基于能源政策模擬模型的廣州市2050 年實現碳中和的路徑研究

劉 楨，謝鵬程，黃 瑩，漆小玲，廖翠萍

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2.中國科學院大學，北京 100049）

1 研究背景

城市發展是經濟增長和社會進步的重要標志，也是能源消費和CO2排放增長的主要來源。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告和相關研究顯示，城市能源消耗量約占全球能耗總量的67%～76%，由此產生的CO2排放占到全球排放總量的71%～76%［1］；到2050 年，城市人口將增加25 億人，68%的世界人口將居住在城市中［2］，城市人口和經濟活動的增長所導致的能源消耗和CO2排放還將持續增長。與此同時，氣候變化所導致的高溫、干旱和洪水等極端天氣事件的發生，海平面的持續上升等，也會給城市帶來巨大的損失。城市既是引起氣候問題的重要因素，也是應對氣候變化解決方案的關鍵部分［3］。聯合國環境規劃署在2018年的《排放缺口報告》中強調，國家以下各級的州和城市的行動具有巨大的減排潛力，在實現國家承諾方面發揮著重要的作用［4］。目前，世界上已有多個城市承諾在2050 年或更早之前實現碳中和或深度脫碳。“十四五”以來，中國各省份都在抓緊制定實現碳達峰碳中和的時間表和路線圖。中國的城鎮人口數量約占總人口數的65%［5］，因此盡早推動城市層級的碳中和路徑規劃工作并作出相應行動對處于快速城鎮化進程中的中國在2060 年前實現碳中和目標具有重要意義，其中如何制定電力、交通、工業、建筑等行業的能源政策以實現碳中和目標成為城市規劃者關注的重點。

當前多采用建模的方法研究能源政策對碳排放量的影響，按照建模思路主要可以分為自上向下模型、自下向上模型和系統動力學模型等。自上向下模型以經濟學模型為出發點，以能源價格、經濟彈性為主要的經濟指數，集中地表現各經濟指數與能源消費和能源生產之間的關系，主要適用于宏觀經濟分析和能源政策規劃方面的研究，最為常見的為可計算的一般均衡CGE 模型［6］。例如，周晟呂［7］、任松彥等［8］利用CGE 模型研究了碳交易機制對經濟的影響；許士春等［9］基于CGE 模型分析了不同碳稅價格對宏觀經濟的影響；都泊樺［10］構建了CGE 碳減排模型，評估調整經濟產業結構、調整能源結構、提升技術水平和征收碳稅4 種減排路徑對整體經濟的影響；汪鵬等［11］構建了粵港澳大灣區動態CGE 模型，分析不同電力轉型路徑對區域內其他產業部門的經濟影響。自下向上模型以工程技術模型為出發點，對以能源消費和能源生產過程中所使用的技術為基礎進行詳細描述和仿真，并以能源消費、生產方式為主進行供需預測及環境影響分析，主要代表為長期能源替代規劃系統（LEAP）模型［6］。例如，馮相昭等［12］、張時聰等［13］、劉俊伶等［14］分別應用LEAP 模型研究中國交通、建筑和工業等領域的中長期碳排放路徑；吳唯等［15］、邱碩等［16］、陳睿等［17］、黃瑩等［18］分別利用LEAP 模型預測了不同情景下浙江、陜西、長沙和廣州等省市的能源需求和碳排放情況。總的來說，CGE 模型的優點是可以較好分析政策成本與各部門之間的互相影響，缺點是無法反映政策實施對部門和技術影響的具體過程以及技術選擇的類型；而LEAP 模型的優點是結構靈活、適用于多種能源系統，缺點是往往難以收集到所有能源技術數據，只能用關鍵技術代替其他技術的作用，忽略了能源部門和其他部門的關系［19］。

