陸潘濤 韓亞龍 戴瀚程,?

1.5oC和2oC目標(biāo)下中國(guó)交通部門2050年的節(jié)能減排協(xié)同效益

陸潘濤1韓亞龍2戴瀚程1,?

1.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100871; 2.日本東京工業(yè)大學(xué), 東京 152-8552;?通信作者,E-mail: dai.hancheng@pku.edu.cn

利用能源系統(tǒng)模型 IMED|TEC, 構(gòu)建可實(shí)現(xiàn) 2oC 和 1.5oC 溫升目標(biāo)的碳約束情景(2 度情景和 1.5 度情景), 分析中國(guó)交通部門低碳化的能源結(jié)構(gòu)變化和空氣污染改善的協(xié)同效益。研究結(jié)果表明, 2oC 和 1.5oC 溫升目標(biāo)下, 2050 年能源消耗比基準(zhǔn)情景分別下降 12%和 33%, 能源結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的油制品占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變成使用更清潔的生物質(zhì)能, 甚至電能和氫能。2 度情景下生物質(zhì)能占總能耗的 35%, 而在 1.5 度情景下, 氫能、電能和生物質(zhì)能占總能耗的 67%以上。同時(shí), 中國(guó)交通部門脫碳能夠帶來(lái)顯著的空氣污染物減排協(xié)同效益。2 度情景下, 到 2050 年 CO2排放量減少 38%, 對(duì)應(yīng)交通部門主要排放空氣污染物 NOx, SO2和 PM2.5分別減排 35%, 34%和 38%。1.5 度情景下, 污染物減排量是 2 度情景的兩倍以上, 但對(duì)于航空部門和水運(yùn)部門, 其污染物減排量較小。

1.5oC和2oC溫升目標(biāo); 中國(guó)交通部門; 碳減排; 空氣污染物減排; 協(xié)同效益

2015 年巴黎氣候變化大會(huì)通過(guò)《巴黎協(xié)定》, 設(shè)定將本世紀(jì)全球平均溫度上升幅度控制在 2oC 以內(nèi), 并盡量達(dá)到溫升 1.5oC 以內(nèi)的目標(biāo)[1]。當(dāng)溫升超過(guò) 1.5oC, 甚至達(dá)到 2oC 時(shí), 會(huì)造成更具破壞性的后果, 諸如棲息地喪失和海平面上升等, 嚴(yán)重威脅人類的生存[2]。為了達(dá)到 2oC 或 1.5oC 目標(biāo), 當(dāng)務(wù)之急是采取措施控制溫室氣體排放。在眾多的能源終端部門中, 交通部門作為溫室氣體排放的“大戶”, 2016 年貢獻(xiàn)了全球 CO2總排放量的 25%, 其中道路交通占總交通部門排放的 74%[3]。交通部門在排放CO2的同時(shí), 也排放大量的空氣污染物, 造成嚴(yán)重的空氣污染。全球一次污染物排放中, 交通部門占NOx排放的一半以上, 并且貢獻(xiàn) 25%的 SO2和 10%的一次 PM2.5排放[4]。

作為全球最大的溫室氣體排放國(guó), 中國(guó)在巴黎氣候大會(huì)上提出在 2030 年左右讓 CO2排放達(dá)到峰值, 并承諾與 2005 年相比, 單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的CO2排放降低 60%~65%, 非化石能源占一次能源消費(fèi)的比例增至 20%左右。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo), 中國(guó)政府需要采取一系列節(jié)能減排措施來(lái)降低碳排放量。2014 年, 中國(guó)交通運(yùn)輸能耗只占總終端能耗的13.7%, 低于發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)(20%~40%), 同時(shí), 我國(guó)人均交通用能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家 0.6 噸標(biāo)準(zhǔn)油的人均用能水平[5]。然而, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 我國(guó)交通部門能源消耗將進(jìn)一步增加, 進(jìn)而導(dǎo)致大量的碳排放以及空氣質(zhì)量的惡化。與此同時(shí), 石油需求的增加也會(huì)對(duì)中國(guó)的能源安全造成威脅。2016 年, 中國(guó)交通部門碳排放占據(jù)中國(guó)總排放的 32%[3]。為了實(shí)現(xiàn)交通部門低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo), 中國(guó)政府采取一系列措施, 并發(fā)布一攬子政策, 以期降低溫室氣體排放, 交通部門是重要減排對(duì)象。在十二五規(guī)劃中, 中國(guó)政府督促交通部門實(shí)施可持續(xù)發(fā)展, 并在城市中倡導(dǎo)公共交通出行。

