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问题：中国2060碳中和能源系统转型路径研究
作者：罗仕华 胡维昊 刘雯 张真源 白春光 杜月芳 黄琦 陈哲
期刊：《中国科学：手艺科学》24年1期
摘要
面临全球天气一连变暖的压力 ，我国提出“2030年碳达峰、2060年碳中和”双碳目的。然而 ，怎样在经济增添和碳减排之间的矛盾下实现能源系统碳中和转型将是亟待妄想解决的现实问题。本文针对多环节、多部分综合能源系统 ，思量可再生能源潜力、终端部分节能与电气化潜力、非能源历程碳排放等因素提出碳中和能源系统妄想要领系统。以中国能源系统为例 ，本文基于碳中和能源系统妄想要领系统 ，构建参考路径和低碳转型的2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径 ，探索至2060年实现碳中和目的的可行性及所需的手艺支持和本钱要求。就能源供应和手艺应用而言 ，在迫近所有可再生能源潜力和节能潜力等条件下 ，中国能源系统能在2060年甚至之前实现2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径妄想下所有减排目的。研究效果也批注 ，能源系统低碳转型有助于提升未来系统经济性。比照参考路径 ，2°C路径和1.5°C路径在2060年能源系统总整天职别下降19.2%和21.1%。碳中和路径虽然大规模引入可再生能源和碳捕集等手艺 ，但其总本钱仅为参考路径的86.4%。别的 ，本文还针对生物质使用、跨部分协同支持手艺应用和碳捕集手艺应用等要害问题举行详细探讨。总而言之 ，本文提出的碳中和能源系统妄想要领系统可用于恣意地区构建低碳转型路径 ，为告竣碳减排目的提供了可靠有用的支持。
要害词
碳中和 ，中国能源系统 ，能源系统妄想 ，可再生能源 ，低碳转型
1小序
自工业时代起 ，化石燃料消耗量逐年大幅增添 ，随之而来的CO2排放使全球日趋变暖。现在 ，国际社会对由大宗CO2排放带来的危害已形成基本的共识 ，并逐渐重视减排事情[1 ，2]。因此 ，节能减排、循环经济已成为未来绝大大都国家生长目的。
随着经济总量迅速增添 ，我国CO2排放量自2005年起逾越美国位居全球首位。2019年 ，我国碳排放量抵达98.3亿t ，占全球总排放量的28.8%[3]。面临碳排放的增添压力 ，我国一直致力于国际碳减排事务 ，起劲推进并推行各项天气转变允许 ，如2009年哥本哈根协议[4]和2015年巴黎协定[5]。在2020年团结国大会和天气雄心大会上 ，我国又提出“碳达峰、碳中和”目的 ，即在2030年前碳排放抵达峰值、2060年左右实现碳中和[6]。然而 ，现下重大的碳排放和未来坚定的减排目的 ，迫使我国必需在能源结构和手艺应用等方面举行强有力的转型与升级。
在经济一连增添和生涯水平一直提高的配景下 ，我国未来能源需求预计将一连增添。若仍延续以煤炭为主导的能源结构 ，CO2排放量将随之大幅上升 ，这显然与我国提出的一系列雄伟减排目的南辕北辙。因此 ，怎样在面临经济增添与碳减排之间重大矛盾的地区实现低碳转型 ，以及这种转型在各终端部分中将怎样泛起 ，及其对能源、手艺、情形和经济等方面将造成怎样的影响 ，是在实现碳中和目的历程中亟待研究的要害问题。
为探索低碳转型路径 ，海内外学者以差别地区为依托开展许多能源系统妄想研究。就研究工具而言 ，能源系统妄想研究一样平常遵照从单部分到多部分、从电力部分到电力部分团结其他终端部分的纪律。作为全球规模内能源消耗和CO2排放的主要孝顺者 ，电力部分是能源系统运行的基础 ，也是低碳妄想实验的重点。文献[7]兼顾电力供应中水电和风电季节性互补特点 ，对实现可再生电力部分的低碳途径举行探讨；类似地 ，文献[8]将储能作为主要研究目的 ，评估以储能方法为主要支持的电力部分在低碳转型中经济性提升的可能。然而 ，随着现实中电力部分与其他终端部分的相关性和整体性越来越受到重视 ，能源系统妄想研究的工具往往不但限于电力部分 ，而是更多地关注多终端部分之间的互补协调。仅从研究中包括的终端部分来说 ，文献[9~11]就划分从电力-供热部分、电力-交通部分和电力-工业部分的视角剖析各终端部分之间的互补联系 ，以能量流动和先进手艺为纽带 ，研究多部分团结下可再生能源整合、低碳手艺应用等对能源系统带来的影响。因此 ，思量了多终端部分团结的能源系统妄想虽然需要顾及部分间耦合和互补下的多重因素 ，但其对能源系统整体的评估和研究是更为详尽、准确的 ，这同样也是建设清洁高效能源系统的一定要求。然而 ，现在思量综合能源系统(即包括电力、供热、交通和工业部分在内)的能源系统妄想研究仍较少。
就研究目的而言 ，现当下的大部分能源系统妄想研究都集中在CO2减排 ，着重于通过设定减排目的来构建低碳转型路径。随着减排预期逐步深入 ，100%可再生能源目的成为能源系统妄想研究关注的热门 ，天下大部分国家、地区都被作为研究工具。表1总结以CO2减排为目的的典范能源系统妄想研究。
从典范研究可以看出 ，目今能源系统评估与未来能源系统构建是能源妄想研究中至关主要的两个组成部分。在目今能源系统评估这一部分中 ，资源潜力评估已获得普遍重视 ，但针对各个终端部分节能潜力(部分内可实现节能的能源需求量)和电气化潜力(部分内可由电力供应的能源需求量)界定和评估较少[12~14 ，16~18]。在未来能源系统构建部分中 ，之前的能源妄想研究关注接纳以风力、太阳能(4.140, 0.02, 0.49%)为主的可再生能源来替换对化石能源的需求。与此同时 ，这些研究文献缺乏对能效提升步伐[12~14]、跨部分协同支持手艺[22~25]等要领的思量 ，而这些步伐和手艺都具备助力减排的潜力 ，应在未来能源系统的构建中对它们的角色和作用举行更深入的剖析。
