浓度)有要求，以降低溶剂降解率。因此，采用CCS技术的电厂应该具有相对较高的控制水平，这也在我们的排放预测中得到了全面的模拟。最后，我们使用化学运输模型和流行病学浓度-响应(C-R)函数(全球暴露死亡率模型，GEMM)评估了我们的情景下PM2.5空气污染对全球健康的影响。

研究结果

与电力相关的健康影响

本文估计，2010年有730万人因PM2.5污染而过早死亡(我们的基准年，因为大多数全球气候情景都始于2010年)。在全球总数中，这些死亡人数与产生空气污染的发电机的燃料类型和大小之间存在很大的歧异(如图1)。例如，燃煤电厂占世界发电能力的46%，但在GPED-2010中占80%的电力相关空气污染死亡(图1a中的红色);此外，在燃煤电厂中，小容量机组(<100兆瓦)仅占发电能力的9%，但却占与pm2.5相关死亡人数的16%(113,100人;图1b中的红色和橙色)，而最大的发电厂(≥600 MW)代表了33%的发电量(545 GW)，但只造成了13% (89,800)的死亡(图1b中紫色部分)。

然而，这些全球总量掩盖了发达国家和发展中国家在排放强度方面的巨大差异;在许多国家，小容量燃煤机组与相关空气污染造成的死亡之间的差距甚至更大。超过40%的死亡(约30万人)与占所有燃煤发电能力10%以下的燃煤电厂有关(图1c)，主要是低收入和新兴经济体(如印度、中东和非洲)的小型(<100兆瓦)和超污染机组(图1d)。对已确定的煤炭超污染单位进行进一步评价(单一或多污染物)再次反映了这种区域歧化，与全球煤炭超污染单位相关的PM2.5死亡中超过90%(总计341,200人)发生在低收入和新兴经济体。相比之下，在发达地区(如美国和欧洲)，对燃煤电厂的监管在很大程度上有效地保护了人们免于因PM2.5空气污染而死亡。

图1 截止2010年全球发电厂与PM2.5相关的死亡比例

此外，从2010年到2018年，由于发达地区电厂的持续控制和煤炭关停，以及除中国以外的低收入和新兴经济体的监管日益宽松，发达经济体和新兴经济体之间的健康影响差异扩大。2010 - 2018年期间新建单位的先进控制和改造/关停的老单位受益于一个“超低”最近5年排放标准。因此，到2018年，与2010年超污染单位相关的产能和死亡比例大幅下降。例如，2018年“亚洲其他地区”的煤炭死亡人数中，18.5%来自剩余8.0%的高污染煤炭产能；2010-2018年期间在发电能力和健康影响方面仍然存在的歧化问题，除了新确定的超污染单位外，用于定义“基于性能”的战略，根据每单位发电能力造成的空气污染死亡(死亡强度)估计，优先考虑电厂关停。

量身定制的关停策略的健康福利

在2018-2030年期间，生物质和化石燃料发电厂的电力需求将增加。此后，在许多情景下只有在可能避免全球平均气温上升2.0°C或1.5°C，考虑到人口的稳步增长和老龄化，每年因空气污染死亡的人数也会增加，直到2030年(如图2)。在RCP1.9和RCP6.0中，2030年与pm2.5相关的年死亡人数分别为93万人和119万人(2018-2030年，RCP2.6和RCP4.5与RCP6.0共享相同的电力需求路径;图2a中小而轻的圆圈;下面我们将这个RCP6.0场景作为基线)。

