黃海霞,程帆,蘇義腦,姚良忠,胡健祖
(1.中國石油天然氣集團有限公司,北京 100007;2. 中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心,北京100088;3. 中國工程院,北京100088;4. 武漢大學電氣與自動化學院,武漢 430072;5. 中國電力科學研究院有限公司,北京 100192)
能源作為現代人類社會發(fā)展的基石,其開發(fā)利用水平和規(guī)模自工業(yè)革命時代以來飛速進步,顯著推動了社會生產力發(fā)展和人類文明進步。目前,人類的能源活動高度依賴化石能源,化石能源燃燒及利用過程中的碳排放問題是造成全球氣候變暖的主要原因 [1]。因此,為了實現可持續(xù)發(fā)展,推動能源清潔轉型、控制化石能源消費總量是實現碳達峰、碳中和目標的重要手段。
目前,我國的能源消費量和碳排放量位于全球前列,2020年的能源消費總量約為4.98×109tce [2],占全球總量的27%;能源活動產生的CO2排放總量約為1.03×1010t,占全球總量的32% [3]。然而,我國一次能源強度約為世界平均水平的1.5倍,是歐盟、美國、日本等發(fā)達國家或地區(qū)的2~3倍,較低的能源利用效率表明具有極大的能效提升潛力。我國石油、天然氣的對外依存度較高 [4]、消費需求總量大且仍有較大增長空間 [5]。全面強化節(jié)能對提升能效水平、保證能源安全、提高經濟發(fā)展質量都具有重要價值,也是達成碳達峰、碳中和目標,實現經濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵舉措之一。
能源消費的預測方法主要有時間序列預測法和相關關系預測法兩大類 [6];前者基于歷史數據對能源需求總量進行預測,但難以對各構成部分進行分析,典型代表是差分整合移動平均自回歸模型(ARIMA) [7];后者中的投入產出法通過建立各部門的能源關系來實現對各部門節(jié)能潛力、部門間節(jié)能協同效應的分析 [8,9],可為節(jié)能潛力評估提供重要依據。此外,也有研究基于能源轉換和消費過程 來建立能源模型 [10],對未來場景的能源消費總量和碳達峰情況進行預測 [11,12],但未對節(jié)能潛力進行評估;還有研究立足國情和現狀,從能源結構和產業(yè)結構調整的角度出發(fā)對我國節(jié)能潛力進行評估 [13,14]。我國經濟發(fā)展模式、內外因素、要素調節(jié)、供需結構等因素已經或正在發(fā)生新的變化,需要結合新階段特征開展節(jié)能潛力評估研究,進一步明晰節(jié)能增效對碳減排工作的推進作用。
本文采用投入產出法建立能源消費模型,對我國高耗能工業(yè)、建筑、交通領域的節(jié)能潛力進行評估。首先,通過分析能源消費水平和發(fā)展情況,闡述節(jié)能措施對我國減少化石能源消費和發(fā)展模式轉型的意義;其次,基于我國能源?;鶊D, 剖析我國能效提升方向和節(jié)能重點領域;第三,選取工業(yè)、交通和建筑等領域及細分行業(yè)門類,對我國未來場景下的節(jié)能潛力進行評估,探討節(jié)能措施對推動碳排放順利達峰的作用。最后, 概擴未來全面實施節(jié)能戰(zhàn)略的關鍵措施,針對性提出發(fā)展建議。
根據2020年全球能源消費統(tǒng)計 [3],我國人均能源消費總量和能源強度均高于全球平均水平;英國、法國、德國、日本等發(fā)達國家的人均能源消費量與我國接近,但能源強度僅為我國的1/3左右,體現了較高的能效水平;美國、澳大利亞等國家的能源強度雖為我國的40%,但人均能源消費是我國的2倍以上,在發(fā)達經濟體中能效水平較低;印度、越南等發(fā)展中國家的人均能耗和消費強度均低于全球平均水平。圖1是2020年部分經濟體的能源消費氣泡圖,圓圈面積表示對應國家的能源消費總量。