别的 ，大大都以零碳排放为目的的能源系统妄想研究[20 ，26]使用可再生能源对古板化石能源的替换实现能源结构中100%可再生能源供应 ，从而抵达将能源运动中的碳排放降到零的目的。这些研究忽视了工业历程 ，如水泥生产和化工工业等非能源运动中爆发的碳排放。碳中和意味着在一准时间内直接或间接爆发的CO2排放量被降低到零 ，这相较100%可再生能源目的对CO2减排提出了更高的要求。而针对非能源运动碳排放举行削减及该历程对能源系统转型造成的影响仍未获得重视。
为解决以上问题 ，本研究提出基于综合能源系统的碳中和能源系统妄想要领系统 ，兼顾上述目今能源系统评估与未来能源系统构建两部分的主要因素。该系统具有普遍适用性 ，既可用于在恣意地区量化评估种种手艺和政策对能源系统低碳转型带来的影响 ，又能妄想探索外地能源系统告竣碳中和目的的可行路径。本研究以我国能源系统为例 ，通过碳中和能源系统妄想要领系统详细探讨至2060年在中国实现碳中和目的可能性及响应所需手艺支持和本钱要求。本研究主要孝顺总结如下。
(1)本研究提出了包括能源系统数据网络、低碳转型路径构建、能源系统建模拟真和能源系统评估剖析等办法的碳中和能源系统妄想要领系统。
(2)本研究基于所提出的碳中和能源系统妄想系统 ，探索我国至2060年实现碳中和目的的可行路径 ，定量剖析差别低碳转型路径在能源、手艺、情形和经济等方面的影响。
(3)本研究中的碳中和能源系统妄想要领系统可用于其他恣意地区 ，为思量多部分、多环节的能源系统低碳转型提供支持。
本研究的详细结构如下:第一节是小序部分；第二节展示碳中和能源系统妄想要领系统 ，并基于此剖析我国能源系统现状和构建低碳转型路径；第三节从能源、手艺、情形与经济等多角度剖析差别路径效果；第四节和第五节为讨论与结论。
2碳中和能源系统妄想要领系统
2.1剖析框架和详细办法
碳中和能源系统妄想要领系统由4个部分组成 ，其剖析框架和详细办法如图1所示。首先 ，通过能源系统数据网络整理 ，实现对能源系统现状的概述。其中 ，能源系统数据主要包括能源需求数据、小时级漫衍数据、种种手艺容量与效率数据、本钱数据和资源潜力数据等。其次 ，低碳转型路径构建 ，即基于政策导向或排放目的构建低碳转型路径.该办法包括能源需求展望和差别路径中的详细手艺妄想等。
基于前两步的网络和假设 ，第三步将对转型路径下能源系统情景建模拟真。最终 ，通过能源、情形和经济视角下评估指标对转型路径的能源需求供应、手艺支持、CO2减排和本钱要求等方面举行比照剖析。本节以下将以我国能源系统为例展示该要领系统。
2.2中国能源系统现状
如2016年的中国能源�；�(Sankey)图所示(图2)[27] ，在我国能源消耗结构中 ，煤炭占有主导职位 ，约占所有能源消耗量的70%。其次为油类和自然气 ，其中凌驾65%油类资源依赖入口。从发电与供热能耗结构来看 ，两者皆以燃煤为主。只管可再生能源在已往10年中获得快速生长 ，但其占比仍较低 ，其中以水电、风电、核电和太阳能发电为代表的非化石能源电力划分为总发电量的19.4%、3.86%、3.47%和1.08%。
可再生能源潜力界定是构建转型路径和能源系统情景的基础。我国种种可再生能源资源富厚 ，凭证天下水力资源视察 ，中国水电装机容量理论可开发潜力为694GW ，年发电量理论潜力超6000TWh[28]。同时 ，我国具有富足海上和陆优势力资源 ，据风力资源统计与研究[29 ，30] ，风电装机容量可开发潜力达近3000GW ，年发电量理论潜力预估为4000~5000TWh。别的 ，我国太阳能富厚地区占领土面积的96%以上 ，太阳能发电装机容量理论潜力为4000~39300GW ，年发电量理论潜力达1300~6500TWh[31 ，32]。
在核能、地热能和生物质能领域 ，我国现在核电机组装机容量超50GW ，年发电量占比近5%。依据我国核电站生长趋势与相关研究[33 ，34] ，本研究预估我国核电机组装机容量潜力达500GW。凭证领土资源部数据 ，我国地热能潜力极为富厚[35] ，本研究设定地热发电装机容量潜力为100GW。关于生物质能源 ，其在我国的主要泉源为农林剩余物和人畜有机放弃物。凭证现有文献报告[36 ，37] ，我国境内生物质资源潜力总量可达4720TWh。由于生物质发电与化石燃料发电类似 ，其潜力限制主要体现在资源总量上而非装机容量。因此 ，本研究生物质资源潜力以总量的形式泛起。表2中给出我国种种可再生能源和核电的资源潜力。本研究将基于该潜力约束为未来能源系统中种种能源使用设定上限。
现在已有文献和行业报告睁开终端部分节能潜力研究[38 ，39] ，本研究基于上述研究效果和我国终端部分现状假设各部分节能潜力 ，如表3所示。凭证国网能源研究院等专业机构研究[40] ，我国能源系统的终端电气化率将达50%以上 ，其中 ，供热部分、交通部分和工业部分最大划分可达75%、35%和57%(表3)。
2.3低碳转型路径构建
向低碳能源系统转变主要涉及四方面手艺厘革:(1)节能手艺引入；(2)手艺效率提升；(3)可再生能源手艺替换；(4)跨部分协同支持手艺应用。因此 ，本研究将从手艺升级和厘革角度出发 ，以减排目的为导向建设恒久能源系统低碳转型路径。
