探索碳达峰碳中和路径：能源系统低碳转型的关键与挑战

1. 碳达峰与碳中和之路

1. 碳排放总量

2020年全国能源相关CO2排放量约113亿吨（含工业过程排放），煤炭、石油、天然气分别占相应碳排放量的66%、16%、6%（图1），电力、钢铁、水泥、交通运输为重点排放行业。若按目前的发展态势继续发展，全国碳排放量将长期维持在100亿吨以上。为推动实现碳中和目标，需要在现有减排力度的基础上进一步进行能源系统低碳转型。考虑到未来社会经济行为发展对终端产品需求的不确定性、能源系统中各类先进技术的发展速度、可用碳汇量的不确定性等，图2给出了实现中国“双碳”目标的多种排放路径。 2060年排放需比BAU情景再下降80%以上，全国碳排放需在2026—2029年达到峰值，其中能源相关二氧化碳排放（含工业过程排放）峰值为117—127亿吨。

图1 2020年全国碳流动图（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年可利用的自然碳汇仅为10亿吨时（对应中需求—高速转型情景），为低成本、安全地实现碳中和目标，2060年能源系统相关的CO2排放（含工业过程排放）需降至约21亿吨。电力、钢铁、化工、交通运输等行业将是主要排放源，CCS技术需捕集超过11亿吨CO2（图3a）。该情景下，2025-2035年为潜在的平台期，碳排放峰值需在2028-2029年实现，峰值约为122亿吨CO2。2035-2050年进入下降期，年均减排率约为4%。 2050年至2060年为加速下降期，年均减排率需提高到15%以上。CCS将成为中国在以煤炭为主的能源结构下实现大规模CO2减排的主要手段之一。CCS的大规模部署将在2030年左右开始，到2060年将共捕获超过240亿吨CO2排放量。

为确保全国碳排放按时达峰，各重点行业、领域碳排放达峰时间不尽相同。其中，工业部门整体碳排放（​​含间接碳排放）须在2025年左右达峰，峰值为80-86亿吨，2060年降至600-22亿吨。具体而言，水泥行业碳排放已基本达峰，处于波动期；钢铁、铝冶炼行业须在“十四五”期间达峰，且应尽早达峰；建筑行业预计在2027-2030年之间达峰；电力行业、重点化工品（乙烯、合成氨、电石、甲醇）碳排放须在2029年左右达峰；热力、交通运输、农业等工业部门达峰时间相对较晚，但不晚于2035年。具体达峰时间及路径见图3b。

图3 2020~2060年各行业CO2排放路径（以中需-高转-长平台期情景为例）

注：图3a中终端行业或部门碳排放不包括电力、热力生产间接碳排放，图3b中终端行业或部门排放路径及峰值时间为覆盖电力、热力间接排放的结果（化工产品主要包括乙烯、合成氨、电石、甲醇等）

2.碳排放强度

为实现“双碳”目标，中国单位GDP二氧化碳排放需要快速下降。图3为中国单位GDP二氧化碳排放与主要发达国家对比。目前，中国单位GDP二氧化碳排放较高（2020年约0.77吨/千美元）。按照图3提出的碳中和路径，2040~2050年中国单位GDP二氧化碳排放将下降到与目前主要发达国家相当的水平；2060年中国单位GDP二氧化碳排放仅为2020年的2%左右，全社会进入低碳发展模式。2020~2060年中国单位GDP二氧化碳排放年均下降率须达到9%以上。

图4 中国与主要发达国家单位GDP二氧化碳排放比较（2015年不变价）

（以中等需求、高速转型、平台周期长的场景为例）

3. 能源结构

“双碳”目标下，全行业能源结构需加速转型（见图5）。非化石能源在一次能源结构中的比重要显著提升，2025年达到21%，2030年超过25%，到2060年非化石能源占一次能源消费比重将超过80%。煤炭在一次能源中的比重稳步下降，但我国在较长时期内仍将以煤炭为主，2030年煤炭比重不会低于44%，2060年煤炭在保障能源安全中仍将发挥重要作用。2025年之前，石油在一次能源中的比重稳步上升，随后开始逐渐下降，2025—2060年年均下降率约为3%。天然气比重呈现先升后降的趋势。 2035年天然气消费占比将达到12%左右，并维持到2050年。此后随着可再生能源技术、储能技术的成熟和高比例应用，天然气消费占比将回落至7%左右。

