中国碳中和情景分析: 中国TIMES模型研究结果及2050年碳排放预测

工程14（2022）64研究碳中和前沿研究碳中和视野下的中国张舒，陈文英清华大学能源、环境与经济研究所，北京100084阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年5月11日收到2021年8月29日修订2021年9月29日接受2021年10月27日网上发售保留字：碳中和能源转型减缓气候变化中国TIMES模型A B S T R A C T中国在此，利用备受赞誉的中国MARKAL-EFOM综合系统模型（China TIMES），考虑能源，环境和经济，提出了四个碳中和情景，并比较了不同的排放峰值时间和2050年的碳排放量。结果显示，中国到2050年，可再生能源将占能源消费总量（热值计算）的60%，占总发电量的90%，电气化率接近60%。能源转型将带来持续的空气质量改善，到2050年，当地空气污染物将比2020年减少85%，提前达到排放峰值将带来更多的近期效益。提前达到峰值要求在未来十年内广泛部署可再生能源，并在2025年后加速淘汰煤炭。然而，它将带来好处，例如更快地获得更好的空气质量，减少累积的二氧化碳排放量，并为其他行业的过渡赢得更多时间。2050年更雄心勃勃的减排压力可能会传递到不久的将来，影响可再生能源发展，能源服务需求和福利损失。©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院发布高等教育出版有限公司。这是CC BY许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。1. 介绍近几十年来，由温室气体（GHG）排放增加引起的气候变化日益突出，世界各国正在合作应对这一全球性挑战[1]。《巴黎协定》呼吁各缔约方将全球平均气温升幅限制在远低于工业化前水平2 ℃的范围内，并努力将其限制在1.5 ℃以内。此外，各国还承诺尽快实现全球温室气体排放峰值，并在21世纪下半叶实现温室气体人为源排放与汇清除的平衡[2]。目前，已有130多个国家发布或宣布了净零或碳中和目标。2020年9月，中国宣布碳排放将于2030年达到峰值，并于2060年实现碳与能源有关的排放占总碳排放的大部分能源系统转型路径直接决定着社会的脱碳轨迹。*通讯作者。电子邮件地址：chenwy@tsinghua.edu.cn（W. 陈）。中国是世界碳中和涉及能源系统的许多方面，关于具体部门如何支持碳中和目标，已有广泛的研究。电力部门目前是最大的二氧化碳（CO2）排放者，由于可再生能源成本的迅速下降，电力部门有了脱碳的新前景[4]。可再生能源的普及势必会影响火电的运营，因此出现了煤生物质混烧改造和有序退役的讨论由于负排放的不可或缺性，生物质能与碳捕获和储存（BECCS）技术作为一种负排放技术正受到人们的关注。许多研究关注BECCS的技术发展、资源潜力和环境影响[8除能源供应外，需求部门的脱碳来自能源载体和能源最终使用模式的变化。除了产业升级，还提出了水泥和钢铁行业的脱碳战略[13，14]。通过技术和政策激励措施，工业部门可以在2070年前实现温室气体净零排放https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.0042095-8099/©2021 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许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engS. Zhang和W. 陈工程14（2022）6465而二氧化碳排放量为零的速度更快[15]。对于住宅和商业部门，已经开发了净零排放和净零能源建筑设计;然而，大力推广可再生能源和下一代生物质是建筑部门脱碳的另一个重要方法[16，17]。由于航空、海运和重型货运领域的减排难度很大，因此在交通运输领域实现碳中和具有挑战性[18，19]。然而，对于道路客运，已经提出了到2050年实现净零排放的省级战略[20]。总体而言，尽管部门层面的研究更为精细，但它们可能会因忽视不同部门之间的合作而高估减排为了更全面地评估能源转型过程的影响，一些研究将研究的范围扩大到能源系统的全方位[19，21]。还进行了其他研究，这些研究整合了国家政策和技术发展，建立了自上而下的减排目标，并预测了不同政策措施下的二氧化碳排放量[22]。