中国碳达峰碳中和时间表与路线图-上

魏一鸣教授团队发表了关于“中国碳达峰碳中和时间表与路线图研究”的论文成果，这是2021 年1月发布的《全球气候治理策略及中国碳中和路径》 展望报告的延续工作。现将论文主要学术观点转载如下：

01 碳达峰碳中和路径

（一）碳排放总量

2020年全国能源相关CO2排放约113亿吨（含工业过程排放），煤炭、石油、天然气对应碳排放占比分别为 66%，16%，6%（图1），电力、钢铁、水泥、交通等是重点排放部门。若延续当前发展趋势，全国碳排放将长期维持在百亿吨以上。为促进碳中和目标达成，需在现有减排努力基础上进一步开展能源系统低碳转型。考虑未来社会经济行为发展不确定性对终端产品需求的影响、能源系统各类先进技术的发展速度和碳汇可用量的不确定性，图2给出了实现中国“双碳”目标的多种排放路径。2060年相比于BAU情景需进一步减排80%以上，全国碳排放需在2026—2029年间达峰，能源相关CO2排放（含工业过程排放）峰值为117~127亿吨。

图1   2020年全国碳流图（含工业过程排放）

图2   全国能源相关CO2排放路径（含工业过程排放）

当社会经济发展速度适中、2060年自然碳汇可用量仅为10亿吨时（对应中需求-高速转型情景），为低成本安全实现碳中和目标，2060年能源系统相关CO2排放（含工业过程排放）需降至21亿吨左右，电力、钢铁、化工、交通等部门将是排放的主要来源，CCS技术需捕集CO2 11亿吨以上（图3a）。该情景下，2025—2035 年间为潜在平台期，2028—2029年需实现碳达峰，峰值约为122亿吨CO2，2035—2050年进入下降期，年平均减排率需约4%，2050—2060年为加速下降期，年均减排率需提高至15%及以上。CCS将成为中国在以煤为主的能源格局中实现大量CO2减排的主要措施之一，2030年前后开始大规模部署CCS，至2060年累计捕集CO2排放240亿吨以上。

为确保全国按时碳达峰，重点行业部门的碳排放达峰时间有所差异。其中，工业行业整体碳排放（含间接碳排放）需于2025年前后达峰，峰值为80~86亿吨，2060年下降至6~22亿吨。具体来说，水泥行业碳排放基本已经达峰，处于震荡时期；钢铁和铝冶炼行业需在“十四五”期间达峰并尽早达峰；建筑行业预期于2027—2030年间达峰；电力行业和关键化工品（乙烯、合成氨、电石和甲醇）碳排放需在2029年前后达峰；热力、交通、农业以及其他工业行业达峰时间相对较晚，但不能晚于2035年。具体达峰时间和路径见图3b。

注：图3a中终端行业或部门的碳排放不包含电力热力生产的间接碳排放，图3b中终端行业或部门的排放路径和达峰时间是涵盖电力热力间接排放的结果；化工产品主要包括乙烯、合成氨、电石、甲醇）

（二）碳排放强度

为实现“双碳”目标，中国单位GDP二氧化碳排放需快速下降。图3展示了中国与主要发达国家单位GDP二氧化碳排放量的对比情况。目前，中国单位GDP二氧化碳排放水平较高（2020年约为0.77吨/千美元），依照图3中提出的碳中和路径，中国单位GDP二氧化碳排放将于2040—2050年间降至与主要发达国家当前水平相当；2060年中国单位GDP二氧化碳排放仅为2020年的2%左右，全社会整体将进入低碳发展模式，2020—2060年单位GDP二氧化碳排放年均下降速度需达到9%以上。