圖1 2020年部分國家能源消費現狀及我國節(jié)能措施下能源發(fā)展路徑
發(fā)展中國家在逐步向發(fā)達國家過渡的過程中,一般會經歷“人均能耗水平快速提升后緩慢下降,能源強度不斷下降”的過程 [15](如圖1中的發(fā)展路徑1);而節(jié)能措施可使發(fā)展路徑上凸幅度顯著減小,從而降低發(fā)展過程的能源消費需求(如圖1中的發(fā)展路徑2)。國際發(fā)展經驗表明,節(jié)能不僅可以促進產業(yè)向知識和技術密集型轉變,也可以助推經濟的穩(wěn)定增長 [16]。我國當前正處于人均能耗增速和能源強度下降速度均放緩的轉型關鍵時期,通過實行節(jié)能增效,不僅可以有效減少能源消費總量、降低對化石能源的依賴、助力碳達峰,還可以加快經濟發(fā)展模式向高質量發(fā)展的轉變。因此, 實施節(jié)能戰(zhàn)略事關我國經濟發(fā)展模式轉型,也將深度影響我國未來的能源生產和消費格局。
評估節(jié)能潛力、實施節(jié)能舉措,需要結合當前我國能源消費構成和特點來開展。根據2019年能源消費數據 [17],采用電熱當量法繪制了我國能源消費?;鶊D(見圖2),以直觀清晰地描述各類能源轉換和消費的路徑及數量 [18]。
圖2 2019年我國能源?;鶊D
在我國的一次能源消費中,化石能源占比約為85%,其中煤炭消費量占一次能源消費總量的60%;在終端能源消費中,工業(yè)領域占比超過60%,整體呈現“能源偏煤、產業(yè)偏重”的特點。從能源流向來看,在化石能源消費中,煤炭主要用于發(fā)電和煤化工領域,石油的煉化產品主要流向化工和交通領域,天然氣主要用作工業(yè)燃料和城鎮(zhèn)燃氣 [19]。我國的電力終端能源消費占比約為25%,而全球平均水平為19%、經濟合作與發(fā)展組織國家的平均水平為22% [20]。綜上,我國節(jié)能潛力的主要落腳點是能源側的清潔轉型、消費側的產業(yè)調整,需要結合我國未來的經濟發(fā)展目標和節(jié)能技術前景來研判能源消費發(fā)展趨勢。
我國能源消費總量在2030年前將呈現緩慢上升趨勢 [21],2030年會達到 5.6×109tce,2035—2040年能源需求進入峰值平臺期,對應峰值約為5.8×109tce。在能源消費方面,我國化石能源的消費占比將逐步下降,在2030年將由2021年的85%降低到75%;電力在終端能源消費的占比將呈持續(xù)快速上升趨勢,預計2030年的相應占比將達到30%。
在各領域的能源需求方面,到2030年,工業(yè)能源需求將實現達峰并開始逐步下降,建筑業(yè)能源需求將隨著居民生活水平提升和第三產業(yè)占比增大而繼續(xù)保持上升趨勢,交通業(yè)能源需求將進入平臺期并維持穩(wěn)定。整體來看,面向中長期,我國能源需求將呈現工業(yè)能源消費逐步降低,交通業(yè)和建筑業(yè)占比逐漸增大的趨勢,能源消費變化情況符合發(fā)展中國家步入發(fā)達國家的發(fā)展規(guī)律。
本文選取能源消費占比較大的工業(yè)、交通、建筑3個領域作為節(jié)能重點部門并對各領域下屬門類進行劃分,構建了我國節(jié)能潛力評估模型(見圖3)。其中,工業(yè)領域按照產品和工藝劃分,建筑領域按照建筑物類型和供能方式劃分,交通領域按照交通運輸方式劃分。以工業(yè)領域為例,根據2019年統(tǒng)計數據[17],鋼鐵、電力生產、有色金屬、水泥、燃料加工、化工6個產業(yè)的能耗占工業(yè)總能耗的80%以上,可納入工業(yè)節(jié)能重點部門進行考慮。在產品工藝方面,對于鋼鐵產業(yè),因其能耗受流程影響較大而可劃分為長流程、短流程兩類;對于化工產業(yè),主要統(tǒng)計煉焦、煉油、合成氨、電石、燒堿等高耗能化工原材料產品類別。
