【《我国碳中和技术路径优化实例》7100字】

我国碳中和技术路径优化实例目录TOC\o"1-3"\h\u5892我国碳中和技术路径优化实例 141741.1需求预测 1192361.1.1能源需求及工业过程预测 1236681.1.2森林碳汇预测 13181.2优化结果 2281931.2.1交通优化结果 295741.2.2热力优化结果 658161.2.3电力优化结果 1127031.2.4总成本与碳排放优化结果 221.1需求预测1.1.1能源需求及工业过程预测根据世界经济合作与发展组织对中国GDP的预测，直到2060年我国的GDP都保持在稳定增长的状态，但经济增速会逐渐放缓。参考发达国家的发展历程，交通需求、热力以及钢铁水泥[58]的需求弹性系数都会随经济增长率的放缓而放缓，甚至在经济稳定期会出现弹性系数为负的情况，但最终也会由负逐渐增长为0。而由于低碳减排，终端电气化比例势必提高，电力需求的弹性系数会在大力减排的这段时间内一直保持为正并持续增加。本章各需求量的弹性系数的确定在参考我国各变量前二十年的弹性系数的同时，也考虑了未来我国经济发展的趋势。1.1.2森林碳汇预测我国森林碳汇的增加主要靠有规律有计划的人工造林，根据UNFCCC过去可参考的十九年的数据，对我国森林碳汇进行了时间序列预测，认为我国森林碳汇随时间的增加基本符合ARIMA(0,1,0)，其预测结果如下图1.1所示:其中绿色实线表示过去19年的实际碳汇量，蓝色实线表示预测结果，深蓝色区域表示实际结果有80%的可能在该区间内，浅蓝色区域表示实际结果有95%的可能在该区间内。结合UNFCCC《中华人民共和国气候报告第二次两年更新报告》[59]中的结果，认为预测出的蓝色实线结果偏高，因此选择了95%置信率区间的下限作为本模型中森林碳汇的预测结果。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11森林碳汇预测结果1.2优化结果我国碳中和模型的输入数据参考了各统计年鉴、文献[60]、报告[61]以及部分网络公开数据。1.2.1交通优化结果图1.2为四种货运方式的优化结果。图1.2（a）表明，理想情况下，我国需要在2025年开始，所有的货运飞机均使用生物煤油，传统煤油在2025年及以后不能用于航空货运。图1.2（b）说明为实现碳减排，以柴油作为动力来源的铁路货运应逐年减少，在2040年左右所有铁路货运均采用电力机车。图1.2（c）表明，为实现水路2030年和2050年的碳减排目标，在2030年前后以及2050年前后以柴油为动力的水路货运骤减，取而代之的是以氢作为动力的水运，而目前被认为能够有广泛应用场景的LNG动力船舶并没有在水路货运中占有非常大的比例，甚至在2050年前都没有周转量的增长，即使是在2050年后LNG动力货船的货物周转量相对于其自身而言有了较大幅度的增长，但是和其他两种货运方式相比仍然非常少，经分析，可能造成该结果的原因有：(1)LNG动力船舶的造价非常高昂，模型中其成本输入为将近20亿元，同时由于其动力来源仍为化石能源，并不能有效大幅降低碳排放，所以无论从经济上还是碳减排两个角度都不具有很大竞争力；(2)目前LNG动力船舶被认为潜力大的主要原因在于，相比于柴油，液态天然气可大幅减少其他规定减排的污染物，但这些污染物排放的约束现阶段并没有在本模型中体现，因此LNG动力船舶的优势不能完全体现，造成其优化后的需求量非常少。图1.2（d）表示如果想实现陆路交通的碳约束及总碳约束，短期内柴油公路运输的货物周转量仍可以增加，但应在2050年左右被纯电力及氢动力货运方式完全取代；而以天然气为动力的陆路运输需求会在2050年左右到达高峰，随后由于全社会的碳需求约束，天然气需求应该减少；2050年后我国陆路货运主要由氢动力和天然气动力货车提供，少部分由纯电力货车提供。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12交通货运优化结果图1.3中描述的是交通客运的优化结果。在航空方面，在2030年前后传统航空煤油需要完全被生物煤油取代，在2050年及以后，由于电推进航空的产生，为实现国际民用航空组织碳减排的目标，大部分航空客运需求被电推进取代。铁路客运中，以电力为动力的运输方式将继续稳定增长，但柴油铁路也没有被逐渐取缔，而是维持在一个稳定的水平，这是因为由于客运中各种交通方式的互相替代，铁路运输的需求将大幅增加，即使是柴油铁路客运，人均排放量也会远低于其他交通方式，因此柴油铁路客运将一直存在。但是由于为了更贴近实际基本不再增加柴油铁路客运的现实情况，模型中设立了柴油铁路客运不能增加的限制，因此柴油铁路客运一直保持当前的水平。