（三）能源结构

“双碳”目标下全行业能源结构需加快转型（见图5），非化石能源在一次能源结构中的比重应显著提高，2025年达到21%，并于2030年超过25%，到2060年非化石能源在一次能源消费中的占比超过80%。煤炭在一次能源中的占比稳步下降，但在很长时期内中国将仍是以煤为主的能源格局，2030年煤炭占比不低于44%，2060年煤炭仍将为保障能源安全发挥重要作用。2025年前石油在一次能源中的占比稳中有升，随后开始逐步下降，2025—2060年间平均每年下降率约3%。天然气占比呈现出先增长后下降的趋势，天然气的消费比重在2035年达到12%左右，并一直保持到2050年，此后随着可再生能源技术和储能技术的成熟及高比例应用，天然气消费占比将回落至7%左右。

（四）终端电气化水平

碳中和目标将促使终端电气化进程不断推进，按照国家能源局公布口径，以中需求—高速转型—长平台期情景为例（图6），2030年终端电气化率约为34%，并于2060年达到77%以上。分部门来看，建筑部门设备的电气化推进易于其他部门，因而其电气化水平整体高于其他部门，2020—2060年间年均电气化增长率为2%， 2060年建筑部门电气化水平需达到90%。工业部门是耗电量最大的部门，因而其电气化发展水平对终端部门整体的电气化水平影响较大，2060年电气化率需达到73%以上；交通部门2040年前的电气化进程较为缓慢，其电气化推广主要集中于短途客运交通，2040年后城际客运交通和货运交通电气化开始重点发力，带动整体交通部门电气化水平快速增长，并于2060年达到84%。

02行业行动方案

全国“双碳”目标的实现，是各个行业合作转型的结果。下面对钢铁、水泥、化工、有色、建筑、交通、电力等重点行业在满足其未来产品和服务供给需求前提下的低碳转型行动进行分别介绍。

（一）钢铁行业

从钢材消费量的变化来看，钢材需求将于2023—2025年间达峰，峰值在11.8~12.0亿吨。达到消费峰值后，钢材消费量将在其后30年左右的时间内逐渐下降。伴随钢产品需求变化和全国碳中和目标的约束，钢铁行业的碳排放量总体呈现下降趋势（图7）。钢铁行业CO2排放需在“十四五”中期达到峰值（19.3~20.0亿吨），并尽早达峰，2028年前为潜在平台期。由于钢铁行业存在部分碳排放难以避免，在全面实施节能技术改造升级、持续推广短流程炼钢、加快二氧化碳回收利用、加大突破性深度减排技术研发和应用等减排措施作用下，2060年中国钢铁行业产生的CO2排放预计在2.7~5.6亿吨，难以实现行业的零排放。

上述碳排放路径对应的技术部署方案如图8所示。短期内，高炉喷煤技术、转炉负能炼钢及轧钢加热炉蓄热式燃烧技术节能效果显著，2030年市场占比需分别增至81%、75%和74%，同时钢铁行业各环节余能回收发电技术也需在2030年实现60%~80%渗透。长期来看，电弧炉占比需显著提升。2030年，高速转型情景下电弧炉钢占粗钢比重应达到13%以上，2050年达到30%，2060年快速增至60%以上。氢冶金、薄板坯连铸技术、无头轧制等先进工艺技术在中后期需加快普及。2040年高炉富氢还原技术在炼铁工艺中得到初步发展，市场推广率占比约为12.9%，2060年成为炼铁环节主流技术（70.0%）。薄板坯连铸和无头轧制技术取代传统的轧制环节，2060年市场占有率分别达到10%和32%以上。2030年后，焦炉和高炉-转炉过程将会逐步发展CCS，力争2060年CCS的加装比例达到60%以上。

（二）铝冶炼行业

铝冶炼行业可以分为原铝冶炼和再生铝冶炼。再生铝行业未来将大力发展，2040年前后，再生铝产量达到2 700万吨，此后将占主导地位。原铝产量在2025年达峰后由于再生铝的替代而逐渐减少，峰值约为5 040万吨。为满足社会对铝产品的需求并低成本实现全国“双碳”目标，铝冶炼行业需在2025年左右实现碳达峰，峰值不超过6.2亿吨CO2，2060年CO2排放量需降至1亿吨以下（图9）。