本研究搭建中國(guó)全交通部門的 IMED|TEC 模型, 評(píng)估在 2oC 和 1.5oC 溫升目標(biāo)下, 到 2050 年中國(guó)交通部門脫碳的能源消耗和污染物排放的協(xié)同效益。

1 相關(guān)研究

實(shí)施低碳轉(zhuǎn)型政策有助于交通行業(yè)的節(jié)能減排和空氣污染物排放的減少。Wang 等[6]構(gòu)建 TMOTEC (Transportation Mode-Technology-Energy-CO2)模型來(lái)評(píng)估提高燃油經(jīng)濟(jì)性、推行電動(dòng)汽車、征收燃油稅和碳稅等政策和措施對(duì)交通部門能耗和碳排放的影響, 發(fā)現(xiàn)實(shí)施這些政策后, 中國(guó)交通行業(yè)的能耗將在 2045 年達(dá)峰, 而 CO2排放量將在 2042 年左右達(dá)峰, 之后穩(wěn)步下降。Wen 等[7]發(fā)現(xiàn), 到 2020 年, 不同減排措施對(duì)中國(guó)交通部門的減排潛力為 0.96~ 5.15 億噸 CO2, 并且, 推行清潔能源技術(shù)是最有效的減排措施, 可以使減排幅度達(dá)到 70%。Hao 等[8–9]的評(píng)估表明, 不同的減排措施均能有效地降低中國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)交通部門的能源消費(fèi)和溫室氣體排放。

對(duì)交通部門實(shí)施低碳減排措施也會(huì)帶來(lái)空氣污染改善的協(xié)同效益。Selvakkumaran 等[10]發(fā)現(xiàn), 實(shí)施不同強(qiáng)度的低碳政策和碳稅, 對(duì)泰國(guó)交通部門節(jié)能減排和空氣污染改善有顯著的協(xié)同效益。Peng等[11]發(fā)現(xiàn), 實(shí)施包括“十二五”交通發(fā)展規(guī)劃在內(nèi)的綜合措施, 能夠大幅降低天津市交通部門的能源消耗、溫室氣體排放和空氣污染物排放。Mittal 等[12]評(píng)估2oC 目標(biāo)下的低碳政策對(duì)印度客運(yùn)交通部門空氣污染物減排的影響, 發(fā)現(xiàn)雖然實(shí)施低碳政策后不同地區(qū)碳排放強(qiáng)度不一樣, 但對(duì)空氣污染物減排都有顯著的協(xié)同效益。Dhar 等[13]則評(píng)估 2oC 溫升目標(biāo)下的低碳政策對(duì)印度全交通部門的協(xié)同效益, 發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 2oC 溫升可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)后, 可以顯著改善印度的能源安全、降低空氣污染物排放和減少 CO2累積排放。Schnell 等[14]發(fā)現(xiàn), 提高道路交通的電動(dòng)汽車滲透率有助于改善美國(guó)的空氣質(zhì)量, 尤其是降低 O3和 PM2.5濃度。

目前的研究幾乎都是關(guān)注 2oC 溫升目標(biāo)下交通部門節(jié)能減排和污染物排放減少的協(xié)同效益, 并且主要關(guān)注交通行業(yè)的子部門, 或者只涉及客運(yùn)或貨運(yùn)部門。對(duì)中國(guó)的研究大多關(guān)注交通部門的低碳排放路徑, 對(duì)空氣污染減排等其他協(xié)同效益的研究較少, 并且缺乏對(duì) 1.5oC 溫升目標(biāo)下中國(guó)交通全部門低碳政策對(duì)空氣污染改善效果的分析。

