面向碳中和的中国能源转型路径思考

能源是人类文明发展和进步的重要驱动力,煤炭的使用推动了第一次工业革命, 电力的应用推动了第二次工业革命。以能源为基石的现代工业体系在满足人类生活物质和能量需求的历史进程中发挥了重要作用, 极大地提升了人类社会的发展指数。基于化石能源燃料与原料的建筑、交通和工业技术满足了世界上多数国家、区域、企业和个人的能源与物质需求, 保障了人类文明的持续发展。然而, 工业革命以来的人类能源活动也引发一系列环境与气候问题。根据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)统计, 1970 年工业革命以来, 全球 78%的温室气体排放与化石燃料的使用相关[1]。根据国际能源署统计,2020 年与煤炭、石油及天然气相关的 CO2排放高达320 亿吨, 占全球总 CO2 排放的 90%以上[2]。因此,能源系统低碳转型是实现碳中和路径的关键。总体而言, 由于工业革命以来 CO2 的持续排放, 大气中CO2 浓度已经超过 400 μL/L 的地球系统行星边界[3],达到 80 万年来的最高值, 给人类社会的可持续发展带来挑战。因此, 减少人类能源活动碳排放, 缓解全球气候变化逐渐成为全人类的共识。

作为世界上最大的发展中国家与全球第二大经济体, 中国一直在全球气候治理行动中扮演重要角色。2020 年 9 月 22 日, 国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论讲话中提出, 中国将提高国家自主贡献力度, 采取更加有力的政策和措施,力争CO2排放在2030年前达到峰值, 努力争取2060年前实现碳中和(即 3060 双碳目标)。这是中国首次向国际社会做出明确的碳中和承诺, 也为中国能源系统的低碳转型提供了明确的时间节点要求。

目前, 中国明确提出以促进可再生能源替代和化石能源清洁利用为核心的能源系统低碳转型战略。然而, 在具体实施层面, 精确、安全、有序地推进能源系统减排仍然面临诸多挑战。因此, 不仅需要从全球视角深入分析中国能源转型面临的现实困难, 而且需要探讨不同转型路径对中国经济社会的深远影响。基于上述背景, 本文致力于剖析中国能源转型与全球气候治理之间的紧密联系, 综合评估中国在能源转型过程中面临的挑战, 并探索多元化的碳中和路径, 探讨能源转型、经济发展与环境保护之间的复杂交互关系, 旨在为优化中国能源转型路径提供新颖的分析视角和实践指导, 同时为实现全球气候治理和可持续发展目标贡献具有中国特色的策略和见解。

2 中国能源转型的主要挑战

能源转型是推动中国经济社会碳中和系统性变革的重大战略, 在实现过程中面临诸多挑战。目前,以煤为主的能源结构、能源增长的刚性需求以及碳达峰至碳中和的时间紧迫性共同构成中国能源系统碳中和迫切需要解决的三大问题。

2.1 以煤为主的能源结构

煤炭资源相对丰富是我国化石能源资源禀赋的基本国情, 以煤为主的能源结构决定了实现碳中和任务的艰巨性。按发电煤耗法折算, 中国2022年一次能源消费总量约为 54 亿吨标准煤(图1), 煤炭消费量占能源消费总量的 56.2%[4]。在世界主要工业国中, 中国煤炭消耗占比最高, 因此减少煤炭碳排放是中国能源系统实现碳中和的关键所在[5–7]。

值得注意的是, 与西方发达国家相比, 我国煤矿和煤电厂等主要煤炭相关基础设施的服役年限较短。以燃煤电厂为例, 我国燃煤电厂的平均寿命在10 年左右。相关研究表明, 按西方发达国家 40 年的正常生命周期测算, 在不提前退役或进行低碳和零碳改造的情况下, 我国燃煤电厂的碳排放锁定就几乎用尽 1.5℃温升情景下的碳排放预算, 将严重阻碍碳中和目标的实现[3]。因此, 更加现实的挑战在于我国长期以来以煤为主的能源结构造成的路径锁定效应。客观而言, 综合考量技术–经济–政治–社会多维因素, 煤炭在短期内仍然是中国能源系统中不可缺少的压舱石, 也是解决能源供给不足最“短平快”的选择[8], 这种短期需求与长期规划之间的矛盾进一步增加了制定煤炭相关能源转型的难度。以 2021 年为例, 我国煤炭供不应求, 价格大涨,各地新核准一批煤电机组, 也进一步印证如何解决煤炭问题在一定程度上是我国能源系统实现碳中和的首要挑战。

