具有缓解、碳去除和太阳能的最佳气候战略

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英文标题：
《Optimal Climate Strategy with Mitigation, Carbon Removal, and Solar
  Geoengineering》
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作者：
Mariia Belaia
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最新提交年份：
2019
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英文摘要：
  Until recently, analysis of optimal global climate policy has focused on mitigation. Exploration of policies to meet the 1.5{\\deg}C target have brought carbon dioxide removal (CDR), a second instrument, into the climate policy mainstream. Far less agreement exists regarding the role of solar geoengineering (SG), a third instrument to limit global climate risk. Integrated assessment modelling (IAM) studies offer little guidance on trade-offs between these three instruments because they have dealt with CDR and SG in isolation. Here, I extend the Dynamic Integrated model of Climate and Economy (DICE) to include both CDR and SG to explore the temporal ordering of the three instruments. Contrary to implicit assumptions that SG would be employed only after mitigation and CDR are exhausted, I find that SG is introduced parallel to mitigation temporary reducing climate risks during the era of peak CO2 concentrations. CDR reduces concentrations after mitigation is exhausted, enabling SG phasing out.
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中文摘要：
直到最近，对最佳全球气候政策的分析一直侧重于缓解气候变化。探索实现1.5摄氏度目标的政策，将第二个工具二氧化碳去除（CDR）纳入气候政策主流。关于限制全球气候风险的第三个工具——太阳能地球工程（SG）的作用，目前还没有达成一致意见。综合评估建模（IAM）研究对这三种工具之间的权衡提供的指导很少，因为它们单独处理CDR和SG。在此，我扩展了气候与经济动态综合模型（DICE），将CDR和SG都包括在内，以探索这三种工具的时间顺序。与仅在缓解措施和CDR耗尽后才使用SG的隐含假设相反，我发现SG的引入与缓解措施平行，即在CO2浓度峰值期间临时减少气候风险。CDR在缓解措施耗尽后降低浓度，从而使SG逐步淘汰。
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分类信息：

一级分类：Economics        经济学
二级分类：General Economics        一般经济学
分类描述：General methodological, applied, and empirical contributions to economics.
对经济学的一般方法、应用和经验贡献。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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关键词：太阳能 Contribution Quantitative Instruments Engineering

具有缓解、碳去除和太阳能工程的最佳气候战略Mariia BelaiaHarvard John A.Paulson工程和应用科学学院John F.KennedyZF学院哈佛大学，剑桥，MA 02138，USA摘要直到最近，对最佳全球气候政策的分析都集中在缓解上。探索实现1.5°C目标的政策将二氧化碳去除（CDR）作为第二个工具纳入了气候政策主流。关于限制全球气候风险的第三个工具太阳地球工程（SG）的作用，目前还没有达成一致意见。综合评估建模（IAM）研究对这三种工具之间的权衡提供了很少的指导，因为它们单独处理CDR和SG。在这里，我扩展了气候与经济动态集成模型（DICE），将CDR和SG都包括在内，以探索这三种工具的时间顺序。与只有在缓解措施和CDR耗尽后才会使用SG的隐含假设相反，我发现SG的引入与缓解措施平行，临时降低了二氧化碳浓度峰值时期的气候风险。CDR在缓解措施耗尽后降低浓度，从而使SG逐步淘汰。关键词：综合评估建模、气候政策、DICE、太阳能地球工程、二氧化碳去除1简介我们需要了解我们在限制全球气候风险方面的全部潜力。存在着一系列广泛的气候政策工具，这些工具共同为我们提供了必要的工具，以维护全球公共利益，即稳定的气候。

