碳中和愿景下的中國(guó)能源轉(zhuǎn)型之路

　　編者按

　　我國(guó)碳中和愿景的實(shí)現(xiàn)，需要能源系統(tǒng)進(jìn)行深刻轉(zhuǎn)型。厘清電力、交通、鋼鐵、水泥等主要用能部門(mén)碳達(dá)峰、碳中和的預(yù)期時(shí)間和脫碳路徑，對(duì)我國(guó)全面評(píng)估能源轉(zhuǎn)型的技術(shù)選擇、轉(zhuǎn)型帶來(lái)的影響，在后續(xù)氣候變化國(guó)家合作中占據(jù)主動(dòng)位置，至關(guān)重要。

　　中國(guó)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(tuán)隊(duì)的《碳中和愿景下的中國(guó)能源轉(zhuǎn)型之路》一文。文章利用能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)模型China TIMES，設(shè)計(jì)了4個(gè)面向碳中和的能源轉(zhuǎn)型情景，對(duì)因?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰時(shí)間不同和2050年碳排放量不同引起的轉(zhuǎn)型路徑差異進(jìn)行了比較。研究結(jié)果顯示，我國(guó)的二氧化碳排放量將在2025—2030年達(dá)到103億~104億噸的峰值。2050年，中國(guó)能源消費(fèi)總量(電熱當(dāng)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(lái)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(dá)峰能夠產(chǎn)生更多的近期收益。提前達(dá)峰要求在未來(lái)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(jì)排放，為其他部門(mén)的轉(zhuǎn)型爭(zhēng)取更多時(shí)間。另外，文章研究還發(fā)現(xiàn)，我國(guó)2050年的減排壓力會(huì)在近期對(duì)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(lái)，由溫室氣體排放增加引起的氣候變化問(wèn)題日益突出，世界各國(guó)正在合作應(yīng)對(duì)這一全球挑戰(zhàn)。《巴黎協(xié)定》要求各國(guó)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(guó)還承諾盡快實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體排放達(dá)峰，并在21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體人為排放和移除之間的平衡。目前，130多個(gè)國(guó)家已經(jīng)宣布了他們的凈零排放或者碳中和目標(biāo)。2020年9月，中國(guó)宣布碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)峰，努力爭(zhēng)取在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。目前，大部分的二氧化碳排放來(lái)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(guó)的脫碳路徑。中國(guó)目前是世界上最大的碳排放國(guó)和能源消費(fèi)國(guó)，實(shí)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(gè)部門(mén)如何減排以支持碳中和目標(biāo)已有大量研究。在所有部門(mén)中，電力部門(mén)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(mén)有了更樂(lè)觀的脫碳預(yù)期?；鹆Πl(fā)電廠的運(yùn)行勢(shì)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(jī)組改造和煤電有序退役的討論。由于負(fù)排放在未來(lái)不可或缺，能夠產(chǎn)生負(fù)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(mén)以外，需求部門(mén)的脫碳也值得關(guān)注，需求部門(mén)的脫碳主要由燃料替代和能源終端使用模式的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)。排除產(chǎn)業(yè)升級(jí)因素導(dǎo)致的工業(yè)部門(mén)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(guò)技術(shù)進(jìn)步和政策激勵(lì)，工業(yè)部門(mén)可以在2070年實(shí)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(lái)。對(duì)于建筑部門(mén)，目前已經(jīng)有了零排放和近零能耗建筑的設(shè)計(jì)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(mén)脫碳的另一條重要途徑。由于目前航空、海運(yùn)和公路重型貨運(yùn)缺乏低成本的減排技術(shù)，因此交通部門(mén)實(shí)現(xiàn)碳中和極具挑戰(zhàn)。而對(duì)于公路客運(yùn)，目前已有學(xué)者提出2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的分省路線圖。總體而言，雖然部門(mén)層面的研究更加精細(xì)，但由于忽略了不同部門(mén)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(píng)估能源轉(zhuǎn)型的影響，一些研究將研究邊界擴(kuò)大到整個(gè)能源系統(tǒng)。已有研究通過(guò)整合國(guó)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(biāo)，并預(yù)測(cè)了不同政策下二氧化碳的排放量。目前也有一些研究評(píng)估了碳減排對(duì)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(biāo)設(shè)計(jì)情景，并沒(méi)有以碳中和目標(biāo)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(xiàng)研究使用了具有詳細(xì)技術(shù)描述的MESSAGE模型來(lái)評(píng)估中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(lái)識(shí)別可能的脫碳路徑。盡管如此，這些研究并沒(méi)有充分考慮時(shí)間不確定性對(duì)于路徑的影響。由于目前中國(guó)的二氧化碳排放處于高位，碳排放提前達(dá)峰然后開(kāi)始下降，將有助于中國(guó)在后續(xù)氣候變化國(guó)際合作中處于主動(dòng)位置。另一方面，將碳中和的時(shí)間點(diǎn)提前，意味著2050年以前更大幅度地減排，也將導(dǎo)致形勢(shì)發(fā)生重大變化。