2.2 能源增长的刚性需求

2022 年中国 GDP 总量约为 120 万亿元人民币,能源消费约为 54 亿吨标准煤, 人均 GDP 约为 1.25万美元, 人均能耗约为 3.86 吨标准煤(按 29.3 GJ/吨热值计, 大约折合 110 GJ/人), 万元 GDP 能耗约为0.45 吨标准煤(约折合 13 GJ/万元)[4]。在本世纪中叶建成社会主义现代化强国的目标指引下, 届时中国GDP 可达 400 万亿元人民币, 人均能耗与单位 GDP能耗仍会进一步增加, 短期内中国能源增长的刚性需求不可避免。从西方发达国家走过的路径来看,人均能耗大约在人均 GDP 达到 2～3 万美元时才能达峰, 峰值在 150～300 GJ/人之间[9]。如何在碳排放的约束条件下保障中国经济增长与人民生活水平持续提高需要的能源供给, 是我国能源系统实现碳中和的另一大挑战。我国化石能源以煤炭为主导, 油气资源相对缺乏, 煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的 50%, 石油和天然气人均资源量仅为世界平均水平的 1/15 左右[10]。相比较而言, 我国拥有较丰富的可再生能源资源, 截至 2021 年底,我国可再生能源发电装机容量达到 10.64 亿 kW, 占发电总装机的 44.8%, 风电、光伏发电、水电和生物质发电装机容量分别达到 3.28, 3.06, 3.91 和 0.38亿 kW, 连续多年稳居世界第一[11]。因此, 探索可再生能源在我国能源需求刚性增长中的作用具有重要价值。

2.3 碳达峰至碳中和的时间紧迫性

英国、法国和德国等欧洲发达国家在 20 世纪70 年代就实现了碳达峰, 宣布 2050 年为实现碳中和的时间, 具有至少 70 年的时间间隔; 美国 2007年实现碳达峰, 宣布到 2050 年实现碳中和, 争取到43 年的时间间隔(表1)。然而, 中国承诺 2030 年实现碳达峰到 2060 年实现碳中和, 只有 30 年的时间间隔, 这就决定了实现碳中和目标的紧迫性。从当前中国的产业结构看, 人均能耗和人均 GDP 仍然处于上升阶段, 当前的经济增长在很大程度上依靠扩大资源能源密集型产业, 而西方发达国家主要产业多为信息技术密集型的高附加值产业, 人均能耗与人均 GDP 已在一定程度上实现解耦[13]。因此, 与欧美发达国家相比, 中国碳中和目标的实现意味着在更短的时间内完成更迅速的产业转型以及经济增长方式的转变, 这种时间上的紧迫性构成中国能源系统实现碳中和的第三大挑战。

3 中国能源转型的路径分析

双碳目标提出以来, 国内外研究机构在低碳和零碳能源系统转型路径方面取得一系列研究成果,为碳中和目标下能源系统的脱碳转型提供了方向引导。绝大部分研究者共同确认了能源系统实现碳中和的几大关键问题, 包括提高末端用能效率与电气化水平、发展无碳清洁电力、使用生物质能氢能等清洁燃料、发展碳捕捉、利用与封存技术(carbon capture, utilization and storage, CCUS)以及提升自然碳汇等, 其中一次能源结构中的可再生能源替代化石能源以及终端用能中的电气化技术取代非电气化技术是大趋势, 相应地, 从一次能源到二次能源的转化也将从依赖燃烧技术为主转向依赖多元化的物理化学技术。

