低碳能源技術范式管理

作者:徐玖平   清華大學理學博士，現任四川大學校長助理、商學院院長、教授、博士生導師。

成果價值

●這是一部低碳能源“百科全書”，全面論述低碳能源理論體系構架、技術演進脈絡和范式管理框架，從基礎科學層次揭示機理、從技術科學層次提煉規(guī)律、從工程技術層次對實踐具有指導意義

●立足能源革命的時代背景，緊扣低碳轉型的時代需求，研究破解高碳化石能源向低碳清潔能源轉型的技術管理難題，開辟能源研究領域、找到范式演進規(guī)律、推動管理理論創(chuàng)新

●深入能源低碳轉型復雜系統(tǒng)工程的組織管理實踐，攻克低碳轉型各類結構化、半結構化和非結構化技術管理難題，開創(chuàng)性提出范式管理先進理念，創(chuàng)建低碳能源技術范式管理的嚴整理論、科學方法和有效模式

●對能源系統(tǒng)進行結構優(yōu)化和體系重構，構筑了涵蓋“地上能源-地表能源-地下能源-人造能源”的低碳能源技術范式管理理論與方法體系，為構建清潔低碳、安全高效的能源體系提供了思維框架、理論支撐和方法指導

新能源版圖重構：低碳是大勢所趨

人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質能源資源的開發(fā)和先進能源技術的使用。在百年未有之大變局下，世界能源版圖正在重構、人類能源需求發(fā)生質變。人類正進入一個從“高碳”向“低碳”邁進、從“黑色”向“綠色”變換的能源大轉型新時代

人類文明進步史，從能源技術角度看，是一部能源技術升級和能源結構轉型的歷史。人類經農耕文明、歷工業(yè)文明，正邁向生態(tài)文明。與之呼應，對能源的生產利用也從木材、干草等原始生物能源，到工業(yè)化生產的煤炭、石油、天然氣等化石能源，正轉入以清潔可再生能源為主的低碳能源，并將成為21世紀的主流能源。

人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質能源資源的開發(fā)和先進能源技術的使用。在百年未有之大變局下，世界能源版圖正在重構、人類能源需求發(fā)生質變。人類正進入一個從“高碳”向“低碳”邁進、從“黑色”向“綠色”變換的能源大轉型新時代。當今世界，化石能源急劇消耗、氣候變化日益嚴峻，危及地球生態(tài)安全、威脅人類生存發(fā)展，人類需要低碳能源，這是大勢所趨。無論是由于產業(yè)結構調整、環(huán)境約束加強帶來的化石能源比重的顯著下降，還是因為技術進步加快、市場規(guī)模擴張帶來的可再生能源比重的大幅上升，都表明全球能源正在向低碳方向加速轉型。

能源低碳轉型，首先要明確什么是低碳能源。通常將煤炭、石油、天然氣等碳基化石能源，稱為高碳能源;相應的，風能、太陽能、生物質能等可再生清潔能源，稱為低碳能源。著者打破了這種非此即彼的二元對立思維，提出發(fā)展低碳能源，一方面，通過發(fā)展風能、核能、太陽能、地熱能和生物質能等清潔能源體系，減少二氧化碳排放，減緩氣候變化;另一方面，通過研發(fā)推廣先進的煤炭、石油資源清潔高效利用技術體系，實現節(jié)能減排，保護生態(tài)環(huán)境。也即是說，低碳能源，不僅指能源本身低碳，更是開發(fā)利用過程低碳。

黨的十九大報告提出要推進能源生產和消費革命。安全、可靠的能源供應，高效、清潔的能源消費，是新時代高質量發(fā)展的重要保證。中國開采和燃燒的煤炭占世界的一半，也是全球最大的石油和天然氣進口國，對全球能源低碳轉型有舉足輕重的作用。中國的能源革命將推動世界的低碳轉型。

2016年11月生效的《巴黎協定》提出，期望在2051年至2100年間，全球達到碳中和。習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話中指出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。中國設立這一“超前”目標，具有劃時代的積極意義，它以中國低碳轉型的驕人成績?yōu)榛A。2009年，中國政府在哥本哈根氣候變化大會上做出自主減排承諾：到2020年，單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，非化石能源占一次能源消費的比重達到15%左右。截至2019年底，中國碳強度較2005年降低約48.1%，非化石能源占能源消費比重達15.3%，均已提前完成承諾目標。

