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文献阅读 | 碳定价情景对巴西NDC实施的能源政策影响

张馨月 能源环境经济与政策研究 2022-05-18

题目

Energy policy implications of carbon pricing scenarios for the Brazilian NDC implementation

作者

CarolinaGrottera, Giovanna FerrazzoNaspolini, Emilio LèbreLa Rovere, Daniel NevesSchmitz Gonçalves, Tainan de FariasNogueira, OttoHebeda, Carolina Burle SchmidtDubeux, George VasconcelosGoes, Marcelo Melo RamalhoMoreira, GabrielaMota da Cruz, Claudio Joaquim Martagão Gesteira, Claudio Joaquim MartagãoGesteira, WilliamWills, Gabriel MaltaCastro, Márcio de AlmeidaD'Agosto, GaëlleLe Treut, Sergio Henrique Ferreirada Cunha, JulienLefèvre

期刊

Energy Policy

时间

2022年1月(In progress)

一作

单位

Center for Integrated Studies on Climate Change and Environment, Energy Planning Programme, Institute for Postgraduate Studies and Research in Engineering, Federal University of Rio de Janeiro (CentroClima/PPE/COPPE/UFRJ) - Rio de Janeiro, Brazil

链接

https://doi.org/10.1016/j.enpol.2021.112664



研究背景

巴西的能源结构碳强度相当低,这要归功于巴西83%的能源来自于可再生能源(64%来自水力发电)和大量使用的生物燃料。煤炭是碳密度最大的化石燃料,仅占巴西总一次能源供应量的5%;天然气占12%,石油占34%。相比之下,每年的高森林退化率是巴西减少温室气体排放的主要挑战。如果巴西要像《巴黎协定》中所预述的那样,将温度升幅限制在比工业化前水平高出2摄氏度以内,那么减少土地使用排放至关重要。研究巴西缓解方案的文献往往主张要关注优化土地利用和农业部门的举措。

       2015年,巴西向《联合国气候变化框架公约》缔约方大会(COP21)提交了国家自主贡献计划。最近,在美国总统于2021年组织的气候领导人峰会上,巴西政府宣布该国承诺在2050年实现气候中立。巴西的温室气体排放在2025年限制在1.3亿吨二氧化碳当量,在2030年限制在1.2亿吨二氧化碳当量,与2005年(2.1亿吨二氧化碳当量)相比分别减少37%和43%。

       在巴西,能源转型部门包括石油和天然气的开采、石油炼制、生物燃料生产、发电和焦炭生产。过去十年,石油产品、生物燃料和电力消费稳步增长,以满足运输和服务部门的需求。近年来,由于盐下石油的开采,一次能源不断增加。可再生能源供应也有所增加,包括用于运输的生物燃料和风能和太阳能等间歇性发电资源的扩大。2017年,巴西的最终能耗分布如下:交通运输32.7%、工业31.7%、建筑14.8%、能量转换11.2%、农业4.1%,以及剩余的非能源最终消耗5%。

本研究的主要目的是评估巴西能源系统在有和没有排放定价机制的不同情况下实现NDC目标的三个温室气体排放路径上的发展情况。Reference scenario (REF)在没有碳定价的情况下实现了NDC目标,其缓解措施主要是由命令和控制 (command-and-control) 手段引起的;Emission Pricing Scenario (EPS)Sensitive Fuel Exemption Scenario (SFE)考虑了不同的碳定价方案。

       作者制定了一个框架,就巴西发展战略及NDC目标开展了概念性的试验。通过综合建模方法,结合几个代表巴西的能源需求和供应、自下而上的模型,以及宏观经济框架,来对一下目标进行研究:1)不同的碳定价计划如何适合巴西国家发展指标中所包含的气候缓解战略,以及这些计划对能源的影响是什么?2)这些缓解途径的主要特点是什么?它们对能源规划有什么启示?




