考慮碳預(yù)算與碳循環(huán)的能源規(guī)劃方法及建議

鄔煒,趙騰，李雋，高藝，江涵，高超

(1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司,北京市 100031；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京市 100031)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界多國、多地區(qū)日益關(guān)注經(jīng)濟(jì)、氣候、能源電力可持續(xù)發(fā)展，相繼制訂了碳中和目標(biāo)。2019年12月，歐盟委員會(huì)公布了應(yīng)對氣候變化、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的《歐洲綠色協(xié)議》，希望能夠在2050年前實(shí)現(xiàn)歐洲“碳中和”，并提出建成全球首個(gè)“碳中和大陸”[1]。2020年9月，中國國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上提出，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。2020年10月，日本與韓國也相繼宣布爭取于2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。此外，美國加利福尼亞州已經(jīng)于2018年簽署碳中和法案，提出2045年實(shí)現(xiàn)100%清潔能源供應(yīng)[3]。

實(shí)現(xiàn)碳中和，能源碳減排是重中之重[4]。目前，全球CO2排放量約73%來自能源消費(fèi)[5]。2018年，歐盟(含英國)化石能源利用相關(guān)碳排放約為31.5億t，其中僅電力與供熱領(lǐng)域碳排放就達(dá)到10.5億t，占比高達(dá)33%；中國電力與供熱領(lǐng)域碳排放占比更是超過51%[6]。在碳中和背景下，未來能源行業(yè)將面臨巨大減排壓力。

歐洲在實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)碳減排方面走在了世界前列。在歐盟統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，各成員國制訂了應(yīng)對氣候變化與促進(jìn)碳減排的《國家能源與氣候計(jì)劃》[7]。同時(shí)，歐洲通過大力發(fā)展可再生能源，推動(dòng)能源生產(chǎn)與消費(fèi)領(lǐng)域的清潔替代與電能替代。2000—2016年，歐洲化石能源占一次能源比重從80.0%下降至72.8%，清潔能源占比從20.0%持續(xù)提升至27.2%，高于全球平均水平4個(gè)百分點(diǎn)，終端電能比重從17.2%持續(xù)提升至19.4%[8]。未來歐洲能源電力行業(yè)將進(jìn)一步推動(dòng)碳減排，逐步退煤、退油，大力發(fā)展可再生能源，遠(yuǎn)期終端能源消費(fèi)將主要以電力、燃?xì)鉃橹?，通過配合碳捕捉封存與應(yīng)用(carbon capture,usage and storage，CCU/S)、生物碳捕捉與封存(bio-energy carbon capture and storage，BECCS)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳中和[9]。

能源發(fā)展，規(guī)劃先行。在實(shí)現(xiàn)碳中和的能源規(guī)劃研究方面，世界各地的學(xué)者與機(jī)構(gòu)正在不斷進(jìn)行探索。國內(nèi)，文獻(xiàn)[10]對現(xiàn)實(shí)可行且成本可負(fù)擔(dān)的中國電力低碳轉(zhuǎn)型路徑進(jìn)行了探究。文獻(xiàn)[11]從燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)升級的角度提出了支撐我國碳中和國家戰(zhàn)略的建議。文獻(xiàn)[12]運(yùn)用全球能源供需預(yù)測模型(global energy modelling system,GEMS)，采用自上而下的方式對全球各地區(qū)能源供需進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測過程中考慮了基準(zhǔn)情景、加快轉(zhuǎn)型情景、2 ℃情景共3個(gè)情景；文獻(xiàn)[13]從油氣角度切入能源分析預(yù)測，對2 ℃溫控情景(世界)和碳中和情景(中國)進(jìn)行了分析。國外，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2020年12月發(fā)布《2050年碳中和綠色發(fā)展戰(zhàn)略》[14]，指出電力部門的脫碳化是日本實(shí)現(xiàn)碳中和的重要前提。文獻(xiàn)[15]采用PATHWAYS模型對美國加州碳中和情景進(jìn)行預(yù)測。但是，上述研究或者未考慮各能源品種之間的能量、物質(zhì)與碳耦合，或者未明確提出實(shí)現(xiàn)碳中和或溫控目標(biāo)的各國/各地區(qū)碳預(yù)算及其分配/計(jì)算方法。2020年，歐洲輸電運(yùn)營商聯(lián)盟與輸氣運(yùn)營商聯(lián)盟共同發(fā)布了最新版十年網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃(ten years network development plan，TYNDP)2020情景報(bào)告[16]，提出了在1.5 ℃溫控目標(biāo)下，計(jì)及碳預(yù)算的歐洲能源電力發(fā)展系列情景。該系列情景考慮了未來可再生能源的集中式、分布式發(fā)展路徑，不同能源品種之間的物質(zhì)與能量耦合，以及碳中和條件下的碳預(yù)算約束，規(guī)劃思路較為前沿且已應(yīng)用于實(shí)際能源電力規(guī)劃。但是，歐洲TYNDP規(guī)劃方法沒有考慮同一碳預(yù)算下的不同碳減排路徑，且未考慮能源系統(tǒng)內(nèi)部碳循環(huán)約束。

