“双碳”目标下我国再电气化路径及综合影响研究
2022-04-20谢典高亚静刘天阳赵良
谢典,高亚静,刘天阳,赵良
(中国华能集团有限公司能源研究院,北京 100031)
0 引言
2020 年9 月,习近平主席在第七十五届联合国大会上宣布,中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[1],“双碳”目标下,能源低碳转型将显著加快[2]。提升电气化水平是终端能源消费向清洁低碳方向转型的重要手段,实现碳中和需要全经济尺度的大规模减排,提升电力系统清洁低碳水平,对传统电气化进行全面升级,实施再电气化。从生产环节看,再电气化体现为风电、太阳能发电等新能源的大规模开发利用;从消费环节看,再电气化体现为电能对化石能源的深度替代。
再电气化在推动实现“双碳”目标的同时,也将对经济和社会生活产生一系列影响,包括但不限于投资需求、产业发展、科技创新、社会就业、气候治理等多个方面。目前,仅有少量研究者对再电气化进程及发展水平评价问题进行了关注[3-4],对于经济和社会影响方面的研究,目前尚鲜有报道。但对于能源转型、可再生能源发展、电能替代等与再电气化的关联分析已有一些进展。例如,Brock 等[5]基于外生的技术进步指标,探讨了环境质量因素在经济发展中的具体作用;史丹等[6]阐述了能源革命对产业发展、经济效益改进、可持续发展等方面的推动作用;亦有部分学者对经济社会成本与收益[7-8]、能源互联网的资源配置与产业优化[9]、能源消费结构优化[10-11]、终端电气化的经济环境效益[12-13]、低碳能源发展与就业[14-15]、健康[16]等问题进行了关注。总体而言,现有研究对再电气化在经济社会领域所产生的综合影响尚缺乏系统性分析。
本文以“双碳”目标为背景,研究我国再电气化发展路径,构建涵盖经济、环境、社会3 方面的再电气化对经济社会的综合影响评价指标体系,全面分析再电气化对降低二氧化碳和污染物排放、促进经济高质量发展、拉动就业、降低社会环境成本等方面的作用,定量评估不同发展阶段再电气化对经济社会的综合影响。
1 研究方法
1.1 再电气化对经济社会影响综合评价指标体系构建
从经济、环境、社会3 个维度提出12 项评价指标,开展再电气化对经济社会综合影响的评估工作,各评价指标及其含义见表1(表中,GDP 为国内生产总值)。
表1 再电气化对经济社会影响的评价指标Table 1 Index evaluating the impact of re-electrification on economy and society
1.2 情景设置及计算方法
根据研究需要,本文设置参考情景和再电气化加速情景。参考情景是以我国“双碳”目标提出前的相关低碳转型政策为依据,分析我国能源变革趋势,该情景下我国未来碳排放为达峰后中速下降模式,在此约束下开展我国再电气化进程的定量研究。再电气化加速情景以2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和为目标,综合考虑经济发展与结构转型、低碳零碳负碳技术进步、碳汇增长等要素,提出合理的碳排放路径及再电气化路径。
表2展示了再电气化加速情景的主要参数设置(表中:CCS 为碳捕获与封存;CCUS 为碳捕获、利用与封存):未来40 年,经济增速有所下降,但仍将保持平稳增长;终端产业结构中,第三产业占比逐步提升,2060 年可达70%;能效水平持续提高,电能替代进程加快,低碳零碳负碳技术得到快速发展;碳排放控制相关政策进一步强化,加快推进经济转型与能源转型。
表2 再电气化加速情景的设定条件Table 2 Main elements for scenarios beneficial to re-electrification
为定量计算表1 中的各项指标,需要从经济学角度分析再电气化对经济发展、产业转型、环境改善、节能减排、社会就业、人类健康等多方面的综合影响。对于经济规模、重点产业产值、能源结构调整等主要指标,本文采用清华大学开发的中国-全球能源经济模型(C-GEM)进行模拟分析,该模型可以有效表述经济系统与能源系统之间的关联关系与相互影响。各个指标中,经济发展影响度基于再电气化加速情景相对于参考情景的变化幅度进行测算,其余指标基于再电气化加速情景下的分析结果进行测算。
2 我国再电气化发展路径
从宏观视角看,实施再电气化的基本路径如图1所示(图中:DRI为直接还原铁;空压机为空气压缩机),包含终端能源电气化和能源生产清洁化2个维度:一是积极推动工业、建筑、交通领域的电能替代;二是大力发展非化石能源发电。
图1 再电气化路径框架Fig.1 Re-electrification path
2.1 终端电气化水平发展趋势