这些工具跨越不同的经济部门，可以是市场或非市场、私人或公共、国际或地区。将世界视为一个整体，团结一致面对不断变化的气候，并为未来几十年选择一条气候政策道路，这是有益的。这一观点是在20世纪90年代以综合评估模型（IAMs）形式的新古典经济增长理论为基础提出的。IAMs致力于在几十年到数百年的时间尺度上模拟气候与经济之间的动态互动，并展望其他政策路径。传统上，政策侧重于温室气体（GHG），尤其是碳排放，这是经济学家用来证明政策干预合理性的非金钱的负外部性。因此，气候政策采取了由成本效益（CEA）或成本效益分析（CBA）确定的减排路径的形式。虽然排放控制是气候政策的必要工具，但它并没有完全涵盖全球范围内管理气候风险的全部工具。首先，有可能大规模清除二氧化碳。虽然二氧化碳去除（CDR）的成本和环境副作用尚不确定，包括CDR作为一种政策工具的变化，尽管单个决策者框架与许多不同利益主体的现实情况不同，但它允许人们阐明愿景并说明国际气候政策谈判的目标。通过打破任务与气候风险之间原本单调的关系，从根本上制定气候政策。同样，通过技术手段直接改变气候辐射强迫（RF）也是可能的，这一过程通常被称为太阳地球工程（SG）。

虽然温室气体的风险和有效性尚不确定，但全球RF可能会以相对较小的直接成本改变，从而削弱大气温室气体浓度与气候变化之间的直接联系。归根结底，CDR和SG都可以减轻气候变化带来的（经济）负担，而不仅仅是传统的排放控制努力。因此，一个关键问题与这些政策工具的时机有关。如果按可接受性或可取性排序，我怀疑气候政策辩论的大多数参与者都将缓解放在第一位，CDR放在第二位，SG放在第三位（如果包括在内的话）。假设他们也认为这是一个适当的时间序列是很自然的。在本文中，我对这种假定的排序提出质疑。为此，我对构成气候政策组合的政治化、CDR和SG进行了综合评估。我按照Occam的razor建模原则将CDR和SG引入IAM：简约但符合现实，有洞察力但易于管理。首先，我解释了缓解和CDR之间的紧密联系，CDR只是将缓解曲线延长到零排放以上。其次，SG以零直接成本（在GWP范围内）直接改变射频。尽管如此，SGS的间接成本仍极不确定。继Moreno Cruz和Keith（2013）之后，我将这些损害成本设定为与大气CO浓度翻倍造成的损害一样大，如果使用的水平足以抵消大气CO浓度翻倍的影响。现有的IAM研究通常单独处理CDR和SG（Bahn等人，2015；Bickel，2013；Bickel和Agrawal，2013；Chen和Tavoni，2013；Emmerling和Tavoni，2018；Goes等人，2011；Heutel等人，2016b，2018；Keith等人，2006；Marcucci等人，2017；Rickels等人，2018）。相反，我认为，考虑到缓解，CDR和SG同时揭示了重要的同步性。

因此，CDR允许SG逐步淘汰，而SG减少了缓解和CDR成本。除了IAMs之外，CDR和SG的同时治疗在两个简单的分析框架中具有特色（Heutel等人，2016a；Moreno-Cruz等人，2017）。然而，这些都对政策组合的时间演变保持沉默。总的来说，我的建模结果表明，在最佳气候政策中，SG与缓解同时引入，并在CDR之前引入。虽然缓解对于减少全球气候风险至关重要，但CDR和SG可以分别提高全球福利。通过从一开始就减少气候政策成本和气候损害，同时增加这两种设施，进一步提高了福利。在下一节中，我将描述CDR和SG，并更详细地讨论它们对综合评估的简化建模。接下来，我将介绍模型设计和校准。第4节专门讨论模型结果，并辅以敏感性分析。在第5节中，Idraw结论。2 CDR、SG及其在综合评估中的处理2.1二氧化碳去除（CDR）CDR包括一系列可从大气中净去除二氧化碳的技术。最近的一些出版物使用了负排放技术（NETs）一词，对CDR的一系列方法进行了详细审查（Fuss等人，2018年；Minx等人，2018年；美国国家科学院，2018年；Nemet等人，2018年，第3页；Smith等人，2016年）。其中包括造林和再造林（AR）、土壤固碳（SCS）、生物炭（BC）、碳捕获和储存的生物能源（BECCS）、碳捕获和储存的直接空气捕获（DAC-CCS）、增强风化和海洋碱化（EW）以及海洋施肥（OF）。尽管CDR最近在气候政策辩论中表现突出，但对CDR技术的研究却少得可怜。