鑒于上述背景, 本研究利用使交通部門總成本最優(yōu)化的模型來(lái)模擬各種運(yùn)輸技術(shù)的相互競(jìng)爭(zhēng)來(lái)進(jìn)行技術(shù)選擇, 同時(shí)綜合考慮中國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 使之更具有現(xiàn)實(shí)政策含義。

2 方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 模型方法

IMED|TEC 模型是一個(gè)擁有豐富技術(shù)細(xì)節(jié)的自底向上動(dòng)態(tài)遞歸模型, 其核心思想是多約束條件下的單目標(biāo)優(yōu)化, 可用于評(píng)估清潔能源替代、能源/資源稅、碳稅、產(chǎn)能淘汰和補(bǔ)貼等一系列政策的實(shí)施效果。IMED|TEC 模型在滿足一系列約束條件和未來(lái)能源服務(wù)需求基礎(chǔ)上, 以成本最小化為優(yōu)化目標(biāo), 選擇多組技術(shù)中最優(yōu)的一組技術(shù)。模型的目標(biāo)函數(shù)為

其中, TC 表示能源系統(tǒng)總成本, CC表示技術(shù)的固定投資成本, OC表示技術(shù)的運(yùn)行和維護(hù)成本, EC表示技術(shù)的能源使用成本,Q表示溫室氣體或污染物氣體的排放量, TAX表示溫室氣體或污染物氣體的排放稅,E表示能源的消耗量, TAXE表示能源的能源稅,表示投資貼現(xiàn)率,表示技術(shù)的使用壽命。

IMED|TEC 模型的約束條件包括排放量約束、服務(wù)需求約束、技術(shù)滲透率約束、技術(shù)運(yùn)行情況約束和資源可利用量約束等。

服務(wù)需求約束是所有技術(shù)產(chǎn)生的服務(wù)需求量需要大于外生的總服務(wù)需求量, 計(jì)算公式為

SD()≤∑(,) ?(), (2)

其中, SD()表示服務(wù)需求的服務(wù)需求量,(,)表示技術(shù)產(chǎn)出的單位服務(wù)需求的服務(wù)需求量,()表示正在運(yùn)行的技術(shù)的數(shù)量。

已經(jīng)運(yùn)行的技術(shù)存量的動(dòng)態(tài)變化用式(3)計(jì)算, 技術(shù)的壽命符合韋伯分布(Weibull distribution)。

最大的排放量約束條件為

能源與資源使用也有約束, 所有技術(shù)的能源使用量有最大和最小的限制:

約束條件中也包括技術(shù)運(yùn)行情況約束, 即單項(xiàng)技術(shù)在全部技術(shù)中的比例也受設(shè)置的最大和最小比例約束:

與諸多能源系統(tǒng)優(yōu)化模型類似, IMED|TEC 模型的模擬流程是對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)流程的逆推: 1)由外部的模型或情景分析得出未來(lái)的服務(wù)需求; 2)在滿足服務(wù)需求的基礎(chǔ)上, 優(yōu)化選擇生產(chǎn)技術(shù); 3)計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能源量、碳排放量和污染物排放量。因此, 模型的輸出結(jié)果為行業(yè)目標(biāo)年的能耗、二氧化碳和污染物排放量。

本研究中的交通部門包括道路、鐵路、水路和航空的客運(yùn)和貨運(yùn)交通以及管道運(yùn)輸部門, 其內(nèi)部的交通服務(wù)需求根據(jù)各子部門的客運(yùn)貨運(yùn)、能源使用和車輛使用來(lái)分類。交通服務(wù)需求在道路交通部門中可分為客運(yùn)汽車、客運(yùn)柴油車、客運(yùn)公共汽車、小型貨運(yùn)卡車和大型貨運(yùn)卡車, 在鐵路交通部門中可分為電力客運(yùn)火車、電力貨運(yùn)火車、柴油客運(yùn)火車和柴油貨運(yùn)火車, 在水路交通部門中可分為國(guó)內(nèi)和國(guó)際水路客運(yùn)和貨運(yùn), 在航空部門中可分為國(guó)內(nèi)和國(guó)際航空客運(yùn)和貨運(yùn), 管道運(yùn)輸部門的服務(wù)需求為管道運(yùn)輸量。本文不考慮水路運(yùn)輸部門和航空部門的國(guó)際客貨運(yùn)。中國(guó)交通部門流動(dòng)圖如圖 1所示, 交通部門的能源經(jīng)過(guò)技術(shù)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成交通服務(wù)需求。

