文献阅读 | 不采取负排放技术的低能源需求情景实现1.5°C和可持续发展目标的研究

题目

A low energy demand scenario for meeting the 1.5 °C target and sustainable development goals without negative emission technologies

作者

Arnulf Grubler, Charlie Wilson, Nuno Bento, Benigna Boza-Kiss, Volker Krey, David L. McCollum

期刊

Nature Energy

时间

2018

一作

单位

International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), Laxenburg, Austria

链接

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0172-6

研究背景

全球能源系统的重要作用是为终端用户提供有用的服务，终端能源需求决定了能源系统的规模，因此，终端用户是缓减气候变化的重要因素和挑战。不断增加的能源消耗给能源供应端的脱碳发展带来了巨大的减排负担，优化能源系统以应对气候变化要求供应和需求端的共同发力。一方面，1.5°C温升的可用排放预算需要大规模负排放技术，目前全球减排情景的研究趋向于关注这类供应端解决方案，并已根据限制和不确定性对这些技术进行了严格的评估。另一方面，能源需求端是全球能源系统中效率最低的部分，且是改进潜力最大的部分。提高最终能源使用效率也可按比例减少满足人类需求所需的能源。

该研究根据当前观察到的主要能源使用趋势，开展了针对终端用能的、以效率为中心的未来情景分析。根据研究的情景叙述，作者使用自下而上的量化模型，为主要能源最终使用服务和相应的上游部门提供活动水平、能源强度和最终能源需求到 2050 年的变化模拟。该研究使用全球综合评估建模框架 MESSAGEix-GLOBIOM，展示了适当缩小全球能源系统规模如何为在 1.5 °C 排放预算内、在无需负排放技术的情况下，为实现可行的供应侧脱碳创造必要空间，并带来显著的可持续发展协同效益。

低能源需求情景

该研究的全球情景称为低能源需求（LED），LED情景叙述是能源最终用途长期变化的五个主要驱动因素：生活质量、城市化、新型能源服务、终端用户角色以及信息创新。这五个驱动因素相互作用，产生了LED情景叙述的五个额外元素：粒度，指的是小规模、低单位成本技术的扩散，这些技术可以进行实验、快速学习和公平获取。分散提供能源生产、分配和最终使用的服务，并逐步扩大或调整集中的基础设施；服务的使用价值，这意味着从单一用途商品的所有权转向“用户”，通过数字平台或共享经济提供灵活的多用途服务；日常生活数字化，指将传感器、处理器、无线通信和控制功能融入能源利用技术和日常生活；以及快速转型，即随着收入和愿望的提高，终端用户要求加速改进能源服务提供的形式和质量。

本文刻画的LED情景和大量减缓气候变化情景之间有四个重要区别。首先，LED 情景描述了除技术创新之外，能源服务提供和消费方式的快速社会和体制变化。其次，与可比的低排放情景相比，这种叙述对严格气候政策的依赖性要小得多。第三，LED主要关注能源终端和能源服务。第四，LED的下游变化反过来又推动中上游行业的结构变化。

终端服务的最终能源需求

该研究将 LED情景映射到 2020 年至 2050 年四个主要终端能源服务的活动水平和强度的变化。LED 的设计旨在与可比情景中提供的活动水平或能源服务量相匹配，而且在大多数情况下，LED 可远远超过活动水平或能源服务量，但能源投入会大幅减少。图1总结了由此产生的最终能源需求的分解分析和变化。

图1. 对LED情景下终端服务和上游部门最终全球能源需求决定因素的分解分析

2020-2050年全球总活动、能源强度和最终能源需求的变化（每个面板的左图;x轴上方为变量乘数，下方为除数）以及由此产生的人均最终能源需求（GJ/人）（每个面板中的右图）。分解由变量乘数或除数表示，同时也显示了变化方向。a-c，热舒适性（a），消费品（b）和移动性（c） 的最终使用服务。d-f，商业和公共建筑（d）、工业（e）和货运（f）的上游部门

