考虑碳预算与碳循环的能源规划方法及建议

邬炜,赵腾，李隽，高艺，江涵，高超

(1.全球能源互联网集团有限公司,北京市 100031；2.全球能源互联网发展合作组织，北京市 100031)

0 引 言

进入21世纪以来，世界多国、多地区日益关注经济、气候、能源电力可持续发展，相继制订了碳中和目标。2019年12月，欧盟委员会公布了应对气候变化、推动可持续发展的《欧洲绿色协议》，希望能够在2050年前实现欧洲“碳中和”，并提出建成全球首个“碳中和大陆”[1]。2020年9月，中国国家主席习近平在第75届联合国大会上提出，中国将提高国家自主贡献力度，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[2]。2020年10月，日本与韩国也相继宣布争取于2050年实现碳中和。此外，美国加利福尼亚州已经于2018年签署碳中和法案，提出2045年实现100%清洁能源供应[3]。

实现碳中和，能源碳减排是重中之重[4]。目前，全球CO2排放量约73%来自能源消费[5]。2018年，欧盟(含英国)化石能源利用相关碳排放约为31.5亿t，其中仅电力与供热领域碳排放就达到10.5亿t，占比高达33%；中国电力与供热领域碳排放占比更是超过51%[6]。在碳中和背景下，未来能源行业将面临巨大减排压力。

欧洲在实现能源行业碳减排方面走在了世界前列。在欧盟统一协调下，各成员国制订了应对气候变化与促进碳减排的《国家能源与气候计划》[7]。同时，欧洲通过大力发展可再生能源，推动能源生产与消费领域的清洁替代与电能替代。2000—2016年，欧洲化石能源占一次能源比重从80.0%下降至72.8%，清洁能源占比从20.0%持续提升至27.2%，高于全球平均水平4个百分点，终端电能比重从17.2%持续提升至19.4%[8]。未来欧洲能源电力行业将进一步推动碳减排，逐步退煤、退油，大力发展可再生能源，远期终端能源消费将主要以电力、燃气为主，通过配合碳捕捉封存与应用(carbon capture,usage and storage，CCU/S)、生物碳捕捉与封存(bio-energy carbon capture and storage，BECCS)等技术，实现碳中和[9]。

能源发展，规划先行。在实现碳中和的能源规划研究方面，世界各地的学者与机构正在不断进行探索。国内，文献[10]对现实可行且成本可负担的中国电力低碳转型路径进行了探究。文献[11]从燃煤发电产业升级的角度提出了支撑我国碳中和国家战略的建议。文献[12]运用全球能源供需预测模型(global energy modelling system,GEMS)，采用自上而下的方式对全球各地区能源供需进行了预测，预测过程中考虑了基准情景、加快转型情景、2 ℃情景共3个情景；文献[13]从油气角度切入能源分析预测，对2 ℃温控情景(世界)和碳中和情景(中国)进行了分析。国外，日本经济产业省2020年12月发布《2050年碳中和绿色发展战略》[14]，指出电力部门的脱碳化是日本实现碳中和的重要前提。文献[15]采用PATHWAYS模型对美国加州碳中和情景进行预测。但是，上述研究或者未考虑各能源品种之间的能量、物质与碳耦合，或者未明确提出实现碳中和或温控目标的各国/各地区碳预算及其分配/计算方法。2020年，欧洲输电运营商联盟与输气运营商联盟共同发布了最新版十年网络规划(ten years network development plan，TYNDP)2020情景报告[16]，提出了在1.5 ℃温控目标下，计及碳预算的欧洲能源电力发展系列情景。该系列情景考虑了未来可再生能源的集中式、分布式发展路径，不同能源品种之间的物质与能量耦合，以及碳中和条件下的碳预算约束，规划思路较为前沿且已应用于实际能源电力规划。但是，欧洲TYNDP规划方法没有考虑同一碳预算下的不同碳减排路径，且未考虑能源系统内部碳循环约束。

本文首先阐述碳中和与碳预算之间的关系，之后在欧洲能源规划思路基础上，进一步考虑能源系统碳循环约束及不同碳减排路径，提出碳中和目标下考虑碳预算与碳循环的能源规划方法，并与其他方法进行对比，最后针对未来碳中和条件下的能源规划，提出几点建议。

