重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究方法

蔡博峰，呂 晨，董金池,2，汪旭穎，鄭逸璇，李 新，王雪松，李 冰，何 捷，李永亮，吳立新，邵朱強，丁 焰0，徐 偉，雷 宇，嚴 剛*

1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院碳達峰碳中和研究中心,北京 100012

2.南京大學環(huán)境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210023

3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012

4.電力規(guī)劃設計總院,北京 100102

5.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院,北京 100013

6.中國建筑材料科學研究總院有限公司,北京 100024

7.中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會,北京 100723

8.煤炭工業(yè)規(guī)劃設計研究院有限公司,北京 100120

9.中國有色金屬工業(yè)協(xié)會,北京 100089

10.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012

11.中國建筑科學研究院有限公司,北京 100013

碳達峰是指二氧化碳(CO)年排放量在一段時間內(nèi)達到峰值，隨后進入平臺期并可能在一定范圍內(nèi)波動，之后進入平穩(wěn)下降階段，受社會、經(jīng)濟、極端氣象等復雜因素影響，適度允許在平臺期內(nèi)出現(xiàn)碳排放上升的情況，但不能超過峰值.碳達峰年份是CO排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點，標志著碳排放與經(jīng)濟發(fā)展實現(xiàn)脫鉤.全球已有超過40 個國家和地區(qū)實現(xiàn)碳排放達峰，涵蓋美國、歐盟、英國、日本等主要發(fā)達國家或地區(qū).中國已在2020 年第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上做出CO排放力爭于2030 年前達到峰值、努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的重要宣示，并提出明確的碳達峰時間表、路線圖和施工圖.區(qū)域碳排放量普遍集中于少數(shù)高能耗、高排放行業(yè)和領域，重點行業(yè)/領域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和碳排放變化是決定區(qū)域整體碳排放達峰時間、碳達峰質(zhì)量、平臺期和峰值大小的關鍵.從發(fā)達國家碳排放的變化歷程來看，電力、工業(yè)等重點行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型是推動其碳達峰的主要因素，從現(xiàn)實基礎來看，基于重點行業(yè)領域建立區(qū)域碳達峰指導路徑，是實現(xiàn)碳排放分區(qū)管控、落實行業(yè)減排責任和建立企業(yè)碳排放配額管理機制的重要基礎，也是實施碳排放總量控制、完善碳市場機制的重要支撐.目前，針對行業(yè)碳達峰路徑的研究以未來發(fā)展情景分析為核心環(huán)節(jié)，研究方法包括基于能源?經(jīng)濟?排放模型的宏觀分析方法和基于能源技術(shù)優(yōu)化模型分析兩種方法.

宏觀分析方法通常采用IPAR (impact,population,affluence,technology)、STIRPAT (stochastic impacts by regression on population,affluence,and technology)、對數(shù)平均權(quán)重分解(logarithmic mean weight divisia index，LMDI)、長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(Long-range Energy Alternatives Planning System，LEAP)等結(jié)合趨勢外推、消費系數(shù)、彈性系數(shù)等計量經(jīng)濟學方法并結(jié)合環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)對未來的行業(yè)發(fā)展情況及其環(huán)境影響進行宏觀判斷，在此基礎上利用IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)或國家發(fā)布的溫室氣體排放清單編制指南計算各行業(yè)未來碳排放變化，或參考IPCC 提出的氣候變化約束下的全球共享社會經(jīng)濟路徑(IPCC shared socioeconomic pathways，IPCC-SSPs)進行情景分類，并結(jié)合排放清單編制方法分別核算不同情景下的行業(yè)碳排放情況.Chen 等基于EKC 首先明確了工業(yè)、建筑、交通和農(nóng)業(yè)部門的達峰時間及峰值，并利用LMDI 方法進一步分析各行業(yè)減排驅(qū)動因素.Zhang 等利用LMDI方法確定中國工業(yè)減排驅(qū)動因素，并設置多種情景確定在不同減排驅(qū)動因素下的行業(yè)碳排放情況.其他研究基于LEAP 模型構(gòu)建多種發(fā)展情景研究不同省份或城市交通、鋼鐵、農(nóng)村生活等發(fā)展趨勢與碳排放達峰路徑.基于宏觀能源?經(jīng)濟?排放模型分析行業(yè)達峰路徑的方法具有一定經(jīng)濟學理論依據(jù)，能夠判斷目標行業(yè)未來宏觀發(fā)展趨勢，并具有操作簡便、易于與各類數(shù)據(jù)相結(jié)合等特點.但此方法存在三點不足，首先由于排放因子具有較大的不確定性，各類計算結(jié)果通常相差較大，可比性較低；同時由于無法建立不同行業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈之間的聯(lián)系，缺乏對未來行業(yè)之間動態(tài)反饋機制的有效評估；最后，當多種情景均滿足達峰目標時，無法根據(jù)技術(shù)、成本、效益等尋優(yōu)得到推薦達峰路徑.

