LEEEP IPCC AR6特辑 (9) | 全球1.5度目标下的中国排放情景分析

题目

Emission scenario analysis for China under the global 1.5 °C target

作者

Kejun Jiang, Chenmin He, Hancheng Dai, Jia Liu & Xiangyang Xu

期刊

Carbon Management

时间

2018年9月

一作

单位

Energy Research Institute National Development and Reform Commission, Beijing, China

链接

https://doi.org/10.1080/17583004.2018.1477835

前言

在联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的组织领导下，来自世界各地的顶尖学者定期评估气候变化前沿研究成果，为各国决策者和公众提供有关气候变化的最新科学认知与解决方案。IPCC评估报告对指引全球未来经济社会发展路径和应对气候变化对策起到导向作用，已分别于1990、1995、2001、2007和2014年发布了五次评估报告。2022年4月初，IPCC发布了第六次评估报告第三工作组报告《气候变化2022：减缓气候变化》(IPCC AR6 WGIII)，重点聚焦面向本世纪1.5~2度温控目标的温室气体深度减排技术措施评估和政策建议。

北京大学能源环境经济与政策课题组（LEEEP）相关研究注重识别绿色低碳转型的前沿关键科学与政策管理问题，受到国内外同行的密切关注和高度认可。在本次发布的IPCC AR6系列报告中，LEEEP课题组基于自主研发的IMED等综合评估模型所发表的15篇研究论文被多个关键章节正面引用20余次。相关论文涉及绿色低碳转型和政策减排效果、经济代价和协同效益评估等重要议题。研究成果支撑了IPCC AR6多个关键内容，引用章节贯穿了第一工作组、第三工作组报告的11个关键章节，如聚焦社会经济系统全局性分析的第二章（排放趋势与驱动因素）、第三章（长期减缓路径）、第四章（近中期减缓与发展路径）、第五章（减缓的社会服务需求），以及侧重关键高能耗部门的第六章（能源系统）、第十章（交通部门）及第十一章（工业部门）。相关推送详细报道如下：

本系列推送将陆续推出“LEEEP研究之IPCC AR6特辑”，向读者简要介绍被AR6正面引用的相关论文研究内容和主要结论。同时，在浩瀚无边的数据代码和汗牛充栋的文献之外，也顺便回顾一下笔者入行IAMs学界这十三年以来，通过合作近距离遇到的世界各地的奇人逸事，这也算是Free Style从事学术工作的乐趣所在。

欢迎有志于利用复杂系统模型分析手段为全人类寻找实现“双碳”目标解决方案的同学们加入LEEEP，也请各位同行推荐合适的小伙伴加入LEEEP、成为LEEEPer！对你的期望是数理基础强、文字功底好，可以攻读研究生，也可以开展博士后研究。关于IMED模型架构、LEEEP研究进展及团队介绍、研究生及博士后招聘等信息可阅读在线文档：

《IMED模型体系简介》：

https://www.jianguoyun.com/p/DVrcIwsQlL7CBhjE13M

研究背后

本文基于IPAC模型研究超越2℃目标路径的关键选项，对中国在全球1.5℃路径和预算下的情况进行了分析，被WGIII第二章（排放趋势与驱动因素）、第四章（近中期减缓与发展路径）引用2次。一作是发改委能源研究所姜克隽老师，姜老师是国内从事综合评估模型工作的第一批学者之一，蜚声国内外的IAMs模型界大佬。姜老师观点非常有前瞻性，每次听完会觉得双碳目标更有希望了，不信的话请看本文，听姜老师分析中国如何实现1.5度目标。

编者按

本文基于IPAC模型研究超越2℃目标路径的关键选项，对中国在全球1.5℃路径和预算下的情况进行了分析，被WGIII，第二章（排放趋势与驱动因素）、第四章（近中期减缓与发展路径）引用2次。一作是发改委能源研究所姜克隽老师，姜老师是国内从事综合评估模型工作的第一批学者之一，蜚声国内外的IAMs模型界大佬，也是我博士同一个研究室毕业的亲师兄。姜老师观点非常有前瞻性，每次听完会觉得双碳目标更有希望了，不信的话请看本文，听姜老师分析中国如何实现1.5度目标。