研究人员已经评估了减少碳排放在空气质量、能源安全和节水方面的共同效益[23然而，所有这些研究都遵循了2或1.5°C温度升高控制目标的先前scenario设计，并且没有面向碳中和目标。近年来，出现了一些以碳中和为导向的能源转换研究。一项研究使用能源供应系统及其一般环境影响模型（MES-SAGE）评估了中国达到排放峰值和碳中和的能源转型途径，并提供了详细的其他研究人员使用多模型比较方法来确定可能的脱碳途径[28，29]。然而，这些研究没有充分考虑时间不确定性对路径的影响。中国另一方面，提前碳中和时间点意味着更大幅度的减排，也将导致形势发生重大变化达到排放峰值的时间、达到碳中和的时间和脱碳途径对于过渡技术选择和减缓气候变化至关重要最近评估不同国家碳中和目标的研究指出，低碳技术的不确定性、BECCS的潜力和公众意识可能对实现碳中和所需的时间产生重大影响[21]。即使在相同的净零时间，由于累积排放水平不同，不同的路径导致不同的温度升高[30]。对中国而言，其排放峰值时间的不确定性也深刻影响着其能源系统转型的进程[28]。为了弥补知识鸿沟，我们使用中国的MARKAL-EFOM系统集成模型（China TIMES），这是一个包括能源系统所有部门的能源-环境-经济模型，以评估排放峰值时间和碳中和时间的不确定性的影响。阐述和比较了能源系统脱碳的技术选择、转型成本以及在实现碳中和的不同情景下对大气污染物减排的协同效应本研究旨在揭示不同的排放达峰时间和碳中和时间对中国能源转型的影响我们还希望这项研究将激励参与应对全球气候变化的其他国家2. 方法2.1. 中国时代模式中国TIMES模型是一个自下而上的能源系统优化模型，时间范围从2015年延伸到2050年，步长为五年，已得到广泛应用在过去的10年里，中国能源转型和气候变化减缓的研究[31]。该模型描绘了详细的能源过程，包括提取，转换，传输，分配和最终使用。模型中描述了电力、工业、农业、建筑和运输部门的各种技术和燃料（图1）。更具体地说，它为40多种不同的技术类型和冷却方法建模，并根据最新的成本和资源潜力考虑了各种新能源，如风能，太阳能，水力，核能，海洋，地热和生物质。因此，中国时代模型可以为可再生能源容量的扩张和与火电退役相关的问题提供技术丰富的政策见解[32，33]。该模型包括整个工业部门;它提供了几个能源消耗行业的详细描述，如钢铁[34-建筑物运行过程中的能源消耗和碳排放针对供暖、制冷、烹饪和热水、照明和电气设备进行建模，同时考虑到商业、城市和农村地区能源使用模式的异质性[38]。运输部门针对货运（重型卡车、中型卡车、轻型卡车、货车、空气、水、火车和管道）和客运（城市、农村和城际运输，考虑重型公共汽车、轻型公共汽车、私家车、火车、飞机、摩托车和地铁）运输独立建模;此外，考虑了多种能源，如化石燃料、生物燃料、电力和氢气，产生了运输能源转型的非常详细的结果[39]。 利用国际货币基金组织（IMF）和世界银行对国内生产总值（GDP）、人口、城市化率和产业结构等社会经济驱动因素的预测，采用离散选择法、物质流法、增长曲线模型和德尔菲法对40多个分行业的能源服务需求进行了估算。中国TIMES模型的基年为2015年，2015年和2020年的数据均采用官方统计数据校准。该模型使用政府间气候变化专门委员会（IPCC）推荐的二氧化碳排放系数来测量各部门的直接排放量[40]。我们根据最新的统计数据更新了可再生能源、能源储存和碳捕获和储存（CCS）技术的成本，并重新校准了模型，以反映技术发展的现状和趋势。本研究考虑了中国在2020年之前发布的国家自主贡献（NDC）目标以及能源和气候相关政策。二零一九年冠状病毒病（COVID-19）疫情对经济及能源系统的影响亦同样被考虑在内。CO2减排对本地大气污染物减排的协同效应，包括SO2、NOx、空气动力学直径为1.5 μ m的颗粒物，大于10l m（PM10）和2.5l m（PM2.5），也可以同时这个模型[41]。中国TIMES模型中各子行业的能源服务需求受价格弹性调节，以反映碳中和目标下生产模式和消费模式的变化。考虑到碳锁定的潜在风险，中国时代模型允许提前退休，S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6466图1.一、《中国时报》模式的结构DRI：直接还原铁; CCS：碳捕获和储存; GDP：国内生产总值。燃煤发电和供热单位以及一些碳密集型行业，以实现雄心勃勃的减排目标。