迈向“双碳”研究系列报告 《双碳目标下中国天然气产业发展路径与对策建议》 （C系列-2022C01） 中国石油大学（北京） 中国油气产业发展研究中心 碳中和与能源创新发展研究院 2022年5月10日 - I - 中国石油大学（北京）中国油气产业发展研究中心成立于2010年，并挂靠在经济管理学院。中心定位为“国际知名、国内一流的油气产业发展研究基地”，围绕五大研究方向和五大应用领域，重点承担和开展一批基础理论与实践应用研究课题。自成立以来，中心学术影响力和社会影响力在不断提升，已经累计承担课题100多项，其中国家社科基金重大项目1项、教育部人文社科基金重大项目1项、国家自然科学/社会科学基金项目9项、国际合作基金2项、国家部委项目31项、企业项目75项；出版了学术专著19部、教材4部。近5年，中心发表学术论文100多篇，多数被SCI/SSCI/CSSCI/CSCD收录；获得国家能源局、商务部、中国石油和化学工业联合会等省部级科技奖励16项。目前中心有研究人员12名，其中教授5名，博士生导师5人。 - II - 中国石油大学（北京）碳中和与能源创新发展研究院（简称“中石大碳能院”）是在国家碳达峰和碳中和目标（简称“双碳”目标）下，中国石油大学（北京）主动服务国家需求，积极响应国家建设高校特色智库的要求，结合学校自身优势，于 2021 年 9 月成立的智库性质的研究机构，也是支持中国石油大学（北京）“一带一路”能源合作伙伴关系合作网络高校（青年）工作组组长单位业务开展的主要研究机构。中石大碳能院为应对气候变化和“双碳”目标下的国际、国家、行业、企业在能源与油气领域的发展提供第三方分析、评价与政策建议。通过每年向社会公众发布指数类、研究类、专题类系列报告，并向国家决策部门和行业决策者提供政策建议，定期举办相关特色论坛等，逐步打造“立足中国、面向世界”、“聚焦油气、辐射能源”的特色鲜明的能源类高校“双碳”政策类研究智库。 - 1 - 一、引言 （一）研究背景 2020年9月22日，习近平主席向世界庄严宣示中国气候应对承诺，即2030年碳达峰、2060年碳中和（以下简称“双碳目标”）。中国成为目前唯一承诺碳中和的发展中大国。由于中国的贡献，预计全球碳中和时间将提前5-10年。中国要在未来40年内完成从碳排放达峰到碳中和的转型，就需要建立起以新能源和可再生能源为主体的可持续能源体系。这需要全社会经济体系、能源体系、技术体系等方面做出巨大的改变，这其中最重要的是能源系统的深度转型与革命性变革。中国的能源转型与变革不是别国的照搬与复制，而是深入结合中国国情之后的创造性选择。 （二）双碳目标下天然气产业定位 与世界其他国家相比，中国现有的能源结构仍以煤炭等化石能源为主，化石能源占一次能源消费的85%以上。即使中国同样拥有世界上最快的可再生能源发展速度，但其发展规模仍不足以满足中国巨大的能源需求。这意味着，必须在可再生能源规模化之前，寻求可堪大任的过渡性能源。 天然气的碳排放量要远远低于煤炭和石油，是最为清洁的化石能源。天然气的相对低碳性、资源丰富性、技术成熟 - 2 - 性等决定了其无疑是双碳目标实现下中短期内中国的重要选择。然而相比可再生能源，天然气全产业链碳足迹强度仍然不低，这使得其发展路径也将面临着高度的不确定性。因此，面向双碳目标的天然气产业发展路径研究就显得尤为必要。 二、研究内容 主要研究内容包括三部分，一是通过对世界代表性机构最新研究的总结分析来讨论加速转型背景下全球能源消费发展趋势分析，从国际视角研究天然气可能的发展大势，并作为判断中国与国际天然气发展期的重要比较对象；二是通过量化模型来直接预测不同情境下中国能源消费量及天然气在其中作用等的变化，该分析思路是目前主流的研究思路；三是与上一部分对天然气分析的思路有所不同，从碳中和目标的基本要求，即碳源与碳汇相等的角度出发，通过分析2060年潜在碳汇能力，倒推反算可能天然气未来发展情况。