　　碳達(dá)峰的時(shí)間、碳中和的時(shí)間和脫碳路徑對(duì)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(guó)碳中和目標(biāo)的評(píng)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(shí)都可能對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和所需的時(shí)間產(chǎn)生重大影響。即使是相同的碳中和時(shí)間，由于不同的脫碳路徑產(chǎn)生的累計(jì)排放不同，對(duì)全球溫升控制的影響也不同。對(duì)中國(guó)而言，碳達(dá)峰時(shí)間的不確定性也深刻影響了能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

　　為了彌合知識(shí)空白，本文使用了涵蓋能源系統(tǒng)所有部門(mén)的能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)模型China TIMES，評(píng)估了碳達(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間的不確定性對(duì)于轉(zhuǎn)型的影響。本文詳細(xì)闡述并比較了實(shí)現(xiàn)碳中和的不同情景下能源系統(tǒng)脫碳過(guò)程中的技術(shù)選擇、轉(zhuǎn)型成本和對(duì)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(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間對(duì)于中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的影響，并識(shí)別了中國(guó)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(zhǎng)期減排戰(zhàn)略提供參考。希望本研究能夠?qū)ζ渌麌?guó)家的氣候行動(dòng)有所啟發(fā)。

　　二、方法學(xué)

　　(一)China TIMES模型

　　China TIMES模型是一個(gè)自底向上的能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，在過(guò)去的10年里被廣泛地應(yīng)用在中國(guó)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(shí)間步長(zhǎng)為5年。模型詳細(xì)刻畫(huà)了包括開(kāi)采、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和最終使用在內(nèi)的整個(gè)能源系統(tǒng)過(guò)程。模型刻畫(huà)了電力、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑和交通等部門(mén)的大量技術(shù)和燃料類(lèi)型(圖1)。

　　具體而言，模型對(duì)40余種采用不同技術(shù)類(lèi)型和冷卻方法的火力發(fā)電進(jìn)行建模，并根據(jù)最新的成本和資源潛力考慮了各類(lèi)新能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、核能、海洋能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能。因此，China TIMES模型能夠?qū)稍偕茉磾U(kuò)容和火電退役相關(guān)問(wèn)題提供技術(shù)豐富的政策見(jiàn)解。

　　模型覆蓋了所有工業(yè)行業(yè)的能源消費(fèi)和排放，并對(duì)鋼鐵、水泥、化工、造紙、有色金屬等高耗能行業(yè)進(jìn)行了工序級(jí)別的刻畫(huà)，能夠評(píng)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(mén)脫碳中的貢獻(xiàn)。本文對(duì)建筑運(yùn)行過(guò)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(dú)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(duì)于交通部門(mén)，模型考慮了重型卡車(chē)、中型卡車(chē)、輕型卡車(chē)、微型卡車(chē)、空運(yùn)、水運(yùn)、鐵路運(yùn)輸和管道運(yùn)輸?shù)蓉涍\(yùn)交通方式，按需求細(xì)分到城市、農(nóng)村和城際交通的重型客車(chē)、中型客車(chē)、私家車(chē)、鐵路運(yùn)輸、空運(yùn)、摩托車(chē)和地鐵等客運(yùn)交通方式;此外，模型還考慮了多種動(dòng)力來(lái)源，包括化石燃料、生物燃料、電力和氫能，為交通部門(mén)提供了非常詳細(xì)的能源轉(zhuǎn)型結(jié)果。以國(guó)際貨幣基金組織和世界銀行對(duì)國(guó)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(cè)為基礎(chǔ)，本研究得到了模型所需要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子。隨后，利用離散選擇法、物質(zhì)流法、飽和增長(zhǎng)模型和德?tīng)柗品ü烙?jì)了40余個(gè)子部門(mén)未來(lái)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(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。模型使用政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)推薦的二氧化碳排放因子來(lái)測(cè)算各部門(mén)的直接排放。

