“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究.pdf

DOI:10.12006/j.issn.1673-1719.2022.286蔡立亚,郭剑锋,石川,等.“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究 J.气候变化研究进展,2023,19(5):616-633Cai L Y,Guo J F,Shi C,et al.Simulation research on the evolution pathway planning of energy supply and demand in China under the dual carbon targets J.Climate Change Research,2023,19(5):616-633“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究蔡立亚1，郭剑锋2，石 川3，王浩彬3，朱荣琦4，牛 艳5，薛志光6，白若冰7，计军平8，段婧琳11 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209；2 中国科学院科技战略咨询研究院，北京 100190；3 清华大学环境学院，北京 100084；4 北京航空航天大学经济管理学院，北京 100191；5 清华大学电机系，北京 100084；6 清华大学工程物理系，北京 100084；7 清华大学建设管理系，北京 100084；8 哈尔滨工业大学(深圳)经济管理学院，深圳 518055气 候 变 化 研 究 进 展第 19 卷 第 5 期 2023 年 9 月CLIMATE CHANGE RESEARCHVol.19 No.5September 2023摘 要：能源低碳转型是实现碳达峰、碳中和的关键，关系到我国经济社会发展全局。基于 LEAP 能源系统模型，以电力行业为重点减排行业，提出中国中长期“双碳”发展路径构想，模拟多情景下的能源需求、能源供给、CO2排放量和成本，分析能源配置的生态及经济影响。研究发现能源消费呈现“减煤稳油增气，电能替代加速”的局面，终端能源消费可在 2040 年前达峰，终端能源消费 CO2排放可在 2030 年前达峰，碳捕集利用与封存（CCUS）技术是实现 CO2减排，同时保持一定火电规模以维持电网安全稳定运行的重要手段，且未来逐步具有技术优势。最后，提出了持续推进碳排放总量和强度“双控”，以技术革新促进电力系统低碳转型，以及完善全国碳市场建设促进碳排放交易等三方面实现“双碳”目标的政策建议。关键词：碳达峰；能源消费；LEAP 模型；碳捕集利用与封存（CCUS）；碳减排收稿日期：2022-12-27；修回日期：2023-10-23资助项目：公司项目“企业绿色低碳领先指数研究”（C-TZH-202301）作者简介：蔡立亚，女，高级经济师，；王浩彬（通信作者），男，博士研究生，引 言自 2020 年提出“2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和”目标愿景以来，落实碳达峰碳中和已成为我国能源工作的重要部署1。一系列与碳达峰碳中和相关的行动方案的出台与落地，为完善气候治理体系和推进治理能力现代化奠定了扎实的政策基础。能源转型是实现中长期碳中和目标的关键，然而能源品类和能源系统转型要求之间的矛盾是当前亟需解决的问题。碳达峰碳中和目标的实现需要能源需求侧和供给侧的全过程匹配，对于我国而言，尤其重要的是推动能源的低碳化转型，即从提高清洁能源消费比例和配套构建新型电力系统两方面为实现碳达峰碳中和目标升级优化2。以清洁低碳和智能高效为主要特征的能源转型，是未来能源发展的主要趋势，也是应对气候风险的重要途径3。推进能源转型实现碳达峰碳中和是一项复杂的系统工程，需要政策、技术、产业、市场等多要素的积极配合以及科学合理的行动路径4。张希良等5采用中国全球能源模型对碳中和愿景下我国能源经济转型的路径进行了研究，并评温室气体排放5 期 617蔡立亚，等：“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究估了减排措施的贡献度和政策干预的力度。研究表明，我国实现碳中和目标需进一步提高能源利用效率。清华大学联合国内十多家研究机构开展的“中国长期低碳发展战略与转型路径研究”项目采用了“自下而上”和“自上而下”相结合的研究方法，对各部门能源消费和 CO2排放进行情景分析、技术评价和政策模拟6。