详细比照构建路径的减排目的 ，许多文献以相较1990年减排80%以上等目的来构建外地能源系统转型路径 ，如意大利[41]、丹麦[42]和美国加州[43]等�Ｋ剂康酱死嗉跖拍康� ，本研究参考相关报告[44 ，45] ，凭证《巴黎协定》中全球控制2°C温升目的和更进一步的1.5°C温升目的下我国在2060年应抵达的碳排放水平 ，设置2°C路径和1.5°C路径。别的 ，外洋许多文献以零碳排放为目的构建转型路径 ，涉及国家和地区席卷爱尔兰[46]、日本[47]和北美地区[48]等。本研究基于我国双碳目的 ，团结零碳假设设置碳中和路径。以上文献中转型路径的目的比照详见附录A。
2.3.1终端部分能源需求展望
能源需求与经济运动、生齿数目、能源强度与结构等因素息息相关。从蓬勃国家能源需求转变趋势来看 ，电力和供热部分的需求增速将随国家生长而稳固在0~1%区间 ，交通部分能源需求受都会化水平影响较大 ，在都会化达上限后基本坚持稳固。工业部分能源需求则与行业政策、工业结构联系更为细密。
本研究接纳弹性系数法展望未来终端部分能源需求 ，思量生长阶段、GDP增速等因素为各部分设置差别弹性系数[49 ，50] ，各终端部分展望效果见图3。
展望批注电力与供热部分需求于2050年左右抵达峰值 ，划分抵达14.28和2.14PWh。交通部分能源需求于2040年左右达峰 ，为3.69PWh。工业部分则在2030年左右达峰 ，为14.2PWh�？梢钥闯� ，电力和供热部分需求的转变趋势为恒久上升后平缓回落 ，而工业部分能源需求下降趋势最为险要。
2.3.2参考路径
基于现有能源妄想和政策、延续能源消耗惯性 ，本研究建设参考路径。从2016~2060年每隔5年设置能源系统场景 ，各场景的部分能源需求均参照本节中需求展望值设置。供热、交通和工业部分延续以古板化石能源为主的能耗结构。电力部分则维持火电比例。该路径节能和电气化比例如图4所示。
针对非能源历程中碳排放 ，本研究假设该部分CO2排放增速与未实验节能步伐前的工业部分能耗(反应工业规模)增添速率成正比。因此 ，预估非能源历程CO2排放在2030年抵达8.8亿t ，在2050与2060年划分抵达6.1亿t与5.03亿t。参考路径差池非能源历程CO2接纳步伐减排。
2.3.32°C路径
本研究基于《巴黎协定》全球控制温升2°C目的建设2°C路径.若以在2060年前实现2°C温升目的为导向 ，预估我国2060年CO2排放总量要降低至40亿t以下.类似于参考路径 ，2°C路径从2016~2060年每隔5年设置能源系统场景。
在供热部分 ，减排目的倒逼下将越发着重集中供热(district heating ，DH)方法 ，而非个体供热(individual heating, IH)方法�；诤Ｄ贒H推广政策和外洋供热系统远景[51 ，52] ，预估我国在2060年将形成由DH方法为主 ，IH方法为辅的供热系统。热泵(heat pump ，HP)、工业余热等低碳手艺将成为未来供热手艺结构焦点 ，燃煤、燃气锅炉与热电联产(combined heat and power ，CHP)占比下降。
交通部分低碳化取决于对古板燃油的取代 ，而这将通过使用电动交通工具(electric vehicles ，EVs)知足客运和轻量级货运 ，使用生物质燃料(biofuel vehicles ，BVs)[53 ，54]和氢燃料电池交通工具(hydrogen fuel-cell vehicles ，HFCVs)[55]知足其他货运方法来实现。在减排目的倒逼下 ，交通部分将实现更深入的运输结构调解[48]和化石燃料替换。
工业部分可接纳以可再生电力为支持的电气化步伐 ，如钢铁行业中电炉钢、电解法炼钢等和化工行业中电解等生产路径 ，和接纳高效手艺来抵达能源需求降低目的。显然 ，节能和在各终端部分中有差别的体现 ，如供热部分中的修建节能刷新、交通部分中的运输结构调解、工业部分中的工业结构优化[56]。电气化则体现为供热部分HP和电加热手艺、交通部分EVs、工业部分电炉等手艺。在2°C路径减排目的倒逼下 ，各终端部分的节能比例和电气化比例如图5所示。
在电力部分中 ，从差别发电手艺装机容量来看 ，2°C路径水电、风电、太阳能发电等在2060年的装机容量相较参考路径将显著提高。
本研究中妄想的2°C路径分为两个主要阶段:碳达峰与快速脱碳阶段。碳达峰阶段中清洁能源生长和能源消耗行为转变；快速脱碳阶段旨在降低能源消耗强度 ，快速降低碳排放。
2.3.41.5°C路径
1.5°C目的在2°C温升目的的基础上更进一步 ，即2060年CO2排放总量需降低至15亿t以下。
在供热部分中 ，相较于2°C路径 ，1.5°C路径除了继续扩大DH方法比例、降低种种供热方法中燃煤锅炉等占比外 ，还接纳以生物质为燃料的锅炉和CHP来提供热力。别的 ，在深化修建节能刷新和节能水平的配景下 ，供热部分节能比例上升。
交通部分中大幅提高EVs在交通工具中占比 ，为与电力部分的跨部分协同支持手艺提供空间。1.5°C路径接纳电动汽车供电电网手艺(vehicle to grid ，V2G)[57]以车载电池和充电桩等设施作为电力存储和传输基础 ，实现电力和交通部分毗连。与此同时 ，交通部分中BVs和HFCVs比例提高。
工业部分的节能比例和电气化比例在减排目的倒逼下提高 ，增强工业内部结构优化和手艺刷新.1.5°C路径的工业部分中使用生物质能源替换古板化石能源。在节能与电气化潜力约束下 ，1.5°C路径各终端部分的节能比例和电气化比例如图6所示。别的 ，1.5°C路径将针对非能源运动碳排放引入碳捕获与封存手艺(carbon capture and storage ，CCS)[58 ，59]。
