基于多目標模型的中國低成本碳達峰、碳中和路徑

王 深， 呂連宏*， 張保留， 王斯一， 吳 靜， 付加鋒， 羅 宏

1.中國環境科學研究院環境管理研究中心， 北京 100012 2.中國環境科學研究院大氣環境研究所， 北京 100012

習近平總書記于2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會上宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”[1]，為我國各行業綠色轉型提供了重要參考. 同時，習近平總書記具體提出“到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上”[1]的具體目標也為各行業碳達峰、碳中和的實施路徑提供了指導.

現階段，我國二氧化碳的主要排放源為煤炭消費，我國煤炭消費主要用于燃煤發電、鋼鐵、化工和建材四大行業，其中，2019年電力行業用煤占52%，鋼鐵行業用煤占17%，化工行業用煤占7%左右，民用及其他用煤占11%. 其中，火電行業的煤炭需求最高，而我國現今已具備大力發展綠色電力的能力，因此電力行業在碳達峰、碳中和目標的實現中具有極大的貢獻潛力[2]. 鋼鐵、化工和建材行業的發展相對固定，技術已成形，技術轉型難度較大，但是配置碳捕集等設施來減少二氧化碳的排放可能是未來較為合理的減排路徑[3-5]. 供熱以及交通能耗產生的二氧化碳排放也較多，如今燃煤取暖仍占比較大，由于我國激增的交通需求，燃油汽車的二氧化碳排放量也持續大幅增長. 在供熱方面，建議推進非化石能源采暖技術的普及；在交通運輸方面，建議繼續推行新能源汽車代替燃油汽車，同時提倡綠色出行[6]. 目前，CCS (carbon capture and storage，碳捕獲與封存)技術在應用上受諸多因素(如選址、政策等)的影響， 在不考慮不確定性因素影響的前提下，CCS技術的應用與推廣可為我國實現碳達峰和碳中和提供助力. 已有研究[7]表明，在大規模部署CCS的情境下，能源系統碳排放量仍較大，因此需加快擴大CCS技術應用范圍來彌補碳排放壓力；同時，實施路徑還應考慮經濟因素，并結合能源消費和二氧化碳排放的關系尋求低成本的可行路徑[8-11]. 因此，建立以我國各行業為研究目標的低成本路徑規劃模型，并且以約束設定的形式來量化碳達峰、碳中和目標的倒逼效果具有較大的研究意義.

該研究根據我國各行業能源結構以及能源消費現狀，以我國各行業作為研究整體，結合力爭2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標，同時考慮各行業污染物協同減排以及能源供應穩定等問題，建立多目標規劃模型，得到符合我國特色的低成本綠色發展模式以及各行業的規劃路徑，以期為我國碳達峰、碳中和目標的實現提供支持.

1 模型構建

1.1 數據來源

該研究以年為一個規劃期，全規劃期為2021—2060年，即包括了2030年前碳達峰目標以及2060年前碳中和目標. 數據取自中國統計年鑒、各部門行業發展規劃、電力集團公告報告、能源統計年鑒、電力年鑒以及相關文獻[12-15]. 表1為我國不同發電方式的發電量以及裝機容量[16-22].

表1 我國不同發電方式的發電量與裝機容量

1.2 模型構建

模型研究能較好地量化政策因素以及結構調整[23-26]. 該研究以我國主要耗煤產業、電力、供熱、交通以及碳匯量為研究對象建立多目標模型. 模型以我國力爭2030年前碳達峰、2060年前碳中和為研究目的設置相應約束條件，并設置產業需求、電力需求、供暖需求、交通需求、各行業新能源比例、污染物控制等約束條件，以成本最小、二氧化碳排放量最少以及大氣污染物排放量最少為模型多目標[27]. 其中，產業考慮煤炭消耗量較大的鋼鐵、化工、建材以及其他行業，電力考慮火電、核電、風電、太陽能，供熱考慮燃煤供熱以及非燃煤供熱，交通考慮汽油車和新能源汽車. 對于電力方面，該研究未考慮水電，其主要原因為水電建設周期較長，并且水電建設還存在諸多不確定因素，如建設區域移民安置、土地資源、生態保護制約、建設成本差距較大等. 該研究同樣未考慮燃油發電和生物質發電，其主要原因為這兩種發電方式現階段發展較為緩慢，發電量與應用均較少. 模型構建還未考慮建筑行業，建筑行業為二氧化碳排放量較大的行業，但核算以及需求計算較為復雜，因此模型構建時假設未來建筑行業二氧化碳排放量變化較小，并在碳匯量約束構建時扣除建筑行業的二氧化碳排放量，以2018年二氧化碳排放量(18×108t)為排放基準. 此外，模型除考慮森林碳匯外，還考慮了CCS作為實現碳達峰、碳中和的技術手段，其中未考慮CCS的選址、政策等影響，因此CCS技術的應用價格比實際價格低.