尽管未来碳中和能源系统将是上述关键技术的优化组合已成为共识, 但其定量互补关系在不同的方案中不尽相同。《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》综合报告[14]指出, 到 2050 年, 我国一次能源供应中化石能源的占比将低于 30%, 终端消费电力占比将超过 55%。IEA 的中国能源体系技术路线图[2]指出, 到 2060 年, 中国煤、石油和天然气的需求将分别下降 80%, 60%和 45%。DeAngelo 等[15]总结了全球不同地区 177 个碳中和情景下的未来能源系统结构, 指出碳中和目标下一次能源供应中化石能源占比平均值为 40%, 终端能源消费中电力占比约为 50%, 其余 50%则需无碳固体、液体和气体燃料来满足。需要指出的是, 尽管未来能源系统中各类型能源的最终占比往往与模型预测结果有差异,但不同转型路径中对未来能源结构的展望对不同行业的未来规划仍然具有重要参考价值。尤其对于石油和天然气等化石能源, 其探勘、开发、存储和输运的基础设施投资大, 规划周期长, 产能不足或产能过剩, 轻则影响能源供应成本, 重则影响能源国家安全, 因此在能源系统规划过程中, 量化影响未来能源结构与关键技术的不确定性有重要意义。

中共中央和国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》(简称意见)指出“到 2060 年, 绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立, 能源利用效率达到国际先进水平, 非化石能源消费比重达到 80%以上”。该意见出台以来, 不少机构在相关规划中均以此为纲领, 将 2060 年非化石能源消费占比 80%作为能源系统规划的硬性约束条件开展研究, 进行终端用能电气占比、清洁电力装机容量以及清洁燃料生产等相关规划, 以期实现 2060 能源系统低碳和零碳转型目标(表2)。本文认为将 80%非石化能源消费占作为规划约束, 尚有以下 3 个问题值得推敲。

1) 未来能源系统是否需要实现绝对零碳排放?人工与生态碳汇将如何影响能源系统排放空间?

如何确定未来能源系统的排放上限, 在很大程度上取决于能源系统之外的碳消纳能力。碳消纳可以分为生态碳汇与人工碳汇两类, 当前的研究结果中对两类碳汇的预测范围有较大的差异[21]。中华人民共和国科学技术部规划预测 2060 年人工碳汇可达到 10 亿吨[21], 朴世龙等[22]预测中国 2060 人工碳汇的总体利用与封存能力在 15 亿吨左右; 于贵瑞等[21]预测 2060 年中国陆地生态系统的碳消纳能力为 15～25 亿吨, 如果结合扩容认定、生态增汇和生态封存等手段, 预计 2060 年中国陆地生态系统碳汇消纳能力可以达到 20～30 亿吨。据此保守估计,2060 年我国碳消纳能力可达 35 亿吨。如果以 35 亿吨的碳汇水平作为边界条件, 未来与能源相关的碳排放未必以绝对零碳作为目标(未来碳汇是否全部用于中和能源系统碳排放也取决于工业和农业等其他人为碳排放来源的降碳目标)。

图2 示意碳排放与碳汇间的平衡关系, 其中减排路径 1～4 为假设的 4 条虚拟路径, 实线对应未考虑碳汇的碳排放, 虚线对应考虑碳汇的碳排放, 可以看到不同的路径均能实现 2060 碳中和目标, 但不同碳汇条件下减排路径的斜率差别较大, 且最终碳排放均以碳汇量作为目标值。值得注意的是, 众多研究[23–25]指出能源系统的减排边际成本具有强非线性特征, 即减排成本随着减排量的增加而增加,因此如果能源系统减排长跑的最后一公里能够依赖碳汇实现, 或者碳汇的成本低于能源系统减排成本的话, 未来能源系统可以适当地保留部分碳排放,以便实现碳中和路径的整体最优。

2) 终端用能大规模电气化以及电力生产的大规模清洁化如何实现? 能源供应的安全与韧性如何保持?

