2030年中国清洁能源碳排放达峰约束实证研究

工程3（2017）512研究清洁能源-文章考虑2030年碳排放达峰约束的中国能源供需模型实证研究陈锦航中国大唐集团公司，北京100033ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2017年4月28日收到2017年7月11日修订2017年7月12日接受2017年8月15日在线提供保留字：碳排放达峰能源供需模型场景中国的能源供需模型和两个相关的碳排放情景，包括计划峰值情景和提前峰值情景，设计考虑了中国的经济发展、技术进步、政策、资源和环境容量等因素。通过对所定义情景的分析得出以下结论：到2030年，一次能源和电力需求将继续增长，电力需求的增长率将远高于一次能源需求的增长率。此外，低碳化将是能源供需结构变化的基本特征，非化石能源将取代石油成为第二大能源。最后，通过采用更高效的能源消费模式和更低碳的能源供应模式，与能源相关的碳排放可能在2025年达到峰值。电力行业的脱碳化对于降低碳排放峰值至关重要。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在2015年联合国气候变化大会（COP21）上，各方一致通过《巴黎协定》，提出将全球平均气温升幅控制在2 ℃以内，并将其控制在1.5 ℃以内。中国政府提出到2030年二氧化碳排放达到峰值，并争取尽早实现这一目标。由于二氧化碳排放主要来自化石能源消费，二氧化碳排放总量作为新的硬约束，将对中国从现在到2030年的能源供需总量、增长速度和经济结构产生重大影响。定量分析这些影响对制定中长期能源规划和政策具有重要的理论和现实意义。现有的碳排放峰值研究主要集中在碳排放增长势头、峰值时间和峰值水平，以及地区和行业的高峰路径。Wang等人[1]指出，GDP增长是中国碳排放的最大驱动力Chai[2]进一步提出工业化是决定碳排放是否提前达到峰值的主要因素。根据曲和郭[3]、江等[4]、马和陈[5]的研究，如果经济社会发展采取节能低碳模式，那么与能源有关的二氧化碳排放将在2030年左右达到峰值，排放峰值最早将在2025年到来。Yang等人[6]Liu等人[7]预测了北京、重庆等地的碳排放峰值。 Cheng和Xing[8]和Guo [9]研究了电力和工业领域的碳排放峰值路径。现有的研究强调了能源行业在确定峰值影响和实现低碳路径方面的作用但重点主要放在一次能源消费总量上对一次能源供应结构、终端能源消费结构、发电电源结构、能源加工转换等重大能源问题缺乏整体系统因此，很难回答有关电子邮件地址：chenjinhang@china-cdt.comhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.04.0192095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng3J. Chen /工程3（2017）512能源供需结构、碳流量以及其他决定不同峰值情景所必需的重要问题。基于此，本文从“能源-经济-环境”（3E）系统模拟的视角，构建了考虑碳排放峰值等约束条件的中国能源供需模型，分析了2. 模型在 MARKAL （ Market Allocation Modeling Framework ）/TIMES （ The Integrated MARKAL-EFOM System ） [10] 、 NEMS（ National Energy Modeling System ） [11] 、 MAED （ Model forAnalysis of the Energy Demand ） [12] 、 AIM （ Asia-PacificIntegrated Model）[13]、LEAP（Long-Range Energy AlternativesPlanning System）[14]等经典研究方法和模型的基础上，采用“自下而上”、“自上而下”和3E系统的建模思想。这些思想使中国能源供需模型的设计 模型框架如图所示。1.一、模型计算分为两个阶段。