本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第6期
作者：黄震，谢晓敏，张庭婷
来源：“双碳”背景下我国中长期能源需求预测与转型路径研究[J].中国工程科学,2022,24(6):8-18.
能源领域是实现“双碳”战略目标的关键领域。开展“双碳”目标约束下我国能源需求分析，是能源转型路径设计的前提和依据，相应研究极为必要。
中国工程院黄震院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第6期发表《“双碳”背景下我国中长期能源需求预测与转型路径研究》一文。文章在梳理我国能源发展现状的基础上，对我国中长期能源需求和转型趋势进行了预测及分析。文章研究结果表明，2035年我国一次能源需求总量为5.56×109~5.96×109 tce，单位国内生产总值CO2排放强度较2005年将下降77.6%~81.5%；能源相关CO2排放将在“十五五”时期达峰；能效提高，可再生能源发展，碳捕获、利用与封存技术应用，氢能及可再生燃料替代是降低能源CO2排放的主要技术措施，技术创新是推动重点领域绿色低碳转型的核心驱动力。进一步从推进节能战略，发展可再生能源，加强技术创新，统筹法制、技术和市场等方面提出了发展建议，以期为能源领域高质量发展提供参考。
一、前言
推进碳达峰、碳中和（“双碳”）成为国家重大战略，既是对国际社会的庄严承诺，也是推动高质量发展的内在要求。《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》（2021年）提出，要推进经济社会发展全面绿色转型，加快构建清洁低碳安全高效能源体系。能源贯穿于经济社会发展的全过程、各环节，能源领域是实现“双碳”战略目标的关键领域。开展能源变革，推进能源供给侧的电力脱碳与零碳化、燃料零碳化，能源需求侧的能源利用高效化、再电气化、智慧化，从而构建以新能源为主体、“化石能源+碳捕获、利用与封存（CCUS）”和核能为保障的现代能源体系，显现“清洁、低碳、安全、高效”特征，支撑“双碳”战略目标实现。
已有研究针对我国能源需求预测、能源转型路径、不同领域能源发展趋势等方面展开，从国家、地区、行业、技术等不同视角对能源需求与能源转型路径进行了探讨，为能源领域低碳发展、“双碳”目标实现提供了理论基础。然而，我国长期以高碳基为主的能源体系，对能源转型构成了重大挑战。碳中和的能源系统转型时间紧、任务重、过程复杂，是兼顾发展与减排的系统工程；需平衡发展与减碳关系，尽快开发绿色低碳的替代能源，以此实现经济发展与碳排放的脱钩。
开展“双碳”目标约束下我国能源需求分析，是能源转型路径设计的前提和依据，相应研究极为必要。本文立足我国经济发展进入新阶段的宏观背景，建立基于行业层面的终端能源 ‒ 过程转换 ‒ 一次能源供应的能源供需模型；引入碳排放等关键因素约束，分析2035年能源需求，据此提出我国能源转型发展建议。
二、我国能源发展的现状与挑战
（一）我国能源发展现状
在能源供给侧，我国能源工业迅速发展，能源结构加快向清洁低碳方向转变。自改革开放以来，我国一次能源生产总量不断增长，从1990年的1.0392×109 tce提高至2021年的4.33×109 tce（见图1（a）），平均每年以4.7%的增速增长。其中，煤炭生产量年均增长4.4%，原油生产量年均增长1.2%，天然气年均增长8.5%，一次电力及其他能源生产年均增速达9.7%。电力发展迅速，供应能力持续增强，2021年累计发电装机容量达到2.377×109 kW，发电量8.377×1012 kW·h，较2000年分别增长了6.44倍和5.12倍。可再生能源利用规模快速扩大，水电、风电、光伏发电累计装机容量均居世界首位。截至2022年3月31日，我国运行核电机组共54台，装机容量55 805.74 MWe，居世界第二。此外，能源输送能力显著提高，能源储备体系也不断健全。不断提升的能源供给能力为我国国民经济的持续快速发展提供了坚实的保障与支撑。
