时间: 2024-01-24 04:31:25 | 作者: 松香树脂
中国能源体系本质是一个高碳、高煤的系统。依据2019年能源消费数据，图1展示了我国的能源消费结构。可以看到，煤炭占能源总消费的57.7%，石油占18.9%，天然气占8.1%，水电、核电、风电等非化石能源占15.3%。而化石能源合计占84.7%，占能源总消费的绝大部分。IPCC的综合评估报告认为，化石燃料的使用是造成人为温室气体排放、导致全球气候变暖的主要原因。我国以碳基为基础的能源体系决定了其结构调整是实现二氧化碳减排的理想途径，如果以煤炭为主的能源结构未能发生根本性的变化，中国的碳排放也将难以得到有效控制。
同时，我国的电力生产仍然以燃煤火电为主。火电占比约为59.2%，风电、光电、核电等非化石能源发电占比近41%。各类电力的装机容量情况如图2所示，截至2019年底，水电装机容量为3.6亿千瓦、火电为11.9亿千瓦（包括煤电10.4亿千瓦、气电9022万千瓦）、核电为0.49亿千瓦、风电为2.1亿千瓦（陆上风电2.04亿千瓦、海上风电593万千瓦）、并网太阳能发电为2.0亿千瓦。
从发电量看，2019年，全国全口径发电量为7.33万亿千瓦时，全国非化石能源发电量为2.39万亿千瓦时，占全国发电量的比重为32.6%。全国全口径火电发电量为5.05万亿千瓦时，煤电发电量为4.56万亿千瓦时，其余为天然气发电、生物质发电等。可见目前的电力来源主要还是煤电，发电过程中煤炭的高比例使用意味着大量二氧化碳的排放。
目前实现碳中和目标的难点有以下三个。一是我国碳基能源比例过高，且其中大半为煤炭。高比例含碳能源的使用意味着高碳排放，因此加快推进对非碳能源的使用是减碳目标实现的重点。二是使用非碳能源可以实现减碳，但是没有达到碳中和即固碳效果。减少含碳燃料的使用应同时配合各类固碳方法，将二氧化碳重新纳入能源系统循环之中，这样才能更接近碳中和目标的实现。三是实现碳中和的各种技术成本居高不下，有待实现技术突破以降低成本。
通过节能实现减排可以分为两种方式：第一种是直接节能，即提高能源使用效率，尤其是碳基能源的使用效率，如降低煤电的度电煤耗、提高电器等用能设备的能源效率等；第二种是间接节能，即通过减少终端产品的需求、减少建筑建设、减少出行距离等间接降低对能源的需求。
实现发展方式的转变，使经济增长从依赖资源、能源的大规模投入转向依靠创新驱动，形成新的高附加值制造业和现代服务业，既是我国经济发展和产业升级的要求，也是建设生态文明、实现碳中和目标的必然要求。
低碳和非碳能源的发展，可以部分取代高碳能源，进而降低高碳能源主要是煤炭在总能源消费中的比重，从而有效减少二氧化碳的排放。低碳化石能源主要是天然气，包括煤层气、页岩气、石油气等非常规化石能源。水电和核电受制于本身的特点，发展空间受到一定的限制。
可再生能源是未来降低高碳能源使用和二氧化碳排放的主力，包括目前比较成熟的风电、光伏发电、地源热泵、生物质发电等，也包括尚需降低成本的光热发电、纤维素乙醇、生物柴油等。可再生能源的发展，将通过降低总体碳排放，大大减轻实现碳中和的压力。
化学碳循环是利用化学工业过程，把工业过程排放的二氧化碳捕集后合成为液体的醇醚化合物，一般为甲醇、乙醇、二甲醚。这三种醇醚化合物可以作为能源使用，其中甲醇含有较多的氢原子，还可以作为氢能的载体。通过这样一个循环过程，可以实现碳中和或者部分碳中和。如果这一过程使用的能源来自绿色电力如风电、光伏发电，这一过程就可以是碳中性的能源路径。要实现2060年碳中和的目标，需要同时结合生态改善和化学碳循环两大路径。
实现碳中和除了节能、能源转型、工业碳中和之外，生态固碳是重要的途径，这也是建设生态文明的重要方式之一。