LED热舒适性的特点是条件适中且有足够的住宅建筑面积，全球层面这一数据到2050年将为 30 米/2人（目前全球北方的平均水平）。这比体面生活水平可接受的最低标准高出三倍。根据最近的情景文献，每平方米建筑面积的能源使用显著改善，为新建筑（全球南部）和建筑改造（全球北方）提供了最佳实践设计。

消费品需求将继续随着生活水平的提高而激增。到 2050 年，全球北方的设备数量增加了 80%，全球南方的设备数量几乎增加了 3 倍。与此同时，每个设备的能效显著提高。在单台设备（尤其是智能手机）中集成多个服务功能，在使用期间可节省高达 100 倍的潜在功耗（图2）。设备日益变得"智能"和互连，这为可控性、系统集成（包括负载管理和需求响应）开辟了潜力。

图2. 对通过数字化和设备融合减少能源需求的例子

到2050年，随着人口、愿望和生活水平的提高，全球南方提供的移动服务（乘客公里数）增加了100%以上。全球北方的流动性也在增长，但增长较缓，主要是受城市化和一些实际替代实际旅行的限制。由于电动汽车和新的组织服务模式（包括共享移动性）的综合影响，能源强度显著提高。全球粮食供应扩大三分之一，以养活20%以上的人口，并消除营养不良。粮食供应增加到人均3130千卡 /人*天，并且饮食趋同于全球更健康，更多样化。

用于中上游部门的能源

最终用户消费的能源服务类型和数量的变化对商业建筑、工业（包括制造业和建筑）和货运中的上游能源使用产生了连锁反应。

到2050年，全球商业和公共建筑的建筑面积将扩大三分之二，在北部达到人均23平方米，在南部地区为人均9平方米，人口稠密城市的空间限制刺激了使用多用途建筑的建设。能效显著提高，符合住宅建筑的热舒适性趋势。工业过程能源效率提高了五分之一。材料总产量下降了近20%，三分之一由于非物质化，三分之二由于材料效率的提高。"非物质化"描述了由于资产利用率的提高，绝对材料使用率较低，例如需要较少汽车的共享汽车模式。"材料效率"包括轻量化，例如，每辆车的材料输入更少。

全球北方和全球南方的货运活动水平（吨公里）都在扩大，特别是铁路货运。在日益壮大的城市群中，非物质化和交通距离缩短减缓了进一步的增长。模式拆分变化和车辆效率改进相结合，可显著减少每吨公里运输的能源使用量。

供应方转换

LED 描述了所提供的能源服务的数量和质量的重大变化。以绝对值计算，提高能源服务水平可提高服务效率（例如，提高资产利用率）、提高实物资本存量（例如，高效建筑设计和改造）和具有不同应用或范围经济性的精细最终用途技术（例如，车辆、家庭和电网中的电池或燃料电池）。这种需求侧转换需要具有高度多功能性或执行力的能源载体。因此，LED 情景研究认为能源最终用途具有很强的电气化性，这与普遍数字化和更通用的最终用途技术的叙述一致，这些技术在使用时也无污染。从长远来看，氢也增加了其在最终能源需求中的份额。

因此，能源最终用途的变化推动了供应方的转型，这在历史上一直如此。与 LED 情景描述一致，颗粒状能量供应技术（如热泵、燃料电池和太阳能光伏）会激增。颗粒化、分散化和可变可再生能源对系统管理和平衡构成重大挑战，通过物理网络和控制系统的"智能"转换以及扩展的存储和负载管理选项加以解决。

图3显示了全球最终使用部门和能源运营商的最终能源需求及其对一次能源供应影响的年际变化，以及LED情景相较于基准情景的差异。图中展示了至2100年的结果（尽管 LED 情景研究主要关注到 2050 年）。

图3. LED情景在历史背景下和与文献相比

a-c，按行业分列的世界最终能源占比的结构变化（a），按燃料的最终能源占比（b）和按资源分的初级能源占比（c）：到 2014 年的历史数据 （最暗的色调）， 到 2050 年的LED 情景（浅色调）和简化场景扩展至2050后 （最轻色调） 用于计算气候变化结果。d.与 2015 年统计数据、LED 2020 基准年以及 2050 年严格气候缓解的可比情景（包括 SSP1 和 SSP2 1.9 Wm-2）相比，LED 的最终能源需求

