劉俊伶，夏侯沁蕊，王 克，鄒 驥，孔 英

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 清華—伯克利深圳學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與新能源技術(shù)研究中心低碳經(jīng)濟(jì)與金融風(fēng)險(xiǎn)分析研究實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；3. 中國(guó)人民大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100872；4.約克大學(xué)經(jīng)濟(jì)系，加拿大 M3J1P3)

一、引言

工業(yè)作為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的核心支柱，2016年占全國(guó)終端部門(mén)能耗總量的65.77%[1]，二氧化碳排放的68.44%[2]，是最大的能源消耗和二氧化碳排放部門(mén)。世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域排放在20世紀(jì)80年代初基本達(dá)到峰值[3]，而中國(guó)由于工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，1978—2010年工業(yè)年均增速達(dá)到11.50%[4]，與之相聯(lián)的碳排放仍呈現(xiàn)快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)。2015年，中國(guó)提交了國(guó)家自主貢獻(xiàn)(Nationally Determined Contribution, NDC)，明確提出2030年左右實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放峰值并爭(zhēng)取早日達(dá)峰。工業(yè)部門(mén)若能順利完成低碳轉(zhuǎn)型并率先達(dá)峰，走上中長(zhǎng)期低碳發(fā)展路徑，將對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)整體達(dá)峰目標(biāo)和實(shí)施長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略作出重要貢獻(xiàn)。

現(xiàn)有關(guān)于中國(guó)工業(yè)部門(mén)未來(lái)排放情景的研究，大致可以分為兩類(lèi)。一類(lèi)是從宏觀參數(shù)出發(fā)研究能源供需變化的“自上而下”模型，如郭朝先的經(jīng)濟(jì)核算模型[3]、王文舉與向其鳳的動(dòng)態(tài)投入產(chǎn)出模型[5]、梁俊的非徑向DEA模型[6]，也包括國(guó)際上常用的可計(jì)算一般均衡模型，如歐盟聯(lián)合研究中心(JCR)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的GEM-E3模型[7]、世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)的GREEN模型[8]等。此類(lèi)模型基于生產(chǎn)函數(shù)，以高度集約化的方式體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)部門(mén)、能源部門(mén)以及其他部門(mén)之間的聯(lián)系，適用于分析能源政策、環(huán)境政策與氣候政策等沖擊帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響。另一類(lèi)是富含技術(shù)細(xì)節(jié)的“自下而上”模型，基于能源系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部門(mén)的活動(dòng)水平、技術(shù)組合與技術(shù)能效和排放系數(shù)得到未來(lái)能耗與排放的總體趨勢(shì)，將工業(yè)作為其中一個(gè)重要組分，如清華大學(xué)陳文穎教授的中國(guó)能源系統(tǒng)優(yōu)化模型(China TIMES)[9]、王勇等的STIRPAT框架下的工業(yè)達(dá)峰預(yù)測(cè)模型[10]、佟賀豐等、李虹等的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[11-12]等，國(guó)際上的知名建模團(tuán)隊(duì)如國(guó)際能源署(IEA)的WEM模型[13]、國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)的MESSAGE模型[14]。相比于“自上而下”模型，此類(lèi)模型由于技術(shù)信息豐富，適合評(píng)估技術(shù)進(jìn)步對(duì)能耗、排放和成本的影響，可以為政府低碳政策提供更具體的參考信息，因而為本文所采用。

縱觀現(xiàn)有文獻(xiàn)，主要有四方面不足：①聚焦于某工業(yè)子行業(yè)、某地區(qū)的發(fā)展路徑，對(duì)全國(guó)范圍整個(gè)工業(yè)低碳發(fā)展路徑的討論不夠充分。唐曉華[15]、曹植等[16]、佟賀豐等[9]的研究重點(diǎn)放在制造業(yè)、水泥行業(yè)上，而馮悅怡[17]、田立新[18]的模型假設(shè)基于特定地區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r，可推廣性不強(qiáng)。②未考慮工業(yè)與下游部門(mén)的關(guān)聯(lián)，且工業(yè)行業(yè)內(nèi)技術(shù)信息不足，導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)能力有限。李虹[12]、郭朝先[3]等的模型未將經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)因子的相互影響納入模型，難以在全經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域背景下分析工業(yè)部門(mén)的發(fā)展路徑。③研究的時(shí)間尺度較短，有關(guān)工業(yè)部門(mén)低碳發(fā)展路徑的政策含義不明顯。眾多研究以2020、2030年為目標(biāo)年[8,11,19]，僅考慮較為短暫的時(shí)間視野，缺乏分階段、中長(zhǎng)期的戰(zhàn)略規(guī)劃，也缺乏針對(duì)技術(shù)路線(xiàn)、投資路線(xiàn)等工業(yè)部門(mén)發(fā)展路徑的具體政策建議。④?chē)?guó)外學(xué)者對(duì)中國(guó)國(guó)情考慮不足，對(duì)工業(yè)未來(lái)產(chǎn)量假設(shè)過(guò)于簡(jiǎn)單。IEA、IIASA[13-14]通常以發(fā)達(dá)國(guó)家人均工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量為參照簡(jiǎn)單假設(shè)中國(guó)未來(lái)工業(yè)產(chǎn)品需求，或者用計(jì)量方法做線(xiàn)性外推，未考慮中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征，評(píng)估結(jié)果有很大的不確定性。本文構(gòu)建了富含400多種技術(shù)的“自下而上”P(pán)ECE-LIU2017模型，將工業(yè)部門(mén)納入包含社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子、能源服務(wù)需求、技術(shù)、政策等的綜合分析框架中，為評(píng)估其未來(lái)碳排放趨勢(shì)和轉(zhuǎn)型路徑及其在實(shí)現(xiàn)中國(guó)NDC目標(biāo)與2050年長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略中的作用提供參考。

