仿真助力“双碳”目标高质量实现

孙柏林

(中国自动化学会专家咨询委员会，北京 100000)

1 前言

“双碳”目标是当前全国各行各业倾力关注的重要目标。如何高质量地实现这一目标，是从上到下，各行各业都十分关心的大问题。

人们不禁会问：“如此复杂的全局性大问题，究竟能够应用什么方法，能够高质量地实现呢？”

而计算机仿真就能够承担此项任务。本文即对此问题展开探索研究。

2 中国的庄严承诺

应对全球气候变暖，世界各国将“碳达峰”“碳中和”作为国家战略，“双碳”目标已经成为全球可持续发展的主要趋势。近年来，“碳达峰”“碳中和”问题日益成为世界人们关注的焦点。

在2020年第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平主席正式宣布：“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，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。” 实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。

这是中国向世界作出的庄严的承诺。推动实现碳达峰、碳中和具有重大战略意义。一是对我国长期高质量发展有重要意义，有助于我国经济以更加可持续、对社会和环境更加友好的方式实现长期、稳健增长，从而兼顾长期目标和短期目标。二是意味着我国经济增长方式和增长动能将发生巨大变化，同时有助于克服能源进口依赖。三是做出碳达峰、碳中和的重要承诺，体现了我国推动构建人类命运共同体的责任担当，有助于进一步提升国际影响力。

2021年全国两会将碳中和、碳达峰(简称双碳目标)列为今后几十年内重点工作之一。“双碳”是中国提出的对于国际社会的郑重承诺：力争于2030年二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年实现碳中和。

什么是碳达峰、碳中和？

碳达峰((peak carbon dioxide emissions))就是指在某一个时点，二氧化碳的排放不再增长达到峰值，之后逐步回落。

碳中和(carbon neutrality)是指某个地区在一定时期内直接和间接人为活动排放的二氧化碳，与通过植树造林等方法吸收的二氧化碳相互抵消，实现二氧化碳“净零排放”。“碳”即二氧化碳，“中和”即正负相抵。排出的二氧化碳或温室气体被植树造林、节能减排等形式抵消，这就是所谓的“碳中和”。

“双碳”目标是我国按照《巴黎协定》规定更新的国家自主贡献强化目标以及面向21世纪中叶的长期温室气体低排放发展战略，表现为二氧化碳排放(广义的碳排放包括所有温室气体)水平由快到慢不断攀升、在年增长率为零的拐点处波动后持续下降，直到人为排放源和吸收汇相抵。从碳达峰到碳中和的过程就是经济增长与二氧化碳排放从相对脱钩走向绝对脱钩的过程。

日前，《中共中央 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》《2030年前碳达峰行动方案》印发，就确保如期实现碳达峰、碳中和作出全面部署。中国推进绿色低碳转型和高质量发展信念始终如一、行动坚定不移，为全球实现应对气候变化《巴黎协定》目标注入强大动力，推动共建清洁美丽世界。

2021年3月，国家《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2036年远景目标纲要》(以下简称《纲要》)正式发布，《纲要》明确了我国2036年的远景低碳规划目标：到2035年，“广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降……美丽中国建设目标基本实现”。

近日，中共中央、国务院印发《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》(以下简称《意见》)，就确保如期实现碳达峰、碳中和作出全面部署，充分彰显了我国推进绿色低碳转型和高质量发展的巨大勇气、坚定信心和空前力度，充分展现了我国积极参与和引领全球气候治理的大国担当。

3 仿真技术在“双碳”目标的应用

仿真在“双碳”目标实现的过程中有许多重要的应用，涉及方方面面。

实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。我国著名科学家钱学森曾说：“仿真是一项系统工程。基于系统工程的仿真方法论”。基于此，人们是把“双碳”目标实现的过程当作一个系统工程来研究。仿真技术是我国实现“创新”战略的重要工具，是实现可持续发展的重要方法，是多学科综合研究复杂巨系统问题的最有效的重要手段。

据悉，仿真技术在“双碳”目标的应用，有如下主要的应用：

1)模型模拟作为碳达峰目标及实施路径研究的主要手段，对于推进各级政府、重点行业和企业科学编制碳达峰行动方案，助力实现“30·60”目标具有重要意义。

2)建立以我国各行业为研究目标的低成本路径规划模型，并且以约束设定的形式来量化碳达峰、碳中和目标的倒逼效果具有较大的研究意义.该研究根据我国各行业能源结构以及能源消费现状，以我国各行业作为研究整体，结合力争2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标，同时考虑各行业污染物协同减排以及能源供应稳定等问题，建立多目标规划模型，得到符合我国特色的低成本绿色发展模式以及各行业的规划路径，以期为我国碳达峰、碳中和目标的实现提供支持．

