“双碳”目标下中国能源CO2减排路径研究

■ 张全斌/周琼芳

（1．浙江省能源集团有限公司，杭州 310007；2．中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

CO2是最主要的温室气体，人类活动排放的CO2所造成的全球变暖已经对地球自然生态造成了显著的影响。为了应对全球气候变化，2015年12月《联合国气候变化框架公约》缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》（The Paris Agreement）。《巴黎协定》旨在约束全球气温升高，尽快达到温室气体排放的全球峰值，其长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内。

中国是《巴黎协定》缔约方，也是全球最大的CO2排放国，中国CO2排放主要来源于化石能源的人类利用，目前能源消费产生的CO2排放占中国CO2排放总量的88%左右[1]。2016年中国提出落实《巴黎协定》的两阶段承诺：①2020年单位GDP碳排放强度较2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，森林蓄积量较2005年增加13×108m3。②2030年CO2排放达到峰值，单位GDP碳排放强度比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%，森林蓄积量比2005年增加45×108m3。截至2019年底，中国单位GDP碳排放强度较2005年下降48.1%，非化石能源占一次能源消费比重达到15.3%，风电、太阳能发电总装机容量达5.35×108kW，森林蓄积量较2005年增加45×108m3，森林蓄积量增量已经提前完成2030年阶段的承诺。

2020年9月，中国在第75届联合国大会一般性辩论上提出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，并于2020年气候雄心峰会上宣布：2030年单位GDP碳排放强度比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重达到25%，森林蓄积量比2005年增加60×108m3，风电、太阳能发电总装机容量达到12×108kW以上。2021年3月，全国人大十三届四次会议通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，开启了我国全面建设社会主义现代化国家的新征程。纲要作为能源行业发展的行动纲领，将深刻影响中国的能源消费和结构强度调整进程，引领中国能源消费进入清洁低碳、安全高效的新发展阶段。

中国能源消费以高含碳的化石能源为主，据国家统计局公布的统计公报数据，2020年中国煤炭、石油和天然气消费占能源消费总量的比例高达84.2%，无碳能源占比仅为15.8%。根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》，以吨标煤（tons of equivalent coal，tec）计量口径，煤炭、石油和天然气的CO2排放系数分别为2.7725、2.1492和1.6442（tCO2/tec）[2-3]，2020年中国能源领域的CO2排放总量为105.6×108t。

CO2减排是碳中和的重要手段和根本路径。本文结合中国1990—2020年能源消费领域的CO2排放总量情况，基于“碳达峰、碳中和”目标，通过能源结构和能源强度调整，就中国2021—2060年能源消费领域的CO2排放总量进行预测，为中国中长期CO2排放总量预测、减排路径以及制定低碳发展政策提供思路。

1 基于CO2的地球碳循环转化过程

碳循环是碳元素在地球的生物圈、岩石（土壤）圈、水圈及大气圈之间相互交换和迁移的过程。岩石（土壤）圈是碳元素的贮存库，贮存了地球上99.9%的碳，但是碳循环十分缓慢，生物圈、水圈及大气圈等3个碳库的碳循环十分活跃，实际上起着交换库的作用。

CO2是含碳元素的主要气体表现形式，也是碳元素参与碳循环的主要方式。生物圈的绿色植物通过光合作用从大气圈吸收CO2，动物和细菌等生物体经呼吸作用向大气圈释放CO2，动植物遗骸通过碳化作用以化石资源储存在岩石（土壤）圈，部分死后残体通过微生物的分解作用将CO2排入大气圈。水圈生物遗骸以碳酸盐的形式在水（海）底沉积，进入岩石（土壤）圈，经地壳运动或火山喷发而重新返回大气圈。其中植物通过光合作用从大气圈吸收CO2的速率，与生物呼吸作用将CO2释放到大气圈的速率大体相等，即大气圈CO2的含量在受到人类活动干扰以前是基本稳定的[4]。（参见图1）

图1 基于CO2的地球碳循环示意图

化石能源是动植物遗骸经过一系列复杂变化而形成的，属于不可再生资源。化石能源具有资源属性和能源属性，如煤炭、石油、天然气既是用途广泛的工业原料，又是极其重要的化石能源，2020年中国能源消费总量达到49.8×108tec，煤炭、石油、天然气消费占比分别为56.8%、18.9%、8.5%。