LED按行业分的历史能源占比在未来大致保持一致（图3a）。不过在LED情景下，最终用途技术和燃料（图3b）和上游转换（图3c）的结构将发生重大变化。到2050年，全球近60%的最终能源通过电力和氢输送。其余的最终能源由多种能源载体组合提供，包括气体、液体和一些区域热量。固体能源（煤炭和传统生物质）实际上已逐步淘汰。这种最终能源需求结构使供应选项组合具有更大的灵活性（图3c）。单一用途燃料供应链（例如，从原油到炼油厂，从汽油到汽车）被各种低碳资源提供的"通用"电力和氢所取代：太阳能光伏、风能、生物质能、水力和核能（2050年最终能源供应的顺序正在下降）。化石燃料正日益逐步淘汰。到 2050 年，LED 中的最终能源需求为 245 EJ，大大低于当前值，也低于文献中的可比情景（图3d），包括 IPCC 第五次评估报告中所有审查的最低情景（2050 年为 274 EJ）。

然而，从历史的角度来看，LED中观察到的结构变化是"一切照常"。图4显示了在过去70年左右的时间里，随着能源资源和载体从薪柴转向石油到天然气到电力与从碳到氢到电子的替代动力一致。这种动态在过去二十年中停滞不前：LED 研究它重新启动并持续到 2050 年的效果。

图4. 全球最终能源结构在历史和 LED 情景中的变化动态

LED 情景之所以能实现快速供应侧转换，与其较低的最终能源需求有密切关系（图5）。降低需求（图5a）通过提高效率和改变最终用途技术和服务，导致普遍电气化（图5b），并扩散颗粒状分散的能源供应技术，其中包括太阳能光伏。这导致低碳能源资源（图5c，d）和非生物质可再生能源（图5e，f）的强劲扩张。到2050年，年增长率分别为3%和5%左右。这些在其他 1.5 °C 情景中处于或低于可比增长率。然而，随着LED缩小整个能源系统，这些增长率导致更高的市场份额：80%和55%的一次能源来自低碳资源和非生物质可再生能源（图5d，f）。

图5. 在LED情景中预测全球最终能源、低碳供应和非生物质可再生能源

a-d，2050年最终能源（EJ）方面的全球能源系统（a），电力和氢在最终能源中的份额（b），2050年所有低碳资源的年度部署率（EJ/年）（c），2050年全球一次能源中所有低碳资源产生的份额（d）。低碳资源包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能和核能。e，f， 只有非生物质可再生能源的相同数据。

LED对可持续发展目标的影响

LED 成果对联合国 17 项可持续发展目标中的许多目标都产生了重要好处，尤其是与其他气候减缓方案相比。图6显示了LED情景对 SDG2（饥饿，图6a），SDG3（健康，图6b，c），SDG7（能源，图6d），SDG13（气候，图6e，f），SDG14（海洋，图6f）和SDG15（陆地，图6g，h）目标的积极影响。

图6. LED情景对全球SDG的效益

LED对可持续发展目标的影响

LED的低能耗结果取决于社会和体制的变化，这些变革扭转了需求不断增长的历史轨迹。如何在建模研究中内生地体现这些仍然是一个关键的多学科研究议程。政策在推动和实现 LED情景的变革方面也起着至关重要的作用。首先，需要制定严格的效率标准，以在全球北方地区进行建筑改造，在南方地区建造新建筑，并在全球建造电器和设备。第二，颗粒最终用途和低碳供应技术的广泛传播带来的快速创新、成本降低和绩效改善需要持续创新政策，以配合刺激市场需求的诚信努力。第三，监管者需要确保为新的商业模式、数字集成和分布式服务提供空间。对于一个更清洁、更凉爽、更健康的世界来说，这些都是重要的，但不是不可抗力的挑战，在这个世界中，所有人都享有高质量的生活水平。

编辑：方艳茹

排版：方艳茹 江琴

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