中国碳达峰碳中和时间表与路线图研究

第24卷第4期 北京理工大学学报（社会科学版） Vol.24No.4 2022年7月 JOURNALOFBEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY(SOCIALSCIENCESEDITION) Jul.2022 DOI:10.15918/j.jbitss1009-3370.2022.1165 中国碳达峰碳中和时间表与路线图研究 魏一鸣1，余碧莹1，唐葆君1，刘兰翠2，廖华1，陈景明1，孙飞虎1，安润颖1，吴郧1，谭锦潇1，邹颖1，赵子豪1 （1.北京理工大学能源与环境政策研究中心，北京100081； 2.北京师范大学经济与工商管理学院，北京100875） 摘要：实现中国碳中和目标时间紧、任务重，是一项复杂系统工程。科学制定减排的时间表和路线图，需要处理好长期与短期、减排与发展、局部与总体的协同关系。为此，应用自主设计并构建的国家能源技术模型 （C3IAM/NET），提出了兼顾经济性和安全性的中国碳达峰碳中和时间表和路线图，明确了中国碳排放总体路径、行业减排责任、重点技术规划等多个层面的具体行动方案。结果表明：当2060年碳汇可用量为10~30亿吨时，为达到低成本和安全实现“双碳”目标的要求，在不同社会经济发展情景下，中国需在2026—2029年间实现碳达峰，峰值不超过127亿吨CO2（含工业过程排放）；2060年的碳排放主要来源于电力、钢铁、化工、交通等部门；为实现碳中和目标，能源结构需加速转型，但2040年前中国仍将是以煤为主的能源格局，2030年煤炭占比不低于44%。在全国和行业路线图基础上，进一步给出了实现全国“双碳”目标对应的钢铁、水泥、有色、化工、建筑、交通、电力等重点行业的碳排放路径和技术布局方案，为中国引领和参与全球气候治理提供了科学依据和可操作性的行动方案。 关键词：碳达峰碳中和；国家能源技术模型；时间表；路线图；重点行业；技术布局 中图分类号:F205文献标志码:A文章编号:1009-3370(2022)04–0013–14 2 气候变化是全球共同面临的巨大挑战。IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange)第六次评估报告的最新研究指出，预计未来20年（2040年前后）地球表面变暖将达到1.5℃，要实现在21世纪末将全球温升控制在不超过工业化前1.5℃的目标，未来10年全球需大幅减少CO排放[1]。中国积极实施减缓气候变化的国家战略，提出“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的目标。根据中国气候变化综合评估模型C3IAM的评估结果显示[2]，中国2060碳中和目标是超越2℃，面向1.5℃目标的深度脱碳行动。 然而，中国实现碳中和目标时间紧、任务重，是一项复杂系统工程。科学制定减排的时间表和路线图，需要处理好长期与短期、减排与发展、局部与总体的协同关系[3-4]。为此，综合碳中和路径优化设计的实际需求，本文应用自主设计构建的C3IAM/NET模型，综合考虑社会、经济、行为、技术的不确定性对终端用能产品（如钢铁、水泥、化工产品、铝、造纸等工业产品）和服务需求（取暖、制冷、照明、客/货物运输等服务）的影响，以满足未来各行业产品和服务供给需求为前提，以需定产，从能源供需系统总成本最优的角度动态优化2022—2060年的全行业技术布局，最终提出多情景下兼顾经济性和安全性的中国碳达峰碳中和时间表和路线图，明确中国碳排放总体路径、行业减排责任、重点技术规划等多个层面的具体行动方案，旨在为中国引领和参与全球气候治理提供可操作的方案。C3IAM/NET模型目前涵盖一次能源供应、电力、热力、钢铁、水泥、化工（乙烯/甲醇/合成氨/电石等多种关键产品）、有色、造纸、农业、建筑（居民/商业）、交通（城市/城际，客运/货运）、其他工业等20个细分行业的重点技术[5-18]。