二、方法和數(shù)據(jù)

1. PECE-LIU2017模型及其工業(yè)模塊

LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning System)模型[20]是被廣泛應(yīng)用于地區(qū)中長(zhǎng)期能源環(huán)境規(guī)劃與溫室氣體減排評(píng)價(jià)研究中的能源-環(huán)境模型[19，21-23]。本文基于LEAP框架，構(gòu)建出Programme of Energy & Climate Economics-LIU2017 (PECE-LIU2017)模型[2]，涵蓋了工業(yè)、建筑、交通、電力等能源系統(tǒng)所有部門(mén)，可對(duì)能源開(kāi)采、加工轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸和最終使用的全流程進(jìn)行完整的仿真模擬。模型機(jī)理為：由人口、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子決定各類(lèi)能源服務(wù)需求，在不同情景下確定未來(lái)技術(shù)擴(kuò)散率和技術(shù)組合，基于終端部門(mén)各技術(shù)的能源效率，加總得到終端能源消費(fèi)量，再根據(jù)各加工轉(zhuǎn)換技術(shù)的效率獲得一次能源消費(fèi)量。由于個(gè)別參數(shù)如熱力生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料少，根據(jù)建模時(shí)可獲得的最新能源平衡表，PECE-LIU2017模型以2013年為基準(zhǔn)年；對(duì)于更新速度較快的其他參數(shù)，如電力裝機(jī)、發(fā)電和工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量、增加值、能源強(qiáng)度，均更新到2015年，保證了模型的時(shí)效性；模型展望到2050年。

工業(yè)的基本框架如圖1所示。由于鋼鐵、水泥、電解鋁、石化和化工產(chǎn)品的能耗最為集中，占工業(yè)總能耗的69%，模型中進(jìn)行了單獨(dú)建模分析。石化和化工業(yè)和其他工業(yè)采取常用的分析方法，基于人口、GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)達(dá)國(guó)家人均產(chǎn)量相對(duì)水平預(yù)測(cè)未來(lái)產(chǎn)品產(chǎn)量和增加值水平。而對(duì)于鋼鐵、水泥、電解鋁等重要行業(yè)，則考慮到其同建筑、交通等行業(yè)的上下游關(guān)系，基于下游行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因子討論，如城鎮(zhèn)化趨勢(shì)和人口變動(dòng)對(duì)建筑、交通能源服務(wù)需求(包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房屋建筑面積、汽車(chē)與家電保有量等)的影響，反向探討工業(yè)未來(lái)產(chǎn)量的變化趨勢(shì)。相比于基于發(fā)達(dá)國(guó)家人均產(chǎn)量水平的歷史經(jīng)驗(yàn)法，該方法考慮了中國(guó)實(shí)際消費(fèi)需求和上下游結(jié)構(gòu)，評(píng)估結(jié)果更符合中國(guó)國(guó)情，降低了模擬結(jié)果的不確定性。

圖1 PECE-LIU2017工業(yè)模塊結(jié)構(gòu)注：能源服務(wù)是指消費(fèi)者需要的由各類(lèi)耗能技術(shù)和設(shè)備提供的服務(wù)，例如交通出行需求、建筑內(nèi)供暖和制冷需求；在工業(yè)部門(mén)，由能滿(mǎn)足消費(fèi)需求的耗能產(chǎn)品表示，包括工業(yè)各子行業(yè)高能耗產(chǎn)品和其他工業(yè)增加值。

為增強(qiáng)分析的精確性，PECE-LIU2017模型納入了豐富的技術(shù)運(yùn)行參數(shù)與成本信息。工業(yè)部門(mén)包括鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、煉鐵、煉鋼、水泥粉磨、煅燒等各道工序以及能效、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和碳捕獲與封存(carbon capture and storage, CCS)等共154種技術(shù)，同時(shí)納入了技術(shù)的固定成本與可變成本。因?yàn)樯婕暗募夹g(shù)數(shù)量和參數(shù)類(lèi)型多，數(shù)據(jù)需求和處理工作量大。

2.計(jì)算方法

本文中工業(yè)部門(mén)的排放量計(jì)算的基本原理為：對(duì)高耗能行業(yè)，總排放等于產(chǎn)品產(chǎn)量、各生產(chǎn)工序單位產(chǎn)品能源強(qiáng)度之和與燃料的排放因子三個(gè)部分；其他工業(yè)的排放由工業(yè)增加值、單位增加值能耗、燃料結(jié)構(gòu)和各燃料排放因子匯總而成。令p為產(chǎn)品各道生產(chǎn)工序，n為燃料品種，則i子行業(yè)的碳排放可表達(dá)為：

(1)