研究背景

在《巴黎协定》中设定了温升控制在远低于 2°C 以内的目标， 协议中还出现了一个更加严格的 1.5°C 目标。然而，关于1.5°C目标的排放途径的研究还很缺乏，很难让人相信这个目标是合理的。为了解决这个目标是否可以实现的问题，根据UNFCCC的要求，IPCC启动了编写1.5C目标特别报告的程序，该报告计划在2018年之前发表。最近，一些研究提出了1.5摄氏度目标的全球排放路径的建模结果；这些结果表明，全球排放将在2050年和2060年之间归零，之后将开始出现负排放。本文的目的是研究中国1.5摄氏度目标的可能排放情况，确定创建这种路径的可行性，并确定过渡的关键选项。

本文的目的是研究中国1.5摄氏度目标的可能排放情况，然后确定创建这种途径的可行性，并确定过渡的关键选项。

研究方法

方法框架

本研究是基于先前对中国 2°C 排放情景的分析进行。IPAC-AIM/技术模型（中国-亚太一体化模型/技术综合能源与环境政策评估模型）是IPAC的一个子模型，用于排放情景分析。

碳预算是根据 ADVANCE（用于改进缓解政策的成本和影响分析的高级模型开发和验证，参见 http://www.fp7-advance.eu/ ）和 CD-LINKS（将气候与发展政策联系起来——利用国际网络和知识共享，参见 http://www.cd-links.org/ ) 项目的全球模型分析选择的。由于2050年和2060年之间将出现零排放，这里将不对中国适用负担分担方法，本研究只是假设中国将采取与全球类似的排放途径。

与中国 2 °C 排放情景分析不同，1.5°C情景分析将主要关注以下因素：在交通、建筑和工业等终端使用部门的用电比例大大增加，在2050年或之前实现发电部门的零排放或负排放。本研究将分析能源和工业过程中的二氧化碳排放量。

模型

1992年，能源研究所的IPAC模型组开始建立模型。经过20多年的研发，目前的IPAC已经成为一个综合的政策评估模型，有多种模型方法（http：==www. ipac-model.org）。目前使用的模型和方法在IPAC组中有一定的体现，如可计算的一般均衡模型、动态经济模型、部分均衡模型、详细描述的基于线性规划技术的最小成本优化模型，以及行业模拟模型。图1展示了IPAC模型的框架。考虑到能源研究所作为国家发展和改革委员会的研究机构，IPAC模型已被广泛应用于中国的能源和气候变化的政策评估。IPAC的研究成果已被用于中国 "十五"、"十一五 "和 "十二五 "的相关规划研究，同时也为一些省市的能源规划和政策提供了支持。本研究将依托IPAC模型提供的长期模型数据和情景研究，对未来一些主要技术，特别是低碳技术投资需求方面的问题进行定量分析。

IPAC模型的框架。注：IPAC：中国能源与环境政策综合评估模型；SGM：第二代模型；AIM：亚洲太平洋综合模型；TIMER：IMage能源区域模型；SE：短期能源预测；EAlarm：早期警报；GAINS：温室气体-空气污染的相互作用和协同作用。

IPAC-AIM技术模型是IPAC模型的一个主要组成部分，其目的是通过对能源服务和技术的详细描述来模拟能源消费过程，以不同的能源效率、成本和排放因素提供这些服务。IPAC-AIM技术模型是基于线性编程的最小成本优化模型，通过使用它，政策制定者更容易理解模型模拟的结果与根据不同政策选择技术的结果。

在IPAC-AIM技术模型中，技术参数包括服务产出量、各类型的能源使用、其他非能源投入、技术固定投资和技术污染物排放系数。技术固定投资按年份给出，包括技术学习曲线和未来技术成本的描述。

