基于能源利用的碳脉分析

发布时间：2020-05-19 07:19

【摘要】：能源是碳的载体,煤是碳的最主要载体。长期以来,煤炭、石油和天然气等化石能源始终占据着全球能源生产和消费的90%左右。化石能源在大力推进人类现代文明的同时,其燃烧后所产生的二氧化碳也成为全球人为温室气体排放的最主要来源。在美国等发达国家,能源利用相关二氧化碳的排放占全社会二氧化碳排放总量的90%以上,占温室气体排放总量的75%以上。鉴于富煤缺油少气的能源资源禀赋和燃煤发电为主的能源消费模式,我国将不得不延续煤为基础的能源生产与消费格局。若按现有生产生活方式发展,煤炭在我国能源构成中的比重仍会长期维持在70%左右,同时更为需要关注的是煤炭利用相关二氧化碳排放占全社会二氧化碳排放总量的比重不仅会快速地超过70%,而且还会呈现进一步上升的态势。因此,与煤炭等化石能源利用相关的温室气体排放量估算的准确性,将对中国温室气体排放量估算的准确性影响很大,与国家利益息息相关,要特别给予重视。能源利用是中国的大问题,关系国计民生；温室气体清单编制和碳脉分析是减缓和适应全球气候变化、推进低碳发展的现实基础与主要抓手。本文初次尝试将国际前沿的能流碳脉分析理论和经典的数学建模方法与中国特别是上海的能源利用实践进行多层次的融合与贯通,是笔者对能源利用技术与规律、清单编制通则与个案、碳脉传承表象与实质等关键性问题长期思考和深入研究之后的心得与认识,目前研究工作还在继续,本论文只是一个阶段性的成果。与以往的能源利用与碳排放问题研究相比,本论文在理论体系和研究方法上做了一些突破和创新。一、技术路线与数模构建 (一)实证分析路线。基于现场数据和专家的分析判断,具体、直观、可操作,主要服务于课题研究和政府的决策需求。依托国际国内权威机构、管理部门以及实地调研收集的一手数据和资料,借助所在团队有关能源利用、清单编制、碳脉分析的长期积累和深厚资源,本文初步完成美国、中国、上海能源利用状况与规律以及温室气体清单编制特别是煤炭潜在碳排放因子等领域的分析、论证。主要为第三章、第四章和第五章,也是笔者结合资源、环境经济学相关理论对现实问题的进一步观察、思考、学习和总结。 (二)数学建模路线。基于LEAP模型、情景分析、趋势外推等数学建模思想和工具,方法科学、数据透明、格式一致、结果可比,重在学术理论研究。依据国家和上海市的相关统计文献,本论文采用数学建模法对上海能源的历史、现状进行量化分析,特别就直到2050年的发展进行情景分析,全新构建完成上海能源消费与碳排放LEAP-Shanghai模型,历经一年多的改造、试用、调整、验证,现已形成比较理想的三大综合情景和九个子情景,模型运行结果达到预期,可以根据需要模拟仿真2000-2050年之间各个年份上海能源利用与碳排放情景,能够为技术选型、政策制定提供数据支撑和决策依据。参数遴选、模型构建、结果输出集中体现于第六章,是本文精华、亮点和主要功夫与创新点所在,也是笔者近六年硕博连读、数十项课题铺垫之后的学术追求及所得。二、核心观点与基本判断 ◇得益于多项课题参与的认知与判断： (一)基于能源利用的碳脉分析和碳脉图,能够直观、清晰地描述能源与环境之间的定量关系,为编制各层级温室气体排放清单提供系统、可靠的估算方法和工具,为碳管理和碳减排政策的制定提供理论依据和数据支撑。 (二)煤炭是我国能源利用之CO2排放的主体。其中,电力、冶金、建材和化工等主要耗煤行业是我国煤炭利用之CO2排放的关键源；交通运输业是我国石油利用之CO2排放的关键源。 (三)我国煤为基础与欧美油气为主的能源结构截然不同,加之煤炭分类标准与欧美标准差异。要求我们必须立足于中国国情,同时结合国际标准,建立生产侧与消费侧配套的、与国际对接的分类转换标准,以便于我国排放清单的编制。 ◇本论文的研究表明： (四)中短期内能源消费与碳排放增长的态势难以逆转,2040年左右可能出现峰值,上海将早于全国。 LEAP-Shanghai模型运行结果显示,不论是基准情景下的惯性发展,还是减排情景和强化减排情景下的多政策干预,上海能源消费总量与碳排放总量均呈上升趋势,且这一趋势在中短时期内仍难以逆转。只有在强化减排情景下,2040年左右上海能源消费达到1.5亿吨标煤、二氧化碳排放达到2.5亿吨的峰值之后才会缓慢下降,全国的峰值时段晚于上海。 (五)强化节能减排的政策和执行力是控制能源消费总量增长的基本原则和有效手段。 