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中国能源转型：走向碳中和

中国社会科学院数量经济与技术经济研究所

“能源转型与能源安全研究”课题组  著

《中国能源转型：走向碳中和》的出版是中国社会科学院数量经济与技术经济研究所“能源转型与能源安全研究”课题组的重要研究成果。课题组利用研究室建立的中国能源模型系统，长期跟踪能源转型、能源安全、能源产业发展、能源技术进步等与能源有关的重大问题研究，2021年主题是“2030年碳达峰与2060年碳中和前景下的能源转型与能源安全”。《中国能源转型：走向碳中和》从能源消费侧的转型和供给侧的转型两个方面进行了全面的论述，探讨了碳达峰与碳中和的路径，并针对新能源产业补贴政策和新贸易保护对能源产业的影响进行了分析，给我国实现碳达峰和碳中和目标提供了有益的决策参考。《中国能源转型：走向碳中和》内容介绍应对气候变化是世界各国共同面临的重大议题。2020年9月，在第75届联合国大会期间，中国再次向世界发出了做出承诺：“中国将秉持人类命运共同体理念，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，为实现应对气候变化《巴黎协定》确定的目标作出更大努力和贡献。” 这一承诺是中国作为一个发展中国家主动提出的，也代表着中国对应对气候变化问题的新认识、新行动。中国社会科学院数量经济与技术经济研究所开发的中国能源系统模型（CEMS），可以把各种技术路径与其发展情景纳入总体能源系统，对各种能源政策与能源转型方案进行综合评估与预测，可以帮助国家和地方进行能源规划和碳中和情景模拟。在中国这样一个高度依赖煤炭、石油等化石能源的超大经济体，要在如此短的时间内实现碳达峰碳中和目标，意味着需要进行剧烈的产业结构与能源结构转型。这不仅是对能源领域的挑战，更是对整个国民经济的挑战。同时，也应该看到，这一挑战同时也是能源与产业经济的重要发展机遇。能源转型不是以减缓发展为代价，而是要通过创新能源新技术、创造能源新业态，来推动经济更好、更快、更绿色的发展。需要在满足经济与民生对能源需求的前提下，推动在经济上合理和安全稳定的前提下从高碳化石能源为主向碳中性能源、低碳能源和高效能源的转型。（一）高能源效率、高可再生能源比例、绿色甲醇、终端煤炭替代相结合的转型路径可以实现2060年之前碳中和的目标总体来看，目前实现碳中和目标的有以下三个难点：一是我国碳基能源比例过高，且其中大半为煤炭。高比例含碳能源的使用意味着高碳排放，因此加快推进非碳能源的使用是减碳目标实现的重点；二是各种非碳能源实现减碳排没有问题，但是没有碳中和即固碳效果。减少含碳燃料的使用应同时配合各类固碳方法，将二氧化碳重新纳入物质-能量循环之中，这样才能更接近碳中和目标的实现；三是实现碳中和的各种技术成本尚居高不下，有待实现技术突破。本书模拟了多种新能源和碳中和方案的技术路径情景，结果表明，只有高能源效率、高可再生能源比例、绿色甲醇、终端煤炭替代相结合的转型路径可以实现2060年之前碳中和的目标。在此之上，本书就提出了政策建议中国实现碳中和的能源组合方案，包括大力发展碳中和技术体系、煤炭替代、实现非碳能源（可再生能源、绿色氢能、绿色甲醇等）的商业化应用等措施。（二）通过节能实现减排是最经济、最直接的路径节能实现减排可以分为两种节能：一种是直接的节能，即提高能源使用效率，尤其是碳基能源的使用效率，如降低燃煤发电的度电煤耗、提高电器等用能设备装备的能源效率、提高汽车的燃油经济性等；第二种是广义节能，即通过减少终端产品的需求、减少建筑建设、减少出行距离等间接降低对能源的需求。（三）发展低碳和高效能源，降低高碳能源比重，为实现碳中和减轻压力通过低碳和高效能源（天然气等）的发展，可以部分取代高碳能源（主要是煤炭）在总能源消费中的比重，从而可以有效减少二氧化碳的排放。