刘晓龙等7借鉴国外经验，综合分析我国现状后指出，我国碳中和目标的实现应当从节能增效和“三废”协同治理出发，在加强能源安全观的基础上，加快能源结构转型升级和技术创新升级。此外，很多学者对我国能源转型路径中的重要节点和关键问题进行了预测分析。段宏波等8研究了全球温控 2和 1.5目标下，中国 CO2排放达峰时间和社会碳成本，指出负排放技术是能源重构的重要力量。姜克隽9采用 IPAC 模型研究了我国能源中长期的转型路径，提出我国能源转型路径需要技术创新并可协调促进多目标实现。周孝信等10依据我国的能源转型战略，分析了 20202060 年我国能源消费结构演变过程，对我国能源电力发展情景进行了探讨。Fang 等11研究了中国 8 个产业部门实现碳达峰的路径，结果表明农业、建筑、制造、交通等部门 CO2排放可能在 2030 年前达峰。刘新建等12研究了碳定价与可再生能源政策对能源系统降碳的影响，认为政策组合对实现“双碳”目标具有重要作用。李丹阳等13对交通能源转型路径的研究结果表明，道路运输未来仍是交通部门的主要碳排放源，航空运输减排难度较大，未来碳排放占比将明显上升。在 CO2减排路径模拟方面，国内外学者已建立多种模型开展了相关研究，一般可分为自上向下模型、自下向上模型和混合模型。自上向下模型包括 CGE 模型14，自下向上的模型包括MARKAL、TIMES 和 LEAP 模型15。在众多模型中，LEAP 模型以情景模拟为基础，被广泛应用于能源规划和减排分析研究，是一种灵活的能源-经济-环境建模工具16。LEAP 模型针对终端能源消费的全过程，从能源供应结构、能源技术水平、能源需求等环节，综合评价各种技术和政策措施对节能减排的影响，更适用于城市、交通等部门低碳发展路径研究17。Cai 等18利用LEAP 模拟了中国城市的能源结构、碳达峰碳中和实施路径和各产业的排放曲线，Cai 等19还分析了电力行业的碳达峰碳中和路径，并提出技术方案。刘俊伶等20基于 LEAP 模型研究了交通部门的低碳发展路径，提出交通部门能够以技术可行的方式实现低碳转型。Liu 等21基于 LEAP模型分析了不同城市的碳中和路径，结果表明，工业部门的 CO2排放程度仍处于高位。随着模型的不断成熟，其适用的区域也在不断拓展与丰富。樊星等22研究分析了主要发达国家从碳达峰到碳中和过程的路径特征、政策措施。研究表明，中国实现碳达峰碳中和目标需运用综合政策工具，与发达国家相比需要付出更大努力。然而，目前从国家层面对各行业多能源品种开展碳减排路径的研究较少。本研究以 2020 年为基准年，以中国 2030 年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和为目标，探讨了 20202060 年中国实现碳达峰碳中和的路径，并设置基准情景、煤电逐步退出情景、煤电碳捕集利用与封存（CCUS）情景、天然气 CCUS 情景、生物质CCUS 情景、资源转化情景共 6 种情景，通过能源需求核算与预测，在考虑 CO2捕集成本和碳价的基础之上，对各情景下的碳排放和成本进行分析，提出开展能源产业布局规划的建议与措施，为实现中国碳达峰碳中和目标提供理论依据与政策建议。本文的创新点包括：(1)从国家层面，建立了包含三次产业、居民生活、能源生产、废弃物处理，涵盖多行业和多能源品种的 LEAP 模型，研究了各产业和居民生活的能源需求峰值和CO2排放峰值；(2)研究了发电行业能源技术替代对碳达峰碳中和的影响，在模型中加入了能源技术学习曲线，考虑了技术进步对成本的影响；(3)在模型中加入了碳价和 CCUS 的碳捕集率，研究了环境的外部成本和 CO2捕集成本；(4)研究了垃圾处理、畜禽粪污、污水处理的废弃物处理碳排放和资源转化的减排潜力。1 模型结构与参数设置1.1 模型结构LEAP（Low Emissions Analysis Platform)模型是由瑞典斯德哥尔摩环境研究所及美国波士顿Tellus 研究所共同研究开发的自下向上的能源 环境模型，本研究的模型结构如图 1 所示。本研究中，各产业的活动水平为产业增加值，居民生活的活动水平为人口数。(1)能源需求量计算：图 1 能源供需模型结构Fig.1 Model structure of energy demand and supplyET=(ALi IEi,j)。