文献阅读 | 缩小碳中和目标与行动之间的差距：中国关键能源密集型行业的技术解决方案
题目
Closing the Gap between Carbon Neutrality Targets and Action: Technology Solutions for China’s Key Energy-Intensive Sectors
作者
Jinchi Dong, Bofeng Cai, Shaohui Zhang*, Jinnan Wang*, Hui Yue, Can Wang, Xianqiang Mao, Jianhui Cong, & Fei Guo
期刊
Environmental Science & Technology
时间
2023年3月
一作
单位
State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210023, China
链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c08171
研究背景
碳排放导致的人为气候变化一直是天气和气候极端现象的主要驱动力。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，自20世纪50年代以来，这些极端天气的频率和强度已经加强，并影响到全球每个有人居住的地区。如果不采取额外措施减少碳排放，到本世纪末，全球平均地表温度预计将上升3.3至5.7℃，导致更严重的气候变化和社会经济损失。为了防止人类对气候系统的危险干扰，国际社会在1992年通过了《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC），作为各国就温室气体导致的气候变化进行合作的主要论坛。在该公约的基础上，196个缔约方在2015年联合国气候变化大会上通过了《巴黎协定》，并首次承诺通过将全球温度上升限制在远低于2℃和争取达到1.5℃来应对气候变化。
作为全球二氧化碳排放的主要贡献者，在2020年约占全球排放量的30%，中国的行动有望在实现全球温控目标中发挥重要作用。为了减少中国的碳排放，中国政府承诺在2030年前达到二氧化碳排放峰值，与2005年的水平相比，排放强度降低60-65%，并在2060年前实现碳中和。这些都是宏伟的目标，中国从碳排放峰值到实现碳中和只有30年的时间，与美国（43年）、英国（59年）和德国（60年）等发达国家相比，这个时间框架更短。为系统分析主要行业碳达峰碳中和路径，本研究利用中国碳中和技术平台数据，基于MESSAGEix模型框架，搭建起包括电力、钢铁、水泥、道路交通和建筑五大高耗能行业在内的MESSAGEix-CEAP模型，并通过物质流构建起行业间的内在需求反馈，从技术层面为上述行业实现碳达峰、碳中和目标提供具体的路径指导并揭示各行业实现达峰、中和的边际减排成本及成本效益。
研究方法
文章开发了中国碳中和技术数据库（CNTD），这是一个开放、透明的平台，包含超过八个行业的成本、运营和减排参数。基于CNTD平台，文章分析了SSP2（共享社会经济路径2）和中国碳达峰和碳中和目标相关的两种缓解情景下的行业脱碳路径。进一步利用物质流在不同行业之间建立联系，并通过物质流预测上游行业的产品需求。文章使用能源供应系统及其环境影响模型（MESSAGE）对物质流进行建模，并分析成本最小化目标函数下的最优技术发展路径。最后，利用基于专家的边际减排成本分析了各行业的边际减排成本，并在缓解情景下进行了成本效益分析。
图1 文章建模框架
研究结果
CO2排放
图2a说明了不同情景下的二氧化碳排放预测；在SCN和HCN情景下，2060年的碳存量仍然是2020年碳排放量的10%。对于每个行业（图2b），电力行业预计将在2025年达到排放峰值，使其成为第一个实现碳达峰的行业。其次是水泥、钢铁和道路交通部门，预计将分别在 2026 年、2027 年和 2030 年达到碳峰值。由于碳减排成本最高，预计建筑行业将是最后一个实施相关减排措施的行业，预计2045年碳达峰。此外，如果中国实施更雄心勃勃的脱碳战略（HCN情景），一氧化碳的减排量将接近线性。2将实现排放，预计在2025年之前达到峰值，与BL情景相比，累计减少60.9%。
图2 2020年至2060年SCN情景下的二氧化碳排放情况
能源消费
