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在碳中和目标下以能源转型促进经济高质量发展

发布时间:2022-06-23来源:作者:
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文|姜克隽 中国宏观经济研究院能源研究所


经过二十多年高速发展,我国经济已进入转型时期。经济转型是经济社会发展到一定阶段后的必然现象,但由于我国仍属于发展中国家,尚处于发展阶段,还需追求较高经济发展速度,因而在转型时期,如何实现经济又好又快增长是我们面临的重要任务。2017年12月召开的中央经济工作会议提出,推动高质量发展是当前和今后一个时期确定发展思路、制定经济政策、实施宏观调控的根本要求。由高速增长转向高质量发展是当前我国经济的基本特征,是适应我国社会主要矛盾变化和全面建设社会主义现代化国家的必然要求,也是遵循经济规律发展的必然要求。

经济社会运行离不开能源。能源供应一旦出现问题,就会带来重大影响。为此,能源工业发展和能源供应受到世界各国高度重视,甚至成为驱动地缘政治变化的主要因素。在我国,能源工业还是经济发展的重要部门。2019年能源工业的增加值占GDP的5.8%左右,占工业的15%左右。目前每年煤炭供应40多亿吨,石油7亿多吨,天然气近3600亿立方米。从产品总量上看,能源量占全部工业产品量的50%以上,占交通货运量的35%以上。能源技术装备也是我国重要的引领行业,是国家科技研发的重点领域之一。我国在特高压输电、第三代核电、大型水电、先进燃煤发电、光伏、风电等关键能源技术领域处于世界领先水平。总之,能源行业的技术引领是我国在新时代复兴的重要支撑,能源行业是我国经济发展的核心支撑产业。

碳中和目标下的能源转型

《巴黎协定》提出,要把全球平均气温的升高幅度较工业化以前水平控制在2°C之内,并为把升温幅度控制在1.5°C以内努力。研究发现,如果以升温幅度控制在1.5 °C之内为目标进行情景设计,全球需要在2050年到2060年实现净零排放(IPCC,2018),如果要实现2°C的升温幅度控制目标,则需要在2070年后进入净零排放(IPCC,2014;IPCC, 2018)。

这些情景的主要特征包括:到2050年,非化石能源占一次能源的比重达到或超过75%(按照发电煤耗方法计算);电力系统在2050年前实现零碳排放,之后进入负碳排放阶段;终端部门大力推进电力化;无法电力化的行业使用绿氢作为能源、原料以及工艺材料(如还原剂);大力发展碳捕集和利用(CCU)技术、碳捕集和封存技术(CCS),到2050年,需要捕获的CO2有可能会达到16亿吨;在化石燃料发电、生物质能发电以及工艺过程都需要使用CCU技术和CCS技术。与其他模型组不同的是,中国综合环境政策评价模型(IPAC)在未来一次能源情景中给予核电更大的发展空间,到2050年,发电装机容量达到5.6亿千瓦,加上其他核能的使用,装机能力将达到7.5亿千瓦(Kejun et al, 2018) 。

伴随着能源转型,未来我国能源安全的内涵也会有所转变。高比例非化石能源情景下,能源已经不需要进口,甚至开始出口氢到周边国家。能源安全从目前以进口能源占比转向到控制能源相关的事故,以及高可靠度供应能源。依赖可再生能源和核能的情景将可以更加安全地供应能源,并且将能源价格保持独立,切断和国际能源价格的关联,避免能源价格受国际价格变动的影响。同时,大力发展核能,可以在系统能源价格上更具竞争力。

从发电情景来看,未来风电、光伏等可再生能源发电需要保持现阶段快速增长的趋势,同时较大幅度提高核能发电量。在我国能源部门到2050年可实现净零排放或负排放的情况下,应鼓励终端用能部门尽快实现电力化转型,即到2050年,交通部门全部电力化,建筑部门基本电力化,工业部门尽力电力化。对于无法实现电力化的工艺,应鼓励使用氢能替代。以交通部门为例,到2050年,我国交通部门实现能源完全清洁化,做到净零排放。2050年,道路交通将基本全部使用纯电动车,部分大型货车也将采用燃料电池车。在船舶方面,万吨以上船舶基本依靠燃料电池或者氢基燃料(如甲醇、合成氨等)驱动,万吨以下船舶则采用纯电动电池驱动。在航空方面,大部分飞机将以生物航空燃油和氢燃料驱动;其他运输基本实现电力化。实现交通部门净零排放的重要因素之一是技术革新(Jiang et al, 2021)。研究表明,未来电动车有望彻底超越燃油车,即性能更好、售价更低(庄幸等,2012)。