(1)终端能源消费总量持续降低,产业结构不高综合能效和绿色用能水平。建筑领域,积极推进建筑供冷供暖电气化,健全市场化改造机制,鼓励利用建筑屋顶、墙壁发展分布式光储系统。交通领域,大力发展电动汽车、轨道交通、港口岸电等,形成交通综合能源系统。预计到2030年,工业、建筑、交通领域的电气化率分别为40%,51%和10%,2060年分别为71%,81%和54%。断优化,能效水平显著提升。2020 年,我国终端能源消费约35 亿t 标准煤,工业、建筑、交通和其他部门用能占比分别为61%,22%,14%和3%。随着落后产能的不断淘汰,城镇化率持续提升并趋于稳定,对钢铁、水泥等高耗能产品的需求减少,高端制造业、信息技术产业和服务业成为未来终端能源消耗主体,工业用能占比不断降低,建筑和交通部门用能占比稳步提高。预计到2060年,我国终端能源消费为22 亿t 标准煤,工业、建筑、交通和其他部门用能占比分别为49%,27%,22%和2%。
(2)电能成为终端消费主要能源。终端化石能源燃烧产生的二氧化碳排放占能源活动碳排放50%以上,随着低碳转型的深度推进,必须加快以电代煤、以电代油、以电代气的步伐,以清洁、高效、便捷的电能满足更多用能需求。终端能源消费结构变化趋势如图2 所示,预计到2060 年,电能占终端能源消费的比例将达到70%,若考虑电制氢(P2H)因素,含P2H 的电能占终端能源消费的比例将超过80%。工业领域,推广工业电炉、高温蒸汽热泵等电能装备的应用,深度拓展工业电气化,提
图2 我国终端能源消费结构Fig.2 Composition of terminal energy consumption in China
(3)难以实现直接电气化的领域,主要通过绿氢、生物质等低碳能源以及“化石能源+CCUS”等技术手段实现减碳。在燃料方面,对于能量密度要求较高的用能领域,电能较难完全替代化石能源。工业领域,长流程炼钢过程中高炉炼铁、烧结、焦化等工艺环节较难使用电能,水泥煅烧的燃煤窑炉尚不能采用电窑炉进行替代,化工行业中纯碱、烧碱、合成氨等产品制备的热力需求难以全部由电锅炉提供,其他大部分轻工产业所需要的热力、动力均可实现电气化。建筑领域,从技术层面看,除严寒地区的供暖难以利用电能外,其他用能领域均可全面推进电气化。交通领域,尽管电动重卡、电动船舶已有应用,电动飞机也在研发中,但预计主要用于短途运输,长距离重载公路货运、远洋船舶、远程航空等方面仍较难实现电气化。在原料方面,工业原料带来的碳排放无法通过电气化移除,需要发展低碳原料实现减排。
2.2 能源生产侧再电气化路径
(1)一次能源消费中,非化石能源占比和发电能源占比快速提高。由于消费侧电能替代不断加强,电能需求量持续上涨,直接用于终端消费的能源持续降低,发电能源占比持续提升。我国一次能源消费结构变化如图3 所示。2020 年,我国一次能源消费中,非化石能源占比和发电能源占比分别为16%和47%。预计2030 年,一次能源消费总量将达到峰值(57 亿t 标准煤),非化石能源占比和发电能源占比将分别达28%和57%。2060 年,一次能源消费总量将降至48 亿t 标准煤,非化石能源消费占比将达到85%,发电能源占比将达到91%。
图3 我国一次能源消费结构Fig.3 Composition of primary energy consumption in China
(2)电力行业碳减排加速,将成为全社会低碳转型主力军。2020 年,我国电力系统中化石能源发电量占比高达68%,电力行业碳排放量约占全国碳排放总量的38%。为实现碳达峰、碳中和目标,要大力推动电力生产低碳化,集中式和分布式并举发展新能源,积极开发西南水电,在确保安全的前提下积极有序地发展核电,实现火电由电量提供主体向电力提供主体的功能转变,推动CCUS 技术研发应用,促进电力系统向零碳方向发展。
2030 年前,电力行业碳排放将达到峰值(45 亿t左右),经历三四年平台期后快速下降,2060 年前实现电力零碳排放。我国发电量结构变化趋势如图4所示。2030年,我国总发电量为11.8 PW·h,非化石能源发电量占比和新能源发电量占比分别为49%和26%。2060年,总发电量为15.7 PW·h,非化石能源发电量占比达到90%,新能源发电量占比达到64%,电力装机达7.0 TW,其中新能源装机超过5.0 TW。
图4 我国发电量结构Fig.4 Energy mix in China
3 再电气化对经济社会的综合影响研究
3.1 经济方面