在能源消费侧，能源消费总量持续增长，能源利用水平显著提高。我国能源消费总量从1990年的9.87×108 tce增加至2021年的5.24×109 tce（见图1（b）），年均增速为5.5%。能源利用水平显著提升，万元国内生产总值（GDP）能源消费量不断下降，1990年至2021年，年均5.5%的能源消费增长支撑了国民经济年均9.2%的增长。能源消费结构进一步优化。2021年煤炭消费占能源消费总量比重为56.0%，比1990年低20.2个百分点；天然气、水电、核电、风电等清洁能源占能源消费总量的比重为25.5%，比1990年提高了18.3个百分点；非化石能源占消费总量比重约为16.8%，比1990年提高了9.6个百分点。
图1 我国一次能源生产和能源消费总量及构成（1990—2020年）
（二）“双碳”目标下我国能源发展面临的挑战
能源活动引起的CO2排放被认为是导致全球气候变暖的主要原因。据统计，2021年全球共排放CO2约3.898×1010 t，其中能源相关的CO2排放约3.388×1010 t，占排放总量的86.9%。我国2021年CO2排放总量约为1.204×1010 t，其中能源活动引起的CO2排放为1.052×1010 t。电力和工业部门是我国CO2排放的主体，合计占据能源相关CO2排放的77%。
1. 碳减排目标极具挑战
我国已成为碳排放第一大国，2021年我国能源相关CO2排放占全球能源相关CO2排放总量的31.1%，CO2排放还处于持续上升阶段（见图2）。美国、加拿大、日本、英国、德国、法国和澳大利亚等发达国家的CO2排放量大多早已达峰，目前都进入了下降阶段（见图2），从实现碳达峰到碳中和有充足的时间。我国提出力争在2030年前实现碳排放达峰、2060年前实现碳中和。与发达国家相比，碳排放总量大、碳达峰与碳中和时间间隔短等特点决定了我国碳减排目标极具挑战性。
图2 主要国家历年CO2排放（1960—2020年）
2. 能源需求总量持续增长
从发达国家的人均用能与人均GDP发展历程来看（见图3），绝大部分发达国家人均用能都已进入了峰值，并维持平稳增长或开始下降。美国、加拿大、澳大利亚、英国、德国、法国、日本等国家的人均用能大约都是在人均GDP 20 000~30 000美元（现价）的时候进入了峰值，随后保持平稳或缓慢下降。我国人均用能和人均GDP均处于快速增长阶段，人均GDP从1990年的318美元（现价）增加到2021年的12 556美元（现价），人均用能相应地从0.86 tce增加至3.7 tce，尚未达到峰值。预计到2035年，我国的人均GDP将达到中等发达国家的水平。这期间，依然需要不断增加的能源消费总量来支撑我国的经济发展。
图3 世界主要国家人均用能与人均GDP关系图
3. 能源结构低碳化转型紧迫而艰巨
“富煤”的资源特征决定了过去和现在我国“以煤为主”的能源消费格局。1990年我国能源消费的结构是：煤炭占比76.2%、石油占比16.6%、天然气占比2.1%、一次电力及其他能源占比5.1%。在绿色低碳发展等政策的引领下，我国能源转型取得了显著的成效。2021年能源消费结构中煤炭下降到56.0%，石油消费占比维持在18.5%，天然气消费占比提高至8.9%，水电、核电、风电、太阳能发电等一次电力及其他能源消费占比增加至16.6% 。
相比其他发达国家，我国煤炭在能源消费结构中的比重过高。如图4所示，美国的煤炭消费占比仅为11%，英国、法国、加拿大等国的煤炭占比则在5%以下，澳大利亚因其煤炭资源丰富，其煤炭消费占比为29%。这些国家目前已进入了油气消费为主体、核能和可再生能源并举的能源消费阶段。对我国而言，需要在不到40年的时间里将56%的煤、近85%的化石能源结构逐步转换为以可再生能源为主体，煤炭、油气为保障的能源消费结构。中国能源结构低碳化调整的任务是紧迫而艰巨的。
图4 世界主要国家能源消费结构（2021年）
三、我国中长期能源需求分析
在能源需求总量高、碳排放基数大的发展现状下，预测“双碳”目标下我国不同行业的中长期能源需求，对实现碳达峰、碳中和意义重大。本文通过结合我国经济社会发展、碳减排承诺以及能源安全新战略，综合考虑不同阶段各类能源技术发展水平，设置基准情景和强化低碳情景（见表1）预测我国中长期能源需求，进而推演我国实现碳达峰、碳中和目标的中长期能源低碳发展路径。
表1 情景说明
（一）能源需求