生态固碳，就是通过森林、草原、湿地的植被和水体进行碳的吸收和固定。据简单测算，单纯靠森林吸收和固定二氧化碳，每10亿吨二氧化碳需要1000万平方公里的森林面积，而我国2020年二氧化碳排放总量预计达到80亿吨，这意味着单纯依靠固碳改善所需的森林种植面积已经超过了我国的陆地国土面积，因此通过生态固碳实现碳中和并不现实。但是，大规模森林恢复和建设是非常必要的，因为森林不仅能吸收固定二氧化碳，还能大量吸收各种气体污染物并改善大气质量，涵养水源，减少气候灾害和地质灾害，改善整体的生存环境和发展环境。
低碳、非碳能源的技术进步与产业发展，为我们提供了碳中和的多种技术路线。同时，对技术进步规律的把握也使我们可以预期，某些新型能源的成本将在前景期内下降到可以与高碳能源相竞争的程度，从而提供新的碳中和路径。
为模拟各种能源选择的碳排放和碳中和效果，我们利用中国社会科学院数量经济与技术经济研究所开发的中国能源系统模型（CEMS），把各种技术路径和其发展情景纳入总体能源系统，并进行情景分析。CEMS是使用系统动力学建模方法建立的综合能源情景分析预测模拟模型系统，它根据国家统计局的行业分类，对部分相近行业进行加总计算，根据对每一个行业需求和生产的预测和对该行业的技术进步前景预测，考虑行业的燃料替代，预测该行业对各种燃料的需求。将各行业的终端能源和燃料需求加总后，可推算对能源和燃料生产的需求以及其中的一次能源转化的能源和燃料需求，并最终得到能源和各种燃料的总需求。同时，根据对每一种能源形式的资源保障能力、生产能力、环境容量、技术进步特点的研究和判断，可预测各种能源的生产和供给，将其与能源需求相匹配后，可以计算出各种能源和燃料的总需求、总供给和进出口量。
在计算各种能源消费对应的二氧化碳排放和非能源工业过程二氧化碳排放之后，我们可以得到中国的总体二氧化碳排放。此外，CEMS也搭建了宏观经济模块，把人口、劳动力供给、投资、消费、国际贸易、国际能源价格等因素考虑进来，可以进行宏观经济增长预测。
体考虑的能源选择情景包括：（1）灰氢、蓝氢、绿氢的不同氢能发展组合；（2）基于碳基燃料制备甲醇的情景和燃料替代；（3）能源转换：甲醇、氢能与煤炭、燃油、电能的替代；（4）一次能源电力的发展情景和对化石能源电力的替代；（5）各产业的节能潜力。
氢能是近年来备受关注的新型能源。作为能源，氢气有两个极具竞争力的特征：高能量密度，单位质量的热值约是煤炭的4倍、汽油的3.1倍、天然气的2.6倍；可存储且无碳，相比电力可以实现跨时间及地域的灵活运用。氢气可广泛从水、化石燃料等含氢物质中制取，但能够提供全程无碳的技术路线是有限的，同时它的密度低，存在储存与运输上的难度。
绿氢可以通过可再生电力或核能来生产，但受制于可再生能源发电成本；蓝氢可以由煤或天然气等化石燃料制得，同时可将二氧化碳副产品捕获、利用和封存（CCUS），从而实现碳中和；灰氢可以由以焦炉煤气、氯碱尾气为代表的工业副产气制取，但可利用规模偏小仅适合市场启蒙阶段使用。
日本的氢能研究起步较早，1973年就开始开展氢能生产、储运和利用相关技术的研究，并得到财政支持。2013年5月，《日本再复兴战略》把发展氢能提升为国策。2014年制订了“第四次能源基本计划”，将氢能定位为与电力和热能并列的核心二次能源，明确提出要加速建设和发展氢能社会。2017年12月26日，日本发布“氢能源基本战略”，确定了在2050年建立氢能社会和到2030年的具体行动计划。日本的战略目标包括：到2030年实现氢能发电商业化，以削减碳排放并提高能源自给率。