3)代表性产业能耗路径构建出的多目标模型以成本最小、二氧化碳排放量最少以及大气污染物排放量最少为模型的多目标，模型计算可使用多种计算方式，如权重法、互为约束法、层次分析法，分层序列法等，该模型运用权重法及分层序列法进行计算，两种计算方式结果相同.模型计算将协同控制各行业二氧化碳以及多种大气污染物的排放量，在满足各项约束条件的情景下保证行业需求，并得出相应成本最低的碳达峰、碳中和路径。

4)碳达峰和碳中和目标的出现将激励相关研究的发展与应用，促进相关技术的产生与推广，带动技术革新为相关科技进步注入活力；同时，目标将为我国传统工业运作模式带来新的动力，特别是电力行业的转型将为电力相关的产业带来巨大的挑战与机遇.经济层面，碳达峰、碳中和目标的驱动力将效激励经济创新，形成中国特色的绿色经济模式．

5)国家层面上，一方面建议促进类似CCS技术的进步，同时应推动各行业高质量发展，鼓励各行业(特别是电力行业)绿色转型，为应对气候变化做出贡献；另一方面，增加各行业间二氧化碳的协同减排能力，可通过碳交易、环境投融资、绿色金融等促进跨行业的二氧化碳排放控制机制，并建议根据行业特征制定不同省份、不同经济圈的绿色发展模式．

6) 讨论模型结果提供了多个行业的绿色发展路径：

①钢铁、化工、建筑等为代表的工业行业结构较为固定，碳减排潜力有限，因此可推进大气污染物处理协同技术的发展，在政策层面推进二氧化碳排放量对应标准的建立，进一步发展碳交易市场以及绿色经济。

②电力系统作为碳减排的重要战场，其具有较大的电力转型潜力.在技术层面上，应对新能源发电带来的电力系统不确定性开展研究，合理规避电力系统转型风险并发展风险等级机制；在政策层面上，在电力市场稳定的前提下，激励电力行业转型，实现绿色电力经济的健康发展。

③暖供热转型可为目标实现提供一定程度的贡献.在技术层面上应发展清洁能源供热技术，在政策层面上应鼓励清洁能源供热普及。

④在技术层面上，CCS(CCS技术是Carbon Capture and Storage 的缩写，是将二氧化碳(CO2)捕获和封存的技术。)等技术的普及能切实有效地减少二氧化碳排放量。

⑤交通系统二氧化碳排放量的增长率居高不下与交通需求相关.在技术层面上，大力发展新能源汽车技术，推进电动汽车、氢能源汽车等相关技术的进步；在政策层面上，推出增加新能源汽车比例的政策措施，提倡绿色出行。

⑥迎接碳中和，制造业如何绿色转型？中国作为后来者，还有相当多的产品没有达到历史需求峰值。发达国家是达到峰值以后才开始转型，我国还没有达到峰值就开始转型，可以直接用绿色产品来替代。比如汽车，发达国家每千人车辆的保有量，美国是845辆，欧盟是423辆，日本是575辆，中国目前才173辆。假定未来我国要达到400辆的水平，那就还有230辆左右的增长空间，这部分直接用新能源车行不行？这样从历史跨度来看绿色转型的成本，我国就可以相对较低。绿色转型从全球范围来看，有可能推动人类自工业革命以来技术结构、生产方式、发展方式、发展理念的一次最重要变革，或者说推动一场技术、产业和发展方式的伟大革命。

⑦“双碳”目标与中国建造整体水平紧密相关，中国建造的优化升级直接决定着建筑业实现“双碳”目标的进程。因此，必须大力发展以绿色化、智慧化、工业化为代表的新型建造方式，推动中国建造优化升级，推动建筑业高质量发展，为实现“双碳”目标助力。

⑧践行绿色理念 以“双碳”目标促进企业高质量发展。习近平总书记指出，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。“绿色”“低碳”成为推动企业高质量发展的鲜明导向。推动绿色低碳循环发展，既意味着淘汰落后产能，更意味着产业升级与绿色发展。这对于河北建投集团公司来说，无疑是一种挑战，更意味着生活方式、思想行为的大转变。