2.2 情景設(shè)定

本文設(shè)計(jì) 3 種情景: 基準(zhǔn)情景、2oC 溫升目標(biāo)情景(2 度情景)和 1.5oC 溫升目標(biāo)情景(1.5 度情景)?；鶞?zhǔn)情景是沒(méi)有額外低碳政策干擾的情景, 2 度和1.5 度情景則分別使用 2oC 和 1.5oC 溫升目標(biāo)下中國(guó)交通部門碳排放目標(biāo)約束作為政策干擾, 評(píng)估不同低碳目標(biāo)的碳減排和空氣污染改善的協(xié)同效益。模型以 2005 年為基準(zhǔn)年, 2050 年為政策目標(biāo)年。

圖1 中國(guó)交通部門流動(dòng)圖

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

客運(yùn)和貨運(yùn)交通未來(lái)服務(wù)需求數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[6,15], 其中客運(yùn)服務(wù)需求量從 2005 年的 4.8 萬(wàn)億人公里增長(zhǎng)到 2050 年的 28.7 萬(wàn)億人公里, 貨運(yùn)服務(wù)需求量從 2005 年的 9.3 萬(wàn)億噸公里增長(zhǎng)到 2050 年的 73.4 萬(wàn)億噸公里。總交通部門的碳約束數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[16–17], 2oC 溫升目標(biāo)下碳排放量使用文獻(xiàn)[16–17]中的平均值, 2030 年 CO2排放限額為 13.5 億噸, 2050 年限額為 12 億噸。1.5oC 目標(biāo)下中國(guó)交通部門的碳排放量來(lái)自文獻(xiàn)[17], 2030 年 CO2排放量為 8 億噸, 2050 年為 5.2 億噸。單位能源服務(wù)需求和單位能源消耗量等技術(shù)細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[18], 各項(xiàng)技術(shù)成本來(lái)自文獻(xiàn)[19]。各種交通模式能耗和污染物排放因子分別列于表 1 和 2。

3 結(jié)果與討論

3.1 中國(guó)交通部門能源消費(fèi)和能源結(jié)構(gòu)變化

中國(guó)交通部門總能源消費(fèi)因客運(yùn)和貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量快速增長(zhǎng)而迅速上升。從交通部門總能源消費(fèi)(圖 2(a))來(lái)看, 基準(zhǔn)情景下, 從 2005 年的 1.3 億噸油當(dāng)量增長(zhǎng)到 2050 年的 7.54 億噸油當(dāng)量, 增長(zhǎng) 5.8倍。在 2 度情景和 1.5 度情景下, 2050 年將分別消耗6.62 億噸油當(dāng)量和 5.02 億噸油當(dāng)量, 與基準(zhǔn)情景相比, 分別下降 12%和 33%。結(jié)果表明, 如果要完成更嚴(yán)格的溫升目標(biāo), 交通部門需要采用單能源效率更高的技術(shù), 促使總能源消費(fèi)量下降。

交通子部門的能源消費(fèi)量如圖 2(a)所示?；鶞?zhǔn)情景下, 航空是能源消費(fèi)量增長(zhǎng)最快的部門, 從2005 年的 700 萬(wàn)噸油當(dāng)量增長(zhǎng)到 2050 年的 1.28 億噸油當(dāng)量, 增長(zhǎng)近 18 倍。從能源消費(fèi)量占比來(lái)看(圖 2(b)), 航空部門的能源消費(fèi)占比從 2005 年的5.4%增長(zhǎng)到 2050 年的 17%。雖然道路部門能源消費(fèi)量迅速增加, 但是占比持續(xù)下降, 表明雖然道路交通服務(wù)需求和航空部門一樣地增長(zhǎng), 但航空部門客運(yùn)服務(wù)需求量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于道路部門, 45 年間增長(zhǎng) 24 倍, 導(dǎo)致其在總能源消費(fèi)中的占比不斷上升。