该模型涵盖了55个部门的700多项技术，其中选择了150多种低碳和节能领域的重要技术作为本次分析的重点。在计算一次能源时，这里采用了包括水电、风电和太阳能在内的可再生能源100%的效率值，以及核电和生物质能33%的效率值。

情景

本研究只考虑一种情景，即1.5°C情景。制作这个情景的方法是以2°C情景为基础，研究进一步减少二氧化碳排放的所有方案，并分析实施这些方案的可行性。2 °C情景分析了中国通过加强能源效率的提高，以及包括可再生能源、核电和带有CCS的化石燃料发电在内的低碳电力技术，来减少二氧化碳排放以达到2 C目标下的碳预算的可行性和路线图。在此，1.5° C方案的可行性将根据表1中概述的关键技术的实施情况进行建模分析。其基本思想是使发电成为低排放或负排放，与此同时，在终端使用部门将采用更多的电力使用。由于在2°C情景中已经充分考虑能源效率，在1.5°C情景中没有对进一步的能源效率选择进行额外的分析。然而即使考虑到发电效率，终端使用部门的电气化也会产生能源效率效应，例如运输部门的电动汽车。

表1. 1.5°C情景可行性分析中的关键技术。

关键情景参数

本节介绍了1.5°C情景下建模分析的关键参数。其他参数在以前的出版物中有所记载，人口和城市化数值与以前的研究相同，表2列出了人口情景。

表2. 中国能源与环境政策综合评估模型（IPAC）中的人口情景。

这里使用的国内生产总值（GDP）增长是根据以前的IPAC研究和中国最近的发展趋势修订的。GDP增长和结构变化是根据IPAC-SGM（第二代模型）模型计算的，该模型是一个可计算的一般均衡（CGE）模型。图2是IPAC模型中的GDP假设，图3是第二产业的结构变化。

图2. 中国能源与环境政策综合评估模型中的中国国内生产总值（以2010年美元为不变价格）。

图3. 中国能源与环境政策综合评估模型中的中国第二产业的结构变化。

由于需求的变化，能源密集型产业的GDP份额（图3中的中间部分）将减少。中国的GDP将在2020年到2030年之间超过美国；如此巨大的GDP不可能依靠现有的经济模式，而现有的经济模式主要是由重工业发展和原材料生产所推动。图3显示，未来的GDP增长将主要来自第三产业，以及非能源密集型产业，如电子产品制造、轻工业制造等。根据自下而上的物理单位投入-产出（I-O）表对这些能源密集型产品的需求分析，可以发现许多能源密集型产品将在2020年之前达到峰值，假设未来能源密集型产品的出口不会有太大的增长，此时它已经成为全球产出的主要部分。表3列出了涵盖主要能源密集型部门产品的产品产量。投入-产出（I-O）表已经考虑到了未来的基础设施和消费发展。同时，中国许多消费品的产量已经超过了全球产量的一半（见表4），未来没有太大的增长空间。能源密集型产业的GDP增加值份额将从2010年的11%下降到2050年的6%以下。

表3. 中国能源与环境政策综合评估模型中的能源密集型产品产出情景.

表4. 2015年中国部分产品产出的全球份额

在中国，能源密集型产品消耗了近50%的能源，所以如果能源密集型产品的生产没有明显增加，增长速度远低于GDP，这些能源密集型产品的能源使用也将受到限制。这将对单位GDP的能源强度下降做出很大的贡献，进而对二氧化碳强度做出贡献。

表5列出了中国城市家庭的关键参数。这些数据是根据人口增长、家庭规模、个人收入给出的。到2030年，由于高收入，中国城市家庭在电子电器、空间加热、空间冷却等方面的生活质量将与发达国家相似，对发达国家家庭的数据进行了分析和比较。表5中的数据显示了中国经济发达时的预期生活质量。