模型模拟作为碳达峰、碳中和“目标”及其实施路径研究的主要手段，对于推进各级政府、重点行业和企业科学编制碳达峰行动方案，助力实现“30·60”目标具有重要意义。

4 碳达峰、碳中和的主要模拟方法

4.1 碳达峰情景预测的主要模拟方法

碳达峰情景分析的主要模拟方法大致可分为3类：“自上而下”模拟方法、“自下而上”模拟方法和混合/综合评估模型。

“自上而下”模拟方法，是基于国民经济和社会发展综合规划进行模拟的，这类方法是以经济学模型为出发点，以当前的经济社会发展状况为基础，预估未来的经济增长、能源消耗情况和能源利用效率水平，进而评估可能产生的碳排放趋势。因此，“自上而下”模拟方法通常用来估计峰值排放量和达峰目标时间的大概范围。这类方法属于一般均衡理论，主要包括投入产出模型、优化增长模型、宏观计量模型/系统动力模型和可计算一般均衡模型(CGE)等。CGE模型是“自上而下”模拟方法的典型代表之一，其利用非线性函数对供给、需求和市场之间的关系进行描述，在生产者利润、消费者效益、进口收益利润和出口成本等一系列优化条件下，对各个市场的均衡状态进行模拟。

“自下而上”模拟方法，是从被评价对象的碳排放现状基准出发，根据各部门、行业、企业可选用的节能减排措施和成本信息，对其减排的经济技术潜力进行综合评估，从而确定合适的碳达峰目标以及节能减排措施。因此，“自下而上”模拟方法主要用于在大致范围基本确定的情况下，对峰值目标量和实现目标的方法途径进行具体测算。这类方法主要包括部门预测模型、工程技术模型、综合能源系统仿真模型和动态能源系统优化模型。

LEAP模型是“自下而上”模拟方法的典型代表之一，是一种基于情景分析的经济-能源-环境多领域复杂系统的综合模型。

混合/综合评估模型混合/综合评估模型即系统优化模型，是“自上而下”和“自下而上”2种模型的混合模拟方法，其以“自上而下”或“自下而上”模拟方法中的某一类模型为基础或核心，同时与另一类模型进行软连接，属于对现实能源系统模拟和仿真的巨系统。因此混合模型同时包括“自上而下”的宏观经济模型和“自下而上”的能源供应、需求模型。这类模型通常综合考虑经济、资源、技术、环境和消费等各方面因素，对未来能源消耗量和碳排放量进行预测分析，从而为国家、各地区以及不同行业制定能源策略提供信息支持。此外，这类模型功能齐全，可以同时详细描述能源技术和宏观经济2种因素，但是结构相对复杂。其典型代表有MARKAL-MACRO模型、IPAC模型、IESOCEM模型等。

“自上而下”模拟方法通常用于研究能源、气候、环境等政策冲击的影响；“自下而上”模拟方法主要适用于低碳发展技术路径分析和技术的替代效应评估；混合/综合评估模型则被广泛应用于预测各部门能源的供应能力、能源价格、需求量以及宏观经济参数。

4.2 研究碳中和的仿真方法

碳中和是应对全球温室效应问题的一个重要环境管理工具。实现碳中和不仅是技术问题，也是经济和管理问题。需要从经济学理论层面明确碳中和短期目标、中期目标与长期目标的关系，权衡发展和减排的关系，解决技术路线选择问题以及减少污染物和减排的优先顺序问题，等等；此外，还需要构建清晰的碳排放总量指标——最终均取决于成本—收益分析的结果，因为不同的技术路径对应着不同的投融资总额、投融资结构、产业和区域影响。

因此，仿真方法是针对上述问题研究的有益方法。中国科学院科技战略咨询研究院副院长王毅特别强调：碳中和路径不是模型曲线，而是一系列目标、政策、行动的组合，是理论与实践互动的结果，也是一个渐进调整和不断创新的过程。

例1，利用中国社会科学院数量经济与技术经济研究所开发的中国能源系统模型(CEMS)，把各种技术路径和其发展情景纳入总体能源系统，模拟了三种技术路径情景。结果表明，只有高能效、高可再生、绿色甲醇、终端煤炭替代相结合的转型路径，才可以实现2060年之前“碳中和”的目标。

CEMS是使用系统动力学建模方法建立的综合能源情景分析预测模拟模型系统，它根据国家统计局的行业分类，选定基年(目前以2016年为基年)后，对部分相近行业进行加总计算，根据对每一个行业需求和生产的预测，和该行业的技术进步前景预测，考虑行业的燃料替代，计算出该行业对各种燃料的需求预测。各行业的终端能源和燃料需求加总后，导出对能源和燃料生产的需求，以及其中的一次能源转化的能源和燃料需求，并最终得出能源和各种燃料的总需求。