当这些现有技术不再具有成本效益时，它们将在技术寿命结束之前退役，为其他先进技术让路。2.2. 设想方案设计和假设中国为了探索峰值排放时间和实现净零排放的差异的影响，我们设计了以下四种减缓情景（表1）。以P25和P30开头的两组指标分别代表中国在2025年和2030年左右达到碳排放峰值。中国本研究表1情景设计摘要。场景碳中和时间（2050年碳排放量）2055（0.5 GtCO2）2060（1GtCO2）碳排放峰值时间2025P25-L P25-H2030P30-L P30-HGtCO2：十亿吨二氧化碳。假设中国在2025年（P25）或2030年（P30）达到排放峰值之前，按照现有的NDC目标减少排放。达到峰值后，能源系统将碳中和的过渡路线。对于另一个维度，以H和L结尾的情景名称分别代表我们对2050年实现2060年和2055年碳中和所需减排努力的估计。中国表示，其碳中和目标涵盖所有经济部门的温室气体排放。中国TIMES模型主要关注与能源相关的CO2排放。 有关碳汇和非CO2温室气体排放的文献表明，到2050年，中国碳汇不能完全抵消非CO2温室气体排放，仍然有巨大的需求部署二氧化碳去除（CDR）技术。但是，考虑到剩余的二氧化碳和非二氧化碳温室气体难以清除，到2050年二氧化碳排放为净零或接近零，以确保到2060年温室气体净零排放非常重要。对于2060年（以H结尾的情景名称）和2055年（以L结尾的情景名称）的温室气体净零排放，我们将2050年的碳排放量分别设定为1 GtCO2和0. 5 GtCO2。通过CDR技术抵消剩余温室气体排放，本研究在不同的碳中和时间的路径，假设CDR技术的逐步部署。S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6467此外，在设定2050年的排放峰值和排放量的情况下，对每种情景下的累计排放量增加或减少5%进行了一组敏感性分析，以进一步说明不确定性对中国3. 结果和讨论3.1. 碳减排途径为了实现碳中和，预计能源系统将经历快速减排，并在整个建模范围内假设总折扣能源系统成本最小化/福利最大化如图2所示，中国到 2030 年 ， CO2 排 放 强 度 将 比 2005 年 下 降 67% （ P30 ） 和 75%（P25）2005 - 2020年中国换句话说，2050年的长期减排目标可以传递到近期和中期。以P25情景为例，我们观察到，到2035年，P25-L情景下的年碳强度降低率比P25-H情景下的年比较P25和P30情景，我们注意到，尽管在这两种情景中，2050年的峰值水平和排放量相似，但累积排放量差异很大，P25比P30多减少20 GtCO2的排放量迅速采取行动可以为碳中和过渡争取更多时间;否则，成本可能更高，可能出现更多挑战较早的排放峰值时间可以使减缓不那么显著：如果排放高峰年是2030年，在2030-2040年期间，需要平均每年减少10%的排放量。这一极高的削减率使人们对其可行性产生了极大的怀疑。即使能够实现，也需要付出很大努力，对经济和社会的影响也会更大。电力部门脱碳是中国能源转型的核心。预计近期排放量将急剧下降。电力部门目前的排放量最大，所有部门的二氧化碳排放量预计将在2025年至2030年达到峰值，峰值低于4.5 GtCO2。一旦能源快速转型开始，电力行业将在10年内开始脱碳，并将在2040年开始产生负排放。2040年后，随着电力行业清洁转型的完成，进一步减排将依赖于负排放技术和需求侧的深度脱碳。 到2050年，在P30-L情景下，负排放，其他情景将在下面0.8 GtCO2，这是由于2050年的碳预算略高（P30-H和P25-H）或更早的减排措施（P25-H和P25-L）。需求部门的减排滞后于电力部门，2050年的排放对路径的影响大于碳排放峰值的时间。目前预计工业排放量将达到峰值，低于4GtCO2，并将在2050年稳步下降至少80%，至0.7GtCO2运输部门和建筑部门都将在2030年左右达到峰值，建筑部门低于10亿吨二氧化碳，1.4运输部门的GtCO2，以及早期缓解行动可以降低这些峰值水平。到2050年，建筑部门的排放量将下降到0.1在2050年需要更多减排的情景下（P25-L和P30-L），需求部门--最明显的是运输部门--需要做出更多努力。图二、（a）减少碳排放的途径;（b）2011年至2050年的二氧化碳累积排放量;（c）部门二氧化碳排放量。S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6468·3.2. 