研究方法

1. 情景分析

       本研究中,情景假设的定义是通过巴西气候变化论坛的利益相关方参与的过程进行的。该情景分析的方案构建团队(Scenario Building Team, SBT)由来自政府、私营部门、学术界和民间社会的专家组成,讨论并验证了有关市场趋势、公共政策绩效和社会转型的假设,并进行了批判性评估,以概述巴西经济可能的发展路径。在这一过程中,量化地计算了巴西国家自主贡献目标所需的24个备选方案,然后从中选定了三种:


(1)Reference Scenario (REF):在REF中,SBT概述的缓解措施是通过联邦政府实施的指挥和控制措施来实现的,没有有效的碳定价方案。在土地使用变化以及农业、工业、运输和能源供应部门开展了缓解努力。创建这个场景是为了将其结果与不同的碳定价方案所获得的结果进行比较。在这种情景下,政府积极减少排放,森林砍伐率设定为在2025年达到1.37万平方公里/年,在2030年达到1.26万平方公里/年;这一条件在所有情景下均相同。(2)Emissions Pricing Scenario (EPS):是基本的排放定价方案,在这种方案中,通过实施碳定价方案来实现NDC。气候政策在财政上是中立的,利用碳收入来降低劳动力税。虽然森林砍伐造成的排放超出了碳定价机制的范围,但EPS的一个基本假设是,引入碳定价之后所构建的市场结构为本地植被恢复的补偿交易创造了必要的条件;这一点在REF中没有得到实现。据估计,在2021-2025年和2026-2030年期间,这种补偿的供应平均价格分别为6.3 US$/tCO2e和8.4US$/tCO2e。据估计,在同一时期,减排潜力分别为61 MtCO2e和122 MtCO2e.(3)Sensitive Fuels Exemption Scenario (SFE):通过免除汽油、柴油和液化石油气(LPG)的碳税,修改碳定价方案的范围。征收这些燃料的高额政治成本可能会危及碳定价的可行性。该方案旨在确定当使用敏感的燃料豁免计划时,其他排放部门所需要做出的努力和系统的整体效率。与EPS一样,经济部门可以从原生植被恢复中购买碳补偿。

图1(三种情景下的NDC目标及排放定价机制的外生假设)


2. 能源需求假设

本研究中的能源需求预测是通过结合部门的自下而上模型进行的。这些模型具有相同的性质,因为它们需要类似的数据输入,例如人口和宏观经济(GDP or sectoral GDP)数据,以及能源强度,以提供可比的产出。(1)Transport:Transport-Energy-Emissions Multi-Tier Analysis (TEMA)模型计算了巴西运输部门的能源使用情景。Energy-climate情景是通过模拟最能代表多年来社会变化的气候政策、市场趋势和用户行为的应用来设计的。在这个过程中,宏观经济投入被用作代理变量,以预测运输活动以及由此产生的能源使用和碳排放。GDP是决定货物运输活动(t-km)的变量,人均GDP是用来预测旅客运输活动(pass-km)的变量。TEMA考虑了道路运输领域的31项技术,将汽车类别(如轿车、公共汽车、卡车)和动力系统(如内燃机、内燃机、电池动力电动汽车等)结合起来。铁路、空气、水和管道运输方式在技术层面没有明确规定,但考虑了活动、结构和强度水平以及燃料使用。(2)Industry:在这部分的分析中,将巴西工业部门细分为11个(钢铁、水泥、化工、有色金属、纸浆和造纸、食品和饮料、纺织、采矿、陶瓷、其他工业)。考虑活动、结构和强度水平以及燃料使用,以得出能源需求和温室气体排放。根据宏观经济趋势,包括进口国的需求和国际竞争,工业部门的估计增长有所不同。工业部门的缓解办法包括:能源效率;增加使用可再生燃料(或用天然气取代碳含量较高的燃料);低碳工艺路线的研究与部署,等。钢铁行业能源效率的重点是降低钢铁生产主要工序的消耗,或用种植森林的木炭替代炼焦煤;水泥行业的缓解措施包括减少原材料制备、熟料生产和水泥粉碎方面的消费,以及减少水泥成分中的熟料数量。(3)Energy demand of buildings, agriculture and other sectors:考虑到历史趋势和不同的驱动因素,本文对其他行业的能源需求也进行了估计。在住宅部门,能源需求响应人口增长和人均收入,而在服务和农业部门响应GDP增长。对这些部门没有假设采取缓解措施,因为预计不会有重大的技术变化。


