實現多種目標下的能源和經濟轉型路徑

摘 要 能源轉型常規目標是保障能源安全供應，提供社會經濟發展所需的能源。能源活動與社會經濟、環境發展等多領域的目標相關聯，如溫室氣體減排目標、大氣污染治理等。能源行業是用水量相當大的部門，能源作為原料和很多石化產品相關，能源開采是我國最大的采礦產業，所以，能源轉型的影響是多方面的。未來的能源轉型研究，需要在多種目標的情況下進行分析。IPAC模型組采用多目標分析體系，研究我國長期能源轉型路徑，確定影響能源轉型的主要因素，分析相關目標對能源轉型的約束和能源轉型對這些目標的影響。我國的能源轉型路徑可以協調一致地促進多種目標的實現，同時需要技術的創新發展。能源轉型路徑研究可以為實現多種目標下的經濟社會發展戰略提供支持。

關鍵詞 能源轉型 大氣污染治理 能源安全 碳中和 碳捕集 綠氫 可再生能源

作者簡介：姜克雋，博士，中國宏觀經濟研究院能源研究所研究員。

基金項目：科技部重點研發項目“結合增暖1.5℃下集成預估的我國減排目標確定和路徑優化”（2017YFA0603804）;科技部重點研發項目“世界主要國家碳減排潛力與經濟代價研究”（2017YFA0605302）

一、引 言

能源行業是我國社會經濟發展的核心支撐行業，能源出了問題，社會經濟會即刻出現問題。因此，能源的發展不僅影響我國社會經濟目標的實現，而且全方位影響著我國社會經濟的發展前景。常規的能源發展一般是在安全供應的目標下推進。20世紀90年代以來，氣候變化問題被納入全球各國的決策進程之中，因為能源活動排放的二氧化碳占全部二氧化碳排放的80%以上，所以能源發展開始受到二氧化碳減排的影響。20世紀90年代末，我國開始治理大氣污染，在這個過程中，認識到與霧霾有關的污染物排放，約65%來自能源活動。在霧霾治理進程中，我國將減少能源活動的大氣污染物排放作為能源發展的重要政策。2013年9月10日，國務院發布了《大氣污染防治行動計劃》，改進優化能源結構，控制煤炭消費特別是散煤的使用成為最主要的霧霾治理政策。展望未來，我國已經宣布了2030年前碳達峰目標和2060年前碳中和目標，大氣污染治理在前期取得顯著成果的情況下開始進入治理的深水區，這些都需要我國的能源結構明顯轉型。根據相關研究估測，到2050年我國非化石能源占一次能源消費的比例將達到75%甚至更高，能源結構明顯轉型。同時，我國石油消費將明顯下降，屆時我國不需要石油進口，天然氣進口也將明顯下降，我國開始出口氫。到那個時候，能源安全的含義將轉變為能源高可靠度供應安全，在大規模可再生能源等不穩定電力接入的情況下確保高可靠性電力供應，實現99.99%以上的供電可靠性。

習近平主席關于中國碳中和愿景的重要宣示為我國應對氣候變化、實現綠色發展指明了方向。黨中央多次在經濟工作會議、財經工作會議上布局碳達峰碳中和戰略，這預示著實現碳中和已經不僅是溫室氣體減排事務，而且事關技術創新和經濟發展。習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議并發表重要講話強調，實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局。

由此可見，我國能源和經濟轉型需要在更加廣泛的國家發展目標下進行解析，構建溫室氣體和大氣污染物凈零排放、用水量、化學品毒性和礦物開采量明顯下降等多重目標，助力實現碳中和愿景、美麗中國遠景目標、生態文明建設等中長期目標。

二、多重目標

在IPAC模型組的研究中，多重目標的設定主要依據美麗中國建設的含義，以人類社會對自然的影響最小為目標，根據能源活動帶來的各種影響設置未來的目標。這些目標主要包括氣候變化目標、大氣質量目標、減少水的使用、生產低毒性的化工產品、減少礦物開采、農業改革等。

