文献阅读 | 生物质能在乌克兰气候减缓政策中的作用

题目

The role of bioenergy in Ukraine’s climate mitigation policy by 2050

作者

Maksym Chepeliev , Oleksandr Diachuk, Roman Podolets, Galyna Trypolska

期刊

Renewable and Sustainable Energy Reviews

时间

2021年10月

一作

单位

Center for Global Trade Analysis, Department of Agricultural Economics, Purdue University, 403 West State Street, KRAN #684, West Lafayette, IN, 47907, USA

链接

https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111714

研究背景

乌克兰能源部门在国家经济中发挥着重要作用，同时也面临着巨大的挑战。乌克兰是世界范围内的碳强度(Carbon Intensity)是最高的国家之一，能源强度(Energy Intensity)高出欧盟平均水平的三倍，并且高度依赖能源的进口输入，进口能源占总初级能源供给(total primary energy supply, TPES)的39%。

2010-2017年间，乌克兰的国内化石能源生产量下降了40%，并且可持续能源(renewable energy sources, RES)占比也增加了2.6%。但最终能源消耗方面，乌克兰的可持续能源的消费量仅为6.5%，远低于周边欧盟国家（如罗马尼亚23.4%，匈牙利14.3%，波兰11.1%）。

同时，乌克兰的生物质能和废弃物在能源结构中的重要性也远低于周边国家，生物质能占TPES的比例（3.3%）约为欧盟平均水平（9.8%）的三分之一。

为了推动可持续能源的发展，乌克兰近几年推出了若干法律条文，提出的目标要求在2035年实现RES在TPES中的占比达到25%。另外还有针对具体部门的可持续目标，如要求RES在热能供给中占比在2035年达到40%。

实现上述能源目标依赖大量的投资，有研究预估。2030年前实现RES占TEPS的比例达到16.1%需要的投资金额大约为117 B €。

本研究试图探索生物质能的潜力与在乌克兰未来能源发展中扮演的角色。生物质能相比其他RES有若干优点。首先，生物质能的生产不需要“备份生成”（backup generation）或者储存的空间，而是能够在需要时自身实现储存和能量的使用。其次，生物质能不仅可以转换为电力，还可以转换为热能、液体燃料，用途广泛。第三，它可以作为分布式产能的高优先级选项。第四，由于生物质能的原料大多为农业和食品废弃物，因此发展生物质能能够显著推动废弃物管理政策的落实。

已有的研究探索了生物质能在乌克兰未来能源供给中的角色。Schafartzik等学者聚焦于生物质能发展的风险和约束条件，考量了环境、社会和经济的权衡，得出的结论认为：生物质能对未来环境和经济益处是高度不确定的。Ref等人提供了一个更有希望的对生物质能的发展展望，虽然也提到生物质能未来发展的一个巨大障碍会使大量投资的需求。IREA（International Renewable Energy Agency）的研究显示乌克兰有潜力实现生物质能使用端十倍的增长，其中73%可用于热能，7%用于运输能（transport fuel），剩下的用于电力生产。Child等人的研究发现乌克兰的生物质能在2050年前可以贡献20%的总电力生产（在100%的可再生能源情景下）。

在本研究中，研究者探索两个气候减缓情景（温室气体排放量在2050年分别下降68%和83%，相比于2010年的水平），这些情景与限制全球气候变暖在2.0℃以下的要求是一致的。

研究者使用了TIMES-Ukraine能源系统模型考察气候减缓情景下的两个选项：1)生物质能被限制在基线水平；2)生物质能的供给基于经济可行性得出（使能源系统成本最小）。

之后研究者基于气候减缓政策的成本和减排的平均成本深入评估了不同种类生物质能的原料可获得性。另外我们还分析了不同生物质能之间的互动关系，在部分有限供给下相互替代的可能性。我们的结果证实生物质能能够在乌克兰的气候减缓努力中发挥重要作用。同时，我们也强调了要发挥生物质能的潜力不可避免会遇到的涉及已有政策、市场、基础设施的一系列的障碍。

研究方法

TIMES-Ukraine能源系统模型是一个能源流的线性规划最优模型。将乌克兰的信息输入模型中包括七大部门：能源供给部门（包括生产、进出口、存储、二次能源的生产）、电力和热能生产、工业、交通也、居民使用、贸易和服务、农业（包括渔业）。