表5. 中国能源与环境政策综合评估模型中的城市家庭参数。

研究发现

碳预算

一些研究已经报告了1.5°C目标的全球碳预算。根据IPCC AR5综合报告，在1.5°C目标下，从2011年起，66%的模拟达标部分的碳预算为400 Gt CO2，50%的部分为550至600 Gt CO2，33%为600至1150 Gt CO2。本研究使用400Gt作为全球碳预算。然而，400Gt是一个净碳预算，排放量也将取决于2100年之前会有多少负排放。

中国的碳预算是基于1.5°C目标的全球碳预算而给出的。在全球超标的情况下，中国的碳预算也可能有很大不同。本文参考了ADVANCE和CD-LINKS的结果，它们显示中国的碳预算在达到零排放之前的范围是190到235Gt。区域碳预算是根据全球模型的结果计算出来的，其中有一个努力分担的制度——也就是说，各区域之间有相同的碳定价。本研究将主要探讨中国实现这种碳预算的可能途径。本文承认中国实施碳预算范围的下限有困难，因此，本研究主要分析中国进入碳预算范围的上限的可行性，例如在零排放前的230Gt内。

能源和排放情景

能源和排放情景的分析是基于以前对中国2C情景的研究。

由于在2°C情景下已经有了高度密集的能源效率政策，1.5°C情景下的一次能源需求总量与2°C情景下没有太大区别。从现在开始，中国的能源需求与过去15年相比将增长得更慢。经济结构的变化是其背后的主要驱动力。在过去20多年里，这些能源密集型产品贡献了中国新增加的能源需求的70%左右。这意味着中国能源增长的近70%的动力从现在开始已经消失了。另一个重要方面是中国的节能。从第九个五年计划（2006-2010年）开始，中国从中央政府到地方政府，到部门，到行业，都采取了非常强有力的节能政策，而且成就是显著的。

在建模分析中，通过将能源结构更多的集中在低碳方面，到2050年，包括太阳能、风能、生物质能和水电在内的可再生能源可以占到35%的份额，而核能将占到32%。2020年之后，能源需求没有明显的增加。更高的效率来自于终端使用部门的电力增加，来自可再生能源的电力是100%的发电效率（见图4）。图5和图6中给出了最终的能源需求。

图4. 1.5°C情景下中国的一次能源需求。

图5. 1.5°C情景下中国按能源类型划分的最终能源需求。

图6. 1.5°C情景下中国各部门最终能源需求。

图7按部门列出了能源和工业过程的二氧化碳净排放量。在2020年左右达到一个峰值后，到2030年将迅速减少，到2050年将深度削减到负排放。在2030年，二氧化碳排放量将是6.12Gt，2050年将是0.59Gt，而2020年是10.13Gt。2020年后，每年将减少4.83亿吨二氧化碳，这意味着每年减少近2.2亿吨的煤炭和石油。发电部门是引领减排的关键部门。它的二氧化碳排放量在2015年达到高峰，2020年后将迅速减少，2040年将减少到1860万吨二氧化碳，2050年将减少1537万吨二氧化碳。图8显示了电力和终端使用部门通过CCS减少的二氧化碳排放量。在2050年，电力部门通过CCS减少的二氧化碳排放量将超过每年16亿吨。带CCS的生物质能源（BECCS）在减排中起到了关键作用，它将在2030年后迅速增加，并在2050年每年捕获超过8.2亿吨的二氧化碳。