进入工业时代之后，人类大量开发和使用化石能源，CO2排放急剧增加，破坏了大气圈的CO2平衡，CO2浓度不断升高，温室效应也随之增强。目前，68%的地球陆地表层受人类活动影响，人类对地球生态系统的CO2循环产生显著影响[5]。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）研究发现，化石资源和土地利用变化是人为排放CO2的主要来源，其中43.2%的CO2滞留在大气圈中，27.9%被海洋生态系统吸收，28.9%被陆地生态系统吸收[6]。

如图1所示，对于碳中和而言，CO2减量和碳汇（Carbon Sink）将是碳中和的两条根本路径，其中CO2减量包括CO2减排、捕捉利用和封存（CO2capture utilization and storage，CCUS）等措施。自然生态系统吸收大气圈的CO2被称为碳汇，碳汇可分为陆地碳汇和海洋碳汇，光合作用是最主要的碳汇方式。据统计，2010—2016年中国碳汇消耗了同时期45%左右的人为排放CO2总量，年吸收CO2约38×108～44×108t，预计2060年中国碳汇可达60×108tCO2[7-8]。

2 1990—2020年中国能源领域CO2排放简况

根据国家统计局公布的各年度统计年鉴数据，1990—2020年中国国内生产总值（GDP）平均增长率为9.3%，进入21世纪，GDP增长率呈现阶梯式下降趋势，平均增长率从2001—2010年的10.5%，逐步下降到2011—2020年的6.8%。中国CO2排放总量变化与能源消费总量变化同步，呈现平稳增长再跃升后高位缓慢增长，其中2001—2011年呈现快速跃升；CO2排放总量从1990年的24.7×108t增长至2020年的105.6×108t，同期单位GDP的CO2排放强度呈逐年稳步下降，从1990年的13.1t/万元减少至2020年的3.9t/万元（1990年不变价）。若以2005年作为基准年，2005年中国单位GDP的CO2排放强度为3.39 t/万元。（参见图2）

图2 1990—2020年中国GDP总量、能源消费总量、CO2排放总量和CO2排放强度

30年来，中国能源消费总量和结构发生了巨大变化：能源消费总量从1990年的9.9×108tec大幅增长到2020年的49.8×108tec；能源结构不断优化，煤炭占比从76.1%减少至56.8%，天然气占比从2%提高至8.5%，石油占比基本稳定在16%～22%之间，水电、核电、风光电等无碳能源消费量占比则从4.8%大幅提升至15.8%。

3 能源CO2排放预测模型与参数设定

能源CO2排放预测模型引入GDP总量、能源强度、能源CO2排放结构等3个变量，其中能源CO2排放结构由能源消费结构和CO2排放系数构成。GDP总量是能源消费和CO2排放重要的决定因素，GDP及其增长率是拉动能源消费和CO2排放的主要动力。图2显示，中国GDP总量与能源消费总量和CO2排放总量之间存在着稳定的正相关关系。能源强度是衡量能源综合利用效率的指标，一般以单位GDP能耗来表示[9]。中国能源消费结构可以简单地划分为煤炭、石油、天然气和无碳能源等4种能源类型，CO2排放结构则分别对应这4种能源，其中无碳能源不排放CO2。中国能源CO2排放预测公式如下：

式中，E为CO2年排放总量，单位为108t；G为GDP总量，单位为108万元；P为能源强度（单位GDP能耗），单位为tec/万元；Fi为第i类能源占比，单位为%；Ci为第i类能源CO2排放系数，单位为tCO2/tec。

中国能源CO2排放预测模型的边界条件：

(1)GDP总量。进入21世纪，中国GDP增长率呈现阶梯式下降趋势，“十一五”“十二五”“十三五”平均增长率分别为11.3%、8.0%、5.8%。研究表明，与能源消费和能源强度相比，GDP总量与CO2排放的关联度较小[10-11]，GDP增长速率及总量按照单一基准情景参与预测，即2021—2030年为5.0%，2031—2040年为4.5%，2041—2050年为3.5%，2051—2060年为3.0%，估算2030年中国GDP总量为165.5×108万元（2020年不变价），2060年中国GDP总量为487.2×108万元（2020年不变价）。若以2005年作为基准年，2030年中国GDP总量约为101.0×108万元，2060年中国GDP总量为297.3×108万元（表1）。

