考慮碳預算與碳循環的能源規劃方法及建議

鄔煒,趙騰，李雋，高藝，江涵，高超

(1.全球能源互聯網集團有限公司,北京市 100031；2.全球能源互聯網發展合作組織，北京市 100031)

0 引 言

進入21世紀以來，世界多國、多地區日益關注經濟、氣候、能源電力可持續發展，相繼制訂了碳中和目標。2019年12月，歐盟委員會公布了應對氣候變化、推動可持續發展的《歐洲綠色協議》，希望能夠在2050年前實現歐洲“碳中和”，并提出建成全球首個“碳中和大陸”[1]。2020年9月，中國國家主席習近平在第75屆聯合國大會上提出，中國將提高國家自主貢獻力度，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[2]。2020年10月，日本與韓國也相繼宣布爭取于2050年實現碳中和。此外，美國加利福尼亞州已經于2018年簽署碳中和法案，提出2045年實現100%清潔能源供應[3]。

實現碳中和，能源碳減排是重中之重[4]。目前，全球CO2排放量約73%來自能源消費[5]。2018年，歐盟(含英國)化石能源利用相關碳排放約為31.5億t，其中僅電力與供熱領域碳排放就達到10.5億t，占比高達33%；中國電力與供熱領域碳排放占比更是超過51%[6]。在碳中和背景下，未來能源行業將面臨巨大減排壓力。

歐洲在實現能源行業碳減排方面走在了世界前列。在歐盟統一協調下，各成員國制訂了應對氣候變化與促進碳減排的《國家能源與氣候計劃》[7]。同時，歐洲通過大力發展可再生能源，推動能源生產與消費領域的清潔替代與電能替代。2000—2016年，歐洲化石能源占一次能源比重從80.0%下降至72.8%，清潔能源占比從20.0%持續提升至27.2%，高于全球平均水平4個百分點，終端電能比重從17.2%持續提升至19.4%[8]。未來歐洲能源電力行業將進一步推動碳減排，逐步退煤、退油，大力發展可再生能源，遠期終端能源消費將主要以電力、燃氣為主，通過配合碳捕捉封存與應用(carbon capture,usage and storage，CCU/S)、生物碳捕捉與封存(bio-energy carbon capture and storage，BECCS)等技術，實現碳中和[9]。

能源發展，規劃先行。在實現碳中和的能源規劃研究方面，世界各地的學者與機構正在不斷進行探索。國內，文獻[10]對現實可行且成本可負擔的中國電力低碳轉型路徑進行了探究。文獻[11]從燃煤發電產業升級的角度提出了支撐我國碳中和國家戰略的建議。文獻[12]運用全球能源供需預測模型(global energy modelling system,GEMS)，采用自上而下的方式對全球各地區能源供需進行了預測，預測過程中考慮了基準情景、加快轉型情景、2 ℃情景共3個情景；文獻[13]從油氣角度切入能源分析預測，對2 ℃溫控情景(世界)和碳中和情景(中國)進行了分析。國外，日本經濟產業省2020年12月發布《2050年碳中和綠色發展戰略》[14]，指出電力部門的脫碳化是日本實現碳中和的重要前提。文獻[15]采用PATHWAYS模型對美國加州碳中和情景進行預測。但是，上述研究或者未考慮各能源品種之間的能量、物質與碳耦合，或者未明確提出實現碳中和或溫控目標的各國/各地區碳預算及其分配/計算方法。2020年，歐洲輸電運營商聯盟與輸氣運營商聯盟共同發布了最新版十年網絡規劃(ten years network development plan，TYNDP)2020情景報告[16]，提出了在1.5 ℃溫控目標下，計及碳預算的歐洲能源電力發展系列情景。該系列情景考慮了未來可再生能源的集中式、分布式發展路徑，不同能源品種之間的物質與能量耦合，以及碳中和條件下的碳預算約束，規劃思路較為前沿且已應用于實際能源電力規劃。但是，歐洲TYNDP規劃方法沒有考慮同一碳預算下的不同碳減排路徑，且未考慮能源系統內部碳循環約束。

