中国碳中和实现路径及能源电力系统零碳转型研究
刘昌义
实现碳达峰碳中和是黨中央立足国际国内两个大局做出的重大战略决策，对于我国生态文明建设、引领全球气候治理、实现“两个一百年”奋斗目标具有重大意义。以化石能源为主的传统发展模式是导致我国和全球气候环境问题的根源。立足我国碳排放总量大、能源消费需求高、能源体系“一煤独大、油气进口依赖”的发展实际，提出并实施符合我国国情和发展阶段，能够有力推动我国现代化建设的碳中和综合方案和行动路线图是挑战巨大、意义重大的战略问题。
首先，提出碳中和实现路径与政策选择的十个重要问题。第一，碳中和目标下中国的碳预算是多少？全球2℃和15℃温控目标对应不同的碳预算约束，碳预算是研究中国碳中和的最重要的边界条件之一。第二，中国若在2060年前实现碳中和，对全球温控目标的贡献是多少？要回答这个问题，需要结合自然科学的气候模式、经济社会系统和能源电力系统利用综合评估模型进行研究。第三，最优的碳中和路径是什么？关于这个问题，经济学界有很大的争议，最典型的就是以斯特恩和诺德豪斯为代表的关于减排政策的争论。斯特恩赞成立即大幅减排，但诺德豪斯认为要考虑经济社会发展阶段、技术和成本等因素，先小幅减排，然后再大幅减排。因此，最优减排路径的决定因素有待研究，尤其是应用于气候变化的长期贴现率的取值，是影响气候成本收益和政策评估的最核心的变量。第四，碳中和目标下的能源电力系统如何转型？如何设计化石能源尤其是最核心的煤电的退出路径？第五，碳中和目标下的电力系统如何转型？未来电力系统如何发展？是大规模开发可再生能源，还是基于当前以化石能源为主导的能源结构，开发碳捕捉与封存（CCS）技术？发展可再生能源，是采用集中式开发加远距离输电的模式，还是发展分布式能源加储能的模式？未来需要进行深入的比较分析。第六，碳中和的技术组合及发展路径。各类低碳、零碳、负碳能源和减排技术的发展趋势、经济技术参数及其对碳达峰碳中和的减排贡献如何？第七，构建碳中和的制度和政策体系。实现碳中和目标需要多管齐下，不仅需要借助行政命令等手段和措施，还需要建立和完善市场机制，既包括碳市场、碳税等新建的市场机制，也包括电力市场、财税、金融等已有的体制机制改革。此外，对碳中和的协同收益和得失权衡、化石能源退出导致的就业和公正转型问题需要加强研究。第八，实现碳中和目标的投资和成本是多少？投资包括基础设施固定资产投资和以节能减排为目标的更新改造投资。成本包括全社会用能成本、用电成本、边际减排成本和各地区、分部门的减排成本，这些都是科学制定政策和评估政策有效性的重要前提条件。第九，不同情景下的气候变化影响与气候损失评估。例如全社会通过减排能够避免多少损失，反过来说即减排能够获得多大的收益。这里的损失或收益不仅包括直接经济损失或能够货币化的价值，还应该包括很多无法货币化的价值，例如污染治理的协同效益，公众健康的协同收益，生态环境的服务价值，等等。第十，碳中和的成本和收益分析。我们需要综合考虑成本和收益，从而选择实现碳中和的最优决策和政策组合。
全球能源互联网发展合作组织运用全球综合评估模型、能源优化模型和电力规划模型，开展碳中和实现路径的深入系统研究，提出中国能源互联网实现碳中和的方案和路径，发布《中国2060年前碳中和研究报告》，全球能源互联网发展合作组织：《中国2060年前碳中和研究报告》，2021年，北京：中国电力出版社。下文摘录报告主要结论。
一、碳中和的重大意义与挑战
实现碳达峰碳中和是党中央、国务院在应对气候变化、统筹国际国内两个大局做出的重大战略决策，其意义不仅局限于引领应对气候变化，对加快促进生态文明建设、保障能源安全高效、推动经济和产业结构转型升级、实现“两个一百年”奋斗目标具有重大意义。
