Accounting for non-equivalence of carbon emissions and removals in meeting national net zero emissions targets in the United Kingdom

想象一下，地球的大气层就像一个巨大的、漏水的浴缸。几十年来，我们往里面倒入热水（通过燃烧化石燃料产生的二氧化碳）的速度快于排水口处理的速度，导致水位上升，使地球过热。为了解决这个问题，科学家说我们需要达到“净零”——即加入的水量等于排出的水量。但棘手之处在于：并非所有的水都是一样的。有些是热水，如果不排掉，它会永远保持高温；而另一些只是从桶里溅出来的一点水，可能会蒸发或流回原处。

这篇论文深入探讨了一个特定且高风险的版本，称为“地质净零”（Geological Net Zero, GNZ）。把它想象成一套严格的浴缸规则书。规则规定：如果你倒入“化石水”（从石油、天然气和煤炭中提取的碳，它们原本被安全地锁在地下），你必须移除等量的“化石水”，并将其重新锁回地球地壳深处的永久岩层中。你不能仅仅用一个临时的海绵（比如种植树木）来平衡，因为海绵可能会干涸或发生火灾，导致碳重新释放。作者们提出了一个重大问题：如果我们遵循这种严格的“同类匹配”规则，我们的能源计划会发生什么变化？他们使用了一个针对整个英国能源系统的庞大计算机模拟，来观察我们是否真的能做到这一点，以及这会对我们的经济和基础设施造成多少成本。

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伟大的碳交换：关于浴缸、时间胶囊与速度限制的故事

所以，你想阻止地球变得太热。通常的计划是停止燃烧化石燃料并种植大量树木。但科学家们开始意识到，树木和岩石并不完全一样。树木就像是一个临时的海绵；它们吸收碳，但如果发生森林火灾或森林生病，这些碳可能会重新泄露出来。而岩石则更像是时间胶盒。如果你将碳深埋在地下地质存储中，它会像我们挖掘出来的化石燃料一样，在地下保存数百万年。

论文认为，为了真正停止全球变暖，我们需要一条新规则：地质净零（GNZ）。这意味着，每当我们从地下挖掘并燃烧一吨碳，就必须向地下埋回一吨碳。不能用临时的海绵来做平衡。能源专家团队决定以英国作为一个测试案例来测试这个想法。他们构建了英国能源系统的数字孪生体——一个巨大的、复杂的视频游戏，模拟电力、交通和供暖是如何运作的——并问道：“如果我们强迫英国遵循 GNZ 规则会怎样？”

三种游戏玩法

研究人员不仅测试了一种方法，还尝试了三种不同的“难度设置”，以观察英国能源系统会如何反应：

1. “严格”模式（The "Strict" Mode）： 这是最难的等级。从 2030 年开始，每年英国必须埋入与排放量完全相等的碳。不能透支未来，没有借口。这就像是在说：“从明年开始，你必须每月全额缴纳房租。”
2. “累积”模式（The "Cumulative" Mode）： 这稍微灵活一些。它规定：“在 2030 年至 2050 年之间，你埋入的总量必须等于你排放的总量。”你可以早期多排放一点，只要你在后期埋入大量碳来追赶进度即可。这就像一个学生跳过了几次作业，但承诺在学期末完成一个巨大的项目来弥补。
3. “渐进”模式（The "Progressive" Mode）： 这是“加速爬坡”的方法。你从 2030 年开始匹配极小比例的排放量，然后逐年增加该比例，直到在 2040 年达到 100%。这就像训练马拉松：你从慢跑开始，然后逐渐跑得更快，直到进入冲刺阶段。

他们将这三种“GNZ”模式与“基准”（Baseline）模式进行了对比，基准模式基本上是英国目前的计划（即在不遵守严格的地质匹配规则的情况下，满足现行法律）。

结果：更快、更难、更电气化

模拟揭示了一些令人惊讶且剧烈的结果。

1. “累积”模式迫使向“净负”转型加速。
如果英国必须遵循 累积 GNZ 规则，该国最早将在 2042 年 实现“净负”状态（即移除的碳多于排放的碳）。这比目前的 2050 年目标要早得多。然而，达到这一目标并不容易。在“严格”情景下，由于没有足够的技术准备好快速埋藏碳，系统会在 21 世纪 30 年代初撞墙。为了解决这个问题，模型不得不使用一种“故障保险”（fail-safe）选项——一种极其昂贵、理论上的碳移除方式，仅仅为了让数学计算成立。这表明，如果我们试图一次性完成所有工作，我们可能会耗尽时间和金钱。虽然“严格”和“累积”模式通常迫使排放量下降得比当前计划更快，但只有“累积”路径实现了 2042 年这个特定的“净负”里程碑。

2. “渐进”模式是最佳平衡点。
“渐进”情景似乎是最现实的路径。它表明，英国可以在 2040 年 实现 1:1 的平衡（即每排放一吨化石碳，就埋回一吨碳）。这条路径避免了“严格”模式中巨大的“故障保险”成本，但仍比当前计划更快地完成了任务。与我们现在的做法相比，它能在 2030 年至 2050 年间减少 0.9 至 2.34 GtCO2e（十亿吨二氧化碳当量）的排放。这是大量被留在天空之外的碳！

3. 能源系统面临重大改造。
为了实现这一目标，英国的能源系统必须发生巨大变化。

• 电力： 该国需要产生更多的电力。在“累积”情景下，到 2050 年，电力生产量需要跃升至 734 至 968 TWh 之间。这比目前的水平是一个巨大的飞跃。
• 氢能： 我们需要制造大量的氢燃料，但具体量取决于情景。某些路径由于转向电动汽车和热泵，对氢的需求较少；而另一些路径则需要更多氢能来为碳捕集机器提供动力。
• 生物质与树木： 模拟高度依赖于“BECCS”（生物质能结合碳捕集与封存）。这是一种高级说法，指我们燃烧植物（生物质）来产生能量，捕捉其烟雾，然后将其埋入地下。模型显示，如果我们用尽了可持续燃烧的植物，整个计划就会被推迟。事实上，如果生物质供应不足，“渐进”计划会被推迟到 2045 年，而“累积”计划甚至可能无法在 2050 年前完成任务。

4. “故障保险”的现实检验。
论文强调了一个主要的脆弱点。在“严格”情景下，系统依赖于一个“故障保险”选项，当现实世界的技术尚未就绪时，用来平衡账目。这有点像拥有一张没有额度限制的信用卡，而你只希望永远不必用到它。作者警告说，如果我们不尽快建设基础设施（管道、储存场和捕集设备），我们可能会被迫依赖这些昂贵且未经证实的解决方案。

核心启示

论文总结道，虽然“地质净零”在科学上是确保地球保持凉爽的正确途径，但这是一个巨大的挑战。这不仅仅是关于种树，更是关于建立一整套全新的工业机器，将碳从空气中挖出来并深埋地下。

“渐进式”方法——即从缓慢开始并逐渐加速——似乎是最实际的路径。它表明我们可以在 2040 年 实现 1:1 的平衡，但前提是我们 现在 就必须开始建设必要的基础设施。如果我们等待，或者如果我们的关键资源（如可持续生物质或储存空间）耗尽，计划可能会崩溃。

作者谨慎地指出，这是一个模拟实验，而非保证。他们使用计算机模型来探索“假设”的情景，结果表明，虽然目标是可以实现的，但它需要一种我们尚未见过的速度和协调能力。这是一场与时间的赛跑，而发令枪已经鸣响。英国（以及其他潜在国家）需要决定，是否准备好将当前的计划更换为这种更严格、更持久且要求更高的路径。