為預(yù)估促進(jìn)低碳技術(shù)應(yīng)用的有效碳價(jià)水平和其變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)，模型計(jì)算了低碳技術(shù)全生命周期的邊際減排成本。借鑒財(cái)務(wù)分析方法，首先計(jì)算投資項(xiàng)目相比常規(guī)技術(shù)在全生命周期內(nèi)的每年增量支出(包括新增固定成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本)和增量收入(節(jié)約的燃料費(fèi)用支出)的現(xiàn)金流，再參考國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的規(guī)定[24]，采取8%的貼現(xiàn)率換算出增量成本凈現(xiàn)值與增量收入凈現(xiàn)值。最后，用全生命周期新增成本凈現(xiàn)值(NPV1)與節(jié)約的燃料費(fèi)用凈現(xiàn)值(NPV2)之差除以全生命周期內(nèi)累計(jì)減排量(EmissionReduction)，得到邊際減排成本(Marginal Abatement Cost,MAC)：

(2)

在本文的投資需求部分，所考慮的固定投資需求包括設(shè)備購(gòu)入成本、安裝費(fèi)用和基建費(fèi)用，投資去向主要為能效技術(shù)與工業(yè)CCS技術(shù)。

3.數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的數(shù)據(jù)分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境三個(gè)大類(lèi)，數(shù)據(jù)分類(lèi)及來(lái)源如表1。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)包含各年度GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口、城鎮(zhèn)化率、工業(yè)產(chǎn)量、工業(yè)增加值等基礎(chǔ)指標(biāo)，來(lái)自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[25]及中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的部分公開(kāi)數(shù)據(jù)。未來(lái)的經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)參考“十三五”規(guī)劃和國(guó)家“新時(shí)代社會(huì)主義現(xiàn)代化事業(yè)”發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合主要發(fā)達(dá)國(guó)家的歷史經(jīng)驗(yàn)確定，人口假設(shè)來(lái)自聯(lián)合國(guó)《世界人口展望 2015》[26]，城鎮(zhèn)化率參考《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃2014—2020》[27]和發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)有水平。工業(yè)部門(mén)技術(shù)參數(shù)主要來(lái)自官方政府文件、行業(yè)協(xié)會(huì)、國(guó)際機(jī)構(gòu)與文獻(xiàn)。從工業(yè)規(guī)劃和節(jié)能減排相關(guān)政策[28-32]獲取工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀，輔以王慶一的《能源數(shù)據(jù)》[33]校對(duì)基準(zhǔn)年工業(yè)能耗情況；從國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)[34-35]、工業(yè)和信息化部等[36]收集各行業(yè)分工序先進(jìn)節(jié)能技術(shù)信息，從IEA-ETSAP[37]獲取CCS技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，從戴彥德、胡秀蓮所著《中國(guó)二氧化碳減排技術(shù)潛力和成本研究》[38]中補(bǔ)充了更多先進(jìn)技術(shù)細(xì)節(jié)，共同作為未來(lái)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步潛力判斷依據(jù)和成本信息來(lái)源。環(huán)境方面，二氧化碳排放量由模型計(jì)算所得，其中使用的燃料排放因子來(lái)自L(fǎng)EAP技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)[39]，為IPCC推薦參數(shù)。

表1 數(shù)據(jù)分類(lèi)及來(lái)源

注：?jiǎn)挝划a(chǎn)品能耗的單位鋼鐵、水泥、石化和化工產(chǎn)品為kgce/t，電解鋁為kWh/t，工業(yè)其他行業(yè)為kgce/萬(wàn)元。

三、情景設(shè)定

1.情景定義及描述

基于低碳發(fā)展情景設(shè)計(jì)的基本原則和方法，本文區(qū)分了基準(zhǔn)情景(Business as usual, BAU)和低碳情景(Low Carbon, LC)，其中后者由能效提升(LC_EFF)、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型(LC_PRO)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型(LC_ENE)、工業(yè)CCS應(yīng)用(LC_CCS)四個(gè)子情景構(gòu)成。子情景分別對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)深度低碳化的四種主要措施，豐富了情景分析的內(nèi)涵，同時(shí)方便后續(xù)針對(duì)技術(shù)路線(xiàn)圖的具體討論。各情景對(duì)工業(yè)的主要假設(shè)如表2所示。

表2 情景設(shè)置及描述

2.影響情景的關(guān)鍵參數(shù)假設(shè)

(1)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平

黨的“十九大”明確了中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)：在2020全面建成小康社會(huì)的基礎(chǔ)上，于2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化，2050年建成富強(qiáng)民主文明和諧美麗的社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)[41]。依照發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)增速緩慢下降的規(guī)律，假設(shè)兩種情景下2020—2030年GDP年均增速為5.50%，2030—2040年為4.50%，2040—2050年為3.50%。按此計(jì)算，2050年中國(guó)GDP總量將達(dá)到345.79萬(wàn)億人民幣，人均GDP為25.65萬(wàn)元，躋身發(fā)達(dá)國(guó)家行列。

(2)人口與城鎮(zhèn)化率

本文參考聯(lián)合國(guó)人口司發(fā)布的《世界人口展望 2015》，假設(shè)2030年前人口增速趨緩，2028年達(dá)到14.2億的峰值后開(kāi)始下降，至2050年為13.5億。參考《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃2014—2020》中提出的“2020年城鎮(zhèn)化水平達(dá)到60%，2014—2020年新增1億左右城鎮(zhèn)常住人口”的目標(biāo)，模型假設(shè)2030年前中國(guó)經(jīng)歷快速的城鎮(zhèn)化過(guò)程，2030年城鎮(zhèn)化率達(dá)到70%，2050年達(dá)到78%。