基于能源技術(shù)優(yōu)化模型的達峰路徑分析通常根據(jù)對未來人口、城鎮(zhèn)化水平及產(chǎn)品產(chǎn)量需求水平的預判，在此基礎上通過成本最小化、效益最大化或排放最小化等目標函數(shù)的約束預測未來行業(yè)/領域的發(fā)展趨勢及碳排放情況，如替代能源供給系統(tǒng)和環(huán)境影響模型(Model for Energy Supply System Alternatives and Their General Environmental Impact，MESSAGE)、全球變化評估模型(Global Change Assessment Model，GCAM)和MARKAL-EFOM 系統(tǒng)綜合模型(the Integrated MARKAL-EFOM System，TIMES)等.同時根據(jù)模型對能源利用、排放和經(jīng)濟活動等方面的不同建模方式，能源技術(shù)優(yōu)化模型可進一步分為基于GDP、投入產(chǎn)出表和社會核算矩陣的“自上而下”模型和基于工程、技術(shù)的“自下而上”模型.此類模型通常包含多個行業(yè)之間的物質(zhì)、能源流入流出關系，據(jù)此可以評估行業(yè)之間的動態(tài)反饋機制，明確行業(yè)間的相互約束.在未來情景分析部分，基于模型的達峰路徑分析通常基于對未來發(fā)展的宏觀判斷，具有較高不確定性.為了彌補宏觀發(fā)展趨勢判斷的不確定性，通常需要耦合可計算的一般均衡模型(Computable General Equilibrium，CGE)等或上述計量經(jīng)濟學方法等，單個能源技術(shù)優(yōu)化模型通常無法實現(xiàn)達峰路徑的完整分析.

完善碳排放路徑方法是提高碳排放預測分析準確性的有效途徑，也是提出碳達峰時間表、路線圖和施工圖的重要基礎.對于大多數(shù)地區(qū)，碳排放量主要集中在以電力、工業(yè)、交通和建筑為主的重點行業(yè)/領域.規(guī)范重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究方法是落實碳達峰、碳中和工作頂層設計的需要，是實現(xiàn)碳排放分區(qū)管控、落實行業(yè)減排責任的重要基礎，也是國家實施碳排放總量控制、完善碳市場機制的重要支撐.該研究基于CAEP-CP 綜合模型構(gòu)建CAEP-CP-Sectors重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究方法，將自上而下的宏觀預測方法與自下而上的行業(yè)耦合反饋機制相結(jié)合，在目標區(qū)域宏觀社會經(jīng)濟發(fā)展目標與碳達峰目標的雙約束下，宏觀預測重點行業(yè)/領域發(fā)展規(guī)模與需求變化，同時結(jié)合以技術(shù)為核心的MESSAGE模型建立行業(yè)內(nèi)、行業(yè)間耦合關系與動態(tài)反饋機制，通過不斷迭代優(yōu)化確立各行業(yè)/領域未來發(fā)展需求并建立不同發(fā)展情景.最后基于不同碳排放核算方法核算各行業(yè)在基準、調(diào)控、強化情景下的碳排放量，分析行業(yè)控碳技術(shù)手段和關鍵舉措，綜合研判提出重點行業(yè)/領域碳達峰目標與路徑.