中国中国以碳中和为导向的能源转型包括三个主要要素：在能源供应部门推广可再生能源;在能源需求部门提高能源效率和转换燃料;以及广泛使用负排放技术。3.2.1. 清洁能源供应能源供应领域的脱碳是中国能源转型的重中之重 如图 3、以P30情景为例，我们注意到，中国一次能源消费目前仍在增长，预计将在2030年达到峰值153 EJ，随后在大约十年内快速下降，然后趋于平稳。早期规划（P25）到2030年显著减少煤炭消费，导致更早和更低的峰值。在2050年，P25-H和P25-L情景都反映了煤炭消费量相对于峰值下降超过81%，而脱碳时间更短的P30-L和P30-H情景下降幅度更大--即超过83%。在能源强度方面，到2020年，能源强度平均每年下降3.8%，这是碳强度下降的主要原因。由于能源供应的快速清理，能源强度的下降率将在2035年附近达到近8%的峰值，并将在2050年回落至约3.7%在能源结构方面，最显著的特点是可再生能源的普及和煤炭的逐步淘汰目前，煤炭消费份额已过高峰，开始缓慢下降。2025年后煤炭消费开始快速下降，导致一次能源消费和二氧化碳排放达到峰值在P30和P25情景下，煤炭消费份额在2040年分别降至30%和25%，到2050年两者均降至约15%。从排放峰值年到2040年，P25情景下煤炭消费量每年减少7.5%，P30情景下减少10%短期内对煤炭消费的更严格限制可显著降低二零三零年后的脱碳难度。到2050年，碳预算更紧的地区（P30-L和P25-L）的减排压力会传递到近期和中期，导致煤炭消费量的大幅减少。相比之下，可再生能源目前占一次能源消费的10%，增长缓慢，主要是为了满足不断增长的能源需求。未来，可再生能源能源将是最有希望填补煤炭消费量下降所造成的缺口，从而取代化石燃料的来源。2035年至2040年，可再生能源将成为中国的主要能源。到2050年，中国约60%的一类似地，在2050年碳排放较低的情景（P25-L和P30-L）或更早开始减缓的情景（P25-H和P25-L）下，可再生能源的比例更高。电力行业是能源脱碳的关键，其未来发展可分为两个阶段。 第一阶段的特点是电力结构的变化，而第二阶段的特点是电力产量的增长（图1）。 4）.电力结构主要源于燃煤电厂的逐步淘汰以及风能和太阳能发电的增加可以预期，燃煤电厂有10年的窗口期，在此期间，它们将退役、灵活改造或转换为生物可以说，碳排放达峰的时间在很大程度上取决于燃煤电厂退出的速度。P25和P30情景的比较表明，尽快有序淘汰燃煤发电机组和停止新建燃煤发电厂的紧迫性。到燃煤发电退出时，可再生能源和可变可再生能源的比例（即，风能和太阳能）的发电量将分别达到81%和56%。2035年P25的风能和太阳能总容量将达到3.1 TW，2040年P30将达到3.4 TW。核电将成为电力系统的重要组成部分，未来可再生能源的渗透率很高，其容量将在未来20年内增长3倍以上随后发电量的快速增长将源于电力替代的需求方。2050年发电量将迅速攀升至15-16 PW h，比2020年翻一番。在此期间，风能和太阳能仍将是发展的主要支柱，但BECCS单元将被整合以贡献一些电力。到2050年，风能和太阳能发电量将增加到6.3TW（P30）和7.1 TW（P25）。虽然更严格的2050年排放限制可能会激励可再生能源装置的增加，但行动的时机是影响电力部门脱碳时间轴的最重要因素。值得注意的是，到2050年，近200 GW的核电机组能够满足基本负荷需求，大规模电网储能将成为电力系统可靠性的主要来源。2035年后电力系统对储能的需求将逐渐增加，储能转向图三. 一次能源消费以及煤炭和可再生能源的份额。本研究采用热值计算法进行能源统计。S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6469见图4。 按发电厂类型分列的发电量以及可再生能源和可变可再生能源（太阳能和风能）所占份额。2035年约占电力需求的10%，2050年储能年使用量达到2.2PW·h。3.2.2. 清洁能源消费需求领域节能脱碳的三大支柱是产业结构调整、能效提升和燃料转换。第二产业在国民经济中的比重逐年下降，到2050年将比目前下降约9个百分点，第三产业将提高约10个百分点。如图5所示，在P30情景下，中国两组情景图都显示2050年的数值约为90 EJ。从现在起的未来三十年，电气化率将继续增加，到2035年将从目前的23%增加到30%，然后到2050年加速到近60%。