我国实现碳中和面临碳排放总量大、碳减排时间短、经济转型升级挑战多、能源系统转型难度大等复杂挑战。作为全球最大的发展中国家，我国2060年前实现碳中和需要在更短时间、更广范围采取更大力度的减排行动。
二、碳中和的机理
能源相关碳排放主要受六大因素影响，化石能源二氧化碳排放、清洁化水平、电气化水平、能源消费强度、人均GDP和总人口等因素分别体现了能源消费总量和结构、能效、经济发展水平以及人口增长对碳排放的影响。对1978年改革开放以来我国碳排放情况进行卡雅（KAYA）驱动因素分解研究，可以发现：第一，人口和经济增长是导致碳排放增长的主要驱动因素。1978—2018年，我国二氧化碳排放增长了83亿吨，总人口由10亿人增长到14亿人，城市化率从18%增长到60%，经济总量从0.4万亿元增长到90万亿元。在二氧化碳排放增量中，人口与人均GDP增长的贡献分别为16%和176%。第二，能源强度降低是近年来二氧化碳排放下降的主要原因。1990—2018年，我国能源强度下降了75%，对二氧化碳减排的贡献为79%。第三，我国能源碳排放强度近年略有下降，对二氧化碳减排的贡献为13%。能源碳排放强度主要受能源结构清洁化和电气化水平的影响。未来，能源结构清洁化和电气化是最有效和最具潜力的减排途径。
三、中国能源互联网的发展与必然要求
我国清洁能源资源与负荷中心呈逆向分布，未来高比例可再生能源对电网架构和调节能力的要求，客观上决定了我国实现碳中和必须要加快形成以特高压骨干网络架构为核心的全国清洁能源资源优化配置平台。
电力互联互通是推动清洁能源大规模发展的必然要求。我国资源与负荷中心呈逆向分布，经济中心位于东中部地区，而70%以上的风、光、水能资源都分布在西部和北部地区，与东中部负荷中心相距1000～4000公里，可再生能源只有融入大电网才能实现大规模开发和远距离输送。风、光等可再生能源发电具有很强的间歇性、波动性和随机性。发挥特高压技术输电容量大、距离远、损耗低、安全性高的优势，可以获得水、风、光的多能互补效益，共享灵活性资源，大幅降低运行成本。目前，我国特高压输电技术已经发展成熟，技术全球领先，已建和在建特高压工程32项，并网清洁能源装机76亿千瓦，支撑我国清洁能源发展进入快车道。这些实践都为实现碳达峰、推动碳中和奠定了坚实的基础。
以中国能源互联网为基础平台，大力实施“两个替代”（在能源开发方面实施清洁替代，在能源使用方面实施电能替代），通过尽早达峰、快速减排、全面中和三个阶段部署实现碳中和，促进能源、经济、社会、环境协调发展。
四、基于中国能源互联网的碳中和实现路径
耦合综合评估模型MESSAGE、能源优化模型和电力系统规划模型，作为碳中和情景的模型工具。综合研判未来40年我国宏观经济增长、产业结构升级、人口与城镇化发展、能源电力消费变化以及实现《巴黎协定》目标下的碳排放空间等关键要素，作为碳中和情景的主要边界条件。
我国实现全社会碳中和总体可按照尽早达峰、快速减排、全面中和三个阶段有序实施。
在尽早达峰阶段（2030年前），我国以化石能源总量控制为核心，能够实现2028年左右全社会碳达峰，峰值控制在109亿吨左右，能源活动峰值为102亿吨左右。2030年的碳强度相比2005年下降70%，提前完成并超额兑现自主减排承诺。
在快速减排阶段（2030—2050年），以全面建成中国能源互联网为关键，2050年前电力系统实现近零排放，标志着我国碳中和取得决定性成效。2050年全社会碳排放降至13.8亿吨，相比碳排放峰值下降约90%，人均碳排放降至1.0吨。