图7. 1.5°C情景下中国的二氧化碳净排放。

图8. 1.5°C情景下中国由于CCS带来的二氧化碳减少量。注：BECCS，带CCS的生物质能源。

变革的关键因素

    电力部门的负排放

发电部门在1.5°C情景下发挥着关键作用。根本的需要是使发电在2050年前实现零排放或负排放，并推动更多的电力在终端使用部门的使用。

图9和图10显示了中国发电部门的发电量和装机容量，由于更多的电力使用在终端使用部门，到2050年，发电量将增加到14000 TWh以上，人均10320 kWh。

图9. 1.5°情景下中国发电量。

图10. 1.5°情景下中国发电装机容量

在发电量中，可再生能源和核能将占总发电量的87.2%。在这87.2%中，2050年风力发电占21%，太阳能占16.6%，水力发电占14%，生物质发电占7.6%，核电占28%，而这些数值在2015年分别为3.3%、0.7%、17.7%、0.3%和3%。2050年燃煤发电占5.3%，天然气发电占7.1%，而在2015年这两个数值分别为71%和3%，这是35年内的一个重大转变。考虑到这些化石燃料发电厂的寿命通常超过35年，如果要实现这一过渡，现在就需要做出决定。

图10显示，风电装机容量将从2015年的129 GW增加到2050年的1486 GW，太阳能从43 GW增加到2246 GW，水电从319 GW增加到640 GW，生物质发电从11 GW增加到250 GW，核电从26 GW增加到554 GW。从2015年到2050年，平均新增加的电力容量为：风力发电36.9 GW，太阳能发电52.5 GW，水力发电9.3 GW，生物质发电6.85 GW，核电14 GW，而燃煤发电每年必须减少20 GW。

这意味着发电部门将是一个混合的电力供应系统，而不是由单一类型的发电所主导，而今天燃煤发电占总发电量的71%。

化石燃料发电必须使用CCS，以使其排放量尽可能地低。到2050年，100%的燃煤发电和天然气发电将配备CCS（见图11），去除率可分别达到94%和90%。

图11. 1.5°C情景下中国发电行业采用CCS的装机容量。注：NGCC: 天然气联合循环；IGCC：整体煤气化联合循环；USC：超超临界；SC：超临界。

BECCS是发电部门低排放情景的一个重要选择。到2050年，生物质能的装机容量将达到250 GW，并配备CCS。用于发电的生物质将主要来自于种植树木的木柴。总的生物质需求量将达到4.2亿吨，使用CCS的发电效率为32%。

总的来说，2050年发电的二氧化碳排放将达到4.14亿吨，包括BECCS的负排放（见图12）。

图12. 1.5°C情景下中国电力部门的二氧化碳排放。

    终端用能部门的用电比例高

虽然到2050年发电将出现负排放，但在终端使用部门取代化石燃料的使用是降低二氧化碳排放的一个主要选择。从图5来看，电力的比例从2015年的23.3%增加到2050年的58%。下文讨论了交通和工业部门的电气化选择。

在交通部门，通过电动汽车、燃料电池汽车和船舶来推动电气化是相对容易的。铁路部门可以通过增加电力机车而相对容易地实现电气化。图13显示了中国交通领域的终端能源使用情况，并显示电力的份额从2015年的2.1%增加到2050年的38.6%。根据IPAC以前对电动汽车路线图的研究，重大的技术进步将导致电动汽车在2025年占领市场（见图13）。到2050年，电动汽车或燃料电池汽车将在汽车队伍中占主导地位；重型车辆如公共汽车和卡车将主要使用燃料电池，而船舶或船只也将使用燃料电池。飞机将使用氢燃料电池，但这在2050年前无法完全实现。在终端使用方面，电动汽车比汽油或柴油汽车的效率高得多；因此，2030年后液体燃料的需求将急剧下降。

图13. 1.5°情景下中国交通部门终端能源需求。

在工业部门，将从重工业过渡到轻工业，有更多基于电动机的动力。由于能源密集型产品产量的减少，工业过程中的化石燃料使用将减少，如水泥制造（见表3）。在一些工业过程中，如钢铁制造，由于再生钢，电弧炉的钢铁产量将占主导地位，到2050年占钢铁产量的68%，而这一数值在2015年是6.1%。图14给出了中国工业部门的最终能源需求，其中电力的份额从2015年的24.9%增加到2050年的48.7%。