该模型同时根据IPCC的定义涵盖了能源和工业生产部门。下图（图1）显示了该模型的基本结构。

图1 TIMES-Ukraine模型中能源系统的具体结构 框架图提供了模型的大致分类，而模型实际上包括了多达1600余种技术，RE指的是可再生能源renewable energy。

 在上述模型框架下进行能源政策的预估主要包括下面几个步骤。

首先，收集能源供给与需求的潜在驱动因素的有关数据（包括宏观经济和部门增加值的预测数据，人口预测数据，能源价格预测数据等等）。

第二，基于对未来能源需求量、科学技术发展的假设以及上面收集的数据，设置基准情景。

第三，通过引入额外的约束和目标设计政策情景。对于每个情景（基准和政策情景），模型都会估计实现成本最小的系统路径曲线（即分部门分能源类型的能源需求和供给量）。

基准情景（BaU）中，研究假设2021-2050年乌克兰的GDP年平均增长率为3.5%，以及在建筑行业、服务与某些制造业上设置更高的增长率。服务业在总GDP的比重增长3%，在2050年达到55.7%。对于人口数据，研究假设人口增长率为每年-0.5%，和已有的调查数据相匹配。而国内和全球的能源价格则根据IEA的政策情景设置。基准情景的设置不会引入能源系统内实质性的改变（即延续现有的趋势而不添加新的政策），因此能源的需求完全由需求方决定。渐进的科技进步和已有设备的寿命也进行了考虑，新技术取代旧技术的成本随着时间而减小，能源利用效率随时间不断提高。

两个温室气体减排情景（政策情景）。除了现有政策和法律的落实，两个政策情景也考虑了更有约束力的气候减缓措施以及控制温升范围在2℃内的措施。

情景1（Scenario 1）主要与乌克兰保持温升范围1.5℃的自主贡献相一致（基于2030和2050两个时间框架）。

情景2（Scenario 2）则基于更低的减缓努力设置，与控制温升在2.0℃范围内相一致。考虑到乌克兰是一个发展中国家且情景1将会需要大量的投资，因此可以将情景2视为无条件的气候减缓目标，而情景1则是有条件的目标（取决于国际社会的支持）。

同时，两个情景都远比乌克兰最初提出的国家自主贡献目标更加激进（NDC），当时的目标是2030年控制温室气体排放量是1990年水平的60%，而本研究的基础情景即可实现温室气体排放是1990年水平的41%，乌克兰最近也在朝着一个更加高的要求修订NDC目标。

研究结果

由于乌克兰国内经济碳强度本身较高，因此基于基准情景的前提假设可以得到的乌克兰碳排放会在未来显著上升，到2050年大约会上升27%（相比于2010年的水平）（如图2所示）。碳排放的增长量主要来源于工业排放，来自产能与产热部门的排放则几乎没有发生变化。（2013年-2015年碳排放的下降主要原因是经济衰退和乌克兰与俄罗斯之间的国土争端。）

图2 基准情景下温室气体排放量预估变化情况 红色菱形表示模型得出的每年的GHG排放量

基准情景下，TPES在未来主要由化石能源决定。到2050年，煤在TPES中占的比重越41.5%，天然气为30.8%，核能15.6%。RES则会增长5.4%到达7.6%的比例，而其中太阳能和风能占据的比例不到37%，起主导作用的会是生物质能。（如图3所示）

图3 基准情景下TPES与各部分的预测情况

从生物质能的能源供应角度来看。在基准情景中，工业废弃物（Industrial waste-suldge）扮演了主要角色，将近60%。这里的工业废弃物是农业和工业废料的结合，包括如秸秆、林业废弃物、木材和纸产品废料等。这类废弃物只能被用于电力和热能的生产，要么通过直接燃烧要么用于生产煤球。木制品（Wood products）是第二大来源，占比从最初的40-50%下降到2040-2050年的16-18%左右。而生物质能的能源作物（Bioenergy crops）在2030年后开始占据更显著的份额，在2050年达到20%的比例。（如图4所示）

图4 基准情景下以生物质为基础的能源在TPES中的比例预测 其中，生物质能占TPES的比重数据位于右侧纵轴

从使用端分析，2050年前43%左右的生物质能都用在了产热部门，而商业部门使用了约35%，大量的生物质能被商业部门用于燃烧并产热，剩余的22%则在农业、工业和供给部门之间分配。基线情景下，居民和交通行业使用的生物质能几乎为0。

