在當(dāng)下,能源系統(tǒng)是碳排放的主要來(lái)源,中國(guó)作為世界上最大的碳排放國(guó)和能源消費(fèi)國(guó),其實(shí)現(xiàn)碳中和的能源轉(zhuǎn)型路徑備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注。為了全面評(píng)估面向碳中和的能源轉(zhuǎn)型,清華大學(xué)陳文穎教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含能源系統(tǒng)的所有部門(mén)的能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)模型China TIMES,詳細(xì)闡述了能源系統(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),并且識(shí)別出不同碳達(dá)峰時(shí)間和碳中和時(shí)間對(duì)于中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的顯著影響。
一、China TIMES模型和情景設(shè)置
China TIMES模型是一個(gè)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(gè)步長(zhǎng),目標(biāo)函數(shù)為整個(gè)模擬期內(nèi)能源系統(tǒng)總福利最大。
該模型刻畫(huà)了能源開(kāi)采、轉(zhuǎn)換、輸配和終端使用的全部能源過(guò)程,覆蓋了電力、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑和交通等部門(mén)超過(guò)500種技術(shù)和數(shù)十種燃料選擇。未來(lái)各部門(mén)能源服務(wù)需求通過(guò)社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行估計(jì),并根據(jù)供求關(guān)系和需求價(jià)格彈性而波動(dòng),反映了生產(chǎn)和生活方式的轉(zhuǎn)變。
同時(shí),考慮到可能存在的碳鎖定風(fēng)險(xiǎn),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(guó)現(xiàn)有的國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)和碳中和目標(biāo),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不同的路徑。
二、結(jié)果和討論
實(shí)現(xiàn)碳中和需要能源系統(tǒng)快速減排。中國(guó)的二氧化碳排放預(yù)計(jì)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(guó)的碳排放強(qiáng)度將較2005年下降67%(P25)和75%(P30),符合國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)的承諾。2005—2020年,中國(guó)的年均碳排放強(qiáng)度下降率約為4.4%,該速度無(wú)法達(dá)到碳中和的要求,未來(lái)的減排政策仍需不斷加強(qiáng)。
不同部門(mén)的脫碳進(jìn)程步調(diào)不一。電力部門(mén)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(mén)的脫碳在近期發(fā)揮關(guān)鍵作用,并在2040年開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)排放。工業(yè)部門(mén)正處于產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(mén)的碳排放將穩(wěn)步下降。交通部門(mén)和建筑部門(mén)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(mén)帶來(lái)巨大的減排潛力。
中國(guó)的能源系統(tǒng)需要全面變革。中國(guó)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(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)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(yáng)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(diǎn)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(wàn)億~1.2萬(wàn)億美元。碳減排帶來(lái)了巨量的投資需求和顯著的協(xié)同效益。電力部門(mén)需要至少6萬(wàn)億美元的電源投資來(lái)支持電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型,未來(lái)10年的年均投資額超過(guò)1700億美元,最大的投資增長(zhǎng)點(diǎn)在于風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。同時(shí),由于碳排放和局地空氣污染物排放同根同源,僅通過(guò)能源轉(zhuǎn)型,到2050年就可以實(shí)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(duì)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(shí)期,各部門(mén)對(duì)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(shí)間具有深刻影響。提前達(dá)峰為減排提供更多的緩沖時(shí)間,雖然在短期內(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。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(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。碳中和時(shí)間是影響轉(zhuǎn)型成本的決定性因素。更早實(shí)現(xiàn)碳中和會(huì)導(dǎo)致可再生能源和負(fù)排放技術(shù)的大規(guī)模擴(kuò)張,顯著增加整體的減排壓力。
三、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,并重視儲(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。