例2，近日，“中国碳中和发展力指数暨海洋碳汇与绿色金融融合发展研讨会”(以下简称“研讨会”)在厦门产权交易中心召开，会议首次提出全国碳中和发展力指数体系。未来，该指数体系将以“五力”驱动模型考量国内各地区低碳发展能力。该指数最大的特色是以“五力”驱动模型为基本框架，将地区碳中和发展力结构化分解为成长力、转型力、竞争力、协调力和持续力，结合地方政府的碳中和政策舆情分析等辅助指标，形成了一套“五 N”的完整体系。

例3，碳中和模型及其在污水处理厂实现能量平衡研究传统污水处理以能消能，不可持续。事实上，污水中有机物含有大量能量。若能将这部分能量回收而非去除，则可能反哺污水处理厂的运行能耗，继而减少CO2间接排放，甚至逼近“碳中和”目标。以物料平衡为基础，将水质与能量指标进行耦合，构建了能量平衡模型与分析函数，用以评价污水处理厂能量消耗与回收之间的平衡情况，继而探知污水处理厂实现“碳中和”的潜力。经实例污水处理厂实测数据验证分析，本研究所构建模型准确而实用。模型分析表明，我国污水处理厂因较低的进水有机物负荷，实施能量(CH4)回收后虽不易达到“碳中和”目标，但是能量回收完全可以弥补一半以上的能量消耗，并使CO2间接排放量至少减少50%为便于应用所构建模型，选择北京某污水处理厂作为研究对象，对其能量平衡与“碳中和”现状进行分析评价，并将评价结果与实测能耗进行对比。将实例污水处理厂模型计算结果与实测数据对比后可以发现，经过模型计算得到的提升泵和鼓风机能耗数值( 147 000 MJ/411 429 MJ) 与实测数值基本相等，而通过甲烷回收能量( 425 484 MJ) 却远远高于实测数值( 107 142 MJ)。

例4，碳中和下的钢铁工业低碳转型路径研究

钢铁工业加快推进绿色低碳发展，对我国如期实现“碳达峰、碳中和”目标至关重要。专家们提出，要增强产业技术创新能力，驱动钢铁工业实现“碳达峰、碳中和”；深入推进绿色制造体系建设，推动钢铁工业绿色低碳发展；加强标准的制定与实施，加快构建钢铁工业绿色低碳标准体系，更好地发挥技术创新、标准引领作用，加快钢铁工业的绿色低碳发展。城镇化、市场化、国际化三大进程成就了中国钢铁的世界地位，资源和环境两大约束迫使中国钢铁必需迅速转型。

钢铁工业加快推进绿色低碳发展，对我国如期实现“碳达峰、碳中和”目标至关重要。专家们提出，要增强产业技术创新能力，驱动钢铁工业实现“碳达峰、碳中和”；深入推进绿色制造体系建设，推动钢铁工业绿色低碳发展；加强标准的制定与实施，加快构建钢铁工业绿色低碳标准体系，更好地发挥技术创新、标准引领作用，加快钢铁工业的绿色低碳发展。

例5，中国电力系统低碳发展分析模型构建与转型路径比较

中国提出的碳达峰目标和碳中和愿景对能源电力碳减排提出了更高要求，电力系统的清洁低碳转型路径亟待探索。首先，从能源电力领域的碳排放现状出发，明确了能源电力在碳减排中的定位。其次，针对电力近中期低碳发展形势，构建了考虑碳排放外部成本的规划模型，开展了量化展望分析；针对远期低碳发展情景，打破不同能源系统边界，创新性地提出了电-氢协同路径和电-氢-碳协同路径，并构建了适用于新能源多元化利用方式的全链条技术经济评价模型，对氢气、甲醇等终端产品的经济竞争力进行了评估。

能源电力行业的低碳转型对于中国实现碳达峰目标和碳中和愿景至关重要，研判能源电力低碳转型路径意义重大。

专家们首先分析了能源及电力行业在碳减排中的角色定位；随后，差异化地构建了适用于近中期的电力低碳发展源-网-荷-储协调规划模型、适用于远期的新能源多元化利用方式全链条技术经济评价模型；在此基础上，对近中期电力低碳发展进行了量化分析，对远期电力低碳转型提出了依靠电力系统自身、电-氢协同以及电-氢-碳协同助力新能源消纳3种路径。

例6，碳中和与宏观经济

碳中和对于宏观经济大致有三个影响：

1)我们在宏观经济层面需要有一个比较有质量的分析框架来研究碳中和所带来的对宏观经济的影响。这个框架应该是动态的、跨周期的模型，将气候模型和能源模型融入宏观经济模型。