圖3 我國節(jié)能潛力評估模型的部門構成
在確定統(tǒng)計領域和門類后,運用投入產出法計算能源消費量。通過反映能源相關活動的預測結果和單位活動能耗,計算各領域下各部門的能源消費總量。對于能源相關活動的指標,工業(yè)領域采用產品產量描述,建筑業(yè)領域采用電/暖/燃氣等終端用能方式的能源需求描述,交通領域則通過各類交通工具數量和年平均里程來描述。在得出各活動能源消費總量的基礎上,結合流程、工藝變化、節(jié)能技術運用情況,對單位活動能耗進行修正,最終得到各領域的能源消費情況。
結合我國2020年能源消費情況和未來能源消費預估 [21],本文設計了強化節(jié)能措施的節(jié)能場景、現有實施政策的基礎場景,對兩種場景的能源消費進行預測,結合兩者的差值來評估我國節(jié)能潛力(見圖4)。在節(jié)能場景下,到2030年,按照電熱當量法計算的能源消費總量相比基礎場景可降低約8×108tce;按照等值煤耗法計算則可降低約8.5×108tce,相當于2019年能源消費總量的17.2%;2021—2030 年的累計節(jié)能量為 4.626×109tce,約為2017 年的能源消費總量。在節(jié)能場景下,我國能源消費呈現緩慢上升趨勢并在2030年左右進入平臺期;而在基礎場景下,預計2030年我國能源消費仍會保持較快上升速度,尚未進入平臺期。
圖4 我國總體節(jié)能潛力評估
1. 工業(yè)領域節(jié)能潛力分析
對于我國工業(yè)領域的節(jié)能潛力情況(見圖5),預計到2030年,在節(jié)能場景下,電力生產部門通過加大新能源裝機容量、提高氣電在火電中的占比可實現節(jié)能約1.6×108tce,鋼鐵產業(yè)通過降低產量、優(yōu)化長短流程結構和提升工藝能效等手段可實現節(jié)能約2.2×108tce,水泥產業(yè)、有色金屬冶煉產業(yè)、高耗能化工產業(yè)、燃料加工產業(yè)分別可實現節(jié)能約1.0×108tce、3.6×107tce、3.25×107tce、5.6×107tce。
圖5 我國工業(yè)領域節(jié)能潛力評估
綜上,我國高耗能工業(yè)領域在2030年可實現節(jié)能約6×108tce,相當于2019年該領域能源消費總量的24.5%;2021—2030年累計節(jié)能約3.37×109tce,節(jié)能潛力貢獻主要來自于鋼鐵和電力部門。在基礎場景下工業(yè)領域總能源消費呈持續(xù)上升趨勢,而采取節(jié)能措施后可實現總體能源消費的逐步下降。
2. 交通領域節(jié)能潛力分析
交通領域節(jié)能潛力分析模型主要涉及客運和貨運兩大類,其中公路交通因能源消費占比較高是重點節(jié)能部門。預計到2030年,在節(jié)能場景下我國公路客運節(jié)能潛力約為4.35×107tce,主要來自于新能源汽車對燃油汽車的替代;通過綜合運用“公轉鐵”“公轉水”、多式聯運、發(fā)動機能效水平提升等手段,公路貨運的節(jié)能潛力約為3.7×107tce,水路和鐵路貨運交通能耗則上升至7.8×106tce,航空運輸通過提升發(fā)動機能效可實現節(jié)能約 1×107tce。