1 CAEP-CP-Sectors 研究框架

CAEP-CP-Sectors 重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究框架包含四大模塊，分別是宏觀目標約束、范圍和邊界確定、宏觀需求預測和行業(yè)耦合分析反饋模塊(見圖1).與之前針對行業(yè)/領域碳達峰路徑的研究方法相比，CAEP-CP-Sectors 綜合考慮區(qū)域宏觀發(fā)展目標、行業(yè)自身排放特征、行業(yè)歷史排放趨勢和行業(yè)間上下游產(chǎn)業(yè)關聯(lián)等因素，通過建立經(jīng)濟社會發(fā)展與碳排放目標雙約束，改進對行業(yè)未來發(fā)展需求與碳排放總量的預測；通過分析各行業(yè)關鍵排放環(huán)節(jié)、重點用能設備，明確行業(yè)特定的研究范圍與碳排放核算邊界，核算行業(yè)排放現(xiàn)狀并保持未來排放量預測數(shù)據(jù)口徑的長期一致性；通過調(diào)研行業(yè)之間上下游產(chǎn)業(yè)關聯(lián)，建立各行業(yè)耦合反饋機制，反映某行業(yè)波動對相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響，避免孤立研究單一行業(yè)發(fā)展路徑，提高對重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究的準確性.具體而言，首先在區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展與碳達峰目標的雙約束下，對未來人口、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等經(jīng)濟社會發(fā)展指標進行宏觀預測；同時，立足區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展現(xiàn)狀選取高能耗、高碳排放行業(yè)作為重點行業(yè)/領域，并確定碳排放核算對象與核算邊界；其次，基于宏觀發(fā)展目標約束與經(jīng)濟社會發(fā)展預測結(jié)果，統(tǒng)籌重點行業(yè)/領域自身發(fā)展規(guī)律與先進技術(shù)變革，在充分考慮國民經(jīng)濟社會發(fā)展需求、行業(yè)發(fā)展技術(shù)特點、國內(nèi)外進出口變化等基礎上，對重點行業(yè)/領域發(fā)展規(guī)模與需求進行宏觀預測；此外，基于以技術(shù)為核心的MESSAGE 模型建立動態(tài)反饋機制，通過分析產(chǎn)業(yè)鏈上下游供需關系，建立行業(yè)內(nèi)、行業(yè)間能量流、物質(zhì)流耦合關系，通過不斷迭代優(yōu)化確立各行業(yè)/領域未來發(fā)展需求并建立不同發(fā)展情景；分析行業(yè)控碳技術(shù)手段和關鍵舉措，綜合研判提出重點行業(yè)/領域達峰目標與路徑.

圖1 CAEP-CP-Sectors 我國重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究框架Fig.1 Framework of key industries/sectors CO2 emission peak path research method based on CAEP-CP-Sectors in China

2 研究方法

2.1 宏觀目標約束

行業(yè)未來發(fā)展受區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展目標、產(chǎn)業(yè)布局、能耗增量、能耗強度、產(chǎn)能置換、碳排放達峰目標等經(jīng)濟、社會、能源、排放多方面因素影響.宏觀目標約束模塊為行業(yè)未來發(fā)展與碳排放變化的預測提供邊界約束，包括區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展目標與碳排放目標雙約束.基于區(qū)域經(jīng)濟社會現(xiàn)狀，梳理目標區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃與政策要求，提煉人口增量、GDP 增速等約束指標，結(jié)合情景分析、趨勢分析方法，預測目標區(qū)域未來生產(chǎn)總值、人口、城市化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等，作為重點行業(yè)/領域宏觀需求預測的基礎.

2.2 范圍和邊界確定

CAEP-CP-Sectors 模型推薦電力、鋼鐵、水泥、石化化工、煤化工、鋁冶煉行業(yè)及交通、建筑領域作為研究區(qū)域碳達峰的重點行業(yè)/領域，不同研究區(qū)域重點行業(yè)/領域構(gòu)成有所差別.碳排放核算包含化石燃料燃燒產(chǎn)生的能源活動排放、工業(yè)過程排放與外購電力、熱力間接排放.