(1)nmij气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年温室气体排放其中：ET是产业能源需求量；ALi指产业 i 活动水平，用于衡量能源消费的社会或经济活动；IEi,j指产业 i 中能源 j 的能源消费强度，用于衡量单位活动水平的能源消费。居民能源需求量（Eh）计算公式如下：其中：Nu和 Nr分别表示城市和乡村的人口数；eu和 er分别表示城市和乡村居民的人均生活能源需求量。随着我国新农村建设及新型城镇化进程的推进，我国农村居民人均生活用能大幅增长，我国农村居民与城镇居民人均生活用品能源的差距在逐年缩小。(2)CO2排放量计算：其中：TCE是 CO2排放量；FEi,j是第 i 种技术使用第 j 种能源的消费量；EFj是第 j 种能源的排放因子，主要来源于IPCC排放因子数据库（Emission Factor Database，EFDB）。(3)能源生产成本电力行业整体的能源生产成本是利用不同能源的发电技术成本的总和。而每种利用不同能源的发电技术成本由以下因素构成：环境外部成本（碳排放成本)、投资成本、运维成本及燃料成本。电力行业整体的能源生产成本计算公式为：其中：CT为电力行业技术及燃料总成本；CE为环境外部成本；碳价fci为发电技术i的资本成本；foci为发电技术 i 的固定运行维护成本；Cai为发电技术 i 的装机容量；Vci为发电技术 i 的变动成本；Pi为发电技术 i 的发电量；Ei为发电技术 i 的燃料成本。(4)学习曲线以发电为例，单位电力投资变化符合学习曲线模型，这一模型主要阐释了成本的下降是经验累积的结果这一现象，它可用于描述单位生产成本与连续累积产量之间的关系23。简单来说，某一技术的累积产量越高，单位生产成本越低。但当累积产量下降时（如煤电逐渐退出)，单位生产成本不会再一次上涨，而是保持之前产量积累过程的最低值。学习曲线的具体模型如下：其中：fci(k)为 k 时期的单位电力投资成本，是电力累积装机容量 N(k)的函数；fci(1)为初始单位电力投资成本；-为累积装机容量对单位投资成本的弹性系数。LR为学习率，投资成本的下降率或技术进步率 PR由 决定。整体煤气化联合循环发电（IGCC)、CCUS、风电、生物质能发电等能源技术学习率通过参考相关文献获得。(5)时间序列函数 在进行电源规划过程中，对于没有给出具体装机容量等参数数值的年份（期间值)，根据前后年份的已知数值（期初值和期末值)，采用线性差值函数计算补充。1.2 模型关键指标各行业的能耗水平主要受各行业用能状况影响，本研究将国内生产总值（GDP）作为除居民生活外的行业活动水平。构建模型之前首先对GDP、单位 GDP 能耗和人口发展趋势等社会经济指标进行统计，20252060 年我国 GDP 及增长率预测如表 1 所示。依据中国统计年鉴 2021，TCE=(FEi,j EFj)。(3)nmijEh=Nu eu +Nr er。(2)CT=CE+(fci Cai+foci Cai+Vci Pi+Ei)。(4)nifci(k)=fci(1)N(k)-，(5)LR=1-PR=1-2-。(6)表 1 中国 GDP 及增长率前景预测Table 1 Assumptions of Chinas GDP and growth rate年份GDP 增长率/%GDP 预测/万亿元2020202520302040205020604.04.53.02.51.5101.4123.3153.7206.5264.4306.8注：增长率数据为当年至表中下个时间节点平均年增长率，所以 2060年无对应数据。5 期 619蔡立亚，等：“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究参照余碧莹等24的研究，本文采用中低发展速度对我国 GDP 进行预测。各类能源的单位 GDP 能耗增速，通过能耗增速和 GDP 增长率计算得出，单位 GDP 能耗增长率如表 2 所示。煤炭相应年份的增速根据信达证券关于中国煤炭消费预测和展望计算得出，石油、天然气能源相应年份的增速根据中石油发布的 世界与中国能源展望2021 版25计算得出，电力相应年份的增速根据国网能源院发布的中国能源电力展望26数据计算得出。现苓等35、陈霞等36中关于中国人口发展数据比较，偏差范围均在 0.05%以内，验证了预测的合理性。由于中国城镇化发展，城镇人口比例逐年上升。按照国家“十四五”规划，2025 年我国常住人口城镇化率的目标是 65%，城镇人口比例从 2020 年的 64%增长至 2060 的 83%；相应的，乡村人口比例逐年下降，到 2060 年为 17%。