终端用能电气化与电力生产清洁化是实现能源系统低碳目标的重要手段, 但针对终端用能的电气化比例以及清洁电力生产结构的量化, 相关研究尚不足并存在争议[26]。对于终端用能的电气化比例,一方面依赖电动车和热泵等化石能源替代技术与基础设施, 另一方面依赖输配电系统的安全稳定转型及有效扩容[26]。有研究表明, 在现有基础设施与未来装机速度的双重约束下, 到 2050 年, 我国工业领域的电气化率只能从现在的 30%增至 50%, 交通领域的整体电气化率可以从现在的 5%增长到 50%,建筑领域可以从现在的 30%增长到 60%[27]。据此,2050 年中国能源系统终端用能整体电气化比例较难超过 60%。如何在 2050—2060 年这一时段内将60%的终端用能电气化比例提高到 80%, 需要更加详实的论证与研究。

未来电源结构配置也是碳中和路径优化中的关键问题。尽管以风和光为代表的可再生能源将是未来能源系统的主体能源, 但当前在全球范围内, 能够适应波动性高比例可再生能源的电力系统尚不稳定[28], 在可再生能源消纳比例最高的丹麦, 其占比尚不足 50%, 位于第二梯队的德国占比为 30%, 英国占比不到 25%。中国目前还不到 10%, 已经给电网带来部分冲击。储能技术可以在一定程度上缓解新能源昼夜电力供给的差别以及季节性电力供给的差别, 但是考虑到成本投入与运行稳定性, 完全依赖波动性可再生能源与储能的电力系统在短期内不可能实现[29]。因此, 从未来电源结构的角度出发,以超临界煤电加 CCS、天然气发电加 CCS、三代核反应堆、四代核反应堆以及核聚变为代表的基荷电力, 以地热发电、生物质发电、水力发电和储热发电为代表的可调度电力, 以风电光伏为代表的波动性不可调度电力协调发展, 是保障未来电力系统安全可靠的重要手段[30]。

3) 能源系统低碳和零碳转型对能源生产消费的成本变化如何影响? 相关绿色溢价应该如何在政府、企业与消费者之间公平分摊?

就能源系统低碳和零碳转型引发的成本变化而言, 低碳和零碳技术通常需要更高的初始投资成本,可能导致一段时间内能源成本的增加。另一方面,一旦这些技术投入使用, 它们通常具有较低的运营和维护成本, 因此长期来看, 能源成本可能会减少[27]。同时, 随着技术的不断进步, 低碳和零碳技术的成本会进一步降低, 将减轻能源系统的长期成本负担。在这一过程中, 政府可以通过提供补贴、税收激励、可再生能源配额和绿色标志等措施来鼓励低碳和零碳能源的发展, 企业也需要采取更加环保的能源选择, 将其纳入其社会责任战略中, 同时,政府和企业应该尽力确保低碳和零碳能源转型的成本分摊是公平的, 不应对弱势社会群体造成不合理的负担。总体来说, 实现低碳和零碳能源转型需要政府、企业和消费者之间的协同努力, 透明度、社会公平性和激励措施是建立可持续能源系统的关键要素。政府在政策和监管方面发挥重要作用, 企业需要承担社会责任, 消费者则可以通过选择绿色能源和减少能源浪费来做出贡献。

4 中国能源转型的未来趋势与机遇

基于上述分析, 本文对碳中和目标指引下中国能源系统转型的未来趋势做出 4 项基本判断。

1) 发展与安全的均衡: 中国在追求 2035 年和2060 年 GDP 翻番等宏伟目标的过程中, 确保能源行业的可持续发展与安全是能源转型的核心。随着《中华人民共和国可再生能源法》《“十四五”现代能源体系规划》等一系列政策法规的颁布, 进一步说明能源系统低碳转型、国家发展战略与国家能源安全之间的紧密关联特性, 确保能源供应的稳定性是经济持续增长的核心驱动力之一。