（一）氣候目標

依據《巴黎協定》，各國支持將全球氣溫升高幅度控制在2℃以內的目標，力爭實現1.5℃溫升目標。溫升目標將是推動能源轉型的最為重要的影響因素，實現溫室氣體深度減排，需要能源系統的明顯轉型，否則減排成本將很大，而且會與其他發展目標發生沖突。

（二）大氣質量目標

世界銀行設置了大氣質量推薦標準，即PM2.5達到10微克/立方米。2021年10月，世界衛生組織進一步提出了推薦目標，即5微克/立方米。我國的本底PM2.5濃度已經達到7微克/立方米，因而我國可以努力實現10微克/立方米的目標。目前，能源活動排放的大氣污染物占大氣污染物總量的65%左右，而且能源行業屬于易治理行業，因此大氣質量目標也對能源轉型提出了很高的要求。

（三）控制和減少水的消費

除農業以外，能源行業是用水量最大的部門。大量的水主要用于化石燃料燃燒鍋爐工藝，包括工業鍋爐、電站鍋爐以及供熱鍋爐等。未來，隨著社會經濟發展，我國對水的需求量很有可能持續提升，因此，能源轉型需要將減少水的消費作為目標之一。

（四）低毒性的化工產品生產

大部分石化產品和化工產品來自化石能源，以化石能源為原料，使用化石燃料作為生產時的能源。人類社會影響自然的主要途徑之一就是使用化學產品。未來的氫基產業將改變化工產業，綠氫不僅將使生產綠色的化工產品成為可能，而且產品價格低廉。因此，在未來的產業變革中將出現新型化工產品的生產和制造，降低生產過程和產品的毒性，大大減少對自然生態的影響。

（五）明顯減少礦物開采，減少對自然的傷害

能源是所有行業中開采量最大的，大量的礦井、塌陷區不僅破壞了地下水，也會帶來地表的破壞，這些都屬于人類生產活動對地球的傷害。因此，能源轉型研究不僅要盡量減少能源開采活動，同時也要分析能源轉型對其他礦物開采的影響。

（六）農業的變革

農業是溫室氣體排放的重要來源之一，而且很難實現深度減排。能源轉型有可能對農業生產產生重大的變革性影響。如利用便宜的可再生電力延長光合作用的時間，提高生產率等。另外，如果綠氫和回收的二氧化碳價格便宜，可以嘗試工業化地生產食品和肉食。

三、能源和經濟轉型

（一）能源系統轉型

《巴黎協定》提出，要把全球平均氣溫的升高幅度較工業化以前水平控制在2 ℃之內，并努力把溫升幅度控制在1.5 ℃以內。研究發現，如果以溫升幅度控制在1.5 ℃之內為目標進行情景設計，全球需要在2050年到2060年實現凈零排放;如果要實現2 ℃的溫升幅度控制目標，則需要在2070年后進入凈零排放。根據IPAC模型研究結果，中國有望于2050年實現能源部門的凈零排放，但需要在2025年左右實現碳排放達峰，隨后加快減排速度。

這些情景的主要特征包括：到2050年，非化石能源占一次能源的比重達到或超過75%（按照發電煤耗方法計算）;電力系統在2050年前實現零碳排放，之后進入負碳排放階段;終端部門大力推進電力化;無法電力化的行業使用綠氫作為能源、原料以及工藝材料（如還原劑）;大力發展碳捕集和利用（CCU）技術、碳捕集和封存（CCS）技術，到2050年，需要捕獲的二氧化碳有可能達到16億噸;在化石燃料發電、生物質能發電等過程中都需要使用CCU技術和CCS技術。

圖1為IPAC模型組給出的未來一次能源情景。和其他模型組不同的是，IPAC模型組給予核電更大的發展空間，到2050年，我國核電發電裝機容量達到5.6億千瓦，加上其他核能的使用，裝機容量將達到7.5億千瓦。

