編者按
我國碳中和愿景的實現(xiàn)，需要能源系統(tǒng)進行深刻轉(zhuǎn)型。厘清電力、交通、鋼鐵、水泥等主要用能部門碳達峰、碳中和的預(yù)期時間和脫碳路徑，對我國全面評估能源轉(zhuǎn)型的技術(shù)選擇、轉(zhuǎn)型帶來的影響，在后續(xù)氣候變化國家合作中占據(jù)主動位置，至關(guān)重要。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第7期刊發(fā)清華大學(xué)陳文穎教授研究團隊的《碳中和愿景下的中國能源轉(zhuǎn)型之路》一文。文章利用能源-環(huán)境-經(jīng)濟模型China TIMES，設(shè)計了4個面向碳中和的能源轉(zhuǎn)型情景，對因?qū)崿F(xiàn)碳達峰時間不同和2050年碳排放量不同引起的轉(zhuǎn)型路徑差異進行了比較。研究結(jié)果顯示，我國的二氧化碳排放量將在2025—2030年達到103億~104億噸的峰值。2050年，中國能源消費總量(電熱當量)的60%、發(fā)電量的90%將由可再生能源提供，終端電氣化率提升至接近60%。能源轉(zhuǎn)型將帶來持續(xù)的空氣質(zhì)量改善，2050年局地空氣污染物排放較2020年減少85%，而提前達峰能夠產(chǎn)生更多的近期收益。提前達峰要求在未來10年大量部署可再生能源，近期的碳減排壓力仍較大。然而，這些措施可以改善空氣質(zhì)量，減少二氧化碳累計排放，為其他部門的轉(zhuǎn)型爭取更多時間。另外，文章研究還發(fā)現(xiàn)，我國2050年的減排壓力會在近期對可再生能源的發(fā)展、能源服務(wù)需求變化和福利損失產(chǎn)生影響。
一、引言
近幾十年來，由溫室氣體排放增加引起的氣候變化問題日益突出，世界各國正在合作應(yīng)對這一全球挑戰(zhàn)?！栋屠鑵f(xié)定》要求各國將全球平均氣溫升幅限制在低于工業(yè)化前水平2 ℃以內(nèi)，并努力限制在1.5 ℃以內(nèi)。此外，各國還承諾盡快實現(xiàn)全球溫室氣體排放達峰，并在21世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體人為排放和移除之間的平衡。目前，130多個國家已經(jīng)宣布了他們的凈零排放或者碳中和目標。2020年9月，中國宣布碳排放力爭在2030年前達峰，努力爭取在2060年實現(xiàn)碳中和。目前，大部分的二氧化碳排放來自于能源系統(tǒng)。因此，能源系統(tǒng)脫碳路徑很大程度上決定了中國的脫碳路徑。中國目前是世界上最大的碳排放國和能源消費國，實現(xiàn)碳中和的能源轉(zhuǎn)型路徑備受世界的關(guān)注。
碳中和涉及能源系統(tǒng)的很多方面，關(guān)于各個部門如何減排以支持碳中和目標已有大量研究。在所有部門中，電力部門目前碳排放最高，由于可再生能源成本的迅速下降，電力部門有了更樂觀的脫碳預(yù)期。火力發(fā)電廠的運行勢必受到可再生能源推廣的影響，由此學(xué)界已有一些關(guān)于煤和生物質(zhì)混燃機組改造和煤電有序退役的討論。由于負排放在未來不可或缺，能夠產(chǎn)生負排放的生物質(zhì)能-碳捕集與封存(BECCS)技術(shù)正逐步受到關(guān)注。關(guān)于BECCS的技術(shù)發(fā)展、資源潛力和環(huán)境影響，現(xiàn)在已有很多研究。除了能源供應(yīng)部門以外，需求部門的脫碳也值得關(guān)注，需求部門的脫碳主要由燃料替代和能源終端使用模式的變化來驅(qū)動。排除產(chǎn)業(yè)升級因素導(dǎo)致的工業(yè)部門轉(zhuǎn)型，鋼鐵和水泥行業(yè)已經(jīng)提出了相應(yīng)的脫碳策略。通過技術(shù)進步和政策激勵，工業(yè)部門可以在2070年實現(xiàn)溫室氣體凈零排放，而二氧化碳凈零排放能夠更早到來。對于建筑部門，目前已經(jīng)有了零排放和近零能耗建筑的設(shè)計構(gòu)想，大力推廣可再生能源和下一代生物質(zhì)是建筑部門脫碳的另一條重要途徑。由于目前航空、海運和公路重型貨運缺乏低成本的減排技術(shù)，因此交通部門實現(xiàn)碳中和極具挑戰(zhàn)。而對于公路客運，目前已有學(xué)者提出2050年實現(xiàn)凈零排放的分省路線圖?？傮w而言，雖然部門層面的研究更加精細，但由于忽略了不同部門之間的合作，因此有可能高估減排的難度。
為了更加全面地評估能源轉(zhuǎn)型的影響，一些研究將研究邊界擴大到整個能源系統(tǒng)。已有研究通過整合國家政策和技術(shù)發(fā)展預(yù)期，建立了自上而下的減排目標，并預(yù)測了不同政策下二氧化碳的排放量。目前也有一些研究評估了碳減排對空氣質(zhì)量、能源安全和水資源節(jié)約方面的協(xié)同效益。然而，這些研究都按照以往的2 ℃或1.5 ℃溫升控制目標設(shè)計情景，并沒有以碳中和目標為導(dǎo)向。
