碳达峰、碳中和目标下中国能源低碳发展研究

作者：朱法华，王玉山，徐振，许昌日，丁力

单位：国电环境保护研究院有限公司，北京清新环境技术股份有限公司

摘要：通过对比中国与主要发达国家的能源消费、经济发展、碳排放情况，预测中国碳达峰时的能源消费量及能源结构，提出减碳路径，探讨碳达峰、碳中和目标下能源与经济发展对策。研究表明:(1)近50年，中、美、日的能源消费结构基本稳定，均以化石能源为主，大规模调整能源结构并非易事，需要循序渐进。(2)各个国家工业化阶段经济发展与能源消费增长基本同步。中国2019年单位GDP的能耗是16个主要发达国家碳达峰时平均水平的2.36倍，节能潜力巨大。(3)按照GDP年均增长5.5%以及相关规划要求，预测中国2030年能源消费总量将达58.3亿tce(吨标准煤当量)，排放CO2约102.7亿t。实现碳达峰需减排CO2约76.93亿t，其中节能减排量占70.1%、非化石能源替代煤炭减排量占23.5%、天然气替代煤炭减排量占6.4%。(4)为实现2060年碳中和目标，建议以节能化为引领、以低碳化为关键、以电气化为方向、以氢气化为补充，推动能源结构和发展转型。

引言

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出我国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。2020年12月12日，在气候雄心峰会上，习近平主席进一步宣布到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿m3，风电、太阳能发电装机容量将达到12亿kW以上。2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议，进一步研究了实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措。自2020年9月以来，碳达峰、碳中和成为热点问题，相关研究很多，但主要集中在定性描述实现碳达峰、碳中和的路径、思路、措施等方面，而相关的定量研究较少。碳排放与能源消费密切相关，能源消费与经济发展具有很强的关联性。本文通过对比中国与主要发达国家的经济发展、能源消费、碳排放历程，探讨了碳达峰、碳中和目标下中国能源结构的调整与发展趋势，并提出相应的对策建议。

01

碳达峰时的能源与经济比较研究

1.1能源消费与经济发展的关系

能源通常可分为一次能源与二次能源，一次能源是从自然界取得未经改变或转变而直接利用的能源，如原煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能等;二次能源是由一次能源经加工转换后得到的能源，如电能、汽油、柴油、氢能等。二次能源只能由一次能源加工转换得到，因此，能源消费总量一般以一次能源消费量为准。

国家的经济发展水平一般以国内生产总值(GDP)来表示，美、中、日3国2019年GDP位居全球前3、能源消费总量位居全球前5。为研究经济发展与能源消费的关系，选取上述3国1965—2019年的GDP(以2010年不变美元价计)与一次能源消费量开展对比研究(见图1)。从图1可以看出，进入21世纪，中国的GDP增长最快，其次是美国，再次是日本;从一次能源消费量来看，中国增长依然较快，美国与日本均增长缓慢，有时甚至是负增长，可见中国仍依赖于能源消费增长驱动经济增长，美国、日本的经济已与能源驱动无关，符合环境库兹涅茨曲线(EKC)假说。

对图1数据进行相关性分析可以发现，美国在1965—2007年，GDP受能源消费驱动特征显著(r=0.95，p＜0.01);在2008—2019年，GDP与能源消费量相关性不强(r=0.52，p=0.09)。日本在1965—1997年，能源消费极大地推动了GDP的增长(r=0.95，p＜0.01);在1998—2012年，能源消费与GDP增长无相关关系(r=－0.13，p=0.65);在2013—2019年，GDP增长基本摆脱了对能源消费的依赖(r=－0.75，p=0.05)。中国的GDP与能源消费量基本保持同步增长，能源驱动特征显著(r=0.98，p＜0.01)，说明中国仍然处于工业化后期阶段，其GDP的增长仍然需要依赖能源消费量的增长，这与以往研究结果基本一致。

1.2一次能源消费与碳排放的关系1.2.1一次能源消费结构一次能源中的化石能源(主要包括煤炭、石油、天然气)使用后会排放CO2，中、美、日3国的一次能源结构(见图2)表明，2011年以来，中国化石能源占比逐年下降，到2019年已下降至85.2%;美国化石能源占比总体稳定，略有下降，2019年为83.3%;2011年的日本福岛核电事故发生前，化石能源占比较低，2010年为81.7%，福岛事故发生后，2012年化石能源占比迅速回升至93.9%，此后逐年下降，但2019年仍高达87.4%。可见，中、美、日3国的共同点是能源消费均以化石能源为主，近20年来化石能源占比都在80%以上;不同的是中国的化石能源消费以煤炭为主，美国以石油和天然气为主，日本以石油为主。从图2中还可看出，近20年来中国、美国都在大力发展非化石(非碳)能源，日本受福岛核电事故的影响，2011年后非化石能源比重迅速下降，但之后又逐渐增长，尽管3个国家在发展非化石能源方面做出了很大努力，同时尽可能减少煤炭消费的比例，但3个国家的能源结构仍相对稳定，说明大规模调整能源结构并非易事，需循序渐进。