1990年，诺贝尔奖得主化学家乔治·欧拉（George A.Olah）提倡发展甲醇经济，实际上甲醇作为燃料的应用要更早。甲醇是用于热机和燃料电池的燃料。由于其高辛烷值，燃料汽车（包括混合电动汽车和插电式混合动力汽车）无须更换现有的内燃机（ICE）即可直接使用。甲醇也可以被用作燃料电池中的燃料，可直接在甲醇燃料电池（DMFC）中使用或间接（重整成氢气并进行转换）使用。
同时，甲醇作为化工原料已经进行了大规模的应用，用于生产各种化学产品和材料。甲醇生产的原料来源十分广泛，包括化石燃料（天然气、煤、油页岩、油砂等）、农产品和城市废物垃圾、木材和各种生物质。更重要的是，它还可以利用被化工过程回收的二氧化碳，包括发电厂或水泥厂和其他工厂排出的废气来生产，国际碳回收公司（Carbon Recycling International，CRI）已经在其首个商业规模的工厂中证明了这点。如果能够实现低成本地从大气中捕获和回收二氧化碳生产甲醇，就可以实现化石能源真正意义上的碳中和。
与氢的生产一样，甲醇的生产路径也存在化工甲醇与绿色甲醇之分，此外，中国也在大量进口甲醇。化工甲醇并非都作为燃料甲醇，很多还是回到化工过程作为原料投入。在我们的模拟中，化工甲醇的20%作为燃料，其他80%作为化工原料回到工业生产之中；绿色甲醇是使用二氧化碳和绿色电力合成的甲醇，它所使用的电力是来自风电、光伏发电中没有实现上网的部分弃风弃光电力，而这部分弃风弃光电力并未进入电力生产统计。为方便研究，本次模拟中进口甲醇都作为燃料使用。由于目前尚没有大规模的规范意义上的绿色甲醇生产，所以模拟假定绿色甲醇现有规模约为1万吨，在技术成熟和市场导入之后，中等方案到2030年约为32万吨，到2060年达到约3900万吨。同时，进口甲醇2030年约为2700万吨，2060年约为5800万吨（见图4）。相应地，燃料甲醇2030年约为4000万吨，2060年约为11000万吨。
甲醇作为液体能源，可以用作交通工具的燃料替代汽油和柴油，也可以作为工业和民用的液体燃料用于各种锅炉和工艺过程。在模型中，我们对这三种用途各赋予1/3的权重。
对于氢能，我们设置了三种用途：第一种用途是作为交通燃料，主要是作为氢燃料电池替代汽油；第二种用途是作为交通燃料替代柴油；第三种用途是用作储能装置的动力，成为未来家庭和商用设施的部分电力来源，这部分电力将减少化石能源电力的需求。
电动汽车近年来也取得了长足的发展，无论是美国的特斯拉还是中国的各种电动汽车以及以日本丰田为代表的油电混合动力汽车，都为电动汽车的发展带来了巨大的商机。为简化模型，我们没有模拟未来电动汽车的发展趋势，而是给定了一个替代燃油的增长比例作为情景（见图5）。我们预计，到2060年，交通部门燃料需求中的汽油（包括运输部门和家庭汽车），在原有基础上的20%被电动汽车所替代。此外，还有部分汽油和柴油被氢燃料电池的氢能、甲醇燃料所替代。由图6和图7可以看出，由于我们没有设定电能对柴油的替代，所以汽油和柴油在整体替代后的差距是不一样的。
从我国经济特点看，2030年之前实现碳达峰不难，但是在其后30多年内实现碳中和难度较大。以30年的时间实现能源结构从高碳到碳中和的转变，毫无疑问将对经济结构形成巨大的冲击，尤其是以高碳化石能源为基础的石油石化电力将有大量的产能需要废弃或者转型。因此，需要找到一条碳基能源的碳循环利用路径，才能避免能源结构转型对经济的负面影响。为实现2060年之前碳中和的目标，需要在2030年之前实现非碳能源和碳中性能源比例达到50%以上，才能为实现碳中和创造条件，否则2030年就难以实现碳达峰。因此，需要尽快实现碳达峰，最好在当下即实现碳达峰，次优是2025年前后实现碳达峰，这样将降低之后经济调整的难度，减轻对经济运行的冲击。
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