表1 2020—2060年中国GDP总量预测值 单位：108万元

(2)能源强度。中国“十一五”“十二五”“十三五”能源强度分别下降了19.2%、17.9%、13.2%。2020年单位GDP能耗为0.49 tec/万元，今后40年单位GDP能耗降速考虑基准、积极和加速3种情景，即单位GDP能耗每5年分别下降15%、18%、20%。

(3)能源消费结构。2020年中国电力占终端能源消费比重达到27%，预计2060年中国能源供应将以风电、太阳能发电、水电和核电等无碳能源为主，主要领域覆盖电力终端消费[12]。由于无碳能源中风电、太阳能发电、水电等可再生能源属于间歇性能源，具有波动性大和峰谷落差大等特点。为了平抑电网峰谷差，提高可再生能源品质，电网系统除了需要配置储能系统外，还需配套一定数量调节能力强的煤炭、天然气发电机组，作为能源供应系统的调节和补充手段。结合中国能源结构以及CO2捕集、利用与封存技术（CO2capture，utilization and storage，CCUS）的发展，2060年无碳能源占比不宜超过65%，能源领域的“碳中和”尚需要综合考虑碳汇和CCS等措施。中国“十一五”“十二五”“十三五”无碳能源占比年均增长分别为0.40%、0.52%、0.76%，2020年无碳能源消费总量占比15.8%，今后40年石油、天然气占比保持稳定，无碳能源占比增速考虑基准、积极和加速3种情景，即无碳能源占比年均分别增长0.8%、1.0%、1.2%。其中2021—2025年煤炭消费总量近零增长，2025年后逐渐减少，天然气逐渐占据化石能源的主导地位。

以单位GDP能耗每5年分别下降15%、能源消费结构不做调整作为参照情景（情景0），CO2排放预测模型的9种情景参数设定见表2。

表2 CO2排放预测模型的情景参数设定一览

4 预测结果及分析

按照预测模型的情景参数和计算公式（1），预测得到9个情景的CO2排放总量和单位GDP碳排放强度，详见表3。

表3 CO2排放总量和单位GDP碳排放强度预测结果

4.1 不同情景下“碳达峰”可行性分析

9个情景的CO2排放总量均在2030年兑现“碳达峰”承诺，其中情景1和情景4的CO2排放达峰时间为2030年，峰值分别为111.2×108t和108.0×108t，其他7种情景均在2030年之前达到峰值。

4.2 不同情景下“碳中和”可行性分析

2060年，9个情景的CO2排放总量约31.6×108～80.2×108t，考虑60%的碳汇，除情景9实现“碳中和”外，其他8个情景均需要采用CCUS措施，CCUS技术的贡献度为6.5%～55.1%。若考虑100%的碳汇，情景3、情景5～9均能实现“碳中和”。一般建议CCUS技术的贡献度为10%左右，因此情景7是比较合适的发展模式，即单位GDP能耗每5年分别下降15%，无碳能源占比年均分别增长1.2%。

4.3 不同情景下单位GDP碳排放强度兑现可行性分析

以2005年作为基准年，2005年中国能源领域单位GDP的CO2排放强度为3.39t/万元。2060年，9个情景的单位GDP碳排放强度约0.92～1.10t/万元，比2005年下降67.6%～72.9%，兑现了“2030年单位GDP碳排放强度比2005年下降65%以上”的承诺。

2021—2060年各情景的CO2排放总量预测趋势见图3。

图3 2021—2060中国年CO2排放总量预测趋势

5 中国能源CO2减排路径研究与展望

“碳中和”是中国应对气候的重要指标，CO2减排是实现“碳中和”的根本路径。CO2减排的主要路径有：①通过产业升级和调整减少高耗能产业，通过科学创新和技术进步提高能源使用效率，降低CO2排放强度，从源头上减少CO2排放；②能源结构优化，发展无（低）碳能源，替代高碳能源；③采用技术手段进行CO2封存与利用；④植树造林，退耕还湖（林），改善生态环境，增强生态系统的碳汇能力；⑤利用政策工具，建立碳税、CO2排放交易机制，强化低碳消费意识，落实“碳达峰、碳中和”规划和行动方案。