因此，目前关于CDR的知识相当零散。涉及林业和土地使用管理的生物CDR方法在气候驱动的研究和政策分析中拥有最深厚的研究基础和最悠久的历史。许多关于非生物方法的可用文献都包含概述或荟萃分析，这些综述或荟萃分析依赖于一小部分主要文献，涉及这些技术的成本、可扩展性和风险。对非生物CDR的无知程度很高，部分原因是ZF对该技术研究的支持微乎其微。Minx等人（2018，p.）指出缓解和CDR之间的“模糊界限”，特别是认为缓解的传统定义包括人为干预，以增强对温室气体排放的认识。因此，对于许多基于土地利用的技术，减少排放和增加汇之间的区别可能是模糊的。一些CDR技术，如海洋铁施肥，确实会与缓解措施实质上脱钩，但许多CDR技术与缓解措施有着强大的技术和/或政策联系。例如，在没有CCS的情况下，可以使用生物能源和DAC生产具有极低生命周期排放的电力或液体燃料（Blanco et al.，2018；Keith et al.，2018；Zeman和Keith，2008）。正是通过利用地质储量，生物能源和DAC才真正成为负辐射技术。BECC通常被认为是电力部门的一个组成部分，特别是因为煤炭和生物燃料的联合燃烧可以是一种经济高效的方式来管理生物质供应的变化。事实上，商业规模的BECC实际上已经运营了几十年，其中来自乙醇工厂的COF被出售到COpipeline系统中，以提高美国二叠纪盆地的石油采收率。

此外，BECC与化石或可再生能源的结合是制造低生命周期共排放碳氢燃料的潜在重要途径。同样，开发DAC的部分目的是提供工业COto合成的碳中性碳氢化合物燃料，为使用风能、太阳能或核能等无碳能源的一次能源运输提供能量密集型能源载体。关于将CDR建模作为全球气候政策的一部分，区分详细流程（DP）和效益成本（BC）IAMs很重要（Weyant，2017）。虽然这两种类型都用于分析气候政策，但DP IAM在部门和区域层面上进行分类，而BC IAM则以高度程式化的方式代表气候和经济。然而，后者更明确地包括气候变化对经济的反馈。迄今为止，DP IAMs专注于一种或两种特定技术，但由于知识分散，从未形成完整的CDR技术组合。大多数DP IAMs认为BECC是唯一的负排放技术（Azar et al.，2010；Kriegler et al.，2013；Luderer et al.，2013；van Vuuren et al.，2013），尽管有些还包括重新造林/造林（Huppen"oder et al.，2014；van Vuuren et al.，2018）。包括一个以上CDR的综合评估包括Chen和Tavoni（2013）和Marcucci等人（2017）（DACand BECCS）和Strefler等人（2018b）（DAC-CCS、BECCS和可再生能源/造林）。