近期，出現(xiàn)了一些以碳中和為導(dǎo)向的能源轉(zhuǎn)型研究。一項研究使用了具有詳細技術(shù)描述的MESSAGE模型來評估中國實現(xiàn)碳達峰和碳中和的能源轉(zhuǎn)型路徑。也有研究使用多模型比較的方法來識別可能的脫碳路徑。盡管如此，這些研究并沒有充分考慮時間不確定性對于路徑的影響。由于目前中國的二氧化碳排放處于高位，碳排放提前達峰然后開始下降，將有助于中國在后續(xù)氣候變化國際合作中處于主動位置。另一方面，將碳中和的時間點提前，意味著2050年以前更大幅度地減排，也將導(dǎo)致形勢發(fā)生重大變化。
碳達峰的時間、碳中和的時間和脫碳路徑對于轉(zhuǎn)型技術(shù)選擇和氣候變化減緩都至關(guān)重要。近期關(guān)于各國碳中和目標的評估顯示低碳技術(shù)發(fā)展的不確定性，BECCS的潛力和公眾意識都可能對實現(xiàn)碳中和所需的時間產(chǎn)生重大影響。即使是相同的碳中和時間，由于不同的脫碳路徑產(chǎn)生的累計排放不同，對全球溫升控制的影響也不同。對中國而言，碳達峰時間的不確定性也深刻影響了能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的進程。
為了彌合知識空白，本文使用了涵蓋能源系統(tǒng)所有部門的能源-環(huán)境-經(jīng)濟模型China TIMES，評估了碳達峰時間和碳中和時間的不確定性對于轉(zhuǎn)型的影響。本文詳細闡述并比較了實現(xiàn)碳中和的不同情景下能源系統(tǒng)脫碳過程中的技術(shù)選擇、轉(zhuǎn)型成本和對于局地空氣污染物治理的協(xié)同效應(yīng)。本研究著重指出不同碳達峰時間和碳中和時間對于中國能源轉(zhuǎn)型的影響，并識別了中國能源轉(zhuǎn)型的可能路徑，可以為決策者制定面向碳中和的近期和長期減排戰(zhàn)略提供參考。希望本研究能夠?qū)ζ渌麌业臍夂蛐袆佑兴鶈l(fā)。
二、方法學(xué)
(一)China TIMES模型
China TIMES模型是一個自底向上的能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，在過去的10年里被廣泛地應(yīng)用在中國能源轉(zhuǎn)型和氣候變化減緩的研究中。模型模擬期為2015—2050年，時間步長為5年。模型詳細刻畫了包括開采、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和最終使用在內(nèi)的整個能源系統(tǒng)過程。模型刻畫了電力、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑和交通等部門的大量技術(shù)和燃料類型(圖1)。
具體而言，模型對40余種采用不同技術(shù)類型和冷卻方法的火力發(fā)電進行建模，并根據(jù)最新的成本和資源潛力考慮了各類新能源，如風能、太陽能、水能、核能、海洋能、地熱能和生物質(zhì)能。因此，China TIMES模型能夠?qū)稍偕茉磾U容和火電退役相關(guān)問題提供技術(shù)豐富的政策見解。
模型覆蓋了所有工業(yè)行業(yè)的能源消費和排放，并對鋼鐵、水泥、化工、造紙、有色金屬等高耗能行業(yè)進行了工序級別的刻畫，能夠評估產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、燃料轉(zhuǎn)換、節(jié)能減排措施在工業(yè)部門脫碳中的貢獻。本文對建筑運行過程中的供熱、制冷、炊事和熱水、照明以及電器的能源消耗和碳排放獨立建模，并且考慮了公共建筑、城市居民建筑、農(nóng)村居民建筑用能模式的異質(zhì)性。對于交通部門，模型考慮了重型卡車、中型卡車、輕型卡車、微型卡車、空運、水運、鐵路運輸和管道運輸?shù)蓉涍\交通方式，按需求細分到城市、農(nóng)村和城際交通的重型客車、中型客車、私家車、鐵路運輸、空運、摩托車和地鐵等客運交通方式;此外，模型還考慮了多種動力來源，包括化石燃料、生物燃料、電力和氫能，為交通部門提供了非常詳細的能源轉(zhuǎn)型結(jié)果。以國際貨幣基金組織和世界銀行對國內(nèi)生產(chǎn)總值、人口、城市化率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的預(yù)測為基礎(chǔ)，本研究得到了模型所需要的社會經(jīng)濟驅(qū)動因子。隨后，利用離散選擇法、物質(zhì)流法、飽和增長模型和德爾菲法估計了40余個子部門未來的能源服務(wù)需求。
China TIMES模型的基年為2015年，2015年和2020年的數(shù)據(jù)已利用官方發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行校準。模型使用政府間氣候變化專門委員會(IPCC)推薦的二氧化碳排放因子來測算各部門的直接排放。
在本研究中，根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，更新了可再生能源、儲能和碳捕集與封存(CCS)技術(shù)的成本，使得模型能夠反映這些核心技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。中國的國家自主貢獻目標和2020年以前發(fā)布的能源和氣候政策均已在模型中體現(xiàn)。同時，也考慮了新冠肺炎疫情對經(jīng)濟和能源系統(tǒng)的沖擊。模型包含對二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)的統(tǒng)計，因此能模擬二氧化碳減排對主要局地空氣污染物治理的協(xié)同作用。
