环境规划院碳中和中心在《ES&T》发文揭示中国重点行业达峰中和路径及成本效益
研究背景及框架
为实现碳达峰碳中和目标，中国政府已构建“1+N”政策体系，出台一系列指导性政策和方案，指导各行业各领域碳达峰碳中和工作。但已有政策和大多数研究对于中国各行业碳达峰、碳中和的目标和实现路径并未明确描述，部分研究从宏观角度预测中国碳达峰、碳中和趋势，无法对各行业具体的实现路径提供指导；部分针对部门碳达峰、碳中和路径分析的研究往往忽略了行业之间的相互影响及反馈，使得结果无法反映行业真实的发展趋势。
为系统分析主要行业碳达峰碳中和路径，本研究利用中国碳中和技术平台数据，基于MESSAGEix模型框架，搭建起包括电力、钢铁、水泥、道路交通和建筑五大高耗能行业在内的MESSAGEix-CEAP模型，并通过物质流构建起行业间的内在需求反馈，从技术层面为上述行业实现碳达峰、碳中和目标提供具体的路径指导并揭示各行业实现达峰、中和的边际减排成本及成本效益。
数据来源
本研究数据来自于中国碳中和技术平台（CNTD，http://cntd.cityghg.com/）。该平台是一个聚焦于中国行业低碳减排技术的公开数据平台，涵盖了包括电力、钢铁等十余个行业在内的低碳减排技术数据及其成本核算模块，为推进行业低碳减排、完善“自下而上”的综合模型构建及相关领域研究提供了重要支撑。
研究结果
模型分析结果显示，在现有减排路径下，中国五大高耗能行业总体将在2029年实现碳达峰。在此情景下，从成本优化的角度出发，电力、水泥、钢铁和道路交通行业的达峰时间分布在2025至2030年之间，建筑行业由于具有较高的减排成本，其达峰时间推迟至2045年。到2060年，仍有约13%的能源消耗仍来源于煤炭，其中约46%的煤炭消耗所产生的CO2将由CCS技术捕集。此外，由于气基直接还原铁技术的大规模应用，天然气消费在碳中和时期预计会大规模的上升。但在强化减排路径下，其他行业碳减排量的增加降低了钢铁行业的碳减排压力，从而使气基直接还原铁技术应用比例大幅度降低，并进一步降低了天然气的消费量。
图1 现有减排路径下行业总体碳排放水平及各行业贡献比例
图2 现有减排路径下能源碳减排比例及消费比例
行业关联性分析结果显示，钢铁、水泥道路交通和建筑行业的电气化过程将大幅度提升电力行业的生产需求，预计到2060年，受上述四个行业的影响，电力行业的电力生产需求将上升206%，远高于现有其他研究的预测水平。在四个行业中，道路交通行业低碳减排技术的应用将成为电力需求增加的主要来源，其次为钢铁行业、水泥行业和建筑行业。需要注意的是，CCS技术的应用将大幅度提升电力需求，预计将贡献57%的电力需求上升。因此，未来在推广CCS技术的同时，需要进一步考虑该技术对电力行业生产及碳减排压力的影响。
图3 现有减排路径下电力消费情况及各行业贡献水平
边际减排成本分析结果显示，为实现碳中和目标，五大行业总体的边际减排成本为2189元/tCO2。其中，电力行业边际减排成本最低，为159元/tCO2，次为水泥、钢铁、建筑和交通行业，其边际减排成本分别为372、191、3642和4062元/CO2。此外，相较于现有减排路径（SCN），在强化减排路径（HCN）下，五大行业总体将具有更低的边际减排成本。主要原因在于在强化减排路径下，模型舍弃了部分过渡技术，如天然气发电等，使得碳中和时期的碳减排压力减少，并减少了高减排成本技术的应用比例，从而使行业总体边际减排成本降低。
图4 现有减排路径下各行业的边际减排成本（左）及不同减排路径下的总体边际减排成本（右）
成本效益分析结果显示，无论在何种路径下，中国的碳减排效益总是大于其减排成本，且强化减排路径下的净效益将大于现有路径下的净效益。预计2021-2060年期间，在现有减排路径和强化减排路径下，中国碳减排的净效益将达到6.5万亿元和7.8万亿元。该结果表明，实施更强有力的减排政策尽管在短期内会提升中国的碳减排成本，但在长期上会实现更大的减排效益。
图5 现有减排路径及强化减排路径下的成本效益
政策应用
基于上述结论，本研究提出：1、在制定各行业低碳减排方案时需要关注行业之间的相互影响，基于以往发展趋势确定的行业产出或需求预测水平可能会存在一定的偏差。2、中国具有显著的“富煤、缺油、少气”的资源禀赋，以往的研究指出为实现碳中和中国需要完全替代煤炭消费，但本研究结果表明可以利用CCS技术，充分发挥煤炭在我国资源禀赋中的优势，并通过强化其他行业的减排力度降低煤炭消费的减排压力。3、在最佳的减排目标下，行业边际减排成本应当等于行业碳交易价格，但目前中国碳交易市场的平均碳价约为55元左右，远低于本研究的预测水平。为推进各行业在早期的碳减排，中国应进一步完善现有的碳交易市场并逐步提升现有碳交易价格。4、本研究结果表明，在早期更有力的减排措施将实现更低的边际减排成本及更高的减排效益，为此，中国可强化现有碳减排措施，加快传统技术向低碳减排技术的替代。
作者贡献
南京大学董金池博士生及碳达峰碳中和研究所蔡博峰研究员为共同第一作者，北京航空航天大学/IIASA张少辉副教授/研究员和规划院王金南院士为共同通讯作者。其他作者包括Utercht university/郑州大学岳辉助理教授、清华大学王灿教授、北京师范大学毛显强教授、山西大学丛建辉副教授和IIASA郭非研究员。
论文获取：Jinchi Dong, Bofeng Cai, Shaohui Zhang*, Jinnan Wang*, Hui Yue, Can Wang, Xianqiang Mao, Jianhui Cong, and Fei Guo. Closing the Gap between Carbon Neutrality Targets and Action: Technology Solutions for China’s Key Energy-Intensive Sectors. Environmental Science & Technology, 2023. https://doi.org/10.1021/acs.est.2c08171