与此同时，扩大投资组合将允许对冲大规模部署单一技术的潜在风险，同时增加总体负排放潜力（Fuss et al.，2018）。在最著名的BC IAM中，PAGE和FUND不允许负排放。DICE的最新版本允许净负排放（2150年后），从而简化了某种形式的CDR。然而，这一点并不明确，单一的成本曲线同时呈现了传统的缓解措施和CDR。因此，它既没有指定CDR技术，也没有指定随时间变化的缓解CDR组合。只有少数几个例子明确考虑了CDR。Keith等人（2006年）使用DIAM模型的一个版本，该模型已扩展到包括DAC，以及零碳支持技术，作为与缓解措施截然不同的政策工具，并具有单独的成本函数。同样，Rickels et al.（2018）对DICE进行了扩展，将ageneric版本的CDR作为一个单独的政策选项，具有不同的成本函数，不会随时间而改变。同时，上述与缓解措施的紧密联系应反映在将CDR纳入BC IAMs的方式中。为此，让我们考虑两种极端的方法来建模与BC IAMs中缓解措施相关的CDR：独立和集成。在前者中，CDR是一种独立的技术，其自身的供应曲线与缓解无关。在后者中，CDR只是将缓解曲线扩展到零排放之外。在这种方法下，当净排放量为正值时，CDR和缓解措施之间不存在任何区别。当然，全面的方法将把缓解和CDR分解为一个由能源需求、供应链、材料要求和技术学习联系在一起的复杂技术网络。

我的论点是，与独立假设相比，综合假设更接近于完全分解模型中发现的复杂性。2.2太阳地球工程（SG）SG通过减少入射太阳辐射或增加行星反照率来抵消人为GHG辐射强迫（RF），从而冷却地球。与SG的自然相似之处包括火山喷发和化石燃料燃烧等人类活动产生的气溶胶和颗粒物排放引起的冷却。因此，自工业革命以来，估计气溶胶产生的总有效RF为-0.9 W/m，在-1.9 W/m和-0.1 W/m之间的不确定性为5%-95%（van Vuuren等人，2018）。SG不会改变GHG浓度，但会削弱GHG大气浓度与气候变化负面影响之间的联系。从这个意义上讲，它类似于适应气候变化。然而，与适应不同，SG是非排他性和非竞争性的，它自然不局限于特定的地方或地区。也就是说，SG是一种全球公益。此外，虽然全球变暖因大气GHG浓度增加而缓慢发生，但气候对入射太阳辐射减少的反应很快（Myhre et al.，2013）。因此，SG允许更大的灵活性，无论是推迟部署还是在过程中调整策略。在全球IAMs中建模SG归结为两个基本组成部分：SG的数量及其成本。许多IAMs根据气溶胶注入速率（即每年TgS）对SG量进行建模（Bahn et al.，2015a；Emmerling and Tavoni，2017；Gramstad and Tjotta，2018；Heutel et al.，2018），而其他IAMs则直接将SG引入RF（Goes et al.，2011；Moreno Cruz and Keith，2013）。

我认为，就RFS而言，SG在IAMs中表达得最好，因为建模部署策略超出了IAMs中使用的简单气候模型，而强制效率因部署策略而异（Dai et al.，2018）。SG成本包括直接（部署）和间接（“副作用”）成本。每年向20-30 km高度交付反照率改变材料的估计工程成本范围为2010年交付100万吨/年材料的10-30亿美元和2010年交付500万吨/年材料的20-80亿美元（McClellan等人，2012）。然而，在考虑SG时，这些并不是唯一需要考虑的成本。SG并不能“神奇地”逆转由大气GHG浓度增加引起的气候变化。虽然它可以降低温度，但它不能解决特定的影响，如海洋酸化，并可能带来新的风险（McClellan et al.，2012）。这些新风险虽然高度不确定，但取决于SGstrategy（MacMartin et al.，2013）。由于SG的直接成本在全球生产总值（GWP）的规模上可以忽略不计，而不会失去普遍性，因此将其设定为零是很自然的。尽管一些研究选择明确引入平流层气溶胶注入的特定部署成本，但他们认识到它所起的作用微不足道（Eric Bickel，2013）。SG间接成本非常不确定，需要核算。包括SG在内的当前IAM都很清楚这一点，这反映在敏感性分析（Gramstad和Tjotta，2018）或完全不确定性处理（Emmerling和Tavoni，2018）中。一些研究试图规定特定的SG时间路径并分析其影响（Bickel和Lane，2009；Goes等人，2011）。这些时间路径通常太长，无法进行有意义的预测，并且数十年的固定SG场景与SG的响应性质背道而驰。