本文首先闡述碳中和與碳預(yù)算之間的關(guān)系，之后在歐洲能源規(guī)劃思路基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮能源系統(tǒng)碳循環(huán)約束及不同碳減排路徑，提出碳中和目標(biāo)下考慮碳預(yù)算與碳循環(huán)的能源規(guī)劃方法，并與其他方法進(jìn)行對比，最后針對未來碳中和條件下的能源規(guī)劃，提出幾點(diǎn)建議。

1 碳中和與碳預(yù)算

碳中和是指一個(gè)經(jīng)濟(jì)體在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的CO2排放總量，通過CCU/S、BECCS等技術(shù)，抵消自身產(chǎn)生的CO2排放量，實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對“零排放”。圖1為碳中和和碳預(yù)算示意圖。碳預(yù)算，是指在某溫升目標(biāo)下，一個(gè)經(jīng)濟(jì)體設(shè)定的在未來一段時(shí)間內(nèi)CO2凈排放總量的上限，是一個(gè)過程量，如圖1陰影部分所示。相對于未來較長時(shí)間尺度(如幾十年)內(nèi)的碳預(yù)算，碳中和是一個(gè)狀態(tài)量，表明一個(gè)經(jīng)濟(jì)體達(dá)到年度凈零排放的狀態(tài)。

圖1 碳中和與碳預(yù)算示意圖Fig.1 Illustration of carbon neutrality and carbon budget

當(dāng)前大量科學(xué)研究已經(jīng)表明，全球平均地表溫升與累積CO2排放之間呈近似線性關(guān)系[17-19]。為此，全球某一既定溫度下所對應(yīng)的CO2累積排放量是一個(gè)有限范圍，這也是全球碳預(yù)算的基本思路[17-18]。當(dāng)然，造成全球溫升的溫室氣體(greenhouse gas，GHG)除了CO2之外，還包括甲烷、六氟化硫等。

關(guān)于碳中和與碳預(yù)算之間的關(guān)系，有3點(diǎn)需要說明：一是某經(jīng)濟(jì)體制訂碳預(yù)算，并不意味著其未來必須達(dá)到碳中和狀態(tài)；二是實(shí)現(xiàn)碳中和，目前并沒有特定的碳預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)或碳減排路徑；三是在相同碳預(yù)算條件下，碳減排路徑并不唯一。如圖2所示，若某經(jīng)濟(jì)體欲實(shí)現(xiàn)碳中和，即使在碳達(dá)峰年份、碳排放峰值和碳中和目標(biāo)年度不變的情況下，仍可有幾種典型減排路徑。路徑2與路徑3在碳達(dá)峰與碳中和之間的碳預(yù)算基本相同，但是碳減排節(jié)奏仍有差異，路徑2為先慢后快，路徑3為勻速下降。

圖2 不同碳減排路徑對比Fig.2 Comparison among different decarbonization paths

盡管現(xiàn)有不同方法計(jì)算得到的碳預(yù)算差距較大，但是日趨緊張的全球剩余碳排放空間已是不爭的事實(shí)[20]。由于目前CO2排放主要來自能源消費(fèi)[5]，因此，在進(jìn)行能源規(guī)劃時(shí)考慮碳預(yù)算對于應(yīng)對全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)碳中和十分必要。