图2 二氧化碳排放和与pm2.5相关的死亡人数的平均年变化

在2030年至2050年期间，不同气候情景下与pm2.5相关的死亡人数差异越来越大:再一次假设历史上的退休和污染控制薄弱，基线RCP6.0死亡人数在2050年达到2010年水平的3倍(每年218万),而死亡是大大降低87%，RCP1.9场景可能避免1.5°C的变暖由于能源过渡的组合和CCS部署(分别为小而浅灰色和紫色的圆圈图)。雄心勃勃的气候目标大多会在2030年之后实现，与之形成鲜明对比的是，采用污染控制技术——重点是减少管道末端的排放——可以立即有效地降低污染排放强度(图2a, b)。事实上，即使在气候缓解作用较弱的地区，短期内广泛采用强有力的污染控制措施也能在很大程度上避免2030年和2050年与pm2.5相关的死亡人数增加。截至2050年，无论RCP4.5和RCP6.0的关停策略如何，通过部署强污染控制措施，可避免半数以上的基线pm2.5相关死亡(图2b为强对照组与弱对照组)。到2050年，在最强劲的情景下(RCP1.9提前退休和强污染控制)，排放显著减少，但不包括同等的健康益处。这意味着未来人口的增长和老龄化明显吞噬了空气质量改善带来的部分健康益处，特别是对发展中地区而言。

由于气候减缓以及不同的污染控制严格程度和关停策略的作用二氧化碳排放量和与pm2.5有关的死亡人数的年度变化(也包括与pm2.5有关的生命损失年数)也会有所不同。尽管RCP6.0(弱缓解，灰色圈，CO2排放量仍在增长)和RCP1.9(非常严格缓解，紫色圈，年排放量在减少)下CO2排放量的年变化标志不同，2030年与pm2.5相关的死亡人数减少了对气候路径敏感，而对污染控制和关停策略的严格程度敏感(图2a中各圆之间的水平距离表示)。因此，在实施强污染控制的情况下，关停策略可以决定RCP6.0或RCP1.9与电厂相关的空气污染死亡人数是否较少(图2黑圈)。

然而，到2050年，关停策略对模拟空气污染死亡的影响已经缩小，因为2018年之前运行的大部分机组(包括已确定的超污染机组)都被新机组取代，而不管退休策略如何。与此同时，在雄心勃勃的气候目标(例如RCP1.9)下，CCS部署对空气污染死亡的影响尤其明显。即使在控制力度较弱的情况下，通过CCS部署增加空气污染控制技术，也将大幅减少空气污染死亡。也就是说，在所有RCP1.9情景下，几乎所有安装了CCS的电厂在2050年的空气污染死亡中都有更相似的表现。

地区差异

虽然二氧化碳和空气污染排放量的全球变化在我们的各种设想中有很大差异，但在空气污染和健康影响方面存在巨大的区域差异。对于2030年至2050年的所有未来情景，空气质量与pm2.5相关死亡之间变化的歧化程度表明需要作出额外努力以抵消区域人口规模和年龄的增长(如图3)。例如，在2030 - 2050年期间，全球空气质量改善的72% (2.3-0.6 μg m-3;图3a、b中的第八列只能带来56%的被避免的污染死亡(55.3 - 243.6万人死亡;图3c,d)中的第八列，成功地避免了1.5°C的变暖(RCP1.9)。

图3 Pm2.5暴露和与Pm2.5相关的死亡都与全球发电厂的排放有关

在未来的许多情景中，死亡总人数和发生在低收入和新兴经济体(如印度、中东和非洲)的比例都将增长。最引人注目的是，在基线情景下(历史上的退休和污染控制不力)，2010年至2050年，印度与发电厂排放有关的pm2.5死亡人数几乎翻了四番。此外，在2050年，基线情景中90%的死亡发生在亚洲；在2050年亚洲以外的基线情景中，中东和非洲占了与PM2.5相关的死亡人数的一半以上(65%，2050年死亡人数为14.07万人)，尽管美国或欧洲的人口加权PM2.5暴露量相当。

战略性电厂关停(基于业绩或提前关停)尤其有助于低收入和新兴经济体，这些国家的发电机组还很年轻，但往往发电能力较小，效率较低，单位发电能力的污染排放量较高(图1c)。例如，在中国和印度，通过提前关停和更换发电机，分别可以在2030年避免77200例和136100例与pm2.5有关的死亡人数。额外的煤炭超污染孤立模拟进一步表明，RCP1.9强污染控制下的战略电厂关停(提前关停和强污染控制)，与历史关停相比，将在2030年迅速彻底淘汰已确定的超污染单位，历史关停下仍存在5.2%的煤炭超污染产能。但到2030年，电力效率和管道末端控制仍很差，这仍可能导致2030年与pm2.5相关的死亡人数中29.5%的死亡。特别是对低收入和新兴经济体而言，在同样的气候-能源和清洁空气途径下，可以大幅减少健康负担。