綜上,我國交通領域在2030年可實現節(jié)能約8.6×107tce,相當于2019年交通領域能源消費總量的13.5%;2021—2030年的累計節(jié)能約為5.1×108tce,主要貢獻來自公路客運和貨運的能效提升。在基礎場景下交通領域總能源消費呈持續(xù)上升趨勢,而采取節(jié)能措施后交通能源消費快速進入平臺期(見圖6)。
圖6 我國交通領域節(jié)能潛力評估
3. 建筑領域節(jié)能潛力分析
建筑領域節(jié)能潛力分析模型主要涉及居民建筑和各類建筑的用電、采暖、燃氣以及信息通信基礎設施的用電。預計到2030年,在節(jié)能場景下,我國建筑用電的節(jié)能潛力約為2.71×107tce,其中居民用電的節(jié)能潛力為8×106tce,商業(yè)、辦公、文化等公共建筑用電的節(jié)能潛力約為1.8×107tce;信息通信基礎設施節(jié)能潛力約為1×107tce。另外,在節(jié)能場景下,用于集中供暖的化石能源占比為30%,供暖節(jié)能潛力約為3.1×107tce;通過電能替代可減小居民廚房燃氣需求的節(jié)能潛力為2×107tce。
綜上,我國建筑領域在2030年可實現節(jié)能約8.05×107tce,相當于2019年建筑能源消費總量的14.7%;2021—2030年的累計節(jié)能約為5.3×108tce,將顯著降低碳排放量的上升速度,主要貢獻來自清潔供暖和節(jié)約用電。兩種場景下的建筑領域的能源消費量均呈持續(xù)上升趨勢,但節(jié)能場景下的能源消費量上升速度明顯低于基礎場景(見圖7)。
在建立節(jié)能分析模型的基礎上,通過各種活動的碳排放因子估算兩種場景下的碳排放情況,進而評估實施節(jié)能措施下的碳減排效果。本文僅計算能源和工業(yè)活動中產生的碳排放,不考慮碳匯和碳移除技術的作用。在基礎場景下,碳排放總量雖呈現增長逐步放緩的趨勢,但在2030年前仍不能順利實現達峰;而在節(jié)能場景下,碳排放將很快進入平臺期并在2026年前后開始穩(wěn)步下降。預計到2030年,在實施節(jié)能措施后,可減少碳排放量約1.95×109t CO2,2021—2030年將累計減少碳排放量約為1.05×1010t CO2,相當于2020年我國能源活動的碳排放總量(見圖8)。因此,強化節(jié)能措施可以有效降低未來能源消費需求并顯著降低碳排放總量, 從而成為推動我國碳達峰、碳中和目標實現的重要手段。
圖8 我國碳排放總量分析
在高耗能工業(yè)領域, 應逐步降低產業(yè)規(guī)模比重并提高企業(yè)的規(guī)?;?,推動提高產業(yè)集中度和企業(yè)規(guī)模化水平來實現降低能效的目標。對于高度依賴高耗能產業(yè)的地區(qū), 應構建產業(yè)集群并與用能服務業(yè)相結合,逐步提高能效水平以擺脫發(fā)展路徑依賴。在國家層面,推進區(qū)域經濟協調發(fā)展,避免因高耗能項目重復建設帶來的資源浪費和產能過剩;加快高耗能產業(yè)中的落后產能淘汰進度,合理加強對高耗能、低附加值產品出口規(guī)模的管控,逐步推動產業(yè)結構升級和產能更新。
在能源生產領域,加速能源生產結構轉型。積極開發(fā)水、風、光等可再生能源以及核電等清潔能源,重點布局海上風電、內陸核電站、分布式能源建設。對于火電機組,有計劃地逐步關停亞臨界及以下的煤電機組,推動燃煤機組供熱改造以取締散燒煤供熱,提高火電項目的能耗要求以及天然氣發(fā)電在新增火電中的占比,提升化石能源發(fā)電能效水平。
在能源消費領域,加快電能替代和清潔能源轉型。通過交通領域的新能源汽車和氫燃料汽車推廣,建筑領域的屋頂分布式光伏發(fā)電、終端用能再電氣化、清潔供暖等技術應用,實現清潔能源高效利用。完善碳排放市場和電力市場機制,充分調動市場主體的節(jié)能積極性。通過電力需求側管理,綜合能源系統(tǒng),電、熱、氫、儲能等技術應用,支撐更高比例新能源的接入。