1 碳中和与碳预算

碳中和是指一个经济体在一定时间内直接或间接产生的CO2排放总量，通过CCU/S、BECCS等技术，抵消自身产生的CO2排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。图1为碳中和和碳预算示意图。碳预算，是指在某温升目标下，一个经济体设定的在未来一段时间内CO2净排放总量的上限，是一个过程量，如图1阴影部分所示。相对于未来较长时间尺度(如几十年)内的碳预算，碳中和是一个状态量，表明一个经济体达到年度净零排放的状态。

图1 碳中和与碳预算示意图Fig.1 Illustration of carbon neutrality and carbon budget

当前大量科学研究已经表明，全球平均地表温升与累积CO2排放之间呈近似线性关系[17-19]。为此，全球某一既定温度下所对应的CO2累积排放量是一个有限范围，这也是全球碳预算的基本思路[17-18]。当然，造成全球温升的温室气体(greenhouse gas，GHG)除了CO2之外，还包括甲烷、六氟化硫等。

关于碳中和与碳预算之间的关系，有3点需要说明：一是某经济体制订碳预算，并不意味着其未来必须达到碳中和状态；二是实现碳中和，目前并没有特定的碳预算标准或碳减排路径；三是在相同碳预算条件下，碳减排路径并不唯一。如图2所示，若某经济体欲实现碳中和，即使在碳达峰年份、碳排放峰值和碳中和目标年度不变的情况下，仍可有几种典型减排路径。路径2与路径3在碳达峰与碳中和之间的碳预算基本相同，但是碳减排节奏仍有差异，路径2为先慢后快，路径3为匀速下降。

图2 不同碳减排路径对比Fig.2 Comparison among different decarbonization paths

尽管现有不同方法计算得到的碳预算差距较大，但是日趋紧张的全球剩余碳排放空间已是不争的事实[20]。由于目前CO2排放主要来自能源消费[5]，因此，在进行能源规划时考虑碳预算对于应对全球气候变化、实现能源系统碳中和十分必要。

2 碳中和目标下考虑碳预算与碳循环的能源规划方法

本文在欧洲能源电力规划思路的基础上，考虑碳预算、碳减排路径、碳循环等因素，进一步提出了一种面向碳中和的能源规划方法。规划流程如图3所示，共包括5个模块：能源与碳情景构建、终端能源需求与能源供给结构预测、能源平衡仿真、电力仿真、燃气仿真。该规划方法中，燃气主要针对甲烷、氢气两类可燃气体，燃气来源包含天然气、生物甲烷、电制甲烷、化石燃料制氢、电制氢等。

图3 考虑碳预算与碳循环的能源规划流程Fig.3 Energy planning process considering carbon budget and carbon cycle

2.1 能源与碳情景构建模块

1)能源情景构建。

驱动因素与故事线分析是情景构建的基础。驱动因素分析的目的，是明确规划过程中考虑的影响能源行业未来发展的主要因素，这些因素可能包括可再生能源分布式/集中式发展路径、能源行业低碳化趋势、燃气是以甲烷还是氢气为主等。在此基础上，考虑驱动因素的不同发展方向，提出未来能源电力发展的一系列故事线，作为情景定义的备选方案。

考虑到政府、公众及相关企业等对未来能源情景的巨大影响，备选方案中的能源与碳情景需要面向各利益相关方进行咨询修正。经过政府官员、专家与公众投票等筛选过程，对情景故事线进行消减，得到若干(如3～4个)未来能源发展情景，定义其温控目标、未来能源电力供需总量发展趋势、供需结构等指标。

2)碳预算分配与减排路径设置。

根据不同情景面向的温控目标，采用碳预算分配方法，将全球碳预算公平地分配到目标国家和地区。现有研究提出了众多分配方案，包括[21-25]：(1)采用各国现有排放规模；(2)人均排放均等；(3)减排能力；(4)历史责任；(5)成本有效性等方案及其组合。以人均排放均等法为例，假设某地区人口数量和全球人口数量分别Pr和Pw，该地区的碳预算Bg,r计算方法如下。