上述碳排放路径对应的重点技术发展路径如图10所示。在氧化铝精炼环节，应大力推广一段棒磨二段球磨-旋流分级技术和强化溶出技术，2060年实现100%普及，此外，多效管式降膜蒸发技术也应得到广泛推广，尤其是以三水矿石为原料的七效管式降膜蒸发技术，到2060年应推广至64%以上。在阳极制备环节中，先进技术为大型高效阳极焙烧炉系统控制节能技术，此项技术节能效果显著，到2060年，该技术使阳极制备环节节约能源150万吨标准煤，普及率应达到75%。对于大型电解槽，目前主流槽型为300~400千安电解槽，为了提高能效，电解槽的大型化是未来铝冶炼行业长期关注和发展的重点，到2050年，应实现小型电解槽逐渐被淘汰，全部电解槽大于500千安，到2060年600千安槽型推广率争取达到70%以上。在电解铝环节中，到2060年，铝电解槽新型焦粒焙烧启动技术、低温低电压铝电解槽结构优化技术、低温低电压铝电解工艺用导气式阳极技术、铝电解槽“全息”操作及控制技术、预焙铝电解槽电流强化与高效节能综合技术等先进技术预计累计节电约8 000亿千瓦时，这几项技术到2060年的技术普及率应达到100%、45%、45%、58%、43%。除推广上述重点先进技术外，铝冶炼行业应加快发展水电铝合营模式以及再生铝工艺，加快低碳转型进程。

（三）水泥行业

中国水泥需求量已经过了快速增长期，总体来看，当前基本达峰，处于震荡期。到2060年，水泥产品需求量约为5.5~11.1亿吨。为满足全社会对水泥产品的需求并低成本实现全国“双碳”目标，水泥行业碳排放需逐步下降。当前水泥行业碳排放基本达峰，但随着国家基础设施政策的波动，有望出现碳排放的略微反弹。未来CO2排放总量下降的幅度将逐渐增大。2060年水泥行业CO2排放量应降至0.3~1.6亿吨。

水泥行业相应的技术布局如图11所示。熟料煅烧环节是水泥行业CO2排放产生的主要环节，需加快淘汰落后产能，推广先进技术。具体来说，小型新型干法窑等高耗能技术需在2030年前逐渐被淘汰，中型和大型干法窑等技术需进行节能改造升级或效率提升，分别加装高固气悬浮预热分解和多通道燃煤技术，到2060年争取达到60%和90%的改造率。在熟料煅烧过程中，需充分利用预处理技术和能源二次循环使用技术，如预烧成窑炉技术和余热发电技术，这些技术的占比应逐年增加，到2060年，预烧成窑炉技术和余热发电技术的占比分别达到40%和90%以上。除推广节能减排技术外，原料替代和燃料替代等深度减排措施也需要发挥重要作用，力争到2060年分别达到80%和35%以上的替代程度。CCUS技术在2030年后开始规模应用，逐渐增大其应用程度，到2060年增至80%以上。加速推广ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）解决方案，到2060年争取实现50%以上的普及。

（四）化工行业

未来关键化工产品需求将持续增加，致使碳减排面临严峻挑战。在经济增长相对平稳的中需求情景下，2060年乙烯需求将达到6923万吨，而若经济增长速度更高和更低时，则其需求将分别为9617万吨和4880万吨左右。受未来产业结构中第一和第二产业占比逐渐下降影响，合成氨需求将总体呈现下降趋势，到2060年，在高、中、低需求情景下将分别下降至2900万吨、2419万吨和2054万吨。电石和甲醇作为重要的大宗基础化工品且位于产业链的上游，在经济发展和社会经济转型的双重作用下，其需求将呈现总量增长、增速放缓的趋势。2060年时，甲醇需求在0.985~1.32亿吨，电石需求为4745~6371万吨。