近年來，應用系統動力學方法模擬能源政策的研究不斷增多。其中，由美國智庫能源創新（EI）與中國的國家應對氣候變化戰略研究和國際合作中心（NCSC）、國家發展和改革委員會能源研究所（ERI）［20］聯合開發的開源系統動力學模型——能源政策模擬（energy policy simulator,EPS）模型，較好地結合了自上而下和自下而上模型的優點，既考慮了政策成本和各部門之間的互相影響，又反映了各項技術進步的潛力。其輸入數據覆蓋20 多個領域，包含了200 多個變量、超過1 400 個子變量，在構建基準情景的基礎上可以控制多種政策的執行力度和執行時間，既包括針對某個部門的政策，也包括跨部門作用的政策，這些政策影響各個部門的能源使用和碳排放。EPS 模型關注政策措施所引起的相較于基準情景的能源使用或碳排放的變化量，幫助識別政策組合對能源和環境的綜合影響，為促進能源轉型的政策方案制定提供依據。自2015 年10 月發布以來，EPS 模型已經在中國、美國、加拿大、印度等國家進行了不同區域層級的應用，如NCSC 等［20］應用EPS 模型對中國電力、交通、工業、建筑行業以及跨行業政策的成本效益進行評估，得出減排潛力綜合排名前五的政策是碳定價、提高可再生能源裝機目標、強化建筑節能標準、降低工業產品需求量和減少工業溫室氣體；Tian 等［21］等評估了中國25 項能源政策的效果，提出減排潛力最高的5 項政策是含氟氣體替代、新能源配額制度、碳價、碳捕集利用與封存和重型車燃油經濟性標準；劉強等［22］著重對中國電力行業減排政策進行了評估，提出完善體制機制、充分利用市場手段和強化科技支撐3項建設低碳電力行業的政策建議；何則等［23］基于EPS 模型分析了中國油氣消費需求及其對外依存情況，對保障能源安全和油氣供給提出了建議；奚文怡等［24］、Jiang 等［25］分別將EPS 模型應用到省和城市層級，為浙江省和香港特別行政區到2050 年實現碳中和的路徑選擇提出政策建議。EPS 模型可以幫助評估眾多能源和環境政策對各種指標的影響，識別最有減排效益的能源環境政策組合，為政策制定提供依據，但目前EPS 模型在中國應用較少，且多以國家為研究對象，因此，本研究探索該模型在城市層面的應用。

廣州市是中國華南地區的政治、經濟和文化中心，也是中國經濟活動最為活躍的城市之一。作為國家低碳試點城市，廣州市一直以來高度重視節能減排工作，不斷完善節能降碳體制機制，通過優化產業結構和能源消費結構，提高能源利用效率，單位地區生產總值（GDP）能耗約為全國（未含港澳臺地區。下同）平均水平的60%［26］，在全國和廣東全省均處于領先水平。廣州市在“十四五”規劃中提出，要實施碳排放達峰行動，探索形成廣州碳中和路徑。謝鵬程等［27］、Huang 等［28］研究認為，能源行業、工業和交通是廣州市目前最大的碳排放源，而廣州市建筑領域排放量在2030 年前還將保持增長趨勢，要實現碳中和目標，廣州市仍面臨巨大挑戰。為此，本研究基于EPS 模型設置多個情景，模擬廣州市到2050 年的能源消費和碳排放情況，并對電力、交通、建筑和工業等部門的減排政策和減排路徑進行分析。

2 模型方法與情景設置

2.1 模型方法與數據來源

如圖1 所示，研究使用的EPS 模型包含燃料模塊，工業（含農業）、交通、建筑3 個能源消費模塊，電力和制氫兩個能源供應和轉換模塊以及研發模塊、碳捕集模塊、碳匯模塊和碳排放模塊。其中，燃料模塊是計算能源消費和排放量的基礎，設置了所有燃料的價格、排放因子等基本屬性以及影響燃料價格的相關政策；能源消費模塊根據各自用能需求計算直接的燃料消費所引起的排放量、間接的電力和氫能的消費量；電力和制氫模塊則通過消耗燃料發電或制氫以滿足消費端的需求；碳匯模塊對所有模塊的總體碳排放量進行匯總，并計算碳匯的減排潛力；碳捕集模塊作用于電力和工業模塊；研發模塊主要反映各部門由于研發和技術進步帶來的能效提升和成本下降作用。