實現碳中和有三大措施：節(jié)能、替代和移除。節(jié)能就是要節(jié)約能源使用，以減少能源消費量;替代就是用清潔能源替代化石能源，從而降低化石能源占比;移除指通過種樹等方式吸收匯集空氣中的二氧化碳。全球森林每年凈吸收二氧化碳僅約20億噸，化石燃料燃燒產生的二氧化碳排放量則高達360億噸以上，有量級上的差異。因此，碳中和不可能通過種樹來實現，需要變革能源系統(tǒng)、調整能源結構，從化石能源為主轉向可再生能源為主，進一步挖掘能源潛力，提升能源利用效率。

新能源革命核心：技術的范式變遷

能源革命的主要目標，就是推動能源結構實現由黑色高碳型向綠色低碳型的根本性轉變，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系。新能源革命遵循自然規(guī)律，強調尊重、順應和保護自然，是天人和諧型生態(tài)文明觀的充分體現

當前，能源技術創(chuàng)新進入高度活躍期，新一輪能源技術革命方興未艾。能源革命的主要目標，就是推動能源結構實現由黑色高碳型向綠色低碳型的根本性轉變，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系。以新能源技術與信息技術融合為主要標志，以高效化、清潔化、低碳化、智能化為主要特征的能源革命，已經成為全球能源發(fā)展的方向和潮流。新能源革命遵循自然規(guī)律，強調尊重、順應和保護自然，是天人和諧型生態(tài)文明觀的充分體現。

先進能源技術是當前國際技術競爭的前沿和熱點領域，依靠能源技術創(chuàng)新，改革能源供給結構、提高能源供給質量，提升低碳綠色能源的有效供給能力，對推動高碳能源低碳發(fā)展、黑色能源綠色發(fā)展，具有重要現實意義和深遠戰(zhàn)略價值。

低碳能源技術有三個方向：一是無碳技術，就是發(fā)展新能源技術，開發(fā)風能、太陽能、生物質能等可再生能源及核能等非化石能源;二是減碳技術，將清潔煤、煤層氣等新技術應用于化石能源為支撐的高消耗、高排放行業(yè);三是脫碳技術，主要指碳捕集與封存(簡稱CCS)，是將大型發(fā)電廠所產生的二氧化碳收集并儲存起來，避免排放到大氣中，被認為是實現化石能源大規(guī)模低碳利用最經濟、最可行的方法。無碳、減碳和脫碳技術，都對碳減排和碳中和發(fā)揮重大作用。

從高碳能源轉換為低碳能源，是一種能源范式的演進。從高碳技術范式轉向低碳技術范式，是能源技術范式變遷的方向。著者認為，低碳能源是對化石能源的超越，低碳能源技術范式是對傳統(tǒng)能源技術范式的變革。

新能源革命的核心，是技術范式的低碳轉型;技術范式的低碳轉型，不只是無碳、減碳和脫碳中某一種或幾種技術方法的革新，而是技術發(fā)展的觀念、規(guī)則和知識系統(tǒng)的根本性轉變，是對傳統(tǒng)能源技術范式的超越與變革。

“范式”常指科學研究共同體遵從的世界觀和方法論，是開展科學研究、建立學科門類的理論基礎和實踐規(guī)范。技術范式是一個囊括了觀念、知識和規(guī)則等要素的技術系統(tǒng)。低碳能源技術范式囊括了碳減排、碳中和、碳補償等新的低碳生產生活觀念，涵蓋了無碳、減碳和脫碳技術等新的低碳能源技術知識，整合了《巴黎協定》等新的國際氣候秩序和制度規(guī)則，為低碳能源技術創(chuàng)新指明方向，對推動新興低碳能源技術加速迭代、科研成果不斷涌現具有重要指導價值。

新能源管理變革：構建新型范式管理

以碳中和為目標的新能源革命，需要技術范式管理的有效指引。技術范式管理是對技術范式之觀念、規(guī)則、知識系統(tǒng)的計劃、組織、協調與控制，變革傳統(tǒng)能源管理，構建新型范式管理.