显然 ，各终端部分电气化提高和碳捕集手艺的大规模引入将造成电力需求上升。1.5°C路径下电力部分比上述路径对非化石能源电力比例要求更高。水电在2060年的装机容量上升 ，尤其重视开发具备季节以上调理作用的水库水电潜力。风电和太阳能发电装机容量将提高至迫近其理论可开发潜力。
本研究中妄想的1.5°C路径分为两个主要阶段:碳达峰与快速脱碳阶段。碳达峰阶段铺垫能源消耗看法转变与可再生能源手艺引入；快速脱碳阶段则快速降低碳排放。
2.3.5碳中和路径
碳中和路径的建设是为实现2060年CO2排放为零。在本研究中 ，碳排放为零被界说为在思量碳抵消情形下 ，将能源系统CO2净排放降低至零。
碳中和目的倒逼下的供热部分将迫使部分内节能比例和电气化比例抵达最大值 ，且扫除所有以古板化石能源为燃料的供热手艺。这意味着将由电热手艺(包括HP和电锅炉等)和生物质热手艺(包括锅炉和CHP等)组成供热手艺系统。其中 ，以电热手艺和储热手艺为纽带的协同手艺毗连电力和供热部分。
交通部分的节能比例和电气化比例抵达最大值 ，种种运输模式中EVs大面积普及 ，V2G毗连电力和交通部分的能力扩大。交通部分不可电气化的能源需求将由BVs和HFCVs知足 ，同时 ，仅在难以脱碳部分 ，如航空运输等少量领域 ，保存少许燃油需求。
工业部分节能和电气化水平也需提升至最大潜力 ，电气化后的剩余能源需求由生物质和氢能配合知足。在工业部分中 ，电解氢和储氢作为跨部分协同支持手艺毗连电力部分与交通部分 ，为可再生能源提供更富足的整合空间。图7展示了碳中和路径终端部分的节能比例与电气化比例。
电力部分的碳中和转型至关主要 ，包括水电、风电、地热能和太阳能发电在内的可再生能源电力在2060年装机容量均需显著提高。别的 ，为充分知足电力需求 ，以生物质为燃料的发电厂和CHP在碳中和路径电力部分获得应用。
值得注重的是 ，碳中和路径将只管减小2060年的碳捕集需求 ，使以CCS手艺为代表的碳捕集手艺在我国碳封存潜力有限的配景下具备较高的可行性。碳中和路径仅接纳碳捕集手艺来处置惩罚终端部分难以脱碳领域的部分排放和非能源历程中的碳排放。
本研究中妄想的碳中和路径分为三个主要阶段:碳达峰、快速脱碳和深度脱碳阶段。碳达峰阶段中实现碳达峰并尽早达峰；快速脱碳阶段在这一阶段快速降低碳排放 ，并大规模引入可再生能源；深度脱碳阶段思量碳捕集手艺 ，在各终端部分节能、电气化和可再生能源资源基本开发的基础上 ，进一步牢靠碳减排效果。
相较于其他针对我国低碳转型路径的研究[60~63] ，本研究关注从“智能能源系统”(smart energy system ，SES) ，即强调跨部分协同支持手艺和种种储能手艺的视角来构建转型路径。既以“自下而上”的角度敌手艺或政策引起能源、经济和情形等方面的影响举行详细剖析 ，又从“自上而下”的角度基于碳排约束来倒推能源系统中的能源消耗和手艺应用。
2.4能源系统建模拟真
2.4.1能源系统建模工具
转型路径构建历程对能源系统的建模与仿真提出了更高的要求:(1)需要包括供热、交通、工业和电力等多部分 ，及种种可再生发电和供热手艺 ，如电力部分中风电、水电、太阳能和地热能发电等 ，供热部分中HP、CHP、太阳能供热和储热等 ，交通部分中EVs、BVs和HFCVs等；(2)需要以较小时间区分率针对电和热的供需平衡举行长时间标准上的仿真 ，实现对电、热和氢能量流动的定量剖析；(3)需要探索跨部分协同支持手艺和碳捕集手艺等先进手艺在未来能源系统中的实验空间和应用效果 ，为高效清洁能源转型先进手艺的应用提供可能。
为知足上述要求 ，本研究接纳EnergyPLAN模子对各路径能源系统情景仿真剖析。该模子现在已被普遍接纳 ，目的主要集中在:探讨新兴可再生能源手艺可行性[64 ，65]、评估和制订低碳政策与计划[66 ，67]、构建地区和国家层面低碳能源系统[68 ，69]等。图8中给出了EnergyPLAN模子结构示意图。
2.4.2能源系统数据输入
能源系统仿真所需数据主要包括手艺数据和经济数据。手艺数据为终端部分能源需求、发电和供热手艺的装机容量与效率等 ，以及各手艺小时级漫衍数据。经济数据包括各项手艺投资本钱、运行维护本钱和寿命周期 ，种种燃料(包括煤炭、汽油、柴油、自然气和液化石油气等)的价钱、电价等。
本研究以2016年为基准年 ，并以2016年能源系统为参考能源系统 ，能源系统模子的建设依赖手艺和经济等数据输入 ，所用手艺和经济数据均来自相关统计年鉴、报告和文献。参考能源系统中各项数据及其对应的详细泉源展示在附录表B1中。至于未来手艺经济数据 ，本研究在现实手艺本钱和相关文献报告的基础上 ，凭证手艺学习率对其举行展望与假设。中国在2016与2060年各项手艺投资本钱、运行维护本钱和寿命周期如附录表B2所示 ，种种燃料价钱和碳价等如附录表B3所示。
2.4.3参考能源系统验证
为验证接纳EnergyPLAN模子对能源系统仿真的有用性 ，本研究用EnergyPLAN模子将参考能源系统仿真效果与真实数据举行比照。比照指标中包括种种发电手艺发电量、种种供热手艺供热量和一次能源消耗量等。别的 ，指标中包括CO2排放量以证实该模子能够完整有用地仿真综合能源系统。针对参考能源系统的比照验证效果在附录C中展示 ，一次能源消耗量、CO2排放量和别离艺的发电、供热量比照划分见附表C1和C2。
3效果
3.1能源手艺剖析