1.2.2一次能源消费量与CO2排放量的关系选取中、美、日3国在1965—2019年的一次能源消费量及CO2排放量开展对比研究(见图3)。结果表明，3个国家的CO2排放量与其相应的一次能源消费量具有较强的相关性，一次能源消费量越大，其CO2排放量越大。

1.3不同国家碳达峰时的能源与经济比较1.3.1主要发达国家碳达峰时间发达国家已完成工业化，多已度过GDP增长依赖能源消费量增长的过程，也实现了碳达峰。为比较主要发达国家碳达峰时的能源与经济情况，选取不同国家碳达峰的时间及其相应的人均GDP、人均一次能源消费量、人均CO2排放量及单位GDP的能源消费量进行对比研究(见表1)。根据英国石油公司统计的1965—2019年各国逐年CO2排放量，并参照国际能源署统计的1971—2019年各国逐年CO2排放量，英国碳达峰时间是1973年;法国、德国的CO2排放量在1973—1979年变化不大，英国石油公司统计的两国碳达峰时间是1973年，国际能源署统计的两国碳达峰时间是1979年;美国的碳达峰时间是2007年;日本的碳达峰平台期为1998—2012年。

1.3.2中国人均GDP与碳达峰时间从表1中还可看出，主要发达国家碳达峰时的人均GDP介于2.04万～8.77万美元，英国是最先实现碳达峰的国家，对应的人均GDP也最低，为2.04万美元，晚达峰国家的人均GDP一般高于早达峰的国家。如果按照GDP年均增长率5.5%计算，中国人均GDP达到发达国家碳达峰时的最低值2.04万美元约需17年，即到2036年中国才可实现碳达峰;如果中国人均GDP达到这些国家碳达峰时的平均值4.47万美元，则需要31.5年，即到2050年左右中国才可实现碳达峰。可见，中国力争在2030年前实现碳达峰，与早已达峰的发达国家相比，是有相当难度的。1.3.3中国人均一次能源消费量与人均CO2排放量从人均一次能源消费量的比较来看，中国发展仍需要能源增长，即使与碳达峰时人均一次能源消费量最低的以色列相比，人均一次能源消费量从3.46tce增长到4.58tce，需增长约32.4%;而与碳达峰时人均CO2排放量相对较低的意大利相比(瑞士、挪威碳达峰年化石能源消费占比在50%左右或更低，可比性差)，人均CO2排放量从7.03t增长到8.05t，需增长约14.5%;如人均一次能源消费量达到主要发达国家碳达峰时均值7.25tce，则需增长约109.5%，相应的人均CO2排放量从7.03t增长到11.70t，则需增长约66.4%。中国化石能源消费占比在2019年约为84.7%［8］，16个主要发达国家在碳达峰年平均水平约为82.7%、2019年约为70.0%，进一步降低煤炭等化石能源消费占比是中国尽早实现碳达峰的重要努力方向。1.3.4中国单位GDP的能源消费量中国高度重视应对气候变化，坚持绿色发展、循环发展、低碳发展，于2014年提出能源“四个革命、一个合作”，但由于中国制造业仍处于国际产业价值链的中低端，2018年，中国工业能源消费量占比达66%［8］，产品能耗和物耗高，产品经济增加值率低，造成单位GDP能耗仍然较高，是世界平均水平的1.5倍，发达国家的2～3倍。从表1中的数据可以算出，中国2019年单位GDP的能耗是16个主要发达国家碳达峰时平均水平的2.36倍，比所有表中所列国家碳达峰时的GDP能耗都要高。中国节能降耗任重道远、潜力巨大。

02

中国2030年经济与能源低碳发展预测

2.1中国2030年的经济发展预测目前，中国区域发展很不平衡，总体仍处于工业化与城镇化阶段，经济增长依赖于能源驱动。2030年中国GDP总量取决于今后的GDP年均增长率，其计算见公式(1):

式中，G30表示2030年预测的GDP总量，亿元;G20表示2020年的实际GDP总量，亿元;X表示GDP的年均增长率。2020年的GDP数据来源于《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》，2030年的年均增长率分别按5.0%、5.5%和6.0%进行预测，中国2030年的GDP与能源消费量预测结果见表2。

2.2中国2030年的能源消费量预测

2016年12月，国家发展改革委发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中明确:2030年能源消费总量控制在60亿tce以内，单位GDP能耗(现价)达到目前世界平均水平，主要工业产品能源效率达到国际领先水平。