圖1 EPS 模型框架

研究數據主要來源于歷年《廣州統計年鑒》《廣州市能源發展第十三個五年規劃（2016—2020 年）》《廣州市城市總體規劃（2017—2035）》等，而無法從公開資料獲取的數據則主要通過政府部門、行業協會、重點企業調研、項目組研究數據獲得。

2.2 模型檢驗

研究模型以2017 年的輸入數據為基準，輸出2018—2050 年的模擬數據結果，時間步長為1 年，不考慮非CO2溫室氣體，并采用2018、2019 年的能源消費總量、碳排放量和全社會用電量對進行檢驗。2018 年和2019 年，廣州市實際能源消費總量分別為6 130 萬 t、6 294 萬 t［29］（按標準煤）1），采用EPS 模型模擬得到的結果分別為5 839 萬 t 和6 231萬t，誤差分別為-4.74%和-1.01%；碳排放量分別為11 393 萬 t、11 601 萬 t，采用EPS 模型模擬得到的結果分別為11 117 萬t 和11 601 萬t，誤差分別為-2.42%和0.01%；全社會用電量分別為937 億kW·h、1 006 億 kW·h，采用EPS 模型模擬得到的結果分別為978 億 kW·h、1 048 億 kW·h，誤差分別為4.39%和4.21%。綜上，雖然模型模擬結果與實際統計數據存在誤差，但總體差異較小，因此認為模型結果相對可靠，能夠較好反映廣州市能源消費和CO2排放的特征。

2.3 情景設置

在構建基準情景的基礎上增加設置了政策情景和碳中和情景，在電力、建筑、交通、工業、制氫和碳捕獲與封存（carbon capture and storage，CCS）等領域采取不同力度的政策措施（見表1）。其中，基準情景是延續既有政策的情景，是政策情景和碳中和情景的參照；政策情景是在基準情景的基礎上采取較為可行的政策措施的情景；碳中和情景則是采取更為積極的政策措施、進一步提高政策實施力度的情景。參數的設置主要借鑒參考了包括黃瑩等［18］、謝鵬程等［27］、Huang 等［28］和周健等［30］廣州市相關研究，奚文怡等［24］和Jiang 等［25］EPS模型在中國省區市的應用研究，以及《廣州市能源發展第十三個五年規劃（2016—2020 年）》等規劃文件。

3 結果與分析

3.1 能源消費總量和結構分析

考慮隨時間下降的電力折標煤因子2），在3 種情景下，廣州市能源消費總量在2020 年受新冠病毒感染疫情影響下降，而后波動上升至達峰后下降（見圖2）。其中，基準情景下能源消費量將在2037 年達峰，峰值為7 044 萬 t，到2050 年下降至6 618 萬 t；政策情景下，能源消費量將在2033 年達峰，峰值為6 835 萬 t，到2050 年下降至5 729 萬 t，較基準情景下降13%；碳中和情景下，能源消費量達峰時間進一步提前，在2030 年達峰，為6 564 萬 t，到2050年下降至3 561 萬 t，較基準情景和政策情景分別降低46%和38%。在碳中和情景下，2050 年能源消費量較2018 年減少2 302 萬 t，主要是由于化石能源消費的減少，可再生能源發電占比增加，同時電氣化水平提升，實際用電量較2018 年增長93%。