基于转型路径构建与各能源系统场景的效果 ，各低碳转型路径下能源总消耗量如图9所示。
从能源消耗总量来看 ，在三条转型路径中 ，2°C路径和1.5°C路径都基本在2030年左右达峰 ，碳中和路径则在2025~2030年之间达峰 ，切合各路径设置的排放达峰目的。随着节能水平逐年提高和能源效率提升 ，各路径能源消耗量泛起一直下降的趋势。与各路径内能源消耗量达峰年份相比 ，2060年能源消耗量均泛起极大比例缩减:2°C路径下降35.1% ，1.5°C路径下降39.4% ，碳中和路径下降36.7%.这意味着低碳转型目的将迫使未来能源消耗一直缩减 ，其能源使用也更为清洁高效。
横向比照各路径 ，碳中和路径2060年的能源消耗量仅为2°C路径下的86.9% ，1.5°C路径下的89.3% ，这是由于碳中和路径自2030年始对终端部分接纳强度、力度更大的节能步伐。该路径中能源消耗总量下降趋势较为平缓。2°C路径和1.5°C路径则由于节能步伐实验较晚 ，达峰后降低需求的压力也更大。
就种种能源在能源总消耗中所占比例而言 ，表4中详细展示低碳转型路径在2016、2030和2060年下分品类能源消耗结构。在2016年 ，古板化石能源在我国能源消耗结构中占有主导职位 ，非化石能源占比仅6.1%。由于排放目的差别 ，各转型路径下化石能源占比均下降但缩减速率因路径而异。以煤炭为例 ，相较于基准年 ，其于能源消耗中占比在2060年2°C路径下降49.76%、1.5°C路径下降64% ，碳中和路径降低至0%.与之相反 ，非化石能源占比到2060年在参考路径仅17.7% ，但其在2°C路径上升37.7% ，抵达55.4%；在1.5°C路径上升62.7% ，抵达80.4%；在碳中和路径上升78.3% ，抵达96%。显然 ，效果显示 ，随着减排目的的逐渐深入 ，能源结构中非化石能源占比也更高。在以碳中和为目的的场景中 ，非化石能源占比将恒久处于较高水平并一连稳固上升 ，才华在2060年左右告竣该减排目的。
由于各路径的减排目的差别 ，各转型路径中终端部分的能源结构之间也保存较大差别。参考路径和所有低碳转型路径下2060年分部分分品类能源消耗构私见图10~图13。同样地 ，各终端部分的非化石能源占比随减排要求一直提高。从部分漫衍来看 ，电力和供热部分是较易实现低碳减排的终端部分 ，交通和工业部分则因其部分行业对燃油等化石能源的特殊依赖 ，实现非化石能源供应程序稍滞后。以1.5°C路径为例 ，在实现1.5°C温升目的的条件下 ，2060年电力部分解石能源占比降低至9.3% ，而交通和工业部分仍保存近30%的化石能源供应(图12)。
横向比照低碳转型路径 ，从各路径2060年终端部分的能源组成来看 ，在2°C和1.5°C温升这两个减排目的之间保存部分能源使用偏好剧变的节点。2°C路径下终端部分中仍坚持以煤炭、油类为主的能源结构(供热部分50%、交通部分71%、工业部分65%) ，而1.5°C路径要求其部分内煤、油此类含碳量高的化石能源供应大幅下降 ，转变为以非化石能源为主的能源结构。相较而言 ，碳中和路径对终端部分能源结构的要求最高:电力部分解石能源占比为3.6%、供热部分0%、交通部分5.2%和工业部分0%(图13)。因此 ，比照参考路径 ，碳中和目的倒逼下的各部分能源使用偏好和供应结构已殊为差别。
细化到每个部分 ，能源结构的改变可归因并详细体现于终端部别离艺厘革。参考路径2060年煤电、气电等发电量达7.8PWh ，电力部分消耗的化石能源占比74.9% ，是参考路径碳排放的一大泉源。而在2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径中 ，电力部分解石能源占比缩减为21.2%、9.3%和3.6%。以风电、水电和太阳能发电为主的可再生能源电力和核电、地热能等为辅的发电手艺占比提升是电力部分中化石能源消耗下降的主要缘故原由。图14展示了参考路径和各转型路径在2060年分品类的发电装机容量。
从装机容量来看 ，为知足一直扩大的减排目的 ，电力部分发电装机容量总量逐步上升。参考路径、2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径2060年总装机容量划分为4564、6544、7674和9009GW。非化石能源可再生发电装机容量占比应减排要求增添 ，从参考路径中57%提高到碳中和路径中近95%.1.5°C路径和碳中和路径下水电、风电等部分可再生电力的装机容量占比相比之前的路径有所下降 ，但这是由于1.5°C路径和碳中和路径中总装机容量增添较快 ，现实上1.5°C路径和碳中和路径中响应可再生电力的装机容量均高于前两条路径。
显然 ，碳中和目的要求更高的发电装机容量和其中更大的非化石能源电力占比 ，该路径下的风电、水电和太阳能等发电手艺装机容量均迫近了潜力限制�Ｋ剂康脚访薣70]、美国[71]和韩国[72]等国家或地区增进可再生能源的政策履历 ，继续深化“十三五”、“十四五”时代电力妄想和各地对可再生电力的帮助、津贴(如广东拟于2025年前新能源装机达103GW[73]、上海拟于2025年前碳达峰[74]等) ，是包管可再生能源稳固高速增添的须要现实支持。同时 ，依据碳中和路径能源转变趋势和发电装机容量效果 ，有序且合理地在2025~2030年最先对煤电等化石电力装机规�；顺龌蛩⑿乱彩切枰吖刈⒌牧煊�。