碳中和下的经济转型

实现多重目标,将对我国的经济转型产生明显和深远影响。技术将发生变革,随之而来经济产业格局将出现变化。这些变化之中,多重目标的实现不会拖累经济,而是会更好地促进经济发展,增加GDP。实现这些经济转型,需要尽早做出准备。

2050年,工业部门应尽力实现电力化。针对难以电力化的工艺,可考虑用氢作为替换,例如在合成氨、苯、乙烯、甲醇等原材料时,在生产工艺中采用氢做还原剂和原料,或在有色金属、无机化工等行业的生产工艺中用氢还原矿石。分析交通部门和工业部门的转型需求可发现,未来我国对氢的需求量(5000万吨-8000万吨)较大,需加快绿氢发展,即使用零碳电力制氢。由此可见,我国光伏、风力等可再生能源装机量及发电量将持续增长,这一趋势也将改变中国经济发展格局——下游行业的生产区域可能会向可再生能源发电或核能发电成本较低的地区转移,如我国北部、西部和东北地区。

1.经济发展和投资

2020年我国固定资产投资52.7万亿,占GDP的51.9%。长期以来我国的固定投资占GDP的比重都在52%以上。近年来我国能源工业的固定资产投资都在4万亿以上,占全国固定资产投资的7%左右,占工业投资25%以上。实现碳中和目标下的能源转型,需要未来的投资方向明确。同时实现碳中和目标,也需要用能部门的转型,其中一些部门的转型会很明显,包括交通、建筑、石化行业、金属冶炼行业等。根据相关研究,实现碳中和目标下的能源转型,能源部门的投资会超过125万亿元,终端能源消费部门的投资会超过110万亿元。

实现碳中和目标下的能源和经济转型路径的认识需要明确,以确保投资走向正确的方向。碳中和目标下能源转型和经济转型的行业可以带来新增的GDP,这是支撑我国投资中有效投资的重要部分。表 1给出了在碳中和路径中有明显转型的部门2017年的固定资产投资,以及未来的转型方向,和根据IPAC模型计算的到2035年的投资需求。表 2则给出了一些碳中和路径下新型行业发展的展望和投资需求。总的来讲,投入到碳中和路径中转型行业的固定投资并没有超出多少既有投资的需求,而且和当年的GDP总量相比投资规模也并不大,因而是可以实现的。重要的是要支撑我国经济高质量发展,就需要从目前开始确保投资的有效性,需要从长期视野来辨识投资的领域。

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2.科技创新

在能源转型进程中,需要一些重大技术突破,如下:

(1)由于大部分《巴黎协定》目标的温升情景都是超越情景,因此生物质能碳捕集与封存(BECCS)技术就必须要出现,并在2050年大规模使用。根据IPAC模型结果,中国需要到2060年前通过BECCS实现16亿吨的CO2负排放,这样就需要近8亿吨的生物质能进入BECCS系统。

(2)直接空气捕获技术(DAC)。近期研究发现,我国实现16亿吨的负排放,依赖BECCS会存在一些问题。BECCS需要依赖作为新碳林的速生树木,速生树木需要大量用水,我国能够提供这些条件的地方基本都在南方,但是南方CO2存储库却很缺乏,很多CO2需要超过1000公里运输到华北的存储库中,这样就会导致能耗更高。在这种情况下,如果可再生能源成本足够低,在存储库附近利用可再生能源进行空气直接碳捕获并封存会有竞争性。

(3)先进电动汽车技术,包括低电耗,无人驾驶等。

(4)先进核电技术。IPAC模型分析到2050年核电发电量将达到5.5亿千瓦,成本在 0.25元/kWh。高可靠性,高燃料效率。基本特征是以第四代核电技术为主,小型化。目前,核聚变正处于研发阶段。根据专家预计,在加大投入的情况下,核聚变技术有可能在2050年前投入实用。