3.  能源供给分析

(1)Power sector and oil refining:本文使用的MATRIZ是一个适用于中长期能源系统规划的、自下而上的线性规划模型,其目标函数将评估范围内的能源供应的投资和系统运行总成本的现值降至最低。能量链由primary, secondary, final, and useful的能级连接来表示。不同技术的组合代表了能源转换和资源提取。为了考虑电力部门的复杂性,本文考虑了四个运行子系统。每个分析周期被细分为四个季节,每个季节包含两个能源需求水平(高峰和非高峰)。这种分类对能源安全至关重要,因为它确保系统满足季节性和时令需求。MATRIZ模型还计算了温室气体的内生排放量。预测的主要情景假设如下表所示:表1 情景假设
(2)Biofuels and biomass:最终作者决定使用巴西土地利用模型(BLUM)估计乙醇和生物柴油的生产水平。BLUM是单一国家、局部、多部门和多区域的平衡模型,它通过两个模块代表了巴西的农业部门:supply-demand and land use。在土地使用方面,这些商品大致分为农业用地和牧场,而商业森林则被认为是外生因素;这些生产活动占地约为巴西农业总面积的95%。BLUM使用一个简单的方程来估计生物柴油的生产水平,使用汽车燃料的总能源需求(由TEMA模型估计)来估计乙醇生产水平作为起点。然后,它结合方程式和数据库给出:车队总数(如使用混合燃料的机动车数量);用户行为(特别是根据相对价格消费含水乙醇或汽油的行为;由供应商购买价格所决定的生物燃料的供应水平。


4. Integrated modelling framework

       模拟温室气体排放路径的最后一步是确保整个能源和经济系统的一致性,即NDC情景下的能源需求、供应和减排投资要求。本文使用的IMACLIM-BR模型是一种混合的多部门可计算一般均衡模型(CGE),用于协调开放经济与能源系统。模型结构如下:

图2 模型结构


研究发现


1.       Sectoral results

(1)Transport:REF情景下,2030年的温室气体排放量最低(144 Mt CO2e),比2015年水平低29%。这一结果源于生物燃料的大量使用。因此,这种情况代表了运输部门可再生能源的最大份额将在2030年达到40%,而2015年为21%。SFE情景下2030年可再生能源的份额较低,生物柴油和含水乙醇的消费量比REF情景下低29%。

       只有REF方案考虑了生物煤油,但仅限于国际航空碳补偿和减少计划(CORSIA)初始阶段的最低要求,因为生产成本高,在短期和中期无法获得竞争力;但可以在2030年后的情景中发挥关键作用。

       到2030年,从内燃机(ICE)转向混合动力和电动轻型汽车的经济可行性仍然很低。在REF情景下,到2030年,将有250万辆汽车和摩托车、4.5万辆公共汽车、14.6万辆卡车和轻型商用车是电动的。这一数字低于2030年国际能源机构(IEA)的预期。在EPS和SFE情景中,从2026年起,电动和混合动力轻型汽车仅限于城市地区和共乘服务的公共汽车和卡车。

       总而言之,截至2030年的研究结果指出,以生物燃料为基础的能源转型路径是交通部门减少温室气体排放的关键驱动因素。不过,从长远来看,电动汽车的普及在巴西将更加重要

(2)Industry:在REF中,政府对工业部门有减排要求,导致工业能源强度显著降低。与运输行业不同的是,2015年至2030年,能源总需求增加,但增幅只有4.7%。由于工业部门的柴油和汽油消费可以忽略不计(约占总能源使用的1%),SFE情景中的设定对这些燃料的免税影响很小。因此,EPS和SFE情景结果几乎相同,与2015年相比,2030年能源需求增加13%。