電力行業(yè)綜合考慮電源結(jié)構(gòu)，碳排放核算包括燃煤、燃氣、燃油火電廠(含企業(yè)自備電廠)化石燃料燃燒CO排放.鋼鐵行業(yè)基于生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，碳排放核算包括球團用煤、燒結(jié)用煤、高爐噴煤、高爐用焦以及電爐/轉(zhuǎn)爐少部分化石能源消費產(chǎn)生的CO排放，熔劑使用、煉鋼降碳工業(yè)過程排放以及外購電力、熱力間接排放.水泥行業(yè)基于生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，碳排放核算包括生料預熱、熟料煅燒階段燃料燃燒CO排放，碳酸鹽分解產(chǎn)生的工業(yè)過程排放，以及凈購電力、熱力間接排放.根據(jù)GB/T 4754?2017《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》，石化化工行業(yè)分為5 個大類，其中石油和天然氣開采業(yè)、石油煤炭及其他燃料加工業(yè)、化學原料及化學制品制造業(yè)的能源消費之和占全石化化工能源消費總量的95%，是石化化工行業(yè)能源消費和碳排放的主體.因此，選取石油和天然氣開采業(yè)、石油煤炭及其他燃料加工業(yè)中的原油加工及石油制品制造業(yè)和其他原油制造業(yè)、化學原料及化學制品制造中的有機化學原料制造業(yè)作為石化化工行業(yè)研究范圍，碳排放核算包括研究范圍內(nèi)化石燃料燃燒CO排放，電石、合成氨生產(chǎn)過程中工業(yè)過程排放以及凈購電力、熱力間接排放.煤化工包括傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工.傳統(tǒng)煤化工分為煤制合成氨、焦化、煤制甲醇，現(xiàn)代煤化工包括煤直接液化、煤間接液化、煤制天然氣、煤制烯烴和煤制乙二醇等.煤化工碳排放核算包括傳統(tǒng)煤化工與現(xiàn)代煤化工各子行業(yè)化石燃料燃燒CO排放，合成氨工業(yè)過程排放以及凈購電力、熱力間接排放.鋁冶煉包括電解鋁、氧化鋁、再生鋁.碳排放核算包括電解鋁、氧化鋁、再生鋁生產(chǎn)過程中化石燃料燃燒CO排放，電解鋁生產(chǎn)過程中碳陽極消耗工業(yè)過程排放，以及外購電力、熱力間接排放.交通領域基于運輸方式，碳排放核算包括內(nèi)燃機乘用車、商用車、鐵路列車、水運船舶和民用航空器在使用環(huán)節(jié)化石燃料燃燒CO排放，以及電動汽車、列車、船舶電力消費間接排放.建筑領域基于用能活動，核算范圍包括居民生活、服務業(yè)等建筑運行過程中由于供暖、炊事等活動化石燃料燃燒CO排放，以及空調(diào)、電燈、電梯、電視等電力間接排放.

2.3 宏觀需求預測

宏觀需求預測模塊首先分析近10 年來重點行業(yè)/領域產(chǎn)業(yè)規(guī)模、主要產(chǎn)品產(chǎn)量與進出口量、能源結(jié)構(gòu)、電源結(jié)構(gòu)、保有量和客貨運周轉(zhuǎn)量(針對交通領域)、建筑規(guī)模(針對建筑領域)，摸清行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀.基于未來GDP、人口、城市化率等宏觀社會經(jīng)濟發(fā)展形勢的預測結(jié)果，針對不同行業(yè)/領域采用不同預測方法，結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、上下游產(chǎn)業(yè)鏈需求、進出口政策以及產(chǎn)品服務替代等預測各行業(yè)發(fā)展需求.

對于電力行業(yè)，全社會用電量變化與社會經(jīng)濟發(fā)展、各部門用電需求密切相關.CAEP-CP-Sectors 模型采用彈性系數(shù)法和部門需求預測法預測未來電力需求.基于研究區(qū)域人均GDP 預測值、電力消費彈性系數(shù)演變規(guī)律并參考其他國家經(jīng)驗預測全社會用電量.部門需求法根據(jù)全社會各部門用電規(guī)模和耗電量變化趨勢，結(jié)合行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量、單位產(chǎn)品電耗(工業(yè)部門)，新能源汽車電耗、鐵路電氣化率(交通領域)和5G 基站、大數(shù)據(jù)中心、人均居民生活用電量變化(建筑領域)預測不同行業(yè)領域的用電需求，自下而上匯算全社會用電量.