　　在本研究中，根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，更新了可再生能源、儲(chǔ)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(shì)。中國(guó)的國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)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(shí)，也考慮了新冠肺炎疫情對(duì)經(jīng)濟(jì)和能源系統(tǒng)的沖擊。模型包含對(duì)二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)的統(tǒng)計(jì)，因此能模擬二氧化碳減排對(duì)主要局地空氣污染物治理的協(xié)同作用。

　　China TIMES模型預(yù)測(cè)得到的各個(gè)子部門(mén)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(jià)格彈性而波動(dòng)的，能夠反映出為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)生產(chǎn)和消費(fèi)模式的轉(zhuǎn)變?？紤]到可能出現(xiàn)的碳鎖定風(fēng)險(xiǎn)，為了實(shí)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(jī)組和高碳排放行業(yè)產(chǎn)能提前退役，即當(dāng)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(shí)，它們將在技術(shù)壽命結(jié)束前被淘汰，為其他先進(jìn)技術(shù)讓路。

　　(二)情景設(shè)計(jì)和假設(shè)

　　中國(guó)最新的長(zhǎng)期氣候目標(biāo)是2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)峰，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。為了探討碳達(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間差異對(duì)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的影響，本文設(shè)計(jì)了以下4個(gè)轉(zhuǎn)型情景(表1)。

　　以P25和P30開(kāi)頭的兩組情景，分別代表中國(guó)在2025年和2030年左右實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。中國(guó)的國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)要求二氧化碳在2030年達(dá)到峰值，并力爭(zhēng)盡早達(dá)峰。自主貢獻(xiàn)目標(biāo)同時(shí)還要求，到2030年，中國(guó)二氧化碳排放強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱“碳強(qiáng)度”)較2005年下降超過(guò)65%。在本研究中，假設(shè)中國(guó)二氧化碳排放在2025年(P25)或2030年(P30)達(dá)峰之前，按照現(xiàn)有的國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)控制排放。碳達(dá)峰以后，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型進(jìn)入以實(shí)現(xiàn)碳中和為目標(biāo)的道路。

　　除此之外，以H和L結(jié)尾的情景對(duì)應(yīng)為實(shí)現(xiàn)2060年或2055年碳中和，在2050年所需的減排努力。中國(guó)的碳中和目標(biāo)涵蓋所有經(jīng)濟(jì)部門(mén)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(xiàn)顯示，到2050年，中國(guó)的森林碳匯將達(dá)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(dāng)量，并且很難繼續(xù)減少。由于碳匯無(wú)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?？紤]到殘留的二氧化碳和非二氧化碳溫室氣體排放到本世紀(jì)中葉已很難減少，在2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳的深度減排(凈零或者近零排放)對(duì)于實(shí)現(xiàn)2060年溫室氣體凈零排放勢(shì)在必行。對(duì)于在2060年(以H結(jié)尾)和2055年(以L結(jié)尾)實(shí)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(lái)將逐步通過(guò)碳移除技術(shù)來(lái)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(guó)的碳中和目標(biāo)。通過(guò)設(shè)置2050年不同的碳排放量，能夠充分體現(xiàn)出碳中和時(shí)間不同對(duì)于轉(zhuǎn)型路徑的影響。

　　此外，在固定了達(dá)峰時(shí)間點(diǎn)、碳排放峰值和2050年排放量的情況下，對(duì)每個(gè)情景2011—2050年的累計(jì)排放做了上浮和下浮5%的靈敏性分析，進(jìn)一步說(shuō)明了碳達(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間的不確定性對(duì)于中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重大影響。

　　三、結(jié)果和討論

　　(一)中國(guó)能源系統(tǒng)脫碳路徑

　　為了使整個(gè)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(shí)現(xiàn)碳中和。如圖2所示，中國(guó)的二氧化碳排放目前處于高位，并將在2025—2030年達(dá)到峰值，峰值水平為103~104億噸。到2030年，中國(guó)碳強(qiáng)度將較2005年下降67%(P30)和75%(P25)，符合國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)的承諾。2005—2020年，中國(guó)年均碳強(qiáng)度下降率約為4.4%;要實(shí)現(xiàn)碳中和，在未來(lái)15年，這一速度將提高近一倍，達(dá)到8.2%;在2035—2050年，再提高一倍至約16%。換言之，為實(shí)現(xiàn)2050年的長(zhǎng)期減排目標(biāo)需要在近期和中期采取行動(dòng)。以P25情景為例，觀察到P25-L情景在2035年以前的年均碳強(qiáng)度下降率比P25-H情景高1%。而對(duì)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(jì)排放卻有巨大的差別，P30情景比P25情景累計(jì)排放增加約200億噸。由此可以看出，及時(shí)的氣候行動(dòng)能夠?yàn)槊嫦蛱贾泻偷霓D(zhuǎn)型贏得時(shí)間，否則，不但轉(zhuǎn)型成本可能更高，后期也會(huì)面臨更多挑戰(zhàn)。提前達(dá)峰使減排路徑不至于非常陡峭：如果2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(duì)該減排路徑的可行性產(chǎn)生了懷疑，即使可以實(shí)現(xiàn)，也將面臨極大的代價(jià)，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生更大影響。