别的 ，整合波动性可再生能源是低碳电力部分需要面临的重大挑战。本研究中 ，电力部分通过提高储能设施容量和应用跨部分协同支持手艺来增添辖档烷活性需求。扩大储能设施种类和容量现已被纳入我国现阶段妄想目的中 ，如国务院《2030年前碳达峰计划》中妄想在2025年实现新型储能装机容量30GWh以上[75]。
供热部分形成以DH方法为主 ，IH方法为辅的供热系统 ，体现在手艺厘革上是以HP和生物质CHP等低碳供热手艺取代化石能源供热手艺。由于低碳供热手艺的应用水平和成熟度较高 ，供热部分的低碳转型较之其他部分更快 ，参考路径和各低碳转型路径下供热部分的非化石能源占比都较大。
EVs和BVs是交通部分燃油替换的要害。比照参考路径 ，2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径的油类能源消耗占比划分下降20.2%、60%和85.7%.EVs使用量和充电设施普及率均有大幅上升 ，预计可形成越发成熟的工业系统 ，知足碳中和路径交通部分对EVs的需求。BVs的应用依赖生物质能源 ，对其使用限制的思量往往着重于生物质资源可用量。
在工业部分中 ，除了电炉钢等电气化手艺外 ，生物质和氢能手艺的应用也是造成能源结构转变的缘故原由。由于以生物质为燃料的火力发电具有无邪发电能力 ，在一定水平上可取代古板化石能源发电 ，因此 ，生物质通用性和其资源有限性将成为低碳转型历程中各部分必需配合思量的问题。本研究生物质能源消耗效果批注 ，纵然在对生物质需求最高的碳中和路径中 ，2060年能源系统生物质需求为4226.1TWh ，仍低于生物质资源潜力限制的4720TWh。氢能手艺在工业部分应用可缓解生物质使用的主要 ，其在碳中和路径2060年装机容量是1.5°C路径的1.5~2倍(表5)。参考路径和2°C路径不控制生物质消耗 ，以是对氢能手艺装机没有要求。从应用时间来看 ，氢能手艺大规模应用可放在2030年后 ，但1.5°C温升目的和碳中和目的一样要求转型路径在2050年前就做好氢能手艺应用的妄想。计及政策支持 ，集氢能和储氢手艺在内的氢能工业集群已陆续纳入地方“十四五”妄想[76 ，77] ，具备手艺成熟和规�；ぴ毒�。
以减排目的倒逼能源结构和手艺厘革的视角来看 ，效果批注:无论从各品类能源可用量 ，照旧从手艺应用和政策支持 ，我国能源系统均可在海内资源潜力限制和合理手艺假设内实现设定的各级减排目的。总而言之 ，纵然面临日益增添的能源需求 ，我国仍可在一直深化手艺厘革和能源结构变换的基础上于2060年实现碳中和。
3.2情形剖析
参考路径和各低碳转型路径下CO2排放量转变趋势如图15所示。对各低碳转型路径 ，图中均展示其路径下的每个减排阶段:碳达峰阶段、快速脱碳阶段和深度脱碳阶段(碳中和路径特有)。
参考路径下 ，CO2排放在2035年左右达峰 ，之后徐徐下降 ，在2060年时回落至2020年的水平.2°C路径和1.5°C路径中 ，CO2排放达峰时间均在2030年左右 ，其峰值划分抵达121.7亿t和113.1亿t.1.5°C路径的碳达峰峰值较同时间下参考路径减小10.6% ，而2°C路径碳达峰峰值相较参考路径减小仅3.7%(表6)。碳达峰后 ，1.5°C路径和2°C路径均进入快速脱碳阶段 ，两者排放轨迹在中期相对平行。但1.5°C路径在2050年后加大减排力度、最先引入碳捕集手艺 ，其减排比例在2050年为54.7% ，到2060年已经提升至85.2%。从排放效果来看 ，1.5°C路径和2°C路径碳排在2060年划分下降至38.81亿t和14.72亿t ，意味着两者均告竣路径设定的减排目的。
碳中和路径的CO2排放轨迹与另两条转型路径差别 ，其碳达峰时间在2020~2025年。2025~2050年是碳中和路径的快速脱碳阶段 ，由于需要为2050年后留存更大的减排空间 ，这一阶段的碳排轨迹具有十分险要的下降趋势 ，各主要时间节点减排比例近乎2°C路径的2倍。在2050年抵达近86.5%的减排比例后 ，碳中和路径进入深度脱碳阶段 ，预计应用更大规模的碳捕集手艺稳固减排效果 ，碳排轨迹下降趋势平稳。在CCS手艺等碳捕集手艺支持下 ，若再思量到海内外“碳汇”市场的资助 ，从碳中和路径碳轨迹来看 ，我国能源系统提前至2055年、甚至在2050年实现CO2净零排放是完全可能的。
所有路径在2030和2060年CO2排放的部分组成如图16所示。由于2030年前电力需求迅速增添 ，电力部分仍保存较高比例的煤电、气电装机容量 ，该部分是2030年孝顺最多碳排放终端部分。随着可再生电力装机容量增添 ，到2060年各转型路径下电力部分的碳排放占比均有所下降。但由于延续基准年可再生电力装机容量水平 ，参考路径下2060年电力部分的排放占比极高 ，抵达59.4%。
除电力部分外 ，工业部分也是孝顺碳排放较多的终端部分 ，2030年在所有路径中排放占比约40%。在2060年 ，工业部分碳排随着减排目的深入逐渐镌汰。在碳中和路径 ，所有终端部分中仅有电力和交通部分仍保存少许化石能源消耗所爆发的排放 ，且由碳捕集手艺举行削减。
3.3经济剖析
从经济角度来看 ，包括投资、运维、碳排等本钱在内的能源系统总本钱对能源低碳转型而言至关主要 ，同样也是对碳中和能源系统评估的要害指标。参考路径和所有低碳转型路径2060年能源系统总本钱及其构私见图17。