2 碳中和目標(biāo)下考慮碳預(yù)算與碳循環(huán)的能源規(guī)劃方法

本文在歐洲能源電力規(guī)劃思路的基礎(chǔ)上，考慮碳預(yù)算、碳減排路徑、碳循環(huán)等因素，進(jìn)一步提出了一種面向碳中和的能源規(guī)劃方法。規(guī)劃流程如圖3所示，共包括5個(gè)模塊：能源與碳情景構(gòu)建、終端能源需求與能源供給結(jié)構(gòu)預(yù)測、能源平衡仿真、電力仿真、燃?xì)夥抡妗Ｔ撘?guī)劃方法中，燃?xì)庵饕槍淄?、氫氣兩類可燃?xì)怏w，燃?xì)鈦碓窗烊粴?、生物甲烷、電制甲烷、化石燃料制氫、電制氫等?/p>

圖3 考慮碳預(yù)算與碳循環(huán)的能源規(guī)劃流程Fig.3 Energy planning process considering carbon budget and carbon cycle

2.1 能源與碳情景構(gòu)建模塊

1)能源情景構(gòu)建。

驅(qū)動(dòng)因素與故事線分析是情景構(gòu)建的基礎(chǔ)。驅(qū)動(dòng)因素分析的目的，是明確規(guī)劃過程中考慮的影響能源行業(yè)未來發(fā)展的主要因素，這些因素可能包括可再生能源分布式/集中式發(fā)展路徑、能源行業(yè)低碳化趨勢、燃?xì)馐且约淄檫€是氫氣為主等。在此基礎(chǔ)上，考慮驅(qū)動(dòng)因素的不同發(fā)展方向，提出未來能源電力發(fā)展的一系列故事線，作為情景定義的備選方案。

考慮到政府、公眾及相關(guān)企業(yè)等對未來能源情景的巨大影響，備選方案中的能源與碳情景需要面向各利益相關(guān)方進(jìn)行咨詢修正。經(jīng)過政府官員、專家與公眾投票等篩選過程，對情景故事線進(jìn)行消減，得到若干(如3～4個(gè))未來能源發(fā)展情景，定義其溫控目標(biāo)、未來能源電力供需總量發(fā)展趨勢、供需結(jié)構(gòu)等指標(biāo)。

2)碳預(yù)算分配與減排路徑設(shè)置。

根據(jù)不同情景面向的溫控目標(biāo)，采用碳預(yù)算分配方法，將全球碳預(yù)算公平地分配到目標(biāo)國家和地區(qū)?，F(xiàn)有研究提出了眾多分配方案，包括[21-25]：(1)采用各國現(xiàn)有排放規(guī)模；(2)人均排放均等；(3)減排能力；(4)歷史責(zé)任；(5)成本有效性等方案及其組合。以人均排放均等法為例，假設(shè)某地區(qū)人口數(shù)量和全球人口數(shù)量分別Pr和Pw，該地區(qū)的碳預(yù)算Bg,r計(jì)算方法如下。

Bg,w=Bc,w·fcon

(1)

(2)

式中：Bc,w和Bg,w分別為至本世紀(jì)末全球CO2預(yù)算和以CO2當(dāng)量衡量的溫室氣體預(yù)算；fcon為溫室氣體預(yù)算和CO2預(yù)算之間的折算系數(shù)。

碳預(yù)算分配完成后，各地區(qū)的碳減排路徑仍然無法最終確定，需要根據(jù)不同地區(qū)發(fā)展情景及各利益相關(guān)方意見，對碳減排路徑進(jìn)行調(diào)整，即確定未來各個(gè)時(shí)期內(nèi)的減排速度如何變化。

3)碳循環(huán)比例與碳價(jià)設(shè)定。

碳預(yù)算限定了整個(gè)能源系統(tǒng)的對外凈碳排放量，但是在未來燃?xì)夤芫W(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施不進(jìn)行大規(guī)模升級改造的條件下，能源系統(tǒng)對甲烷等碳基燃?xì)馊匀挥休^大需求。為保障該部分需求，可以通過“電制甲烷-甲烷燃燒-CCS”方式，在能源系統(tǒng)內(nèi)部形成一個(gè)可再生能源發(fā)電驅(qū)動(dòng)的小型碳循環(huán)，將碳鎖定在能源系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)，如圖4所示。由于碳循環(huán)主要通過電制甲烷實(shí)現(xiàn)，因此可以通過設(shè)置電制甲烷在所有甲烷消費(fèi)中的占比，調(diào)節(jié)局部碳循環(huán)比例。