1.2.1目標函數

成本最小目標為

(1)

式中：f代表系統成本，104元；t代表2021—2060年，t=1，2，3,…,40；i為碳排放的主要產業，i=1、2、3、4，分別表示鋼鐵、化工、建材、其他行業；j代表發電方式，j=1、2、3、4，分別代表火電、核電、風電、太陽能；k代表供熱方式，k=1、2，分別表示燃煤供熱、非燃煤供熱；v代表交通方式，v=1、2，分別表示汽油車、新能源汽車；Ei,t代表各行業產業能耗量，t；CEi,t代表行業單位能耗成本，104元/t；Qj,t代表發電量，kW·h；CQj,t代表各發電方式的發電成本，104元/(kW·h)；Hk,t代表供熱量，GJ；CHk,t代表供熱成本，104元/GJ；TRv,t代表交通運輸能耗量，汽油車單位為L，電動汽車單位為kW·h；CTRv,t代表單位車輛能源成本，汽油車單位為104元/L，電動汽車單位為104元/(kW·h)；VEt代表森林面積，m2；CVt代表森林養護成本，萬元/m2；CCSt代表碳捕集量，t；CSt代表單位碳捕集量的建設以及運行成本，104元/t；ENi,t代表新增產業的生產能耗量，t；CENi,t代表各行業新增生產量單位耗能配套設施建設成本，104元/t；QINj,t代表電力系統新增裝機容量，kW；CQNj,t代表電力系統新增裝機容量成本，104元/kW；HNk,t代表新增供熱量，GJ；CHNk,t代表單位新增供熱量建設成本，104元/GJ；TRNv,t代表新增交通工具能耗量，汽油車單位為L，電動汽車單位為kW·h；CTRNv,t代表單位新增交通能源成本，汽油車單位為104元/L，電動汽車單位為104元/(kW·h)；VENt代表新增植樹造林面積，m2；CVNt代表植樹造林成本，104元/m2.

污染物排放最小目標為

式中：g代表污染物排放總量，t；p代表污染物種類，p=1、2，分別表示二氧化硫、氮氧化物；PEi,t,p代表單位各行業產業生產量排污系數；PQj,t,p代表單位發電量排污系數；PHk,t,p代表單位供熱量排污系數；PTRv,t,p代表單位交通量排污系數.

碳排放最小目標為

(3)

式中：h代表二氧化碳排放總量，t;CNEi,t代表單位各行業產業生產量二氧化碳排放系數；CNQj,t代表單位發電量二氧化碳排放系數；CNHk,t代表單位供熱量二氧化碳排放系數；CNTRv,t代表單位交通量二氧化碳排放系數；βt代表森林單位面積的二氧化碳匯集量，t/m2.

1.2.2約束條件

產業能源需求供應約束為

Ei,t≥DEi,t

(4)

Ei,t=Ei,t-1+ENi,t-1-ENi,t-1

(5)

ENi,t≥0

(6)

EOi,t≥0

(7)

式中：DEi,t代表各行業產業生產能源需求量，t；EOi,t代表各行業產業生產自然淘汰量能耗，t.