2) 能源发展的新动力: 资源与技术的共同驱动将成为新时代能源发展的主要动力。这不仅涉及能源资源的多元化, 包括风能、太阳能、地热能、油气资源、稀土及稀有矿物的综合利用, 也涵盖能源技术的跨越式发展, 特别是在可再生能源与化石能源的转化、存储和利用方面。

3) 渐进式转型策略: 在能源转型中, 必须遵循先立后破、循序渐进的原则。化石能源与可再生能源的协同发展不仅是技术路线的选择, 更是战略上的必然。在这一转型过程中, 解决高比例可再生能源系统中储能技术的瓶颈, 将是保障能源转型顺利进行的关键。

4) 重点领域的前瞻性部署: 在电气化、可再生能源和 CCUS 等关键领域的深度参与, 不仅是实现碳中和的必要技术支撑, 也是新经济增长点的重要源泉。同时, 数字化与人工智能技术的融合应用将在推进能源系统低碳转型过程中发挥至关重要的作用。

在上述 4 项基本判断指导下, 在实现能源系统低碳转型的过程中需要妥善处理五大关键关系。

1) 经济发展、能源安全与碳中和的协同: 平衡经济增长与能源安全的制约关系, 作为实现碳中和战略路径规划的重要约束。

2) 不同层级减排目标的协调: 在国家、省(市)和企业间协调减排目标和路线图, 确保国家层面的统一规划与协调, 避免政策分散和执行不一。

3) 传统化石能源与新兴能源企业间的和谐: 重视并促进传统化石能源与新能源企业间的平衡与协作, 体现能源转型的公平性与全面性。

4) 短期行动与长期规划的结合: 在着眼未来的同时, 积极推进现阶段的转型措施, 尤其在颠覆性技术的培育和应用方面, 以技术创新为引领, 重塑能源格局。

5) 国际合作与自主发展的平衡: 在全球能源转型的大背景下, 中国的能源策略既要顺应国际趋势,又要确保不受外部牵制, 保障国家的能源安全和战略自主。

从农耕时代到现代工业文明, 每一次工业革命都是能源利用和信息技术突破的标志。这些革命不仅极大地提升了生产力, 也重塑了社会结构和国际关系。遗憾的是, 中国在前三次工业革命中处于相对被动的地位。然而, 在当前进行的第四次工业革命中, 全球共同面临的能源环境气候治理问题以及人工智能在各行业越发显著的渗透和扩散, 不仅代表全球经济社会结构的重大转变, 也为中国提供了历史性的机遇。

5 结论

中国能源转型是一个多维的挑战, 既涉及经济社会的系统性变革, 也是对传统能源结构的一次重大调整, 面临能源结构以煤为主、能源需求刚性增长以及碳中和时间紧迫三大挑战, 正在寻求协调经济增长、能源安全和环境保护之间的平衡。

本文揭示了中国能源系统实现碳中和目标的复杂性和多维性。一方面, 中国煤炭消费量目前仍然占能源消费总量的 56.2%, 但可再生能源发电装机容量已达到全球最高的 44.8%, 未来如何平衡传统化石能源与可再生能源的和谐共生关系, 需要多方面的系统性优化。另一方面, 中国能源系统相关碳排放达峰量为多少? 中和量为多少? 这些关键问题需要系统地优化。将 2060 年非化石能源消费占比80%作为中国能源转型路径设计的硬性约束是否合理, 亦需要进一步详细论证。中国在短期内实现能源转型这一系统性工程, 需要在提升能效、优化能源结构、促进技术创新以及协同经济社会发展等多个方面同步推进。

本文指出中国实现碳中和目标的路径是多元化的, 需要兼顾多方面的要求与利益。在保障能源供应安全的基础上, 科学地评估各种转型路径的可行性、经济效益、环境影响以及系统的稳定性, 是实现低成本、低环境影响和高系统可靠性能源系统的关键所在。在此过程中, 国家层面的政策引导和国际合作的深化将发挥至关重要的作用。通过精准的策略部署和有效的资源配置, 中国不仅能够实现自身的能源结构优化, 也将为全球碳减排努力做出重要贡献, 引领全球能源系统转型的新方向。

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