LEAP-Shanghai模型就基准情景运行结果显示,按照目前的惯性发展,2050年上海能源消费总量将达到3.7亿吨标准煤,为当前能源消费量的3.4倍；能源利用相关二氧化碳排放量将达到6.5亿吨,为当前排放量的4.3倍。如此高的能源需求和碳排放量将给上海乃至全国的可持续发展以及能源的供应安全带来更大的问题与挑战,也是生态环境和国际社会所无法承受的。 (六)摒弃GDP至上,保持经济适度增长是降低能源消费与碳排放增长的现实基础与依托。 LEAP-Shanghai模型子情景的节能减排贡献水平模拟结果显示,适当控制GDP增长速度,使其每阶段增长率比基准情景降低1%,则到2050年将节能9200万吨标准煤/年,占强化减排情景节能总量的37%；累计节能量达到19.7亿吨标煤。这意味着即使不采取其他节能减排手段,仅仅在经济增长速度上做适当的调整,对能源消费总量控制和二氧化碳减排的作用就将十分显著。 (七)转变生活方式是从需求侧减少能源碳排放的直接动力和长期潜力。居民生活相关能源消费主要与建筑物和交通工具相关。随着人民生活水平的提高,建筑物和交通部门将逐渐成为能源需求和碳排放增长的主要来源。强化减排情景下居民住宅和第三产业建筑物能耗占比从2010年的15%增长到2050年的20%,交通部门能耗占比则从20%增至70%。LEAP-Shanghai模型子情景相关贡献率显示,当居民的能源消费更趋于理性化与节约化,即不盲目追求居住面积或豪华住宅、增加节能电器的使用率、养成良好的用能习惯、减缓私人轿车保有量的增长速度、倡导公共交通等低能耗出行方式等,到2050年生活方式的转变将比基准情景节能6200吨标准煤/年,占强化减排情景节能总量的26%,累计节能量达11.7亿吨标准煤。 (八)清洁能源替代是从供应侧减少能源碳排放的本源性、革命性手段和途径。 LEAP-Shanghai模型情景分析显示,在能源加工转换阶段,将煤炭在发电结构中的比例从目前的90%以上降低到50%以下,天然气和可再生能源占比则增大到45%以上；在终端能源利用阶段,大力发展混合动力汽车、CNG汽车、电动汽车等新能源汽车,铁路电气化率进一步提高,用电力、天然气大幅替代第三产业和居民生活中的煤炭。到2050年,仅实施清洁能源替代措施就可实现碳减排1400万吨/年。本文之模型对未来清洁能源替代的规模做了较为保守的估计,随着电力需求占比不断增长,华东电网等外来电中水电和核电比例将会显著提升,预计未来清洁能源替代的减排贡献还会进一步扩大。三、主要成果与创新点 (一)基于LEAP平台,笔者全新构建完成LEAP-shanghai模型,实现2010年、2020年、2030年、2050年等节点年份的上海能源利用与碳脉模拟仿真。 (二)以多学科交叉的视角和方法,首次尝试将“碳脉”这一存在于能源、环境、经济等系统的隐性问题显性化,通过碳脉图的直观表达,寻求碳减排政策的有效途径与解决方案。本文首次完成并可按需求自动绘制2000-2050年各个年份的上海碳脉图,并可通过参数的调整动态展示、诊断上海历年的碳脉景象。 (三)本论文在充分运用成熟系统仿真技术的基础上,将碳脉分析方法与能源利用之CO2排放相结合,构建适合我国国情的碳脉模型与政策模型。其主要创新在于：①全新的思想方法和分析工具；②全新的政策遴选模式与方法。基于能源利用的碳脉分析,可以通过对进入系统中碳元素运行轨迹的全程模拟分析,系统、直观地反映能源利用过程中CO2生成的机理与路径,明晰碳排放节点和减排潜力；将碳脉分析方法应用于基准情景、减排情景、强力减排情景,在对不同经济社会状况和技术条件下的CO2排放情景预测的基础上,进行碳脉动态模拟,绘制出不同情景下能源利用的碳脉图,不仅在理论上是一种尝试、一种创新,而且在实践中也能够为技术选型和政策制定提供多维、直观的决策依据。考虑到能源系统的复杂性,以及其变化、转型的长期性,就任何一项新系统、新技术的研究、开发,以及示范和商业应用而言,都要及早安排,否则将会带来不可逆转的损失。中国是世界上最具潜力、新兴的能源市场之一,基础设施和发展模式尚未完全定型。因此,选择具有比较优势的能源技术路线和生产生活方式,中国比美国等发达国家更为易行、更为现实,代价也要小的多。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：F426.2;F205;F224

【引证文献】