在当下，能源系统是碳排放的主要来源，中国作为世界上最大的碳排放国和能源消费国，其实现碳中和的能源转型路径备受国内外关注。为了全面评估面向碳中和的能源转型，清华大学陈文颖教授团队构建了包含能源系统的所有部门的能源环境经济模型China TIMES，详细阐述了能源系统脱碳过程中的技术选择、转型成本和对于局地空气污染物治理的协同效应，并且识别出不同碳达峰时间和碳中和时间对于中国能源转型的显著影响。
一、China TIMES模型和情景设置
China TIMES模型是一个自底向上的能源系统优化模型，模型模拟期为2015—2050年，每5年一个步长，目标函数为整个模拟期内能源系统总福利最大。
该模型刻画了能源开采、转换、输配和终端使用的全部能源过程，覆盖了电力、工业、农业、建筑和交通等部门超过500种技术和数十种燃料选择。未来各部门能源服务需求通过社会经济驱动因子进行估计，并根据供求关系和需求价格弹性而波动，反映了生产和生活方式的转变。
同时，考虑到可能存在的碳锁定风险，模型允许燃煤电厂和高碳排放行业产能提前退役。根据中国现有的国家自主贡献目标和碳中和目标，研究设计了4种情景。在这些情景下，碳达峰和碳中和将提前或者如期实现，最终得到通向碳中和不同的路径。
二、结果和讨论
实现碳中和需要能源系统快速减排。中国的二氧化碳排放预计将于2025—2030年达到峰值，峰值水平为103亿~104亿吨。到2030年，中国的碳排放强度将较2005年下降67%(P25)和75%(P30)，符合国家自主贡献目标的承诺。2005—2020年，中国的年均碳排放强度下降率约为4.4%，该速度无法达到碳中和的要求，未来的减排政策仍需不断加强。
不同部门的脱碳进程步调不一。电力部门是当前最大的排放源，随着可再生能源的发展，电力部门的脱碳在近期发挥关键作用，并在2040年开始产生负排放。工业部门正处于产业升级和去产能的阶段，随着高耗能产业的减少，工业部门的碳排放将稳步下降。交通部门和建筑部门的碳排放峰值都将在2030年前后出现，后期电气化的加速，将为这些部门带来巨大的减排潜力。
中国的能源系统需要全面变革。中国的一次能源供应将在2025—2030年达到峰值。在能源供应侧大幅推广可再生能源，逐步使用新能源替代化石能源，促进更低和更早地实现能源消费总量达峰。煤炭在2040年前将被大规模部署的风能、太阳能、生物质能等可再生能源快速取代。到2050年，可再生能源比重达到60%，90%的电量由可再生能源提供。在能源需求侧采用能效提高与燃料替代并举。2020—2050年，终端电气化率由23%稳步上升到近60%，单位工业增加值能耗下降75%，单位面积建筑能耗下降15%，各类高效清洁用能技术快速发展。难以控制的排放将由生物质碳捕集与封存(BECCS)、直接空气捕获(DACS)等碳移除技术抵消。2035年后，碳移除技术将得到规模发展，到2050年将捕获8.7亿~10亿吨二氧化碳。
图1. 2020年与2050年能源服务需求的规模和技术占比变化。黑点表示与2020年相比，2050年能源服务需求增加(减少)的百分数。
脱碳策略深刻影响转型成本。随着减排率的上升，二氧化碳边际减排成本(MAC)也逐年上升，到2035年将可能突破100美元·t−1.2050年进一步突破200美元·t−1.2020—2050年，碳中和导致的福利损失将达到0.9万亿~1.2万亿美元。碳减排带来了巨量的投资需求和显著的协同效益。电力部门需要至少6万亿美元的电源投资来支持电力系统低碳转型，未来10年的年均投资额超过1700亿美元，最大的投资增长点在于风能和太阳能发电技术。同时，由于碳排放和局地空气污染物排放同根同源，仅通过能源转型，到2050年就可以实现SO2、NOx、PM10和 PM2.5等空气污染物较2020年减少85%。
图2. 二氧化碳减排对局地空气污染物治理的协同效应(左);P25-H情景下，2020—2035和2035—2050两段时期，各部门对于局地空气污染物减排的贡献分解(右)。
碳达峰和碳中和时间具有深刻影响。提前达峰为减排提供更多的缓冲时间，虽然在短期内可能会有更大的转型压力，但从长远来看，这是最具有成本效益的选择。提前达峰带来的累计排放量减少，也将缩小21世纪下半叶对于负排放的大量需求。尽管不同情景下2050年局地空气污染物的排放差异不大，但是提前实现碳达峰将导致未来15年的空气质量得到明显改善。碳中和时间是影响转型成本的决定性因素。更早实现碳中和会导致可再生能源和负排放技术的大规模扩张，显著增加整体的减排压力。
三、政策建议
(1)中国应当迅速采取行动，争取实现二氧化碳以较低水平提前达峰。
(2)中国需要在电力部门快速推广可再生能源取代化石能源，并重视储能设施的配套发展。
(3)中国应当合理安排现有燃煤电厂的退役，并且建立CCS试点，完善生物质资源发展的全产业链，为后期大规模发展BECCS做好准备。
(4)国家应倡导绿色低碳可持续的生产生活方式，加快电力、氢能在终端需求部门的渗透。
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