水路客运与水路货运不同，不需要用其他动力来源替代进行减排，由于我国水路客运本身占比不高，基本可以忽略，且优化后其承担的旅客周转量又大部分被铁路和陆路分担，因此仍采用单一的柴油动力也是可以满足减排要求的。不同于货运中柴油在2050后完全被取代的结果，汽油可以长期应用且大比例应用于陆路客运；天然气、油电混合及纯电力客运汽车在陆路客运中所占比例都不大，且其增长幅度也不高，为满足减排要求，氢动力汽车会在2050年左右突然大幅增加。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13交通客运优化结果图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14交通客运优化前后占比图1.4（a）为优化前预测的各客运方式占比，图1.4（b）为优化后预测的各客运方式占比，可以看到虽然航空客运具有时间短、节约时间成本的优势，但是由于碳约束，铁路和陆路运输仍对航空客运进行了大量的替代，优化后铁路客运将成为我国主要的客运方式，其占比常年维持在60%左右。交通部分的优化结果中，终端电力的需求并没有预想的那么高，反而对氢的需求很高，这可能是因为交通中终端电力需求越高，模型中电力系统相对应的投资也会越高，而制氢用的电力在目前的模型中和电力系统并无联系，在第四章的讨论中会将制氢用的电力也反馈到电力系统中，对比一下两种计算的结果。1.2.2热力优化结果图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15热力优化结果上图1.5为热力优化的计算结果，可以看出，在天然气来源充足时，燃煤供热机组和热电联产机组（CHP）在2025年前后都会提前退役，热泵、生物质、太阳能和核能供热机组数量都会在未来四十年内稳定增长。出现以煤为来源的热力机组2025年退役的可能原因是，本模型将2015年作为计算基础，因此优化计算出的2025年结果是站在2015年的角度上优化十年后的发展，而不是站在2021年的立场上看待2025年，也就是说对于模型来讲，2025年是十年以后而不是四年以后。热泵的装机量会在2035年前后超过生物质装机量，这是我国生物质不足、价格昂贵造成的。与此之外，这一优化结果表明，核能除发电外，在热力方面也将逐渐发挥更大作用。此外，考虑到模型前提条件为天然气机组只可以停机，不可以提前退役，因此天然气机组的装机量在后期并不能反映出其真实的供热量（其他非化石能源供热方式供热量一直在增加，所以这些装机反映了真实的供热量）。天然气机组的供热量如下图1.6所示。根据图1.6，我国天然气供热量将在2040年前后达到顶峰，并在未来20年内迅速下降甚至骤减为0，虽然对于全社会碳减排来说这是成本最低的能够满足碳约束的供热方式，但是对于天然气供热相关企业来说，这种发展趋势的弊端是非常大的，先高度发展再在短期时间内大量停机可能是没有利润的，这种发展趋势甚至可能导致天然气供热企业当前阶段就不愿意再在天然气供热相关领域投资。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16天然气供热量曲线表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11天然气和热泵2040年及以后供热量对比年份天然气（亿兆焦）热泵（亿兆焦）2040869580204549301740205024702980205512373824206005103表1.1中结果表明，由于从2040年开始，大量天然气供热无法满足更加苛刻的碳减排要求，因此可再生供热中热泵的供热量持续大幅度增加，用于弥补由于天然气供热减少造成的热量缺口。热泵的供热量将在2050年前后超过天然气的供热量，并成本我国第一大热力来源。图1.7、图1.8和图1.9分别展示了全国2030年和2060年两个重要时间节点处热泵装机量、太阳能热力装机量和生物质热力装机量的分布。这三种装机量都呈现南多北少的分布情况，这和我国热力需求的地域性分布是相同的。湖北、云南等无集中供暖地区也存在热力装机，这是因为本文的热负荷定义为集中供暖和工业集中供热之和，这些没有冬季集中供暖的地区存在少量工业园区的集中供热。目前我国各地区热泵装机与太阳能热力装机量几乎为零，但图中结果给出，未来热泵与太阳能热利用将成为我国主要的供热方式，并且其装机量在有热需求的各地都有大幅的提升。因此根据图中优化结果，为实现碳中和，图中所示北方部分地区应大力发展热泵及太阳能供热这两种清洁供热方式。此外，虽然生物质供热目前是一种非常成熟的技术，并且供热方式清洁不产生额外二氧化碳，在深度减排的后期和BECCS技术结合甚至可以产生负碳排放，但是由于我国生物质燃料匮乏导致生物质价格昂贵，生物质供热未来只会作为热泵供热的补充方式，而不是我国主要的供热来源。