本文首先闡述碳中和與碳預算之間的關系，之后在歐洲能源規劃思路基礎上，進一步考慮能源系統碳循環約束及不同碳減排路徑，提出碳中和目標下考慮碳預算與碳循環的能源規劃方法，并與其他方法進行對比，最后針對未來碳中和條件下的能源規劃，提出幾點建議。

1 碳中和與碳預算

碳中和是指一個經濟體在一定時間內直接或間接產生的CO2排放總量，通過CCU/S、BECCS等技術，抵消自身產生的CO2排放量，實現正負抵消，達到相對“零排放”。圖1為碳中和和碳預算示意圖。碳預算，是指在某溫升目標下，一個經濟體設定的在未來一段時間內CO2凈排放總量的上限，是一個過程量，如圖1陰影部分所示。相對于未來較長時間尺度(如幾十年)內的碳預算，碳中和是一個狀態量，表明一個經濟體達到年度凈零排放的狀態。

圖1 碳中和與碳預算示意圖Fig.1 Illustration of carbon neutrality and carbon budget

當前大量科學研究已經表明，全球平均地表溫升與累積CO2排放之間呈近似線性關系[17-19]。為此，全球某一既定溫度下所對應的CO2累積排放量是一個有限范圍，這也是全球碳預算的基本思路[17-18]。當然，造成全球溫升的溫室氣體(greenhouse gas，GHG)除了CO2之外，還包括甲烷、六氟化硫等。

關于碳中和與碳預算之間的關系，有3點需要說明：一是某經濟體制訂碳預算，并不意味著其未來必須達到碳中和狀態；二是實現碳中和，目前并沒有特定的碳預算標準或碳減排路徑；三是在相同碳預算條件下，碳減排路徑并不唯一。如圖2所示，若某經濟體欲實現碳中和，即使在碳達峰年份、碳排放峰值和碳中和目標年度不變的情況下，仍可有幾種典型減排路徑。路徑2與路徑3在碳達峰與碳中和之間的碳預算基本相同，但是碳減排節奏仍有差異，路徑2為先慢后快，路徑3為勻速下降。

圖2 不同碳減排路徑對比Fig.2 Comparison among different decarbonization paths

盡管現有不同方法計算得到的碳預算差距較大，但是日趨緊張的全球剩余碳排放空間已是不爭的事實[20]。由于目前CO2排放主要來自能源消費[5]，因此，在進行能源規劃時考慮碳預算對于應對全球氣候變化、實現能源系統碳中和十分必要。

2 碳中和目標下考慮碳預算與碳循環的能源規劃方法

本文在歐洲能源電力規劃思路的基礎上，考慮碳預算、碳減排路徑、碳循環等因素，進一步提出了一種面向碳中和的能源規劃方法。規劃流程如圖3所示，共包括5個模塊：能源與碳情景構建、終端能源需求與能源供給結構預測、能源平衡仿真、電力仿真、燃氣仿真。該規劃方法中，燃氣主要針對甲烷、氫氣兩類可燃氣體，燃氣來源包含天然氣、生物甲烷、電制甲烷、化石燃料制氫、電制氫等。

圖3 考慮碳預算與碳循環的能源規劃流程Fig.3 Energy planning process considering carbon budget and carbon cycle

2.1 能源與碳情景構建模塊

1)能源情景構建。

驅動因素與故事線分析是情景構建的基礎。驅動因素分析的目的，是明確規劃過程中考慮的影響能源行業未來發展的主要因素，這些因素可能包括可再生能源分布式/集中式發展路徑、能源行業低碳化趨勢、燃氣是以甲烷還是氫氣為主等。在此基礎上，考慮驅動因素的不同發展方向，提出未來能源電力發展的一系列故事線，作為情景定義的備選方案。

考慮到政府、公眾及相關企業等對未來能源情景的巨大影響，備選方案中的能源與碳情景需要面向各利益相關方進行咨詢修正。經過政府官員、專家與公眾投票等篩選過程，對情景故事線進行消減，得到若干(如3～4個)未來能源發展情景，定義其溫控目標、未來能源電力供需總量發展趨勢、供需結構等指標。