表 2 单位 GDP 能耗增长率Table 2 Growth rate of energy intensity年份煤炭202020252030204020500.7-5.0-4.0-3.5-2.0-2.8-3.3-6.0-5.9-5.0注：增长率数据为当年至表中下个时间节点平均年增长率。石油天然气电力%1.10.6-1.1-3.0-2.0-0.8-1.2-2.0-2.5-3.0人口规模是影响居民用能水平的关键驱动因素之一27，也是刺激城镇居民用能碳排放增长的关键驱动因素28。终端居民生活用能需求受多种因素综合影响，其中居民生活方式转变、城镇化进程、人口数量等是主要因素。运用数据回归分析得到，农村人口对农村居民能源消费结构具有显著影响29。因此，人口数据对终端城镇和农村居民生活能源需求的影响权重较大，可作为预测居民生活能源需求的主要因素。20202060 年我国城镇和乡村人口预测参数如表 3 所示。基于国家统计年鉴30数据进行预测，年度总人口数依据国家人口发展报告及其他研究机构的人口未来趋势预测数据计算31。城镇化率主要依据“十四五”发展规划及发达国家城镇比重发展趋势32计算。人口年增长率 20202025年为 1.98，20252030 年为 0.89，之后下降至 2050 年的-4.96。该预测结果与联合国人口发展展望33、育娲中国人口预测（2021）34、张表 3 我国城乡人口预测Table 3 Assumptions of Chinas urban and rural population年份总人口/亿人20202025203020402050206014.114.314.314.213.813.11.980.89-0.66-3.09-4.96注：增长率数据为当年至表中下个时间节点平均年增长率，2060 年无对应数据。人口增长率数据依据 2020 年数据预测，可能与 20202022年人口实际变化略有差异。9.09.310.010.410.510.9646570737683人口年增长率/城市人口/亿人城镇人口比例/%根据统计数据设置各能源的传输损失率如下：电力传输损失率一般为 6%左右，煤化工能源传输损失率为 0.3%，原油开采传输损失率为 2%，石油加工传输损失率为 0.3%；据国家建材局规定，原煤开采传输损失率不大于 1%；天然气传输损失率忽略不计。为计算 CCUS 的捕集成本，本文将 CCUS 技术部分单独计算。对于运维成本，参考国际能源署（IEA）37的数据并结合中国人工成本较低的特点，设定煤电和生物质 CCUS 部分运维成本为各自原发电机组部分的 60%，天然气 CCUS 部分运维成本与其原发电部分运维成本相同。同时考虑 CCUS 学习曲线，通过各情景排放量可分别计算得到煤电、天然气、生物质的 CCUS 单位捕集成本。1.3 情景设置情景设置方面，本研究以中国统计年鉴202130中国能源统计年鉴 202138作为基础数气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年温室气体排放据来源，参照 “十四五”可再生能源发展规划39等相关政策文件和研究成果40，对中国的能源结构演变趋势进行探索，设置基准情景、煤电逐步退出情景、煤电 CCUS 情景、天然气 CCUS 情景、生物质 CCUS 情景、资源转化情景。各情景描述如表 4 所示。各情景下的电源结构如图 2 所示。2 结果分析2.1 能源需求各行业 20202060 年终端能源需求量如图3 所示，各行业终端能源需求结构如图 4 所示。20202060 年，预计中国社会经济仍处于较快发展阶段，通过结构调整和节能降耗，终端能源需求均可实现达峰。2020 年中国终端能源消费为 3842 Mtce，预计 2039 年达到峰值，为 5236 Mtce。随着产业结构的调整和能源效率的提高，2039 年后，我国终端能源消费逐渐下降，预计2060 年降至 4450 Mtce。工业仍是能源消费的主要部门，在终端能源消费中的占比为 60%左右，工业部门能源消费直接影响终端能源消费，且与终端能源消费碳达峰时间基本一致。在全面推进工业、建筑、交通等重点领域节能减排，能源消费总量和强度双控、优化能源结构、提高清洁能源使用比重、推进新能源规模化发展与综合利用等一系列政策作用下，中国分品种能源消费呈现“减煤稳油增气，电能替代加速”的局面。煤炭消费以电力行业消费为主，天然气消费主要聚焦在发电供热、服务业和居民用气，电力消费主要聚焦在第三产业和居民生活上。