China TIMES模型預(yù)測得到的各個子部門能源服務(wù)需求不是恒定不變的，而是根據(jù)供求關(guān)系和價格彈性而波動的，能夠反映出為實現(xiàn)碳中和目標生產(chǎn)和消費模式的轉(zhuǎn)變?？紤]到可能出現(xiàn)的碳鎖定風險，為了實現(xiàn)能源系統(tǒng)深度減排，China TIMES模型允許燃煤發(fā)電及供熱機組和高碳排放行業(yè)產(chǎn)能提前退役，即當淘汰這些高碳技術(shù)比它們繼續(xù)服役系統(tǒng)總成本更小時，它們將在技術(shù)壽命結(jié)束前被淘汰，為其他先進技術(shù)讓路。
(二)情景設(shè)計和假設(shè)
中國最新的長期氣候目標是2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達峰，到2060年實現(xiàn)碳中和。為了探討碳達峰時間和碳中和時間差異對能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的影響，本文設(shè)計了以下4個轉(zhuǎn)型情景(表1)。
以P25和P30開頭的兩組情景，分別代表中國在2025年和2030年左右實現(xiàn)碳達峰。中國的國家自主貢獻目標要求二氧化碳在2030年達到峰值，并力爭盡早達峰。自主貢獻目標同時還要求，到2030年，中國二氧化碳排放強度(簡稱“碳強度”)較2005年下降超過65%。在本研究中，假設(shè)中國二氧化碳排放在2025年(P25)或2030年(P30)達峰之前，按照現(xiàn)有的國家自主貢獻目標控制排放。碳達峰以后，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型進入以實現(xiàn)碳中和為目標的道路。
除此之外，以H和L結(jié)尾的情景對應(yīng)為實現(xiàn)2060年或2055年碳中和，在2050年所需的減排努力。中國的碳中和目標涵蓋所有經(jīng)濟部門的溫室氣體排放，而China TIMES模型主要關(guān)注能源相關(guān)的二氧化碳排放。文獻顯示，到2050年，中國的森林碳匯將達到約6億噸二氧化碳，隨后還將緩慢減少。而非二氧化碳溫室氣體排放在2050年仍將有12億噸二氧化碳當量，并且很難繼續(xù)減少。由于碳匯無法完全抵消非二氧化碳溫室氣體排放，碳移除技術(shù)必須得到推廣。考慮到殘留的二氧化碳和非二氧化碳溫室氣體排放到本世紀中葉已很難減少，在2050年實現(xiàn)二氧化碳的深度減排(凈零或者近零排放)對于實現(xiàn)2060年溫室氣體凈零排放勢在必行。對于在2060年(以H結(jié)尾)和2055年(以L結(jié)尾)實現(xiàn)溫室氣體凈零排放的情景，假設(shè)2050年的碳排放量分別為10億噸和5億噸。在假設(shè)未來將逐步通過碳移除技術(shù)來抵消剩余的溫室氣體排放的條件下，本研究設(shè)定的2050年的二氧化碳排放量能夠滿足中國的碳中和目標。通過設(shè)置2050年不同的碳排放量，能夠充分體現(xiàn)出碳中和時間不同對于轉(zhuǎn)型路徑的影響。
此外，在固定了達峰時間點、碳排放峰值和2050年排放量的情況下，對每個情景2011—2050年的累計排放做了上浮和下浮5%的靈敏性分析，進一步說明了碳達峰時間和碳中和時間的不確定性對于中國能源轉(zhuǎn)型的重大影響。
三、結(jié)果和討論
(一)中國能源系統(tǒng)脫碳路徑
為了使整個模型期內(nèi)能源系統(tǒng)總折現(xiàn)成本最小(或總福利最大)，能源系統(tǒng)需要快速減排才能實現(xiàn)碳中和。如圖2所示，中國的二氧化碳排放目前處于高位，并將在2025—2030年達到峰值，峰值水平為103~104億噸。到2030年，中國碳強度將較2005年下降67%(P30)和75%(P25)，符合國家自主貢獻目標的承諾。2005—2020年，中國年均碳強度下降率約為4.4%;要實現(xiàn)碳中和，在未來15年，這一速度將提高近一倍，達到8.2%;在2035—2050年，再提高一倍至約16%。換言之，為實現(xiàn)2050年的長期減排目標需要在近期和中期采取行動。以P25情景為例，觀察到P25-L情景在2035年以前的年均碳強度下降率比P25-H情景高1%。而對比P25和P30情景，盡管這兩組情景的排放峰值和2050年的相似，但累計排放卻有巨大的差別，P30情景比P25情景累計排放增加約200億噸。由此可以看出，及時的氣候行動能夠為面向碳中和的轉(zhuǎn)型贏得時間，否則，不但轉(zhuǎn)型成本可能更高，后期也會面臨更多挑戰(zhàn)。提前達峰使減排路徑不至于非常陡峭：如果2030年實現(xiàn)碳達峰，那么在2030—2040年，平均每年需要減排10%。如此高的減排速度讓人們對該減排路徑的可行性產(chǎn)生了懷疑，即使可以實現(xiàn)，也將面臨極大的代價，同時對經(jīng)濟和社會產(chǎn)生更大影響。