電力需求供應約束為

(8)

(9)

QIj,t=QIj,t-1+QINj,t-1-QIOj,t-1-QINj,t-1(10)

QINj,t≥0

(11)

QIOj,t≥0

(12)

QIDj,t≥0

(13)

(14)

式中：DQt代表需求發電量，kW·h；QIj,t代表實際電力系統裝機量，kW；QIOj,t代表自然淘汰發電裝機量，kW；QIDj,t代表非自然拆除裝機量，kW；TL代表單位年電力系統機組運行時長，h；ηt代表新能源比例.

供熱需求平衡為

(15)

Hk,t=Hk,t-1+HNk,t-1+HOk,t-1

(16)

HNk,t≥0

(17)

HOk,t≥0

(18)

(19)

式中：DHt代表供熱需求，PJ；HNk,t代表新增供熱量，PJ；HOk,t代表自然淘汰供熱量，PJ；σ代表新能源供熱比例.

交通能源供需約束為

TRv,t≥DTRv,t

(20)

TRv,t=TRv,t-1+TRNv,t-1-TROv,t-1

(21)

TRNv,t≥0

(22)

TROv,t≥0

(23)

式中：DTRv,t代表交通能源需求，L或kW·h；TRNv,t代表新增交通能源消費量，L或kW·h；TROv,t代表自然淘汰交通能源消費量，L或kW·h.

植被面積約束為

VEt≥DVEt

(24)

VEt=VEt-1+VENt-1

(25)

VENt≥0

(26)

VEtγt≥CNVt

(27)

式中：DVEt代表植被需求，m2；VENt代表新增植樹造林量，m2；γt代表單位面積植被蓄積量的碳匯量，t/m2；CNVt代表森林碳匯量下限值，t.

煤炭消費總量控制約束為

(28)

(29)

式中：CAEi,t代表單位各行業產業生產量煤炭消費量，t；CAQj,t代表單位發電量煤炭消費量，t；CAHk,t代表單位供熱量煤炭消費量，t；CAMt代表年煤炭消費總量上限值，t；ψt代表電力系統煤炭消耗規劃占比.

污染物排放總量限制為

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

式中：PMt,p代表各大氣污染物總量控制上限，t；PEMt,p代表產業大氣污染物總量控制上限，t；PQMt,p代表電力系統大氣污染物總量控制上限，t；PHMt,p代表供熱系統大氣污染物總量控制上限，t；PTRMt,p代表交通大氣污染物總量控制上限，t.

各行業碳排放總量控制約束為

(35)

(36)

(37)

(38)

式中：CEMt代表產業二氧化碳總量控制上限，t；CQMt代表電力系統二氧化碳總量控制上限，t；CHMt代表供熱系統二氧化碳總量控制上限，t；CTMt代表交通系統二氧化碳總量控制上限，t.

2030年前碳達峰約束為

(39)

2060年前碳中和約束為

(41)

2 結果與討論

2.1 代表性產業能耗路徑

構建出的多目標模型以成本最小、二氧化碳排放量最少以及大氣污染物排放量最少為模型的多目標，模型計算可使用多種計算方式，如權重法、互為約束法、層次分析法，分層序列法等，該模型運用權重法及分層序列法進行計算，兩種計算方式結果相同. 模型計算將協同控制各行業二氧化碳以及多種大氣污染物的排放量，在滿足各項約束條件的情景下保證行業需求，并得出相應成本最低的碳達峰、碳中和路徑. 圖1為代表年產業煤炭規劃消耗量. 由圖1可見，2021—2060年的年規劃煤炭消費量呈緩慢增加趨勢，如2021年、2025年、2030年、2035年、2040年、2045年、2050年、2055年、2060年的鋼鐵行業煤炭消費量分別為6.419×108、6.495×108、6.601×108、6.739×108、6.878×108、6.990×108、7.101×108、7.106×108、7.110×108t，化工行業的年煤炭消費量分別為3.139×108、3.177×108、3.228×108、3.296×108、3.364×108、3.418×108、3.473×108、3.476×108、3.476×108t，建材行業及其他行業的煤炭消費量在規劃期內變化均較小，并均呈緩慢增長趨勢. 其主要原因為工業用煤行業在碳達峰、碳中和目標下較難轉型，而且部分行業已經行業碳達峰，因此不需要進一步減少煤炭消耗[28-30]. 因此，以鋼鐵、化工、建筑等為代表的工業可以在保證大氣污染物控制的基礎上協同控制行業的碳排放量，并且可以在不考慮行業轉型以及結構調整下滿足行業產量需求. 綜上，實現碳達峰、碳中和目標的關鍵路徑并不在鋼鐵行業、化工行業、建材行業.

