创建时间:2021-06-01 16:35
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解读国际能源署《2050年能源零碳排放路线图报告》 -重点排放行业

 

文/ 孙李平 王娟 王佳林

自去年全国的“3060”双碳目标出台以来,关于碳达峰碳中和的讨论研究非常热烈,制定碳达峰碳中和实现路径是国家、地方以及各行业今年的重要任务。借鉴国际经验制定全国、区域或者行业的碳达峰碳中和路径具有重要的参考意义。国际能源署(以下简称,IEA)是国际上权威的能源机构,持续多年连续发布涵盖应对变化因素在内的全球能源展望和能源技术展望报告;同时,长期以来支撑联合国气化变化工作。近期,IEA基于技术可行性、成本合理、社会可接受的原则开展了详细的分析,研究形成了《2050年能源零排放路线图报告》。本篇重点就重点行业路线图开展解读。

 

1、分步骤实现重点行业能源零排放

 

从全球来看,能源部门产生了当前约四分之三的温室气体排放,因此推动能源部门实现净零排放是应对气候变化的关键抓手。分重点排放行业来看,能源排放主要来自于电力、工业、交通领和建筑这四大领域(见图1)。

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图1  全球能源排放主要领域

分阶段来看,2030年前减排主要来源于电力领域,该阶段其他三个领域减排贡献量不大;到2040年,电力领域率先实现零排放,工业和交通减排速度加快;到2050年,电力领域实现一定的负排放,而工业和交通实现近零排放。

 

2、零碳方案下化石能源消费大幅降低,部分以低排放燃料形式取代

 

2.1 化石能源供应

减少化石能源的供应量是实现能源领域减排的根本所在,能源领域的重点在于减少煤炭的使用。从2020年到2050年,煤炭需求下降90%,石油需求下降75%,天然气需求下降55%(见图2)。天然气是唯一未来有短暂需求增幅的化石能源。

 

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图2 零碳排放路径下化石能源的需求量预测

煤炭现有的产能足够满足未来煤炭的消费,并且需要不断关停煤矿。煤炭使用量从2020年的52.5亿吨标准煤下降至2030年的25亿吨标准煤,再到2050年将少于600万吨标准煤。即便是未来扩大了碳捕集、利用和储存技术的应用,到2050年煤炭的消费量较2020年的消费量降低约90%左右,这将导致大量的煤矿工人失业。

由于煤炭需求急剧下降,净零排放方案不需要新建煤矿或扩建现有煤矿。炼焦煤需求的下降速度略慢于动力煤,但现有的生产来源足以满足到2050年的需求。煤炭需求的下降将对采煤地区的就业产生重大影响。随着煤炭生产设施越来越多地配备碳捕集,到2040年煤炭产量的下降速度有所放缓;净零排放方案预计到2050年生产的煤炭中约有80%使用碳捕集合封存。

石油日需求从2020年的每日8800万桶下降至2030年的7200万桶和2050年的2400万桶,下降近75%。从2021年到2030年,净零排放方案预测上游油气投资平均每年约3500亿美元(见图3)。这与2020年的水平相当,但比之前5年的平均水平低了约30%。净零碳排放方案中,所有石油上游投资都将用于支持现有油田的运营;2030年后,每年上游总投资约1700亿美元。

 

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图3 到2050年石油和天然气领域资金投入

预计到2025年天然气需求量将增长到4.3万亿立方米,然后在2030年降至3.7万亿立方米,并在2050年降至17.5万亿立方米。到2050年,天然气的使用量将比2020年降低55%。除了已经在开发的气田,净零排放方案预测不需要新建天然气田。目前在建或规划阶段的许多液化天然气液化设施也不需要落地建成。从2020年到2050年,液化天然气下降60%,管道贸易下降65%。到2030,全球天然气需求平均每年下降5%以上,这意味着一些油田可能会提前关闭或暂时关闭。2040年后,天然气需求下降放缓,到2050年全球一半以上的天然气使用将在碳捕集和封存设施中生产氢气。

未来不需要进一步在新的石油和天然气开采领域增加投资,保持现有的开采能力即可满足下游的深加工的需求。

2.2  低排放燃料

从能源使用的便捷性方面,低排放燃料实际上是一种化石燃料的替代燃料,与现有的化石燃料供应基础设施和终端应用技术兼容,无需对设备或车辆进行任何改装。低排放燃料主要包括液体生物燃料、沼气、生物甲烷以及氢、氨等氢基燃料。