水电和核电受制于本身的特点，其发展空间受到一定的限制。可再生能源是未来降低高碳能源和二氧化碳排放的主力，包括目前比较成熟的风电、光伏发电、生物质发电、地源热泵等，也包括尚需降低成本的光热发电、纤维素乙醇、生物柴油等。（四）碳基能源的循环利用是实现碳中和的必由之路化学碳循环则是利用化学工业过程，可以把工业过程排放的二氧化碳捕集后合成为醇醚化合物。其中甲醇因有较多的氢原子，还可以作为氢能的一种载体。通过这样一个碳的循环过程，可以实现化石能源的碳中和或者部分碳中和。如果这一过程使用的能源来自于绿色电力如风电、光伏发电，就可以减少整体上的碳排放，从而成为碳中性的可行路径。（五）生态固碳生态固碳，是通过森林、草原、湿地的植被和水体进行碳的吸收和固定。森林蓄积量每增加1亿立方米，相应地可以多固定1.6亿吨二氧化碳，如果按照林业相关规划，从当前（2020年）的森林蓄积量超过175亿立方米，到2035年达到森林蓄积量210 亿立方米，每年新增蓄积量的固碳效应约为3.7亿吨二氧化碳。考虑累积效应，按照本文规划的转型方案，到2060年，生态固碳效应能够满足总体温室气体排放的中和要求。传统以煤、气、水、核为主的电力系统尽管高碳，但是其长期运行的稳定性是经过检验的。在推动双碳目标实现的过程中，能源供给与生产安全是一个红线，去年冬季美国德克萨斯州的大停电再次提醒，能源转型过程中仍然必须注意电力供给安全和稳定性。因此，需要提出一整套完整的能源转型方案与可行路径，做到技术可行、经济可承受、安全有保障，以最小代价实现碳达峰和碳中和目标，并借此创造新的经济增长点。发展新能源为主体的能源体系的优化路径根据中国社科院数量经济与技术经济研究所的中国能源模型系统模拟结果，实现30-60碳中和/碳达峰目标，需要以下技术路径的协同发展：1. 提高能源效率和节能。通过节能实现减排是最经济、最直接的路径。节能实现减排可以分为两种节能：一种是直接的节能，即提高能源使用效率，尤其是碳基能源的使用效率，如降低燃煤发电的度电煤耗、提高电器等用能设备装备的能源效率、提高汽车的燃油经济性等；第二种是广义节能，即通过减少终端产品的需求、减少建筑建设、减少出行距离等间接降低对能源的需求。2. 可再生能源电力的增长。为实现2060年之前碳中和的目标，需要在2030年之前实现非碳能源和碳中性能源比例达到50%以上，才能为后面的碳中和创造条件。否则2030年就不可能实现碳达峰，后面的碳排放还会有所增加。此外，天然气发电也需要一定的增长，作为对燃煤发电的替代，并用于维持整个电力系统的稳定。3. 煤炭替代，包括能源电力部门的煤炭替代和终端能源消费部门的煤炭替代。能源电力生产部门以天然气和其他低碳能源替代煤炭，终端能源消费部门以电力和天然气等形式替代煤炭。需在2035年之前，对终端部门煤炭消费中的70%进行电能和天然气替代。其中电能替代必须建立在可再生能源电力比例在2030年之后超过50%的基础之上。4. 储能设施的大规模建设。可再生能源发电比重的增加改变了传统电力系统的电源结构，导致电网调峰、调差压力持续增大。2020年下半年，江西、湖南、河北等地电力尖峰负荷屡创新高，京津唐电网冬季负荷峰谷差达30%以上，给电网机组调峰带来了极大的压力。为保证电力系统的稳定运行，需要多种形式的储能和应急响应能力，这是建设以新能源为主体的电力系统过程中保障电力系统安全的基础。5. 加快发展依托可再生能源电力的绿色氢能和绿色甲醇，作为化学储能与碳中和的主要形式。以风电、光伏为主体的可再生能源电力，由于电网消纳能力的制约，会产生大量的无法被完全消纳的电力，以这些绿色电力生产氢气，可以作为氢能的来源；由于氢气运输和储存上成本高、体积大，需要大量基础设施，因此以绿色氢气和工业排放二氧化碳为原料生产甲醇和后续的醇醚燃料，既可以有效解决储存输送的难题，也可以有效实现二氧化碳的固定和循环。