2020—2060 年,再电气化累计需要约100 万亿元的投资规模,年均投资额占GDP 的1%~2%,主要包括电力行业和终端电气化改造相关产业的投资,如图5 所示。电力行业包括风电、太阳能发电、水电、核电等清洁能源发电以及特高压、智能配网、储能等输配侧的投资,累计约70 万亿元;终端领域主要是工业、建筑、交通等电气化改造的投资,分别累计需要3 万亿,5 万亿,20 万亿元。由于情景设置中充分考虑了技术快速进步和社会碳成本下降带来的间接效益,在再电气化加速情景下,2030 年前,我国GDP 将比参考情景提高0.4%,2030 年后,再电气化的综合经济效益更加凸显,2060年GDP 将比参考情景提升近2.0%。
图5 重点领域再电气化相关投资Fig.5 Investment on re-electrification in key industries
产业影响方面。能源领域再电气化进程加快,煤炭、石油、天然气等化石能源产业链受影响较大,预计到2060年,煤炭、石油、天然气消费量分别约为4 亿,3 亿,2 亿t 标准煤,产业规模仅为峰值的10%,30%和33%。在终端产业中,工业领域体现为高耗能产业整体产能下降且电气化产业链占比提高,钢铁行业中电炉钢产能由当前的1.0 亿t 提高到2060年的3.5 亿t,占比从10%提升至60%;以电解铝为代表的有色金属行业,预计产品需求中短期有所提升,长期稳中有降,电解工艺比例从目前的60%提升至2060年的85%以上;化工领域主要体现为热能需求以电气化的方式满足,从而导致产品成本略有提高。建筑领域,热泵、智能家居产品将迎来快速发展,预计未来热泵供暖覆盖率在北方城镇地区超过75%,在冬冷夏热地区接近100%。交通领域以发展电动汽车和配套的充电基础设施为主,同步推动轨道交通、港口岸电发展,预计2030年、2060年电动汽车保有量分别为8 000 万辆和3.6 亿辆。图6 展示了2060 年重点产业相对于2020 年的产值系数,其中服务业最高,达5.7,建筑、交通、高端化工产品、先进能源装备等产业也将得到较快发展。
图6 重点产业产值系数Fig.6 Product value coefficient of key industries
3.2 社会与环境方面
关于能源转型对就业的影响,已有一定研究基础,有学者基于可计算一般均衡(CGE)模型对风电和光伏等可再生能源的就业直接效应、间接效应和引致性效应开展了量化分析并给出了计算系数[17]。在已有文献研究的基础上,开展再电气化的就业效应测算,如图7 所示。2030 年,为实现能源安全保供,我国化石能源相关就业还将保持稳定;与此同时,由于风电和光伏发电快速发展,电力相关就业快速提升,较2020 年增加316 万个岗位,再电气化引致性就业岗位增加109 万个。2050 年,再电气化推动电力相关就业岗位快速增加至1 612 万个,比2020 年增加832 万个岗位,再电气化引致性就业增加423 万个岗位,化石能源行业减少310 万个岗位。2060年,电力相关就业岗位达到1 734万个,较2050年进一步增加超过100 万个岗位,而带动其他相关产业的引致性就业岗位还在继续增长,较2050年继续增加90万个,化石能源行业较2050年减少200万个岗位。电力行业主要体现为清洁能源相关的就业大幅增加,火电就业大幅减少。2060 年,煤电将比当前减少2/3 的就业岗位,而风电、光伏就业岗位将增至目前的10倍。新能源除了直接带来就业,相关的技术研发、设备制造、工程建造、安装、运维都将带来更多的就业机会。对终端产业而言,主要是电动汽车、建筑电供热、工业用电等大幅增长带来的就业。
图7 再电气化对就业的影响Fig.7 Influence of re-electrification on open employment
再电气化通过电能替代,减少工业、建筑、交通的化石能源消耗和二氧化碳及空气污染物排放,极大程度改善了城市空气质量。首先确保人口稠密地区实现减污降碳,同时在发电侧进行清洁替代,推动全社会温室气体和空气污染物下降。到2060年,再电气化推动SO2,NOx和PM2.5分别较参考情景下降1 261万,1 162万,340万t,降幅分别达到91%,85%,90%,如图8所示。
图8 再电气化对主要空气污染物排放的影响Fig.8 Influence of re-electrification on major components of air pollution
温室气体排放引起的全球变暖还将带来巨大的社会成本,美国白宫部门联系工作组及Kevin,Cora 对特定年份的边际碳排放所造成的社会损失进行了货币化测算,利用碳排放社会成本衡量了碳排放的负外部性[18]。该成本包含边际碳排放通过碳循环和气候系统所造成的各种影响,包括但不限于对生产力和人类健康的影响、对生态系统的影响以及频繁出现的极端气候现象所导致的财产损失等。基于此,初步测算在2030 年实现碳达峰后,我国社会碳成本将较2020年提升3 500 亿元,此后,随着碳排放的持续下降,社会碳成本将不断降低。2050 年和2060 年,我国社会碳成本将比2020 年分别减少2.5 万亿,3.9 万亿元,2060 年时减少的社会碳成本相当于当年GDP 的1%左右,社会碳成本变化如图9所示。