从能源转型的难易程度来看,低排放燃料主要用于满足长距离重卡、航运船舶、航空等场景,这些场景采用电动化交通不经济或者技术上实现难度大。虽然电动汽车的发展对于交通领域减排作出了巨大的贡献,但受到电池体积能量密度较小的局限,长距离重卡、航运船舶、航空等场景不适合采用电动交通(见图4)。

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图4 不同类型的交通领域低排放燃料

目前,低排放燃料仅占全球终端能源消费的1%,到2050年增加到20%。液体生物燃料在全球交通能源的占比从2020年的4%增长到2050年的14%;到2050年,氢燃料可满足28%的运输能源需求。低碳气体(生物甲烷,合成甲烷和氢气)到2050年,可满足全球的天然气需求的35%,目前这一比例几乎为零(见图5)。

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图5 到2050年不同交通工具和燃料类型比较

氢气和氨气等氢基能源到2050年占全球能源使用量的比例将达到13%。氢能和氨气发电将为电力系统提供灵活性,该类型发电提供总发电量的2%。

目前,能源领域的氢使用主要局限于炼油以及化工行业的氨和甲醇生产。到2020年,全球氢需求约为9000万吨,主要来自化石燃料(主要是天然气),排放近900万吨二氧化碳。零碳排放情景下,氢气的需求量产氢路线发生了根本性的变化。到2050年,需求增长了近6倍,达到5.3亿吨,其中一半用于重工业(主要是钢铁和化学品生产)交通运输部门其中30%被转化为其他氢基燃料,主要是用于航运和发电的氨,以及用于航空的合成煤油和混合天然气管网中的合成甲烷其中17%用于燃气发电,可以提供调峰服务帮助实现太阳能光伏发电和风能发电更大规模的增长,并提供季节性存储。总的来说,氢燃料占2050年全球最终能源需求的13%目前,氨在化学工业中用作原料,但在净零排放方案氨因其具备较低的运输成本和比氢更高的能量密度它被用作各种能源应用的燃料2050氨占全球航运能源需求的45%左右。

要实现生物燃料和氢能大规模的发展,国家能源署认为积极开展如下的工作非常关键。发展生物燃料的关键是建立全球统一的生物燃料温室气体排放标准以及开展可持续生物质能源发展潜力的评估。作为国家氢战略或路线图的一部分,各国政府的当务之急应该是评估发展低碳氢工业的机遇和挑战,在国内通过可再生能源水电解制氢,还是使用碳捕集和封存技术利用天然气生产氢,还是两者结合,亦或是依赖进口的氢燃料。

 

3、电力领域是全球最先实现零碳化的重点排放领域

 

到2040年,逐步淘汰化石燃料发电厂,实现电力系统净零排放,将电力发展成为全球能源消费主要形式(电力消耗占全球能源的50%),而这将需要大幅提高电力系统的灵活性,包括大规模采用储能电池、需求侧响应、氢燃料、水力发电等技术,以确保可靠的电力供应。

实现零碳能源的关键路径之一就是电气化水平的提升及电力消费量大幅增加,主要受到经济增长、终端电气化设备增加以及电解水制氢的驱动。电力需求总量从2020年的23.23万亿千瓦时增加到2050年的60万亿千瓦时,增速从过去年增长2.3%提高到年增长3.2%。电力增长的来源主要是新兴经济体和发展中国家,预计占增长量的75%。

电力行业的转型对于2050年实现净零排放至关重要。化石能源发电是当今与能源有关的碳排放的唯一最大来源,占能源相关排放总量的36%。2020年全球发电产生的二氧化碳排放量为123 亿吨,其中91亿吨来自燃煤发电,27亿吨来自天然气发电,6亿吨来自石油发电。发达国家将于2030年左右率先在电力领域实现零排放;到2040年左右,新兴市场和发展中国家电力领域实现零排放。

可再生能源在净零排放的电力领域脱碳中贡献最大。到2030年,可再生能源几乎翻三倍,到2050年增长八倍。可再生能源占总发电量的比例从2020年的29%增长到2030年的60%以上,到2030年将增长至近90%(见图6)。

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图6  到2050年电力能源结构

从各个国家电力脱碳的进程来看,发达经济体将在2035年脱碳,新兴经济体和发展中国家在2040年脱碳,电力领域整体较全社会脱碳时间提前。

随着电源结构发生革命性变化,电网也必须发生变化,电网投资对于实现这一能源变革至关重要。全球耗时130年建成的电网,未来20年到2040年电网需求需要增加一倍以上,到2050年再增加25%。电网总投资需到2030年达到8200亿美元,到2040年达到1万亿美元。到2050年,电网投资的重要领域是更新电网设施。