在全面中和阶段（2050—2060年），以深度脱碳和碳捕捉、增加林业碳汇为重点，能源和电力生产进入负碳阶段，2055年左右实现全社会碳中和。2060年，通过保持适度规模负排放，控制和减少我国累积碳排放量。
五、能源供应以清洁能源为主导
在能源生产转向清洁的过程中，化石能源总量在2028年左右达峰：煤炭消费在现有基础上持续下降，煤电在2025年达峰之后开始下降，石油消费在2030年达峰以后开始下降，天然气消费的达峰时间预计为2035年。清洁能源在2040年前成为主导能源，到2060年，90%以上的能源需求都将由清洁能源来满足。能源供应系统80%的减排量来自电力的清洁化。
六、能源消费以电为中心
电能成为最主要的能源利用形式，全社会用电量持续增长。2060年全社会用电量将达到17万亿千瓦时，全社会三分之二的能源消费均为电能，实现能源消费体系向以电为中心的转型。
在终端能源减排中，一半是来自工业领域的减排贡献，其余是来自交通和建筑部门电能替代的减排贡献。同时，碳捕捉利用与封存（包括生物质能等负排放）、森林碳汇等也将起到必要的支撑作用。
七、电力系统零碳路径
电力系统的转型将以构建中国能源互联网，实现特高压电网的大规模互联为关键，2050年前实现电力领域的近零排放。首先，电源装机结构转向清洁低碳。新增电源装机主要为清洁能源发电，预计2060年我国电源总装机将达到80亿千瓦，超过96%的电源装机和发电量均来自清洁能源。其次，电网配置能力大幅提升。中国能源互联网方案可以支撑高比例的可再生能源目标，电网的配置能力将实现大幅提升，电网配置规模和范围扩大，建成东部、西部特高压同步电网，形成“西电东送、北电南供、跨国互联”的能源发展格局。
八、碳中和的关键技术与重点行动
低碳零碳技术是实现碳中和目标的关键。中国能源互联网为低碳零碳技术发展提供了集成创新平台。我国应当发挥在能源电力领域的优势，重点在清洁替代、电能替代、能源互联、能效提升、碳捕捉利用与封存、负排放与碳汇等六大领域开展关键技术的研发攻关和推广应用，争取实现重大突破创新，挖掘更大的减排潜力，为实现高质量发展和碳中和目标提供技术支撑。
九、碳中和的投资与成本分析
中国能源互联网的碳中和方案具有边际减排成本低、能源系统投资少的经济性优势。第一，减少碳中和成本。建设中国能源互联网实现碳中和的全社会边际减排成本为258元/吨二氧化碳，低于全球1.5℃温控目标的减排方案（约700元/吨二氧化碳）。电网互联互通之后，能够大规模采用减排成本低的光伏、风电等清洁发电技术，提升能源系统安全性，有效降低碳减排成本。第二，降低能源系统投资。预计2020—2060年，我国能源電力系统累计投资将达到122万亿元，以占GDP不到1.2%的投资实现从以化石能源为主导到以清洁能源为主导的能源体系变革。
十、碳中和的综合效益
气候变化既是环境问题，更是发展问题。实现碳中和不仅仅是为了应对气候变化，更是为了落实生态文明，促进全球人与自然命运共同体建设。实现碳中和不仅需要能源系统和电力系统全面深刻的变革，也需要广泛而深刻的经济社会系统性变革。建成中国能源互联网，实现碳中和目标，标志着我国全面形成零碳能源体系，迈入可持续发展新阶段，将对经济发展、能源安全、生态环境、社会民生等各方面产生巨大的协同效益。至2060年，我国预计投资122万亿元，可以实现拉动经济增长、减少化石能源补贴、创造就业岗位、避免气候损失、提高公众健康水平等协同效益，累计创造社会福利约1100万亿元，相当于通过1元的能源投资获得9元的社会福祉。
（作者为全球能源互联网发展合作组织高级研究员）
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