以乙烯、合成氨、电石和甲醇四种关键化工产品为例，其低碳转型主要从以下几个方面着重开展：（1）优化生产方式，优先使用低能耗、低排放的生产方式；（2）改善原料结构，推动其轻质化发展；（3）改进生产工艺，如推广高能效技术，并加强对末端治理技术的使用；（4）引入突破性技术，如生物质转化技术、基于低碳H2及CO2利用的技术等。通过这些途径，合成氨应于“十四五”初期碳排放达峰至2.6亿吨左右；电石、乙烯和甲醇行业碳排放需分别于2030年前后、2030—2040年和2030—2035年达峰，其峰值分别为0.96~1.04亿吨、1.11~1.44亿吨和1.68~1.94亿吨（图12）。

为促进化工行业低碳发展，以乙烯、合成氨、电石和甲醇四种关键化工产品为代表，以高速转型（长平台期）情景为例，提出其低碳发展路径，如图13所示。对于电石生产，其原料制备工艺中CCS技术推广率应在2047年前达到50%，到2060年达到80%以上；在电石制造工艺中，密闭式炉逐步替代内燃炉，2030年所占份额达到95%，并于2040年前完成全部替代。合成氨生产中，煤制氨作为一种高排放的生产方式，将逐步向基于低碳H2的生产路线转变，2060年突破性低碳H2路线需对煤化工路线进行50%以上的替代。而在煤制氨的生产中，也存在着清洁技术替代，CCS技术在2050年时推广率达到57%左右，至2060年实现全覆盖。甲醇生产方式较为多样，多种方式融合发展。煤化工路线在前期作为主要的生产源，但逐渐被更清洁的生产方式所替代，其份额在2047年左右降至50%以下；其中，煤化工生产路线中，CCS技术在2030年后开始推广，至2060年时实现对煤化工路线的100%应用。焦炉气制甲醇作为一种循环经济路线，其生产份额逐步增加，但在后期随着突破性技术的引入而呈现下降。生物质路线和CO2催化加氢路线2030年后逐步得到推广，2060年时二者所占份额争取达到25%和30%。乙烯生产仍然以蒸汽裂解为主，但其原料结构需要轻质化发展，轻烃和乙烷原料份额在2060年需增至50%和35%左右。对于少量的煤制烯烃，其在气化环节将逐步加装CCS，2060年达到65%以上；在甲醇制烯烃环节，将更多地采用新一代技术。

（五）建筑部门

建筑部门包括公共建筑和居民建筑。在建筑运行阶段需要提供采暖、制冷、热水、炊事、照明等能源服务，由此产生大量的直接碳排放和间接碳排放。未来随着人均收入的增加以及人均建筑面积的增长，预计建筑部门运行阶段的能源服务需求将由2020年的13.1亿吨标准煤持续增长至2060年的26~31.6亿吨标准煤。其中，居民部门能源服务需求由2020年的7.3亿吨标准煤增长至2060年的11.5~14.6亿吨标准煤。商业部门能源服务需求增速较居民部门更高，由2020年的5.8亿吨标准煤增长至2060年的14.4~17亿吨标准煤，增长1.5~1.9倍（图14）。在满足能源服务需求的前提下，为了低成本实现全国“双碳”目标，居民建筑部门碳排放峰值需控制在14.8亿吨CO2以内；商业建筑部门碳排放峰值不超过6.8亿吨CO2；建筑部门累计CO2排放需在2027—2030年达峰，各种情景下，峰值不超过22亿吨CO2。

在满足能源服务需求的前提下，为了实现全国“双碳”目标，同时考虑现实资源约束、政策规划、技术进步等，建筑部门需加快推广清洁、高效设备，其中，高效供暖空调（国家标准一级能效）、高效制冷空调（国家标准一级能效）、热泵热水器、高效电炊具（热效率达90%）、高效LED灯（相对效率达白炽灯的14倍及以上）与其他高效电器分别提供居民建筑供暖、制冷、热水、炊事、照明和电器服务的92%、100%、90%、81%、68%和100%，高效供暖中央空调（国家标准一级能效）、高效制冷中央空调（国家标准一级能效）、高效热泵热水器（国家标准一级能效）、高效LED灯（相对效率达白炽灯的14倍）与其他高效电器分别提供商业建筑供暖、制冷、热水、照明和电器服务的64%、95%、92%、85%、85%。