工業(yè)領域主要采用部門需求預測法結(jié)合趨勢外推、蓄積量折算、消費系數(shù)法等方法預測主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量.其中，鋼鐵、水泥消費量與下游產(chǎn)業(yè)需求密切相關，CAEP-CP-Sectors 模型對于鋼鐵行業(yè)采用消費系數(shù)法和基于房產(chǎn)、基建、機械、汽車、家電下游鋼材消費量的部門需求法，結(jié)合進出口預測粗鋼產(chǎn)量，并基于歷史鋼鐵蓄積量、鋼鐵產(chǎn)品生命周期、廢鋼進口量預測廢鋼資源量.水泥行業(yè)采用多因素擬合法與部門需求法，根據(jù)城鎮(zhèn)化率、人均GDP、固定資產(chǎn)形成總額、三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和固定資產(chǎn)投資結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，建立多因素擬合模型，同時，根據(jù)我國全社會房屋竣工面積、城鎮(zhèn)化建設剛性需求和單位面積房屋建設的水泥消費量預測未來熟料和水泥消費量.石化化工行業(yè)采用消費系數(shù)法、類比法預測乙烯消費量，采用趨勢外推法結(jié)合GDP 預測結(jié)果預測丙烯與對二甲苯消費量，采用部門需求法綜合考慮交通成品油消費量預測未來煉油量.煤化工行業(yè)中傳統(tǒng)煤化工與農(nóng)業(yè)、鋼鐵等下游需求密切相關，采用部門需求法預測合成氨、焦炭、煤制甲醇等傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品產(chǎn)量，現(xiàn)代煤化工主要為大型項目，建設周期較長且審批權(quán)在國家層面，通過梳理在建擬建重大項目預測煤直接液化、煤間接液化、煤制天然氣、煤制烯烴和煤制乙二醇產(chǎn)量.鋁冶煉行業(yè)基于部門需求法、礦產(chǎn)資源需求生命周期模型和彈性系數(shù)法預測鋁需求總量.再生鋁原料由國內(nèi)舊廢鋁、國內(nèi)新廢鋁、進口廢鋁等幾個方面組成，國內(nèi)舊廢鋁以15～25 年之前國內(nèi)消費量的移動平均乘以系數(shù)進行測算，新廢鋁由當年鋁消費量乘以系數(shù)進行測算，進口廢鋁則主要根據(jù)進口政策進行預測.電解鋁基于鋁需求總量、再生鋁產(chǎn)量預測結(jié)果，結(jié)合對今后未鍛軋鋁及鋁合金、鋁材進口量和出口量的判斷，反推電解鋁產(chǎn)量.

交通貨運周轉(zhuǎn)量通過分析貨運需求變化的影響因素，采用多元回歸法、增長率法和彈性系數(shù)模型定量比選多模型結(jié)果結(jié)合定性判斷，預測交通貨運周轉(zhuǎn)量.客運周轉(zhuǎn)量通過梳理現(xiàn)有研究，選取人口、GDP、服務業(yè)發(fā)展水平、人口結(jié)構(gòu)、交通基礎設施發(fā)展水平等指標，構(gòu)建多因素回歸模型預測.基于Gompertz 模型，結(jié)合飽和保有量與宏觀人均GDP 預測值預測千人乘用車保有量發(fā)展趨勢，同時結(jié)合人口預測值得到未來乘用車保有量.商用車保有量借鑒歐美等發(fā)達國家汽車產(chǎn)業(yè)變化規(guī)律進行趨勢外推.

建筑領域發(fā)展需求針對城鎮(zhèn)居住建筑、城鎮(zhèn)公共建筑、農(nóng)村建筑3 種類型，考慮民眾不斷提升的居住舒適度需求，識別影響人均建筑面積的關鍵因素，采用類比分析法預測未來我國城鎮(zhèn)人均居住建筑面積、城鎮(zhèn)人均公共建筑面積和農(nóng)村人均建筑面積.

2.4 行業(yè)關聯(lián)耦合

CAEP-CP-Sectors 基于MESSAGE 模型建立行業(yè)間耦合關系與動態(tài)反饋機制，并為各行業(yè)建立基準、調(diào)控和強化3 種發(fā)展情景，分析不同情景下碳排放變化趨勢.MESSAGE 模型以ixmp 框架為依據(jù)，在詳細展示能源和土地利用系統(tǒng)中各類技術(shù)工程、社會經(jīng)濟和生物物理過程等環(huán)節(jié)詳細信息的基礎上，通過線性整數(shù)優(yōu)化模型，在成本最低目標函數(shù)的約束下，實現(xiàn)在特定節(jié)點(如國家、地區(qū))和商品能源需求條件下對相應技術(shù)未來發(fā)展趨勢的分析.該模型以強大的數(shù)學編程和大規(guī)模數(shù)值計算軟件系統(tǒng)?模型為支撐，為大規(guī)模數(shù)值求解提供保障.同時通過耦合單部門可計算一般均衡(CGE)模型?模型，進一步分析終端用能價格對能源需求的反饋以及不同部門之間的用能替代，并估計能源或氣候政策的整體經(jīng)濟后果.MESSAGE 模型情景分析模塊可分為4 個主要環(huán)節(jié)，即需求確定、行業(yè)技術(shù)分析、情景設立和模型輸出.