       可再生能源在工业能源需求中所占份额在不同情景下没有显著差异。到2030年,尽管在EPS和SFE情景中可再生能源份额较低(19.7%),而REF中可再生能源在总能源使用中的比例更高(21.8%);其中,钢铁部门在总能源需求中的参与度更高(EPS和SFE为21%,REF为19%)。食品和饮料则是能源消耗最大的工业部门,其能源强度在REF中减少了19%。钢铁是第二大部门,其能源强度减少了8%。与其他部门相比,这一较小的降幅是由于在生产过程中木炭的份额增加(从2015年的10%到2030年的13%)。

       总体而言,EPS和SFE情景下的能源强度相比REF略有降低。在钢铁行业,能源强度甚至略有增加。这是由于在EPS和SFE情景下增加使用木炭,而没有实施成本更高的能源效率和热回收措施。

(3)Power generation and oil products supply:对于整个国家来说,在REF情景下,能源需求是最低的。由于交通行业从内燃机汽车转向混合动力和电动汽车,电气化水平也有所提高。然而,在EPS和SFE情景中,REF中在工业、运输和电力供应部门采用的雄心勃勃、但成本高昂的减排措施将被土地利用和农业方面的强化气候行动所抵消一部分效果。可再生能源在SFE情景中的份额表明,对敏感燃料缺乏碳定价可能会推迟可再生能源在能源结构中的更高渗透。SFE情景下的能源供应排放高于EPS情景,这是由于对化石燃料的需求、炼油厂的能源强度以及温室气体排放的增加。在发电方面,不同情景下的结果非常相似,主要是因为现有系统已经高度依赖可再生能源,其中水电占很大比例,风能和太阳能的比例也在增加。此外,电力行业在中短期内几乎没有显著变化的余地。 在这三种情景下,巴西都能够实现2030年的目标,巴西在履行其能源供应部门的NDC承诺方面进展良好。与世界平均水平相比,能源供应产生的温室气体排放量非常低


2.       Economic and environmental results

图3 情景预测下的全国总温室气体排放量(根据能源/非能源进行划分)


       由上图可见,巴西非能源温室气体排放占主导地位,主要来自亚马逊和大草原(“塞拉多”)的森林砍伐以及农业(约2.1亿头牛的甲烷排放)。尽管如此,化石燃料消耗在总排放中所占的份额在各个情景中稳步增长,从2015年的29%上升到2030年的31% (REF)和36% (SFE)之间,这主要是由经济活动增加引起的运输和工业的能源需求增长。

       采用碳定价方案,将工业中的限额和交易制度与对其他部门使用的化石燃料征收的碳税结合起来,可以以低廉的成本(2025年每吨二氧化碳排放最高6.3美元;2030年最高8.4美元)获取很大的发展潜力。因此,EPS和SFE情景下的总投资需求明显低于REF的一半,这一结果证实了碳定价和市场机制的有效性。当其他部门有其他的备选办法时,碳定价和市场机制可以提供更大的灵活性并降低成本,以实现相同的缓解目标,而不仅仅是命令和控制(command-and-control)政策工具。



研究结论

 本文试图探索碳定价在多大程度上可以提高实现巴西国家自主贡献(NDC)的有效性。本文的分析结果显示了在成本可控的范围内完成短期气候承诺的巨大潜力,同时需要巴西的农业部门和土地利用抓住机会。不过,与收入水平和发展目标相似的国家相比,巴西能源结构脱碳的机会更少,因为水电和生物燃料已经在巴西发挥了重要作用。即使在严格的承诺下,巴西也完全有能力实现其到2030年的NDC目标,这得益于巴西的能源结构和AFOLU部门的抵消潜力。采用碳定价机制可以更好地实现这一目标。从更长远的角度来看,到本世纪末,鉴于现有的剩余补偿成本更高,巴西将需要在其他部门实施新的低碳选择(例如电动汽车、新电池和电动存储技术、制造中间产品和材料的新工业工艺等),以确保其发展战略在气候中性约束下的可持续性。能源、气候和经济政策之间的冲突可能会出现,尤其是将目光放在短期收益的时候。尽可能追求成本最低的在短期内减排措施可以帮助确保国家发展;但从长期来看可能对发展有害。只有将短期和长期规划工作结合起来,才能最大限度地发挥协同作用,实现发展和气候目标。


编辑&排版:张馨月

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