在當下，能源系統是碳排放的主要來源，中國作為世界上最大的碳排放國和能源消費國，其實現碳中和的能源轉型路徑備受國內外關注。為了全面評估面向碳中和的能源轉型，清華大學陳文穎教授團隊構建了包含能源系統的所有部門的能源環境經濟模型China TIMES，詳細闡述了能源系統脫碳過程中的技術選擇、轉型成本和對于局地空氣污染物治理的協同效應，并且識別出不同碳達峰時間和碳中和時間對于中國能源轉型的顯著影響。

　　一、China TIMES模型和情景設置

　　China TIMES模型是一個自底向上的能源系統優化模型，模型模擬期為2015—2050年，每5年一個步長，目標函數為整個模擬期內能源系統總福利最大。

　　該模型刻畫了能源開采、轉換、輸配和終端使用的全部能源過程，覆蓋了電力、工業、農業、建筑和交通等部門超過500種技術和數十種燃料選擇。未來各部門能源服務需求通過社會經濟驅動因子進行估計，并根據供求關系和需求價格彈性而波動，反映了生產和生活方式的轉變。

　　同時，考慮到可能存在的碳鎖定風險，模型允許燃煤電廠和高碳排放行業產能提前退役。根據中國現有的國家自主貢獻目標和碳中和目標，研究設計了4種情景。在這些情景下，碳達峰和碳中和將提前或者如期實現，最終得到通向碳中和不同的路徑。

　　二、結果和討論

　　實現碳中和需要能源系統快速減排。中國的二氧化碳排放預計將于2025—2030年達到峰值，峰值水平為103億~104億噸。到2030年，中國的碳排放強度將較2005年下降67%(P25)和75%(P30)，符合國家自主貢獻目標的承諾。2005—2020年，中國的年均碳排放強度下降率約為4.4%，該速度無法達到碳中和的要求，未來的減排政策仍需不斷加強。

　　不同部門的脫碳進程步調不一。電力部門是當前最大的排放源，隨著可再生能源的發展，電力部門的脫碳在近期發揮關鍵作用，并在2040年開始產生負排放。工業部門正處于產業升級和去產能的階段，隨著高耗能產業的減少，工業部門的碳排放將穩步下降。交通部門和建筑部門的碳排放峰值都將在2030年前后出現，后期電氣化的加速，將為這些部門帶來巨大的減排潛力。

　　中國的能源系統需要全面變革。中國的一次能源供應將在2025—2030年達到峰值。在能源供應側大幅推廣可再生能源，逐步使用新能源替代化石能源，促進更低和更早地實現能源消費總量達峰。煤炭在2040年前將被大規模部署的風能、太陽能、生物質能等可再生能源快速取代。到2050年，可再生能源比重達到60%，90%的電量由可再生能源提供。在能源需求側采用能效提高與燃料替代并舉。2020—2050年，終端電氣化率由23%穩步上升到近60%，單位工業增加值能耗下降75%，單位面積建筑能耗下降15%，各類高效清潔用能技術快速發展。難以控制的排放將由生物質碳捕集與封存(BECCS)、直接空氣捕獲(DACS)等碳移除技術抵消。2035年后，碳移除技術將得到規模發展，到2050年將捕獲8.7億~10億噸二氧化碳。

　　圖1. 2020年與2050年能源服務需求的規模和技術占比變化。黑點表示與2020年相比，2050年能源服務需求增加(減少)的百分數。

　　脫碳策略深刻影響轉型成本。隨著減排率的上升，二氧化碳邊際減排成本(MAC)也逐年上升，到2035年將可能突破100美元·t?1.2050年進一步突破200美元·t?1.2020—2050年，碳中和導致的福利損失將達到0.9萬億~1.2萬億美元。碳減排帶來了巨量的投資需求和顯著的協同效益。電力部門需要至少6萬億美元的電源投資來支持電力系統低碳轉型，未來10年的年均投資額超過1700億美元，最大的投資增長點在于風能和太陽能發電技術。同時，由于碳排放和局地空氣污染物排放同根同源，僅通過能源轉型，到2050年就可以實現SO2、NOx、PM10和 PM2.5等空氣污染物較2020年減少85%。

　　圖2. 二氧化碳減排對局地空氣污染物治理的協同效應(左);P25-H情景下，2020—2035和2035—2050兩段時期，各部門對于局地空氣污染物減排的貢獻分解(右)。

　　碳達峰和碳中和時間具有深刻影響。提前達峰為減排提供更多的緩沖時間，雖然在短期內可能會有更大的轉型壓力，但從長遠來看，這是最具有成本效益的選擇。提前達峰帶來的累計排放量減少，也將縮小21世紀下半葉對于負排放的大量需求。盡管不同情景下2050年局地空氣污染物的排放差異不大，但是提前實現碳達峰將導致未來15年的空氣質量得到明顯改善。碳中和時間是影響轉型成本的決定性因素。更早實現碳中和會導致可再生能源和負排放技術的大規模擴張，顯著增加整體的減排壓力。

　　三、政策建議

　　(1)中國應當迅速采取行動，爭取實現二氧化碳以較低水平提前達峰。

　　(2)中國需要在電力部門快速推廣可再生能源取代化石能源，并重視儲能設施的配套發展。

　　(3)中國應當合理安排現有燃煤電廠的退役，并且建立CCS試點，完善生物質資源發展的全產業鏈，為后期大規模發展BECCS做好準備。

　　(4)國家應倡導綠色低碳可持續的生產生活方式，加快電力、氫能在終端需求部門的滲透。