電力部門脫碳是中國能源轉(zhuǎn)型的核心，電力部門碳排放預(yù)期會在未來10年明顯下降。電力部門碳排放量是所有部門中最大的，預(yù)期將在2025—2030年達到峰值，峰值水平將低于45億噸。隨后電力部門將用大約10年的時間快速實現(xiàn)脫碳，并且在2040年左右開始產(chǎn)生負排放。2040年以后，隨著電力部門清潔轉(zhuǎn)型的完成，進一步的減排將依賴負排放技術(shù)和需求側(cè)的深度脫碳。到2050年，在P30-L情景下，將需要近10億噸負排放，而由于2050年的碳預(yù)算相對較高(P25-H和P30-H)或者更早采取減排措施(P25-H和P25-L)，其他情景的負排放需求量不超過8億噸。
需求部門的快速減排要遲于電力部門，2050年的排放約束對轉(zhuǎn)型路徑的影響要比達峰時間更大。目前工業(yè)部門排放約40億噸，預(yù)計已經(jīng)達峰，并開始穩(wěn)步下降。到2050年，工業(yè)部門排放不足7億噸，減排80%。交通部門和建筑部門預(yù)計在2030年左右實現(xiàn)碳達峰，峰值分別在14億噸和10億噸以內(nèi)。更早采取減排行動，能夠明顯降低建筑部門和交通部門的碳排放峰值水平。到2050年，建筑部門排放僅有1~2億噸，交通部門則仍有7~8億噸。對于2050年碳排放約束更嚴格的情景(P25-L和P30-L)，需求部門，尤其是交通部門需要做出更大幅度的減排。
(二)中國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型
以碳中和為導(dǎo)向的中國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型主要包括三個方面：(1)在能源供應(yīng)側(cè)大幅推廣可再生能源;(2)在能源需求側(cè)提高能源效率和實現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換;(3)大規(guī)模使用負排放技術(shù)。
1. 能源供應(yīng)清潔化
中國能源轉(zhuǎn)型的當務(wù)之急是能源供應(yīng)部門的脫碳。如圖3所示，對于P30情景，中國一次能源消費目前仍在上升，預(yù)計在2030年才能達到約153 EJ的峰值，隨后10年將迅速下降，并趨于平穩(wěn)。盡早采取行動(P25情景)，將大大減少2030年的煤炭消費，促使更低和更早的碳達峰。2050年，P25-H和P25-L情景下煤炭消費較峰值下降超過81%;而對于P30-L和P30-H情景，煤炭退出時間更短，而所需的下降幅度卻更大(超過83%)。對于能源強度而言，2005—2020年，能源強度的年均下降率為3.8%。能源強度下降是碳強度下降最主要的因素。隨著能源供應(yīng)部門的快速清潔化，能源強度的下降率在2035年達到峰值(近8%)，隨后到2050年回落到約3.7%。
對于能源結(jié)構(gòu)而言，最明顯的特征就是可再生能源的普及和煤炭的退出。目前，煤炭消費的比重正緩慢下降。在2025年以后，煤炭占比將以更快速度降低，這有助于能源消費總量和二氧化碳排放達峰。到2040年，煤炭在一次能源消費中的占比將下降至30%(P30)和25%(P25)，而2050年，所有情景的煤炭比重都將繼續(xù)下滑至15%左右。從碳達峰到2040年這一時期，對于P25情景而言，煤炭消費的年均下降率為7.5%，而對于P30情景，則為10%。近期對于煤炭消費更嚴格的控制能夠顯著降低2030年以后能源系統(tǒng)脫碳的難度。對于2050年碳預(yù)算較少的情景(P30-L和P25-L)，長期的減排壓力能夠傳導(dǎo)到近期和中期，導(dǎo)致煤炭消費更大幅度和更快地減少。
相比之下，可再生能源目前占一次能源消費的10%，同時增長緩慢，主要是為了滿足增量能源需求。未來，可再生能源將最有希望填補由煤炭消費下降造成的缺口，從而逐步取代化石燃料。據(jù)測算，在2035—2040年，可再生能源將超越化石燃料，成為中國最主要的能源。到2050年，中國一次能源消費中可再生能源比重將達到約60%。同樣，對于2050年碳預(yù)算較低或者開始減排較早的情景(P25-L、P25-H和P30-L)，可再生能源的占比將更高。
電力部門對于能源脫碳至關(guān)重要，其未來的發(fā)展也可分為兩個階段。第一階段的特點是發(fā)電結(jié)構(gòu)的變化，而第二階段的特點是發(fā)電量的快速增長(圖4)。
發(fā)電結(jié)構(gòu)的變化主要是因為煤電廠的退役和風能及光伏發(fā)電的增加?？梢灶A(yù)計，煤電廠將很快進入轉(zhuǎn)型最關(guān)鍵的10年。在此期間，煤電廠要么需要提前退役，要么將進行靈活性改造以進入輔助服務(wù)市場，或者轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)-煤混燃電廠甚至純BECCS電廠，從而能夠產(chǎn)生負排放。研究表明，碳達峰的時間在很大程度上取決于燃煤電廠退出發(fā)電序列的速度。比較P25和P30情景，發(fā)現(xiàn)近期需要盡快停止新建煤電廠并在合理范圍內(nèi)讓落后煤電廠有序退役。到燃煤電廠基本退出后，可再生能源發(fā)電量將占總發(fā)電量的81%，而以風能和光伏為代表的可變可再生能源的比例將達到56%。對于P25情景，風能和光伏的總裝機容量在2035年將達到3.1 TW，而對于P30情景，風能和光伏在2040年的總裝機容量為3.4 TW。核能將成為電力系統(tǒng)的重要組成部分，未來可再生能源的滲透率會很高，其裝機容量將在未來20年增長3倍以上。