圖4 “電力-甲烷”碳循環(huán)示意圖Fig.4 Illustration of carbon cycle between electricity and methane systems

此外，隨著未來碳市場的逐步建立與成熟，碳價(jià)將與能源價(jià)格一樣，成為影響未來能源發(fā)展的重要市場因素。在各情景中，需要根據(jù)情景定義設(shè)定相應(yīng)的未來碳價(jià)。

2.2 終端能源需求與能源供給結(jié)構(gòu)預(yù)測模塊

1)終端能源需求預(yù)測。

對全社會(huì)各行業(yè)的不同類型終端能源需求進(jìn)行預(yù)測。各行業(yè)主要包括居民、商業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、工業(yè)等；不同類型終端能源主要包括電力、燃?xì)?、煤炭、石油等。本文以下?個(gè)行業(yè)為例，說明終端能源需求預(yù)測方法。

居民能源需求預(yù)測，主要考慮照明/動(dòng)力、供熱/制冷兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。在每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，預(yù)測居民對電力、燃?xì)獾榷喾N終端能源的需求量。具體公式如下：

Eres(i)=Elig,res(i)+Epum,res(i)，i=1,…,N

(3)

Elig,res(i),Epum,res(i)～[Ptot,Phom,Shom,ηres(i)]

(4)

式中：Eres(i)是居民對第i個(gè)能源品種的需求量；Elig,res(i)和Epum,res(i)分別是居民照明/動(dòng)力、供熱/制冷對第i個(gè)能源品種的需求量；N為終端能源品種數(shù)量；Ptot是總?cè)丝跀?shù)量；Phom是戶均人口數(shù)量；Shom是戶均可支配收入水平；ηres(i)是第i個(gè)能源品種應(yīng)用于居民領(lǐng)域的能效。式(4)表示該領(lǐng)域能源需求量與人口總量、戶均人口數(shù)、家庭可支配收入水平、能源效率等密切相關(guān)。式(3)—(16)中的數(shù)據(jù)，都為待預(yù)測水平年數(shù)據(jù)，為簡化公式未標(biāo)明具體年份。

商業(yè)能源需求預(yù)測與居民類似，主要考慮照明/動(dòng)力、供熱/制冷兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。具體公式如下：

Ecom(i)=Elig,com(i)+Epum,com(i)，i=1,…,N

(5)

Elig,com(i),Epum,com(i)～[rcag,com,ηcom(i)]

(6)

式中：Ecom(i)是商業(yè)領(lǐng)域?qū)Φ趇個(gè)能源品種的需求量；Elig,com(i)和Epum,com(i)分別是商業(yè)照明/動(dòng)力、供熱/制冷對第i個(gè)能源品種的需求量；rcag,com是商業(yè)的復(fù)合增長率；ηcom(i)是第i個(gè)能源品種在商業(yè)中應(yīng)用的能效。式(6)表示該領(lǐng)域能源需求量與商業(yè)復(fù)合增長率、能源效率等密切相關(guān)。

交通運(yùn)輸能源需求預(yù)測，主要考慮陸上客運(yùn)、貨運(yùn)、航空、水運(yùn)這4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。具體公式如下。

Etra(i)=Epas(i)+Efre(i)+Eavi(i)+

Eshi(i)，i=1,…,N

(7)

(8)

式中：Etra(i)是交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)Φ趇個(gè)能源品種的需求量；Epas(i)、Efre(i)、Eavi(i)、Eshi(i)分別是陸上客運(yùn)、貨運(yùn)、航空、水運(yùn)這4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ趇個(gè)能源品種的需求量；dpas、dfre、davi、dshi分別是4個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)輸需求，單位可以是人/a、t·km/a等等；spas(i)、sfre(i)、savi(i)、sshi(i)分別是4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的單位運(yùn)輸需求對第i個(gè)能源品種的需求量；ηpas(i)、ηfre(i)、ηavi(i)、ηshi(i)分別是4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用第i個(gè)能源品種的能效。式(8)表示這4個(gè)領(lǐng)域第i個(gè)能源品種的需求量與運(yùn)輸需求、單位運(yùn)輸量能源需求、能源效率等密切相關(guān)。