圖1 2021—2060年各代表年產業煤炭消耗量Fig.1 Industrial coal consumption in representative years from 2021 to 2060

2.2 電力系統轉型路徑

圖2為規劃期內2021—2060年各代表年不同發電方式規劃的發電量. 圖3為2021—2060年各代表年不同發電方式規劃的發電量占比. 由圖2、3可見，在我國碳達峰、碳中和的發展目標下，電力系統的轉型十分明顯，如2021年、2025年、2030年、2035年、2040年、2045年、2050年、2055年、2060年燃煤發電量分別為 48 366×108、39 571×108、29 274×108、17 622×108、4 614×108、1 675×108、1 666×108、1 654×108、1 654×108kW·h. 結果表明，燃煤發電得到快速削減，但沒有出現斷層式削減[31]，燃煤發電量削減速度較為均衡，并在2060年之前達到較穩定的發電量；核電在規劃期內發展緩慢，在2030年左右達到2021年發電量的2倍，并保持該水平到2060年，主要原因是核電的特殊性和局限性阻礙了其發展；風力發電與光伏發電則發展較快，如2021年、2025年、2030年、2035年、2040年、2045年、2050年、2055年、2060年的風力發電量約為 14 114×108、26 343×108、41 710×108、61 903×108、84 291×108、96 748×108、81 463×108、93 469×108、105 452×108kW·h，這兩種新能源發電技術將在未來彌補燃煤發電削減帶來的電力缺口.

圖2 2021—2060年各代表年不同發電方式規劃的發電量Fig.2 Power generation by different technologies in representative years from 2021 to 2060

圖3 2021—2060年各代表年不同發電方式規劃的發電量占比Fig.3 Proportion of various power generations in representative years from 2021 to 2060

圖4為規劃期內2021—2060年各代表年發電方式的裝機量. 圖5為2021—2060年各代表年發電方式的裝機量占比. 由圖4、5可見，與發電量相同，燃煤發電逐步削減，而風力發電和光伏發電裝機量均逐漸增加. 為實現碳達峰與碳中和目標，應在燃煤發電裝機機組自然淘汰以外進行部分燃煤發電裝機改造或提前淘汰. 該研究考慮了未來燃煤發電的規劃增加量，建議已規劃的新增燃煤發電應嚴格實施“取消一批、緩核一批、緩建一批”，力爭于“十四五”期間或其后不再增加燃煤發電項目. 風力發電與太陽能發電裝機容量持續增加，二者裝機容量總和于2030年達12×108kW，并于2060年達24×108kW. 可以看出，電力轉型對于電力系統大氣污染物排放總量的控制將起到較大作用.

圖4 2021—2060年各代表年不同發電方式的裝機量Fig.4 Installed capacity of electric power in representative years from 2021 to 2060

圖5 2021—2060年各代表年不同發電方式的裝機量占比Fig.5 Proportion of installed capacity in representative years from 2021 to 2060

2.3 采暖及交通發展路徑

圖6為規劃期內2021—2060年各代表年燃煤采暖與非燃煤采暖的比例. 由圖6可見，采暖方式在碳達峰、碳中和目標下發生了較大轉變，非燃煤采暖方式的比例逐漸增加，因此鼓勵非燃煤取暖方式的措施將為碳達峰、碳中和的實現提供助力.

圖6 2021—2060年各代表年燃煤采暖與非燃煤采暖的比例Fig.6 Proportion of coal-fired heating and non-coal-fired heating in representative years from 2021 to 2060

圖7、8為規劃期內2021—2060年各代表年燃油汽車與新能源汽車的耗能量，可以看出未來我國對于交通運輸的需求量仍然持續增加，但燃油汽車的能耗量于2030年基本實現達峰，其主要原因為碳達峰目標需求的作用，而新能源汽車的能耗量將持續增加.