后两部分都是对天然气未来走势的判断，但是是从两个不同的视角，以实现对天然气未来发展的全面理解。 （一）加速转型背景下全球能源消费发展趋势分析 能源作为二氧化碳等温室气体排放的绝对主因，可以预期，世界主要经济体碳中和目标的提出，将催生全球能源系 - 3 - 统从“一般转型”情景向“加速转型”情景实现。随之将带来能源消费结构的深度调整。为充分了解碳中和目标对全球能源消费趋势的影响，课题组分析研究了国际能源署（IEA）、美国能源信息署（EIA）、欧佩克（OPEC）、挪威船级社（DNV）、国际可再生能源署（IRENA）、埃克森美孚（ExxonMobil）、英国石油（BP）、挪威国家石油（Equinor）、壳牌（Shell）、中国石油（CNPC）、清华大学、国家电网等国内外代表性研究机构建立的应对气候变化不同情景模型下全球能源消费及结构等趋势预测结果，并将其总结概括为一般转型情景和加速转型情景，通过对比两种情景来分析碳中和对全球能源变革的深度影响。 1. 一般转型情景 这种情景考虑了那些已经宣布的应对气候变化的相关政策，但是对于未来可能出现的更强有力的气候应对政策则没有考虑，比如没有考虑中国的2060碳中和目标。在此情景下，到2040年，全球煤炭消费将从2019年的37.7亿吨标油下降到32.5亿吨标油，在一次能源消费中的比重从27%下降至19%；石油消费将从2019年的46.1亿吨标油下降到45.12亿吨标油，在一次能源消费中的比重从33%下降至27%；天然气消费将从2019年的33.78亿吨标油增长至43.47亿吨标油，在一次能源中的比重从24%增加到26%；可再生能源或非化石能源将从2019年的21.86亿吨标油增长至46.97亿吨 - 4 - 标油，增长一倍多，在一次能源中的比重从16%增长至28%。具体结果见图1。 图1 一般转型情景下主要机构的全球能源消费预测均值 2. 加速转型情景 该情景与一般转型情景不同，考虑了更强有力的气候变化应对政策。这些政策有些是面向可持续发展目标，有些是面向1.5°C温控目标。这些政策对未来能源转型的影响更大、更深刻。预测结果显示，到2040年，全球煤炭消费将从2019年的37.7亿吨标油下降到15.58亿吨标油，在一次能源消费中的比重从27%下降至11%；石油消费将从2019年的46.1亿吨标油下降到29.89亿吨标油，在一次能源消费中的比重从33%下降到22%；天然气消费将从2019年的33.78亿吨标油下降至27.51亿吨标油，在一次能源中的比重从24%下 - 5 - 降至20%；可再生能源或非化石能源将从2019年的21.86亿吨标油增长至66.58亿吨标油，在一次能源中的比重从16%增长到47%，与化石能源占比几乎持平。具体结果见图2。 图2 加速转型情景下主要机构的全球能源消费预测均值 通过对比两种情景下的预测结果可知，在一般转型情景中，能源消费中碳排放最高的煤炭，无论是消费量还是所占比例都将在未来呈现缓慢下降趋势，非化石能源的消费量和占比都将呈现快速增长趋势。对于天然气而言，由于碳中和目标在一般转型中尚没有完全体现，全球天然气消费规模在一般转型情景中稳定增长，其一次能源消费占比也相对稳定，在2040年仍能达到26%。在加速转型情景中，由于考虑了各国更强有力的气候应对政策，煤炭消费量和占比均加速下降，非化石能源的消费量和占比将以更快的速度上涨；作为含碳能源的天然气，无论是消费规模还是一次能源消费占比Mtoe - 6 - 在2040年都低于当前水平。 （二）双碳目标下中国能源消费发展趋势分析 双碳背景下，需重新审视中国天然气消费的中长期发展趋势及其在能源消费结构中的比重，这既是能源系统深度低碳的必然要求，也是认清天然气地位、保障天然气产业自身可持续发展的重要前提。课题组选取8个代表性的综合评估模型构建多模型比较框架，对多情景下中国未来的能源消费总量、天然气消费及其占比进行跨模型比较分析。 1. 