在兩個(gè)低碳政策情景下, 由于碳約束目標(biāo)的存在, 各交通子部門必須采用單位能源消費(fèi)更低的技術(shù)。由圖 2(b)可知, 在低碳政策情景下, 管道、鐵路、水運(yùn)和道路部門的能源消費(fèi)量都下降, 但航空部門能源消耗占比上升, 表明其難以在當(dāng)前技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型, 需要考慮有突破性的技術(shù), 如航空用生物燃料、燃料電池和太陽(yáng)能燈等新興能源技術(shù)。

表1 各種交通模式的能耗

表2 碳和污染物排放因子

中國(guó)交通部門的能源結(jié)構(gòu)在低碳政策情景下由傳統(tǒng)油制品轉(zhuǎn)向清潔能源(圖 3)。在基準(zhǔn)情景中, 汽油、柴油、重油和航空煤油等傳統(tǒng)油制品是中國(guó)交通部門的主要用能。2050 年, 傳統(tǒng)油制品將占據(jù)交通部門能源消費(fèi)量的 72%, 對(duì)中國(guó)的能源安全形成巨大的挑戰(zhàn)。但是, 在低碳政策情景下, 碳約束目標(biāo)的存在會(huì)促使清潔技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用, 可再生能源乃至零排放的氫能和電能將受到青睞。2 度情景下, 生物質(zhì)燃料的比例迅速上升, 在 2050 年總能源消費(fèi)量中的占比將超過(guò) 35%。在 1.5 度情景下, 由于碳減排目標(biāo)更加嚴(yán)格, 交通部門將采用更清潔的能源, 到 2050 年, 氫能、電能和生物質(zhì)能的占比將達(dá)到 67%。

圖 4 展示中國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)交通部門不同交通模式的能源強(qiáng)度。客運(yùn)部門中, 私人汽車的能源強(qiáng)度在低碳情景中下降最快(圖 4(a))。2 度情景中, 私人汽車的能源強(qiáng)度在 45 年間從 0.33 千克標(biāo)油人百公里下降到 0.10 千克標(biāo)油人百公里; 1.5 度情景下, 到2050 年, 能源強(qiáng)度降至 0.06 千克標(biāo)油人百公里。相較于基準(zhǔn)情景航空客運(yùn)能的源強(qiáng)度也明顯下降, 到2050 年, 在 2 度情景和 1.5 度情景下, 從 0.22 千克標(biāo)油人百公里分別下降至 0.14 和 0.11 千克標(biāo)油人百公里。相對(duì)于基準(zhǔn)情景, 貨運(yùn)部門的能源強(qiáng)度在低碳情景中下降均不明顯(圖 4(b)), 表明其缺少能夠有效降低能源消費(fèi)的高能效技術(shù)。

3.2 溫控目標(biāo)對(duì)交通部門碳排放路徑的影響

溫升控制目標(biāo)要求中國(guó)交通部門實(shí)現(xiàn)深度碳減排?；鶞?zhǔn)情景下, 從 2005 年到 2050 年, CO2排放總量從 3.98 億噸增長(zhǎng)到 20.5 億噸, 年平均增長(zhǎng)率為3.8% (圖 5), 與文獻(xiàn)[20–21]預(yù)估的 2050 基線 CO2排放為 18~24 億噸一致。為實(shí)現(xiàn)低碳政策情景下的溫升目標(biāo), 必須采取系列措施來(lái)推進(jìn)碳減排。2050 年, CO2排放量在 2 度情景下需降至 12 億噸, 而在 1.5度下要減少到 5.2 億噸, 分別比基準(zhǔn)情景下降 38%和 75%。在 1.5 度情景下, CO2排放將于 2025 年達(dá)峰, 與中國(guó)政府預(yù)計(jì)的碳達(dá)峰時(shí)間一致。而在 2 度情景下, CO2排放將于 2035 年達(dá)峰, 晚于中國(guó)政府承諾的最晚達(dá)峰時(shí)間(2030年)。