Bg,w=Bc,w·fcon

(1)

(2)

式中：Bc,w和Bg,w分别为至本世纪末全球CO2预算和以CO2当量衡量的温室气体预算；fcon为温室气体预算和CO2预算之间的折算系数。

碳预算分配完成后，各地区的碳减排路径仍然无法最终确定，需要根据不同地区发展情景及各利益相关方意见，对碳减排路径进行调整，即确定未来各个时期内的减排速度如何变化。

3)碳循环比例与碳价设定。

碳预算限定了整个能源系统的对外净碳排放量，但是在未来燃气管网等基础设施不进行大规模升级改造的条件下，能源系统对甲烷等碳基燃气仍然有较大需求。为保障该部分需求，可以通过“电制甲烷-甲烷燃烧-CCS”方式，在能源系统内部形成一个可再生能源发电驱动的小型碳循环，将碳锁定在能源系统内部流动，如图4所示。由于碳循环主要通过电制甲烷实现，因此可以通过设置电制甲烷在所有甲烷消费中的占比，调节局部碳循环比例。

图4 “电力-甲烷”碳循环示意图Fig.4 Illustration of carbon cycle between electricity and methane systems

此外，随着未来碳市场的逐步建立与成熟，碳价将与能源价格一样，成为影响未来能源发展的重要市场因素。在各情景中，需要根据情景定义设定相应的未来碳价。

2.2 终端能源需求与能源供给结构预测模块

1)终端能源需求预测。

对全社会各行业的不同类型终端能源需求进行预测。各行业主要包括居民、商业、交通运输业、工业等；不同类型终端能源主要包括电力、燃气、煤炭、石油等。本文以下列4个行业为例，说明终端能源需求预测方法。

居民能源需求预测，主要考虑照明/动力、供热/制冷两个应用领域。在每个应用领域中，预测居民对电力、燃气等多种终端能源的需求量。具体公式如下：

Eres(i)=Elig,res(i)+Epum,res(i)，i=1,…,N

(3)

Elig,res(i),Epum,res(i)～[Ptot,Phom,Shom,ηres(i)]

(4)

式中：Eres(i)是居民对第i个能源品种的需求量；Elig,res(i)和Epum,res(i)分别是居民照明/动力、供热/制冷对第i个能源品种的需求量；N为终端能源品种数量；Ptot是总人口数量；Phom是户均人口数量；Shom是户均可支配收入水平；ηres(i)是第i个能源品种应用于居民领域的能效。式(4)表示该领域能源需求量与人口总量、户均人口数、家庭可支配收入水平、能源效率等密切相关。式(3)—(16)中的数据，都为待预测水平年数据，为简化公式未标明具体年份。

商业能源需求预测与居民类似，主要考虑照明/动力、供热/制冷两个应用领域。具体公式如下：

Ecom(i)=Elig,com(i)+Epum,com(i)，i=1,…,N

(5)

Elig,com(i),Epum,com(i)～[rcag,com,ηcom(i)]

(6)

式中：Ecom(i)是商业领域对第i个能源品种的需求量；Elig,com(i)和Epum,com(i)分别是商业照明/动力、供热/制冷对第i个能源品种的需求量；rcag,com是商业的复合增长率；ηcom(i)是第i个能源品种在商业中应用的能效。式(6)表示该领域能源需求量与商业复合增长率、能源效率等密切相关。

交通运输能源需求预测，主要考虑陆上客运、货运、航空、水运这4个应用领域。具体公式如下。

Etra(i)=Epas(i)+Efre(i)+Eavi(i)+

Eshi(i)，i=1,…,N

(7)

(8)

式中：Etra(i)是交通运输领域对第i个能源品种的需求量；Epas(i)、Efre(i)、Eavi(i)、Eshi(i)分别是陆上客运、货运、航空、水运这4个应用领域对第i个能源品种的需求量；dpas、dfre、davi、dshi分别是4个领域的运输需求，单位可以是人/a、t·km/a等等；spas(i)、sfre(i)、savi(i)、sshi(i)分别是4个应用领域的单位运输需求对第i个能源品种的需求量；ηpas(i)、ηfre(i)、ηavi(i)、ηshi(i)分别是4个应用领域应用第i个能源品种的能效。式(8)表示这4个领域第i个能源品种的需求量与运输需求、单位运输量能源需求、能源效率等密切相关。