图1.9中也可以看出，相比于另外两种清洁供热的技术，生物质供热机组的数量在大多数地区从2030年到2060年都没有特别大的提升。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17热泵装机量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18太阳能热力装机量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19生物质热力装机量1.2.3电力优化结果图1.10表示我国未来各种类电力装机的情况，从图中可以看出，我国超临界燃煤机组（spc）将在2025年全部淘汰，推测出现这种计算结果的原因和热力优化中CHP机组2025年全部淘汰的原因应该相同；超超临界机组将在2025年左右达到装机饱和，随后将逐渐减少，2055年及以后其装机量只占总电力装机量的很小一部分，用于电力调峰；天然气机组的装机量在2040年左右达到饱和，随后装机量不变，这是因为同热力模型的前提一样，在电力子模型中设置了天然气机组只允许停机而不允许像煤电机组一样提前退役，所以2040年后的装机量并不能真实反映其发电量，其真实发电量如图1.11所示，可以看出天然气机组的发电量在2035到2040年间达到峰值，2040到2055年间其发电量保持在一个稳定的水平，随后在2055年后有较大程度的下降，但是相比于热力行业的天然气下降，这种程度的发电量下降是比较平缓的；水电装机量未来只有小幅上升，这是因为我国水电装机目前基本达到饱和，资源的限制使得我国水电装机量不会再有较大的跃升；此外，生物质装机量也发展得比较平缓，这是我国生物质燃料资源匮乏、价格较高导致的。可见，我国由于缺少价格低廉的优质生物质资源，电力系统和热力系统的碳减排都受到了一定的影响。可再生能源中，未来我国光伏、分布式光伏和风电装机量都会有大幅提升，但在2030年前由于储能技术成本过高，上述波动性可再生电力装机并不会在电力总装机中占据很大比例；2050年后，海上风电由于其成本的下降以及电力需求的进一步大幅提高，会有一个较大幅度的增长，海上风电的大幅增长可以在一定程度上缓解东部沿海地区的用电压力。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s110电力装机量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s111天然气联合循环（ngcc）发电量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s112全部风能装机量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s113全部光伏装机量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s114天然气联合循环装机量图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s115超超临界机组装机量图1.12和图1.13中分别展示了我国2030年和2060年全部风能（风电和海上风电之和）装机量和全部光伏（光伏和分布式光伏之和）装机量。我国2030年全国风电装机量较为均衡，除没有数据的港澳台地区及西藏省外，各地区都部署有50GW以下风电，其中内蒙古地区风力装机量最高，达到27GW；2060年时我国除中部地区风力装机仅有小幅增长外，其余地区都有很大幅度增长，其中东部沿海地区总风电装机量的增加主要依靠海上风电的发展，西北部地区由于风力资源丰沛，主要是陆地风电即传统风电装机量的提高。我国2030年全部光伏装机量在陕甘青一带的西北地区最高，2060年时全国各地全部种类光伏装机量都有较大提升，其中新疆省及内蒙古省装机量增长最多，并且在2060年时成为我国光伏装机量排名第一和第二的地区。也正是因为内蒙古地区和新疆省相对更高的风光装机量使得这两个地区在2030年和2060年时都承担了很重的对外输电任务。图1.14和图1.15分别表示我国2030年和2060年天然气联合循环和超超临界机组的装机量；虽然2040年以后以天然气为燃料的发电量才有所下降，而前提设置中天然气发电机组不能提前拆除，但是和2030年的天然气发电量相比，全国各地的天然气机组发电量仍有不同程度的增加。相比较于2030年，我国2060年超超临界燃煤机组的装机量有显著下降，且2060年时只有内蒙古、新疆和云南省保留燃煤机组，其中内蒙古地区的超超临界机组装机量仍为较高水平，结合后面讨论的地区间电力输送情况来看，这三个省份在2060年时均为电力输出大省，且内蒙古为我国电力净输出最高省份，这三个地区仅靠可再生能源装机量是不能向外界地区提供如此多电力的，此外，在拥有大量可再生装机时，更需要保留煤电等能够进行调峰的机组来维持本地电力供需的平衡。