圖2 不同情景下廣州市能源消費量年度分布

2018 年廣州市能源總消費量中，煤炭消費量為987 萬t，占17%；油品消費量為2 294 萬t，占39%；天然氣消費量為396 萬t，占7%；本地一次電力包括光伏、水電和風電，消費量約為133 萬 t，占2%；外調電力包括化石電力和清潔電力，消費量為1 920 萬 t，占33%，其中清潔電力既包括核電、水電、光伏、風電等傳統概念上的可再生能源，也包括結合了碳捕集技術的火力發電。如圖3、圖4所示：（1）在基準情景和政策情景下，由于煤電發電量的增加，到2030 年煤炭消費量將增長至1 200萬t 左右，隨后緩慢回落，到2050 年降為920 萬t左右；在碳中和情景下，由于煤電利用小時數的提高，煤炭消費量在2030 年達到峰值，為1 450 萬t，到2030 年后，本地煤電裝機逐步轉為備用機組并配備CCS，煤炭消費量逐漸減少至20 萬t 左右，基本實現無煤化。（2）在基準情景、政策情景和碳中和情景下，油品消費量都呈現下降趨勢，到2050 年分別降至1 904 萬t、1 410 萬t 和733 萬t，較2018 年分別下降17%、39%和68%，主要原因在于能效提升和交通領域的燃油以及工業領域的非原料油逐步被電和氫替代。（3）在基準情景和政策情景下，由于政策已規劃新建天然氣發電裝機，天然氣消費量逐步上升，到2050 年分別增長至1 373 萬t 和1 145萬t；在碳中和情景下，氣電也逐步轉為備用機組，到2050 年消費量降至約60 萬t。（4）在基準情景下，按照廣州市目前的可再生能源發展計劃，到2031 年達到峰值，為365 萬t，占比為5%；在政策情景和碳中和情景下，按照廣州市可再生能源資源稟賦的最大潛力建設裝機，本地一次電力消費量在2033 年達到峰值，約為1 151 萬t，為基準情景的3.2 倍，占比提升至約15%。（5）在基準情景下，外調電結構維持現有水平；在政策情景情景下，清潔電力消費量占外調電力消費量的比例在2050 年分別達到70%；在碳中和情景下，由于本地火電裝機到2050年轉為備用機組，用電需求由本地一次電力和外調電力的100%清潔電力滿足，電力系統實現零碳化。

圖3 不同情景下廣州市各類型能源消費量

圖4 不同情景下廣州市能源消費結構

3.2 碳排放總量和結構分析

如圖5 所示，基準情景下，廣州市碳排放總量在2020 年受新冠病毒感染疫情影響小幅下降后持續上升，到2050 年增長至16 374 萬t，較2018 年增長47%，年均增速為1.2%；政策情景下，碳排放量在2026 年左右達峰，峰值為11 264 萬t，到2050 年下降至9 771 萬t，較基準情景減少40%；碳中和情景下，碳排放量在2020—2025 年呈現波動趨勢，在2026年達峰，為11 010 萬t，隨著各項減排措施和政策的實施以及外調電中清潔電力占比的提高，碳排放量在2026 年后迅速下降，到2050 年下降至848 萬 t，較基準情景和政策情景分別減少95%和91%。可見，要實現2050 年碳中和目標，需要從現在開始采取最大力度的政策措施。

圖5 不同情景下廣州市的碳排放量年度分布

2018 年，廣州市電力、交通、工業、建筑的碳排放量占比依次為49%、39%、10%和2%。如圖6和圖7 所示，在基準情景下，廣州市碳排放的主要增長來自電力部門，2050 年電力排放較2018 年增長1.1 倍，排放占比進一步提高至70%。在政策情景下的碳排放結構與基準情景相似，但由于電力排放因子降低，且消費端用能部門能效提升延緩了電力需求的增長趨勢，電力部門排放量較2018 年僅增長26.5%；此外，雖然氫能是清潔燃料，但灰氫、藍氫在制備的過程中也會產生排放，因此在政策情景下工業和交通的氫能需求到2050 年將會造成 239萬t 的碳排放量。在近零情景下，到2050 年，廣州市的碳排放主要來自交通部門，其后依次為工業部門、建筑部門和電力部門。其中，電力部門實現零碳化，碳排放降至約15 萬t；工業部門的碳排放量仍有140 萬t，主要來自工業過程排放；建筑部門由于仍有部分未電氣化的熱水和炊事設備尚未被完全淘汰，對天然氣和油品的消費造成108 萬t 的碳排放。在交通領域，雖然輕型客貨運、重型客運和鐵路客貨運基本實現以電力和氫能為主要動力，但重型貨運、航空和水運領域難以電氣化，除了氫能以外仍有相當比例的燃油消費，加之生物燃料仍會產生碳排放，因此交通部門的碳排放量仍有611 萬t，占總排放量的比例為70%，成為最大的排放來源部門。而廣州市森林碳匯每年的碳吸收能力約為26 萬t，因此需要進一步的技術進步減排或額外的碳匯才能最終實現碳中和目標。