2)碳預算分配與減排路徑設置。

根據不同情景面向的溫控目標，采用碳預算分配方法，將全球碳預算公平地分配到目標國家和地區。現有研究提出了眾多分配方案，包括[21-25]：(1)采用各國現有排放規模；(2)人均排放均等；(3)減排能力；(4)歷史責任；(5)成本有效性等方案及其組合。以人均排放均等法為例，假設某地區人口數量和全球人口數量分別Pr和Pw，該地區的碳預算Bg,r計算方法如下。

Bg,w=Bc,w·fcon

(1)

(2)

式中：Bc,w和Bg,w分別為至本世紀末全球CO2預算和以CO2當量衡量的溫室氣體預算；fcon為溫室氣體預算和CO2預算之間的折算系數。

碳預算分配完成后，各地區的碳減排路徑仍然無法最終確定，需要根據不同地區發展情景及各利益相關方意見，對碳減排路徑進行調整，即確定未來各個時期內的減排速度如何變化。

3)碳循環比例與碳價設定。

碳預算限定了整個能源系統的對外凈碳排放量，但是在未來燃氣管網等基礎設施不進行大規模升級改造的條件下，能源系統對甲烷等碳基燃氣仍然有較大需求。為保障該部分需求，可以通過“電制甲烷-甲烷燃燒-CCS”方式，在能源系統內部形成一個可再生能源發電驅動的小型碳循環，將碳鎖定在能源系統內部流動，如圖4所示。由于碳循環主要通過電制甲烷實現，因此可以通過設置電制甲烷在所有甲烷消費中的占比，調節局部碳循環比例。

圖4 “電力-甲烷”碳循環示意圖Fig.4 Illustration of carbon cycle between electricity and methane systems

此外，隨著未來碳市場的逐步建立與成熟，碳價將與能源價格一樣，成為影響未來能源發展的重要市場因素。在各情景中，需要根據情景定義設定相應的未來碳價。

2.2 終端能源需求與能源供給結構預測模塊

1)終端能源需求預測。

對全社會各行業的不同類型終端能源需求進行預測。各行業主要包括居民、商業、交通運輸業、工業等；不同類型終端能源主要包括電力、燃氣、煤炭、石油等。本文以下列4個行業為例，說明終端能源需求預測方法。

居民能源需求預測，主要考慮照明/動力、供熱/制冷兩個應用領域。在每個應用領域中，預測居民對電力、燃氣等多種終端能源的需求量。具體公式如下：

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)是居民對第i個能源品種的需求量；Elig,res(i)和Epum,res(i)分別是居民照明/動力、供熱/制冷對第i個能源品種的需求量；N為終端能源品種數量；Ptot是總人口數量；Phom是戶均人口數量；Shom是戶均可支配收入水平；ηres(i)是第i個能源品種應用于居民領域的能效。式(4)表示該領域能源需求量與人口總量、戶均人口數、家庭可支配收入水平、能源效率等密切相關。式(3)—(16)中的數據，都為待預測水平年數據，為簡化公式未標明具體年份。

商業能源需求預測與居民類似，主要考慮照明/動力、供熱/制冷兩個應用領域。具體公式如下：

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)是商業領域對第i個能源品種的需求量；Elig,com(i)和Epum,com(i)分別是商業照明/動力、供熱/制冷對第i個能源品種的需求量；rcag,com是商業的復合增長率；ηcom(i)是第i個能源品種在商業中應用的能效。式(6)表示該領域能源需求量與商業復合增長率、能源效率等密切相關。

交通運輸能源需求預測，主要考慮陸上客運、貨運、航空、水運這4個應用領域。具體公式如下。

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

Eshi(i)，i=1,…,N

(7)

(8)

式中：Etra(i)是交通運輸領域對第i個能源品種的需求量；Epas(i)、Efre(i)、Eavi(i)、Eshi(i)分別是陸上客運、貨運、航空、水運這4個應用領域對第i個能源品種的需求量；dpas、dfre、davi、dshi分別是4個領域的運輸需求，單位可以是人/a、t·km/a等等；spas(i)、sfre(i)、savi(i)、sshi(i)分別是4個應用領域的單位運輸需求對第i個能源品種的需求量；ηpas(i)、ηfre(i)、ηavi(i)、ηshi(i)分別是4個應用領域應用第i個能源品種的能效。式(8)表示這4個領域第i個能源品種的需求量與運輸需求、單位運輸量能源需求、能源效率等密切相關。