工业能源需求预测，需要分别对各工业门类(如化工、冶金等)进行预测，每个门类的预测过程中，还需要对该门类的不同用能过程进行分析，具体公式如下。

(9)

Ej(i)=∑Ej,k(i),k∈Φ

(10)

Ej,k(i)～[rcag,j,ηj,k(i)]

(11)

式中：Eind(i)是工业对第i个能源品种的需求量；Ej(i)是工业的第j个门类对第i个能源品种的需求量；Ej,k(i)是工业的第j个门类的过程k对第i个能源品种的需求量；Φ是工业用能过程的集合，包括空间加热、过程加热、非能利用等；rcag,j是第j个门类的复合增长率；ηj,k(i)是第j个门类的过程k在使用第i个能源品种时的能效。式(4)表示该过程能源需求量与行业门类复合增长率、能源效率等密切相关。

2)能源供给结构预测。

能源供给结构预测部分，需要在能源与碳情景定义的基础上，进一步细化或量化能源供给结构指标。在电力装机结构子模块，需要明确未来各时间点煤电、核电等的限制装机比例或发电量的上下限，可再生能源发电占比上下限，以及CCU/S的配置原则等；在燃气供应结构模块，需要明确本地燃气、进口燃气比例范围，甲烷、氢气比例范围等等。能源供给结构预测数据将作为能源平衡仿真模块与电力平衡仿真模块规划的边界条件。

2.3 能源平衡仿真模块

在确定各品种终端能源需求、电转气(power to gas，P2G)规模的基础上，基于能源平衡方程进行仿真。考虑碳约束与碳循环的能源平衡方程，需要满足的等式和不等式约束如式(12)—(16)所示。

ETES(i)=Epro(i)+Eimp(i)-Eexp(i)-Esc(i)

(12)

ECOS(i)=Etra(i)+Edem(i)+Eloss(i)

(13)

ETES(i)=ECOS(i)

(14)

(15)

Rc,min≤Ech4,ele/Ech4,con≤Rc,max

(16)

式中：ETES(i)为第i个能源品种供给量；Epro(i)，Eimp(i)，Eexp(i)，Esc(i)分别为该能源品种的生产量、进口量、出口量、库存增加量；ECOS(i)为第i个能源品种消费量；Etra(i)为第i个能源品种转化为其他能源品种的量；Edem(i)为第i个能源品种的终端需求量；Eloss(i)为第i个能源品种的损耗量；Ci是第i个能源品种生产与消费过程的碳排放量；Cb是能源领域碳预算；Ech4,ele为电制甲烷量；Ech4,con为甲烷消费量；Rc,max和Rc,min分别为为碳循环比例上下限。式(12)表示第i个能源品种供给来源，式(13)表示第i个能源品种的流向，式(14)表示第i个能源品种的供给与消费保持平衡，式(15)表示能源相关碳排放满足碳预算约束，式(16)表示电制甲烷生产量需要满足碳循环比例约束。能源平衡方程中的各类型能源，在计算时需要折算成统一单位，如标准煤或标准油。

能源平衡仿真的目的，是针对各类型终端能源需求，计算需要的各种一次能源供给量以及相应的CO2排放量或吸收量，并理清各品种能源、各领域之间的能量流动情况。

2.4 电力仿真与燃气仿真模块

电力仿真模块与燃气仿真模块，分别针对不同情景下的电力需求曲线、燃气需求曲线供给充裕度进行仿真。随着P2G和燃气发电规模的扩大，未来能源平衡仿真模块、电力仿真模块、燃气仿真模块的耦合性将不断增强。为保证规划结果的一致性，需要从5个方面进行结果校核：1)电力仿真模块的电源出力曲线与能源平衡仿真模块的发电量一致；2)燃气仿真模块的燃气供给曲线与能源平衡仿真模块的燃气供给量一致；3)电力仿真模块的P2G燃气产量与燃气仿真模块的P2G燃气供给一致；4)燃气仿真模块的发电燃气消费量与电力仿真模块的燃气发电燃气消费量一致；5)电力仿真模块、燃气仿真模块的能源结构与故事线一致，且碳排放量满足碳预算约束、电制甲烷占比满足碳循环比例约束。