2016年，世界GDP总量为76.369万亿美元，世界一次能源消费总量为132.763亿t油当量，世界单位GDP能耗平均水平为1.74t油当量万美元。2016年全年人民币平均汇率为1美元兑6.6423元人民币，1t油当量相当于1.4286tce，可以算出2016年世界单位GDP平均能耗为0.37tce万元人民币。据此，可以预测2030年的中国能源消费量，见表2。从表2中可以看出，未来10年，GDP年均增长率如果达到6.0%，则能源消费量将达到61.2亿tce，超过《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中的要求。通过计算得出，GDP年均增长率不能超过5.8%，否则2030年能源消费总量就会突破60亿tce。

2.3中国2030年的能源消费结构预测

2030年，中国单位GDP的CO2排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中明确了2030年能源消费总量控制在60亿tce以内，天然气占比达到15%左右。根据这些要求可知，到2030年，中国能源消费总量要控制在60亿tce以内，其中天然气占比15%，非化石能源占比25%，煤炭与原油占比60%。2016年以来，中国原油与天然气生产量的年增长率见表3。

2016—2020年，中国原油生产量增长率处于波动之中，2016年为19968.5万t。根据表3，2020年将下降至19476.9万t，且2019年中国原油的进口依存度就高达71%。因此，从能源安全的角度考虑，与2020年相比，2030年中国原油消费量不宜增长，仍保持2020年的9.4亿tce，其中进口量为6.6亿tce，进口量与消费量的比值为进口依存度，可算出进口依存度为70.2%，详见表4。原油进口依存度反映一个国家原油消费对国外原油的依赖程度，依赖程度越高越不安全。

2030年，中国天然气的生产量按公式(2)进行预测:

式中，N30表示2030年预测的天然气产量，亿tce;N20表示2020年的天然气产量，取值为2.5亿tce;y表示天然气产量的年均增长率，取过去5年均值7.6%。

根据公式(2)，计算得出2030年中国天然气的产量为5.2亿tce。按GDP年均增长率5.5%预测，2030年中国能源消费总量为58.3亿tce，天然气占比15%为8.7亿tce。2030年中国天然气消费总量为8.7亿tce，其中自产5.2亿tce，其差额3.5亿tce需要进口，进口依存度为40.2%，与目前基本相同，详见表4。

从表4可以看出，2030年中国煤炭消费量将从2020年的28.3亿tce下降到25.6亿tce，下降2.7亿tce，占能源消费总量的比重从56.8%下降到43.9%。中国煤炭完全可以自给自足，是否进口取决于国际煤炭的价格与国家政策调控。原油、天然气的进口依存度基本不变，能源安全可控。与2020年相比，能源行业2030年的CO2排放量基本不变，仍维持在约102.7亿t。

2.4中国能源领域减碳路径与2030年CO2排放

结合表2和表4可以看出，2030年前，中国能源领域的减碳路径主要包括节能降碳、燃料更换(用天然气替代煤炭)、发展非化石能源。节能降碳减排的CO2按公式(3)计算:

式中，Gs表示2030年节能减排的CO2量，亿t;G30表示2030年的GDP，取值为1735655亿元(年均5.5%增长率);Ep20表示2020年单位GDP能耗，取值为0.49tce万元;Ep30表示2030年单位GDP能耗，取值为0.34tce万元;Ce20表示2020年单位能耗CO2平均排放量，ttce。

2020年，中国煤炭、原油、天然气分别消费28.3亿tce、9.4亿tce、4.2亿tce，按1tce热值的煤炭排放2.7tCO2、1tce热值的原油排放2.1tCO2、1tce热值的天然气排放1.6tCO2计，可以算出2020年化石能源排放的CO2总量为102.8亿t，2020年总的能耗为49.8亿tce，单位能耗CO2平均排放量为2.07ttce。

燃料更换(用天然气替代煤炭)减排的CO2按公式(4)计算:

式中，Cr表示2030年燃料更换减排的CO2量，亿t;N30表示2030年的天然气消耗量，取值为8.7亿tce;N20表示2020年的天然气消耗量，取值为4.2亿tce;Ec表示煤炭的CO2排放因子，取值为2.7ttce;En表示天然气的CO2排放因子，取值为1.6ttce。

发展非化石能源减排的CO2按公式(5)计算:

式中，Ca表示2030年非化石能源减排的CO2量，亿t;E30表示2030年的非化石能源消耗量，取值为14.6亿tce;E20表示2020年的非化石能源消耗量，取值为7.9亿tce;Ec表示煤炭的CO2排放因子，取值为2.7ttce。

根据公式(3)、(4)、(5)可以算出不同方式减排的CO2(见表5)，若严格执行碳达峰要求，2030年CO2总减排量将达到76.93亿t，其中节能减排量占70.1%、非化石能源替代煤炭减排量占23.5%、天然气替代煤炭减排量占6.4%。