隨后，由于需求側(cè)電能的快速替代，發(fā)電量將快速增加。到2050年，發(fā)電量將攀升至15~16 PW·h，較2020年增長超過一倍。風能和太陽能仍然是發(fā)展的主力，BECCS也將加入能源系統(tǒng)，提供一定電量。2050年，風能和光伏的總裝機容量將增加至6.3 TW(P30)和7.1 TW(P25)。雖然2050年更加嚴格的碳約束能夠激勵可再生能源的建設(shè)，但是近期的行動才是影響電力部門脫碳路線最重要的因素。值得注意的是，假設(shè)未來接近200 GW的核能不參與調(diào)頻調(diào)峰，主要用于滿足基荷需求，則大規(guī)模的電網(wǎng)級儲能將成為保障電力系統(tǒng)供需平衡的關(guān)鍵技術(shù)。模型顯示，2035年以后，電力系統(tǒng)對儲能的需求逐漸增加，2035年儲能削峰填谷電量占總電量的10%，到2050年，年儲能量將達到2.2 PW·h。
2. 能源消費清潔化
產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源效率提高和清潔燃料替代是能源需求部門能耗和排放下降的三大支柱。據(jù)估計，第二產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中的比重逐年下降，到2050年，這一比重將比2020年減少約9%，而第三產(chǎn)業(yè)比重將增加10%。如圖5所示，對于P30情景，中國的終端能源消費將在2030年以125 EJ達峰，而對于P25情景，達峰時間將提前到2025年左右，峰值水平也略低(119 EJ)。兩組情景都顯示，2050年中國終端能源消費將穩(wěn)定在90 EJ左右。未來的30年，電氣化率將持續(xù)上升，從目前的23%增加到2035年的30%，然后加速達到2050年的近60%。技術(shù)進步和終端能源的電氣化推動能源效率的快速提高。在圖6中，部分能源服務(wù)需求的規(guī)模以及技術(shù)占比變化以圖表的形式展示。
工業(yè)部門作為最大的能源消費部門，在能源轉(zhuǎn)型中受到的影響最大。工業(yè)部門終端能源消費將在2025年達峰，并迅速下降，但在2050年仍然占據(jù)中國終端能源消費的50%。能源消費的減少主要是由于能源效率的提高。到2035年，單位工業(yè)增加值能耗將比2020年水平降低一半，到2050年，將比2035年的數(shù)值進一步減少一半。電力在工業(yè)部門的滲透率逐年增加，到2050年將達到約56%(P25)和51%(P30)。水泥和鋼鐵行業(yè)因高能耗和高碳排放而備受關(guān)注。與2020年相比，2050年水泥和鋼鐵產(chǎn)量將分別下降60%和70%以上。CCS技術(shù)和氫氣直接還原鐵(氫能煉鋼)技術(shù)被用于減少鋼鐵行業(yè)剩余的碳排放，而水泥行業(yè)也將通過CCS技術(shù)實現(xiàn)80%以上的碳減排。當對比不同的情景時發(fā)現(xiàn)，對于提前達峰和2050年有更充足的碳預(yù)算的情景(P25-H、P25-L、P30-H)，氫能和CCS技術(shù)的普及率較低，工業(yè)產(chǎn)出的下降量也較少。
2019年，中國的建筑總面積約644億平方米，到2050年還將繼續(xù)增加20%，這無疑會導(dǎo)致能源服務(wù)需求的增加。然而，由于單位面積的能耗下降(約15%)，建筑部門的能耗增加并不明顯。根據(jù)模型測算，建筑部門的終端能源消費將在2030年達峰(27~29 EJ)，并在2050年緩慢下降到26 EJ。提前達峰能夠降低峰值水平，2050年的碳排放目標對建筑部門2040年以后的轉(zhuǎn)型有較大影響。建筑部門在所有需求部門中電氣化率最高。目前，建筑部門消耗了大量的化石燃料(特別是中國并不充裕的天然氣)來滿足采暖、炊事和熱水相關(guān)的能源服務(wù)。在未來，許多能源需求將由電力來滿足，到2050年化石燃料的份額將下降到20%以下。
中國交通部門目前仍在快速擴張，2019年中國私人汽車千人保有量為174輛，預(yù)計到2050年千人汽車保有量將上升至400輛。此外，到2050年，卡車數(shù)量也會較當前增長超過20%，航空需求將增加150%，這將給交通部門的減排帶來更嚴峻的挑戰(zhàn)。預(yù)計交通部門能源消費不會在2030年前達峰，2050年的能源消費將與當前相近。在周轉(zhuǎn)量大幅增長的情況下，能源消費的最終下降主要源于電動汽車和氫燃料電池汽車效率遠高于當前的內(nèi)燃機汽車。到2050年，超過70%的輕型車輛和90%的大型客車將采用電力驅(qū)動，在達到碳中和時，剩余的大部分內(nèi)燃機汽車也將被逐漸淘汰。電力在重型卡車領(lǐng)域的普及存在現(xiàn)實障礙，因而貨運交通的脫碳將寄希望于氫能。然而由于氫能生產(chǎn)的成本過高，只有在強大的脫碳壓力下，氫能才會迅速取代化石燃料。例如，在P30-L和P25-L情景下，氫能在卡車中的消費占比將達到50%以上，而在其他兩個情景下，則僅有約33%。