在需求確定部分，MESSAGE 模型最主要的約束條件是滿足商品的給定需求水平，即各項技術(shù)的產(chǎn)品輸出應當大于等于給定的產(chǎn)品需求水平，如式(1)所示.在以往的研究中，該部分主要通過前期預判確定各項產(chǎn)品的需求水平，該研究基于2.3 節(jié)的研究結(jié)果，將其作為模型輸入建立模型計算的主要約束，同時分析行業(yè)內(nèi)與行業(yè)之間物料投入產(chǎn)出信息，建立動態(tài)反饋機制，通過不斷迭代優(yōu)化確立各行業(yè)/領域未來發(fā)展需求，提高模型分析的可靠性.需要注意的是，此處的模型輸入為地區(qū)或行業(yè)的需求水平而非生產(chǎn)能力，具體而言，某一地區(qū)針對某類產(chǎn)品的需求水平可能很高，但生產(chǎn)能力較低，因此需要通過外部調(diào)入或未來增加產(chǎn)能的方式滿足該地區(qū)對該類產(chǎn)品的需求.

式中，output和input分別代表在特定節(jié)點()下各項技術(shù)()在單位活動水平下各類商品/原料()的輸出/輸入情況；ACT代表在特定節(jié)點下各項技術(shù)相應商品/原料的活動水平；demand代表在特定節(jié)點下各類商品/原料的需求情況.

在行業(yè)技術(shù)分析部分，MESSAGE 是以技術(shù)為基礎的求優(yōu)模型，在進行行業(yè)碳排放路徑分析時，需要首先確定行業(yè)發(fā)展所需的各類技術(shù).以電力行業(yè)為例，火電依然是我國電力生產(chǎn)的主導技術(shù)，2020 年占全國發(fā)電總量的68%，未來太陽能發(fā)電(光熱發(fā)電、光伏發(fā)電)、水電、風力發(fā)電、核能發(fā)電等技術(shù)的發(fā)電比例將逐步提升，到2050 年核聚變發(fā)電技術(shù)可能成為我國另一項重要的發(fā)電手段.為此，該研究通過實地調(diào)研、文獻整理和專家咨詢等多種方式建立了我國未來碳達峰甚至碳中和時期各行業(yè)的應用技術(shù)體系，并確定了相應的成本信息(投資成本、固定成本、可變成本等)、運營信息(建造時間、運營小時數(shù)等)和物料投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)等.同時，該部分另一項重要環(huán)節(jié)即為建立行業(yè)之間的聯(lián)系，即明確行業(yè)之間的動態(tài)反饋機制.基于模型中物料投入產(chǎn)出信息明確物質(zhì)輸入輸出關系，建立行業(yè)之間的動態(tài)反饋機制，避免單行業(yè)分析的局限性，提升整個模型的內(nèi)在聯(lián)系.同時將MESSAGE 模型與MACRO 耦合，進一步分析終端用能價格對能源需求的反饋以及不同部門之間的用能替代，估計能源或氣候政策的整體經(jīng)濟后果.

在情景設立部分，由于MESSAGE 模型的核心是最小化總成本，如式(2)所示，因此在各類生產(chǎn)技術(shù)中，模型會優(yōu)先選擇成本最低的技術(shù)，造成在某個預測區(qū)間內(nèi)，某類產(chǎn)品完全由一類技術(shù)生產(chǎn).但在現(xiàn)實生活中，由于技術(shù)的推廣程度、應用條件的不同，某一項技術(shù)的應用通常不會在一個時間節(jié)點內(nèi)發(fā)生突變.例如，在可再生能源發(fā)電行業(yè)，光伏發(fā)電和風能發(fā)電均為重要的發(fā)電技術(shù)，且均有相應的應用條件，不會出現(xiàn)某項技術(shù)對另一項技術(shù)的完全取代，因此在模型中需要對各類技術(shù)設置不同的約束條件，包括技術(shù)新增裝機量/產(chǎn)能水平、活動水平、增長速度、產(chǎn)量占比等，以反映技術(shù)發(fā)展的真實情況，如式(3)所示.