3 与其他能源规划方法的对比

为进一步说明本文方法的特点，本章从规划目标、研究范式、碳约束、市场因素4个角度，将其与传统能源规划方法、欧洲TYNDP方法进行了对比，如表1所示。

表1 本文能源规划方法与其他方法对比Table 1 Comparison among different energy planning methods

规划目标方面，传统能源规划方法主要关注能源安全以及提高能源供给的经济性[26]，部分规划会关注能源领域碳排放[27]，但是对于保障能源安全、促进经济发展、应对气候变化三者之间的相互协调较少涉及。近年来全球环保意识的增强以及气候变化影响的加剧，为将气候因素纳入规划目标提供了条件[28]。因此，欧洲TYNDP方法、本文方法都在碳中和条件下，考虑了应对气候变化与满足能源供需这两个目标的相互协调。

研究范式方面，传统能源规划方法多采用“技术-经济模型”，考虑技术、经济发展对未来能源供需进行分析，部分方法中设定了不同能源发展情景，采用“给定故事线的技术-经济模型”进行分析[29]。但是，这些模型较少考虑政府、公众、上下游行业等利益相关方对于未来能源情景的巨大影响。实际的能源规划有必要考虑各利益相关方的诉求驱动，如欧洲TYNDP方法和本文方法中，在情景故事线制定过程都参考了各方意见对其进行修正。

碳约束与市场因素方面，目前大部分能源规划方法并未在规划中明确提出碳预算约束指标及其计算方法[10-15]，欧洲TYNDP方法计及了《巴黎协定》温控目标下的碳预算，但是其不同情景在同一碳预算下的碳减排路径几乎完全相同，即未考虑碳减排路径的差异性。本文方法在计及碳预算的基础上，考虑了不同减排路径对未来能源情景的影响，以及能源系统内部的碳循环。此外，欧洲TYNDP方法与本文方法均考虑了碳价等碳市场因素对能源规划的影响。

4 对碳中和目标下能源规划的建议

1)在《巴黎协定》温控目标下实现能源电力碳中和，需要考虑碳预算问题。

目前，世界上许多国家已经提出了适合本国国情的国家自主贡献(national determined contributions，NDC)目标。将NDC作为边界条件或优化目标，开展能源规划，是一种契合各国实际发展情况的规划方法。然而就全球而言，NDC是一种自下而上的温室气体减排承诺，各国NDC目标的叠加，难以确定性地满足全球温控目标下的碳预算，即全球温控目标有可能无法达成。

由于累积碳排放与全球温升之间呈近似线性关系，未来在《巴黎协定》温控目标下开展能源规划，碳预算及其分配是一个难以绕开的话题。但是，考虑到各国之间发展阶段的差异、碳预算分配方式的争议性等因素，基于全球碳预算分配的能源规划，有可能面临诸多挑战，例如发达国家与发展中国家的碳减排责任难以厘清，如果分配失当，碳预算有可能演变为束缚发展中国家发展的一把枷锁。

2)开展碳中和条件下的能源规划，需要考虑战略三角、能源三角内部的协调，并平衡国内、国外两个市场。

经济不断发展、能源供给充裕、应对气候变化，是开展碳中和条件下能源规划的三大战略目标，如图5所示。在传统发展模式下，推动经济发展将带来化石能源需求的增加以及温室气体排放量的增长，化石能源需求的持续增加将引起能源供需失衡，温室气体排放量的增长会加速全球气候变暖；如果限制温室气体排放，则会带来化石能源供给不足，或者增加全社会减排成本，拖累经济增长，即经济、能源、气候三大战略目标难以同时满足。因此，未来能源规划要考虑各种新技术和新理念的创新、发展与应用，探索低碳、成本可接受的能源发展之路，推动经济向可持续发展模式转变，协调好经济、能源、气候三者之间的关系，实现经济增长与能源消费、能源消费与碳排放之间的“双脱钩”。