3. 生物能源和CCS技術(shù)蓬勃發(fā)展
生物能源是一種可持續(xù)的零碳能源，而CCS技術(shù)可以捕獲電力、工業(yè)和上游部門產(chǎn)生的二氧化碳并實現(xiàn)長期儲存。然而由于整體投資成本高昂和公眾認知度不足，這些技術(shù)難以得到充分發(fā)展。由于負排放技術(shù)是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，融合了零碳特性的生物能源和CCS的BECCS技術(shù)，因此是一種具有廣闊前景的負排放來源。2035年以后，低成本的脫碳手段已經(jīng)基本耗盡，為了實現(xiàn)碳中和，預(yù)計將開始快速部署B(yǎng)ECCS技術(shù)以抵消剩余的難以解決的排放。
如圖7所示，從2035年起開始大規(guī)模建設(shè)BECCS技術(shù)，并在當年產(chǎn)生2.3~2.9億噸負排放。到2040年，由BECCS產(chǎn)生的負排放預(yù)計將翻倍至4.3~5.7億噸，并在2050年達到大約8億噸。對于P30-L和 P25-L，由于2050年的碳預(yù)算更緊張，2050年將分別捕獲10億噸和8.7億噸二氧化碳。對于生物質(zhì)使用量而言，在大規(guī)模部署B(yǎng)ECCS之前，由于農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)生物質(zhì)資源直接燃燒的數(shù)量快速減少，生物質(zhì)使用量將下降，隨后因為BECCS的部署，生物質(zhì)使用量將快速上升。在所有生物質(zhì)資源中，農(nóng)林剩余、動物糞便和城市垃圾將首先得到利用。在2040年后，邊際性土地將被用于種植能源作物，以提供生物質(zhì)。到2050年，70%的生物質(zhì)被用于BECCS，而農(nóng)村地區(qū)直接生物質(zhì)燃燒將幾乎完全消失。
除了BECCS外，2035年后，部分現(xiàn)存的燃煤發(fā)電和供熱機組將進行CCS改造以減少碳鎖定，避免轉(zhuǎn)型帶來的資產(chǎn)擱置風險。在P30情景下，未來10年仍會新建煤電廠，到2050年帶CCS的燃煤電廠的二氧化碳捕集量將達到4億噸，比P25情景多1億噸。在工業(yè)部門，CCS也被用于解決鋼鐵、水泥和制氨環(huán)節(jié)產(chǎn)生的排放，在2050年將捕獲3~4億噸二氧化碳。
(三)能源轉(zhuǎn)型成本效益分析
1. 邊際減排成本和福利損失
碳中和目標對國家的發(fā)展帶來了前所未有的壓力。邊際減排成本(MAC)，即優(yōu)化模型中二氧化碳的影子價格，可以用于綜合反映碳減排的成本和對社會的影響(圖8)。在2030年，由于不同的減排行動時間部署，P25和P30情景有較大的不同。2030年以后，所有情景的MAC都平穩(wěn)上升，反映了隨著減排率的上升，減排壓力也越來越大。2050年的排放量會對整個模擬期的MAC產(chǎn)生全局的影響，P30-L和P25-L情景下的MAC明顯高于P30-H和P25-H情景。而更早達峰能夠降低MAC更多，這表明更早采取行動能夠獲得長期收益。
在P30情景下，在2030年實現(xiàn)國家自主貢獻目標需要較小的努力[每噸二氧化碳(t CO2)花費5 USD]，然而遠遠未達到實現(xiàn)碳中和所需的努力。在P30-H情景下，2040年的MAC將增加到100 USD·t CO2-1以上;而對于P30-L，2035年的MAC就已經(jīng)超過100 USD·t CO2-1，到2050年將進一步突破200 USD·t CO2-1。相比之下，由于P25在2030年已經(jīng)開始實現(xiàn)碳排放的下降，2030年的MAC約為50 USD·t CO2-1。與P30-L情景類似，P25-L情景也將在2035年達到100 USD·t CO2-1的MAC，但是后續(xù)的增長將放緩，2050年的MAC為184 USD·t CO2-1。由于P25-H轉(zhuǎn)型壓力最小，2045年以前該情景的MAC都不會超過100 USD·t CO2-1，到2050年MAC也僅131 USD·t CO2-1。
福利損失是另一個用于衡量轉(zhuǎn)型成本的指標。MAC關(guān)注的是減排的難度，而福利損失衡量了減排對于消費者和生產(chǎn)者產(chǎn)生的影響。圖8(b)顯示，相較于僅實現(xiàn)國家自主貢獻目標的基準情景，在2020—2050年，碳中和情景的累計福利損失為0.947~1.173萬億美元。2050年碳預(yù)算較低的情景(P25-L和P30-L)的福利損失將比另外兩個情景高17%~24%，而達峰時間對于福利損失和能源服務(wù)需求的變化影響較小。
2. 能源供應(yīng)部門投資