图5 一次能源消费结构（中等需求-高速转型-长期高原情景）

4. 终端电气化水平

碳中和目标将推动终端电气化不断推进。按照国家能源局公布的口径，以中需求-高速转型-中长期平台情景为例（图6），2030年终端电气化率在34%左右，2060年将达到77%以上。分行业来看，建筑领域设备电气化相对于其他行业更容易推进，因此其整体电气化水平高于其他行业，2020年至2060年间年均电气化增长率为2%，2060年建筑领域电气化水平需达到90%。工业领域是用电最大的行业，因此其电气化发展水平对终端领域整体电气化水平影响较大，2060年电气化率需达到73%以上； 2040年之前交通运输领域电气化进程较为缓慢，其电气化推进主要集中在短途客运；2040年之后，城际客运、货运交通电气化开始成为重点，带动整体交通运输领域电气化水平快速增长，2060年将达到84%。

图6：全国及各行业终端电气化率

（中等需求-高速转型-长期稳定情景）

二、产业行动计划

国家“双碳”目标的实现，是各行业协同转型的结果。以下分别介绍钢铁、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的前提下，采取的低碳转型行动。

1.钢铁行业

从钢铁消费量变化来看，钢铁需求将在2023-2025年之间达到峰值，峰值为11.8-12.0亿吨。达到消费峰值后，未来30年左右钢铁消费量将逐步下降。随着钢铁产品需求变化和国家碳中和目标约束，钢铁行业碳排放总体呈下降趋势（图7）。 钢铁行业二氧化碳排放需在“十四五”中期达峰（19.3-20.0亿吨）并尽早达峰，2028年之前可能出现一个平台期。由于钢铁行业部分碳排放无法避免，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与应用等减排措施影响下，预计2060年中国钢铁行业二氧化碳排放量为2.7-5.6亿吨，实现行业零排放难度较大。

图7 钢铁行业二氧化碳排放量预测（2020-2060年）

上述碳排放路径对应的技术部署方案如图8所示。短期来看，高炉喷煤技术、转炉负能炼钢和轧钢加热炉蓄热式燃烧技术节能效果显著，2030年市场占有率需分别提升到81%、75%和74%。同时，钢铁行业各环节余能回收发电技术在2030年也需实现60%~80%的渗透率。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在粗钢中的占比要达到13%以上，2050年达到30%，2060年快速提升到60%以上。中后期需加快推广氢能冶金、薄板坯连铸技术、无头轧制等先进工艺技术。 2040年高炉富氢还原技术在炼铁环节率先发展，市场推广率约为12.9%，2060年将成为炼铁环节的主流技术（70.0%）。薄板坯连铸和无头轧制技术将取代传统轧制工艺，2060年市场占有率分别达到10%和32%。2030年以后，焦炉、高炉-转炉工序将逐步发展CCS，力争2060年CCS安装比例达到60%以上。

图8 钢铁行业低碳技术市场份额（2020-2060年）

（二）铝冶炼行业

铝冶炼行业可分为原铝冶炼和再生铝冶炼，未来再生铝行业将大力发展，2040年左右再生铝产量将达到2700万吨，此后将占据主导地位。2025年达到峰值后，由于再生铝的替代，原铝产量将逐渐减少，峰值约为5040万吨。为满足社会对铝产品的需求，低成本实现国家“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）。

图9 未来原铝行业CO2排放路径（2020-2060年）

上述碳排放路径对应的关键技术发展路径如图10所示。在氧化铝精炼工序中，应大力推广一段棒磨机和两段球磨机-旋风分级技术、强化溶解技术，到2060年实现100%推广。此外，还应大力推广多效管式降膜蒸发技术，特别是以三水矿为原料的七效管式降膜蒸发技术，到2060年推广到64%以上。在阳极制备工序中，较先进的技术是大型高效阳极焙烧炉系统控制节能技术，该技术节能效果显著，到2060年该技术将在阳极制备工序节约150万吨标准煤，推广率要达到75%。 对于大型电解槽，目前主流槽型为300~400kA电解槽，为提高能源效率，大型电解槽是未来铝冶炼行业长期关注和发展的重点，到2050年逐步淘汰小型电解槽，电解槽全部大于500kA，到2060年600kA槽型推广率达到70%以上。 在电解铝环节，到2060年，铝电解槽新型焦炭焙烧启动技术、低温低压铝电解槽结构优化技术、低温低压铝电解工艺导气阳极技术、铝电解槽“全息”操作控制技术、预焙铝电解槽电流强化技术、高效节能综合技术等先进技术预计合计可节电约8000亿千瓦时，这些技术到2060年的技术渗透率应分别达到100%、45%、45%、58%、43%。铝冶炼行业除推广上述关键先进技术外，还应加快发展水电铝联营模式、再生铝工艺等，加快低碳转型进程。