　　電力部門(mén)脫碳是中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的核心，電力部門(mén)碳排放預(yù)期會(huì)在未來(lái)10年明顯下降。電力部門(mén)碳排放量是所有部門(mén)中最大的，預(yù)期將在2025—2030年達(dá)到峰值，峰值水平將低于45億噸。隨后電力部門(mén)將用大約10年的時(shí)間快速實(shí)現(xiàn)脫碳，并且在2040年左右開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)排放。2040年以后，隨著電力部門(mén)清潔轉(zhuǎn)型的完成，進(jìn)一步的減排將依賴負(fù)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(fù)排放，而由于2050年的碳預(yù)算相對(duì)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(fù)排放需求量不超過(guò)8億噸。

　　需求部門(mén)的快速減排要遲于電力部門(mén)，2050年的排放約束對(duì)轉(zhuǎn)型路徑的影響要比達(dá)峰時(shí)間更大。目前工業(yè)部門(mén)排放約40億噸，預(yù)計(jì)已經(jīng)達(dá)峰，并開(kāi)始穩(wěn)步下降。到2050年，工業(yè)部門(mén)排放不足7億噸，減排80%。交通部門(mén)和建筑部門(mén)預(yù)計(jì)在2030年左右實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，峰值分別在14億噸和10億噸以內(nèi)。更早采取減排行動(dòng)，能夠明顯降低建筑部門(mén)和交通部門(mén)的碳排放峰值水平。到2050年，建筑部門(mén)排放僅有1~2億噸，交通部門(mén)則仍有7~8億噸。對(duì)于2050年碳排放約束更嚴(yán)格的情景(P25-L和P30-L)，需求部門(mén)，尤其是交通部門(mén)需要做出更大幅度的減排。

　　(二)中國(guó)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型

　　以碳中和為導(dǎo)向的中國(guó)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型主要包括三個(gè)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(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換;(3)大規(guī)模使用負(fù)排放技術(shù)。

　　1. 能源供應(yīng)清潔化

　　中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的當(dāng)務(wù)之急是能源供應(yīng)部門(mén)的脫碳。如圖3所示，對(duì)于P30情景，中國(guó)一次能源消費(fèi)目前仍在上升，預(yù)計(jì)在2030年才能達(dá)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(dòng)(P25情景)，將大大減少2030年的煤炭消費(fèi)，促使更低和更早的碳達(dá)峰。2050年，P25-H和P25-L情景下煤炭消費(fèi)較峰值下降超過(guò)81%;而對(duì)于P30-L和P30-H情景，煤炭退出時(shí)間更短，而所需的下降幅度卻更大(超過(guò)83%)。對(duì)于能源強(qiáng)度而言，2005—2020年，能源強(qiáng)度的年均下降率為3.8%。能源強(qiáng)度下降是碳強(qiáng)度下降最主要的因素。隨著能源供應(yīng)部門(mén)的快速清潔化，能源強(qiáng)度的下降率在2035年達(dá)到峰值(近8%)，隨后到2050年回落到約3.7%。

　　對(duì)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(fèi)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(fèi)總量和二氧化碳排放達(dá)峰。到2040年，煤炭在一次能源消費(fèi)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(dá)峰到2040年這一時(shí)期，對(duì)于P25情景而言，煤炭消費(fèi)的年均下降率為7.5%，而對(duì)于P30情景，則為10%。近期對(duì)于煤炭消費(fèi)更嚴(yán)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(duì)于2050年碳預(yù)算較少的情景(P30-L和P25-L)，長(zhǎng)期的減排壓力能夠傳導(dǎo)到近期和中期，導(dǎo)致煤炭消費(fèi)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(fèi)的10%，同時(shí)增長(zhǎng)緩慢，主要是為了滿足增量能源需求。未來(lái)，可再生能源將最有希望填補(bǔ)由煤炭消費(fèi)下降造成的缺口，從而逐步取代化石燃料。據(jù)測(cè)算，在2035—2040年，可再生能源將超越化石燃料，成為中國(guó)最主要的能源。到2050年，中國(guó)一次能源消費(fèi)中可再生能源比重將達(dá)到約60%。同樣，對(duì)于2050年碳預(yù)算較低或者開(kāi)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(mén)對(duì)于能源脫碳至關(guān)重要，其未來(lái)的發(fā)展也可分為兩個(gè)階段。第一階段的特點(diǎn)是發(fā)電結(jié)構(gòu)的變化，而第二階段的特點(diǎn)是發(fā)電量的快速增長(zhǎng)(圖4)。