本文将重点介绍在各行业共同合作下，以经济最优方式实现全国总体碳达峰碳中和目标对应的全国及行业时间表和路线图。本文仅探讨能源系统（含能源加工转换、运输配送、终端使用、末端治 收稿日期：2022-05-29 基金项目：国家自然科学基金项目（71822401，71603020，71521002）；北京市自然科学基金项目（JQ19035） 作者简介：魏一鸣（1968—），男，教授，博士生导师，E-mail:wei@bit.edu.cn；余碧莹（1986—）,女，教授，博士生导师，E-mail:yubiying_bj@bit.edu.cn 理过程）相关的CO2排放，包括工业过程排放。关于模型方法的具体介绍以及情景和参数的设定请见本文的姊妹篇“中国碳达峰碳中和路径优化方法”。 一、中国碳达峰碳中和路径 本节将基于C3IAM/NET模型优化结果，对实现中国“双碳”目标的全国及分行业碳排放路径、碳排放强度和能源结构转型路径等进行介绍。 （一）碳排放总量 2020年全国能源系统相关CO2排放约113亿吨（含工业过程排放），煤炭、石油、天然气对应碳排放占比分别为66%、16%、6%（图1），电力、钢铁、水泥、交通等是重点排放部门。若延续当前发展趋势，全国碳排放将长期维持在百亿吨以上。为促进碳中和目标达成，需在现有减排努力基础上进一步开展能源系统低碳转型。考虑未来社会经济行为发展不确定性对终端产品需求的影响、能源系统各类先进技术的发展速度和碳汇可用量的不确定性，图2给出了实现中国“双碳”目标的多种排放路径。2060年相比于BAU情景需进一步减排80%以上，不同社会经济发展情景下，全国碳排放需在2026—2029年间达峰，能源相关CO2排放（含工业过程排放）峰值为117~127亿吨。 煤炭 75.00 电力 39.31 热力，6.64钢铁，17.30 天然气 6.99 石油 18.10 工业过程 13.00 水泥，11.25 化工主要产品，4.37铝冶炼，4.19 建筑，6.99 交通，12.17 农业，1.06其他，9.82 CO2排放约113.10 单位：亿吨CO2-当量 注：终端用能行业自备电厂消耗化石能源产生的碳排放计入终端行业碳排放，不包含在电力行业排放中，未来年路径中分行业的碳排放量也采用此口径。 图12020年全国碳流图（含工业过程排放） 2026−2029年间达峰，峰值为117~127亿吨 中等社会经济增速下，2028—2029年达峰，峰值约122亿吨 高需求—高速转型高需求—中速转型高需求—低速转型 中需求—高速转型—短平台期中需求—高速转型—长平台期中需求—中速转型 中需求—低速转型低需求—中速转型低需求—低速转型低需求—高速转型中需求—BAU 200 150 全国CO2排放量/亿吨 100 50 0 202020252030203520402045205020552060 年份 图2全国能源相关CO2排放路径（含工业过程排放） 当社会经济发展速度适中、2060年自然碳汇可用量仅为10亿吨时（对应中需求—高速转型情景）， 为低成本安全实现碳中和目标，2060年能源系统相关CO2排放（含工业过程排放）需降至21亿吨左右，电力、钢铁、化工、交通等部门将是排放的主要来源，CCS技术需捕集CO211亿吨以上（图3a）。该情景下，2025—2035年为潜在平台期；2028—2029年需实现碳达峰，峰值约为122亿吨CO2；2035—2050年进入下降期，年平均减排率需约4%；2050—2060年为加速下降期，年均减排率需提高至 15%及以上。CCS将成为中国在以煤为主的能源格局中实现大量CO2减排的主要措施之一，2030年前后开始大规模部署CCS，至2060年累计捕集CO2排放240亿吨以上。 