在第一阶段，进行经济社会发展和技术进步情景设计，以估计国内生产总值、人口、城市化率和经济社会发展的其他基本参数。然后运用计量经济学、弹性系数等方法对能源服务进行居民区和各行业的需求不同的部门。在此基础上，采用时间序列、能源价格比等方法预测了满足所需能源需求所需的燃料品种品种包括煤炭、石油、天然气、电力、热力等能源。第二阶段，考虑发电、供热、炼油、炼焦、气化等加工转化环节，通过能源系统模拟计算，得出一次能源供应总量和结构。这使得既要适当关注碳排放总量（作为主要约束），又要适当关注能源供需平衡，同时考虑能源资源、加工、转换能力、非化石能源比例和其他约束（平衡）。能源相关的二氧化碳排放量是根据一次能源、终端能源在供给侧各环节、需求侧各部门的投入产出关系和相关的物理能源效率，以及政府间气候变化专门委员会（IPCC）的碳排放因子计算的。第二阶段涉及的主要制约因素（平衡）能源系统模拟如下。(1) 碳排放达峰的制约因素：Cat≤CaT（1）其中t是规划期内的年份（t= 1，...，15个代表2016年，...，2030年），T代表规划期的高峰年，Cat代表第t年与能源有关的二氧化碳排放量。不能再让它继续下去了包括建筑，交通，商业等行业。其次，产值的单位消耗法，单位第一章1 1(2)采用产品消费量法、周转分析法等方法，确定终端能源需求量，其中i是化石能源的类型（i= 1、2和3分别代表煤、石油和天然气）;EPit、IMit、EMit、RLOit、RTPit和FDitFig. 1. 中国10514J. Chen / Engineering 3（2017）512-517分别代表第i种化石能源在第t年的生产、进出口、运输和储存损失率、加工转化损失率和终端消费量;TGit和TH分别代表第i种化石能源在第t年的发电量和供热量;EGit和EHit分别代表相应的发电效率和供热效率;Emii代表第i种化石能源的二氧化碳排放因子。(2) 煤炭供需平衡情况如下：（EP+IM分别为第t年的3. 场景设计中国政府承诺在2030年左右达到二氧化碳排放总量的峰值，并致力于尽快实现这一峰值。由于中国与能源有关的二氧化碳排放量占1吨1吨1吨1吨1吨（三）占全国二氧化碳排放总量的90%左右，–其中RLO1t和RTP1t分别代表煤炭运输和储存损失率以及煤炭加工和转化（包括洗选、焦化和其他）损失率(2) 石油供求平衡情况如下：（EP+IM与能源有关的二氧化碳排放也必须在2030年左右达到峰值，并必须尽早达到峰值。基于这一要求，本文设计了两种与能源相关的碳排放情景：计划达峰情景和提前达峰情景。在提前峰值情景中，峰值将在2025年达到，而在计划峰值情景中，峰值将在2025年达到。2吨2吨2吨2吨2吨(3)2030. 与计划高峰情景相比，提前高峰–其中RLO2t和RTP2t代表石油运输和储存损失率以及石油加工和转化（精炼）损失率，re-total。(4) 天然气供需平衡表如下：通过能源技术的更大突破和能源利用效率的显著提高，加快低碳转型、经济发展方式转变和产业结构调整的步伐。表1概述了两种方案的经济、社会和技术方面的假设。（EP3t+IM3t–（五）4. 结果分析其中RLO3t和RTP3t分别代表天然气运输和储存损失率以及天然气加工和转化（天然气液化）损失率(5) 电力供需平衡表示如下：RLO4t4.1. 基于模型一次能源需求总量增速呈现“逐步回落”的态势。能源消费与经济增长逐渐呈现出特征性的“脱钩”。在高级峰值情景下，从2015年到2030年，国内生产总值和人口将分别增长139.6%和4%，城市化k1 IM4吨 1吨RTP4吨FD4吨(6)利率将增加11.9%。2015-2020年、2020-2025年、2025-2030年一次能源需求增长率和0.6%。由于GDP增长率远高于一次能源需求增长率，其中k表示电源的类型（k= 1，...，10分别代表煤电、油电、气电、水电、核电、风电、太阳能、生物质能、热电、海电）;TCPkt、ACPkt、UFkt、CFkt分别代表期初装机容量、新增装机容量、新增装机当量系数、第t年第k个电源的平均设备利用小时数;RLO4t、RTP4t、IM4t、EM4t、FD4t分别代表三个周期的系数将分别为0.3、0.2和0.1到2030年，一次能源需求总量将达到3.6 ×109吨油当量，比2015年增长约25%。