累积的健康收益

尽管RCP2.6或RCP1.9下雄心勃勃的气候缓解措施到2050年将使每年的空气污染死亡人数降至较低水平，但通过有目标的提前关停和更换超污染电厂，可以在这期间避免大量死亡(图4)。例如，比较RCP6.0和RCP2.6，在2010年至2050年期间，将避免累计149亿吨二氧化碳排放和400万人因空气污染死亡(图4a)。然而，如果加上提前关停策略，累计减少的CO2排放量和死亡人数分别增加了37和125%，达到2.04亿吨和900万(图4b)。额外的二氧化碳排放减少是因为替代发电厂的能源效率提高了。

图4 2010-2050年累计避免的与pm2.5相关的死亡和二氧化碳排放

根据更加雄心勃勃的RCP1.9计划，战略关停的累积收益也很大:二氧化碳排放量增加18%，死亡人数减少100%。正如图4中地图上红色区域所显示的那样，数以百万计的被避免的死亡集中在印度、中国和亚洲其他地区。事实上，45%与pm2.5相关的死亡在RCP1.9 的情况下，提前关停发生在印度，其余五分之四避免死亡的人在中国或亚洲其他地区。

研究结论

本文对未来电力系统在单个发电机组层面上对气候、污染和健康的影响进行了详细而动态的分析。结果表明，空气污染造成的死亡并不是所有气候缓解措施的自动和固定的共同利益。相反，污染控制和污染最严重和有害的发电厂的战略性关停可能最终决定实现健康共同收益的程度。考虑到各种技术和政策干预措施的不同时间尺度，这一点尤其明显:尽管长期气候政策导致的电力系统的演变可能会在2050年前大大减少每年的空气污染死亡人数，但污染控制和关停/替代决定可能会对未来十年的每年死亡人数产生同样大的影响，导致数百万人避免了死亡，尤其是在亚洲。消除超污染单位，特别是在中国、印度和亚洲其他地区，将为这些地区带来不成比例的巨大健康利益，而且全球和国际合作支持这种关停/改造是重要的。与最近的研究结果相比，我们对缓解气候变化政策的健康共同利益的分析，意味着不同的、有针对性的政策影响。

本文发现有几个重要的不确定性和局限性。首先，在本文的情景中描绘的未来排放轨迹反映了一个假设，即现有的发电机组要么在历史关停计划中“老化”，要么在战略上针对关停和替换更高效、排放更低的机组。此外，GCAM模型预测的特定燃料的电力需求暗示了其潜在的特定发电厂的假设。本研究针对不同战略关停的情景设计，忽略了关停策略对成本和电力需求变化的反馈，可能会诱发不确定性。其次，目前的综合评估模型(IAMs)的分辨率与单位级排放预测模型相比比较粗糙，而且这些IAMs的基准年还远未达到10年，可能与当前的发展水平有很大差异。本研究仅使用一个模型(GCAM)，而不同的IAMs对未来电力需求和电力供应结构有不同的预测。所有这些不确定因素都将影响对能源消耗、最终污染排放和过早死亡的估计。第三，由于无法获得更详细的规划信息，预计新建机组的排放将发生在与退役机组相同的地点。相反，如果我们对新建电厂的选址进行优化，我们可能会获得更大的健康益处。第四，空气质量和健康效益的程度取决于我们使用的归零方法和未来气象条件的影响。我们进行的几次敏感性模拟表明，对与电力有关的污染估计的影响相对较小。相比之下，未来的气象条件将受到气候变化的影响，仍然具有高度不确定性。尽管有几项研究预测，气象变化实际上可能会使中国等关键地区的空气质量恶化，因此可能会低估通过减少空气污染排放而避免的死亡人数。

通过模拟单位水平上排放和死亡的差异，本文的结果为有关缓解气候变化的健康共同利益的政策相关讨论增添了重要的细微差别，本研究表明，实现这种利益往往依赖于部署污染控制技术的补充方案，并以淘汰和替代高污染单位为目标，特别是淘汰燃煤发电单位。

编辑&排版：徐沙沙

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