在綠色低碳能源開發(fā)領域,重點突破以鈣鈦礦薄膜為代表的新一代光伏材料及光伏電池技術、漂浮式海上風電、第四代核反應堆等綠色低碳能源生產技術的商業(yè)化應用,布局人工光合作用燃料合成、行波反應堆、可控核聚變反應堆等顛覆性技術研究。
在綠色低碳能源利用領域,著力推進可再生能源制氫、規(guī)?;瘍δ?、柔性直流輸電、綜合智慧能源系統(tǒng)等技術的示范應用。加強全固態(tài)鋰電池、鈉離子電池、質子交換膜電解水制氫、寬禁帶半導體功率芯片等關鍵技術的研發(fā)和產業(yè)轉化。
在工業(yè)領域特別是高耗能產業(yè),大力推廣節(jié)能技術和工藝。通過制備原料和流程替換,如天然氣制合成氨、短流程煉鋼、再生鋁冶煉等技術,降低高耗能產品單位生產能耗;通過鍋爐、電機、暖通系統(tǒng)節(jié)能,加強工業(yè)低品位余熱的回收和再利用,提升生產企業(yè)的能效水平,持續(xù)推進綠色制造。
在建筑領域,應用被動式節(jié)能建筑、空氣源熱泵等節(jié)能設備、建筑能耗管理系統(tǒng)等,降低建筑運行能耗,推動低碳建筑的規(guī)模化發(fā)展。積極推進集中供冷和冷熱聯供,提升數據中心、通信基站等新型基礎設施的能效水平,建設綠色數據中心。
在交通領域,通過共享出行、純電動乘用車、公共交通系統(tǒng)的完善,采取“公轉水”“公轉鐵”、多式聯運等措施,提升交通系統(tǒng)的能效水平;鼓勵重載卡車、船舶使用液化天然氣等清潔燃料。
科學規(guī)劃城市鄉(xiāng)村建設進程,合理約束城鎮(zhèn)地產開發(fā)強度,采取老舊房屋節(jié)能改造、功能設施完善等手段,提高建筑在使用周期內的性能。通過政府規(guī)劃引導,遏制農村宅基地過度建設引發(fā)的大規(guī)模閑置現象,有效降低房地產及相關高耗能產品的需求。
提升廢物的資源化利用水平,發(fā)展循環(huán)經濟,降低對高耗能產品的需求。提高廢鋼、再生鋁的回收和循環(huán)利用水平,擴大廢金屬資源的進口規(guī)模;發(fā)展畜禽糞污肥料化利用等技術,降低化肥使用量;通過廢紙造紙和再生塑料等技術減小原料制備的能源消耗,支持生態(tài)環(huán)境保護。
宣傳倡導節(jié)能生活方式,通過網絡平臺、媒體等向全社會大力倡導節(jié)能意識。提倡多走樓梯少乘電梯、無紙辦公及辦公打印雙面用紙、人走斷電、夏季空調不低于26 ℃、綠色低碳出行等節(jié)能生活方式,培養(yǎng)居民特別是年輕群體的節(jié)能意識。
應用數字化和信息技術,引入社會心理學,結合居民綠色消費統(tǒng)計、用能強度、個人碳足跡等指標,通過鄰里間對比,激勵和引導用戶的自發(fā)節(jié)能行為。運用互聯網技術精準捕捉工業(yè)生產、居民生活的能源消費實時信息,通過大數據技術辨識潛在的節(jié)能環(huán)節(jié),實現需求側、供應鏈、生產過程、運營服務的精準化節(jié)能。結合用戶的用能行為,設計相關激勵機制,引導公眾深度參與節(jié)能減排過程。
進一步健全和完善能耗雙控制度。在國家層面統(tǒng)籌謀劃的基礎上,各地方按照自身經濟發(fā)展水平、節(jié)能潛力等因素,設置本地區(qū)的能源消費總量目標,提出合理的時間表、線路圖和施工圖。建議將化石能源消費總量及強度納入各地區(qū)政府工作的考核內容,落實用能預算管理制度,通過激勵與問責機制相結合形成有效的約束機制。