(3)技術(shù)普及率

由于工業(yè)能效在減排當(dāng)中發(fā)揮重要作用，高效率、低排放的技術(shù)設(shè)備的普及率對(duì)未來(lái)工業(yè)轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展影響重大。模型借鑒以往研究，結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)家對(duì)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的判斷，對(duì)重要技術(shù)的普及率作出如下假設(shè)(見(jiàn)表3)。

表3 關(guān)鍵技術(shù)普及率假設(shè)

(4)下游行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

工業(yè)部門(mén)的產(chǎn)量和規(guī)模很大程度上受下游消費(fèi)行業(yè)的需求影響。PECE-LIU2017模型的其他版塊對(duì)未來(lái)建筑、交通的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，將其結(jié)果應(yīng)用于對(duì)工業(yè)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，增強(qiáng)了估計(jì)的準(zhǔn)確性。

建筑業(yè)包括房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施兩部分。城鎮(zhèn)住房面積和公共建筑面積隨農(nóng)村人口轉(zhuǎn)移會(huì)繼續(xù)快速增長(zhǎng)，同時(shí)考慮中國(guó)房屋平均壽命和舊房屋拆遷改造[45]，預(yù)計(jì)新增建筑面積在2031—2040年達(dá)到增長(zhǎng)高峰，年均新增65億平方米，2050年總面積達(dá)1077億平方米。根據(jù)交通運(yùn)輸部“十三五”規(guī)劃目標(biāo)，2020年中國(guó)公路總里程將突破500萬(wàn)公里，鐵路總里程達(dá)到15萬(wàn)公里，城市軌道建設(shè)達(dá)到6000公里以上。利用機(jī)動(dòng)車(chē)保有量模型Gompertz，中國(guó)的汽車(chē)保有量預(yù)計(jì)從2013年的1.27億輛增長(zhǎng)到2050年的6.05億輛，每千人汽車(chē)保有量達(dá)到歐洲國(guó)家平均水平，由此引致的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和耐用消費(fèi)品生產(chǎn)將對(duì)上游工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)造成影響。除此之外，模型對(duì)占家電鋼材消費(fèi)74%的冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)和微波爐的保有量也進(jìn)行了估計(jì)，同上述結(jié)果總結(jié)如表4所示。

表4 下游行業(yè)發(fā)展主要假設(shè)

四、情景分析結(jié)果

1.工業(yè)部門(mén)發(fā)展現(xiàn)狀及基年能耗校準(zhǔn)

工業(yè)部門(mén)是中國(guó)最大的能耗與排放部門(mén)，2013年工業(yè)終端能耗占全國(guó)總量的68%，且高度依賴(lài)化石燃料，共消費(fèi)煤炭及煤制品、天然氣、石油及石油制品11.22億、2.21億與1.97億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占終端分品種能源消費(fèi)的79.38%、60.10%和29.31%。整體而言工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)品能耗與排放水平參差不齊，低碳技術(shù)創(chuàng)新水平同發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距。2013年工業(yè)二氧化碳排放占中國(guó)終端部門(mén)排放總量的71.00%，所有部門(mén)碳排放總量的43.95%，是低碳轉(zhuǎn)型亟需重視的領(lǐng)域。

鋼鐵是工業(yè)中能耗與排放最高的子行業(yè)，占工業(yè)能耗的33.53%與碳排放的48.54%。目前中國(guó)鋼鐵行業(yè)噸鋼綜合能耗與國(guó)際先進(jìn)水平約有10%的差距[46]，導(dǎo)致其排放系數(shù)較高。水泥行業(yè)消耗了工業(yè)13.62%的能源并產(chǎn)生16.16%的排放，是工業(yè)中第二大能耗與排放子行業(yè)。中國(guó)是世界第一大水泥生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，噸水泥綜合能耗在2013年達(dá)到125千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸[29]，與國(guó)際先進(jìn)水平已基本持平，但仍存在產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題[47]。石油化工消耗了工業(yè)部門(mén)5.48%的能源，但由于其排放系數(shù)比煤炭低，僅產(chǎn)生2.42%左右的工業(yè)排放。其中乙烯作為基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)原料，國(guó)內(nèi)供不應(yīng)求，2014年乙烯衍生產(chǎn)品進(jìn)口量1226萬(wàn)噸近乎趕上國(guó)內(nèi)乙烯產(chǎn)量1697萬(wàn)噸。合成氨、燒堿、純堿等基礎(chǔ)無(wú)機(jī)化學(xué)原料普遍存在產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題，產(chǎn)能利用率在75%左右，價(jià)格持續(xù)下降，產(chǎn)量基本達(dá)到或接近飽和，人均產(chǎn)量也已達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平。其他工業(yè)由于分類(lèi)較為復(fù)雜，各子行業(yè)在能耗與排放中占比也較小，未在本模型中具體區(qū)分，統(tǒng)一以工業(yè)增加值表示。這些產(chǎn)業(yè)在2013年占工業(yè)增加值比重75%，隨著未來(lái)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整轉(zhuǎn)型，相對(duì)比重有提高的趨勢(shì)。