圖7 2021—2060年各代表年燃油汽車的汽油消耗量Fig.7 Gasoline consumption of fuel vehicles in representative years from 2021 to 2060

圖8 2021—2060年各代表年新能源汽車的耗電量Fig.8 Electrical consumption of new energy vehicles in representative years from 2021 to 2060

2.4 二氧化碳排放量及捕集量

圖9為規劃期內2021—2060年各代表年采用CCS技術的二氧化碳捕集量，可以看出為實現碳達峰，碳捕集量在2030年之前將保持在較高水平，并在2030年后顯著降低，于2050年左右保持穩定. 結果表明，CCS技術的部署可以緩解電力系統轉型壓力，有利于緩解轉型過快帶來的系統損失和系統成本，并且降低了系統風險. 此外，計算得出，2030年森林蓄積量達172.7×108m3，比2005年增加了60×108m3，可以滿足碳達峰所需求的森林碳匯量.

圖9 2021—2060年各代表年CCS技術的二氧化碳捕集量Fig.9 Carbon capture of CCS in representative years from 2021 to 2060

圖10為規劃期內2021—2060年各代表年重點行業的二氧化碳排放總量，只包括該研究所考慮行業(主要耗煤產業、電力、供熱、交通)的二氧化碳排放總量. 由圖10可見，重點行業達峰時二氧化碳排放總量約為68.63×108t. 在規劃期內，二氧化碳在達峰前增長較為穩定，達峰后穩定下降，沒有出現為滿足目標的斷層式驟降，盡量規避了斷層式結構調整的局面，各重點行業將于2060年達到碳中和，碳中和時二氧化碳排放總量為34.50×108t. 圖11為2021—2060年各代表年重點行業的二氧化碳排放量比例，結果表明，電力行業轉型后二氧化碳排放量占比將持續下降.

圖10 2021—2060年各代表年重點行業的二氧化碳排放總量Fig.10 Carbon dioxide emissions of key industries in representative years from 2021 to 2060

圖11 2021—2060年各代表年重點行業二氧化碳排放量比例Fig.11 Proportion of carbon dioxide emissions in representative years from 2021 to 2060

2.5 規劃路徑的系統成本

圖12為規劃期內2021—2060年各代表年重點行業的系統成本，可以看出系統成本在規劃期內持續下降. 2021年的系統成本高達33.23×1012元，2030年碳達峰時系統成本為17.54×1012元，2045年時系統成本將穩定在5×1012元左右. 其主要原因為規劃期前期的系統調整成本較高，因氣候變化對于新能源發電的影響較大，所以應保有一定水平的燃煤發電設備以應對氣候變化，不能盲目減少燃煤發電裝機容量；同時在規劃期前期，建設CCS項目來保證一定數量的燃煤機組可為電力系統安全轉型提供重要的保障，以保證達成碳達峰、碳中和目標，因此充分的轉型保障能夠為新能源發電應對極端氣候和其他不確定因素的配套技術發展提供支持. 綜上，一方面前期開展的CCS項目建設和應用對于我國碳達峰、碳中和具有一定的戰略意義；另一方面，從模型構建可以看出，成本目標為實現全規劃期成本最低，結果中規劃后期模型可實現年成本持續降低，其主要原因為電力系統、供熱、交通在后期完成了結構調整并成功綠色轉型.

圖12 2021—2060年各代表年重點行業的系統成本Fig.12 Cost of key industries in representative years from 2021 to 2060

2.6 討論

模型結果提供了多個行業的綠色發展路徑：①以鋼鐵、化工、建筑等為代表的工業行業結構較為固定，碳減排潛力有限，因此可推進大氣污染物處理協同技術的發展，在政策層面推進二氧化碳排放量對應標準的建立，進一步發展碳交易市場以及綠色經濟. ②電力系統作為碳減排的重要戰場，其具有較大的電力轉型潛力. 在技術層面上，應對新能源發電帶來的電力系統不確定性開展研究，合理規避電力系統轉型風險并發展風險等級機制；在政策層面上，在電力市場穩定的前提下，激勵電力行業轉型，實現綠色電力經濟的健康發展. ③采暖供熱轉型可為目標實現提供一定程度的貢獻. 在技術層面上應發展清潔能源供熱技術，在政策層面上應鼓勵清潔能源供熱普及. ④交通系統二氧化碳排放量的增長率居高不下與交通需求相關. 在技術層面上，大力發展新能源汽車技術，推進電動汽車、氫能源汽車等相關技術的進步；在政策層面上，推出增加新能源汽車比例的政策措施，提倡綠色出行. ⑤在技術層面上，CCS等技術的普及能切實有效地減少二氧化碳排放量.