分行业来看，农业能源消费以电力、煤炭和柴油为主，考虑到低碳化趋势和技术升级等因素，预计在 2029 年达到峰值 85 Mtce，随后逐步下降至2060年的55 Mtce，与现有研究结论基本一致41。工业能源以煤炭、焦炭和电力为主，工业能源消费预计于 2030 年达到峰值，为 3072 Mtce，随着工业淘汰落后产能和技术升级改造，预计2060 年工业能源需求总量为 2555 Mtce。建筑业能源以其他油品中的石油沥青及电力消费为主，20292039 年间基本稳定在 106 Mtce 109 Mtce，能源消费达峰时间相对延后，预计于 2039 年达峰，能源消费量为 109 Mtce，之后下降为 2060 年的 98 Mtce。交通运输仓储及邮政业的能源消费以柴油、电力、汽油和天然气为主20。交通能源需求预计于 2029 年达峰，为 574 Mtce，随着交通领域的低碳转型和运输量的不断增加，2030 年后交通运输业能源需求呈缓慢下降趋势，预计 2060 年能源需求总量为 524 Mtce，同时，汽油、柴油、煤炭、燃料油等油品的占比将持续下降42。表 4 情景描述Table 4 Scenario description情景名称情景描述基准情景煤电逐步退出情景煤电 CCUS 情景天然气 CCUS 情景生物质 CCUS 情景资源转化情景依据当前政策进行电源规划，电源结构主要参照“十四五”期间的政策要求，没有实施进一步减排措施在基准情景的基础上，煤电从 2030 年起逐步退出。煤电装机占比从 2030 年 32.8%逐步减至 2040 年 21.4%、2050 年 15.0%、2060 年 9.7%；天然气装机和生物质装机容量相应增加在煤电逐步退出情景的基础上，煤电从 2030 年开始逐步加装 CCUS。2030 年煤电装机的 10%加装 CCUS，2040 年这一比例为 40%，2050 年和 2060 年则分别达到 80%和 100%在煤电 CCUS 情景的基础上，天然气发电从 2040 年开始逐步加装 CCUS。2040 年、2050 年和 2060 年加装比例分别为 20%、40%和 60%在天然气 CCUS 情景的基础上，生物质发电从 2040 年开始逐步加装 CCUS。2040 年、2050 年和 2060 年加装比例分别为 20%、40%和 60%分析废弃物处理资源转化利用的减排潜力，将经处理的城市生活垃圾、污废水和畜禽粪污用于垃圾发电和沼气发电的燃料来源，可实现废弃物处理环节减排。沼气发电规模较小，2030 年为 3 GW，2050 年为 5 GW5 期 621蔡立亚，等：“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究图 2 各情景下的电源结构Fig.2 Electricity capacity structure in scenarios7000装机容量/GW8000装机容量/GW2060 年2020(a)基准情景煤电生物质CCUS天然气CCUS煤电CCUS6000500040003000200010000600050004000300020001000070002030204020502060 年20202030204020508000装机容量/GW600050004000300020001000070008000装机容量/GW600050004000300020001000070008000装机容量/GW600050004000300020001000070008000装机容量/GW600050004000300020001000070002060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年2020203020402050核电水电风电天然气发电光伏发电沼气发电生物质发电(b)煤电逐步退出情景(c)煤电 CCUS 情景(d)天然气 CCUS 情景(e)生物质 CCUS 情景(f)资源转化情景能源需求/Mtce60005000400030002000100002060 年2020203020402050农业工业建筑业其他交通运输仓储及邮政批发零售住宿及餐饮居民生活图 3 20202060 年终端能源需求量Fig.3 Final energy demand in 2020-2060批发零售住宿及餐饮业能源消费以电力、煤炭和天然气为主，服务业供暖和用电设备占比较高，预计 2039 年能源消费达峰，为 102 Mtce，之后呈缓慢下降趋势，预计 2060 年能源需求量为 83 Mtce。