未來，我國的能源安全將隨能源轉型而出現內涵轉變。高比例非化石能源情景下，能源已經不需要進口，甚至開始向周邊國家出口氫，能源安全從目前的保障能源進口轉向控制能源相關的事故，以及高可靠度供應能源。依賴可再生能源和核能的情景將可以更加安全地供應能源，并且將保持能源價格獨立，切斷和國際能源價格的關聯，避免能源價格受國際價格變動的影響。大力發展核能，可以在系統能源價格方面更具競爭力。盡管目前很多人對核能還有擔心，但是核能的技術進步已經使現在的三代核電技術和以前的核電技術相比在安全程度上有了巨大進步，可以做到高度安全性，即使在出現核電廠事故的情況下，也能保證無死亡，核污染的有害影響不擴散到廠外。從能源系統角度來看，核電是最為安全、最為低碳、可以高可靠度供應電力的發電方式之一。

從發電情景來看，未來風電、光伏等可再生能源發電需要保持現階段快速增長的趨勢，同時較大幅度提高核能發電量（見圖2）。

到2050年，我國仍會保留部分煤炭發電量，因此需使用CCS技術對二氧化碳進行收集、儲存乃至研發利用。在1.5 ℃的情景下，2050年需捕集16億噸二氧化碳，其中1億～2億噸可用于生產化工產品，助力實現凈零排放或負排放。此外，應充分挖掘燃煤發電機組的調峰潛力，助力可再生能源發電的推廣，提高消納數量。

（二）終端用能部門的電力化轉型

到2050年，在我國能源部門可實現凈零排放或負排放的情況下，應鼓勵終端用能部門盡快實現電力化轉型，即到2050年，交通部門全部電力化，建筑部門基本電力化，工業部門盡量電力化。對于無法實現電力化的工藝，應鼓勵使用氫能替代。

以交通部門為例。到2050年，我國交通部門可以實現能源完全清潔化，做到凈零排放。2050年，道路交通將基本全部使用純電動車，部分大型貨車也將采用燃料電池車。在船舶方面，萬噸以上船舶基本依靠燃料電池驅動，萬噸以上船舶則采用純電動電池驅動。在航空方面，大部分飛機將以生物航空燃油和氫燃料驅動。其他運輸基本實現電力化。實現交通部門凈零排放的重要因素之一是技術革新。研究表明，未來電動車有望徹底超越燃油車，即性能更好、售價更低。在IPAC模型中，在1.5 ℃情景下，我國交通部門的能源需求如圖3所示。

（三）經濟轉型

實現多重目標，將對我國的經濟轉型產生明顯和深遠的影響。技術將發生變革，經濟產業格局將隨之出現變化。這些變化之中，多重目標的實現不會拖累經濟發展，而是會更好地促進經濟發展，增加GDP。實現這些經濟轉型，需要盡早做好準備。

2050年，工業部門應盡力實現電力化。針對難以電力化的工藝，可考慮用氫作為替換，例如在合成氨、苯、乙烯、甲醇等原材料時，在生產工藝中采用氫做還原劑和原料，或在有色金屬、無機化工等行業的生產工藝中用氫還原礦石。分析交通部門和工業部門的轉型需求發現，未來我國對氫的需求量（5000萬～7000萬噸）較大，需加快綠氫發展，使用零碳電力制氫。

由此可見，我國光伏、風力等可再生能源裝機量及發電量將持續增長，這一趨勢也將改變中國經濟發展格局。下游行業的生產區域可能會向可再生能源發電或核能發電成本較低的地區轉移，如我國北部、西部和東北地區。以粗鋼和乙烯為例，主要產品在2018年和2050年產量的分布如圖4所示。

（四）能源轉型和多重目標的實現

以發展可再生能源為基礎推動我國能源和經濟轉型，不但能源部門有望于2050年實現溫室氣體凈零排放，大氣污染物排放量也將大幅削減。根據IPAC模型，研究顯示在2 ℃情景下，到2050年我國大部分省市的PM2.5濃度將達到15微克/立方米，接近世界衛生組織的指導值（PM2.5年均濃度為10微克/立方米）。進一步落實氣候變化和空氣污染協同治理，必須盡快明確治理策略中不能實現協同的技術路徑，例如單一目標的CCS技術。該技術雖可封存二氧化碳，但會增加額外的能源需求，導致大氣污染物排放增加。利用IPAC模型計算分省的能源和排放情景，再利用南京信息工程大學構建的大氣化學模型，可以得到2015—2050年我國各省大氣質量數據，如表1所示。