对于燃煤或燃气发电厂的改造,无论是通过碳捕获还是与氢燃料共燃(或完全转化),都需要在2030年之前有定论。对于其他化石燃料发电站,需要逐步淘汰退出。到2040年,从能效最低的开始,燃煤电厂将逐步被完全淘汰,除非在2030年之前进行改造。全球将预计关闭8.7亿千瓦的亚临界燃煤发电 (占总装机容量的11%),并开展国际合作以促进替代。到2040年,所有大型燃油发电厂应逐步淘汰。到2050年,天然气发电仍是电力供应的重要组成部分,但需要政府的大力支持以确保碳捕集和封存尽快大规模部署(见图7)。

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图7 到2050年燃煤发电变化情况

 

4 、组合式策略应对复杂的工业领域零碳发展

 

作为全球第二大能源相关的二氧化碳排放来源,工业领域在实现净零排放目标方面发挥着重要的贡献。2020年,工业领域二氧化碳排放(包括能源使用和生产过程)约为84亿吨。发达经济体约占20%,新兴市场和发展中经济体约占80。复杂的全球材料生产和制造业供应链,发达经济体总体上消费的制成品远大于其生产量。化工、钢铁和水泥这三个重工业占了所有工业领域能源消耗的近60%,占了工业领域二氧化碳排放的约70%。上述3个工业行业的产量高度集中在新兴市场和发展中经济体,占这些商品总产出的70-90%(见图8)。

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图8 不同经济体工业领域排放量比较

以支持净零排放方案与能源有关的基础设施的必要扩建导致了部门材料需求的快速增加,特别是可再生发电和交通运输基础设施。到2050年,仅这两个部门所需的额外基础设施就贡献了2050年钢铁需求量的约10%。总的来说,2050年全球对钢铁的需求比现在高12%,初级化学品的需求比现在高30%,而水泥的需求基本持平。

在净零排放方案,重工业的二氧化碳排放量到2030年减少20%,到2050年减少93%。优化设备的运行效率,采用现有的最佳技术增加新产能和措施,以提高材料效率,可以发挥一定的作用。到2050年,净零排放方案近60%的减排是通过目前正在开发的技术,这些技术目前尚处于技术研发创新和示范应用阶段(见图9)。

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图9 工业领域减排措施及不同技术成熟度技术的贡献

到2050年,化石燃料占能源供应总量的比例将由当前的4/5下降至略高于1/5,其主要用于塑料等含碳产品生产、配有碳捕集及储存设施以及低排放技术等领域。

到2050年,工业部门将实现减排95%的目标,需加大新型基础设施建设力度。到2030年前,全球必须加快付诸行动,通过技术研发、示范和初步部署将新的清洁能源技术推向市场。从2030年开始,每月要有10家重工业工厂安装碳捕集和封存装置,新建3家氢基能源工业工厂,工业基地新增200万千瓦电解槽。

 

5、电动化和氢能助推交通领域零碳化

 

2020年疫情前,全球交通运输部门排放的二氧化碳接近85亿吨。在近零排放方案中,运输部门的二氧化碳排放量略高于55亿吨。到2050年,交通零的二氧化碳排放量为7亿吨,相对于2020年的水平下降90%。

交通领域的低碳化主要通过政策促进交通工具类型的更换及更新为更高效的客运交通工具。即使交通运输需求量迅速上升(到2050年几乎翻了一番),而二氧化碳同期下降,货运活动比目前的水平增加了两倍半,全球乘用车的数量从2020年的12亿辆增加到2050年的20亿辆(见图10)。

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图10 到2050年不同交通技术成熟度及排放比较

随着电力行业变得更加清洁,电气化成为全社会减少排放的一个重要工具。到2030年,电动汽车占全球汽车销量的比例要从5%上升到60%以上。

到2035年,停止销售新的内燃机汽车,并通过电气化政策为大规模减少交通部门排放奠定基础。到2050年,全球汽车将使用蓄电池动力电池或燃料电池。但电力无法满足所有领域的能源需求,因此低排放燃料是必不可少的。例如,航空业将主要依赖生物燃料和合成燃料,而氨燃料对航运至关重要。到2045年,低排放新产业繁荣发展,道路上的绝大多数汽车将依靠电力或燃料电池运行,飞机将主要依靠先进的生物燃料和合成燃料,全世界数百家工厂将使用碳捕集技术或氢能(见图11)。

