至2050年全球温室气体减排50%的技术可能性及成本
2020-07-31 14:07    来源:能源环境经济与政策研究

研究背景

 

  在减缓和适应全球气候变化的背景下,各国都需要从不同部门入手,通过结构升级、技术革新等措施来控制温室气体排放和全球温升速度。2℃气候目标指出,至2050年全球温室气体排放需较1990年降低50%。本研究基于技术模型AIM|Enduse[Global版本],评估了至2050年全球全部门温室气体减排50%的技术可能性及成本。

 

研究方法

 

  研究设置不同的温室气体价格情景,通过技术模型AIM|Enduse[Global版本]评估不同情景下的温室气体排放及减排成本。AIM|Enduse模型通过模拟电力等能源部门和农业等非能源部门中的能源使用和污染物排放,核算最小化系统总成本时的能源消耗和温室气体排放,其中系统总成本包括技术初始投资成本、设备运营维护成本 (能源使用成本)和政策成本(如碳税、能源税等)。研究设置S0至S800等13个温室气体价格情景,各情景的温室气体价格变化路径如图1所示,其中S800指全球温室气体价格在2010年至2050年间由0美元/tCO2-eq线性增加至800美元/tCO2-eq。

图1  温室气体价格变化路径

 

研究结果

 

  1. 如何实现50%的减排目标?

  研究首先构建边际减排成本(MAC)曲线,探究温室气体价格与温室气体排放变化率之间的关系。MAC曲线的纵轴是温室气体价格,横轴是温室气体排放的变化率。横轴上的截距表示温室气体价格为0时,温室气体排放相对于1990年的变化率;而曲线的斜率表示温室气体排放对价格的敏感性,斜率越小,温室气体排放价格增加时的减排幅度越大。

图2  构建MAC曲线

  2050年中国和印度的MAC曲线在横轴上的截距很大而斜率很小,说明在低温室气体价格时两国具有巨大的减排潜力。至2050年,在600美元/tCO2-eq的温室气体价格情景(S600)下,全球将能够实现50%的减排目标,其中区域温室气体排放变化为:美国-85%、欧盟-66%、日本-70%、中国-13%、印度+47%。在这一情景下,2020年的温室气体价格为150美元/tCO2-eq,其中区域温室气体排放变化为:美国-17%、欧盟-25%、日本-12%、中国+99%、印度+65%。

图3  主要区域的MAC曲线

  2. S600情景下的温室气体排放

  在S600情景中,2020和2050年的全球温室气体排放较1990年增加6%和减少50%,较同期参考情景减少23%和73%。进一步对S600情景中的温室气体排放进行KAYA分析,发现人均GDP和人口是驱动温室气体排放增长的因素,而能源强度和碳排放强度的改善是温室气体排放下降的直接原因。2030年全球能源强度将下降一半,2030年之后碳排放强度下降得更快。

图4  S600情景中的温室气体排放情况

  3. 各部门的能源结构变化

  3.1  电力部门

  温室气体排放价格为0的参考情景中电力部门的能耗在2005至2050年间增加近3倍,能源结构以煤炭、天然气为主,碳排放因子仅轻微下降。S600情景中能源结构明显更加多元,非化石能源占比显著提升,且在2020年后CCS技术将被引入;2050年,风能、太阳能、生物质能和水能发电占总发电量的75%,而CCS的引入进一步导致碳排放因子降低至负数。

图5  电力部门的能源结构变化

  3.2  工业部门

  参考情景中2050年工业部门的能耗和温室气体排放分别是2005年的2.2倍和2.1倍。S600情景中2050年工业部门的能源消耗较参考情景低10%;同时,能源结构中煤炭向天然气转型,促使工业部门的温室气体减排,当考虑上游电力部门的间接排放时(图c虚线),工业部门的温室气体减排效果更加明显。

图6  工业部门的能源结构变化

  3.3  交通部门

  参考情景中交通部门的内燃机汽车(ICEV)使用最广泛,2020年混合动力汽车(HEV)开始出现,至2050年其市场份额增长至30%;而S600情景中,混合动力汽车从2015开始大规模引进,至2035年其市场份额超过60%;燃料电池汽车(FCV)将在2035年引进,至2050年其市场份额达到45%。2050年S600情景中的能耗较参考情景低25%,且生物燃料得到广泛使用。

图7  交通部门的用车组成和能源结构变化

  3.4  建筑部门

  与参考情景相比,S600情景中建筑部门的能源消费总量轻微降低,能源结构无明显差异。两情景下建筑部门的直接碳排放差异不明显,而考虑上游电力部门后的间接排放差异显著,说明建筑部门的减排潜力主要来自更清洁的电力。

图8  建筑部门能源结构变化

  4. 不同技术对温室气体减排50%的贡献

  2020年,发电行业对温室气体减排的贡献最大,占45%,其中太阳能、风能和生物质能的贡献占31%;非能源部门在温室气体减排中也起到重要作用(25%);2050年,90%以上的温室气体减排来自能源技术变革,其中CCS技术贡献20%的减排。

图9  不同技术对温室气体减排50%的贡献

  5.  温室气体减排50%的成本

  5.1  技术投资成本

  2020和2050年的技术投资成本占到当年GDP的0.7%和1.8%。中国和美国是技术投资成本最大的两个国家;电力部门是技术投资成本最大的部门,其次是交通部门。

图10  技术投资成本

  5.2  总成本

  技术变革的成本包括技术投资成本和设备运营维护成本,其中技术投资成本为正值,而运营维护成本可正可负。当新的技术减少能源消费时,其降低了能源成本;当新的技术需要增加额外的处理设施如CCS、燃料转换装置时,其增加了设备成本。

  电力部门的新技术中节能技术、CCS和燃料转换技术同时存在,其混合效应导致运营成本小于0,轻微抵消技术投资成本。而工业部门需要大量的CCS和燃料转换技术,因此运营成本大于0且表现增加趋势。交通部门和建筑部门的新技术主要为节能技术,因此运营成本小于0且表现下降趋势。

图11  主要部门的技术总成本