图10 铝行业关键技术发展变化

（三）水泥行业

中国水泥需求已度过快速增长期，整体来看已基本见顶，处于波动期，到2060年水泥制品需求量约5.5亿~11.1亿吨。为满足社会对水泥制品需求，低成本实现国家“双碳”目标，水泥行业碳排放需逐步降低。目前，水泥行业碳排放已基本见顶，但随着国家基建政策波动，碳排放略有反弹，未来CO2排放总量降幅将逐步加大，2060年水泥行业CO2排放量应降至3000~1.6亿吨。

水泥行业相应技术布局如图11所示。熟料煅烧环节是水泥行业产生CO2排放的主要环节，需加快淘汰落后产能，推广先进技术。具体而言，2030年前需逐步淘汰小型新型干法窑等高耗能技术，对中、大型干法窑等技术进行节能或增效改造，分别安装高固气悬浮预热分解和多通道燃煤技术，到2060年改造率达到60%和90%。在熟料煅烧过程中，需充分利用预处理技术和能源二次回收利用技术，如预燃窑技术、余热发电技术等，这些技术的比例应逐年提高。 到2060年，预烧窑技术和余热发电技术应用比例分别达到40%和90%。除推广节能减排技术外，原料替代、燃料替代等深度减排措施也需发挥重要作用，力争2060年替代水平分别达到80%和35%以上。CCUS技术将在2030年以后开始规模化应用，到2060年其应用水平将逐步提升到80%以上。加快推广ERP（企业资源计划）解决方案，力争2060年普及率达到50%以上。

图11 水泥行业技术布局

（四）化学工业

未来重点化工产品需求持续增加，碳减排面临严峻挑战。在经济增长相对稳定的中需求情景下，2060年乙烯需求量将达到6923万吨，经济增长率较高和较低时，其需求量分别在9617万吨和4880万吨左右。受未来产业结构中第一、二产业比重逐步下降影响，合成氨需求量总体呈现下降趋势，到2060年在高、中、低需求情景下分别降至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，位于产业链上游，在经济发展和社会经济转型的双重影响下，将呈现总量增长、增速放缓的趋势。 2060年甲醇需求量在9850万~1.32亿吨之间，电石需求量在4745万~6371万吨之间。

以乙烯、合成氨、电石和甲醇为例，其低碳转型主要集中在以下几个方面：（1）优化生产方式，优先选择低能耗、低排放的生产方式；（2）改善原料结构，推进其轻量化发展；（3）改进生产工艺，如推广高效技术、加强末端治理技术应用等；（4）引进突破性技术，如生物质转化技术、基于低碳H2和CO2利用技术等。通过这些途径，合成氨碳排放应在“十四五”初期在2.6亿吨左右达到峰值；电石、乙烯和甲醇行业碳排放应在2030年左右、2030-2040年和2030-2035年左右达到峰值，峰值分别为96-104百万吨、111-144百万吨和168-194百万吨（图12）。

图12 重点化工产品未来碳排放路径

为推动化工行业低碳发展，以乙烯、合成氨、电石和甲醇四种重点化工产品为代表，以高速转型（长平台期）情景提出其低碳发展路径，如图13所示。对于电石生产，其原料制备工序CCS技术推广率2047年应达到50%，2060年应达到80%以上；在电石制造过程中，密闭炉逐步替代内燃炉，2030年占比达到95%，2040年全部完成替代。在合成氨生产中，煤制氨作为高排放的生产方式，将逐步转向以低碳H2为主的生产路线，2060年突破低碳H2路线，需要替代50%以上的煤化工路线。在煤制氨生产中，也有清洁技术替代。 2050年CCS技术推广率将达到57%左右，2060年实现全覆盖。甲醇生产方法相对多样，多种方法融合发展，前期以煤化工路线为主要生产来源，但逐渐被清洁生产方式替代，2047年左右占比降至50%以下；其中，在煤化工生产路线中，2030年以后开始推广CCS技术，到2060年煤化工路线100%应用。作为循环经济路线，焦炉煤气制甲醇生产占比逐渐提升，但后期随着突破性技术的引入而下降。 生物质路线、CO2催化加氢路线在2030年后逐步推广，预计到2060年两条路线占比将达到25%和30%。乙烯生产仍以蒸汽裂解为主，但其原料结构需轻质化，到2060年轻烃和乙烷原料占比需提升到50%和35%左右。对于少量的煤制烯烃，在气化阶段将逐步安装CCS，2060年将达到65%以上；在甲醇制烯烃阶段，新一代技术将得到更广泛的应用。