2.工業(yè)部門(mén)產(chǎn)量變化趨勢(shì)

基于上述分析，中國(guó)仍將經(jīng)歷建筑、交通、電力等部門(mén)的擴(kuò)張發(fā)展，從而引發(fā)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)與建設(shè)的需求。將下游行業(yè)的未來(lái)發(fā)展速度輸入LEAP模型，綜合得到兩種情景下各主要工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)如圖2。由于短期內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與終端消費(fèi)需求維持在較高水平，水泥和鋼鐵的產(chǎn)量將在2040年前持續(xù)上升，之后迅速下降，產(chǎn)量峰值分別為25.07億噸與8.80億噸。隨著未來(lái)汽車(chē)、電子產(chǎn)品和家電的不斷增長(zhǎng)，電解鋁產(chǎn)量將快速提高，從2014年28.66億噸增加到2050年46.48億噸。以乙烯為代表的有機(jī)化學(xué)行業(yè)目前供不應(yīng)求，而合成氨等無(wú)機(jī)化學(xué)行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，兩者綜合導(dǎo)致石化和化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模未來(lái)穩(wěn)步增長(zhǎng)，其中乙烯產(chǎn)量占比明顯增加?？紤]到中國(guó)工業(yè)結(jié)構(gòu)本身的高能耗、高排放特點(diǎn)，以碳生產(chǎn)力或單位產(chǎn)品的碳排放指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，工業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型與工業(yè)自身的轉(zhuǎn)型升級(jí)方向是一致的。

圖2 工業(yè)部門(mén)主要行業(yè)產(chǎn)量變化趨勢(shì)注：石化和化工行業(yè)包含產(chǎn)品為：乙烯、合成氨、燒堿和純堿。

3.工業(yè)部門(mén)二氧化碳排放趨勢(shì)

2012年《工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)方案(2012—2020年)》明確提出控制工業(yè)領(lǐng)域溫室氣體排放、發(fā)展綠色低碳工業(yè)既是中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的必然要求，也是中國(guó)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[27]。然而，在基準(zhǔn)情景下，工業(yè)的高碳能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式維持不變，能效緩慢提高，碳排放絕對(duì)量持續(xù)增長(zhǎng)，2041年達(dá)到峰值59億噸，其后無(wú)明顯下降趨勢(shì)。此情景下全社會(huì)碳排放不斷攀升，在2050年總排放高達(dá)176億噸，近2013年的2倍，距離實(shí)現(xiàn)2030年碳排放達(dá)峰和21世紀(jì)末2℃溫升目標(biāo)(1)按照有關(guān)研究對(duì)滿(mǎn)足450ppm濃度要求(即以66%以上的可能性實(shí)現(xiàn)2℃目標(biāo))下中國(guó)未來(lái)CO2排放水平分析，到2050年中國(guó)CO2排放應(yīng)低于40億噸[48-49]。有很大差距。

本文在基準(zhǔn)情景的基礎(chǔ)上，逐漸累加能效提升、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、工業(yè)CCS應(yīng)用四個(gè)低碳子情景的減排行動(dòng)，可以使工業(yè)部門(mén)2050年二氧化碳排放降低為21億噸，比基準(zhǔn)情景下降64%。此條件下，工業(yè)部門(mén)將于2020年率先達(dá)峰，峰值排放水平約43億噸CO2，隨后以年均1.69%的速度降低。工業(yè)部門(mén)達(dá)峰為全社會(huì)盡早碳排放達(dá)峰奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在低碳情景下，交通和建筑未來(lái)排放隨居民消費(fèi)水平提高還將在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)上升，但是在工業(yè)部門(mén)和電力部門(mén)率先達(dá)峰作用下，全社會(huì)能源相關(guān)CO2排放有望在2020—2025年之間達(dá)峰，提前完成氣候變化目標(biāo)。

4.工業(yè)部門(mén)低碳發(fā)展技術(shù)路線(xiàn)圖

從實(shí)現(xiàn)工業(yè)部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型的各項(xiàng)技術(shù)路徑來(lái)看(見(jiàn)圖3)，在高效節(jié)能技術(shù)推廣、工業(yè)能效達(dá)到世界領(lǐng)先水平的能效提升情景下，2050年碳排放可大幅降低至43億噸，相對(duì)基準(zhǔn)情景減排27.12%。中國(guó)盡管在噸水泥綜合能耗、噸鋼可比能耗、單位電解鋁交流電等技術(shù)上已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但以乙烯、合成氨為代表的石化和化工行業(yè)、造紙等行業(yè)的單位產(chǎn)品能耗比國(guó)際先進(jìn)水平高出37-81%，仍有很大的能源效率提升空間。在低碳情景下，以工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新作為一個(gè)重要著力點(diǎn)，補(bǔ)足短板，趕超國(guó)際先進(jìn)水平，有望在2030年實(shí)現(xiàn)能耗下降48%，2050年下降70%，碳排放累計(jì)減少240億噸。