(5)电动飞机、氢燃料飞机相关技术。航空运输是交通部门最难减排的部门,其主要困难在于新型飞机的研发和实用进程很长,即使目前开始研发氢动力飞机,在最为顺利的情况下,也只能在2045年进入商业运行,2050年占机队的比例还不大,因此需要尽快进行研发。目前空客和波音都已经在进行研发,未来中国的商飞也需要尽快启动相关研究。目前电动支线飞机已有20-50座飞机在实验飞行,2050年600公里内运距的电动支线飞机有望完全普及。

(6)零碳船舶相关技术。采用零碳能源驱动,如氢和氢基能源(合成氨、甲醇),以及生物能源。

(7)先进高效低成本电解水制氢技术。各种减排情景中都设定了大量的氢作为原料和能源使用,来自于零碳电力的电解水技术的获得可使得整个生命周期实现零碳排放。目前的几种电解水制氢技术还有很大空间去改进成本、电解效率。目前的一个好消息是已经有很多企业和国家研发基金在投入这一领域。此外,也需要进行海水利用电解制氢技术方面的研发。

(8)工业利用氢参与生产工艺的技术,包括氢还原炼钢,氢作为原料生产合成氨、乙烯、甲醇、甲苯等化工技术,水泥制造利用氢还原技术,其他金属冶炼利用氢还原技术等。(9)适用于零碳电力技术的电网技术和高可靠性供电系统。电力供应的电网系统在未来1.5℃情景中起到至关重要的作用。在大量低质量电力接入的情况下,以及终端部门高比例电力化带来的负荷曲线变率明显加大的情况下,如何提高高质量高可靠性的电力,需要一个设计良好的电网系统。

我国在一些零碳技术方面已经具有优势,产品出口很有竞争力。目前我国的光伏、风电、核电、水电装备、电动汽车等方面已经在国际市场具有很大的竞争性。2021年全国出口发电机组915.6万千瓦,同比增长0.1%,占发电设备产量的6.8%,主要出口到印尼、柬埔寨、巴基斯坦、尼泊尔、越南、巴西等国。其中出口水电机组181.2万千瓦,同比增长27.7%;火电机组633.5万千瓦,同比下降8.1%;风电机组100.9万千瓦,同比增长20.0%,可再生能源设备出口产量占比提高6.1个百分点。2021年国内企业新接发电机组出口订单1095.5万千瓦。在海外光伏应用市场快速增长拉动下,我国光伏组件出口规模已连续三年大幅增长,平均增速超45%。2019年光伏组件出口至全球224个国家及地区,总出口额173.1亿美元,占光伏产品(硅片、电池片、组件)出口总额的83.3%,同比增长2.7个百分点;出口量约为66.6GW,同比增长60.1%,占全球出口市场的70%左右。

近几年我国的电动汽车出口也呈现快速增长趋势,中国作为电动汽车出口国的影响力日益增长。2021年中国电动汽车出口量比上年增加2倍多,达到50万辆左右,超过德国和美国,居世界首位,占世界出口市场的30%左右。根据英国艾尔西汽车市场咨询公司的数据推算,2021年全世界电动汽车产量为399万辆,其中中国产量为229万辆,占全球产量的57.4%;欧洲占22%,美国占12%,日本仅占0.9%。

由于未来能源转型将走向以零碳电力为主的格局,因而我国的可再生能源电力、核电有很大的发展空间。一些研究预计未来中国的光伏出口会达到1.2亿千瓦以上,风电出口会达到5000万千瓦以上。零碳技术出口将成为我国出口的一个重要拉动因素。

实现碳中和目标将带来能源和经济的转型,良好的能源发展将助力我国经济高质量发展。未来的能源转型将更多依赖间歇性的可再生能源,因而高可靠度的电力供应将构成能源安全的核心,高度安全的能源供应,是经济高质量发展的关键。同时碳中和路径下的能源和经济转型,也是支撑经济又好又快发展的动力之一。转型会带来变革,这样的变革需要全社会提高认知,从政策、投资、技术研发等方面着手准备这样的变革,要尽力确保从目前开始的投资走到应该投入的地方,这样才能更好地促进经济发展,为中央提出的经济高质量发展提供支撑。


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