已有研究对乌克兰2050年的生物质能潜力预估结果约为42.1Mtoe（Million tons of oil equivalent，百万吨桶油当量），但基线情景的模拟结果只实现了其中的15%左右，不少能源的潜力没有得到充分的释放。如生物气（沼气）只有0.3%的经济潜力被开发了出来。因此，没有外部政策的约束（如碳价），可再生能源的份额目标只有很小一部分能够实现。

三种情景基于不同的假设对碳排放量的减排效果对比如图5所示，结果符合最开始的情景设定，情景1的减排效果能控制温升在1.5℃范围以内而情景2在2.0℃以内。相比之下，研究者在情景1中引入情景2的排放轨迹作为上边界并且设置了2050年时实现的特殊减排目标。并且研究者设定2030年起科技的效率提升和成本降低开始发生，因此两条线主要是从2035年后发生轨迹的偏离。

图5 三种情景以及IPCC的温控目标下的减排路径预测 所有排放量数据以2010年的水平为100%进行折算，本研究三个情景外的曲线来自于其他文献研究

为了探究生物质能在乌克兰气候减缓政策中真正能够发挥的作用，研究者还通过设置基线情景，情景1，情景2对不同技术的约束情况探讨了不同技术之间的关系。

首先，在现实情况中，结合具体情况分析可以看出现有的法规、市场、基础设施相关的障碍如何约束生物质能潜力的发挥，同时生物质能在未来还会面临新的挑战。因此构建下面的技术水平矩阵有助于我们分析实际的发展潜力。

其次，模型之前并没有引入对技术的额外支持，因此可以识别成本最小的解决方式，但这会导致最终的选择并非最优且生物质能占据的份额也不会如之前预测的那么大。

第三，生物质能的发展有可能和食品相关的农作物种植产生冲突，对食物需求（国内和进口方面）的不断提升会约束土地对于种植能源作物的利用，因此会约束生物质能的供应情况。

第四，生物质能本身会反向影响生物多样性、大气颗粒物浓度等环境参数，产生一系列的间接影响，考虑这些影响也会导致最终政策决定受到约束。

最后，社会对于生物质能的了解与信息获取不足，因此社会偏好于其他类型的可再生能源而非生物质能，这会导致生物质能的社会支持不足。

综合上述的约束条件，理解约束生物质能可获得性的经济成本至关重要，识别生物质能的关键技术手段也是很重要的。

表1 根据技术水平分解的生物质能情景矩阵

从对不同情景下的成本预估结果（如图6所示）可以看出。情景1下，总系统成本（Total system costs，TSC）大约会比基准情景高1.8%，情景2则为0.9%。由于约束了生物质能的供应，TSC在情景1下几乎翻倍而在情景2下几乎变为原来的3倍。

两种政策情景下，生物气（沼气）并没有发挥显著的效果，而生物废弃物的作用随着减缓目标的提高反而下降了。

图6 生物质能约束的影响和总系统成本预估 蓝色柱表示没有约束条件下的系统总成本，后面的橙色、红色、黄色和绿色柱则表示某一类型的生物质能在基线情景下被约束后带来的成本增加，最右侧的淡红色柱表示所有类型生物质能被约束的实际成本值

启示与思考

这篇文献以乌克兰的2050年气候减缓政策作为切入点，并且重点聚焦于生物质能发挥的作用，因为乌克兰和中国有不少相似之处，它是欧洲碳强度较高的国家，产业结构也以大量高碳排放的工业为主，未来也有可能会依靠生物质能实现减排目标。因此本研究能够有效为我国碳中和的发展路径提供更清晰的参考与认知。

这篇研究最值得学习的地方在于它对于模型欠缺性的认识以及进行优化的尝试与努力。两个政策情景本身是忽略了现实情况中的很多约束条件的（技术水平、生物质能的环境影响、社会认知、投资与市场等等）。引入这些约束后，与低碳有关的政策实施的成本往往都会有较大的提升。

因此要想真正实现政策评估的有效与合理，研究者不能仅仅停留在模型数据的呈现与分析上，还需要不断结合实际情况思考欠缺的条件，最终实现预测的优化、完整与可靠。

编辑&排版：房晨

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