工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)作為影響單位產(chǎn)品能耗的重要因素，可降低2050年排放至39億噸。中國(guó)長(zhǎng)流程煉鋼為主的鋼鐵生產(chǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)能源消耗水平較高，2013年占工業(yè)煤炭和焦炭消費(fèi)的45%。與之相比，電爐煉鋼技術(shù)以廢鋼為主要原材料，用電爐代替高爐和轉(zhuǎn)爐，在替換能源類(lèi)型的同時(shí)避免了中間過(guò)程的能耗。2012年中國(guó)電爐煉鋼產(chǎn)量占比僅為8.33%，但考慮到未來(lái)建筑壽命到期以及拆遷重建，廢鋼供應(yīng)量快速增加，為電爐煉鋼的普及提供條件。模型預(yù)計(jì)2050年電爐煉鋼的產(chǎn)量將達(dá)到33.44%，提供93億噸累計(jì)額外減排量。

圖3 工業(yè)部門(mén)技術(shù)路線(xiàn)圖

擺脫高煤炭依賴(lài)、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是工業(yè)低碳發(fā)展的一大任務(wù)，有望使2050年排放量減少5億噸。通過(guò)采取天然氣作為替代燃料，將落后的燃煤小鍋爐或壽命到期的大型燃煤鍋爐在能源供應(yīng)充足的條件下替換為燃?xì)忮仩t，降低鋼鐵、水泥等行業(yè)的煤炭消費(fèi)比例，并提高終端電力消費(fèi)水平，可在2030年將工業(yè)煤炭控制到38%，2050年控制到28%，燃?xì)庀M(fèi)翻番至22%，電力比重增加到32%，同時(shí)避免114億噸累計(jì)二氧化碳排放。

上述三類(lèi)措施可使工業(yè)碳排放于2050年降低至34億噸，但仍難以達(dá)到2℃目標(biāo)的要求。在第四種子情景下，2030年開(kāi)始在鋼鐵和水泥領(lǐng)域開(kāi)展CCS示范項(xiàng)目，進(jìn)行深度脫碳，同時(shí)積累經(jīng)驗(yàn)，在2050年實(shí)現(xiàn)67%鋼鐵產(chǎn)量與80%水泥產(chǎn)量配備CCS設(shè)備。該措施的效果僅次于能效提升，可進(jìn)一步降低2050年工業(yè)碳排放至21億噸左右，提供累計(jì)減排量128億噸。但需要指出的是，由于CCS屬于新興技術(shù)，在中國(guó)尚未起步，面臨的風(fēng)險(xiǎn)較前三類(lèi)措施更大，因而該子情景的減排效果也具有更大的不確定性。

綜合四個(gè)子情景，在低碳情景下，工業(yè)充分發(fā)揮減排潛力，在2020年即達(dá)到碳排放峰值43億噸，隨后排放繼續(xù)下降，至2050年排放21億噸，相當(dāng)于基準(zhǔn)情景的35.59%。能效提升對(duì)減排貢獻(xiàn)最大，其次是工業(yè)CCS、能源結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。根據(jù)《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，中國(guó)2020年規(guī)模以上單位工業(yè)增加值能耗需比2015年下降18%，單位工業(yè)增加值二氧化碳排放量比2015年下降22%。而模型中基準(zhǔn)情景工業(yè)增加值能耗預(yù)期下降15%，碳排放量下降18%，均難以達(dá)到國(guó)家要求。在低碳情景下，能耗降低18%，碳排放降低22%，剛好能彌補(bǔ)行動(dòng)差距，可見(jiàn)模型中低碳情景所對(duì)應(yīng)的行動(dòng)和路徑具有一定的現(xiàn)實(shí)參考價(jià)值。由于工業(yè)部門(mén)巨大的體量，其可累計(jì)貢獻(xiàn)中國(guó)2020年前碳減排量的28.62%、2030年前的23.42%、2050年前的25.62%，是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展目標(biāo)中非常重要的一環(huán)。

4.工業(yè)部門(mén)分技術(shù)減排成本

模型根據(jù)工業(yè)部門(mén)各減排技術(shù)的固定成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本、運(yùn)營(yíng)期內(nèi)節(jié)約的燃料支出和全壽命周期內(nèi)減排量計(jì)算了各技術(shù)的邊際減排成本。

如圖4所示，在低碳情景下，大部分工業(yè)減排技術(shù)的邊際減排成本為負(fù)，這類(lèi)技術(shù)節(jié)約的能源費(fèi)用可以彌補(bǔ)新增投資，帶來(lái)凈收益，因此較低的碳價(jià)就能起到鼓勵(lì)該部分能效技術(shù)推廣的作用。另一方面，2030年后減排的主要技術(shù)鋼鐵CCS與水泥CCS面臨很高的減排成本，分別為699元/噸二氧化碳與455元/噸二氧化碳，需要通過(guò)額外的支持才能吸引到投資。

2017年12月19日，中國(guó)碳排放交易體系正式啟動(dòng)，中國(guó)碳定價(jià)制度取得了突破性進(jìn)展。在建立最初，全國(guó)碳市場(chǎng)以發(fā)電行業(yè)為突破口，但隨著條件成熟，未來(lái)有可能將工業(yè)納入進(jìn)來(lái)，因而有效的碳價(jià)對(duì)工業(yè)減排至關(guān)重要。作為影響技術(shù)應(yīng)用潛力的重要因素，技術(shù)的邊際減排成本可用于評(píng)估碳市場(chǎng)的有效性——有效碳價(jià)至少應(yīng)達(dá)到低碳技術(shù)的邊際減排成本。例如，碳價(jià)低于200元/噸二氧化碳時(shí)，就工業(yè)而言，可對(duì)邊際減排成本低于200元/噸二氧化碳的大部分技術(shù)起到激勵(lì)作用，而需要對(duì)機(jī)械行業(yè)節(jié)能技術(shù)、水泥CCS、電爐煉鋼、鋼鐵CCS等高成本技術(shù)給予額外的支持和補(bǔ)貼。本文的邊際減排成本計(jì)算結(jié)果可以作為未來(lái)國(guó)家碳市場(chǎng)價(jià)格監(jiān)管與中長(zhǎng)期建設(shè)的參考依據(jù)。