减少煤炭消费将是对减少中国碳排放的一个主要贡献。在SCN情景下，预计从2020年到2060年，煤炭消费将减少77.9%，到2060年对总碳减排量的贡献为51.6%（图3a）。此外，受益于碳捕集与封存（CCS）的采用，煤炭消费的技术不一定被完全取代。预计到2060年，煤炭的消费将保持在能源消费总量的13.3%（图3b）。此外，汽油和柴油的消费预计在2030年和2029年达到峰值，然后平稳下降。到2060年，汽油和柴油消费预计将接近零，分别占总碳减排量的7.2%和20.2%。
图3 中国各省煤电-污水处理共生体的环境效益
行业技术的关联和互动
根据行业关联性分析结果，预计钢铁、水泥、道路交通和建筑行业的电气化进程将大大增加对电力行业生产的需求。到2060年，预计这四个行业对电力行业的电力生产需求将增加206%，远超其他研究预测水平。其中，道路交通行业的低碳减排技术将成为电力需求增长的主要因素，其次为钢铁、水泥和建筑行业。需要注意的是，CCS技术的应用将极大地提高电力需求，预计将占电力需求增长的57%。因此，在推广CCS技术的同时，还需进一步考虑该技术对电力行业生产和碳减排压力的影响。
图4 现有减排路径下电力消费情况及各行业贡献水平
边际减排成本
在碳中和时期，电力、水泥、钢铁、建筑和道路交通部门的边际减排成本分别为159、372、1919、3642和4062元/t CO2（根据减排率为0时的拟合曲线计算）。95），在SCN情景下，所有五个行业的边际减排成本为2189元/t CO2，这与Zhang等人报告的平均值几乎相同。有趣的是，更雄心勃勃的减排战略预计将导致更低的边际减排成本（图5b）。在碳中和时期，HCN情景下的边际减排成本为1803元/吨二氧化碳，比SCN情景下的边际减排成本低18%。这是因为更雄心勃勃的碳减排战略减少了对过渡性技术的采用，这些技术由于碳减排效率较低而具有较高的碳减排成本（如生物质发电和燃气发电）。在SCN情景下，这些过渡性技术的广泛采用，一方面，预计会直接增加边际减排成本。另一方面，它也会增加减排的压力，因为需要额外的技术来抵消过渡性技术的碳排放。
图5 边际减排曲线
成本效益分析
成本效益分析的结果显示，碳减排的效益远远超过其成本，而且在SCN和HCN情景下，这一差距预计将随着时间的推移而扩大（图6）。在SCN和HCN情景下，2021年至2060年的累计碳减排成本分别为21.2万亿和26.0万亿人民币，而累计碳减排收益分别为27.7万亿和33.8万亿人民币，比其成本高6.5和7.8万亿人民币。这一结果表明，如果中国执行更加雄心勃勃的去碳化战略，减少中国的碳排放将使中国和世界受益，并有更多的好处。
图6 年化成本效益分析
政策启示与讨论
为了提高气候政策和碳交易市场的功效，文章得出以下政策启示：1、在制定单个行业的去碳化战略时，必须全面考虑多个行业的互动影响。本研究揭示了多个行业之间的重要联系和反馈机制，表明电力行业的去碳化压力更大。因此，我们建议在制定 "1+N "政策框架时，整合各部门的解决方案，并考虑各部门的互动影响；
2、应制定符合中国实际的去碳化战略。天然气一直被认为是替代煤炭实现碳减排目标的过渡性能源。然而，中国的能源禀赋明显是 "富煤而缺油少气"，近年来中国使用的天然气有40%以上来自进口。因此，中国可以适应其资源禀赋，将煤炭作为经济发展的基础，发展带有CCS的煤基技术；
3、中国可以考虑在扩大中国国家排放交易市场以包括更多行业时，使用其价格下限。2020年，全国碳交易市场（仅电力行业）的平均碳交易价格约为55元人民币。所有五个行业的边际减排成本为2189元/t CO2，大大高于目前的交易价格。因此，中国国家排放交易市场的价格下限可能是必要的，以最大限度地提高其有效性和实现碳中和的目标；
4、 更加雄心勃勃的去碳化战略可能有助于获得更多的利益。应用更雄心勃勃的去碳化途径，直观上可能会增加减排成本。然而，预测表明，更雄心勃勃的脱碳可能会导致更低的边际减排成本和更高的净碳减排效益。因此，中国可以考虑加强碳减排工作，执行更雄心勃勃的碳减排战略，以实现其碳减排目标。
文章研究结果表明，部门之间的联系和反馈不应该被忽视。其他部门的电气化进程导致电力需求增加206%，突出了每个部门的综合解决方案的必要性。此外，文章发现，在所有五个行业中实现碳中和的边际减排成本为2189元人民币/t CO2，明显高于目前中国碳交易价格。但在实施更雄心勃勃的去碳化战略时，预计它将会减少。基于这些结果，我们建议中国政府应加强碳减排工作，提高目前全国碳交易市场的交易价格，以激励早期的碳减排。
编辑&排版：朱衍磊
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