技术改进和最终用途能源技术的电气化将促进能源效率的迅速提高 图图6以图形方式显示了2020年至2050年期间某些能源服务需求的规模和技术变化。工业是能源需求部门中最大的能源使用者，在能源过渡中首当其冲其最终能源消费将在2025年达到峰值，并迅速下降，同时在2050年仍占中国最终能源消费的50%能源消耗的减少主要是由于能源效率的提高。到2035年，单位工业增加值能耗比现有水平降低一半;到2050年，比2035年进一步降低一半随着时间的推移，工业部门的非盈利性渗透率将逐渐增加，在P25情景下，到2050年将达到56%;在P30情景下，它将比P25情景下低5%。在这方面，水泥和钢铁工业因其能源和排放密集而受到关注到2050年，它们的产量将分别比目前水平下降60%和70%以上CCS和氢直接还原铁（H2-DRI）技术将有助于钢铁行业脱碳，水泥行业也将通过CCS实现80%的CO2在比较不同的情景时，我们注意到，在早高峰和2050年排放量较高的情景下，这些高成本的减碳技术的使用相对较少，工业产出的减少也较小图五. 按部门分列的最终能源消费和电气化率。S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6470图六、2020年至2050年期间某些能源服务需求的规模和技术变化黑点表示与2020年相比，2050年能源服务需求增加（减少）的百分比2019年中国的建筑总面积约为640亿平方米，到2050年将继续增加20%，这将导致能源需求增加。然而，由于单位面积能源消耗下降（约15%），建筑业能源消耗的整体增长将是温和的。建筑部门的最终能源消耗将在2030年达到27-29 EJ的峰值，然后到2050年略有下降，约为26 EJ。提前达峰可以降低峰值水平，2050年的排放目标将影响2040年以后建筑行业的排放。在电气化方面，建筑部门是所有需求部门中最重要的。目前，建筑业消耗大量的化石燃料，特别是天然气，这是在中国资源不足，提供能源服务的加热，烹饪和热水。未来，许多能源需求将由电力来满足，到2050年，化石燃料的份额将下降到20%以下中国卡车库存也将增加20%以上。此外，航空需求的快速增长将对运输部门造成更严峻的挑战，预计2050年航空需求将与当前值相比增长150%交通部门的最终能源消费量要到2030年才能达到峰值，2050年的能源消费量将与目前的能源消费量相似在使用量大幅增长的情况下，能源消耗最终会下降，这主要是因为电动和氢燃料电池汽车的效率远远高于目前的内燃机汽车。到2050年，超过70%的轻型汽车和90%的公共汽车将采用电力驱动，之前库存的大部分剩余内燃机车辆将在碳中和实现了。电力在重型卡车中的高渗透率存在一些障碍，货运的脱碳然而，考虑到氢生产的高昂成本，只有在脱碳压力很大的情况下，氢能才会例如，在P30-L和P25-L情景下，氢的份额将在2050年达到50%以上，而在其他两种情景下约为33%。3.2.3. 生物质能源与CCS技术众所周知，生物能源是一种可持续的、零碳的清洁能源，CCS技术可以捕获电力、工业和上游部门产生的CO2并长期储存。生物能源和CCS技术由于其获取成本高和公众意识低而难以发展负排放技术是实现碳中和的关键，生物质零碳能源与CCS技术相结合的BECCS是一种很有前途的负排放解决方案。为了实现碳中和，预计BECCS将在2035年后蓬勃发展，届时低成本脱碳方案将基本用尽，以抵消剩余的难以解决的排放。如图BECCS技术的大规模建设将于2035年开始，并将产生2.33 -2.92亿吨的负排放。预计到2040年，负排放量将翻一番，达到4.26亿P30-L和P25-L情景涉及更严格的碳预算，预计BECCS将进一步发展，到2050年分别捕获1031和873 MtCO2。与此同时，生物质的使用将继续下降，直到BECCS的大规模发展，主要是由于农村地区传统生物质的直接燃烧减少。在所有生物质资源中，农林废弃物、动物粪便和城市垃圾将首先得到利用S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6471见图7。 (a)通过几种CCS技术捕获的CO2和（b）生物量的使用。2040年后，边际土地将需要用于种植能源作物，以提供足够的生物质资源。到2050年，70%的生物质将用于BECCS;相比之下，住宅部门的直接生物质复合材料几乎完全消失。除BECCS外，2035年后，部分现有燃煤热电厂将开始进行CCS机组改造，可减少碳锁定，规避转型风险，减少搁浅资产。