　　發(fā)電結(jié)構(gòu)的變化主要是因?yàn)槊弘姀S的退役和風(fēng)能及光伏發(fā)電的增加。可以預(yù)計(jì)，煤電廠將很快進(jìn)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(jìn)行靈活性改造以進(jìn)入輔助服務(wù)市場(chǎng)，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(fù)排放。研究表明，碳達(dá)峰的時(shí)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(fēng)能和光伏為代表的可變可再生能源的比例將達(dá)到56%。對(duì)于P25情景，風(fēng)能和光伏的總裝機(jī)容量在2035年將達(dá)到3.1 TW，而對(duì)于P30情景，風(fēng)能和光伏在2040年的總裝機(jī)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(lái)可再生能源的滲透率會(huì)很高，其裝機(jī)容量將在未來(lái)20年增長(zhǎng)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(zhǎng)超過(guò)一倍。風(fēng)能和太陽(yáng)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(fēng)能和光伏的總裝機(jī)容量將增加至6.3 TW(P30)和7.1 TW(P25)。雖然2050年更加嚴(yán)格的碳約束能夠激勵(lì)可再生能源的建設(shè)，但是近期的行動(dòng)才是影響電力部門(mén)脫碳路線最重要的因素。值得注意的是，假設(shè)未來(lái)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(jí)儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)能的需求逐漸增加，2035年儲(chǔ)能削峰填谷電量占總電量的10%，到2050年，年儲(chǔ)能量將達(dá)到2.2 PW·h。

　　2. 能源消費(fèi)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(mén)能耗和排放下降的三大支柱。據(jù)估計(jì)，第二產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(duì)于P30情景，中國(guó)的終端能源消費(fèi)將在2030年以125 EJ達(dá)峰，而對(duì)于P25情景，達(dá)峰時(shí)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(guó)終端能源消費(fèi)將穩(wěn)定在90 EJ左右。未來(lái)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(dá)到2050年的近60%。技術(shù)進(jìn)步和終端能源的電氣化推動(dòng)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(mén)作為最大的能源消費(fèi)部門(mén)，在能源轉(zhuǎn)型中受到的影響最大。工業(yè)部門(mén)終端能源消費(fèi)將在2025年達(dá)峰，并迅速下降，但在2050年仍然占據(jù)中國(guó)終端能源消費(fèi)的50%。能源消費(fèi)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(jìn)一步減少一半。電力在工業(yè)部門(mén)的滲透率逐年增加，到2050年將達(dá)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(guò)CCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)80%以上的碳減排。當(dāng)對(duì)比不同的情景時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于提前達(dá)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(guó)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(wú)疑會(huì)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(mén)的能耗增加并不明顯。根據(jù)模型測(cè)算，建筑部門(mén)的終端能源消費(fèi)將在2030年達(dá)峰(27~29 EJ)，并在2050年緩慢下降到26 EJ。提前達(dá)峰能夠降低峰值水平，2050年的碳排放目標(biāo)對(duì)建筑部門(mén)2040年以后的轉(zhuǎn)型有較大影響。建筑部門(mén)在所有需求部門(mén)中電氣化率最高。目前，建筑部門(mén)消耗了大量的化石燃料(特別是中國(guó)并不充裕的天然氣)來(lái)滿足采暖、炊事和熱水相關(guān)的能源服務(wù)。在未來(lái)，許多能源需求將由電力來(lái)滿足，到2050年化石燃料的份額將下降到20%以下。

