迈向“双碳”时代：中国能源转型的战略思考
【千问解读】
转自：科创中国
中国提出“双碳”目标，以减缓人类活动排放的CO2导致的气候变暖，推动电力系统向可再生能源转型，为绿色发展注入新动力。
本文基于2010—2021年期间清洁能源变化的历史趋势和我国太阳能、风能资源的空间分布，预测2021—2060年发电量和能源消费量的变化趋势，并结合已有研究报道的中国光伏和风力发电潜力，分析了未来发展光电和风电对土地、输电、储能、投资等方面的需求。
结果表明，维持中国过去清洁能源的增长速度可能无法满足实现“双碳”目标对未来清洁能源的需求，因此实现“双碳”目标需要进一步克服能源系统和经济系统的惯性，加速推进中国化石燃料向清洁能源的转型，并逐步提高清洁能源在总能源中的占比。
最后，针对如何以较低经济成本加速能源转型的问题，提出了若干政策建议。
1国内外有关“双碳”目标的举措
2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上正式提出“双碳”目标，即到2030年达到碳排放峰值，到2060年实现碳中和。
“双碳”目标的制定旨在更积极地应对气候变化问题，减少环境污染，并全面提升中国的环境质量，从实质上实现中国经济的可持续发展。
中国历史上总碳排放量以及人均碳排放量均显著低于欧美等发达国家，但作为当前全球最大的碳排放国，在中国实现碳中和目标面临压力大、难度高的挑战。
欧美等发达国家在碳减排方面在本世纪初就已经提前开始布局。
虽然欧美发达国家的碳中和方案对中国有一定的借鉴意义，但中国的能源转型必须从本国国情出发。
中国人口基数大，能源需求总量高，且国土面积广阔，可再生能源在空间上主要分布在中国西部，而人口和经济产业主要分布在中部和东部。
因此，需要结合中国国情制定相应的能源转型方案，并通过资源的最优调配和统筹，尽量减小能源转型对中国经济和环境的负面影响，实现碳减排与环境保护的双重目标。
2“双碳”能源转型的已有研究
近年来，随着中国提出“双碳”目标，关于能源转型的研究日益增多。
能源转型是指从传统化石燃料为主导的能源系统向更加可持续、清洁、高效的能源系统的过渡过程。
这些研究涵盖了政策制定、技术创新等多个方面，旨在探讨如何实现从传统能源向清洁能源的转变。
一系列文献提供了重要见解。
例如，张梦楠等深入探讨了中国在实现“双碳”目标过程中所面临的挑战，并提出了相应的政策建议，为中国的低碳发展提供了理论支持和实践指导。
江深哲等着眼于中国能源与产业结构的升级对碳排放的影响，指出产业结构转型推动了能源结构的变化并显著降低了碳排放量，并提出了碳税安排的优化方案。
Qiu等针对可再生能源消纳问题进行了深入探讨，提出了结合储能技术和共享经济的新商业模式——共享储能，为未来电力系统发展提供了有益参考。
综上所述，当前中国能源转型面临多重挑战，但学术界通过深入研究政策、技术和商业模式的创新，为实现“双碳”目标提供了可能的路径和解决方案。
3“双碳”目标对中国能源系统的影响
“双碳”目标不仅影响能源结构，还涉及产业、经济、国际竞争力及生态环境等多个方面。
3.1 能源结构变革
在“双碳”目标的框架下，中国将逐渐减少对化石燃料，特别是对煤炭的依赖，更加注重对可再生能源的开发利用。
未来，中国的能源结构将呈现出更为清洁和多元化的趋势，太阳能和风能等可再生能源有望占据主导地位。
一次电力及其他能源占一次能源生产总量的比重已经从2000年的7.7%增加到2022年的20.4%，清洁能源发电装机容量的占比也从2000年的25.6%增加到2022年的48.1%。