03

碳中和能源发展对策建议

对于绝大多数发展中国家，能源是社会经济发展的基石，能源消费增长驱动经济增长，由此很多发展中国家都将碳排放权视为发展权。从能源消费与经济发展关系分析，中国仍然处于工业化后期及城镇化阶段，经济稳定发展需要能源消费推动。中国能源利用格局以煤炭为主，单位GDP能耗高，在2030年前实现碳达峰目标是有难度的。为实现2060年碳中和目标，建议以节能化为引领、以低碳化为关键、以电气化为方向、以氢气化为补充，系统处理好经济发展和减污降碳的关系，推动能源结构和经济发展转型。

3.1以节能化为引领

2005年，中国单位GDP能耗达到近20年的峰值，通过严格实施节能“双控”、能源结构调整等政策，2019年单位GDP能耗比2005年下降约42%，而同期美国、日本的单位GDP能耗分别下降约23%、24%。虽然与发达国家之间的差距有所减小，但是依据表2的预测结果，2030年中国单位GDP能耗仍将是2019年美国的1.7倍、日本的2.8倍，中国的节能降碳仍有极大空间。因此，提高全要素生产率，将节能技术作为碳排放最大的抑制因素，以较少的能源投入支撑经济发展，是应对发展和减污降碳矛盾的必要手段，包括能源行业在内的各行各业都应对标世界先进水平提出分步走的节能目标及措施。

3.2以低碳化为关键

燃煤电厂的能源转换效率差别很大，低的不到30%，高的可达到45%及以上，超(超)临界等高效发电(HELE)技术提高转换效率相当于在净发电量相同的情况下减少CO2排放，如同等规模超(超)临界电厂较亚临界电厂的CO2排放量可减少约25%。中国HELE机组比例若由当前的43%提高到70%，则可减少2.5亿tCO2排放量;碳捕集、封存技术可使燃煤电厂CO2排放减少80%～90%，但其运行成本较高，推广应用HELE技术也是降低燃煤电厂最终CO2减排成本的重要一环。燃煤热电联产机组还可替代供热锅炉和散烧煤，高效供热比例若由当前的55%提高到95%，仅北方地区就可减少0.5亿t以上CO2排放量。若2030年“零碳”的风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上，则每年相关新增装机容量将不低于7200万kW，至2060年，风电、太阳能发电总装机容量有望达到50亿kW并成为主力电源。采用以上措施再结合强化水电开发等可再生能源、推动应用新型核电技术，可在确保能源安全的前提下实现能源结构低碳化。

3.3以电气化为方向中国电力企业联合会相关数据显示中国2018年终端用电占比达25.5%，而电能在终端能源消费中的比重每提高1%，可使单位GDP能耗降低3%左右，而中国2018年工业、商业、居民领域煤炭消费量约占能源消费总量的42.5%，因此终端电能替代对于清洁低碳发展意义重大。发展工业领域电气化，强化建筑集中供热或电供暖，推进电动汽车、电动卡车、码头岸电等终端电气化，力争我国终端电能消费比例2030年超过30%、2060年达到70%，则仅此一项即可将单位GDP能耗降低至美国相近水平。3.4以氢气化为补充

我国风光、水电等可再生能源资源的地理分布与需求不均衡，而利用可再生能源电解水制取的氢气压缩后可储存、可运输，能满足跨地域、跨时间的需求。氢气作为清洁能源，可代替煤炭作为工业领域的还原剂直接使用，也可用于氢能汽车、氢能卡车、燃气发电等领域。假设到2050年，氢气消费量达到6000万t，则可减排约7亿tCO2。因此，氢气能源化是近中期实现可再生能源向化学能、电能转化的有效途径。

04

结语

(1)通过与主要发达国家碳达峰时的单位GDP能耗相比，中国目前单位GDP能耗较高。不同国家碳达峰时的能源结构并不相同，且变化较慢，能源结构调整需要循序渐进。(2)依据国家相关规划进行核算，为实现碳达峰目标，2030年CO2总减排量将达到76.93亿t，其中节能减排量占70.1%，非化石能源替代煤炭减排量占23.5%，天然气替代煤炭减排量占6.4%。提出了以节能化为引领、以低碳化为关键、以电气化为方向、以氢气化为补充，推动能源转型发展的建议。(3)研究结果仅是基于与主要发达国家的比较及国家现有的相关规划得出的初步结论，后续应根据我国经济发展水平的提高、能源资源禀赋的变化和国际减碳政策的需求等进行深入研究。

参考文献：详见原文

文献来源：朱法华,王玉山,徐振,等.碳达峰、碳中和目标下中国能源低碳发展研究[J].环境影响评价,2021(05):1-8.

编辑：君君.环评互联网

来源：生态环境部环境工程评估中心

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