中國持續(xù)的清潔能源投資為低碳轉(zhuǎn)型提供了堅實的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)中國的碳中和目標，需要大幅擴大低碳投資規(guī)模，并不斷提高綠色投資比重。如圖9所示，從現(xiàn)在到2050年，大約需要6萬億美元的電力投資來支持電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型，其中可再生能源投資約占90%?？偟膩碚f，不同的碳中和時間對于電力行業(yè)的投資額影響不大，但不同的碳達峰時間對其投資有較大影響。未來10年是能源轉(zhuǎn)型和升級的重要窗口期，P25情景下，電力部門年均投資額超過1700億美元，而P30情景下投資額則不足1200億美元。最大的投資缺口在于風能和太陽能發(fā)電技術(shù)，預(yù)期P25情景(超過1.2萬億美元)近十年的風能和太陽能投資是P30情景的兩倍。如果在2030年前沒有采取強有力的行動，則在未來10年可能還會新建大量未加裝CCS技術(shù)的火力發(fā)電廠，從而增加了碳鎖定和資產(chǎn)擱置的風險。2030年以后，每年仍將有超過2000億美元的電力投資，而沒有加裝CCS的火力發(fā)電廠將幾乎不再發(fā)展。
從電力類型來看，風能和太陽能投資始終占未來電力投資的絕大部分，而且它們的占比逐年擴大。2040年以前，核能的投資都將保持在年均100億美元以上的規(guī)模，而水力發(fā)電由于受到資源稟賦的限制，2030年以后的投資將非常稀少。BECCS的投資在2030年以后將會增加，對于2050年碳預(yù)算較嚴格和2030年才達峰的情景，BECCS需要的投資更多。為了消納高比例的可再生能源，電化學(xué)儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能將得到迅速發(fā)展。根據(jù)模型的結(jié)果，到2050年，電力系統(tǒng)需要近8000億美元的儲能投資，而其中30%需要在未來10年內(nèi)兌現(xiàn)。
3. 能源轉(zhuǎn)型的協(xié)同效應(yīng)
雖然能源轉(zhuǎn)型需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施投資并面臨現(xiàn)實障礙，但能源轉(zhuǎn)型也為中國能源系統(tǒng)內(nèi)外的可持續(xù)發(fā)展帶來諸多好處。能源系統(tǒng)內(nèi)部的收益顯而易見，其中能源安全最顯著。由于可再生能源對化石能源的大規(guī)模替代，中國未來對于石油和天然氣的需求將會明顯減少，從而提高了中國能源的獨立性。據(jù)估計，到2050年，中國將能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣的自給自足，而石油的自給率也將提高到60%以上。此外，通過大規(guī)模的可再生能源建設(shè)，特別是分布式太陽能發(fā)電，能源可及性將得到大幅改善。未來20年由于電力部門的快速轉(zhuǎn)型，綜合發(fā)電成本有可能增加，但是由于可再生能源成本的快速下降，2050年的綜合發(fā)電成本將接近甚至低于目前的水平。
除此之外，能源轉(zhuǎn)型帶來以空氣質(zhì)量改善等為代表的顯著正外部性。在假設(shè)不采取新的局地空氣污染物控制措施情況下，僅通過二氧化碳減排就可以實現(xiàn)SO2、NOx、PM10和 PM2.5等空氣污染物大幅減少(圖10)。2020年，大部分的SO2來自于工業(yè)和電力部門。SO2排放由2020年的約700萬噸減少到2050年的不足100萬噸(P30)和80萬噸(P25)，工業(yè)部門是減排的重點。電力部門的脫碳在2035年之前起到了一定作用，而2035年以后減排主要源于需求部門的燃料替代。到2050年，工業(yè)部門和交通部門是SO2最大的排放者。
目前，超過一半的NOx來自于交通部門，另外三分之一來自工業(yè)部門。隨著交通部門燃油汽車的淘汰和電氣化，與2020年相比，2035年的NOx排放量將下降約40%，2050年將下降85%。由于交通和工業(yè)部門排放所占比例過大，未來30年內(nèi)，絕大部分減排都來自于這兩個部門。在2050年，交通部門的排放份額擴大至約三分之二，而工業(yè)部門的排放份額將先緩慢上升再下降。
PM10和PM2.5有著相似的減排途徑和部門構(gòu)成。2020年超過60%的顆粒物排放來自工業(yè)部門，其余大部分來自建筑部門。在2020—2050年，PM10和PM2.5排放將下降86%，而工業(yè)部門碳排放的份額將上升至75%以上。工業(yè)部門的碳減排對PM10和PM2.5控制起到了關(guān)鍵作用，但是建筑部門的變化也不應(yīng)被忽視。
對比不同情景，在2025—2035年，上述4種局地污染物的排放在碳達峰時間不同的情景下會有明顯的不同。與P30情景相比，P25情景在2030年的SO2、NOx、PM10、PM2.5排放分別減少21%、12%、15%和14%。因此，盡管不同情景下2050年的排放趨于一致，盡早開始碳減排都將產(chǎn)生更多的近期收益。
(四)敏感度分析
累計碳排放量、碳達峰時間和碳中和時間是影響減排路徑的三個重要參數(shù)。在保持每個情景的碳達峰時間、峰值排放和2050年排放值不變的情況下，通過對累計排放值的攝取，進一步評估本文上述結(jié)果的魯棒性(圖11)。在從2025年開始減排的所有情景中，2035年的煤炭消費都將低于從2030年開始行動的情景，表明更早實現(xiàn)達峰能夠倒逼煤炭的退出。盡管累計排放的變化帶來煤炭消費的巨大波動，但是可以看到，在所有情況下，2050年碳預(yù)算更嚴格，都將導(dǎo)致2035年的煤炭消費量減少。