　　中國(guó)交通部門(mén)目前仍在快速擴(kuò)張，2019年中國(guó)私人汽車(chē)千人保有量為174輛，預(yù)計(jì)到2050年千人汽車(chē)保有量將上升至400輛。此外，到2050年，卡車(chē)數(shù)量也會(huì)較當(dāng)前增長(zhǎng)超過(guò)20%，航空需求將增加150%，這將給交通部門(mén)的減排帶來(lái)更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)交通部門(mén)能源消費(fèi)不會(huì)在2030年前達(dá)峰，2050年的能源消費(fèi)將與當(dāng)前相近。在周轉(zhuǎn)量大幅增長(zhǎng)的情況下，能源消費(fèi)的最終下降主要源于電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)效率遠(yuǎn)高于當(dāng)前的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。到2050年，超過(guò)70%的輕型車(chē)輛和90%的大型客車(chē)將采用電力驅(qū)動(dòng)，在達(dá)到碳中和時(shí)，剩余的大部分內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)也將被逐漸淘汰。電力在重型卡車(chē)領(lǐng)域的普及存在現(xiàn)實(shí)障礙，因而貨運(yùn)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(guò)高，只有在強(qiáng)大的脫碳?jí)毫ο拢瑲淠懿艜?huì)迅速取代化石燃料。例如，在P30-L和P25-L情景下，氫能在卡車(chē)中的消費(fèi)占比將達(dá)到50%以上，而在其他兩個(gè)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(mén)產(chǎn)生的二氧化碳并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)存。然而由于整體投資成本高昂和公眾認(rèn)知度不足，這些技術(shù)難以得到充分發(fā)展。由于負(fù)排放技術(shù)是實(shí)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(fù)排放來(lái)源。2035年以后，低成本的脫碳手段已經(jīng)基本耗盡，為了實(shí)現(xiàn)碳中和，預(yù)計(jì)將開(kāi)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(kāi)始大規(guī)模建設(shè)BECCS技術(shù)，并在當(dāng)年產(chǎn)生2.3~2.9億噸負(fù)排放。到2040年，由BECCS產(chǎn)生的負(fù)排放預(yù)計(jì)將翻倍至4.3~5.7億噸，并在2050年達(dá)到大約8億噸。對(duì)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(duì)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?yàn)锽ECCS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(dòng)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(jī)組將進(jìn)行CCS改造以減少碳鎖定，避免轉(zhuǎn)型帶來(lái)的資產(chǎn)擱置風(fēng)險(xiǎn)。在P30情景下，未來(lái)10年仍會(huì)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(dá)到4億噸，比P25情景多1億噸。在工業(yè)部門(mén)，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(biāo)對(duì)國(guó)家的發(fā)展帶來(lái)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(jià)格，可以用于綜合反映碳減排的成本和對(duì)社會(huì)的影響(圖8)。在2030年，由于不同的減排行動(dòng)時(shí)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(lái)越大。2050年的排放量會(huì)對(duì)整個(gè)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(dá)峰能夠降低MAC更多，這表明更早采取行動(dòng)能夠獲得長(zhǎng)期收益。

　　在P30情景下，在2030年實(shí)現(xiàn)國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)需要較小的努力[每噸二氧化碳(t CO2)花費(fèi)5 USD]，然而遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)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(duì)于P30-L，2035年的MAC就已經(jīng)超過(guò)100 USD·t CO2-1，到2050年將進(jìn)一步突破200 USD·t CO2-1。相比之下，由于P25在2030年已經(jīng)開(kāi)始實(shí)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(lèi)似，P25-L情景也將在2035年達(dá)到100 USD·t CO2-1的MAC，但是后續(xù)的增長(zhǎng)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(huì)超過(guò)100 USD·t CO2-1，到2050年MAC也僅131 USD·t CO2-1。

　　福利損失是另一個(gè)用于衡量轉(zhuǎn)型成本的指標(biāo)。MAC關(guān)注的是減排的難度，而福利損失衡量了減排對(duì)于消費(fèi)者和生產(chǎn)者產(chǎn)生的影響。圖8(b)顯示，相較于僅實(shí)現(xiàn)國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)的基準(zhǔn)情景，在2020—2050年，碳中和情景的累計(jì)福利損失為0.947~1.173萬(wàn)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(gè)情景高17%~24%，而達(dá)峰時(shí)間對(duì)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(mén)投資

　　中國(guó)持續(xù)的清潔能源投資為低碳轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)的碳中和目標(biāo)，需要大幅擴(kuò)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(wàn)億美元的電力投資來(lái)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%。總的來(lái)說(shuō)，不同的碳中和時(shí)間對(duì)于電力行業(yè)的投資額影響不大，但不同的碳達(dá)峰時(shí)間對(duì)其投資有較大影響。未來(lái)10年是能源轉(zhuǎn)型和升級(jí)的重要窗口期，P25情景下，電力部門(mén)年均投資額超過(guò)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(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，預(yù)期P25情景(超過(guò)1.2萬(wàn)億美元)近十年的風(fēng)能和太陽(yáng)能投資是P30情景的兩倍。如果在2030年前沒(méi)有采取強(qiáng)有力的行動(dòng)，則在未來(lái)10年可能還會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。2030年以后，每年仍將有超過(guò)2000億美元的電力投資，而沒(méi)有加裝CCS的火力發(fā)電廠將幾乎不再發(fā)展。