这一路线将成为未来实现碳减排与碳中和的主要技术路径。与其他方案相比，这一方案无疑是最能适合中国国情，同时也没有过于激进的能源方案。这一方案对各种能源需求和能源路线进行了综合考虑，而且考虑各种能源和燃料之间的相互配合与相互替代。推动新能源良性发展、逐步实现双碳目标的措施建议为实现新能源的良性有序发展，在不影响能源电力体系安全供给，不明显增加经济成本的约束下按计划逐步实现双碳目标，本文提出以下政策建议。（一）优化能源供给结构，发展碳中和产业技术体系，争取2025年左右实现碳达峰早日实现碳达峰，有利于后面进行的碳中和进程按期实现。在能源转型和能源供给结构优化的推动下，是有可能在2025年左右实现碳达峰的。同时，由于结构优化，能源消费和电力消费的峰值仍可推后在2030年之前实现。具体建议如下。1. 为实现碳中和目标，非碳能源与碳中和能源（二氧化碳制绿色醇醚燃料）应占到总能源消费的50%以上。为此，需要加快推进以下几项工作：一是加快建设风电、光伏等可再生能源，在碳达峰时风电占总发电比例争取达到30%、总可再生能源（含水电）比例超过50%；二是适度发展核电，使在建核电项目按期投产；三是实现氢能技术、储能技术的商业化利用，制氢选址最好在大型发电基地附近，合理使用弃风、弃光、弃水等不能并网的电力用以制氢；四是实现绿色醇醚燃料的商业化，即通过捕集工业（火电和碳酸盐工业）二氧化碳排放并利用绿色电力制取醇醚燃料，这是最有效的碳中和技术，它可以有效减少碳基能源的最终二氧化碳排放。2. 2030-2060年期间加快绿色电力、绿色氢气与绿色甲醇的大规模商业化。使得80%左右的能源消费为非碳和碳循环能源（碳循环能源指二氧化碳回收制取燃料），自2031-2060年期间每年需提高1个百分点。（二）发展新能源与碳中和技术与产业体系为推动碳中和目标的实现，需要大力发展新型碳中和产业技术经济体系。以中国的市场规模和潜力，碳中和将成为一个万亿级的新兴产业，为中国经济的升级转型提供新的增长点。主要包括以下几个方面：1. 工业能源碳中和技术当前能源转型工作的重点，应该包括：（1）推动天然气和甲醇等低碳清洁化石能源对煤炭、石油等高碳且环境影响巨大的能源的替代；（2）加快发展智慧电网，实现非碳能源尤其是可再生能源占总能源消费和总电力生产中比例的快速上升，只有非碳电力比例超过了50%，进行电能替代才会带来碳排放量的下降，否则电能替代反而会增加碳排放。（3）加快风电等可再生能源的建设，提升其在总能源消费和电力消费中的比重；（4）加强对氢能的基础研究和工业化技术研究，尽快掌握核心科技，抓住未来氢能发展的机遇；（5）加强对储能材料和储能技术的研究与商业化应用；（6）加快产业结构调整，降低对钢铁、水泥、有色等高耗能产品的需求；（7）加强楼宇建筑的节能和冬季利用风电等可再生能源工作；（8）加强生物质能源利用。通过这些工作，可以尽早实现碳达峰，估计在2025年是有可能实现的。2. 交通能源碳中和技术交通能源是能源转型的重要方面。除传统燃油外，电动汽车、混合动力、氢燃料电池、生物柴油、醇醚燃料、自动驾驶、智慧交通管理等各种技术层出不穷。在交通动力技术中，应加强甲醇利用技术的研究，包括甲醇作为氢燃料电池介质的产业技术应用研究，甲醇混合动力汽车技术的研发与产业化。这是因为，甲醇应用是碳中和应用的重要节点，有效地把氢能、碳循环、电能替代、燃油替代技术结合在一起。同时，它还有运输方便、高效的优势，避免了大规模管网基础设施建设的约束。3. 建筑能源碳中和技术建筑中能源巨大，虽然主要是电力供应，但是可以实现与可再生能源电力、储能设施、智能电表、微电网、智慧温控技术、地缘热泵技术、可再生电力供热、LNG余冷供冷等等技术相结合，实现建筑节能。