5.1 调整产业结构减少高耗能产业，创新科学技术提高能源使用效率

CO2排放水平与国民经济的产业结构紧密联系，其中第二产业是中国能源CO2排放总量增长的主要动力。回顾中国2001—2020年产业结构和CO2排放总量的统计数据，第二产业比重与CO2排放总量之间存在着稳定的正相关关系，2001—2012年CO2排放总量增速跟随GDP增长率处于高位运行，2013年第三产业占比超过第二产业，CO2排放总量增速则下一台阶运行。因此，优化产业结构，降低第二产业比重，提高第三产业比重，能够有效地降低CO2排放强度：①促进资金密集型和技术密集型产业的发展，推动能源强度低、科技附加值含量高的行业快速发展；②限制高耗能产业发展，禁止高耗能高污染项目的建设；③大力发展生态环保产业，降低CO2排放。中国应不断提升经济发展的质量，弱化GDP增速目标，注重优化产业结构，加大第三产业的比重，适当缩减或抑制能源需求大、CO2排放强度高的产业，从根本上减少CO2排放。

科学创新和技术进步是中国能源转型的推动力，能源技术的革新和进步会直接影响产业结构、能源强度、能源价格。能源领域的科学技术进步主要表现在节能降耗和提质增效，比如发展大容量、高参数的燃煤发电机组，不仅能提高能源利用效率，同时也能减少单位GDP的CO2排放强度。

5.2 优化能源结构，无（低）碳能源替代高碳能源

优化能源结构，降低化石能源消费比重，提高风电、太阳能发电、水电和核电等无碳能源消费比重，将对CO2减排效果带来直接、显著的影响。中国具备技术可开发的风电、太阳能发电、水电的总装机容量可达68×108kW，折合33.7×108tec[13]。通过政策引导、产业升级和技术迭代，目前风电、太阳能发电等可再生能源已经实现或接近平价上网[14]。随着储能技术的不断完善，风电、太阳能发电、水电等可再生能源在终端能源消费中的比重将不断上升，预计到2060年将超过60%，无（低）碳能源成为CO2减排的中坚力量。

5.3 CCUS技术助力“碳中和”

预计到2060年，化石能源仍将占据中国能源消费30%左右的份额，CCUS将是实现化石能源净零排放的必要技术选择，加快CCUS技术创新及产业化，将是建设碳中和社会的重要技术准备[15]。现有技术条件下，CCUS的技术风险主要集中在以下2点：①CCUS的高成本和高能耗。CCUS将产生额外的资本投入和运行维护成本，其中碳捕集环节的成本约占总成本的70%以上，甚至可达到90%左右[16]。根据《中国二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）报告（2019）》，以燃煤发电厂低浓度CCS示范项目为例，CO2捕集成本为300～900元/t[17]；同时CCS技术要增加10%～20%的能源消耗，大大降低能源利用效率，阻碍了CCS技术的推广和应用[18]。②CO2封存的安全性。大规模的CO2埋存一般依靠地质地层的压力维持其液体状态，维持埋存环境的密闭性至关重要，目前CO2封存的防泄漏技术尚不成熟，CO2埋存尚存在安全隐患。

目前，CCS技术尚处于初级阶段，相关的政策环境应促进其健康发展，建议政府给予财政、资金和税收方面的支持，逐步推进CCS项目商业化发展。根据国家能源集团的实践经验，采用CCS技术的燃煤电厂技术改造，相对于现有天然气发电或风电具有一定的成本优势，若考虑技术进步、系统优化和激励政策等因素，CCS改造的成本将大幅度下降[19]。

5.4 碳汇

碳汇是应对气候变化、实现“碳中和”的主要途径。陆地碳汇一般通过绿色植物的光合作用吸收大气圈的CO2，被称为“绿碳”，占全球每年CO2排放总量的70%～80%，每年可吸收CO2约7.3×1011t[20]；海洋碳汇是利用海洋活动及海洋生物吸收大气圈的CO2，被称为“蓝碳”，占全球每年CO2排放总量的20%～30%[20-21]。

陆地碳汇是中国最主要的碳汇，2010—2016年中国陆地碳汇占同时期人为CO2排放的45%[7]。有研究表明，1949—2018年中国森林资源碳汇总体上呈现先降低再逐步增加的态势，1977—1981年为最低点，而后逐年增加，1989年以来年均碳汇进入高速增长期，平均每年增加碳汇6.05×108tCO2[22]。预计2030年中国森林覆盖率将从2018年的23%提高至25%，森林蓄积量从2018年的176×108m3提高至210×108m3，累计新增吸收CO2约73×108t。另外，我国海洋的碳汇能力不强，每年不超过3.06×108～3.42×108tCO2[23-24]。