圖4 2050年主要工業(yè)技術(shù)邊際減排成本注：本圖僅匯總了2050年前減排潛力超過(guò)1000萬(wàn)噸二氧化碳的部分技術(shù)，其中其他工業(yè)是對(duì)各子行業(yè)的所有技術(shù)的成本與節(jié)能信息匯總后計(jì)算得到的綜合減排成本和減排潛力。

圖5 工業(yè)低碳發(fā)展投資需求

5.工業(yè)部門(mén)分時(shí)期投資需求

本文計(jì)算了工業(yè)部門(mén)低碳發(fā)展所需的固定投資規(guī)模，結(jié)果如圖5所示。按照低碳情景的設(shè)定，2050年前工業(yè)部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型共需資金22074億元(2)此小節(jié)所有投資需求均為以2013年為基年折現(xiàn)后的結(jié)果。，相當(dāng)于基準(zhǔn)情景的2倍。盡管在總的固定投資中工業(yè)并不占據(jù)很大比重，即在2020年前、2021—2030年、2031—2050年期間分別占總資金需求的3.4%、5.8%、9.1%，卻呈現(xiàn)占比遞增的趨勢(shì)?？紤]到21世紀(jì)中葉電力和交通兩大行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施需求逐漸被滿(mǎn)足，工業(yè)脫碳將是重要的投資領(lǐng)域。

具體來(lái)看，工業(yè)投資主要集中在能效提升和水泥與鋼鐵CCS兩個(gè)子情景。2020年前，CCS尚未起步，低碳情景下能效提升共需4897億元，人均年度新增投資(相對(duì)于基準(zhǔn)情景)僅13.6元。2021—2030年，鋼鐵和水泥兩大領(lǐng)域開(kāi)展CCS技術(shù)示范，其中鋼鐵CCS投資470億元，水泥CCS投資141億元，兩者之和占十年間總投資需求的9.0%。2031—2050年，CCS技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用與推廣，資金需求約5526億元，占工業(yè)投資需求的53.0%，占全部CCS總投資的59%，人均年度新增投資26.4元。2050年前工業(yè)部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型共需資金22074億元，占GDP比重僅0.14%，可見(jiàn)工業(yè)部門(mén)能夠以相對(duì)較低的成本，貢獻(xiàn)2050年近30%的減排量，具有較高的成本收益性。

五、結(jié)論

本文基于LEAP模型框架，構(gòu)建了包含工業(yè)模塊的“自下而上”能源系統(tǒng)模型PECE-LIU2017，設(shè)置多個(gè)低碳技術(shù)發(fā)展情景，根據(jù)下游行業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)因子確定2050年前主要工業(yè)行業(yè)的產(chǎn)量和產(chǎn)值，并從碳排放、技術(shù)、成本、投資四個(gè)角度探討工業(yè)部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型的可能性與必要性。本文的主要結(jié)論如下：

第一，工業(yè)部門(mén)產(chǎn)量將在短期內(nèi)繼續(xù)上升，是其他部門(mén)發(fā)展的重要支撐。伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程與現(xiàn)代化建設(shè)，下游基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和能源服務(wù)需求在近期維持在較高水平，使得水泥、鋼鐵等行業(yè)產(chǎn)量持續(xù)增加，直至2040年達(dá)到產(chǎn)量峰值；電解鋁產(chǎn)量快速提高，石化和化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)。整體而言，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，工業(yè)仍是中國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，支撐交通、建筑等終端部門(mén)持續(xù)增長(zhǎng)的消費(fèi)需求，產(chǎn)量削減空間小。但是，綠色低碳是工業(yè)的重要轉(zhuǎn)型方向，以碳生產(chǎn)力或單位產(chǎn)品的碳排放指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，工業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型與工業(yè)自身的轉(zhuǎn)型升級(jí)方向是一致的。

第二，通過(guò)采取有效手段，工業(yè)部門(mén)有望在2020年率先達(dá)到碳排放峰值，并推動(dòng)實(shí)現(xiàn)中國(guó)NDC中碳排放盡早達(dá)峰的目標(biāo)。低碳情景下，通過(guò)充分發(fā)揮減排潛力，工業(yè)部門(mén)可將其碳排放峰值提前21年，先于交通和建筑部門(mén)達(dá)峰，2050年排放量由基準(zhǔn)情景的59億噸削減至21億噸。工業(yè)可貢獻(xiàn)2050年前全國(guó)累積減排量的25.62%，推動(dòng)全社會(huì)碳排放在2020—2025年達(dá)峰，提前實(shí)現(xiàn)NDC目標(biāo)。同時(shí)，低碳情景更好地符合現(xiàn)有工業(yè)規(guī)劃的綠色發(fā)展要求，順應(yīng)國(guó)家的低碳轉(zhuǎn)型趨勢(shì)。