工業能源需求預測，需要分別對各工業門類(如化工、冶金等)進行預測，每個門類的預測過程中，還需要對該門類的不同用能過程進行分析，具體公式如下。

(9)

Ej(i)=∑Ej,k(i),k∈Φ

(10)

Ej,k(i)～[rcag,j,ηj,k(i)]

(11)

式中：Eind(i)是工業對第i個能源品種的需求量；Ej(i)是工業的第j個門類對第i個能源品種的需求量；Ej,k(i)是工業的第j個門類的過程k對第i個能源品種的需求量；Φ是工業用能過程的集合，包括空間加熱、過程加熱、非能利用等；rcag,j是第j個門類的復合增長率；ηj,k(i)是第j個門類的過程k在使用第i個能源品種時的能效。式(4)表示該過程能源需求量與行業門類復合增長率、能源效率等密切相關。

2)能源供給結構預測。

能源供給結構預測部分，需要在能源與碳情景定義的基礎上，進一步細化或量化能源供給結構指標。在電力裝機結構子模塊，需要明確未來各時間點煤電、核電等的限制裝機比例或發電量的上下限，可再生能源發電占比上下限，以及CCU/S的配置原則等；在燃氣供應結構模塊，需要明確本地燃氣、進口燃氣比例范圍，甲烷、氫氣比例范圍等等。能源供給結構預測數據將作為能源平衡仿真模塊與電力平衡仿真模塊規劃的邊界條件。

2.3 能源平衡仿真模塊

在確定各品種終端能源需求、電轉氣(power to gas，P2G)規模的基礎上，基于能源平衡方程進行仿真。考慮碳約束與碳循環的能源平衡方程，需要滿足的等式和不等式約束如式(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)為第i個能源品種供給量；Epro(i)，Eimp(i)，Eexp(i)，Esc(i)分別為該能源品種的生產量、進口量、出口量、庫存增加量；ECOS(i)為第i個能源品種消費量；Etra(i)為第i個能源品種轉化為其他能源品種的量；Edem(i)為第i個能源品種的終端需求量；Eloss(i)為第i個能源品種的損耗量；Ci是第i個能源品種生產與消費過程的碳排放量；Cb是能源領域碳預算；Ech4,ele為電制甲烷量；Ech4,con為甲烷消費量；Rc,max和Rc,min分別為為碳循環比例上下限。式(12)表示第i個能源品種供給來源，式(13)表示第i個能源品種的流向，式(14)表示第i個能源品種的供給與消費保持平衡，式(15)表示能源相關碳排放滿足碳預算約束，式(16)表示電制甲烷生產量需要滿足碳循環比例約束。能源平衡方程中的各類型能源，在計算時需要折算成統一單位，如標準煤或標準油。

能源平衡仿真的目的，是針對各類型終端能源需求，計算需要的各種一次能源供給量以及相應的CO2排放量或吸收量，并理清各品種能源、各領域之間的能量流動情況。

2.4 電力仿真與燃氣仿真模塊

電力仿真模塊與燃氣仿真模塊，分別針對不同情景下的電力需求曲線、燃氣需求曲線供給充裕度進行仿真。隨著P2G和燃氣發電規模的擴大，未來能源平衡仿真模塊、電力仿真模塊、燃氣仿真模塊的耦合性將不斷增強。為保證規劃結果的一致性，需要從5個方面進行結果校核：1)電力仿真模塊的電源出力曲線與能源平衡仿真模塊的發電量一致；2)燃氣仿真模塊的燃氣供給曲線與能源平衡仿真模塊的燃氣供給量一致；3)電力仿真模塊的P2G燃氣產量與燃氣仿真模塊的P2G燃氣供給一致；4)燃氣仿真模塊的發電燃氣消費量與電力仿真模塊的燃氣發電燃氣消費量一致；5)電力仿真模塊、燃氣仿真模塊的能源結構與故事線一致，且碳排放量滿足碳預算約束、電制甲烷占比滿足碳循環比例約束。