推動各地方的節(jié)能工作重點落實到優(yōu)化產業(yè)結構與能源結構、高耗能產業(yè)規(guī)模管控與企業(yè)能效考核上。適當擴充基層能源統(tǒng)計隊伍規(guī)模,采用節(jié)能監(jiān)察、能源計量與統(tǒng)計等手段,掌握能效情況,對超標單位進行嚴格管控。注重管控的及時性和精準性,避免“運動式”減碳、“突擊式”減排現象。
建立用能權交易市場,充分發(fā)揮市場對能源要素的優(yōu)化配置作用,逐步完善用能權的有償使用和交易制度。
逐步降低高耗能、低附加值產業(yè)的規(guī)模。通過壓減過剩產能,實行汰劣上優(yōu)、化石能源能耗等量或減量替代方式,拓展用能空間。嚴控新上高耗能、高污染項目,要求新建項目能效水平達到國際或國內行業(yè)標桿水平,確保行業(yè)能效穩(wěn)步提升。
開展中長期規(guī)劃,逐步引導高耗能、低附加值產業(yè)的轉型升級。將相關產業(yè)逐步融入軌道交通、船舶海洋、新能源汽車及裝備等高端制造業(yè)的產業(yè)鏈,整合優(yōu)勢資源并合理提升產業(yè)集中度,發(fā)展一批具有重要影響力的產業(yè)集聚區(qū)和創(chuàng)新高地。
大力宣傳節(jié)能技術。通過定期更新國家重點節(jié)能低碳技術推廣目錄,地區(qū)和城市推行能效指南,各行業(yè)、企業(yè)、協會組織節(jié)能技術推介與交流會等方式,加強先進能效示范案例的普及宣傳力度,實現經濟、環(huán)境和社會效益的多贏。
提升節(jié)能技術的創(chuàng)新研發(fā)與應用支持力度。重點支持一批具有可復制性的節(jié)能示范項目建設,增加中小企業(yè)使用先進節(jié)能技術進行改造的融資支持力度;加大節(jié)能技術研發(fā)項目的資金支持,促進節(jié)能技術發(fā)展和落地應用。
實施和修訂《節(jié)約能源法》,結合地方根據自身發(fā)展水平和實際情況頒布的能源節(jié)約條例及管理辦法,建立完善的節(jié)能法律法規(guī)體系。加強執(zhí)法監(jiān)督,強化事中事后監(jiān)管,嚴格執(zhí)法問責,切實確保相關法律法規(guī)的有效落實。
完善節(jié)能標準體系,突出標準的引領和約束作用。持續(xù)發(fā)布和實施相關的能效標準,實現各行業(yè)和各用能產品的全覆蓋。將能效“領跑者”指標納入標準指標體系,及時做好標準制定/修訂,逐步擴展能效標識的產品覆蓋范圍。協調國際和區(qū)域相關標準互認,服務國產高效優(yōu)質產品融入全球市場并擴大中國能效的影響力。
防止大拆大建行為帶來的能源資源浪費,有序推進城市和鄉(xiāng)村建設的更新進程。堅持“留改拆”并舉,合理限定城市更新單元拆除面積規(guī)模,推行小規(guī)模、漸進式的有機更新和微改造,提升建筑節(jié)能水平。逐步提高新建建筑的節(jié)能標準并加強執(zhí)行力度。
統(tǒng)籌推進廢舊物資回收網點與生活垃圾分類網點“兩網融合”,著重推動高耗能產品再生利用的規(guī)模化、規(guī)范化、清潔化。結合各地區(qū)的能源消費、產業(yè)結構、居民生活特點,通過國家頂層設計和區(qū)域間協調,加快城市-園區(qū)的無廢化進程。
在社會層面,樹立“發(fā)展必須節(jié)約,節(jié)約才能發(fā)展”的發(fā)展觀,將節(jié)約、節(jié)能作為經濟發(fā)展內驅力、經濟增長新方式、社會文明新導向。弘揚崇尚節(jié)儉、反對浪費的優(yōu)良文化傳統(tǒng),推動全社會踐行勤儉節(jié)約之風。
在個人層面,樹立“節(jié)能光榮,浪費可恥”的價值觀,宣揚個人節(jié)能行為對促進經濟社會可持續(xù)發(fā)展模式的重要作用。通過節(jié)能宣傳周、倡議書等方式,提升個人的節(jié)能意識和踐行責任感。