工業(yè)能源需求預(yù)測，需要分別對各工業(yè)門類(如化工、冶金等)進(jìn)行預(yù)測，每個(gè)門類的預(yù)測過程中，還需要對該門類的不同用能過程進(jìn)行分析，具體公式如下。

(9)

Ej(i)=∑Ej,k(i),k∈Φ

(10)

Ej,k(i)～[rcag,j,ηj,k(i)]

(11)

式中：Eind(i)是工業(yè)對第i個(gè)能源品種的需求量；Ej(i)是工業(yè)的第j個(gè)門類對第i個(gè)能源品種的需求量；Ej,k(i)是工業(yè)的第j個(gè)門類的過程k對第i個(gè)能源品種的需求量；Φ是工業(yè)用能過程的集合，包括空間加熱、過程加熱、非能利用等；rcag,j是第j個(gè)門類的復(fù)合增長率；ηj,k(i)是第j個(gè)門類的過程k在使用第i個(gè)能源品種時(shí)的能效。式(4)表示該過程能源需求量與行業(yè)門類復(fù)合增長率、能源效率等密切相關(guān)。

2)能源供給結(jié)構(gòu)預(yù)測。

能源供給結(jié)構(gòu)預(yù)測部分，需要在能源與碳情景定義的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化或量化能源供給結(jié)構(gòu)指標(biāo)。在電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)子模塊，需要明確未來各時(shí)間點(diǎn)煤電、核電等的限制裝機(jī)比例或發(fā)電量的上下限，可再生能源發(fā)電占比上下限，以及CCU/S的配置原則等；在燃?xì)夤?yīng)結(jié)構(gòu)模塊，需要明確本地燃?xì)狻⑦M(jìn)口燃?xì)獗壤秶?，甲烷、氫氣比例范圍等等。能源供給結(jié)構(gòu)預(yù)測數(shù)據(jù)將作為能源平衡仿真模塊與電力平衡仿真模塊規(guī)劃的邊界條件。

2.3 能源平衡仿真模塊

在確定各品種終端能源需求、電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)規(guī)模的基礎(chǔ)上，基于能源平衡方程進(jìn)行仿真。考慮碳約束與碳循環(huán)的能源平衡方程，需要滿足的等式和不等式約束如式(12)—(16)所示。

ETES(i)=Epro(i)+Eimp(i)-Eexp(i)-Esc(i)

(12)

ECOS(i)=Etra(i)+Edem(i)+Eloss(i)

(13)

ETES(i)=ECOS(i)

(14)

(15)

Rc,min≤Ech4,ele/Ech4,con≤Rc,max

(16)

式中：ETES(i)為第i個(gè)能源品種供給量；Epro(i)，Eimp(i)，Eexp(i)，Esc(i)分別為該能源品種的生產(chǎn)量、進(jìn)口量、出口量、庫存增加量；ECOS(i)為第i個(gè)能源品種消費(fèi)量；Etra(i)為第i個(gè)能源品種轉(zhuǎn)化為其他能源品種的量；Edem(i)為第i個(gè)能源品種的終端需求量；Eloss(i)為第i個(gè)能源品種的損耗量；Ci是第i個(gè)能源品種生產(chǎn)與消費(fèi)過程的碳排放量；Cb是能源領(lǐng)域碳預(yù)算；Ech4,ele為電制甲烷量；Ech4,con為甲烷消費(fèi)量；Rc,max和Rc,min分別為為碳循環(huán)比例上下限。式(12)表示第i個(gè)能源品種供給來源，式(13)表示第i個(gè)能源品種的流向，式(14)表示第i個(gè)能源品種的供給與消費(fèi)保持平衡，式(15)表示能源相關(guān)碳排放滿足碳預(yù)算約束，式(16)表示電制甲烷生產(chǎn)量需要滿足碳循環(huán)比例約束。能源平衡方程中的各類型能源，在計(jì)算時(shí)需要折算成統(tǒng)一單位，如標(biāo)準(zhǔn)煤或標(biāo)準(zhǔn)油。