3 與其他能源規劃方法的對比

為進一步說明本文方法的特點，本章從規劃目標、研究范式、碳約束、市場因素4個角度，將其與傳統能源規劃方法、歐洲TYNDP方法進行了對比，如表1所示。

表1 本文能源規劃方法與其他方法對比Table 1 Comparison among different energy planning methods

規劃目標方面，傳統能源規劃方法主要關注能源安全以及提高能源供給的經濟性[26]，部分規劃會關注能源領域碳排放[27]，但是對于保障能源安全、促進經濟發展、應對氣候變化三者之間的相互協調較少涉及。近年來全球環保意識的增強以及氣候變化影響的加劇，為將氣候因素納入規劃目標提供了條件[28]。因此，歐洲TYNDP方法、本文方法都在碳中和條件下，考慮了應對氣候變化與滿足能源供需這兩個目標的相互協調。

研究范式方面，傳統能源規劃方法多采用“技術-經濟模型”，考慮技術、經濟發展對未來能源供需進行分析，部分方法中設定了不同能源發展情景，采用“給定故事線的技術-經濟模型”進行分析[29]。但是，這些模型較少考慮政府、公眾、上下游行業等利益相關方對于未來能源情景的巨大影響。實際的能源規劃有必要考慮各利益相關方的訴求驅動，如歐洲TYNDP方法和本文方法中，在情景故事線制定過程都參考了各方意見對其進行修正。

碳約束與市場因素方面，目前大部分能源規劃方法并未在規劃中明確提出碳預算約束指標及其計算方法[10-15]，歐洲TYNDP方法計及了《巴黎協定》溫控目標下的碳預算，但是其不同情景在同一碳預算下的碳減排路徑幾乎完全相同，即未考慮碳減排路徑的差異性。本文方法在計及碳預算的基礎上，考慮了不同減排路徑對未來能源情景的影響，以及能源系統內部的碳循環。此外，歐洲TYNDP方法與本文方法均考慮了碳價等碳市場因素對能源規劃的影響。

4 對碳中和目標下能源規劃的建議

1)在《巴黎協定》溫控目標下實現能源電力碳中和，需要考慮碳預算問題。

目前，世界上許多國家已經提出了適合本國國情的國家自主貢獻(national determined contributions，NDC)目標。將NDC作為邊界條件或優化目標，開展能源規劃，是一種契合各國實際發展情況的規劃方法。然而就全球而言，NDC是一種自下而上的溫室氣體減排承諾，各國NDC目標的疊加，難以確定性地滿足全球溫控目標下的碳預算，即全球溫控目標有可能無法達成。

由于累積碳排放與全球溫升之間呈近似線性關系，未來在《巴黎協定》溫控目標下開展能源規劃，碳預算及其分配是一個難以繞開的話題。但是，考慮到各國之間發展階段的差異、碳預算分配方式的爭議性等因素，基于全球碳預算分配的能源規劃，有可能面臨諸多挑戰，例如發達國家與發展中國家的碳減排責任難以厘清，如果分配失當，碳預算有可能演變為束縛發展中國家發展的一把枷鎖。

2)開展碳中和條件下的能源規劃，需要考慮戰略三角、能源三角內部的協調，并平衡國內、國外兩個市場。

經濟不斷發展、能源供給充裕、應對氣候變化，是開展碳中和條件下能源規劃的三大戰略目標，如圖5所示。在傳統發展模式下，推動經濟發展將帶來化石能源需求的增加以及溫室氣體排放量的增長，化石能源需求的持續增加將引起能源供需失衡，溫室氣體排放量的增長會加速全球氣候變暖；如果限制溫室氣體排放，則會帶來化石能源供給不足，或者增加全社會減排成本，拖累經濟增長，即經濟、能源、氣候三大戰略目標難以同時滿足。因此，未來能源規劃要考慮各種新技術和新理念的創新、發展與應用，探索低碳、成本可接受的能源發展之路，推動經濟向可持續發展模式轉變，協調好經濟、能源、氣候三者之間的關系，實現經濟增長與能源消費、能源消費與碳排放之間的“雙脫鉤”。