图13 重点化工产品低碳技术发展路径（2020—2060年）

（五）建筑业

建筑领域包括公共建筑和居住建筑，建筑在运营阶段需要提供供暖、制冷、热水、烹饪、照明等能源服务，产生大量的直接和间接碳排放。 未来随着人均收入的提高和人均建筑面积的增长，预计建筑领域运营阶段能源服务需求将由 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，住宅领域能源服务需求由 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。商业领域能源服务需求增速高于住宅领域，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，为低成本实现国家“双碳”目标，居住建筑领域碳排放峰值需控制在14.8亿吨二氧化碳以内；商业建筑领域碳排放峰值不超过6.8亿吨二氧化碳；建筑领域二氧化碳排放累计须在2027年至2030年之间达峰，各类情景下峰值不超过22亿吨二氧化碳。

图14 建筑行业碳排放路径

在满足能源服务需求的前提下，为实现国家“双碳”目标，同时兼顾实际资源约束、政策规划、技术进步等，建筑领域需加快推广清洁高效设备。其中，高效采暖空调（国家标准1级能效）、高效制冷空调（国家标准1级能效）、热泵热水器、高效电灶（热效率90%）、高效LED灯（相对效率为白炽灯14倍以上）等高效电器分别为居住建筑提供92%、100%、90%、81%、68%和100%的供暖、制冷、热水、烹饪、照明和电气服务； 高效供暖中央空调（国家标准1级能效）、高效制冷中央空调（国家标准1级能效）、高效热泵热水器（国家标准1级能效）、高效LED灯（相对效率为白炽灯的14倍）等高效电器分别为商业建筑提供64%的供暖、制冷、热水、照明和电气服务。

（六）交通运输部

本节将交通运输业分为城市客运、城际客运、货物运输三个子行业。在不同社会经济行为变化情景下，城际客运需求将在2050年达到峰值，峰值为18.6~19.5万亿人公里。到2060年，城际客运需求预计将达到18.1~19.4万亿人公里。城市客运周转量将继续上升，预计到2060年将达到8.6万亿人公里，是2020年城市客运量的近3倍。未来，货运周转量将在电子商务和经济发展的推动下继续上升，到2060年将达到34.9~53.6万亿吨公里。

为满足全社会运输服务需求、低成本实现国家碳中和目标，城际客运二氧化碳排放须在2035-2039年之间达到峰值，峰值控制在5.6-6亿吨二氧化碳，但由于一些传统技术难以替代，到2060年可能仍有0.8-3.2亿吨二氧化碳排放。城市客运二氧化碳排放须在“十四五”末或“十五五”初达到峰值，峰值控制在3.7亿吨二氧化碳左右。货运二氧化碳排放须在2035年左右达到峰值，峰值不超过12亿吨二氧化碳。 到2060年可能仍有1.1-6.3亿吨CO2排放量，从整个交通运输领域来看，必须在2035年左右达到峰值，峰值约为17.8-22亿吨CO2，相关碳排放路径如图15所示。

图15 交通运输领域碳排放趋势

在上述碳排放路径下，各类交通运输设备均应向节油、清洁、电动化方向发展（图16）。城际客运方面，道路运输中的柴油公交车逐步被电动公交车替代，并在2040年退出市场；到2060年，电动汽车和氢燃料电池汽车普及率分别达到55%和9%；到2050年，铁路客运力争实现100%电动化；航空客运方面，生物航油最迟应在2025年进入航空市场，到2060年至少有50%的航空运输服务由生物燃料飞机提供。城市客运方面，应重点推广电动私家车和出租车，到2060年其普及率达到85%以上；2060年前全面淘汰柴油公交车，2060年纯电动公交车占比至少达到95%； 货物运输技术布局方面，2020年货物道路运输使用的燃料以柴油、汽油为主，到2060年主要以电力、氢燃料替代；2060年轻中型货车以电动汽车为主；2030年逐步推动氢燃料重卡、电动重卡规模化应用，2060年渗透率达到45%以上；2020年水运以燃料油为主要能源，2060年生物燃料船舶在水运中占据重要地位。