此外，我国中部地区的省份中，如河南、湖北，化石能源电力装机和可再生能源电力装机都比西部和东部地区相对少一些，使得我国的电力装机形成了从西到东‘高-低-高’的结构，这是因为：电力需求的预测是根据未来GDP计算的，预测我国未来仍会出现东部地区更为发达的经济分布，因此东部地区普遍电力需求更高，相比于远距离输电，本地发电成本更低，所以东部地区在电力消耗过程中，会优先选择本地发电，其次是远距离输电，因此东部的装机量也会很高；中部地区相比于西部高原地区风能资源和太阳能资源都比较贫瘠，在碳减排的严格约束下，中部地区可使用的化石能源电力也很少，因此无法对东部地区进行电力输送，而电力供应大于需求的西部地区可以对东部地区进行成本较为低廉的电力输送，因此西部地区电力装机量更高；图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s116各地区发电及地区间输送电远距离输送电的上限是一定的，仅靠远距离输送电甚至难以满足未来东部地区对电力的需求，因此中部地区需要作为枢纽连接东部和西部地区，此时中部地区可以一举两得接受部分西部地区输送来的电力，搭西电东送的“顺风车”，这比当地发展可再生电力装机经济性要高很多。图1.16（a）和（b）中分别描述了2030年和2060年我国各地区发电量及地区间输送电量，蓝色越深表示本地发电量越高，橙色越深表示本地输出电量越高。可以看出，2030年我国未来电网结构初步显现，京津冀地区、东部地区（江苏、浙江、上海、福建、安徽）、广东和山东成为四个主要的电力需求点，其中东部地区所需电力最高；内蒙古、西北地区（陕西、甘肃、青海）、川渝地区和新疆将作为四个主要的电力输出点，中部地区的山西省、湖北省和江西湖南地区将成为三个主要的中部电力枢纽。2060年时，我国电网结构基本形成，其中内蒙古到京津冀的电网成为我国电力输送容量最高的一条线路，这条经济性较高的高电力输送量电网也让京津冀地区成为我国唯一一个2030年到2060年本地发电量下降的地区。同时也可以看到，如果我国未来经济发展地域性分布格局不变，东部沿海的用电量非常高，电网压力较大，其中有五条输电量在0.1PWh以上的线路连接到东部地区，并且仅靠直接的西电东送电网线路都不足以满足东部沿海地区的用电需求。中部电力枢纽处的地区也承担着较大的输送电工作，例如，山西地区虽然自身用电量及发电量都不高，但是直接连接到山西省的电力输送超过0.1PWh以上的线路就有四条。上图1.17为2030年-2060年间我国各地区储能装机量。从图中可以看出，在模型目前的时间尺度上，我国各省份直到2030年都不需要进行储能装机的部署，2040年到2050年间我国西部及北部地区的储能装机都有较大提升，这和西部及北部此时波动性可再生机组的大量增加是相关的，2060年时除山西省、京津冀地区和东部地区外，全国各地区均有储能装机，且储能装机量最高的内蒙古地区、新疆地区以及西北地区均为可再生装机量较高地区。陕西省、京津冀地区和东部地区均无储能装机的原因可能是，这三个地区主要依靠外部地区输送电力，因此从最经济的角度来看，不需要本地安装储能机组。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s117我国各地区储能装机量表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12全国储能机组占波动性可再生机组装机量比例年份储能装机量（GW）占比203000.00%20359.134980.51%204049.125242.07%204552.914972.20%2050235.53346.48%2055347.28617.53%2060468.67057.92%上表1.2中计算了全国储能机组占波动性可再生机组装机量的比例，可以根据以上结果得出初步结论，在当前时间尺度下，全国储能机组占波动性可再生机组装机量比例随波动性可再生机组装机量的增加而增加。1.2.4总成本与碳排放优化结果图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s118碳减排成本优化结果上图1.18为我国为实现2030年碳达峰及2060年碳中和每年需付出的成本及成本占全部GDP的比例图，根据模型优化计算结果，2045年前我国每年碳减排成本持续增高，并且在2035年到2040年间有一个较大的提高，在2045年后减排成本稳定减小。尽管碳减排要求比较严苛，但是即使是占总GDP比例最高的2040年也没有超过6.5%，除2040年和2050以外，其余年份碳减排所花成本占GDP比例均在5%上下浮动。根据图1.19，我国碳达峰时间应在2025年到2030年之间，这是符