3 結論

a) 研究發現，我國碳達峰以及碳中和實現的可行性較高，2030年和2060年的時間節點設定科學，可以通過模型研究與計算得出相應的低成本碳達峰、碳中和規劃路徑.

b) 以鋼鐵、化工、建筑等為代表的工業行業結構相對固定、轉型較難，并且根據需求部分行業已經達峰或將要在目標年之前達峰，對于我國未來整體的碳達峰與碳中和目標實現貢獻較小. 碳達峰、碳中和目標的設定對于鋼鐵、化工、建筑等行業的影響較小，但促進其二氧化碳和大氣污染物的協同控制.

c) 我國電力系統具有較大的電力轉型潛力，作為實現碳達峰、碳中和目標的路徑核心，電力系統將徹底轉型，燃煤發電裝機將持續下降，盡量在“十四五”期間或其后不再增加燃煤發電項目. 風力發電與太陽能發電裝機容量將持續增加，二者裝機量總和于2030年達12×108kW，并于2060年達24×108kW. 碳達峰、碳中和目標的設定對于電力系統具有較大的影響，極大地促進了電力系統的綠色轉型，在減少和控制燃煤發電的同時增加新能源發電.

d) 采暖供熱與交通系統對于碳達峰、碳中和目標的貢獻僅次于電力系統，因此實現碳達峰、碳中和目標的路徑將以電力系統轉型為核心，并以采暖行業以及交通系統結構調整為輔助. 碳達峰、碳中和目標的設定對于采暖供熱與交通系統的影響僅次于對電力系統的影響，且對采暖供熱與交通系統轉型具有促進效果.

e) CCS技術的合理采用將有助于碳排放總量控制，并緩解電力系統轉型壓力. 從電力系統轉型的角度看，氣候變化特別是極端氣候的出現對于新能源發電的影響極大，保證極端氣候的電力供應是電力系統的重要挑戰，而燃煤設備的裝機量能夠有效應對特殊狀況下的電力供應，因此不能對燃煤發電“一刀切”. 建設CCS可以保證燃煤機組的數量，為電力系統安全轉型提供重要的時間，同時也保證了碳達峰、碳中和目標的按時實現. 由此看出，CCS項目在前期開展的建設和應用對于我國碳達峰和碳中和具有一定的戰略意義. 碳達峰、碳中和目標的設定對于CCS技術的研究、發展以及應用有較大的激勵作用，極大地激勵了CCS及其相關技術的研究. 但CCS技術在應用上受選址、政策等因素的影響較大，因此未來CCS的相關應用研究將聚焦于如何克服選址、政策等因素的影響.

f) 碳達峰和碳中和目標的出現將激勵相關研究的發展與應用，促進相關技術的產生與推廣，帶動技術革新為相關科技進步注入活力；同時，目標將為我國傳統工業運作模式帶來新的動力，特別是電力行業的轉型將為電力相關的產業帶來巨大的挑戰與機遇. 經濟層面，碳達峰、碳中和目標的驅動力將效激勵經濟創新，形成中國特色的綠色經濟模式.

g) 國家層面上，一方面建議促進類似CCS技術的進步，同時應推動各行業高質量發展，鼓勵各行業(特別是電力行業)綠色轉型，為應對氣候變化做出貢獻；另一方面，增加各行業間二氧化碳的協同減排能力，可通過碳交易、環境投融資、綠色金融等促進跨行業的二氧化碳排放控制機制，并建議根據行業特征制定不同省份、不同經濟圈的綠色發展模式.