文献阅读 | 概率框架下评估中国面向碳中和的能源转型路径

题目

Assessing the energy transition in China towards carbon neutrality with a probabilistic framework

作者

Shu Zhang & Wenying Chen *

期刊

Nature Communications

时间

2022年1月

一作

单位

Institute of Energy, Environment and Economy, Tsinghua University, 100084, Beijing, PR China

链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27671-0

研究导读

      碳中和目标下，中国的能源系统需要进行深刻的变革。考虑到中国能源系统转型路径中的不确定因素，文章将蒙特卡洛模拟与自下而上的能源-环境-经济模型相结合，分析了3000个具有不同碳达峰时间、技术演进路径和累积碳预算的情景。研究结果表明，如果碳排放在2025年达到峰值，那么实现碳中和目标要求45-62%的电气化率，47-78%的新能源占比（一次能源），5.2-7.9 TW的风光装机，1.5-2.7 PWh的储能利用，64-1649 MtCO2的负排放，并在2050年协同减少约80%的空气污染物。排放峰值时间和累积碳预算对实现碳中和路径、技术选择和过渡经济成本有重大影响。尽早达峰可以减少福利损失，防止过度依赖碳移除技术。综合来看要实现碳中和，迫切需要技术突破、生产和消费模式的改变以及政策加强引导。

研究方法

研究将蒙特卡洛模拟（MCA）与广泛用于能源规划和气候变化减缓研究的China-TIMES模型相结合并进行了改进（图 1），从而进行大规模的不确定性分析。研究设置了一个确定的参考情景（NDC）和三组不确定的减缓情景（PEAK20, PEAK25, and PEAK30) ，每组有1000个独立案例。减缓情景的设置参考了中国在2020年前发布的自主贡献承诺和气候相关政策。三组减排情景都以碳中和目标为导向，代表了不同的排放达峰时间与碳中和减排轨迹。

图1. 研究框架图

该图显示了China-TIMES-MCA模型的相关信息。青色部分是不确定情况下的能源电力优化。蓝色部分显示了从统计数据和文献中获得的中间案例的参数。棕色部分说明了研究的情景设计。紫色部分是考虑到价格弹性的终端需求。红色部分是十四个输入参数和相应的概率分布。绿色部分是模型的结果，与本文的主要结论相呼应。在此图中，w/CCS表示该技术配备了碳捕集与封存，而w/o CCS表示未安装碳捕集设备。

研究结果

碳减排路径

       图2展示了不同达峰时间和累积排放的差异导致的碳减排路径变化。研究表明更早达峰时间和更低的峰值可以缓解平台期的过渡压力，但也给近期气候变化行动带来了巨大挑战。对于2025年碳排放峰值为10.3Gt的路径，预计在2025-2030年将减排18%（在13-23%的范围内），并且将在2050年实现接近零排放（-0.9至2.7GtCO2）。

图2. 不同情景下累积碳预算范围内用能部门减排路径

       为进一步分析重点部门的减排动态过程，研究也分别对电力、工业、交通以及建筑部门的减排路径展开了评估。对于电力部门来说，尽管达峰值时间在不同情景下有很大差异，但碳排放在2040-2045年都会成为负值，这也表明了尽早实现电力部门脱碳的必要性。随着替代产品的开发、碳捕获和封存（CCS）技术的普及以及对能源密集型产品需求的下降，2050年工业部门碳排放将下降到0.3-1.7Gt并且工业过程碳排放占比相比于2019年大幅下降。研究同样指出相对于交通部门，建筑部门应当尽早开展减排行动，但交通部门的减排过程更需要长期充分的关注。

能源供应侧脱碳

所有结果一致反映了中国能源系统转型是通过降低化石燃料消耗，大幅增加新能源等清洁可再生能源的使用来实现（图 3）。以2025年达峰情景为例，一次能源和煤炭消费均在 2025 年达到峰值，然后迅速下降。可再生能源在一次能源供应中的占比从 2020 年的 10% 上升到 2035 年的近 28%（范围 22-34%），然后在 2050 年进一步上升到 59%（范围 47-78%），其中光伏和风电发挥着不可替代的作用。