在P30情景下，未来10年将有相当数量的燃煤电厂投入运行，到2050年，燃煤电厂的CO2捕集量将达到4亿吨左右，比P25情景下CCS在工业领域的应用将用于解决钢铁、水泥和弹药的碳排放nia生产，2050年捕获2993.3. 能源转型的成本和效益3.3.1. 边际减排成本与福利 损失碳中和目标给国家发展带来前所未有的转型压力。边际减排成本（MAC），即最优化模型中CO2的影子价格，可以综合过渡成本和对整个社会的影响（图1）。 8）。在2030年，P25和P30情景由于不同的减缓时间表而显著不同2030年后所有情景下MAC的平稳上升反映了随着减排率的上升，减少排放的压力越来越大2050年的排放将对整个时期的MAC产生全球影响，P30-L和P25-L情景下的MAC高于P30-H和P25-H情景下的早期的高峰见图8。(a)2030年至2050年的边际减排成本和（b）2020年至2050年的累积福利损失。2015年美元表示数据以2015年美元不变值计算，美元数据使用2015年官方汇率从国内货币转换而来S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6472·······将有助于减少MAC 31%（P30）和40%（P25），这表明更快实施行动的长期利益。在P30情景下，实现2030年的NDC目标将需要很少的努力（每吨CO2 5美元），但距离实现碳中和还很远。在P30-H下，MAC将在2040年增加到100美元tC O - 2 1，在P30-L下，MAC将在2035年增加到100美元tC O-2 1。 在P30-L情景下，MAC将在2050年进一步增加到超过200美元tCO-21。相比之下，P25情景在2030年将已经处于快速减少的路径上，MAC约为50美元tC O-21。 与P30-L类似，P25-L将在2035年达到100美元tC O-21的MAC，但随 后 的增长将放缓，2050 年MAC为184美元tC O-21。P25-H具有最低的转变压力，MAC在2045年之前不超过100USDtCO-2- 1，在2050年达到131USDtCO-2-1。福利损失是衡量转型成本的另一个指标。与关注减排难度的MAC不同，福利损失衡量的是减排对消费者和生产者的影响图8（b）显示，在2020-2050年期间，相对于实现NDC目标的基线情景，碳中和情景下的福利损失为9，470亿-1，173亿美元。2050年排放量较低的情景（P25-L和P30-L）的福利损失将比其他情景高17%3.3.2. 能源供应投资中国要实现中国 如图从现在到2050年，需要约6万亿美元的电力投资来支持电力系统的低碳转型，其中可再生能源约占90%。总的来说，不同的碳中和时间对电力部门总投资的影响不显著，而不同的碳排放峰值时间对电力部门总投资的影响显著未来十年是能源转型升级的重要窗口期P25情景涉及的平均年投资超过1700亿美元，而P30情景下的平均年投资纳里奥是不到120亿美元，最显着的差距是在风能和太阳能发电。P25情景（超过1.2万亿美元）将需要两倍于P30情景的风能和太阳能投资。如果在2030年之前没有采取强有力的行动，未采用CCS改造的热电也可能在未来十年继续快速部署，从而增加高碳锁定和搁浅资产的风险。2030年后，每年将需要超过2000亿美元的电力投资，如果没有CCS，火电投资几乎不会增加。从电力类型来看，风电和太阳能发电始终占据未来电力投资的大头，且份额逐年扩大。到2040年，核电投资将保持在年均100亿美元以上的投资规模，而由于资源禀赋的限制，水电投资从2030年开始将非常薄弱2030年后，对BECCS的投资将增加，在2050年排放量较低或2030年达到峰值为了吸收可再生能源，电化学储能、抽水蓄能和压缩空气储能将得到迅速发展。根据建模结果，到2050年，电力系统将需要近8000亿美元的储能投资，其中近30%将需要在未来10年内实现。3.3.3. 协同效应虽然能源转型需要大量的基础设施投资，并存在实际障碍，但它也为中国能源系统内外的可持续发展带来了许多好处内部利益是显而易见的，能源安全是最明显的。由于可再生能源大量取代化石能源，中国未来对石油和天然气的需求将迅速下降，从而提高中国的能源独立性。预计到2050年，中国将实现天然气自给，石油自给率将提高到60%以上。此外，大规模的可再生能源建设，特别是分布式太阳能发电，将大大提高能源可及性。虽然我们在未来二十年将经历发电成本图9.第九条。