能源供应、转换与消费受能源技术、经济社会、政策因素等多方面的综合影响。图5为2035年强化低碳情景下我国的能源供应、转换与消费情况。从能源供应能力看，2035年前煤炭在我国能源供应中依旧发挥重要的保障作用。煤炭将提供34%左右的一次能源供应，相较2020年降低约22.8%（见图6中强化低碳情景）。天然气的供应能力将达到9.5×108 tce，约占能源供应总量的17%，较2020年的天然气消费量翻一倍。非化石能源供应将提高至1.794×109 tce，约占一次能源供应总量的32%。可见，煤炭依然将发挥重要的能源安全保障兜底作用，天然气将起到重要的过渡支撑作用。随着能源结构不断向绿色低碳化转变，风光等可再生能源在能源结构中的占比显著上升。相比2020年，包括风光在内的非化石能源占比将提高12.1~16.1个百分点。预计到2035年，风电、光伏、水电等一次电力供应能力合计将达到7.76×108 tce，占一次电力供应总量的比例达到83.7%（见图5）。届时，我国将基本形成煤炭、油气和新能源“三足鼎立”的能源供应格局。
图5 强化低碳情景下2035年我国的能源流向（单位：×108 tce）
注：一次电力按照电热当量折算标准煤，括号里的值为按当年发电煤耗折算后的值；终端能源消费数量未包括用于原料、材料的能源消费。
从未来能源消费格局看，能源消费的主要部门依然是以工业为主。2020年，我国终端能源消费总量约为3.234×109 tce（扣除用作原料、材料的能源，按电热当量计算），其中，工业用能占比约为62.5%。2035年，终端能源消费总量将进一步提升至3.527×109 tce（扣除用作原料、材料的终端能源消费），其中工业用能占能源消费总量的比例约为53.5%（见图5）。终端用能结构也将发生显著变化，电气化的比例将进一步提高。例如，2035年工业部门的电气化比例可达到37%以上，交通运输的电气化比例可增加到22%以上，建筑部门电气化水平可达到54%。在碳中和目标的推动下，终端电气化进程还将不断推进。2035年前，我国能源需求总量仍将持续增长（见图6）。2020年至2025年，一次能源需求总量的年均增长速度为2.1%~2.3%。基准情景下，我国一次能源需求总量在2025年将达到5.57×109 tce，2035年达到5.96×109 tce。强化低碳情景下，2025年我国一次能源需求总量为5.52×109 tce，2035年约为5.56×109 tce（见图7）。基准情景下能源需求总量大约在2030年达峰。在强有力的政策支持和技术促进下，我国能源需求总量有望在2030年前达到峰值然后开始下降，从而为碳中和的实现留出空间。由于方法设计、情景设置、政策环境、技术发展等方面的不同研判，已有研究对未来能源需求总量判断呈现差异，但这些研究证实了同样的趋势，即能源需求总量增速将放缓。
图6 不同情景下的一次能源需求结构
图7 不同情景一次能源需求
（二）碳排放
从能源相关碳排放的流向来看（见图8），2035年煤炭、石油、天然气相关CO2排放分别为4.95×109 t、1.56×109 t和1.98×109 t，分别占CO2直接排放的58.3%、18.4%和23.3%。2035年工业是CO2排放的最主要来源，约占直接排放的37.4%，其次为发电，约占直接排放的30.3%。对于这两大碳排放来源行业，仍需要CCUS减排技术作为兜底。当前，我国现有CCUS利用项目仍以示范为主，主要涉及电力、煤化工、石油化工、水泥、钢铁等领域，其中仍以电力行业应用为主。预计到2035年，电力行业和化工行业合计可形成4.3×108 t的CO2减排能力，从而使CO2排放总量进一步降低。
图8 强化低碳情景下2035年能源相关碳排放流向图（单位：×108 t CO2）
图9所示为两种情景下的CO2排放。基准情景下能源相关CO2排放在2025年前会继续增加，2029年左右达到峰值（约1.089×1010 t），2035年CO2排放降低至9.78×109 t。强化低碳情景下能源相关CO2排放在2025年前能实现达峰，峰值约1.055×1010 t，2035年能源相关CO2排放进一步降低至8.06×109 t。CO2排放强度也将持续降低，2035年单位GDP CO2排放将降低至0.452 t CO2/万元到0.373 t CO2/万元。相较2005年，低碳情景下2030年单位GDP CO2排放将下降68.7%，2035年下降77.6%，强化低碳情景下2030年单位GDP CO2排放强度下降73.5%，2035年将下降81.5%。两种情景均可实现2030年单位GDP CO2排放比2005年下降65%以上的目标。