第三，能效提升是工業(yè)部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型最主要的減排來(lái)源，工業(yè)CCS應(yīng)用將在2030年后發(fā)揮重要作用。中國(guó)有望在2030年實(shí)現(xiàn)能耗下降48%，2050年下降70%，能效提升貢獻(xiàn)累計(jì)減排量240億噸，占總工業(yè)減排的42%。工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型分別可貢獻(xiàn)93億噸與114億噸減排量，將2050年碳排放降低至34億噸，但仍不足以滿(mǎn)足2℃目標(biāo)的要求。2030年后，在鋼鐵和水泥行業(yè)推廣和應(yīng)用CCS技術(shù)，可額外貢獻(xiàn)22%的減排量，在本世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)深度脫碳目標(biāo)。

第四，工業(yè)部門(mén)的技術(shù)普遍比較成熟，2050年邊際減排成本較低，投資回報(bào)率高。以HTL粉煤加壓氣化技術(shù)、大推力多通道燃燒器等為代表的大部分工業(yè)減排技術(shù)凈排成本為負(fù)，節(jié)約的能源費(fèi)用可以彌補(bǔ)新增投資，帶來(lái)凈收益，有良好的市場(chǎng)推廣潛力。同時(shí)，鋼鐵與水泥CCS、電爐煉鋼等技術(shù)仍面臨高成本的問(wèn)題，投資需求大，需要在政府的支持下發(fā)展。如果未來(lái)全國(guó)碳市場(chǎng)進(jìn)一步納入工業(yè)行業(yè)，工業(yè)各項(xiàng)低碳技術(shù)的邊際減排成本可以作為碳市場(chǎng)價(jià)格有效性及變化趨勢(shì)的重要參考。

第五，工業(yè)部門(mén)能夠以相對(duì)較低的成本實(shí)現(xiàn)近30%的減排量，低碳發(fā)展前景良好。2030年前以能效投資為主，資金需求為11652億元，2030年后著力推廣鋼鐵和水泥行業(yè)的CCS應(yīng)用，能效投資需求降低。2050年前工業(yè)部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型共需資金22074億元，占總資金需求不超過(guò)10%，占GDP比重僅0.14%，不會(huì)給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)較大壓力，同時(shí)也能為中國(guó)的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換進(jìn)程作出貢獻(xiàn)。

面對(duì)全球碳排放容量約束，中國(guó)工業(yè)部門(mén)應(yīng)走上一條率先達(dá)峰及深度脫碳的轉(zhuǎn)型路徑。從排放路徑來(lái)看，工業(yè)部門(mén)在能源系統(tǒng)各個(gè)部門(mén)中應(yīng)發(fā)揮先鋒帶頭作用，爭(zhēng)取在2020年左右達(dá)到二氧化碳排放峰值，達(dá)鋒后繼續(xù)以年均1.69%的速率快速下降，到2050年將CO2排放控制在2013年的50%，為其他快速發(fā)展的部門(mén)提供排放空間，同時(shí)為國(guó)家提前實(shí)現(xiàn)二氧化碳峰值目標(biāo)奠定基礎(chǔ)；從技術(shù)路徑來(lái)看，鋼鐵、水泥、石化、電解鋁等高能耗工業(yè)產(chǎn)品能效達(dá)到世界領(lǐng)先水平，單位工業(yè)增加值能耗在2030年相比2013年下降48%，2050年下降70%，同時(shí)加快燃煤替代與工業(yè)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)2030年與2050年碳強(qiáng)度分別下降57%和87%。從政策路徑來(lái)看，應(yīng)按照循序漸進(jìn)的原則，綜合運(yùn)用市場(chǎng)與管理手段，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。在近中期應(yīng)以市場(chǎng)手段為主，結(jié)合碳市場(chǎng)，優(yōu)先推廣減排貢獻(xiàn)大、邊際減排成本為負(fù)即投資帶來(lái)凈收益的能效技術(shù)；在中長(zhǎng)期加大對(duì)先進(jìn)低碳技術(shù)的研發(fā)和投資，推動(dòng)CCS技術(shù)在水泥、鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用，大力推廣電爐煉鋼，推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，促進(jìn)工業(yè)部門(mén)深度減排。

總而言之，工業(yè)部門(mén)作為國(guó)家實(shí)體經(jīng)濟(jì)的支柱，有必要通過(guò)自身的低碳轉(zhuǎn)型減少對(duì)高污染、高排放的傳統(tǒng)路徑的依賴(lài)，踐行國(guó)家低碳戰(zhàn)略，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。中國(guó)工業(yè)部門(mén)目前以燃煤消費(fèi)為主，行業(yè)內(nèi)能源效率與排放水平參差不齊，低碳技術(shù)創(chuàng)新水平同發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距。但同樣可以看到，中國(guó)已掌握了許多工業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，有望在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到工業(yè)碳排放的峰值并對(duì)全國(guó)低碳目標(biāo)作出實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。工業(yè)排放達(dá)峰不意味著工業(yè)萎縮，而是一種與新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)相協(xié)調(diào)的優(yōu)化過(guò)程；通過(guò)制定系統(tǒng)性的中長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略，工業(yè)部門(mén)能夠以技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可接受的方式實(shí)現(xiàn)自身的低碳轉(zhuǎn)型。