图9 社会碳成本变化Fig.9 Variation of social cost on carbon reduction
4 综合评价分析
4.1 主要指标计算结果
各项指标采用百分制进行评价:对于定性指标,根据各个发展阶段对经济社会的影响程度,通过专家评分法进行赋值;对于定量指标,结合经济社会发展规律和技术进步趋势,将每项指标理想状态可能达到的最高水平设置为该指标的最高值,对比国内外现状,将现阶段每项指标的最低水平设置为该评价指标的最低值。
基于已有分析结果,对表1 提出的12 项评价指标进行测算,计算结果见表3。其中,经济发展影响度、能效水平提升贡献度、终端用电满意度3项指标已按照综合评分的方式给出各年份评价值,其余指标为直接计算结果,尚未进行归一化赋值处理。
表3 我国再电气化对经济社会的影响指标测算结果Table 3 Testing result for the index evaluating comprehensive influence of re-electrification on socio-economy in China
4.2 综合影响力评价
式中:wi1为通过专家评分法给定的权重;wi2为熵权法计算的权重;α为系数,取0.5。
各指标权重计算结果见表4,综合影响力指数各分值区段对应的发展水平见表5。
表4 各指标权重计算结果Table 4 Weight of the indicators
表5 综合影响力指数各分值对应的发展水平Table 5 Development level corresponding to different comprehensive influence index
对表3 中12 项评价指标测算结果进行归一化处理后,结果如图10 所示,将其与表4 的权重按照式(1)进行计算,得到各主要年份再电气化综合影响力指数发展水平,见表6。
表6 主要年份再电气化综合影响力指数发展水平Table 6 Comprehensive influence index of re-electrification in representative years
图10 再电气化对经济社会影响指标归一化结果Fig.10 Normalized impact index of re-electrification on economy and society
2020 年我国再电气化综合影响力指数发展水平为B-,说明我国电气化水平、电力清洁化水平以及推动社会发展等方面还有待于提升。各项指标中得分较低的是能源利用清洁化贡献度、单位发电量二氧化碳排放强度、终端用能低碳化贡献度和社会碳成本减少量,这与当前我国电力结构以煤电为主、电力碳排放较高有较大关系;得分较高的是全社会碳减排贡献率、终端用电满意度,主要是电能替代推动电气化率提升带来的贡献。
2030 年,再电气化综合影响力指数发展水平达到B,为中等水平。2020—2030 年为我国碳达峰时期,电力系统预计将先于全国提前达峰,单位发电量二氧化碳排放强度进一步降低,工业、建筑、交通电气化水平加速提升,获得电力指数预计将进一步提高,全社会碳减排贡献率、全社会空气污染物减排贡献率、终端用电满意度等指标得分较2020年有较大提升,均达到中等较高水平。
2060 年,再电气化综合影响力指数发展水平提升至A,达到高水平,再电气化在整个经济社会发展中具有重要作用,保障了经济高质量发展,促进了电气化及相关低碳技术和产业的科技创新,并带来新的就业增长,在改善生态环境方面尤其突出。12项指标均达到较高值,电力系统实现零碳,终端电气化水平达到70%,电力制氢及其他原料产业在终端应用更加普遍,以电为中心的智慧用能体系基本完成构建。再电气化在实现我国碳中和目标中发挥了80%以上的贡献作用,社会碳成本大幅下降。
5 结论
本文基于“双碳”战略目标,提出了我国再电气化路径并构建了指标体系,系统全面地研究了再电气化对经济社会的综合影响。随着再电气化的推进,我国用能清洁化、电气化水平将不断提升,到2060 年,终端电气化率、发电用能占比和非化石能源发电量占比分别达到70%,91%和90%,全社会用电量为15.7 PW·h。再电气化将推动相关技术创新和新兴产业壮大,促进经济转型和可持续发展,并有助于拉动就业和降低社会环境成本。
目前,再电气化仍面临经济、技术、市场、体制等多方面挑战,为此,需要各地区、各行业协同努力,合力推进清洁低碳发展与电能替代技术的攻关,构建良好的产业生态,促进全社会低碳发展。