图9 不同情景能源相关CO2排放量
四、“双碳”目标下的转型路径
能源转型的目标是构建绿色、低碳、安全、高效的能源系统，以促进双碳”目标实现。能源转型需要有政策的引领、技术的推动、市场的促进和体制机制的完善。其中，技术的推动是实现能源转型的核心。
（一）不同技术措施的减碳贡献
能源技术的进步对CO2减排起着重要的作用。通过提高能效、扩大可再生能源应用规模、提升终端电气化水平、推广CCUS技术、发展氢能及可再生合成燃料等是降低能源相关CO2排放的主要方向。图10揭示了各类技术方向未来的减排贡献。提高能源生产、能源转换以及能源利用过程的效率在短期内可显著降低CO2排放。“十四五”末提高能源利用效率将贡献60.1%的CO2减排量，“十五五”末提高能源利用效率将贡献42.8%的CO2减排量，“十六五”末提高能源效率对CO2减排量的贡献有所降低（24.6%）。随着终端电气化水平的提升以及风、光等可再生能源应用规模的扩大，我国能源结构得以不断优化，进一步降低了CO2排放。“十四五”末优化能源结构可贡献32.8%的CO2减排量，“十五五”末优化能源结构对CO2减排的贡献提高至39.3%，“十六五”末优化能源结构对减排的贡献收缩至38.1%。实现长期深度脱碳和碳中和目标，特别需要关注常规减排技术或替代技术难以实现深度减排的领域，需要有革命性的技术突破。随着科技进步，未来能源领域有关的先进技术和变革性技术会对能源领域碳减排带来深刻影响。CCUS技术、氢及可再生合成燃料技术等预计将在2030年后逐渐发挥重要的减碳贡献。
图10 不同技术措施对碳减排的贡献
（二）重点领域转型路径
电力、工业、交通等部门是能源相关CO2排放的重点部门，合计占CO2排放量的近90%，“双碳”目标下能源转型的主要路径如下。
1. 电力部门的低碳化是各行业脱碳的核心基础
电力低碳转型对“双碳”目标的实现具有全局性意义。考虑不同外部因素的作用大小，预计2035年全社会用电量将从2021年的8.31×1012 kW·h提高到9.8×1012 kW·h（基准情景）~1.22×1013 kW·h（强化低碳情景）。这主要归因于电气化的快速发展，包括电力替代煤炭、石油等化石能源直接燃烧和利用，或以可再生电力等制氢，以及终端部门电气化的强化等。电源结构整体呈现清洁化发展的态势，煤电装机量和发电量占比不断下降，非化石能源装机和发电量的占比稳步提升。电源总装机从2020年的2.2×109 kW增加至2035年的3.6×109 kW，增加了64.0%。煤电装机总量下降至1×109 kW以下，相较2020年下降9.6%。气电装机总量超过2×108 kW，相较2020年增加122.5%。可再生电力装机合计超过2.1×109 kW，是2020年的2.4倍。发电总量从2020年的7.6×1012 kW·h提高至1.27×1013 kW·h，增加了66.3%。其中，来自风能、太阳能的可再生电力发电量增加了近5倍，气电发电量增加了1.9倍，核电发电量增加了2.4倍。从碳排放来看，电力系统碳排放预计在2025—2030年达峰，达峰后进入短暂平台期，然后开始下降（见图11）。电力系统的清洁化和低碳化将对全社会的碳排放下降带来实质性贡献。
图11 电力部门碳排放轨迹
2. 工业用能将向高效化、低碳化、电气化方向转变
工业是仅次于能源电力部门的第二大CO2排放部门。基准情景下工业部门的CO2排放先缓慢增长再下降，强化低碳情景下工业部门的CO2排放下降速度加快（见图12）。工业领域能效的大幅提升、风光清洁能源的应用以及CCUS的规模化应用将是工业碳排放降低的关键举措。工业用能大约在2030年前后达峰，随后进入峰值平台期。随着工业行业终端电气化水平的不断提升，工业用能中电的比例逐步提高，预计2035年工业领域电能占比提高到37%以上；有研究指出2035年工业部门电气化水平甚至可以达到40%以上。工业用固体燃料在2030年左右达峰并趋于稳定，2035年煤等固体燃料占比约为43%、天然气占比在8%以上。由于钢铁、有色、水泥、建材、化工等行业存在难以避免的碳排放，迫切需要加快CCUS技术的研发与部署，从而推动工业领域的碳减排。2030年后需要逐步开展CCUS技术的应用，进一步加快CCUS技术的渗透率。
图12 工业碳排放轨迹
3. 交通运输用能将走向电能替代和可再生燃料替代