（a）按技术类型划分的电力投资和（b）2020年至2050年期间的电力投资总额S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6473由于可再生能源成本的迅速下降，2050年的发电量将接近甚至低于目前的水平。在能源系统之外，转型的重大共同利益是空气质量的改善在当前本地空气污染物减排努力保持不变的假设下，仅通过CO2减排行动，就可以实现SO2、NOx、PM10和PM2.5等空气污染物的大幅减排（图10）。二零二零年，大部分二氧化硫来自工业及电力行业。二氧化硫排放量将 从 2020 年 的 7Mt 减 少 到 2050 年 的 约 1Mt （ P30 ） 和 0.8Mt（P25）。工业部门将是减少二氧化硫的关键;电力部门的脱碳也将在2035年前产生重大影响，而需求部门的燃料替代将在2035年后发挥不可忽视的作用到2050年，工业和运输部门将成为最大的两个排放部门。二零二零年，超过一半的NOx来自交通运输行业，另有三分之一来自工业行业。随着燃油的逐步淘汰和电气化，与2020年相比，NOx由于交通运输和工业在排放中所占的比例如此之大，从2020年到2050年的30年中，几乎所有的减排都将来自这两个部门。到2050年，交通运输的排放量将增加到约三分之二，而工业排放量将略有增加，然后减少。PM10和PM2.5具有相似的减排途径和部门组成。于二零二零年，超过60%的微粒排放来自工业，其余大部分来自建筑业。在2020年至2050年期间，PM10和PM2.5排放量将减少约86%，而工业排放量的份额工业部门的减排在这一格局中发挥了关键作用，但不应忽视建筑部门的变化上述四种本地空气污染物在2025-2035年期间的排放量，在不同的高峰时段情况下会有相当大的差异。与P30情景相比，P25情景将在2030年分别减少21%，12%，15%和14%的SO2，NOx，PM10和PM2.5排放因此，尽管不同情景下的排放量将在2050年趋同，但及早采取行动将产生更多的近期效益。3.4. 敏感性分析累积碳排放量、碳排放达峰时间和碳中和时间是影响减排路径的三个关键参数上述结果的稳健性通过在2050年峰值排放和排放的每种情景下大量吸收具有恒定值的累积排放来进一步评估（图10）。11）。在2025年开始采取行动的所有尽管累计排放量的变化会导致煤炭消费量大幅波动，但据观察，在所有情景下，更严格的2050年排放目标将导致2035年煤炭消费量减少。2050年可再生能源发电装机容量的不同情景之间将实现高度一致，总装机容量在2.5%的范围内波动。在可以观察到的情况中，可以看到，可再生电力将得到更充分的发展，如果排放高峰更早达到，总容量将增加10%。到2050年，电力系统的脱碳将基本完成，可再生能源容量不超过3.5%由于更严格的长期减排目标，需要注意的增加。尽管BECCS技术的部署受到累积排放的强烈影响，但提前达到峰值将减少累积排放变化的影响，并限制对CDR技术的依赖由于到2050年，所有排放量都已经很低，因此所有情景都显示出对BECCS的巨大需求，其中P25-L和P30-L情景的部署率更高与CDR技术类似，MAC受累积排放变化的强烈影响更晚的排放峰值和更严格的2050年排放目标都将增加MAC，从而产生更大的过渡压力。尽早达到峰值有助于采取主动行动，实现长期减排目标。4. 结论和政策影响本文研究了中国针对中国现有的NDC和碳中和目标，我们设置了四个场景，即碳排放达峰和碳中和的中国电力行业脱碳将在短期内发挥关键作用碳中和目标将鼓励电力行业到2040年实现脱碳，随后将实现显著的负排放，以抵消需求行业的二氧化碳煤炭将在2040年前被大规模风能、太阳能和生物质能到2050年，太阳能和风力发电的容量将达到6.3-工业部门的排放量一直在减少，但建筑和运输部门的排放量在2030年之前将增加。需求部门将实现更高水平的加氢（近60%），氢在工业和运输部门得到扩大能源系统的深度脱碳将导致当地空气污染物排放迅速减少，对人类健康产生显著的协同效应在不同的碳排放达峰时间和碳中和时间设置下，我们观察到时间不确定性对投资、成本、可行性和技术要求都有影响在比较多个场景后，我们发现，中国有更多的时间来安排有序逐步淘汰燃煤发电和稳定部署可再生能源。虽然短期内可能会有更大的过渡压力，但从长远来看，这是最具成本效益的选择与此同时，到2050年的少量累积排放将减少本世纪下半叶许多负排放的需要。到2050年，四种情景中的本地空气污染物减少量将相似，但提前达到峰值将导致未来15年空气质量显著改善。