實現能源的轉型，有利于控制水資源的使用量。在1.5℃情景下，我國甚至可以實現能源行業水消費的下降。能源活動中，石油天然氣開采、煤炭開采洗選以及燃煤燃氣電站是用水的主要領域。而在能源轉型情景中，這些活動都明顯減少，非常有利于減少對水的需求。CCS技術和內陸核電站的大規模發展則會增加對水的需求，但是內陸核電站可以采用空冷技術，明顯減少對水的需求。西部可再生能源富集和廉價的地區發展氫基產業，也可以明顯減少對水的需求，這主要是由于電解水制氫對水的利用率非常高，遠高于其他利用水的生產方式，因而不會增加對水的需求。圖5給出了IPAC模型不同情景下對水的需求量。

化工品毒性降低的目標也將通過材料研發和創新實現。由于綠氫成本很低，基于綠氫和零碳電力生產化工產品成為有競爭力的生產方式。氫基化工可以更好地簡化化工產品系列，不需要復雜的加工過程，這樣可以選擇低毒性的化工產品滿足生產和生活需求。同時基于綠氫的化纖和使用二氧化碳制造的碳纖維，可以代替棉花。

綜上所述，應盡快實現以可再生能源為基礎的電力化進程，大幅降低溫室氣體和大氣污染物排放，解決其他危害健康和生態的問題，從而助力我國實現碳中和愿景、美麗中國遠景目標和生態文明建設等多重目標，助力履行維護氣候安全、打造人類命運共同體的大國責任。

（五）綠氫的未來發展

綠氫在未來的能源轉型和經濟轉型中將扮演重要角色。便宜的零碳電力決定未來綠氫的發展和布局。未來低成本零碳電力包括光伏、風電以及核電。在這些發電方式中，目前光伏發電成本最低，在2020年7月的國際新項目中，上網電價已經低至0.1元/千瓦時左右。資源豐富的地區光伏發電有希望降到0.1元/千瓦時以下。風電目前成本最低已經達到0.2元/千瓦時，未來將進一步下降。核電在第三代技術規模化建設以后，成本有可能下降到0.25元/千瓦時。這里僅以光伏資源的分布來分析未來低成本零碳電力的區域格局。

根據我國光伏資源分布圖，未來的光伏資源主要集中在三北地區、西南地區。在電價低于0.15元/千瓦時時，綠氫的成本就具有很好的競爭力。表2為IPAC模型組估算的我國典型省市低成本光伏潛力及電解制氫量。新疆、青海和甘肅等光伏資源豐富的地區可電解氫潛力巨大。電解水制氫技術在促進西部、北部經濟發展的同時，由于基于電解水制氫產業的用水效率非常高，可以有效減少西北缺水地區對水的消費量，有利于西北地區缺水現象的改善。

電解水制氫技術將非常關鍵。目前堿水電解池技術最為成熟，成本也最低。PEM純水電解池效率更高，啟停快，更加適合間歇性的風電和光伏發電制氫。預計到2025年后，PEM純水電解池技術將更加成熟，成本下降到與堿水電解池技術相當的水平。黃格省等對主要電解水技術進行了對比，如表3所示。

低價的氫可以在交通、工業、農業、能源等行業的變革中起到重要作用，其潛在沖擊力會很大，需要深化認識，在國家戰略、技術研發以及行業轉型方面做出安排。

四、結 語

開展多重目標下的能源轉型分析，可以進一步研判未來能源轉型的方向，通過能源轉型促進社會經濟的高質量發展。盡管本文分析研究的目標年為2050年，但是戰略安排必須在近期確定，才能實現長期的能源轉型目標，降低轉型的成本。我國提出碳達峰碳中和目標，為能源轉型和經濟轉型樹立了方向性的旗幟，是非常重要的國家戰略安排。我們還需要結合國家生態文明戰略和美麗中國目標，從學術上進一步研究更廣泛目標下的能源和經濟轉型，支持相關學術研究和政策制定。

〔責任編輯：沈 丹〕