在當(dāng)下，能源系統(tǒng)是碳排放的主要來源，中國作為世界上最大的碳排放國和能源消費國，其實現(xiàn)碳中和的能源轉(zhuǎn)型路徑備受國內(nèi)外關(guān)注。為了全面評估面向碳中和的能源轉(zhuǎn)型，清華大學(xué)陳文穎教授團隊構(gòu)建了包含能源系統(tǒng)的所有部門的能源環(huán)境經(jīng)濟模型China TIMES，詳細(xì)闡述了能源系統(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)，并且識別出不同碳達(dá)峰時間和碳中和時間對于中國能源轉(zhuǎn)型的顯著影響。

　　一、China TIMES模型和情景設(shè)置

　　China TIMES模型是一個自底向上的能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，模型模擬期為2015—2050年，每5年一個步長，目標(biāo)函數(shù)為整個模擬期內(nèi)能源系統(tǒng)總福利最大。

　　該模型刻畫了能源開采、轉(zhuǎn)換、輸配和終端使用的全部能源過程，覆蓋了電力、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑和交通等部門超過500種技術(shù)和數(shù)十種燃料選擇。未來各部門能源服務(wù)需求通過社會經(jīng)濟驅(qū)動因子進(jìn)行估計，并根據(jù)供求關(guān)系和需求價格彈性而波動，反映了生產(chǎn)和生活方式的轉(zhuǎn)變。

　　同時，考慮到可能存在的碳鎖定風(fēng)險，模型允許燃煤電廠和高碳排放行業(yè)產(chǎn)能提前退役。根據(jù)中國現(xiàn)有的國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)和碳中和目標(biāo)，研究設(shè)計了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現(xiàn)，最終得到通向碳中和不同的路徑。

　　二、結(jié)果和討論

　　實現(xiàn)碳中和需要能源系統(tǒng)快速減排。中國的二氧化碳排放預(yù)計將于2025—2030年達(dá)到峰值，峰值水平為103億~104億噸。到2030年，中國的碳排放強度將較2005年下降67%(P25)和75%(P30)，符合國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)的承諾。2005—2020年，中國的年均碳排放強度下降率約為4.4%，該速度無法達(dá)到碳中和的要求，未來的減排政策仍需不斷加強。

　　不同部門的脫碳進(jìn)程步調(diào)不一。電力部門是當(dāng)前最大的排放源，隨著可再生能源的發(fā)展，電力部門的脫碳在近期發(fā)揮關(guān)鍵作用，并在2040年開始產(chǎn)生負(fù)排放。工業(yè)部門正處于產(chǎn)業(yè)升級和去產(chǎn)能的階段，隨著高耗能產(chǎn)業(yè)的減少，工業(yè)部門的碳排放將穩(wěn)步下降。交通部門和建筑部門的碳排放峰值都將在2030年前后出現(xiàn)，后期電氣化的加速，將為這些部門帶來巨大的減排潛力。

　　中國的能源系統(tǒng)需要全面變革。中國的一次能源供應(yīng)將在2025—2030年達(dá)到峰值。在能源供應(yīng)側(cè)大幅推廣可再生能源，逐步使用新能源替代化石能源，促進(jìn)更低和更早地實現(xiàn)能源消費總量達(dá)峰。煤炭在2040年前將被大規(guī)模部署的風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源快速取代。到2050年，可再生能源比重達(dá)到60%，90%的電量由可再生能源提供。在能源需求側(cè)采用能效提高與燃料替代并舉。2020—2050年，終端電氣化率由23%穩(wěn)步上升到近60%，單位工業(yè)增加值能耗下降75%，單位面積建筑能耗下降15%，各類高效清潔用能技術(shù)快速發(fā)展。難以控制的排放將由生物質(zhì)碳捕集與封存(BECCS)、直接空氣捕獲(DACS)等碳移除技術(shù)抵消。2035年后，碳移除技術(shù)將得到規(guī)模發(fā)展，到2050年將捕獲8.7億~10億噸二氧化碳。

　　圖1. 2020年與2050年能源服務(wù)需求的規(guī)模和技術(shù)占比變化。黑點表示與2020年相比，2050年能源服務(wù)需求增加(減少)的百分?jǐn)?shù)。

　　脫碳策略深刻影響轉(zhuǎn)型成本。隨著減排率的上升，二氧化碳邊際減排成本(MAC)也逐年上升，到2035年將可能突破100美元·t?1.2050年進(jìn)一步突破200美元·t?1.2020—2050年，碳中和導(dǎo)致的福利損失將達(dá)到0.9萬億~1.2萬億美元。碳減排帶來了巨量的投資需求和顯著的協(xié)同效益。電力部門需要至少6萬億美元的電源投資來支持電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型，未來10年的年均投資額超過1700億美元，最大的投資增長點在于風(fēng)能和太陽能發(fā)電技術(shù)。同時，由于碳排放和局地空氣污染物排放同根同源，僅通過能源轉(zhuǎn)型，到2050年就可以實現(xiàn)SO2、NOx、PM10和 PM2.5等空氣污染物較2020年減少85%。

　　圖2. 二氧化碳減排對局地空氣污染物治理的協(xié)同效應(yīng)(左);P25-H情景下，2020—2035和2035—2050兩段時期，各部門對于局地空氣污染物減排的貢獻(xiàn)分解(右)。

　　碳達(dá)峰和碳中和時間具有深刻影響。提前達(dá)峰為減排提供更多的緩沖時間，雖然在短期內(nèi)可能會有更大的轉(zhuǎn)型壓力，但從長遠(yuǎn)來看，這是最具有成本效益的選擇。提前達(dá)峰帶來的累計排放量減少，也將縮小21世紀(jì)下半葉對于負(fù)排放的大量需求。盡管不同情景下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(dá)峰將導(dǎo)致未來15年的空氣質(zhì)量得到明顯改善。碳中和時間是影響轉(zhuǎn)型成本的決定性因素。更早實現(xiàn)碳中和會導(dǎo)致可再生能源和負(fù)排放技術(shù)的大規(guī)模擴張，顯著增加整體的減排壓力。

　　三、政策建議

　　(1)中國應(yīng)當(dāng)迅速采取行動，爭取實現(xiàn)二氧化碳以較低水平提前達(dá)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，并重視儲能設(shè)施的配套發(fā)展。

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