式中，OBJ 代表模型優(yōu)化的目標結(jié)果，df_period代表模型研究的時間序列，COST_NODAL代表在特定節(jié)點和時間下相應結(jié)果的成本,Y為模型研究的時間范圍集合.

式中，CAP_NEW代表新增裝機量/產(chǎn)能，bound_new_capacity_up代表新增裝機量/產(chǎn)能的約束上限，該約束是指新增裝機量/產(chǎn)能不能超過新增裝機量/產(chǎn)能的約束上限.

除現(xiàn)實因素外，在模型分析中需要進一步確定不同技術(shù)在未來的發(fā)展水平.以發(fā)電行業(yè)為例，現(xiàn)階段我國風電、光伏發(fā)電量占全社會用電量的10%左右，2020 年中國在氣候雄心峰會上向全世界承諾到2030 年，我國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1.2×10kW·h，未來我國風電、太陽能發(fā)電將實現(xiàn)跨越式的增長.因此，為明確未來不同發(fā)展條件下各行業(yè)的達峰路徑，該研究基于上述技術(shù)新增裝機量/產(chǎn)能水平、活動水平等不同約束條件，進一步設置不同的發(fā)展情景以分析未來各行業(yè)的發(fā)展及碳排放情況.具體而言，該研究設置基準情景、調(diào)控情景和強化情景3 類發(fā)展情景.其中基準情景是指未來各行業(yè)的發(fā)展情況遵從現(xiàn)有的發(fā)展情況保持不變；調(diào)控情景以宏觀分析及需求分析結(jié)果為基礎，確定未來各行業(yè)的發(fā)展情況；強化情景是指在調(diào)控情景的基礎上，進一步增強低碳技術(shù)的發(fā)展規(guī)模，以確定在更強有力的碳達峰碳中和推進力度下各行業(yè)的發(fā)展及碳排放情況.

模型輸出部分基于上述3 個環(huán)節(jié)及MESSAGE模型分析結(jié)果，獲得各行業(yè)能源活動情況、技術(shù)應用規(guī)模、產(chǎn)品產(chǎn)量情況等不同情景下行業(yè)的發(fā)展情況，為后續(xù)碳排放核算提供數(shù)據(jù)支撐.

3 行業(yè)關聯(lián)耦合分析案例

選取重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究中鋼鐵行業(yè)與電力行業(yè)路徑研究的動態(tài)交互反饋為例，對CAEP-CP-Sectors 研究方法中的行業(yè)關聯(lián)耦合機制進行介紹.CAEP-CP-Sectors 方法主要從以下兩方面對鋼鐵行業(yè)與電力行業(yè)的情景分析進行耦合關聯(lián).

一是建立了鋼鐵生產(chǎn)對電力消費需求的響應機制.基于MESSAGE 模型根據(jù)鋼鐵行業(yè)不同生產(chǎn)技術(shù)電力消費的特性，通過明確鋼鐵行業(yè)內(nèi)部各項技術(shù)在未來的發(fā)展情況，并進一步分析各項技術(shù)及行業(yè)整體的電力需求，構(gòu)建鋼鐵生產(chǎn)狀況包括產(chǎn)量、生產(chǎn)技術(shù)選擇等對電力需求的響應關系.不同情景下，2020?2035 年鋼鐵行業(yè)電力消費量以2020 年消費量為基準歸一后的變化情況(見圖2).圖2 中所涉及鋼鐵行業(yè)碳排放情景在設置上的差異主要體現(xiàn)在，是否在一般控制水平的基礎上考慮增加強化產(chǎn)量控制措施或強化碳排放控制措施(包括調(diào)整生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)、提高能效水平等)的實施，從而分別對應不同的產(chǎn)量與碳排放控制強度情景.情景設置具體介紹詳見鋼鐵行業(yè)達峰路徑研究論文.如圖2 所示，不同鋼鐵行業(yè)碳排放控制情景對應的電力消費需求差異顯著.a、b、c、d 四個情景下，2020?2035 年鋼鐵行業(yè)電力消費需求總體將呈下降趨勢；e、f、g、h 四個情景下，2020?2035 年鋼鐵行業(yè)電力消費需求將呈先增長后下降的趨勢.在此基礎上，將鋼鐵行業(yè)的電力消費需求反饋到電力行業(yè)達峰路徑研究模塊，用于優(yōu)化電力消費需求的預測結(jié)果，從而實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)達峰路徑研究對電力行業(yè)發(fā)展情況預測的響應.