能源平衡仿真的目的，是針對各類型終端能源需求，計(jì)算需要的各種一次能源供給量以及相應(yīng)的CO2排放量或吸收量，并理清各品種能源、各領(lǐng)域之間的能量流動(dòng)情況。

2.4 電力仿真與燃?xì)夥抡婺K

電力仿真模塊與燃?xì)夥抡婺K，分別針對不同情景下的電力需求曲線、燃?xì)庑枨笄€供給充裕度進(jìn)行仿真。隨著P2G和燃?xì)獍l(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大，未來能源平衡仿真模塊、電力仿真模塊、燃?xì)夥抡婺K的耦合性將不斷增強(qiáng)。為保證規(guī)劃結(jié)果的一致性，需要從5個(gè)方面進(jìn)行結(jié)果校核：1)電力仿真模塊的電源出力曲線與能源平衡仿真模塊的發(fā)電量一致；2)燃?xì)夥抡婺K的燃?xì)夤┙o曲線與能源平衡仿真模塊的燃?xì)夤┙o量一致；3)電力仿真模塊的P2G燃?xì)猱a(chǎn)量與燃?xì)夥抡婺K的P2G燃?xì)夤┙o一致；4)燃?xì)夥抡婺K的發(fā)電燃?xì)庀M(fèi)量與電力仿真模塊的燃?xì)獍l(fā)電燃?xì)庀M(fèi)量一致；5)電力仿真模塊、燃?xì)夥抡婺K的能源結(jié)構(gòu)與故事線一致，且碳排放量滿足碳預(yù)算約束、電制甲烷占比滿足碳循環(huán)比例約束。

3 與其他能源規(guī)劃方法的對比

為進(jìn)一步說明本文方法的特點(diǎn)，本章從規(guī)劃目標(biāo)、研究范式、碳約束、市場因素4個(gè)角度，將其與傳統(tǒng)能源規(guī)劃方法、歐洲TYNDP方法進(jìn)行了對比，如表1所示。

表1 本文能源規(guī)劃方法與其他方法對比Table 1 Comparison among different energy planning methods

規(guī)劃目標(biāo)方面，傳統(tǒng)能源規(guī)劃方法主要關(guān)注能源安全以及提高能源供給的經(jīng)濟(jì)性[26]，部分規(guī)劃會(huì)關(guān)注能源領(lǐng)域碳排放[27]，但是對于保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、應(yīng)對氣候變化三者之間的相互協(xié)調(diào)較少涉及。近年來全球環(huán)保意識的增強(qiáng)以及氣候變化影響的加劇，為將氣候因素納入規(guī)劃目標(biāo)提供了條件[28]。因此，歐洲TYNDP方法、本文方法都在碳中和條件下，考慮了應(yīng)對氣候變化與滿足能源供需這兩個(gè)目標(biāo)的相互協(xié)調(diào)。

研究范式方面，傳統(tǒng)能源規(guī)劃方法多采用“技術(shù)-經(jīng)濟(jì)模型”，考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對未來能源供需進(jìn)行分析，部分方法中設(shè)定了不同能源發(fā)展情景，采用“給定故事線的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)模型”進(jìn)行分析[29]。但是，這些模型較少考慮政府、公眾、上下游行業(yè)等利益相關(guān)方對于未來能源情景的巨大影響。實(shí)際的能源規(guī)劃有必要考慮各利益相關(guān)方的訴求驅(qū)動(dòng)，如歐洲TYNDP方法和本文方法中，在情景故事線制定過程都參考了各方意見對其進(jìn)行修正。

碳約束與市場因素方面，目前大部分能源規(guī)劃方法并未在規(guī)劃中明確提出碳預(yù)算約束指標(biāo)及其計(jì)算方法[10-15]，歐洲TYNDP方法計(jì)及了《巴黎協(xié)定》溫控目標(biāo)下的碳預(yù)算，但是其不同情景在同一碳預(yù)算下的碳減排路徑幾乎完全相同，即未考慮碳減排路徑的差異性。本文方法在計(jì)及碳預(yù)算的基礎(chǔ)上，考慮了不同減排路徑對未來能源情景的影響，以及能源系統(tǒng)內(nèi)部的碳循環(huán)。此外，歐洲TYNDP方法與本文方法均考慮了碳價(jià)等碳市場因素對能源規(guī)劃的影響。