参考路径下能源系统总本钱在2060年抵达所有路径中最高的9.31万亿元。与参考路径相比 ，2°C路径和1.5°C路径2060年总本钱抵达7.54万亿元和7.48万亿元 ，划分下降19%和19.7%。碳中和路径在2060年的能源系统本钱为8.31万亿元 ，高于2°C路径和1.5°C路径 ，但相较参考路径仍然降低了10.7%。虽然可能违反低碳手艺腾贵导致总本钱上升的直觉 ，但由于本研究关注的是该年度能源系统直接本钱 ，并不涉及手艺扩张津贴、基础设施翻新支出等间接本钱。因此 ，能源系统本钱效果批注基于目今经济参数假设 ，在2060年的时间节点上 ，低碳转型是有助于我国能源系统经济性提升的。
石油、自然气等化石能源价钱骤升的国际外部情形 ，是假设未来燃料本钱提高的主要缘故原由。除能源价钱外 ，种种可再生能源手艺和碳捕集手艺保存手艺成熟后投资本钱迅速降低的特点也支持低碳转型后系统总本钱下降的趋势。因此 ，随着减排目的深入 ，各路径的燃料本钱显著下降.2°C路径和1.5°C路径投资本钱虽然上升 ，但其上升幅度要低于燃料本钱下降幅度 ，导致路径2060年总本钱低于参考路径。别的 ，碳排放本钱也是导致参考路径总本钱较高的因素。在碳中和路径 ，由于种种可再外行艺、跨部分协同支持手艺和碳捕集手艺大规模应用 ，该路径下的投资本钱很是高昂 ，其在2060年的能源系统总本钱约为2°C路径和1.5°C路径总本钱的1.1倍。
能源系统总本钱的组成也因低碳转型而改变。参考路径和2°C路径2060年能源系统本钱中占比最大的是燃料本钱 ，在总本钱中占比划分为61.8%和45.9%(表7)。参考路径下其余本钱组成为:投资本钱(19%)、碳排放本钱(14.6%)和运维本钱(4.6%) ，受化石能源价钱影响很是显着。2°C路径和1.5°C路径的总成内情差不大 ，但其本钱组成差别较大。1.5°C路径中比重最大的是投资本钱.1.5°C路径的燃料成内情较2°C路径有显著下降 ，同时 ，由于CO2排放下降 ，1.5°C路径碳排放本钱仅为2°C路径38%。碳中和路径2060年中与手艺相关的本钱(投资和运维本钱)已达能源系统总本钱的86.4%�Ｋ剂康绞忠胀蹲侍氐� ，要实现碳中和目的 ，或将需要我国恒久维持较高的手艺投资水平。
显然 ，燃料价钱和种种手艺本钱的经济参数假设对经济剖析具有显著影响。本研究对利率、生物质价钱、碳价和CCS手艺投资本钱等经济参数举行敏感性剖析。四种经济参数敏感性剖析详细参数如附录表D1所示。其对各路径在2060年能源系统总本钱的转变效果见附录图D1~图D3。
利率是直接影响所有手艺投资本钱的要害因素。相比参考路径 ，所有转型路径关于利率转变的反应都更大 ，其中以碳中和路径为最 ，由于低碳转型路径需要引入更多先进手艺。详细到碳中和路径 ，将利率从6%提高至8%将导致2060年投资本钱上升20% ，能源系统总本钱提高13.7%；从6%降低至4%将使投资本钱缩减18.3% ，总本钱下降12.6%。
生物质价钱提高将缩小低碳转型路径相较参考路径的经济性优势。当生物质价钱升高至90元/GJ时 ，碳中和路径在2060年的能源系统总本钱较之参考路径仅降低5%。与之相反 ，碳价提高能凸显低碳转型在能源系统经济性优势。碳价作为权衡碳排放的经济信号 ，是无邪推动社会举行自行减排的助益。将碳价从136.7元/t上升到最高值时 ，参考路径下2060年能源系统本钱将提高近2.2倍 ，是一律碳价下碳中和路径的2.46倍。别的 ，碳价大幅提高时 ，2°C路径和1.5°C路径的能源系统总本钱也将高于碳中和路径 ，划分是碳中和路径能源系统总本钱的1.58倍和1.22倍。
参考路径和2°C路径中未对CCS手艺应用举行妄想 ，因此 ，CCS手艺投资本钱转变对参考路径和2°C路径能源系统总本钱没有影响。就1.5°C路径和碳中和路径而言 ，CCS手艺投资本钱增添对能源系统总本钱的影响均在3%以内。
4讨论
4.1要害问题1:生物质的使用
生物质能源作为古板化石能源替换品 ，在能源结构转型中施展至关主要的作用。在供热、电力和工业部分 ，生物质都可直接或间接加工后作为燃料用以供热或发电。在交通部分 ，生物质能够实现交通部分油品需求笼罩 ，即可使用生物乙醇替换汽油 ，生物柴油替换柴油 ，生物煤油和丁醇替换煤油等。因此 ，需要在资源潜力约束下合理地对所有终端部分中生物质使用举行妄想剖析。
2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径2060年生物质占比划分为5.2%、13.6%和19.4%。随着减排目的提升 ，能源系统生物质需求逐步提高。就生物质消耗的部分组成 ，各路径也保存较大差别(图18)。2060年 ，2°C路径的生物质消耗主要集中在电力和交通部分 ，1.5°C路径和碳中和路径的生物质消耗顺序则为交通、电力、工业和供热部分。交通部分消耗生物质最多是由于油类需求大部分能且仅能由生物质燃料来实现可再生能源替换 ，而电力部分则由于需要生物质火力发电来知足无邪供电需求 ，因此 ，以上两个部分占有各路径中生物质消耗的75%以上。出于生物质节约使用的目的 ，未来能源系统将提高交通和电力部分在生物质使用时的优先级 ，而在工业和供热部分中多思量接纳其他形式的能源 ，例如氢能等。
随着生物质资源主要性的提高 ，未来我国能源系统不但要顾及生物质使用的“节约” ，还要重视针对生物质资源的“开源”。对农业和林地生物质更周全地网络开发和对能源作物(如甘蔗和高粱等)的普遍莳植是使生物质资源可一连生长行之有用的要领。这些步伐可提高本研究中针对生物质能源设定的4720TWh的资源潜力 ，为生物质使用提供更大空间。别的 ，生物质在其生命周期内运输、处置惩罚历程中的碳排放保存一定争议 ，能源系统妄想研究大多持生物质碳中性的看法[78]。本研究中 ，生物质的使用同样被假设为碳中性。