　　從電力類(lèi)型來(lái)看，風(fēng)能和太陽(yáng)能投資始終占未來(lái)電力投資的絕大部分，而且它們的占比逐年擴(kuò)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(huì)增加，對(duì)于2050年碳預(yù)算較嚴(yán)格和2030年才達(dá)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(chǔ)能、抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能投資，而其中30%需要在未來(lái)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(shí)障礙，但能源轉(zhuǎn)型也為中國(guó)能源系統(tǒng)內(nèi)外的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)諸多好處。能源系統(tǒng)內(nèi)部的收益顯而易見(jiàn)，其中能源安全最顯著。由于可再生能源對(duì)化石能源的大規(guī)模替代，中國(guó)未來(lái)對(duì)于石油和天然氣的需求將會(huì)明顯減少，從而提高了中國(guó)能源的獨(dú)立性。據(jù)估計(jì)，到2050年，中國(guó)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(guò)大規(guī)模的可再生能源建設(shè)，特別是分布式太陽(yáng)能發(fā)電，能源可及性將得到大幅改善。未來(lái)20年由于電力部門(mén)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(lái)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(guò)二氧化碳減排就可以實(shí)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(lái)自于工業(yè)和電力部門(mén)。SO2排放由2020年的約700萬(wàn)噸減少到2050年的不足100萬(wàn)噸(P30)和80萬(wàn)噸(P25)，工業(yè)部門(mén)是減排的重點(diǎn)。電力部門(mén)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(mén)的燃料替代。到2050年，工業(yè)部門(mén)和交通部門(mén)是SO2最大的排放者。

　　目前，超過(guò)一半的NOx來(lái)自于交通部門(mén)，另外三分之一來(lái)自工業(yè)部門(mén)。隨著交通部門(mén)燃油汽車(chē)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(mén)排放所占比例過(guò)大，未來(lái)30年內(nèi)，絕大部分減排都來(lái)自于這兩個(gè)部門(mén)。在2050年，交通部門(mén)的排放份額擴(kuò)大至約三分之二，而工業(yè)部門(mén)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(mén)構(gòu)成。2020年超過(guò)60%的顆粒物排放來(lái)自工業(yè)部門(mén)，其余大部分來(lái)自建筑部門(mén)。在2020—2050年，PM10和PM2.5排放將下降86%，而工業(yè)部門(mén)碳排放的份額將上升至75%以上。工業(yè)部門(mén)的碳減排對(duì)PM10和PM2.5控制起到了關(guān)鍵作用，但是建筑部門(mén)的變化也不應(yīng)被忽視。

　　對(duì)比不同情景，在2025—2035年，上述4種局地污染物的排放在碳達(dá)峰時(shí)間不同的情景下會(huì)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(kāi)始碳減排都將產(chǎn)生更多的近期收益。

　　(四)敏感度分析

　　累計(jì)碳排放量、碳達(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間是影響減排路徑的三個(gè)重要參數(shù)。在保持每個(gè)情景的碳達(dá)峰時(shí)間、峰值排放和2050年排放值不變的情況下，通過(guò)對(duì)累計(jì)排放值的攝取，進(jìn)一步評(píng)估本文上述結(jié)果的魯棒性(圖11)。在從2025年開(kāi)始減排的所有情景中，2035年的煤炭消費(fèi)都將低于從2030年開(kāi)始行動(dòng)的情景，表明更早實(shí)現(xiàn)達(dá)峰能夠倒逼煤炭的退出。盡管累計(jì)排放的變化帶來(lái)煤炭消費(fèi)的巨大波動(dòng)，但是可以看到，在所有情況下，2050年碳預(yù)算更嚴(yán)格，都將導(dǎo)致2035年的煤炭消費(fèi)量減少。

　　2050年不同情景的可再生電力裝機(jī)容量達(dá)到了高度的一致，裝機(jī)容量?jī)H在基礎(chǔ)情景下上下浮動(dòng)2.5%的范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)觀察的結(jié)果，如果提前達(dá)峰，可再生能源能夠得到更充分的發(fā)展，總裝機(jī)容量將會(huì)較2030年達(dá)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(yán)格的2050年碳預(yù)算，可再生能源的容量增幅也不會(huì)超過(guò)3.5%。

