中国碳达峰碳中和时间表与路线图研究

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 气候变化是全球共同面临的巨大挑战。IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)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CO2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 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。 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。 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。 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GDP CO2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GDP CO2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GDP CO2排放年均下降速度需达到9% 以上。 （三）能源结构 “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 上。交通部门2040年前的电气化进程较为缓慢，其电气化推广主要集中于短途客运交通，2040年以后城际客运交通和货运交通电气化开始重点发力，带动整体交通部门电气化水平快速增长，并于2060年达到84%。 二、行业行动方案 全国“双碳”目标的实现，是各个行业合作转型的结果。下面对钢铁、水泥、化工、有色、建筑、交通、电力等重点行业在满足其未来产品和服务供给需求前提下的低碳转型行动进行分别介绍。 （一）钢铁行业 从钢材消费量的变化来看，钢材需求将于2023—2025年达峰，峰值在11.8~12.0亿吨。达到消费峰 值后，钢材消费量将在其后30年左右的时间内逐渐下降。伴随钢产品需求变化和全国碳中和目标的约束，钢铁行业的碳排放量总体呈现下降趋势（图7）。钢铁行业CO2排放需在“十四五”规划中期达到峰值（19.3~20.0亿吨），并尽早达峰，2028年前为潜在平台期。由于钢铁行业存在部分碳排放问题难以避免，在全面实施节能技术改造升级、持续推广短流程炼钢、加快CO2回收利用、加大突破性深度减排技术研发和应用等减排措施的作用下，2060年中国钢铁行业产生的CO2排放预计在2.7~5.6亿吨，难以实现行业的零排放。 上述碳排放路径对应的技术部署方案如图8所示。短期内，高炉喷煤技术、转炉负能炼钢及轧钢加热炉蓄热式燃烧技术节能效果显著，2030年市场占比需分别增至81%、75% 和74%，同时钢铁行业各环节余能回收发电技术也需在2030年实现60%~80% 渗透。长期来看，电弧炉占比需显著提升。2030年，高速转型情景下电弧炉钢占粗钢比重应达到13% 以上，2050年达到30%，2060年快速增至60% 以上。氢冶金、薄板坯连铸技术、无头轧制等先进工艺技术在中后期需加快普及。2040年高炉富氢还原技术在炼铁工艺中得到初步发展，市场推广率占比约为12.9%，2060年成为炼铁环节主流技术（70.0%）。薄板坯连铸和无头轧制技术取代传统的轧制环节，2060年市场占有率分别达到10% 和32% 以上。2030年后，焦炉和高炉—转炉过程将会逐步发展CCS，力争2060年CCS的加装比例达到60% 以上。 （二）铝冶炼行业 铝冶炼行业可以分为原铝冶炼和再生铝冶炼。再生铝行业未来将大力发展，2040年前后，再生铝产量达到2 700万吨，此后将占主导地位。原铝产量在2025年达峰后由于再生铝的替代而逐渐减少，峰值约为5 040万吨。为满足社会对铝产品的需求并低成本实现全国“双碳”目标，铝冶炼行业需在2025年左右实现碳达峰，峰值不超过6.2亿吨CO2，206