其他行业能源消费以电力、汽油和煤炭为主，预计能源消费于 2029 年左右达峰，为 240 Mtce。随着能源效率的提高，预计 2060 年能源需求量降至 190 Mtce。居民生活能源消费以电力、天然气、热力和煤气为主。煤炭在我国的居民生活能源中所占的比例不断缩小。随着我国城市化进程的加快和居民生活水平的提高，家用电器进入居民生活，带气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年温室气体排放动居民生活电力消费大幅增加。随着天然气管网设施的发展完善，以及页岩气和煤层气等非常规天然气气源的不断增加，天然气在我国居民炊事用燃气中的比重将大幅增加，居民生活用煤气增速不断下降。农村居民的人均生活用能消费逐渐与城镇居民趋同。2040 年前居民能源需求量呈现图 4 20202060 年各行业终端能源需求结构Fig.4 Industrial final energy demand structure in 2020-2060注：其他油品主要包含石油沥青和液化石油气。(a)农业煤炭1008060402003000250020001500100050003500焦炭原油电力(b)工业(c)建筑业(d)交通运输仓储及邮政业(e)批发零售住宿及餐饮业(f)其他行业(g)城镇居民生活(h)农村居民生活能源需求/Mtce能源需求/Mtce100806040200能源需求/Mtce1206005004003002000700100能源需求/Mtce100806040200能源需求/Mtce120250200150100500能源需求/Mtce300200150100500能源需求/Mtce2508006004002000能源需求/Mtce10002060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年2020203020402050柴油汽油热力煤油煤气燃料油液化天然气天然气其他能源其他油品5 期 623蔡立亚，等：“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究上升趋势，居民生活能源消费预计于 2039 年达到峰值，居民能源需求量为 1095 Mtce，其中城镇能源需求量占 77.92%，农村能源需求量占 22.08%。城镇居民能源消费预计于 2039 年达峰，能源需求量为 853 Mtce，农村居民预计于 2039 年达峰，能源需求量为 242 Mtce。由于中国老龄化进程加速及人口负增长43，居民能源消费预计 2060 年降至944 Mtce，其中城镇能源需求量占 83.48%，农村能源需求量占 16.52%。2.2 能源供给2.2.1 煤油气供应在本研究中，煤油气供应量的预测考虑了能源进出口量目标，即供应量=产量-出口量+进口量，煤油气供应量如图 5 所示。在碳达峰碳中和“1+N”政策体系指引，以及“十五五”煤炭消费减少刚性约束下，煤炭供应量预计 2039 年达峰，供应量为 3069 Mtce。由于焦炭是终端能源消费主要的煤化工产品，因此本研究在煤炭加工部分只考虑了焦炭供应。焦炭供应量预计 2029 年达峰，峰值为 506 Mtce，焦炭的产能与煤炭供给侧总量控制密切相关。由于终端能源部门原油消费量较少，且石油供应量受国际政治、经济形势影响巨大，因此本文不对石油供应量进行预测。我国石油供应主要来自进口，受需求侧能源转型的影响，油品的供应量预计于 2024 年达到峰值，为605 Mtce。天然气供应量预计于 2040 年达峰，峰值为 693 Mtce。2.2.2 电力供应基于情景描述设置参数，各情景下的发电结构如图 6 所示。基准情景下，煤电发电量 2039 年达到最大值 9215 TWh，之后下降至 2060 年的7186 TWh，煤电发电量占比基本保持在60%左右。水电发电量占比呈缓慢下降趋势，核电、太阳能、风电发电量占比呈上升趋势。核电发电量从 2020年的 366 TWh 增长到 2060 年 1005 TWh；水电发电量 2045 年前呈增长趋势，2044 年达到 1697 TWh，2060 年下降到 1337 TWh；风电发电量2049 年达到最大值 1613 TWh，2060 年为 1536 TWh；光伏和生物质发电量呈持续增长趋势，2060 年分别为 631 TWh 和 429 TWh。煤电逐步退出情景下，煤电发电量占比将呈明显下降趋势，从 2020 年的 60.7%下降至 2060年的 20.3%。