图14. 1.5°情景下中国工业部门终端能源需求。

    CCS在终端用能部门的使用

为了进一步减少终端使用部门的二氧化碳排放，CCS也需要被利用起来。根据设想，CCS将主要用于熟料制造和钢铁制造。图15展示了CCS在这些部门的份额。

图15. 1.5°C情景下中国终端用能部门的CCS利用率。

成本

IPAC-AIM技术模型是一个自下而上的模型，所以可以计算所有部门的投资需求。为了分析1.5°C情景下的成本，这里主要介绍能源部门的投资需求。终端使用部门的额外投资需求也可以通过与2°C方案的比较来计算。由于煤炭行业的失业问题是政府在短期内能源转型的主要关注点，这里也报告了煤炭行业的失业情况，以及其他可再生能源部门的就业增长情况。由于这些部门的劳动力需求不匹配，即使就业人数增加较多，失业的社会问题仍将存在。

能源部门的投资需求

图16展示了发电部门的年度新投资需求。2030年能源行业的总投资需求为2910亿美元，2050年为3820亿美元，2015年为1570亿美元，这些数值在2030年比2°C情景下的数值高16%，2050年高39.8%。考虑到2030年和2050年的GDP，这是个相对较小的投资。

图16. 1.5°C情景下中国发电行业所需的投资。

改变的社会成本

在能源转型时，失业是政府关注的一个重要问题。2015年，煤炭开采的就业人数为443万。煤炭开采的平均劳动力为1183人/百万吨。从2020年到2025年，每年的失业人数为70700人，从2025年到2030年为110780人，然后从2030年到2040年为63000人，从2040年到2050年为64700人。然而，从2016年到2050年，可再生能源行业新增加的就业人数将达到770万，远远高于煤炭行业和石油行业的失业人数。

研究结论

这项研究表明，在2020年左右达到峰值后，二氧化碳的减少必须非常陡峭，以便将2011年至2050年的预算限制在230Gt以下，这种快速转型对中国来说是一个非常大的挑战。但根据IPAC的模型分析，这仍然是可以做到的。

2030年后，每年将减少4.83亿吨二氧化碳，其中意味着每年减少近2.2亿吨的煤炭和石油。从2020年到2025年，煤炭的最高减排率为每年1840万吨，每年的减排率为3%。

发电部门的变化是最重要的。如果利用时间保持不变，燃煤电厂必须迅速减少。2020年后，每年将有大约40.7 GW的产能关闭；这是一个非常快速的变化。从2030年到2050年，燃煤电厂每年需要关闭23~28GW的水平。

风力和太阳能发电在未来将迅速增加。从2025年起，每年的新装机容量将超过60GW，2030年后将到每年超过75GW，而2016年的新装机容量为34GW，风力发电也需要快速增长，每年的新装机容量将超过40GW，而2015年中国的新装机容量为32GW。生物质发电必须在2025年后达到每年10吉瓦的新装机容量，以便长期启动BECCS。所有新安装的生物质发电厂都需要使用CCS，或者做好CCS准备。

BECCS是发电行业低排放方案的一个重要选择。到2050年，生物质能的装机容量将达到250 GW，并将配备CCS。用于发电的生物质将主要来自于种植树木的木柴。生物量的总需求量将达到4.2亿吨，配备CCS的发电效率为32%。

虽然到2050年发电将出现负排放，但在最终使用部门取代化石燃料的使用是降低二氧化碳排放的一个主要选择。电力的份额将从2015年的23.3%增加到2050年的58%。

2030年能源行业的总投资需求将是1990亿美元，2050年将是2420亿美元，2015年是1570亿美元。考虑到2030年和2050年的国内生产总值，这是相对较小的投资。

由于化石燃料行业的萎缩，将会出现失业。在煤炭开采业，从2020年到2025年，每年会有70700个工作岗位流失，从2025年到2030年有110780个，然后从2030年到2040年有63000个，从2040年到2050年有64700个。然而，从2016年到2050年，可再生能源行业新增加的就业机会将达到760万，远远大于同期化石燃料行业的失业人数。

编辑&排版：王明皓

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