圖2 2020—2035 年我國鋼鐵行業(yè)不同碳排放情景下的電力消費量Fig.2 Electricity consumption of the iron and steel industry under different scenarios in China

二是建立了電力行業(yè)發(fā)展對鋼鐵行業(yè)間接CO排放的動態(tài)影響評估機制.該研究基于鋼鐵生產(chǎn)對電力需求的響應關系以及電力行業(yè)發(fā)展情景中的電力碳排放績效變化，對不同鋼鐵行業(yè)發(fā)展情景下電力消費引起的間接CO排放進行動態(tài)反饋.以鋼鐵行業(yè)的情景f (低需求-強化控排)為例，對CAEP-CP-Sector模型計算的該情景下2020?2035 年鋼鐵行業(yè)間接CO排放量(考慮電力碳排放績效變化)與不考慮電力行業(yè)碳排放績效變化情況下的鋼鐵行業(yè)間接CO排放量進行對比(見圖3).隨著未來發(fā)電結(jié)構(gòu)逐步調(diào)整，是否考慮電力行業(yè)碳排放績效可對用電行業(yè)的間接CO排放量計算值產(chǎn)生明顯影響.如圖3 所示：在不考慮電力行業(yè)碳排放績效變化的情況下，2020?2035 年期間鋼鐵行業(yè)間接CO排放量將逐漸增加；而CAEP-CP-Sector 模型計算結(jié)果則顯示2020?2035年期間鋼鐵行業(yè)間接CO排放量總體將有所下降，這主要是由電力行業(yè)碳排放績效未來將隨發(fā)電結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型而逐步下降所引起的.通過構(gòu)建電力碳排放績效變化對鋼鐵行業(yè)間接CO排放的影響評估機制，CAEP-CP-Sector 模型可有效實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳排放預測對電力行業(yè)發(fā)展路徑的動態(tài)反饋.

圖3 不同電力碳排放績效變化情況下我國鋼鐵行業(yè)的CO2 間接排放量Fig.3 Comparison between the indirect CO2 emissions of iron and steel industry under the conditions of considering emission factor changes in power sector or not in China

4 結(jié)論

a) 區(qū)域碳排放量往往集中于以電力、鋼鐵、水泥、石化化工、煤化工、鋁冶煉、交通、建筑為代表的高能耗、高排放重點行業(yè)和領域.重點行業(yè)/領域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢與碳排放變化特征直接決定區(qū)域碳排放達峰時間、達峰質(zhì)量和峰值大小.研究重點行業(yè)/領域碳達峰路徑，是實現(xiàn)碳排放分區(qū)管控、落實行業(yè)減排責任和建立企業(yè)碳排放配額管理機制的重要基礎，且碳排放發(fā)展路徑與區(qū)域未來重大項目規(guī)劃緊密相連，有利于構(gòu)建以減排任務量為載體的差異化重點領域總量控制體系，有利于自上而下實現(xiàn)碳排放精細化管控.

b) 該研究建立CAEP-CP-Sectors 重點行業(yè)/領域碳達峰路徑研究方法，包含宏觀目標約束、研究范圍確定、宏觀需求預測、行業(yè)耦合反饋四大模塊.在區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展與碳達峰目標的雙約束下，預測未來人口、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等經(jīng)濟社會發(fā)展指標，并以此為基礎統(tǒng)籌行業(yè)自身發(fā)展規(guī)律與先進技術(shù)變革，在充分考慮國民經(jīng)濟社會發(fā)展需求、行業(yè)發(fā)展技術(shù)特點、國內(nèi)外進出口變化的基礎上，宏觀預測重點行業(yè)/領域發(fā)展規(guī)模與需求變化.同時，基于以技術(shù)為核心的MESSAGE 模型建立動態(tài)反饋機制，分析產(chǎn)業(yè)鏈上下游供需關系，建立行業(yè)內(nèi)、行業(yè)間能量流、物質(zhì)流耦合關系，通過不斷迭代優(yōu)化確立各行業(yè)/領域未來發(fā)展需求并建立不同發(fā)展情景.最后，分析行業(yè)控碳技術(shù)手段和關鍵舉措，綜合研判各情景提出重點行業(yè)/領域碳達峰目標與路徑.CAEP-CP-Sectors 方法可滿足國家、省份、城市等不同區(qū)域尺度的行業(yè)/領域碳排放路徑分析與減排措施、成本效益、政策保障評估.