圖6 不同情景下廣州市分部門碳排放量的年度分布

圖7 不同情景下廣州市分部門碳排放結構

3.3 分部門減排貢獻分析

如圖8 所示，在基準情景下，廣州市碳排放增長主要來自電力部門，由于電力系統的排放因子較高，2018—2030 年電力部門碳排放增長2 569 萬t，2030—2050 年進一步增長3 475 萬t；建筑和制氫部門由于用能需求的增加，排放量也將持續增長；工業和交通部門排放將持續降低，交通部門的減排潛力較工業更大。政策情景下，由于電力排放因子降低，2018—2030 年期間電力部門排放增長較基準情景降低52%，到2030—2050 年由于電力的進一步清潔化，排放僅增長207 萬t；建筑部門由于提升能效和電氣化率等措施的實施，直接排放增長較基準情景也放緩；交通和工業部門仍是主要的減排部門，由于能效提升、電（氫）氣化等措施的實施，減排幅度較基準情景增大；由于工業和交通部門氫能需求的增長，并且在政策情景下氫氣仍有部分通過化石燃料制備而來，所以制氫部門排放較基準情景有所增長。碳中和情景下，2018—2030 年，電力部門碳排放增長1 224 萬t，建筑部門碳排放增長幅度較政策情景進一步減小；而制氫部門由于氫能需求的增加導致碳排放進一步增長；交通和工業是主要的減排部門，減排幅度較政策情景分別增長57%和61%。2030—2050 年，電力部門是減排貢獻最大的部門，減排6 604 萬 t；消費端各部門也深度脫碳，碳減排潛力由大到小的部門依次為交通、工業、制氫和建筑。

圖8 不同情景下廣州市不同產業部門對碳減排的貢獻

3.4 廣州市實現碳中和目標的政策貢獻分析

圖9 中，由于電力系統的政策貢獻難以區分，故將其看作一個整體，即電力系統零碳化。可見廣州市累計碳減排貢獻前5 項的政策依次為電力系統零碳化、建筑能效標準提升、交通領域生物燃料替代、工業能效標準提升和氫燃料交通工具銷售占比提升，貢獻占比依次為42.8%、9.4%、8.4%、6.3%和6.1%。