2)要深入研究碳中和带来的投资机遇和对投资所带来的挑战。挑战主要是高碳行业对金融稳定的影响，需要做更多量化的分析。不只是金融机构，央行作为金融稳定的主管机构也应该进行分析。

3)碳中和会带来收益成本的不均衡分配，包括在地区之间的不均衡分配、行业之间的不均衡分配，在某些情况下可能会导致某些经济体、某些产业的大幅度萎缩甚至造成失业。如何保证一个比较公平的转型，让社会稳定不要受到太大冲击。

总之，无论减排还是碳中和，应对气候变化的本质就是发展方式和生活方式绿色低碳转型，也是一场发展转型的竞赛，无论是国家还是企业，不是主动应对，就是被动应对，均是挑战与机遇并存，关键在于如何把握机遇，化危为机。

5 结束语

我国是生态文明的倡导者、践行者，也是一个有着高度责任感的国家，理应承担起“共同而有区别的责任”减少二氧化碳等温室气体排放。经过不懈努力，我国碳达峰碳中和目标是可以实现的，也一定能够实现。

今后一段时间内，我国将面临节能减排与后疫情重建的双重挑战，亟须开展相关理论与实证研究，为绿色低碳发展提供科学依据。而系统工程的定量与定性相结合的理论与方法是有力的工具。

在经济高速增长转向高质量发展的新时代，中国已经走上了“碳锁定→碳脱钩→碳达峰→碳中和”的低碳发展快车道；作为碳排放的核心源头，能源结构优化、能源转型与能源价格改革位居实现“双碳”目标的关键地位；政府可在推动低碳技术创新、能源供给侧结构性改革、绿色金融和财税政策领域大有作为，而碳交易、碳市场和碳定价则是发挥市场化减排机制的重要载体；中国未来实现“双碳”目标须根植于高质量发展新情境、以习近平新时代生态文明建设思想的整体布局协同推进，从政府与市场关系优化维度探寻碳达峰、碳中和的可行路径。

碳达峰、碳中和的核心思想就是碳减排，是中国经济由高速增长转向高质量发展的内在诠释，中国需要从整体上提高企业、个人对碳达峰、碳中和的认识，促进工业、交通、建筑、制造业等高碳行业的绿色转型与创新，并利用大数据、5G、仿真等新一代信息技术平台加快能源供给侧结构性改革，优化能源消费结构，优化能源产业链，适应碳达峰、碳中和的节能减排需要。

“为推动实现碳达峰、碳中和目标，中国将陆续发布重点领域和行业碳达峰实施方案和一系列支撑保障措施，构建起碳达峰、碳中和‘1+N’政策体系。

中共中央、国务院近日印发的《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》(以下简称《意见》)是一份十分重要的纲领性文件，使得我国在推进碳达峰、碳中和工作方面有了明确的顶层思路、清晰的发展目标和具体的任务安排，也将为推进全球气候治理、构建人类命运共同体提供重要支撑。《意见》提出从多个领域系统性地推动碳达峰、碳中和工作。

综上所述，可以看到，在实现“双碳”目标的过程中，无论是国家政策、地方规定、企业规划、能源结构、社会生活、教育训练、抗疫减灾等等，凡是涉及“减碳”的问题，如果希望高质量地改进或实现的事项，无不和仿真技术相关。

2020年12月12日，习近平在气候雄心峰会上的讲话指出，“继往开来，开启全球应对气候变化新征程”。他说，中国历来重信守诺，将以新发展理念为引领，在推动高质量发展中促进经济社会发展全面绿色转型，脚踏实地落实上述目标，为全球应对气候变化作出更大贡献。“天不言而四时行，地不语而百物生。”地球是人类共同的、唯一的家园。让我们继往开来、并肩前行，助力《巴黎协定》行稳致远，开启全球应对气候变化新征程！

2021年4月22日，习近平在“领导人气候峰会”上的讲话，更进一步指出，中国将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，正在制定碳达峰行动计划，广泛深入开展碳达峰行动，支持有条件的地方和重点行业、重点企业率先达峰。中国将严控煤电项目，“十四五”时期严控煤炭消费增长、“十五五”时期逐步减少。此外，中国已决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强非二氧化碳温室气体管控，还将启动全国碳市场上线交易。

新征程赋予科技事业新使命，呼唤科技工作者新作为。在实现“双碳”目标的过程中，仿真界的朋友们，希望各位努力拼博，在降碳引领经济社会发展全面绿色转型的斗争中，贡献出自己的力量。