4 對碳中和目標(biāo)下能源規(guī)劃的建議

1)在《巴黎協(xié)定》溫控目標(biāo)下實(shí)現(xiàn)能源電力碳中和，需要考慮碳預(yù)算問題。

目前，世界上許多國家已經(jīng)提出了適合本國國情的國家自主貢獻(xiàn)(national determined contributions，NDC)目標(biāo)。將NDC作為邊界條件或優(yōu)化目標(biāo)，開展能源規(guī)劃，是一種契合各國實(shí)際發(fā)展情況的規(guī)劃方法。然而就全球而言，NDC是一種自下而上的溫室氣體減排承諾，各國NDC目標(biāo)的疊加，難以確定性地滿足全球溫控目標(biāo)下的碳預(yù)算，即全球溫控目標(biāo)有可能無法達(dá)成。

由于累積碳排放與全球溫升之間呈近似線性關(guān)系，未來在《巴黎協(xié)定》溫控目標(biāo)下開展能源規(guī)劃，碳預(yù)算及其分配是一個(gè)難以繞開的話題。但是，考慮到各國之間發(fā)展階段的差異、碳預(yù)算分配方式的爭議性等因素，基于全球碳預(yù)算分配的能源規(guī)劃，有可能面臨諸多挑戰(zhàn)，例如發(fā)達(dá)國家與發(fā)展中國家的碳減排責(zé)任難以厘清，如果分配失當(dāng)，碳預(yù)算有可能演變?yōu)槭`發(fā)展中國家發(fā)展的一把枷鎖。

2)開展碳中和條件下的能源規(guī)劃，需要考慮戰(zhàn)略三角、能源三角內(nèi)部的協(xié)調(diào)，并平衡國內(nèi)、國外兩個(gè)市場。

經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、能源供給充裕、應(yīng)對氣候變化，是開展碳中和條件下能源規(guī)劃的三大戰(zhàn)略目標(biāo)，如圖5所示。在傳統(tǒng)發(fā)展模式下，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將帶來化石能源需求的增加以及溫室氣體排放量的增長，化石能源需求的持續(xù)增加將引起能源供需失衡，溫室氣體排放量的增長會(huì)加速全球氣候變暖；如果限制溫室氣體排放，則會(huì)帶來化石能源供給不足，或者增加全社會(huì)減排成本，拖累經(jīng)濟(jì)增長，即經(jīng)濟(jì)、能源、氣候三大戰(zhàn)略目標(biāo)難以同時(shí)滿足。因此，未來能源規(guī)劃要考慮各種新技術(shù)和新理念的創(chuàng)新、發(fā)展與應(yīng)用，探索低碳、成本可接受的能源發(fā)展之路，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)向可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)、能源、氣候三者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長與能源消費(fèi)、能源消費(fèi)與碳排放之間的“雙脫鉤”。

在終端能源消費(fèi)領(lǐng)域，結(jié)合現(xiàn)有研究成果及技術(shù)成熟度，可以預(yù)見，由電力、氫能、甲烷組成的能源三角可能是未來終端能源消費(fèi)的主要發(fā)展方向。電力、氫能、甲烷可以通過其他形式的能源(如核能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等)轉(zhuǎn)化而來，這三者之間也可以相互轉(zhuǎn)化，如圖5所示。在能源規(guī)劃過程中，未來電力、氫能、甲烷在終端能源消費(fèi)中的占比，以及相互之間的轉(zhuǎn)化規(guī)模與途徑，將很大程度上影響能源發(fā)展情景或發(fā)展路徑。此外，未來電力、氫能、甲烷的國內(nèi)生產(chǎn)、國外進(jìn)口比例，是影響能源安全指標(biāo)的重要因素。因此，能源規(guī)劃中需要結(jié)合各地區(qū)終端能源生產(chǎn)與消費(fèi)特點(diǎn)，平衡國內(nèi)、國外能源供需市場，選擇合適的能源發(fā)展情景。