2050年不同情景的可再生電力裝機容量達到了高度的一致，裝機容量僅在基礎(chǔ)情景下上下浮動2.5%的范圍內(nèi)波動。根據(jù)觀察的結(jié)果，如果提前達峰，可再生能源能夠得到更充分的發(fā)展，總裝機容量將會較2030年達峰增加10%。由于到2050年電力系統(tǒng)的脫碳已經(jīng)基本完成，因此即使有更加嚴格的2050年碳預(yù)算，可再生能源的容量增幅也不會超過3.5%。
盡管BECCS技術(shù)的部署受到累計排放量變化的重大影響，但提前達峰能夠減少對碳移除技術(shù)的依賴并減少由累計排放量不確定性帶來的波動。由于所有部門在2050年都已經(jīng)深度脫碳，因此所有情景都顯示出了對BECCS的巨大需求，其中P25-L和P30-L情景有更高的普及率。與碳移除技術(shù)類似，MAC受到累計排放量的影響較大。較晚達峰和更嚴格的長期排放目標都會增加MAC，產(chǎn)生更大的減排壓力，提前達峰能夠在實現(xiàn)長期目標中占據(jù)主動地位。
四、結(jié)論和政策建議
本文研究了中國面向碳中和的減排路徑和能源轉(zhuǎn)型。根據(jù)中國現(xiàn)有的國家自主貢獻目標和碳中和目標，本研究設(shè)計了4種情景。在這些情景下，碳達峰和碳中和將提前或者如期實現(xiàn)，最終得到通向碳中和的不同的路徑。結(jié)果顯示中國的二氧化碳排放和一次能源消費在2025—2030年達到峰值，隨后迅速下降。電力部門的脫碳在近期發(fā)揮關(guān)鍵作用，碳中和目標將促使電力部門在2040年前實現(xiàn)深度脫碳，隨后產(chǎn)生大量的負排放來抵消需求部門的排放。煤炭在2040年前將被大規(guī)模部署的風能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源快速取代。到2050年，太陽能和風能發(fā)電裝機容量將達到6.3~7.1 TW，并且供應(yīng)了三分之二的電力需求。工業(yè)部門的排放一直在下降，但是建筑和交通部門的排放在2030年以前仍將上升。需求部門未來將實現(xiàn)更高水平的電氣化(接近60%)，氫能也將在工業(yè)和交通部門得到運用。能源系統(tǒng)的深度脫碳導(dǎo)致局地空氣污染物的大幅減少，隨之帶來顯著的健康效應(yīng)。在對不同的碳達峰時間和碳中和時間情景比較中，發(fā)現(xiàn)了時間的不確定性對投資、成本、可行性和技術(shù)需求都有影響。
通過多情景比較發(fā)現(xiàn)，提前達峰能夠給中國更多的時間來安排煤電廠的有序退役和可再生能源的平穩(wěn)部署。雖然提前達峰在短期內(nèi)可能會有更大的轉(zhuǎn)型壓力，但從長遠來看，這是最具有成本效益的選擇。同時，提前達峰帶來的累計排放量減少，也將縮小21世紀下半葉對于負排放的大量需求。盡管4個情景2050年局地空氣污染物的排放差異不大，但是提前實現(xiàn)碳達峰將導(dǎo)致未來15年的空氣質(zhì)量得到明顯改善。2050年更低的排放值會增加整體的減排壓力，這將導(dǎo)致可再生能源和負排放技術(shù)的進一步擴張。需求部門在能源轉(zhuǎn)型中也將通過減少能源需求(但增加福利損失)、使用高成本技術(shù)(大規(guī)模使用氫能)等策略來應(yīng)對更為嚴格的排放約束。
因此，根據(jù)研究成果提出以下政策建議：
(1)中國應(yīng)當迅速采取行動，爭取實現(xiàn)二氧化碳以較低水平提前達峰。
(2)中國需要在電力部門快速推廣可再生能源取代化石能源，同時由于可再生能源的高滲透率給電力系統(tǒng)的供需匹配帶來挑戰(zhàn)，中國應(yīng)當重視儲能設(shè)施的配套發(fā)展。
(3)中國應(yīng)當合理安排現(xiàn)有燃煤電廠的退役，并且建立CCS試點，完善生物質(zhì)資源發(fā)展的全產(chǎn)業(yè)鏈，為后期大規(guī)模發(fā)展BECCS做好準備。
(4)國家應(yīng)倡導(dǎo)綠色低碳、可持續(xù)的生產(chǎn)生活方式，加快電力、氫能在終端需求部門的滲透。提高效率、燃料轉(zhuǎn)換和需求削減在終端部門同樣重要。
總而言之，本研究為面向碳中和的中國能源轉(zhuǎn)型指明了方向，剖析了每個部門可能的脫碳路徑、減排策略和潛在挑戰(zhàn)。同時，研究也清晰表明，中國目前采取的行動對于成功實施低碳轉(zhuǎn)型至關(guān)重要，所有部門都有機會和潛力來加速轉(zhuǎn)型。在未來，對能源轉(zhuǎn)型的協(xié)同效應(yīng)和潛在權(quán)衡給予更多的考慮，將能使研究更具有政策指導(dǎo)意義和參考價值。
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2022年第7期
作者：張樞,陳文穎
來源：China’s Energy Transition Pathway in a Carbon Neutral Vision [J].Engineering,2022,14(7):64-76.
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