120 100 CO2排放/亿吨 80 60 40 20 0 −20 202020252030203520402045205020552060 年份 a分行业累积碳排放 其他建筑交通 化工产品铝冶炼水泥 钢铁热力电力CCS 50电力+CCS-2029 40 其他-2033 CO2排放路径/亿吨 30 钢铁-2023 20 水泥 10 建筑-2027-2030 热力-2034 交通-2035 0 20202025203520402045205020552060 铝-2025农业-2034年份化工主要产品-2029 b分行业碳排放路径 注：图3a中终端行业或部门的碳排放不包含电力热力生产的间接碳排放，图3b中终端行业或部门的排放路径和达峰时间是涵盖电力热力间接排放的结果；化工产品主要包括乙烯、合成氨、电石、甲醇。 图32020—2060年各行业CO2排放路径（以中需求—高速转型—长平台期情景为例） 为确保全国按时碳达峰，重点行业部门的碳排放达峰时间有所差异。其中，工业行业整体碳排放 （含间接碳排放）需于2025年前后达峰，峰值为80~86亿吨，2060年下降至6~22亿吨。具体来说，水泥行业碳排放基本已经达峰，处于震荡时期；钢铁和铝冶炼行业需在“十四五”规划期间达峰并尽早达峰；建筑行业预期于2027—2030年间达峰；电力行业和关键化工品（乙烯、合成氨、电石和甲醇）碳排放需在2029年前后达峰；热力、交通、农业以及其他工业行业达峰时间相对较晚，但不能晚于2035年。具体达峰时间和路径如图3b所示。 （二）碳排放强度 为实现“双碳”目标，中国单位GDPCO2排放需快速下降。图4展示了中国与主要发达国家单位GDP CO2排放量的对比情况。目前，中国单位GDPCO2排放水平较高（2020年约为0.77吨/千美元），依照图4中提出的碳中和路径，中国单位GDPCO2排放将于2040—2050年间降至与主要发达国家当前水平相当；2060年中国单位GDPCO2排放仅为2020年的2%左右，全社会整体将进入低碳发展模式，2020—2060年单位GDPCO2排放年均下降速度 0.8 中国 美国德国 日本 日本英国 美国 德国 英国 单位GDPCO2排放/（吨/千美元） 0.6 0.4 0.2 需达到9%以上。 （三）能源结构 0.0 19902000201020202030204020502060 年份 “双碳”目标下的全行业能源结构需加快转型 （图5），非化石能源在一次能源结构中的比重应显著提高，2025年达到21%，并于2030年超过 图4中国与主要发达国家单位GDP二氧化碳排放量对比（2015年不变价） （以中需求—高速转型—长平台期情景为例） 25%，到2060年非化石能源在一次能源消费中的占比超过80%。煤炭在一次能源中的占比稳步下降，但在很长时期内中国将仍是以煤为主的能源格局，2030年煤炭占比不低于44%，2060年煤炭仍将为保障能源安全发挥重要作用。2025年前石油在一次能源中的占比稳中有升，随后开始逐步下降，2025—2060年平均每年下降率约3%。天然气占比呈现出先增长后下降的趋势，天然气的消费比重在2035年达到12%左右，并一直保持到2050年，此后随着可再生能源技术和储能技术的成熟及高比例应用，天然气消费占比将回落至7%左右。 （四）终端电气化水平 碳中和目标将促使终端电气化进程不断推进，按照国家能源局公布口径，以中需求—高速转型 —长平台期情景为例（图6），2030年终端电气化率约为34%，并于2060年需达到77%以上。分部门来看，建筑部门设备的电气化推进易于其他部门，因而其电气化水平整体高于其他部门，2020—2060年 100 能源结构/% 80 60 40 20 0 工业 建筑 交通 全行业 100 终端电气化率/% 80 60 40 20 0 煤炭石油天然气非化石占比 202020252030203520402045205020552060 年份 图5一次能源消费结构 （中需求—高速转型—长平台期情景） 的年均电气化增长率为2%，2060年建筑部门电气 化水平需达到90%。工业部门是耗电量最大的部门，因而其电气化发展水平对终端部门整体的电气化水平影响较大，2060年电气化率需达到73%以 202020252030