圖9 從基準情景到碳中和情景的廣州市減排政策貢獻

從圖10 可見，電力部門對廣州市實現碳中和目標貢獻最大，累計減排貢獻量達到42.8%，建筑、交通、工業領域的措施對累計減排量的貢獻分別為19.9%、17.6%和13.8%。（1）對于電力部門，為了實現零排放的電力系統，需要采取一系列措施，如禁止新建本地火電裝機、建設本地可再生能源裝機、本地火電退役轉為備用機組以及外調電（配備CCS的火電、水電、核電和光伏等清潔能源）實現100%清潔化。（2）工業部門中，提升工業能效標準、提升工業產品利用率、工業燃料替代、水泥熟料替代的減排貢獻分別為46.0%、26.5%、25.1%、2.4%。到2050 年，各行業工業能效較基準情景提升50%，其中通過回收利用、延長壽命等手段提高工業產品利用率，使工業產品需求量較基準情景降低30%；化石燃料100%被電和氫替代，水泥熟料被高爐礦渣等工業副產品替代的推廣應用程度達到100%。（3）對于交通部門，生物燃料替代、提升氫燃料交通工具銷售占比、提升電動交通工具銷售占比、提升燃油經濟性標準、交通需求管理的累計碳減排貢獻分別為42.0%、30.3%、9.6%、9.4%、8.7%。考慮生物燃油的產能有限，主要將其應用在航空和水運領域，這兩個領域到2050 年的生物燃料替代率達到100%，其他交通類型生物燃料替代率達到30%。同時，由于政策只能對當年的市場滲透率發揮作用，存量完全替換的時間會相對政策延遲，因此到2050年，在重型貨運、航空和水運領域仍有部分燃油的使用；輕型客貨運、重型客運以及鐵路的電動市場滲透率將在2040 年達到100%，因此到2050 年已經基本實現電動化；另外，提升燃油經濟性標準，實現鐵路、輕型客運、重型貨運和其他交通類型能效分別提升25%、60%和40%。此外，還要通過一系列政策對交通需求進行管理，引導居民從私家車轉向步行、自行車、公共汽車和地鐵等更低碳的交通方式出行，包括征收交通擁堵稅、發展高效的公共交通、建設自行車道和通過更好的城市規劃促進步行等。（4）對于建筑部門，建筑能效提升、既有建筑改造、建筑電氣化、建筑設備節能標簽和建筑商教育的碳減排貢獻分別為53.5%、16.0%、15.8%、11.3%、3.4%。其中，建筑能效提升，各建筑用能設備能效提升20%～40%，對建筑圍護結構進行優化和改造，使房屋制冷和供暖的能耗降低35%；對既有建筑進行改造，到2050 年改造率達到70%；由于供暖、制冷和照明設備基本全都使用電力，所以廣州市未來應進一步提高新售熱水和炊事設備的電氣化率。另外，通過對建筑用能設備設置節能標簽，鼓勵消費者購買更節能的產品；同時，對建筑商進行培訓，提高建筑商對建筑政策和節能項目等的認識，鼓勵建筑商選用更節能的建筑設備等也對建筑部門減排有一定貢獻。

圖10 廣州市不同部門政策累計碳減排貢獻分布

4 結論

廣州市的能源消費量在基準情景下將在2037 年達峰，在政策情景下提前至2033 年，在碳中和情景下可進一步提前至2030 年，特別是在碳中和情景下，到2050 年，廣州市能源消費結構將以零碳電力為主，本地一次電力和外調清潔電力消費量為2 713 萬t，油品消費量為733 萬t，煤和天然氣消費降低至約20 萬t 和60 萬t。

廣州市未來碳排放量在基準情景下將持續上升，到2050 年達到16 374 萬t；在政策情景下將于2026年左右達峰，到2050 年降至9 771 萬t；在碳中和情景下，到2050 年將降至848 萬t，其中611 萬t來自交通領域。

（3）廣州市2030 年前的碳減排主要以交通和工業部門為主，電力、建筑和制氫行業的碳排放仍處于增長狀態。2030—2050 年，在政策情景下，交通和工業的減排潛力較大，電力、建筑和制氫行業的碳排放仍處于增長狀態，但增長幅度較小；在碳中和情景下，電力部門的脫碳將是實現碳中和最重要的途徑，而消費端各部門減排潛力由大到小依次為交通、工業、制氫業和建筑，其中建筑部門的能效提升、工業部門的能效提升和電氣化、交通領域的能源結構優化，包括依靠生物燃油、電力和氫能替代傳統燃料油是實現碳中和的重要措施。

注釋：

1）為便于考察和計算，若無特別說明，文中能源消費量均采用標準煤這一標準折算單位。

2）當前，計算能源消費量時，電力的折標煤因子一般采用本地綜合火電煤耗值作為等價值系數，但隨著電力系統中可再生能源比例的不斷提高，采用隨時間下降的電力折標煤因子更能反映實際能源消費量。