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图11 到2050年不同交通工具和交通燃料对比

政府清洁能源研发投入需要进一步增加并重新确定研究工作的优先次序。电气化、氢能、生物质能以及碳捕集、利用与封存等关键技术领域的创新投入只是成熟低碳发电技术和能效技术公共研发资金的三分之一。此外,还需要加快示范项目的部署,撬动更多私人资本,扩大应用规模,降低成本。全球需要投入900亿美元资金以实现在2030年前完成一系列的示范项目,而当下这一金额仅为250亿美元。开发和部署新技术将有助于创造出新产业、新商业模式和新的就业岗位。

 

6、零碳建筑是实现建筑领域零碳的先决条件

 

预计从2020年到2050年,全球建筑面积将增长75%;其中80%位于新兴市场和发展中经济体。尽管需求增长,但建筑行业的二氧化碳排放总量下降了更多,从2020年的30亿吨下降到2050年零碳排放情景下的约120万吨,下降幅度高达95%。建筑领域实现如此大的减排主要通过提高建筑能源效率和建筑设备的电气化率来实现,上述两种方式减排量占70%,其余30%的减排量来自于太阳能热利用、生物能源和建筑使用习惯的改变。建筑能源效率提升主要依靠市场上现有技术(热泵、高效家电设备、生物气候和高效建筑材料设计),包括改进现有和新建建筑的保温。预计建筑的数字化和智能控制到2050年贡献减排量3.5亿吨。另外,人们生活行为的改变也对降低建筑碳排放的贡献不可忽视,据预测到2030年通过适当的降低取暖温度和过渡高的生活热水温度等生活细节可以实现到2030年降低碳排放2.5亿吨(见图11)。

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图11 建筑领域减排路线

实现建筑领域的零碳挑战主要是居民住房面积的持续增长和居民使用电器的种类和数量的增加。预计到2050年住房面积将在2020年的基础上增加75%,而且许多发达国家既有房屋的寿命很大,可以延续使用到2050年。新兴经济体和发展中国家是未来新增家用电器的主要国家,预计该类地区到2030将新增空调6.5亿台,2030-2050年将新增20亿台。

在建筑领域,新的化石燃料锅炉禁令需从2025年开始在全球范围内实施,这将推动电热泵市场快速发展。大多数旧建筑和所有新建筑均需符合零碳排放建筑规定。

从建筑的燃料类型来看,化石能源在建筑能耗中的比重到2030年下降到30%,到2050年下降到2%。电力在建筑能耗中的比重从2020年的33%,逐步增加到50%,到2050年进一步增加到66%。从建筑的终端用能类型来看,目前以化石能源为的建筑用能模式到实现2050年零排放,建筑各终端用能领域均将实现高度的电气化,在建筑供暖、制冷空调和烹饪能耗的电力比重从2020年的20%增加到2050年超过40%(见图12)。

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图12 建筑用能类型及终端用能类型(数据来源:IEA)

为实现建筑领域2050年的零碳排放,需要采取一系列的建筑改进措施来提高建筑领域的能源效率,增加建筑能源的灵活性并且几乎完全摆脱依赖化石能源。到2050年,超过85%的建筑需要符合准零碳建筑标准。从2030年起,全球所有区域新建的建筑均需强制实施建筑零碳标准;到2050年,要求几乎所有的既有建筑按照符合零碳建筑的标准进行改造(见图13)。到2050年,超过85%的建筑物已实现零碳排放,从而帮助有效供暖能耗强度下降75%,热泵可满足一半以上的供热需求。

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图13 全球建筑供暖技术类型及供暖和制冷能耗强度

 

7、通过绿色金融支撑我国能源零碳化的建议

 

制定分层次的绿色金融政策,有针对性的支持成熟技术的应用拓展和有潜力零碳技术的孵化和商业化前景拓展。政策需要发出明确的市场信号,以催生新的商业模式,并撬动社会资本进入清洁能源领域,特别是在新技术领域和农村等受关注较少的技术和地区。加快国家公共财政资金支出,对能源转型至关重要,特别是在经济相对欠发达地区。

建立多部门合作开发的商业模式。大多数的能源转型投资主要还是依靠需要调动社会资金。调动私营部门资本用于大规模的基础设施建设,需要开发商、投资者、公共金融机构和政府之间开展更密切的合作。降低投资者的风险对于确保能够实现负担得起的清洁能源转型至关重要。许多新兴的市场主要依靠公共资金来建设新能源项目和工业设施,它们将需要改革政策和监管框架,以吸引更多的社会资金。

 

参考文献:

1.国际能源署,全球能源领域净零排放路线图[R],2021年5月.

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