图3. 不同情景的电力装机容量（单位：TW）、发电量（单位：PWh）、一次能源组合（单位：EJ）和终端能源组合（单位：EJ）

       除了风能和太阳能之外，研究发现核能和 CCS 技术也可以为实现零碳能源系统提供有效的支持。为更好地了解上述技术本身或外部不确定性对其发展的影响，研究设计了精细的蒙特卡罗模拟。图4显示了技术的发展趋势和不确定的影响因素，图5显示了不同时期的概率分布。

图4. 各类技术发展的不确定性分析

图5. 不同时期的技术概率密度分布

     根据上述分析，研究得出如下结论：首先，与 NDC 情景相比，可再生能源在三个减缓情景中发展最快；其次，2030 年后，未加装CCS 的煤电将加速减少，BECCS 将在 2035 年后逐渐普及，到本世纪中叶占据重要地位；第三，未来配套储能与CCS技术的火电由于能够提供电力系统稳定性和可靠性将受到越来越多的关注；最后，除了由于选址限制而潜力有限的核电之外，所有其他技术发展都受到气候行动承诺的极大影响。

能源需求脱碳

       虽然能源供应侧的低碳转型更为紧迫，但需求侧的转型潜力也不容小觑。文章认为生产方式和消费方式转变、技术效率提升（图4）和清洁燃料替代是需求侧脱碳的三大关键措施。生产方式主要影响工业部门的能源服务需求，而消费模式或消费者行为则主要影响建筑和交通部门的能源服务需求，能源服务需求的下降反映了生产方式的转变和消费方式的变化（图 6）。

图6. 气候变化减缓措施对不同情景下生产者和消费者行为的影响

       电力和氢气通常被看作能源需求替代的重要资源，并且电能替代是所有需求部门脱碳的主要方式。在2025达峰情景下，电气化率在2050年达到55%（范围 45-62%），其中电动汽车在道路客运中的贡献最大（从 2% 到 2050 年的 93%）、电采暖（从17% 到 2050 年的 85%）和电炉钢产量（从11% 到 2050 年的 60%）。当前与未来之间的巨大差距表明，未来应加速和加强电气化。除此之外，图 7也展示了文章对氢能的不确定性分析。研究发现，可再生能源制绿氢是主流的氢气来源，并且除非电解氢生产成本下降幅度超过预期（到 2050 年比现在低 70%），否则氢能将主要在交通部门这种缺乏低成本减碳选择的部门大规模应用。

图7. 氢能发展不确定性分析

过渡成本和协同效益

 能源转型将产生巨大的投资和技术创新需求，一定程度推动经济增长的同时也会带来经济负担和社会福利损失。文章研究表明，2020-2050年能源供应领域需要4.9-7.8万亿美元的投资，比 NDC 情景至少增加 65%（图 8）。如果中国的排放量在2025年达到峰值，2020-2030 年的投资将增加43%（ 相对于30年达峰），但可以避免新投资五倍以上的福利损失（图6g )。综合来看结合投资和福利损失的结果，研究发现较早的峰值有助于实现完全的能源转型并减轻转型负担。

图8. 能源供应侧的年度投资

并且研究发现，能源转型在减碳的同时出现了明显的的空气污染物协同减排效应。即使没有进一步的空气污染物控制措施，能源转型也能明显降低SO2、NOX以及PM2.5等污染物的排放水平。到 2050 年，几乎所有情景的空气污染物排放量可以下降到当前值的五分之一（图 9）。

图9. 碳减排带来的空气污染物协同控制效应（单位：百万吨）

研究结论

碳达峰时间、技术发展和累积碳预算的重大不确定性导致中国实现碳中和的途径有多种。在我们的研究中，获得了关于排放路径、能源转型、消费者行为转变、转型成本和协同效益的可靠结论，供决策者部署国家减排战略。目前，超过130个国家已经宣布了碳中和目标，这是一个重大的进步。然而，应该更加关注近期的实际行动、实现碳中和的具体减排路径以及国家剩余的累计碳预算需求。

编辑：朱衍磊

排版：朱衍磊

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