2050年排放量的降低将增加减排的总体压力，这将导致可再生能源和负排放技术的更大扩张需求部门还将通过减少能源服务需求（增加福利损失）、使用高成本技术（大规模使用氢能）等方式对严格的排放限制做出响应。因此，我们根据我们的调查结果提供以下政策见解：(1) 中国应尽快采取措施，使二氧化碳排放量在较低水平上达到峰值(2) 可再生能源的高转化率对电力系统的供需匹配提出了挑战，S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6474见图10。二氧化碳减排对本地空气污染物减排的协同效应（左）以及P25-H情景下2020-2035年和2035-2050年期间部门减排量对本地空气污染物减排量S. Zhang和W. 陈工程14（2022）6475见图11。2035年煤炭消费量、2050年可再生能源容量、2050年BECCS捕获的CO2和2050年MAC的敏感性分析。每种情景的累积排放量相对于固定峰值排放水平和2050年排放水平增加或减少5%根据每个变量在基本情景下的平均值对结果进行归一化箱形图中的空心点是基本方案的值(3) 合理退出现有燃煤电厂，建立CCS试点产业，完善生物质开发产业链，为后期大规模开发BECCS做好准备，对中国具有重要意义(4) 中国必须倡导可持续的能源需求，加快电力和氢气在需求部门的渗透提高效率、燃料转换和减少需求至关重要。总体而言，我们的研究明确了中国未来能源向碳中和转型的方向重点介绍了脱碳的途径、缓解策略以及各部门面临的潜在挑战与此同时，我们的研究清楚地表明，中国正在采取的行动对于成功实施低碳转型至关重要今后，更多地考虑能源转型的权衡和共同利益将能够使评估对决策者更具指导意义和信息量。致谢本研究得到了国家自然科学基金（71690243和51861135102）、中华人民共和国科学技术部（2018 YFC 1509006）和世界银行集团（7202065）的资助遵守道德操守准则张舒及陈文英声明彼等并无利益冲突或财务冲突须予披露。引用[1] 政府间气候变化专门委员会。 全球升温1.5 °C：气专委关于全球升温比工业化前水平高1.5°C的影响及相关全球温室气体排放途径的特别报告，其背景是加强全球应对气候变化威胁、可持续发展和消除贫困的努力。日内瓦：政府间气候变化专门委员会; 2018年。[2] 《气候公约》。第1/CP.21号决定：通过《巴黎协定》。In：巴黎气候变化会议;2015年11月30日[3] 国际能源社世界能源观2020.次报告.巴黎：国际能源署; 2020年10月。[4] [10]何G，林J，Sifuentes F，刘X，Abhyankar N，Phadke A.可再生能源和储能成本的快速下降加速了中国电力系统的脱碳。Nat Commun2020;11（1）：2486.[5] HeG，Lin J，Zhang Y，Zhang W，Larangeira G，Zhang C，et al. 使中国能够快速、公正地摆脱煤炭。 One Earth 2020;3（2）：187-94.[6] WangR，Chang S，Cui X，Li J，Ma L，Kumar A，et al. 利用生物质混烧和碳捕获 与 封 存 技 术 改 造 燃 煤 电 厂 实 现 净 零 碳 排 放 ： 逐 厂 评 估 框 架 。 Glob ChangeBiolBioenergy 2021;13（1）：143-60.[7] 陆新，曹玲，王宏，彭伟，邢军，王胜，等。煤和生物质气化作为中国环境友好型发电的净碳负电源。Proc Natl Acad Sci USA2019;116（17）：8206-13.[8] 秦志，庄强，蔡翔，何勇，黄勇，江丹，等。中国生物质和生物燃料：生物能源资源潜力及其对环境的影响。Renew Sustain Energy Rev2018;82：2387-400.[9] YangQ，Zhou H，Bartocci P，Fantozzi F，Mašek O，Agblevor FA，et al. 生物质热解对中国2050年碳减排和可再生能源目标的贡献。Nat Commun2021;12（1）：1698。[10] Kang Y ， Yang Q ， Bartocci P ， Wei H ， Liu SS ，Wu Z ， et al. 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