人均能源消费量为2.5吨，比2015年增加0.4吨。到2030年，在计划调峰情景下，一次能源总需求将比提前调峰情景下多2.31 ×108toe人均能源消费量将比提前高峰情景多0.1吨的表1两种情况下的主要假设预先高峰情景计划高峰情景GDP 2015-2020年、2020-2025年、2025-2030年三个时期GDP年均增长率分别为6.5%、6.0%、5.5%产业结构一、二、三产业比例2020年为8： 36：56， 2030年为6：29：主要高耗能产品将在2020年与高级峰值方案相同2020年和2030年第二产业的比重将分别比高级峰值情景高0.25%和1%第三产业的情况正好相反.主要高耗能产品将在2025年人口2020年人口将达到14.1亿，2030年人口将达到14.3亿与高级峰值情景相同城镇化率2020年城镇化率将达到60%，2030年将达到68%与高级峰值情景能源技术进步非化石能源发展一次高耗能产品能耗、一般工商业产值、交通周转量年均下降1%2020年和2030年非化石能源消费占一次能源消费比重分别不低于15.2%和20.5%一次高耗能产品能耗、一般工商业产值、交通周转量将比提前高峰情景高1%2020年和2030年非化石能源消费相对于一次能源消费的比重分别不低于15%和20%J. Chen /工程3（2017）512图二、提前高峰情景下的一次能源需求。图3.第三章。计划高峰情景下的一次能源需求。见图4。2030年的能量流动在高级峰值情景中。单位为1×106趾。水电、核电和其他非水力可再生能源发电通过化石燃料替代方法转化为一次能源。发电能耗包括供热能耗。损失包括发电、供热、洗煤、炼焦、炼油、气化、天然气液化等加工转化过程中的净投入、回收能源、能源运输和储存损失。由于四舍五入，不同品种和行业的能源供需平衡可能略有不同。两种情景下的一次能源需求总量和结构如图2和图3所示。提前高峰情景下的能源供需情况如图所示。 四、4.2. 煤炭消费比重将降至50%以下在提前达峰情景下，受资源瓶颈和环境容量约束，“十三五”期间煤炭需求将出现负增长，煤炭消费量占一次能源消费总量的比重将下降，经历了持续的下跌。2030年煤炭需求量为1.73 ×109toe，占一次能源总需求的比重由2015年的63.7%下降到48%。在计划调峰情景下，2030年煤炭需求将比提前调峰情景高1.68 ×108toe，占一次能源总需求的比重将比提前调峰情景高1.4%4.3. 石油需求增长将逐步接近零增长在提前高峰情景中，石油需求的增长率516J. Chen / Engineering 3（2017）512-517受汽车消费增速放缓等因素影响，特别是2020年后，随着电动汽车进入大规模商业应用阶段，石油消费将趋于零增长。到2030年，石油需求量为6.58 ×108toe，比2015年增加1.05 ×108toe。在计划峰值情景下，石油需求年均增长率比提前峰值情景高0.3%，2030年石油需求将比提前峰值情景高2.8 ×107 toe4.4. 天然气需求将继续快速在提前高峰情景下，随着国内天然气生产能力、输气管道进口天然气输送能力、沿海液化天然气接收能力的提高，天然气供应能力显著增强。2015-2030年天然气需求年增长率为6.6%到2030年，天然气需求总量将达到4.62× 108脚趾。在计划峰值情景下，天然气需求增长率略高于提前峰值情景，2030年天然气需求将比提前峰值情景高出约4.5. 非化石能源将取代石油成为第二大能源在提前高峰情景下，由于新安装的水电机组的大规模运行以及风电、太阳能和核电装机容量的增加，非化石能源消费将继续快速增长但随着基数的不断上升，增速将呈现回落趋势。到2030年，非化石能源需求将达到8 ×108toe，占一次能源需求总量的20.9%在规划峰值情景下，非化石能源需求实现快速增长，2030年将占一次能源总需求的20.1%。4.6. 新增电源50%以上来自非化石能源在进峰情景下，全社会电气化水平持续提升，电力消费占终端能源消费总量的比重由2015年的21.3%提高到2030年的29.3%;全社会用电量年均增长3.2%，2030年达到9200 TW·h，比2015年增长58.2%，50%以上的增量由非化石能源提供。