煤电发电量于 2029 年达到最大值5883 TWh，之后下降至 2060 年的 2460 TWh。风电、光伏、核电、生物质等清洁能源发电量占比在国家的政策支持下稳步上升。其中光伏发电量和风电发电量的占比从 2020 年的 3.4%和 6.1%上升至 2060 年的 26.7%和 30.3%。2060 年光伏发电量为 3242 TWh，风电发电量为 3668 TWh。生物质发电量占比较小，从 2020 年 3.9%增加到 2060 年的 5.5%，2060 年生物质发电量为 661 TWh。煤电加装 CCUS 的情景下，煤电发电量占比从 2020 年的 60.7%下降到 2050 年的 5.8%左右；随着煤电装机占比开始降低、煤电 CCUS 装机占比相应增加，煤电 CCUS 发电量占比稳步增长，从 2030 年的 4.6%增长到 2060 年的 18.5%，2060年煤电 CCUS 发电量为 2238 TWh。天然气发电量和占比呈现先增后减的趋势。天然气 CCUS 情景下，天然气 CCUS 发电量占比从 2040 年的 3.2%增加到 2060 年的 4.7%，天然气 CCUS 发电量于 2050 年达到最大值 959 TWh，相应的天然气发电量占比在 2032 年前基本在 3.3%8.3%之间波动，2032 年后呈下降趋势。按照国家天然气相关政策要求，未来将有序引导天然气消费，优化利用结构，优先保障民生用气，大力推动天然气与多种能源融合发展，天然气将图 5 20252060 年煤油气供应量Fig.5 Coal,oil and gas supply in 2025-2060煤油气供应量/Mtce60005000400030002000100002060 年2030204020502025203520452055煤炭开采煤炭加工炼油天然气开采气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年温室气体排放图 6 20202060 年各情景下发电结构Fig.6 Power generation structure by scenarios in 2020-206014000发电量/(TWh)煤电生物质CCUS天然气CCUS煤电CCUS120001000080006000400020000核电水电风电天然气发电光伏发电沼气发电生物质发电(a)基准情景(b)煤电逐步退出情景(c)煤电 CCUS 情景(d)天然气 CCUS 情景(e)生物质 CCUS 情景(f)资源转化情景1600014000发电量/(TWh)1200010000800060004000200001600014000发电量/(TWh)1200010000800060004000200001600014000发电量/(TWh)1200010000800060004000200001600014000发电量/(TWh)1200010000800060004000200001600014000发电量/(TWh)120001000080006000400020000160002060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年20202030204020502060 年2020203020402050主要作为调峰电源44。生物质 CCUS 情景中，生物质 CCUS 技术等负碳技术的应用是实现碳中和目标的重要抓手22。在生物质 CCUS 情景下，预计生物质 CCUS 发电量从 2040 的 0.6%增加至 2060 年的 3.2%，2060年生物质 CCUS 发电量增长到 387 TWh。我国的生物质发电增长较缓慢，主要原因包括原料供应收集困难，成本较高；产业集聚程度不高、规模化程度有限，产业主体的商业化程度不高以及技术开发能力有限，相关政策及措施有待完善。资源转化情景中，通过对废弃物中生物质能的充分利用，来减缓废弃物处理对环境的影响。考虑到原料处理、技术效率和产品提纯等流程的损失，沼气发电量占比维持在 0.1%，2060 年生物质能发电量占比可达到 5.4%。2030 年沼气发电量可达 12.4 TWh，2050 年沼气发电可达 19.6 TWh。底物清运量、底物有机成分和能源转化率影响单位原料发电能力45，未来仍需大力推进垃圾分类处理和沼气技术和行业发展46。2.3 排放分析2.3.1 终端能源排放终端能源需求部门 CO2排放量如图 7 所示，各部门 CO2排放量如图 8 所示。