圖5 戰(zhàn)略三角和能源三角示意圖Fig.5 Illustration of strategic and energy triangles

3)需要不斷增強(qiáng)能源規(guī)劃與電力規(guī)劃的耦合。

在碳減排壓力不斷增大以及電能替代、清潔替代持續(xù)推進(jìn)的背景下，考慮到電力與其他能源(如燃?xì)?存在能量、物質(zhì)與碳耦合，能源規(guī)劃到電力規(guī)劃的單向數(shù)據(jù)傳遞模式，或者開展單一的電力行業(yè)規(guī)劃，將面臨日益復(fù)雜的邊界條件對接問題。

一方面，在全球溫控目標(biāo)或各國碳中和目標(biāo)下，碳排放量是能源規(guī)劃中的重要約束條件。若能源規(guī)劃中的電力部門僅考慮發(fā)電量、用電量，卻不考慮電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式，則難以得到較為可信的電力部門碳排放量數(shù)據(jù)，而電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬通常需要在電力規(guī)劃中完成。因此需要電力規(guī)劃與能源規(guī)劃之間多頻次傳遞碳排放量數(shù)據(jù)。

另一方面，隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)光等波動(dòng)性可再生能源滲透率不斷提高，在電力規(guī)劃時(shí)采用基于運(yùn)行模擬的電力系統(tǒng)仿真將逐漸成為趨勢，為保證能源規(guī)劃與電力規(guī)劃的一致性，需要將能源規(guī)劃中計(jì)算得到的用電量、電力部門發(fā)電量，與電力規(guī)劃中的用電量、發(fā)電量曲線進(jìn)行匹配。此外，在能源規(guī)劃中，P2G是溝通燃?xì)獠块T與電力部門、實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，P2G的規(guī)模與運(yùn)行方式將直接影響電力規(guī)劃中的用電量曲線與電源出力曲線，以及能源系統(tǒng)碳循環(huán)比例。

因此，未來能源規(guī)劃與電力規(guī)劃的耦合性將不斷增強(qiáng)，需要開展更為深入、頻繁的能源規(guī)劃與電力規(guī)劃迭代。

4)碳價(jià)將是影響碳預(yù)算、碳減排路徑實(shí)現(xiàn)與否的重要因素。

碳價(jià)是影響未來能源發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳預(yù)算目標(biāo)的重要調(diào)節(jié)手段，有以下原因：(1)碳交易市場是一個(gè)由人為規(guī)定而形成的市場，政策引導(dǎo)、交易規(guī)則的變化等對碳價(jià)的形成有很大影響，能源氣候政策可以通過碳價(jià)傳導(dǎo)到能源消費(fèi)環(huán)節(jié)；(2)碳價(jià)在很大程度上反映了碳排放指標(biāo)在市場上的相對稀缺性，通過提高碳價(jià)反映碳排放指標(biāo)的不足，可在一定程度上對碳排放需求形成抑制。

可以預(yù)見，隨著碳市場的逐步建立，碳價(jià)將是影響可再生能源發(fā)展方向、決定碳預(yù)算和碳減排路徑能否實(shí)現(xiàn)的重要因素。未來能源規(guī)劃中，在不同情景之間是設(shè)置相同的碳價(jià)還是不同的碳價(jià)，值得進(jìn)行探討。

5 結(jié) 語

本文分析了碳中和與碳預(yù)算之間的相關(guān)性，提出了實(shí)現(xiàn)碳中和的多種碳減排路徑，之后提出了碳中和目標(biāo)下考慮碳預(yù)算與碳循環(huán)的能源規(guī)劃方法。與傳統(tǒng)能源規(guī)劃方法相比，本文方法考慮了各利益相關(guān)方訴求、碳預(yù)算約束、碳市場對未來能源供需的影響。與歐洲TYNDP方法相比，本文方法增加考慮了碳減排路徑的差異性，以及能源系統(tǒng)內(nèi)部碳循環(huán)的影響。

鑒于累積碳排放與全球溫升之間呈近似線性關(guān)系，開展面向碳中和的能源規(guī)劃，碳預(yù)算及其分配是一個(gè)難以回避的話題?？紤]到電力與其他能源(如燃?xì)?存在能量、物質(zhì)與碳耦合，為推動(dòng)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)一步增強(qiáng)能源規(guī)劃與電力規(guī)劃的迭代和融合。