在2015-2030年期间，计划高峰情景下的总电力消费量年均增长率比提前高峰情景高0.4%4.7. 碳排放达到峰值的时间和价值取决于非化石能源在提前达峰情景下，由于水电、核电和非水电可再生能源的快速开发和利用，与能源相关的二氧化碳排放增长将从2010- 2015年期间的2.6%降至2015-2020年期间的2020年后将出现进一步下降，2025年二氧化碳排放量将达到峰值1.02 ×1010t。到2030年，二氧化碳排放量将减少到1 ×1010t，其中电力部门的排放量将占近50%。不同行业和不同品种的排放量见图。 五、在计划的峰值情景中，与能源有关的碳排放量图五. 2030年碳流量提前峰值情景。单位为1 ×104t二氧化碳。发电行业的碳排放包括供热能源消耗产生的二氧化碳排放。为了达到总量平衡，假定不同品种的能量损失和平衡包括碳二、碳三、碳四、碳四、碳五、碳五、碳六 氧化物排放水电、核电、风电等非化石能源的碳排放系数为零。煤、石油和天然气的碳排放系数分别为3.96 tCO·toe-1、3.08 tCO·toe-1和2.35 tCO·toe-1由于四舍五入，不同品种的碳平衡可能略有不同，板块2 2 2J. Chen /工程3（2017）5122030年二氧化碳排放将达到峰值，峰值将比提前峰值情景高出约5 ×108t5. 结论通过对计划峰值情景和提前峰值情景的能源供需和碳排放数据的分析，可以得出以下结论。(1) 到2030年，一次能源和电力需求将继续增长由于低碳转型推动电气化水平快速提升，电力需求增速将明显大于一次能源需求增速。(2) 脱碳是能源供需结构变化的基本特征。2030年前，非化石能源将取代石油成为第二大能源，但煤炭仍将是第一大能源。(3) 能源相关的碳排放可能于二零二五年达到峰值，原因是应用以更高能源效率及更低碳的能源供应模式为重点的消费模式。(4) 作为非化石能源开发利用的主要方式，发电产生了近一半的碳排放。因此，供电系统的脱碳是尽快实现碳排放达峰、降低碳排放峰值引用[1] 王锋，吴玲，杨春.中国经济发展过程中二氧化碳排放增长的驱动因素经济研究J2010;（2）：123中文.[2] 柴Q中国二氧化碳排放峰值的分解中国政策评论2015;（7）：54中文.[3] 曲S，郭C. 基于STIRPAT模型的中国碳排放预测。中国人民资源环境2010;20（12）：10-5. 中文.[4] 姜克，何春，庄晓，刘军，高军，徐晓，等。中国能源活动二氧化碳排放达峰的情景与可行性研究。Adv Clim Change Res 2016;12（3）：167-71. 中文.[5] 作者：Ma D，Chen W.中国2030年碳排放达峰水平及达峰路径分析.中国人口资源环境2016;26（5）：1-4. 中文.[6] 杨晓，付玲，丁丹.区域CO2排放峰值测算问题研究--以北京市为例.中国人口资源环境2015;25（10）：39中文.[7] Liu Q，Li Q，Zheng X.基于化石燃料燃烧的重庆市二氧化碳排放预测环境科学学报2017;37（4）：158293. 中文.[8] 郑丽，邢丽. 2030年碳排放达峰条件下电力发展需求及影响分析电力2016;49（1）：174[9] Guo S.气候变化阶段的工业碳达峰管理。Energ Conserv Environ Prot 2016;（7）：50-3.中文.[10] Goldstein G，Tosato G，编辑.全球能源系统和共同分析。报告。巴黎：国际能源署，2008年6月。[11] 能源信息管理局（EIA）。国家能源建模系统：概述。次报告. Washington，DC：EIA; 2009 Oct.报告编号：DOE/EIA-0581。[12] 国际原子能机构（原子能机构）。能源需求分析模型（MAED-2）：用户手册。维也纳：原子能机构，2006年1月。[13] 国立环境研究所。亚太一体化模式。东京：国立环境研究所.[14] 斯德哥尔摩环境研究所。LEAP用户指南。波士顿：SEI; 2006年3月。