模型介绍 课题组构建的多模型对比框架包括CE3METL、DNE21+、IPAC、AIM/CGE、IMAGE、REMIND、WITCH、POLES，模型全称见表1。模型开发的国家有所区别，具体的区域划分也有所不同。针对全球尺度开展评价分析的有日本地球环境产业技术研究院（RITES）开发的DNE21+模型，日本国立环境研究所（NIES）开发的AIM/CGE模型，荷兰环境评估署（PBL）开发的IMAGE模型，德国波茨坦气候影响研究所开发的REMIND模型，意大利Fondazione Eni Enrico Mattei（FEEM）研究所开发的WITCH模型，法国格勒诺布尔大学（University of Grenoble）最初开发、现由欧盟委员会联合研究中心（JRC）开发维护的POLES模型；针对中国开展评价 - 7 - 分析的是中国科学院开发的CE3METL模型、国家发展和改革委员会能源研究所开发的IPAC模型。 表1 模型全称表 缩写 全称 DNE21+ Dynamic New Earth 21 model IPAC Integrated Policy Assessment model for China AIM/CGE Asia-Pacific Integrated Model/ Computable General Equilibrium IMAGE Integrated Model to Assess the Global Environment REMIND REgional Model of INvestments and Development WITCH The World Induced Technical Change Hybrid model POLES Prospective Outlook on Long-term Energy Systems CE3METL China Energy-Economy-Environment Model with Endogenous Technological change by employing Logistic curves 虽然各模型均包含能源系统或经济系统子模块，并以此为基础往外扩展延伸到环境、大气、土地等其他子系统，但侧重点有所不同。CE3METL模型是技术驱动的全球能源—经济—环境（3E）系统集成评估模型的中国化版本。CE3METL是基于经典的自顶向下IAM框架的中国单部门模型，由能源、经济和排放三个子模块构成，其特点主要体现在两大方面：①引入了Logistic技术扩散机制，以替代传统的常弹性替代函数方法（CES），在刻画多重能源技术演替方面具有较好的表现，为自顶向下模型框架中丰富自底向上的技术细节提供了切实可能；②较早发展了多因素技术学习曲线，以内生刻画非化石能源技术进步过程，继而减少传统纯 - 8 - 外生技术描述方式引起的对技术发展水平的低估。DNE21+模型的本质是同时优化多时点的动态线性规划模型。通过自底向上的方式刻画能源供应（电力生产等）和CCS技术。因此，在既定的减排目标下，可以使用自底向上的方式单独评价高耗能部门如钢铁、水泥等的节能和减碳潜力；同时，可通过自顶向下的方式评价能源需求侧技术。AIM/CGE是AIM综合评估模型体系的核心部分，本质上是递归动态的可计算一般均衡（CGE）模型。IMAGE模型旨在研究人类与自然系统间的动态交互关系，适用于大规模（主要是全球）和长时期（直到2100年）尺度上评估人类活动对生态系统与自然资源的影响，以及这些影响如何阻碍维持人类发展的生态系统服务。REMIND模型使用Ramsey-type宏观经济内生增长模型原理构建能源—经济一般均衡模型，同时链接了自底向上的能源系统模型，在分析气候政策冲击下的能源经济系统反应方面具有特定的优势。WITCH模型本质是自顶向下的新古典主义最优增长模型，通过在模型中嵌套自底向上的能源投入变量，在博弈论框架中分析能源技术替代和内