预计到2030年，中国年均碳汇将超过同时期人为CO2排放的50%以上，2060年中国碳汇能力可达60×108tCO2。

5.5 利用政策工具，积极落实“碳达峰、碳中和”规划和行动方案

2020年中国政府密集出台CO2减排政策，如“十四五”规划和2035年远景目标纲要的环境发展目标，以及2030年碳排放达峰和2060年碳排放中和的目标，这些政策约束性因素将会深刻影响中国的能源消费结构与强度调整进程。充分利用政策工具，建立健全CO2排放交易机制，建立符合中国实际的碳税制度，创建区域性“碳中和”发展示范区，结合节能降碳的绩效考核体系，形成CO2减排倒逼机制，积极引导低碳生产和低碳生活方式，提高全民的低碳消费意识，促进终端消费主体节能降碳。同时，加快落实中国能源CO2排放“碳达峰、碳中和”规划，制定科学有效的行动方案，细化分部门、分行业、分层次、分时段、分区域的CO2减排目标、计划和考核办法，有针对性地调整、修改各类法律法规，为实现“碳达峰、碳中和”目标保驾护航。

6 结论及建议

6.1 结论

(1)回顾1990—2020年中国能源领域CO2排放情况，CO2排放总量从1990年的24.7×108t增长至2020年的105.6×108t。CO2排放总量呈现平稳增长再跃升后高位缓慢增长，整体走势与GDP总量、能源消费总量基本同步，其中2001—2011年CO2排放总量出现快速跃升。

(2)建立中国能源CO2排放预测模型和公式，引入GDP总量、能源强度和能源CO2排放结构等3个变量，设定9种情景，并计算得出各种情景下“碳达峰”时间及2060年CO2减排水平：中国能源领域均能顺利兑现“碳达峰”承诺；“碳中和”需要依靠CCS和碳汇等措施，其中CCS技术的贡献度为6.5%～55.1%。比较发现，情景7是比较合适的发展模式，即单位GDP能耗每5年分别下降15%，无碳能源占比年均分别增长1.2%；2030年单位GDP碳排放强度比2005年下降67.6%～72.9%，超额实现降低65%的碳排放强度目标。

(3)展望中国能源领域CO2减排路径，通过科技创新和产业结构调整，提高能源使用效率；通过能源结构优化，发展无（低）碳可再生能源替代高碳化石能源；发展生态经济并建立基本的碳汇；通过CCS等技术手段解决剩余的碳排放，助力“碳中和”。其中，节能降耗和无碳能源替代将是实现“碳中和”的最优路径，而绿化造林是中国最有效、最经济的CO2减排路径。

6.2 建议

(1)加强战略思维，保证能源安全。中国能源的CO2减排政策要结合实际，从中国国情出发，重新认识中国的能源资源禀赋，丰富的非化石能源资源是中国能源资源禀赋的重要组成部分，减少石油、天然气等化石能源的对外依存度，助力保障中国能源安全。

(2)建立倒逼机制，助力绿色转型。充分认识“碳达峰、碳中和”是一场极其深刻、广泛的绿色工业革命，将“碳达峰、碳中和”目标全面融入经济社会发展的各个领域。践行“绿水青山就是金山银山”发展理念，推动能源产业高质量发展，建设人与自然和谐共生的现代化，积极寻求更具可持续性、包容性和韧性的经济增长方式，健全绿色低碳循环发展的经济体系，建立清洁、低碳、高效、安全的现代化能源生产和消费体系。

(3)强化技术创新，优化能源结构。以创新驱动能源产业高质量发展，支持无（低）碳能源核心关键技术攻关、创新、应用示范与推广，提升能源产业的安全性、可靠性和经济性。加大对新能源技术研发的投入，建设国家科技创新平台，布局前瞻性、战略性的无碳排放技术研发和创新项目，促进无碳技术发展和规模化应用。

(4)强化政策导向，完善市场机制。从国家战略层面、核心技术研发投入、财政补贴、碳税征收等方面支持无碳能源产业发展；建立完备的CO2排放交易机制和价格形成机制，完善市场竞争机制，促进能源消费结构的调整和优化。

(5)加强国际合作，促进共同发展。坚持共同但有区别的责任及各自能力原则和公平原则，维护自身发展权益，同时彰显大国责任和担当。积极履行《巴黎协定》，加强应对气候变化的国际合作，参与和引导国际规则与标准制定，引领和推动建立公平合理、合作共赢的全球气候治理体系。