本模型中就设计了利用氢能为建筑提供储能的情景。4. 农业、分布式和移动能源技术农村农业能源是典型的面源能源资源与分布式点式利用的矛盾。从总量上来看，我国每年的农业生物质废弃物有17亿吨，但是分布广泛，不易收集和处理。农村能源利用，以前曾经寄希望于生物乙醇尤其是纤维素乙醇的技术突破，现在看即使实现突破，散布原料的收集储运也存在成本上的障碍。比较适宜的技术是小型处理社会，把秸秆等生物质材料加工成高热量的生物质固体燃料，直接取代农村地区的散煤燃烧，可以取得更好的效果。在欧洲和日本，这种技术已经比较成熟，可以考虑在国内推广。此外，在边海偏远地区、户外作业、无人机等移动点式能源利用场景，也有大量的能源需求。以前这种需求不大，经常被忽视，但是随着技术进步和生活方式的转变，这种能源需求越来越大，已经成为一个新兴的能源市场，甚至已经发展出穿戴式可再生能源系统。（三）切实推动能源转型，为新能源发展奠定良好基础1. 大力推进各产业的煤炭替代，包括电能替代和天然气替代，有效降低终端部门能源消费中煤炭的比例。其中钢铁、化工、陶瓷、建材工业等部门是煤炭替代的重点。目前煤炭价格保持较低水平，可以适度提高煤炭的资源税、环境税以达到控制煤炭消费的目的。煤炭成本提高，有利于推动燃煤电厂向天然气和可再生能源转型，降低煤电比例，减少碳排放。到达项目周期的燃煤电厂应予拆除，腾出来的产能转移给非碳能源电力生产。2. 加强智能电网建设，提高电网的可再生能源电力消纳比例，尤其是加快发展更靠近电力负荷中心的海上风电。3. 建设多种形式的储能和应急响应能力，有效解决风电光伏等波动性电源的安全与稳定性问题。在有条件的地方，应推动抽水蓄能电站的发展；在水源和地质条件不具备的地方，可以考虑发展液流电池等储能设施。同时，也可以结合氢能与甲醇的生产，实现化学储能。4. 推动石油、煤炭工业从能源产业向化工产业的转变，同时加强化工过程所产生能量的能源化利用，即能化共轨生产模式。这样即减少二氧化碳排放，又提高了物质效率与能源效率。5. 及早规划锂电池回收处理设施与能力。我国电动汽车已经形成了巨大的生产规模，7-8年之后将会出现大量的退役锂电池，如果不能及早规划处理设施，将会造成很大的环境压力。6. 北方大范围推广风光地热等可再生能源冬季供暖，提升建筑节能标准，从而大幅度减少建筑能耗。（四）出台相关政策保障措施，扫清能源转型的机制障碍1. 加大能源体系的市场化改革，降低氢能、甲醇的市场进入门槛，把甲醇从危化产品目录中去除（甲醇毒性只有食用时才有，其可燃性易爆性都低于汽油柴油等成品油），鼓励下游企业实现从煤炭、成品油向醇醚燃料的转换。2. 加大对非碳能源的支持力度，具体措施包括企业研发投入支持、财政减税等，慎用补贴政策以免出现企业过度依赖的情况。加强能源新材料、智能电网、新型可再生能源、智慧能源系统的技术研发和商业化利用。3. 减少过度投资发生，严控新城建设、撤乡并存等重复性、浪费性建设，改善城市规划标准减少大面积硬化广场，从而减少高耗能产品需求。CWEA

“能源转型与能源安全研究”课题组由中国社会科学院数量经济与技术经济研究所能源安全与新能源研究室部分研究人员组成。课题组利用研究室建立的中国能源模型系统，长期跟踪能源转型、能源安全、能源产业发展、能源技术进步等与能源有关的重大问题研究，2021年主题是“2030年碳达峰与2060年碳中和前景下的能源转型与能源安全”。此外，课题组成员还是中国社会科学院年度性项目“全球能源安全智库论坛”和“一带一路倡议与全球能源互联国际研修班”的组织者，与世界能源领域的重要国际组织、政府部门、智库与科研机构、行业组织和企业建立了广泛的工作联系。

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