新時代能源革命的組織管理，面臨復雜不確定的能源政策與市場、日益系統(tǒng)化的能源技術與產品，需要重構能源管理的基本規(guī)則和框架體系，從單項職能走向整體系統(tǒng)，從有限資源走向集成體系。以碳中和為目標的新能源革命，需要技術范式管理的有效指引。技術范式管理是對技術范式之觀念、規(guī)則、知識系統(tǒng)的計劃、組織、協調與控制，變革傳統(tǒng)能源管理，構建新型范式管理。

著者針對從高碳化石能源向低碳清潔能源轉型過程中的各類結構化、半結構化和非結構化技術管理難題，提出范式管理理念，構筑范式管理模式，創(chuàng)建范式管理理論，建構了低碳能源技術范式管理的“理念-模式-理論”體系。

提出范式管理理念。著者從宏觀和微觀兩個層面來解析能源技術的范式變遷。宏觀層面，以構建清潔低碳、安全高效的能源體系為目標，對能源系統(tǒng)進行結構優(yōu)化和體系重構。微觀層面，能源技術革新表現為突變、躍遷和非連續(xù)性的復雜演進，具有動態(tài)、非線性和難以預測等非結構化特征。針對能源技術范式轉換的結構化和非結構化特征，探明“單元技術→技術體系→技術范式”的演進路徑，實施“技術鏈→技術群→技術譜”的范式管理，從跨學科的整體性來頂層設計、統(tǒng)籌謀劃。

構筑范式管理模式。技術范式的低碳轉型，不只是某一種或幾種技術方法的革新，而是技術發(fā)展的觀念、規(guī)則和知識系統(tǒng)的根本性轉變，是對傳統(tǒng)能源技術范式的超越與變革。著者提出，競爭是技術范式的創(chuàng)生階段，擴散是技術范式的成型階段，轉移是技術范式的躍遷階段，發(fā)現了低碳能源技術范式“競爭-擴散-轉移”的演進規(guī)律，進而沿著“創(chuàng)生-成型-躍遷”范式軌跡，逐一對風能、太陽能、水能、海洋能、煤炭、石油、天然氣、地熱、核能、氫能、生物質能等十余種能源，繪制知識圖譜、探明技術軌跡、實施范式管理，構筑了“地上-地表-地下-人造”四類低碳能源體系，提出了“互補-整合”、可持續(xù)評價、復雜系統(tǒng)優(yōu)化及“持續(xù)-清潔-生態(tài)”四種范式管理模式。

創(chuàng)建范式管理理論。在綜合了結構化、半結構化和非結構化問題的能源低碳轉型背景下，提出范式管理思想，變革傳統(tǒng)能源管理僅注重單一的技術突破、分散的多項改進，以價值涌現為目標、系統(tǒng)理論為基礎、綜合集成為方法、統(tǒng)籌優(yōu)選來實現，從整體優(yōu)化角度創(chuàng)建具有系統(tǒng)性、科學性與可操作性的低碳能源技術范式管理理論。基于這一范式管理理論，建立針對復雜能源系統(tǒng)的解題規(guī)則、方法工具、理論框架與技術路線等。

著者認為，“新范式”替代“前范式”，取決于兩個條件：一是前范式的機能失靈，新范式擁有解決危機的能力;二是前范式進入拐點，新范式出現在被需要的時機。傳統(tǒng)高碳發(fā)展模式下經濟增長與環(huán)境保護之間的矛盾日益突出，舊的經濟增長模式已經走到了發(fā)展的極限，一場新的技術范式革命成為時代需要。技術進步既是工業(yè)文明的推進劑，也是生態(tài)文明的驅動器。技術范式變革驅動的能源革命，將為世界經濟發(fā)展注入新的活力，推動人類社會從工業(yè)文明邁向生態(tài)文明。低碳能源技術范式管理，符合生態(tài)文明的精髓要義、順應低碳經濟的時代需要，是能源改革、范式轉換背景下，構建現代能源體系的最佳選擇。