在終端能源消費領域，結合現有研究成果及技術成熟度，可以預見，由電力、氫能、甲烷組成的能源三角可能是未來終端能源消費的主要發展方向。電力、氫能、甲烷可以通過其他形式的能源(如核能、風能、太陽能、生物質能等)轉化而來，這三者之間也可以相互轉化，如圖5所示。在能源規劃過程中，未來電力、氫能、甲烷在終端能源消費中的占比，以及相互之間的轉化規模與途徑，將很大程度上影響能源發展情景或發展路徑。此外，未來電力、氫能、甲烷的國內生產、國外進口比例，是影響能源安全指標的重要因素。因此，能源規劃中需要結合各地區終端能源生產與消費特點，平衡國內、國外能源供需市場，選擇合適的能源發展情景。

圖5 戰略三角和能源三角示意圖Fig.5 Illustration of strategic and energy triangles

3)需要不斷增強能源規劃與電力規劃的耦合。

在碳減排壓力不斷增大以及電能替代、清潔替代持續推進的背景下，考慮到電力與其他能源(如燃氣)存在能量、物質與碳耦合，能源規劃到電力規劃的單向數據傳遞模式，或者開展單一的電力行業規劃，將面臨日益復雜的邊界條件對接問題。

一方面，在全球溫控目標或各國碳中和目標下，碳排放量是能源規劃中的重要約束條件。若能源規劃中的電力部門僅考慮發電量、用電量，卻不考慮電源裝機結構與運行方式，則難以得到較為可信的電力部門碳排放量數據，而電力系統運行模擬通常需要在電力規劃中完成。因此需要電力規劃與能源規劃之間多頻次傳遞碳排放量數據。

另一方面，隨著電力系統中風光等波動性可再生能源滲透率不斷提高，在電力規劃時采用基于運行模擬的電力系統仿真將逐漸成為趨勢，為保證能源規劃與電力規劃的一致性，需要將能源規劃中計算得到的用電量、電力部門發電量，與電力規劃中的用電量、發電量曲線進行匹配。此外，在能源規劃中，P2G是溝通燃氣部門與電力部門、實現碳循環的重要環節，P2G的規模與運行方式將直接影響電力規劃中的用電量曲線與電源出力曲線，以及能源系統碳循環比例。

因此，未來能源規劃與電力規劃的耦合性將不斷增強，需要開展更為深入、頻繁的能源規劃與電力規劃迭代。

4)碳價將是影響碳預算、碳減排路徑實現與否的重要因素。

碳價是影響未來能源發展、實現碳預算目標的重要調節手段，有以下原因：(1)碳交易市場是一個由人為規定而形成的市場，政策引導、交易規則的變化等對碳價的形成有很大影響，能源氣候政策可以通過碳價傳導到能源消費環節；(2)碳價在很大程度上反映了碳排放指標在市場上的相對稀缺性，通過提高碳價反映碳排放指標的不足，可在一定程度上對碳排放需求形成抑制。

可以預見，隨著碳市場的逐步建立，碳價將是影響可再生能源發展方向、決定碳預算和碳減排路徑能否實現的重要因素。未來能源規劃中，在不同情景之間是設置相同的碳價還是不同的碳價，值得進行探討。

5 結 語

本文分析了碳中和與碳預算之間的相關性，提出了實現碳中和的多種碳減排路徑，之后提出了碳中和目標下考慮碳預算與碳循環的能源規劃方法。與傳統能源規劃方法相比，本文方法考慮了各利益相關方訴求、碳預算約束、碳市場對未來能源供需的影響。與歐洲TYNDP方法相比，本文方法增加考慮了碳減排路徑的差異性，以及能源系統內部碳循環的影響。

鑒于累積碳排放與全球溫升之間呈近似線性關系，開展面向碳中和的能源規劃，碳預算及其分配是一個難以回避的話題。考慮到電力與其他能源(如燃氣)存在能量、物質與碳耦合，為推動碳中和目標的實現，需要進一步增強能源規劃與電力規劃的迭代和融合。