各交通子部門的碳排放情況如圖 6 所示?；鶞?zhǔn)情景下, 道路部門碳排放量占比最大, 2050 年共排放 12.25 億噸 CO2, 占當(dāng)年中國(guó)交通部門 CO2總排放量的 60%。然而, 與能耗增長(zhǎng)趨勢(shì)類似, 碳排放增長(zhǎng)最快的是航空部門, 45 年間碳排放量增長(zhǎng) 19倍。在低碳情景中, 碳減排量最多的是排放量最多的道路交通部門, 2 度情景比基準(zhǔn)情景下降 51%, 1.5 度情景下減排 94%, 幾乎完全脫碳。航空部門和水運(yùn)部門碳減排幅度非常小, 可能是因?yàn)楹娇諛I(yè)和水運(yùn)業(yè)缺少低碳技術(shù), 減排主要依靠生物質(zhì)能, 如航空業(yè)的生物質(zhì)航空油等, 而生物航空油生產(chǎn)能力有限, 成本高昂, 大規(guī)模運(yùn)用受限, 導(dǎo)致航空業(yè)減排潛能較小。

圖2 不同情景下不同部門的能源消耗

圖3 不同情景下的不同能源類型能耗

圖4 不同情景下的不同交通模式能源強(qiáng)度

圖5 中國(guó)交通部門不同情景下碳排放

3.3 碳減排對(duì)空氣污染改善的協(xié)同效益

中國(guó)交通部門的碳減排將帶來(lái)顯著的空氣污染改善效應(yīng), 本文主要評(píng)估其對(duì) NOx, SO2以及一次PM2.5減排的影響。交通部門(特別是航空業(yè))燃燒油制品會(huì)排放大量 NOx。如圖 7 所示, 在基準(zhǔn)情景下, 2050 年中國(guó)交通行業(yè) NOx總排放量將達(dá)到 1700萬(wàn)噸。從圖 8(a)可以看出, 由于航空部門交通服務(wù)需求快速增長(zhǎng), 航空柴油消費(fèi)激增, 導(dǎo)致 NOx排放大幅增長(zhǎng)。雖然道路部門 NOx排放量增長(zhǎng)率低于航空部門, 但排放量占總排放量的 50%以上。在低碳政策情景下, NOx排放量下降趨勢(shì)明顯, 并且其達(dá)峰路徑與 CO2一致。2050 年, 2 度和 1.5 度情景下NOx排放量分別減少至 1100 萬(wàn)噸和 564 萬(wàn)噸, 比基準(zhǔn)情景下降 35%和 67%。各交通子部門的排放量(圖 8(a))顯示, 在低碳情景下 NOx減排量貢獻(xiàn)最大的是道路交通部門, 2 度和 1.5 度情景下分別減排46%和 93%。但是, 管道運(yùn)輸部門、水運(yùn)、鐵路和航空部門在兩個(gè)低碳情景下的減排量微乎其微, 主要原因是水運(yùn)和航空部門通過(guò)使用生物質(zhì)燃料達(dá)成碳減排目標(biāo), 但是, 燃燒生物質(zhì)能會(huì)產(chǎn)生一定量的 NOx, 導(dǎo)致航空和水運(yùn)部門既難以脫碳, 也難以脫氮。

圖6 中國(guó)子交通部門不同情景下碳排放

圖7 中國(guó)交通部門不同情景下的污染物排放量

基準(zhǔn)情景下, SO2排放量從 2005 年的 66 萬(wàn)噸增長(zhǎng)到 2050 年的 206 萬(wàn)噸, 平均年增長(zhǎng)率為 2.6% (圖7)。在 2 度情景和 1.5 度情景下, 2050 年 SO2排放量相對(duì)于基準(zhǔn)情景分別減排 71 和 147 萬(wàn)噸, 其排放達(dá)峰路徑也與碳排放一致。從各交通子部門的排放量(圖 8(b))來(lái)看, SO2排放量最高的是道路部門和水運(yùn)部門。在基準(zhǔn)情景下, 道路部門和水運(yùn)部門由于使用柴油或重油, SO2排放量很高, 2050 年分別達(dá)到 90 萬(wàn)噸和 111 萬(wàn)噸。在低碳情景中, 道路部門SO2減排量最大。2 度情景和 1.5 度情景下, 道路部門將會(huì)利用能源燃燒效率更高的技術(shù)以及碳排放量更少的技術(shù), 使 SO2分別減排 45%和 92%。但是, 水運(yùn)部門在低碳情景下的 SO2減排量較小。