中国是全球最大的煤炭进口国，但随着国内煤炭需求减少，中国将逐渐降低对国际煤炭市场的依赖，通过使用更多的太阳能和风能等可再生能源，提高国家能源的自给自足能力，从而提升能源安全。
此外，“双碳”目标有助于优化能源结构，通过市场化手段提高能源效率，降低使用化石燃料导致的空气污染程度。
3.2 产业结构调整
“双碳”目标下的能源转型将引导未来中国产业结构的大规模调整，包括推动第二产业行业排放的标准化管理、以及大力发展低碳制造业等。
除此之外，能源转型通过促进经济社会发展与绿色低碳转型的深度融合，推动整个产业链向高端、低碳、智能的方向转型，为中国在发展动力、发展效率和发展质量方面赢得竞争优势，实现社会高质量发展。
3.3 国际竞争力提升
尽管“双碳”目标的实现在一定程度上带来了外部约束，但与此同时也创造了新的发展机遇。
“双碳”目标促进了产业绿色转型，推动了新兴行业发展，增加了就业岗位。
例如，每100万美元投资于低碳行业将净增约5个新的工作岗位。
在过去的10年里，全球可再生能源行业的人数持续增加，2021年达到1270万人，其中中国占42%，这反映了目前中国在全球可再生能源行业处于优势地位。
能源转型可以提升中国市场的国际竞争力，新增的就业机会主要来自太阳能光伏、生物能源、水电和风电等领域。
能源转型为绿色金融和绿色投资提供了新的创业机遇，例如，在“双碳”目标驱动下，将吸引更多投资流向可再生能源和环保项目，推动金融体系朝着更加可持续的方向发展。
中国正在构建多层次绿色金融系统，为“美丽中国”建设和实现“双碳”目标提供了有力支持。
与传统的发展路径相比，碳中和可以吸引更多的投资、提升中国经济的增长潜力。
3.4 生态环境改善
“双碳”目标的实现将显著减少碳排放，并降低相关污染物的排放，对中国生态环境产生长远影响。
例如，中国通过《减污降碳协同增效实施方案》首次提出了“减污”和“降碳”的一体谋划，提高了环境保护和气候变化应对的综合效能。
实现“双碳”目标可降低各种污染物的排放，有效防治水、土壤和大气污染，实现生态环境的整体改善，有助于推动能源与环境的绿色和谐发展。
4能源转型对中国生态环境的潜在影响
中国“双碳”目标下的能源转型可以减少化石燃料燃烧导致的CO2和大气污染物排放，但在开发新能源替代化石燃料的过程中，要考虑可再生能源开发对生态环境的潜在影响和风险。
在可再生能源的生产、运营和使用阶段，需要通过科学预判，建立风险预警机制，减少能源转型对生态环境的负面作用，避免环境破坏（图1）。
图1 可再生能源开发对生态环境的潜在影响在能源转型过程中，需要综合考虑环境、社会和经济的可持续性，采取适当的管理和保护措施，建立风险预估预警机制，来降低风险并推动可再生能源的可持续发展。
5中国可再生能源发展的趋势预估
为对可再生能源发展的趋势进行预估，本研究组分析了2010—2021年期间的能源数据，并在不同情景下按照线性外推的方式预测了2021—2060年间中国发电量和能源消费量的变化趋势（图2）。
图2 中国发电量和能源消费总量的历史数据和未来预测首先，分析2010—2021年的能源消费总量、可再生能源、电力消费总量、可再生能源发电量的增长速率，在保持该增长速度不变的情景下，得到2010—2060年能源消费总量、可再生能源与化石燃料的消耗量、电力消费总量以及可再生能源与化石燃料的发电量（情景A）。
在这一情景下，虽然化石燃料消费总量及发电量的增长速率慢于可再生能源消费总量及发电量的增长速率，但化石燃料的使用量和发电量仍然保持在高位，且到2060年无法实现达峰目标。
在情景A的基础上，进一步研究了可再生能源加速增长对实现“双碳”目标的影响。