交通运输部门是化石能源消耗和CO2排放增长最快的领域之一。降低交通运输部门碳排放的主要技术措施包括：通过能效提升提高各类交通运输工具的燃油经济性，降低各类运输工具的运行能耗；加大交通运输工具的电气化程度，扩大电动车和混合动力的应用规模和范围；发展燃料乙醇、生物柴油、燃料电池、可再生能源制氢及可再生合成燃料等替代技术，加大替代燃料的应用；大力发展公共交通，推广公共出行方式（见图13）。2025年前，提高燃油经济性、推广公共交通是交通部门脱碳的主要路径；2030年左右，提升电气化力度将促进交通部门进一步脱碳；2035年新能源汽车保有量占乘用车比例将超过25%，电力占交通能源消费总量比例将超过22%。随着合成替代燃料技术的成熟以及以新能源为主体的电力系统逐步建成，2035年后可再生燃料替代将在交通运输领域减碳上发挥关键作用。此外，交通运输部门还需进一步通过加快大宗货物和中长距离货物运输的“公转铁”“公转水”等方式优化运输结构，加快发展智慧交通，提高运输组织效率。
图13 交通运输部门碳排放轨迹
五、对策建议
（一）强力推进节能战略，减少能源消耗和碳排放
强力推进节能战略是减少消耗、降低碳排放的重要手段。我国是能源消费大国，能源强度显著高于世界平均水平。能源、工业、交通等终端用能领域节能潜力巨大，在这些领域全面推行节能战略可显著降低全社会能源消费和碳排放。在电力领域，需大力推进发电效率的提高；在工业领域特别是高耗能行业，大力推广节能技术和节能新工艺，提升工业能效；在交通领域着力提升交通运输装备的能效，加强节能技术的研发、应用与推广。
（二）大力发展可再生能源，建设以新能源为主体的新型电力系统
传统电力系统转向以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰、碳中和的必然之路。因地制宜大力发展可再生能源，建设基于电网安全运行的高比例风光发电的源 ‒ 网 ‒ 储 ‒ 荷新型电力系统，加快煤电灵活性改造，发展火电CCUS技术，用于灵活性调峰和保障电力供应安全。加强跨省、跨区输电通道建设，发展分布式微电网，提升电网侧的传输能力以及需求侧的消纳能力，突破新型储能关键技术。
（三）发展可再生燃料替代，推动终端用能低碳化，提高终端电气化水平
以电力的低碳化零碳化为基础，加快突破制氢、合成燃料等新型燃料技术的研发，实现燃料的零碳化。在工业领域加强前沿技术攻关，推动绿色工艺技术应用，实施电能替代、氢能、生物质能等清洁能源替代，推动工业用能尽早达峰。在交通运输领域进一步提升交通运输电气化进程，以绿电为基础推进可再生燃料、氢能等替代燃料的研发以及应用。
（四）加强技术创新，发挥技术创新在能源转型中的支撑作用
“双碳”目标的实现需要发挥科技创新的支撑引领作用，依靠一系列颠覆性、变革性能源技术突破作为战略支撑。在新能源和智能化等技术进步和成本快速下降的推动下，全球能源沿着低碳和零碳化、数字化的方向加速转型，正在进入一个能源转型发展的时代，颠覆性技术的研发应用将带来能源体系发生结构性的变化。重点聚焦新型电力系统、氢能、储能、可再生合成燃料、可控核聚变、CCUS等关键技术方向，加大“双碳”前沿技术的基础研究和关键技术攻关的支持力度，设定短期、中期、长期的技术开发目标，给予政策鼓励以及资金支持，实现颠覆性、变革性能源系列技术突破。此外，要建立完善、绿色、低碳的技术评估和交易体系，加快创新成果转化与应用。
（五）统筹法制、技术和市场，多措并举推进“双碳”工作
加快“双碳”法制体系构建，加强应对气候变化的相关立法，为实现碳中和提供法律保障。统筹推进“双碳”法律法规与配套规章“立改废”，重点加快面向双碳目标的环境保护法体系、能源法体系和相关法律构建。大力推进低碳、零碳、负碳科技创新与革命。加快能源与碳市场体系建设，大力推进全国电力、石油、天然气和二氧化碳排放权交易系统建设。通过碳配额、碳排放权交易和碳税等，推动能源“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变，发挥市场机制，形成有效的激励约束机制，让碳排放成本越来越高，减碳收益越来越大，不断降低绿色溢价。
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黄震，动力机械工程专家，中国工程院院士。
主要从事发动机燃烧、新能源动力和大气污染防治研究。