图16 交通运输领域低碳技术发展路径

注：柱子的长度代表晋升比例，满柱代表100%。

（七）电力行业

In addition to the above-mentioned key industries such as steel, cement, chemicals (ethylene/methanol/synthetic ammonia/calcium carbide and other key products), nonferrous metals, construction (residential/commercial), and transportation (urban/intercity, passenger/freight), the C3IAM/NET model also provides a detailed description of primary energy supply, heat, papermaking, agriculture, and other industries, which are not introduced one by one here.

每个终端行业的电力需求以及电力行业为提供这些电力需求而产生的电力消费量最终得到了整合，并且最终获得了电力消费的曲线（如图17所示，结果表明，到2030 Illion KWH于2060年。从电力消耗结构的变化的角度来看，货运，客运运输和其他工业部门的电能替代的深层发展是电力需求增长的主要来源，并且它也是2060年电力消耗比例相对较高的部门。

随着电力需求的持续增长，电力部门的低碳转化面临着更大的挑战。 0（图17）。

图17在不同需求模式下，电力行业的电力需求和二氧化碳排放路径（不包括终端行业的自有发电厂的排放）

为了实现这一排放量，需要连续优化发电技术的布局作为灵活的峰剃须电源。 Power CCS技术是必不可少的，需要在2030年之后更快地部署，2060年的二氧化碳捕获能力为660-79亿吨。作为清洁的热力，天然气发电的能力需要迅速发展，2060年的安装能力是2020年的6倍OWATTS于2060年。仍需要加速风力和光伏装置的能力，分别达到2030年的950-1亿千瓦和117-1.32亿千瓦，分别为2060年，分别为2.78-373亿千万千万千万千万。

图18电力行业的未来安装能力结构（中型需求模型）

iii。

基于上述结果，本文进一步提出了一个时间表和路线图，以便中国在2030年之前实现碳峰，并在2060年之前实现碳中立性，为该国的高级部署提供了科学基础。

图19关键行业的碳峰和碳中立性的时间表和路线图

注意：非电力行业的碳排放包括电力和热量产量的间接排放。

电力行业建议在2029年之前实现碳峰，不超过45亿吨的二氧化碳，继续扩大风力和太阳能发电的装置能力，并在同一时间内供电，并将速度固定在范围内。 2060年之前的离子。

工业部门建议在14个五年计划期间达到钢铁行业和有色金属行业，并尽早达到高峰，而化学工业则在2030年之前实现碳峰。 - 碳烧结技术，爆炸燃料注入技术和钢滚动炉再生燃烧技术，它将主要依赖于电弧熔炉制造，氢气制造的综合应用，氢气制造，并在短期内促进高级能量和良好的培养技术。深层减排措施的关键部署，例如燃料替代，原材料替代和CCS技术。 铝冶炼行业是在未来有色金属行业中碳排放量最高的行业，它应该继续促进先进的技术，并开发出水力发电铝合金合资模型，以扩大回收铝的规模，以替代材料的某些材料，因为它仍会逐步发展趋势。低碳氢生产和CO2利用以及CCS技术。

生计的行业建议，施工和运输等领域应在2030年之前努力达到碳峰应继续提高加热和冷却效率，显着提高电气化水平，并根据当地条件发展分布式能量；

In order to accelerate the implementation of low-carbon technologies and measures in various industries, thereby ensuring the achievement of the national carbon peak and carbon neutrality goals, it is necessary to further establish the status of low-carbon development in national laws and regulations and major decision-making arrangements, deeply promote scientific and technological innovation in key low-carbon technologies, energy storage, CCS and other technologies in various industries, accelerate the large-scale application of breakthrough technologies, improve the incentive mechanism for low-carbon development, scientifically evaluate the energy resource potential of various regions, combine resource endowments, and adapt to local conditions. On the basis of controlling the total amount and intensity of carbon emissions, formulate a long-term strategy for multi-energy complementary energy to achieve carbon neutrality goals in various regions, and provide scientific support for safe and low-cost carbon reduction from the top-level design and institutional mechanisms.