在保持2010—2021年能源增长速率不变的基准情景外，还考虑了在能源消费总量和电力消费总量增长速率不变的前提下，将可再生能源的发电量和消费量的增长率增加1倍、2倍、3倍和4倍的情景（分别对应情景B、C、D、E）。
可以看出，可再生能源增长速率提升后，可以更早地满足总电力需求和能源需求，减少化石燃料的使用量。
当可再生能源发电量增长速率增加1倍时（情景B），在2030年前可实现碳达峰；当可再生能源发电量增长速率增加2倍时（情景C），到2050年前后可再生能源发电量有望满足总发电量的需求，在2060年前电力系统的化石燃料使用量将减少到零，实现电力行业的净零排放；如果可再生能源发电量增长速率进一步提升，化石燃料发电量的清零年份也会提前，减小非电力行业的碳减排压力。
在能源总消费量方面，由于其他非电力系统的能源消耗，需要将可再生能源的增长速率增加4倍（情景E），才能在2060年前实现可再生能源消费量满足总体能源消费的需求，与此同时，化石燃料燃烧产生的碳排放量也将清零。
需要注意的是，在非电力行业推广可再生能源的难度更高，所以中国未来可能会提高非电力行业的电气化水平。
因此，非电力行业的碳减排行动又会进一步推动电力行业的能源转型。
6中国加速发展太阳能、风能发电的潜力
研究表明，中国实现碳中和需要在2020—2060年间将太阳能和风能年发电量从1PW·h增加到约10~15PW·h。
为了实现这一目标，可再生能源的增长速率需要提升到过去10年的2~3倍，但太阳能和风能发电会受到地形、风速、风向、光辐射、大气云量、降雨等多种自然要素的影响，本研究组结合最新的能源调度模型，预测了2020—2060年间可建造光伏和风力电厂的发电量，并预估了在图2中提出的5种情景下开发太阳能和风能带来的土地、输电、储能、投资等需求（表1）。
随着能源需求增加，光伏和风力电厂占地面积、特高压输电线路长度、输送容量和储能容量增大。
同时年均总投资、年均输电投资、年均储存投资、年均电厂投资以及年均维护成本并非线性地随着发电量的增加而增大。
太阳能和风能的加速发展需科学规划和综合施策，考虑成本、环保和可持续发展等因素，有助于制定更科学的能源转型政策，推动电力系统绿色升级，实现“双碳”目标。
7政策建议
为实现“双碳”目标，中国需尽快从高污染化石燃料向低污染清洁能源转型，逐步提高我国可再生能源占比。
若干政策建议如下：
1）综合考虑环境、社会和经济的可持续性：在能源转型过程中，需要综合考虑环境、社会和经济3个方面的可持续性，采取适当的管理和保护措施，建立清洁能源的数字地球智能信息复杂系统，健全风险预警机制，降低负面影响，推动可再生能源可持续发展。
2）采取适当的管理和保护措施：政府和企业应加强监管力度，建立健全的环境管理体系，确保生产过程符合环境保护标准，并制定废弃物处理方案，最大限度地减少对环境的不利影响。
3）加速发展太阳能和风能：政府应增加对科研机构和企业的资金支持，提高补贴政策的力度，简化审批程序，以加速太阳能和风能的发展，实现能源结构的优化和可持续发展。
4）科学规划和综合施策：政府应制定长期能源发展规划，明确目标和路径，解决土地利用、输电建设、储能技术等问题，确保能源转型有序推进，取得可持续发展成果。
本文作者：王戎、陈祉叶、曾嘉伟、王怡静、曹军骥、汤绪、张人禾
作者简介：王戎，复旦大学多风险互联与治理国际卓越中心，复旦大学环境科学与工程系，教授，研究方向为环境模型、气候变化、碳循环、空气污染、可再生能源、能源经济、地球系统等。
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