作為重要的空氣污染物, PM2.5會(huì)影響人群健康?；鶞?zhǔn)情景下, 交通部門的一次 PM2.5總排放量從 2005年的 25 萬(wàn)噸增長(zhǎng)到 2050 年的 66 萬(wàn)噸, 增長(zhǎng)近 3 倍(圖 7)。在低碳情景下, 交通部門的一次 PM2.5排放明顯下降。2 度和 1.5 度情景下, 交通部門的 2050 年一次 PM2.5排放分別下降 38%和 77%。從各交通子部門的排放量(圖 8(c))來(lái)看, 一次PM2.5的主要排放部門是道路和水運(yùn)部門。在基準(zhǔn)情景下, 到 2050 年, 道路部門的排放量達(dá)到 41 萬(wàn)噸, 水運(yùn)部門排放 20 萬(wàn)噸, 兩者的排放量占總排放的 93%。在低碳情景下, 一次 PM2.5減排量最大的是道路部門, 在 1.5 度情景下減排 91%, 但水運(yùn)和鐵路部門對(duì)減排的貢獻(xiàn)較小。

圖8 中國(guó)子交通部門不同情景下的污染物排放量

3.4 討論

實(shí)現(xiàn) 2oC 和 1.5oC 溫升目標(biāo), 將給中國(guó)交通部門帶來(lái)顯著的節(jié)能和環(huán)境效益, 并有效地改善空氣污染狀況。但是, 對(duì)于特定部門, 尤其是難以脫碳的航空和水運(yùn)部門, 其污染物減排效益較小。

本文得出的 1.5 度情景下 2050 年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將主要以氫氣和電力為主的結(jié)論與 Pan 等[17]一致。與之不同的是, 本研究認(rèn)為 1.5 度情景下主要能源為氫氣, 而 Pan 等[17]認(rèn)為 2050 年電力占據(jù)總能源消費(fèi)量的 50%以上。對(duì)于污染物減排協(xié)同效益而言, Liu 等[22]認(rèn)為 2050 年碳排放將達(dá)到 5 億噸左右, SO2, NOx和一次 PM2.5排放量分別達(dá)到 175 萬(wàn)噸、600 萬(wàn)噸和 30 萬(wàn)噸, 本研究的 NOx和一次 PM2.5排放在 1.5 度情景下 2050 年的排放量與其基本一致, 但 SO2的減排效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Liu等[22]的結(jié)果。

本文通過(guò)對(duì)中國(guó)交通全部門低碳轉(zhuǎn)型的污染物減排協(xié)同效益的深入研究, 發(fā)現(xiàn)未來(lái)對(duì)交通部門的深化脫碳應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注水運(yùn)和航空部門, 著重研究適用于這兩個(gè)部門的突破性低碳技術(shù)。對(duì)于道路和鐵路部門, 應(yīng)該出臺(tái)配套措施, 推動(dòng)電氣化和氫能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用, 盡快降低電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等清潔技術(shù)的成本。

本研究存在局限性。首先, 沒(méi)有討論交通部門脫碳化的經(jīng)濟(jì)影響, 即未對(duì)中國(guó)交通部門脫碳的成本和效益進(jìn)行比較。同時(shí), 只考慮交通單部門, 未將電力部門的碳排放和污染物排放納入進(jìn)行綜合分析, 有可能高估交通電氣化帶來(lái)的空氣污染改善效應(yīng)。另外, 本文采用的中國(guó)交通實(shí)現(xiàn) 2oC 和 1.5oC溫升目標(biāo)的碳排放限額僅基于文獻(xiàn)[16–17], 尚存在不確定性, 未來(lái)工作應(yīng)參考更多文獻(xiàn)給出的中國(guó)交通部門碳排放約束, 進(jìn)行不確定性分析。