在终端能源消费领域，结合现有研究成果及技术成熟度，可以预见，由电力、氢能、甲烷组成的能源三角可能是未来终端能源消费的主要发展方向。电力、氢能、甲烷可以通过其他形式的能源(如核能、风能、太阳能、生物质能等)转化而来，这三者之间也可以相互转化，如图5所示。在能源规划过程中，未来电力、氢能、甲烷在终端能源消费中的占比，以及相互之间的转化规模与途径，将很大程度上影响能源发展情景或发展路径。此外，未来电力、氢能、甲烷的国内生产、国外进口比例，是影响能源安全指标的重要因素。因此，能源规划中需要结合各地区终端能源生产与消费特点，平衡国内、国外能源供需市场，选择合适的能源发展情景。

图5 战略三角和能源三角示意图Fig.5 Illustration of strategic and energy triangles

3)需要不断增强能源规划与电力规划的耦合。

在碳减排压力不断增大以及电能替代、清洁替代持续推进的背景下，考虑到电力与其他能源(如燃气)存在能量、物质与碳耦合，能源规划到电力规划的单向数据传递模式，或者开展单一的电力行业规划，将面临日益复杂的边界条件对接问题。

一方面，在全球温控目标或各国碳中和目标下，碳排放量是能源规划中的重要约束条件。若能源规划中的电力部门仅考虑发电量、用电量，却不考虑电源装机结构与运行方式，则难以得到较为可信的电力部门碳排放量数据，而电力系统运行模拟通常需要在电力规划中完成。因此需要电力规划与能源规划之间多频次传递碳排放量数据。

另一方面，随着电力系统中风光等波动性可再生能源渗透率不断提高，在电力规划时采用基于运行模拟的电力系统仿真将逐渐成为趋势，为保证能源规划与电力规划的一致性，需要将能源规划中计算得到的用电量、电力部门发电量，与电力规划中的用电量、发电量曲线进行匹配。此外，在能源规划中，P2G是沟通燃气部门与电力部门、实现碳循环的重要环节，P2G的规模与运行方式将直接影响电力规划中的用电量曲线与电源出力曲线，以及能源系统碳循环比例。

因此，未来能源规划与电力规划的耦合性将不断增强，需要开展更为深入、频繁的能源规划与电力规划迭代。

4)碳价将是影响碳预算、碳减排路径实现与否的重要因素。

碳价是影响未来能源发展、实现碳预算目标的重要调节手段，有以下原因：(1)碳交易市场是一个由人为规定而形成的市场，政策引导、交易规则的变化等对碳价的形成有很大影响，能源气候政策可以通过碳价传导到能源消费环节；(2)碳价在很大程度上反映了碳排放指标在市场上的相对稀缺性，通过提高碳价反映碳排放指标的不足，可在一定程度上对碳排放需求形成抑制。

可以预见，随着碳市场的逐步建立，碳价将是影响可再生能源发展方向、决定碳预算和碳减排路径能否实现的重要因素。未来能源规划中，在不同情景之间是设置相同的碳价还是不同的碳价，值得进行探讨。

5 结 语

本文分析了碳中和与碳预算之间的相关性，提出了实现碳中和的多种碳减排路径，之后提出了碳中和目标下考虑碳预算与碳循环的能源规划方法。与传统能源规划方法相比，本文方法考虑了各利益相关方诉求、碳预算约束、碳市场对未来能源供需的影响。与欧洲TYNDP方法相比，本文方法增加考虑了碳减排路径的差异性，以及能源系统内部碳循环的影响。

鉴于累积碳排放与全球温升之间呈近似线性关系，开展面向碳中和的能源规划，碳预算及其分配是一个难以回避的话题。考虑到电力与其他能源(如燃气)存在能量、物质与碳耦合，为推动碳中和目标的实现，需要进一步增强能源规划与电力规划的迭代和融合。