　　盡管BECCS技術(shù)的部署受到累計(jì)排放量變化的重大影響，但提前達(dá)峰能夠減少對(duì)碳移除技術(shù)的依賴并減少由累計(jì)排放量不確定性帶來(lái)的波動(dòng)。由于所有部門(mén)在2050年都已經(jīng)深度脫碳，因此所有情景都顯示出了對(duì)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(lèi)似，MAC受到累計(jì)排放量的影響較大。較晚達(dá)峰和更嚴(yán)格的長(zhǎng)期排放目標(biāo)都會(huì)增加MAC，產(chǎn)生更大的減排壓力，提前達(dá)峰能夠在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期目標(biāo)中占據(jù)主動(dòng)地位。

　　四、結(jié)論和政策建議

　　本文研究了中國(guó)面向碳中和的減排路徑和能源轉(zhuǎn)型。根據(jù)中國(guó)現(xiàn)有的國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)和碳中和目標(biāo)，本研究設(shè)計(jì)了4種情景。在這些情景下，碳達(dá)峰和碳中和將提前或者如期實(shí)現(xiàn)，最終得到通向碳中和的不同的路徑。結(jié)果顯示中國(guó)的二氧化碳排放和一次能源消費(fèi)在2025—2030年達(dá)到峰值，隨后迅速下降。電力部門(mén)的脫碳在近期發(fā)揮關(guān)鍵作用，碳中和目標(biāo)將促使電力部門(mén)在2040年前實(shí)現(xiàn)深度脫碳，隨后產(chǎn)生大量的負(fù)排放來(lái)抵消需求部門(mén)的排放。煤炭在2040年前將被大規(guī)模部署的風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等可再生能源快速取代。到2050年，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)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(mén)的排放一直在下降，但是建筑和交通部門(mén)的排放在2030年以前仍將上升。需求部門(mén)未來(lái)將實(shí)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(mén)得到運(yùn)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(lái)顯著的健康效應(yīng)。在對(duì)不同的碳達(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間情景比較中，發(fā)現(xiàn)了時(shí)間的不確定性對(duì)投資、成本、可行性和技術(shù)需求都有影響。

　　通過(guò)多情景比較發(fā)現(xiàn)，提前達(dá)峰能夠給中國(guó)更多的時(shí)間來(lái)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(dá)峰在短期內(nèi)可能會(huì)有更大的轉(zhuǎn)型壓力，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是最具有成本效益的選擇。同時(shí)，提前達(dá)峰帶來(lái)的累計(jì)排放量減少，也將縮小21世紀(jì)下半葉對(duì)于負(fù)排放的大量需求。盡管4個(gè)情景2050年局地空氣污染物的排放差異不大，但是提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰將導(dǎo)致未來(lái)15年的空氣質(zhì)量得到明顯改善。2050年更低的排放值會(huì)增加整體的減排壓力，這將導(dǎo)致可再生能源和負(fù)排放技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)張。需求部門(mén)在能源轉(zhuǎn)型中也將通過(guò)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(lái)應(yīng)對(duì)更為嚴(yán)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(guó)應(yīng)當(dāng)迅速采取行動(dòng)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)二氧化碳以較低水平提前達(dá)峰。

　　(2)中國(guó)需要在電力部門(mén)快速推廣可再生能源取代化石能源，同時(shí)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(lái)挑戰(zhàn)，中國(guó)應(yīng)當(dāng)重視儲(chǔ)能設(shè)施的配套發(fā)展。

　　(3)中國(guó)應(yīng)當(dāng)合理安排現(xiàn)有燃煤電廠的退役，并且建立CCS試點(diǎn)，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(zhǔn)備。

　　(4)國(guó)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(mén)的滲透。提高效率、燃料轉(zhuǎn)換和需求削減在終端部門(mén)同樣重要。

　　總而言之，本研究為面向碳中和的中國(guó)能源轉(zhuǎn)型指明了方向，剖析了每個(gè)部門(mén)可能的脫碳路徑、減排策略和潛在挑戰(zhàn)。同時(shí)，研究也清晰表明，中國(guó)目前采取的行動(dòng)對(duì)于成功實(shí)施低碳轉(zhuǎn)型至關(guān)重要，所有部門(mén)都有機(jī)會(huì)和潛力來(lái)加速轉(zhuǎn)型。在未來(lái)，對(duì)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(jià)值。

　　本文選自中國(guó)工程院院刊《Engineering》2022年第7期

　　作者：張樞,陳文穎

　　來(lái)源：China’s Energy Transition Pathway in a Carbon Neutral Vision [J].Engineering,2022,14(7):64-76.