3.5 不確定性分析

由于未來(lái)交通工具能耗改進(jìn)存在多種潛力的可能性, 本文在 2 度情景中對(duì)交通技術(shù)的能耗上下浮動(dòng) 10%進(jìn)行敏感性分析, 用來(lái)估計(jì) 2 度情景中能源節(jié)約和污染物減排潛力的變化浮動(dòng)區(qū)間。

圖 9 和 10 分別展示 2 度情景下調(diào)整前后的能源消費(fèi)和污染物排放量范圍。由圖 9 可知, 當(dāng)交通技術(shù)單位能耗上下浮動(dòng) 10%時(shí), 2050 年中國(guó)交通部門的能源消費(fèi)量將在 6.27~7.05 億噸油當(dāng)量之間。由圖 10 可知, 到2050年, NOx, SO2和 PM2.5排放量將分別在 1060~1119 萬(wàn)噸、122~150 萬(wàn)噸和 36~46 萬(wàn)噸之間。

4 結(jié)論

1)低碳情景下, 中國(guó)交通部門能源消耗明顯降低, 能源結(jié)構(gòu)偏向清潔和零碳排放的能源。2 度情景下, 能源消費(fèi)量相對(duì)于基準(zhǔn)情景降低 12%, 同時(shí)生物質(zhì)能占比達(dá)到 35%。1.5 度情景下, 能源消費(fèi)量降低 33%, 同時(shí)電力、氫能和生物質(zhì)能占總能源消費(fèi)量的67%。

圖9 中國(guó)交通部門2度情景下技術(shù)單位能耗變化對(duì)能源消費(fèi)量影響

圖10 2度情景下中國(guó)交通部門技術(shù)單位能耗變化對(duì)污染物排放影響

2)中國(guó)交通部門脫碳能夠帶來(lái)顯著的空氣污染改善效益: 2 度情景下, NOx, SO2和一次 PM2.5排放量分別下降 35%, 34%和 38%; 1.5 度情景下分別下降 67%, 71%和 77%。但是, 對(duì)于難以脫碳的交通子部門, 特別是航空和水運(yùn)部門, 污染物減排效益較小。

3)未來(lái)的深度減排過(guò)程中, 需重點(diǎn)關(guān)注水運(yùn)和航空部門, 研究并采用突破性低碳技術(shù)。對(duì)于道路和鐵路部門, 需推動(dòng)電氣化和氫能的大規(guī)模應(yīng)用。

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Co-benefits of Decarbonizing China’s Transport Sector in Energy Saving and Emission Reduction under 1.5- and 2-degree Targets in 2050

LU Pantao1, HAN Yalong2, DAI Hancheng1,?

1. College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; 2. Tokyo Institute of Technology, Tokyo 152-8552; ?Corresponding author,E-mail: dai.hancheng@pku.edu.cn

This study evaluates the energy structure change and co-benefits in air pollution improvement in the transportation sector of China in line with the 2oC and 1.5oC targets based on an energy system optimization modelIMED|TEC. The results show that under 2oC and 1.5oC targets in 2050, the energy consumption would decrease by 12% and 33% compared to the reference scenario. The energy mix would shift from traditional petroleum to cleaner biomass and even electricity or hydrogen energy. Under the 2oC scenario, biomass energy would account for 35% of the total energy consumption, whereas under 1.5oC scenario, hydrogen and electricity would account for about 67% of total energy consumption. Decarbonization of China’s transportation sector can bring significant air quality improvement. Under the 2oC scenario, CO2emissions will be reduced by 38% in 2050, associated with reductions of NOx, SO2and PM2.5emissions by 35%, 34% and 38%, respectively. Under the 1.5oC scenario, the amount of pollutant emission reduction would be twice that at 2oC. However, emissions reduction rates would be quite limited for the aviation and waterway transportation sectors.

1.5oC and 2oC targets; China’s transport sector; carbon mitigation; air pollution mitigation; co-benefits

10.13209/j.0479-8023.2021.012

國(guó)家自然科學(xué)基金(51861135102, 71704005和71810107001)資助

2020–03–09;

2020–05–20