4.2要害问题2:跨部分协同支持手艺与可再生能源整合
跨部分协同支持手艺是SES看法在未来能源系统中的详细体现。这些手艺着重于合并电力部分与其他终端部分 ，团结种种能源形式的存储步伐 ，提供整合波动性可再生能源的无邪性需求。
以供热部分为例 ，大规模应用以热泵为主的电热手艺和储热手艺相团结 ，将成为毗连供热部分与电力部分的桥梁。以参考路径和碳中和路径在2060年的供热情景比照为例(图19)。从能量流动中可看出 ，碳中和路径下化石能源已逐步退出能源结构 ，其供热部分需要进一步支持电气化的供热手艺。另外 ，相较于参考路径 ，碳中和电力部分也需要应对波动性可再生能源扩张的挑战。电热和储热手艺可通过“电-热”转换与贮存选项 ，包管上述两者的需求都获得知足。因此 ，跨部分协同支持手艺既是供热部分低碳化转型的要求 ，也是电力部分整合可再生电力的选择。
类似于供热部分 ，交通部分和电力部分的团结通过EVs和车载电池、充电桩等基础设施 ，接纳V2G手艺来实现。针对EVs的电池容量和并网容量 ，本研究统一假设平均电池容量30kWh ，平均并网容量10kW。在碳中和路径中 ，预估EVs应用增添可为综合能源系统提供超8000GWh的储能容量。
作为协同交通、工业部分和电力部分的手艺 ，电解氢和储氢手艺使用“电-氢”转换将电力转换成氢能来知足交通和工业部分需求 ，同时储氢手艺也能无邪使用波动性可再生能源带来的过剩电力。
然而 ，在碳中和路径中保存怎样平衡生物质与氢能使用的问题。该路径工业部分在直接电气化后的能源需求由生物质和氢能组成。但由于氢能依赖电力举行生产 ，增添氢能使用会导致电力需求提高。在水电、风电等可再生电力无法笼罩电解氢的需求时 ，以生物质为燃料的火力发电将被使用 ，间接又提高生物质消耗量。因此 ，使用氢能来消纳可再生能源电力保存一定的上限 ，而当凌驾上限时 ，氢能与生物质消耗就不再是“此消彼长”的关系。本研究中针对各路径下保存生物质与氢能间平衡关系时以生物质消耗最小为目的来妄想氢能和储氢装机容量。例如 ，碳中和路径中 ，工业部分的能源结构中生物质、氢能划分占总能源消耗量的13.4%和32.2% ，此时综合能源系统中生物质消耗量最小 ，为4226TWh。
现阶段我国除对EVs及其基础设施制订力度较大的帮助政策和目的明确的工业妄想外 ，其他如多种类储热手艺、氢能和储氢手艺等跨部分协同支持手艺暂未获得更大规模的现实应用。虽然具备较好生长远景 ，但本研究效果批注跨部分协同支持手艺对建设清洁高效、节能环保低碳能源系统很是主要 ，较早将其提升至一定的装机规模是其中要害。因此 ，需要增强针对跨部分协同支持手艺的政策支持力度 ，尽早地推动这些手艺的树模应用。
4.3要害问题3:CCS手艺等碳捕集手艺
碳捕集手艺是碳中和目的实现历程中的最后一步。除CCS手艺外 ，碳捕集、使用和封存(carbon capture ，utilization and storage ，CCUS)[79]手艺和生物质能源与碳捕获封存(bioenergy with carbon capture and storage ，BECCS)[80]手艺等都有助于综合能源系统实现更进一步的减排目的。
在本研究中 ，1.5°C路径和碳中和路径在2050年左右最先大规模铺设CCS手艺等碳捕集手艺来促成减排目的 ，2060年捕获的CO2量划分抵达240Mt和692.2Mt。相较于参考路径碳排放 ，CCS手艺在这两条路径对碳减排的孝顺抵达2.4%和7%。碳捕集手艺应用使得纵然在碳中和的减排要求下 ，也为交通和电力部分中较难脱碳领域的小部分解石能源使用提供空间。
现在 ，海内外研究对CCS手艺等碳捕集手艺生长持起劲态度。早在2014年 ，我国已有多个碳捕集树模项目投入运营 ，更多项目处于建设或准备阶段[81]�；诖� ，碳捕集手艺在我国的高速生长是可预见的 ，并具备相当竞争力。针对树模阶段碳捕集手艺本钱腾贵的问题 ，类似先进手艺的投资本钱将随着手艺更新迭代迅速转变。例如 ，光伏发电手艺的本钱就履历过极快的下降历程[82]。因此 ，本研究中CCS手艺在2060年的投资本钱是基于该趋势举行设定的 ，而未来也应为CCS手艺研发应用、更新迭代提供资金和政策支持 ，实现其投资和运维本钱降低。
5结论
为探索和实现碳中和能源系统 ，本研究提出针对多环节、多部分综合能源系统 ，思量可再生能源潜力等多重因素在内的碳中和能源系统妄想要领系统。以我国能源系统为例 ，本研究基于该系统 ，构建参考路径和低碳转型的2°C路径、1.5°C路径和碳中和路径 ，探索至2060年实现碳中和目的可能性及响应的手艺支持和本钱要求。
就能源供应和手艺应用而言 ，我国能源系统可在海内资源潜力限制和合理手艺假设内告竣设定的各级减排目的�；贑CS手艺等碳捕集手艺支持 ，思量“碳汇”市场 ，提前至2055年、甚至2050年实现净零排放也有极大可能。而在燃料价钱上升和手艺投资本钱稳步降低的配景下 ，低碳转型被以为可提高能源系统经济性 ，体现在各路径上为:2°C路径和1.5°C路径2060年能源系统总本钱较之参考路径下降19.2%和21.1% ，碳中和路径虽然高于前两者 ，但其能源系统总本钱也仅为参考路径的86.4%。
别的 ，本研究针对以下要害问题举行详细讨论剖析:(1)未来能源系统应合理妄想生物质能源在各终端部分的使用 ，明确交通和电力部分优先级。对生物质资源重视其“开源” ，需要更
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