(1)终端 CO2排放总量及结构按照我国从完善能源消耗总量和强度调控，5 期 625蔡立亚，等：“双碳”目标下中国能源供需演变路径规划模拟研究重点控制化石能源消费，逐步转向碳排放总量和强度“双控”制度的要求，我国终端 CO2排放量预计于 2029 年达峰，峰值为 7596 Mt，2060 年逐步下降至 5346 Mt。工业部门仍是 CO2排放的主要部门，工业部门 CO2排放量占全国 CO2排放总量的 63%左右，主要来自于煤炭和焦炭的消费，预计工业部门排放于 2029 年达峰，CO2排放量为 4906 Mt，2060年降至 3344 Mt。农业、批发零售住宿及餐饮部门 CO2排放量占比较少，农业 CO2排放量占全国排放总量的比重从 2020 年 2.2%下降到 2060 年的 1.5%，排放主要来自煤炭和柴油的消费；预计农业部门于2024 年达峰，CO2排放量为 147 Mt，2060 年下降至 78 Mt。批发零售住宿及餐饮部门 CO2排放占比基本维持在 1.3%1.4%之间，排放主要来自煤炭和天然气的消费；预计批发零售住宿及餐饮部门于 2028 年达峰，CO2排放量为 97 Mt，2060年下降至 73 Mt。建筑业、交通运输仓储及邮政业 CO2排放占比呈逐年上升趋势，分别从 2020 年的 2.3%和11.9%上升到 2060 年 3.1%和 12.7%。建筑业排放主要来自于其他油品中石油沥青的消费，占建筑业排放总量的 64%83%。预计建筑业排放于2039 年达峰，CO2排放量为 185 Mt，2060 年 CO2排放量下降至 166 Mt。交通运输仓储及邮政业排放主要来自于汽油、煤油、柴油、天然气的消费，预计于 2024 年达峰，CO2排放量为 869 Mt，2060年下降至 677 Mt。其他行业排放主要来自于煤炭、汽油、柴油的消费，预计于 2029 年达峰，CO2排放量为 221 Mt，2060 年下降至 121 Mt。居民生活 CO2排放占比基本维持在 16%左右。居民生活 CO2排放预计于 2039 年达峰，CO2排放量为1206 Mt，随着居民生活清洁供暖和电能替代，2060 年居民生活 CO2排放量降低至 888 Mt。城镇居民生活碳排放主要来自于煤气和天热气消费，预计碳排放于 2039 年达峰，CO2排放量为 1045 Mt，2060 年下降至 814 Mt。农村居民生活碳排放主要来自煤炭和其他油品中液化石油气的消费，CO2排放量呈逐年下降趋势，CO2排放量从 2020年的 298 Mt，下降至 2060 年的 74 Mt。其中，煤炭消费引起的 CO2排放占农村居民生活 CO2排放量的比重基本在 55%左右。其他油品中液化石油气消费引起的 CO2排放农村居民生活 CO2排放量比重从 2020 年的 7.5%，上升至 2060 年的26.3%。2.3.2 发电部门排放各情景下发电部门排放如图 9 所示，基准情景下，发电部门 CO2排放量预计于 2040 年达峰，CO2排放量为 7088 Mt，2060 年 CO2排放量降至5467 Mt。其他情景下，发电部门 CO2排放均可实现 2030 年达峰。其中，生物质 CCUS 情景下，由于应用了负碳技术，预计发电部门于 2055 年左右实现碳中和。煤电逐步退出情景下，随着煤炭的逐步退出和可再生能源占比的不断提升，2030 年 CO2排放量达到峰值 4735 Mt，比基准情景降低 1503 Mt。2060 年 CO2排放量下降至 2042 Mt，比基准情景降低 3426 Mt。若要实现 2060 年碳中和目标，需进一步采用负碳技术、空气捕捉 CO2、增加碳汇等措施。在煤电 CCUS、天然气 CCUS、生物质 CCUS情景下，2030 年发电部门 CO2排放量均达到峰值4367 Mt，比基准情景降低 1871 Mt。2060 年，在煤电 CCUS、天然气 CCUS 情景下发电部门碳排图 7 20202060 年终端能源需求 CO2排放量Fig.7 CO2 emissions from final energy consumption in 2020-2060CO2排放量/Mt60005000400030002000100002060 年2020203020402050900080007000农业工业建筑业其他交通运输仓储及邮政批发零售住宿及餐饮居民生活气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年温室气体排放图 8 20202060 年各