张达 | 可计算一般均衡能源经济模型在双碳研究中的应用

中国—全球能源模型(China-in-Global Energy Model, C-GEM) 是全球多区域递归动态可计算一般均衡模型，主要用于评估中国与全球低碳政策对经济、贸易、能源消费与温室气体排放的影响。

C-GEM模型涵盖全球17个区域，每个区域包含19个生产部门和两个消费部门，每个地区或者国家都有自己的国内市场、国内的产品市场、国内的要素市场，以及国际的贸易关系（如图左侧所示）。为了更好符合利用模型开展能源转型、开展应对气候变化研究的需求，在模型开发过程中注重对中国经济特征的表述，详细刻画了对中国的产业部门占比较高的高耗能部门和工业部门细节（如图右侧所示）。

同时，模型也表达了未来碳中和十分关键的低碳、零碳、负碳技术，比如BECCS技术和DACCS技术。这些CCS技术在临近碳中和时期可能会被托底应用，也就是大约不到一千美元每吨的成本，因此在模型估计中，即使要求达到碳中和，边际减排成本或是模型中形成的碳价也不应超过一千美元。

为了提高转型路径在技术层面的可解释性，建立统一的经济学分析框架，将能源变革、经济转型与政策干预有机结合。通过自上而下与自下而上相结合，建立1+3模型评估体系，使得一般均衡模型结果和相应的电力、交通、建筑部门更好结合，以便更好地分析能源系统的物理特性。

C-GEM模型和REPO模型、CPREG模型、CBEM模型三者相互核算、相互验证、相互支撑。具体来看，电力部门的转型路径主要是由中国可再生能源电力规划及运行模型(REPO)进行验证；交通部门的转型路径主要是应用中国分省道路交通能耗和温室气体排放模型(CPREG)进行验证；建筑部门的转型路径则采用中国建筑用能模型(CBEM)进行验证。

参考情景：

（1）2030年以前，以我国2015年在巴黎气候变化大会上承诺的碳减排力度为依据：碳排放在2030年左右达峰、单位GDP碳排放与2005年相比下降60-65%；非化石能源比重2030年达20%以上。

（2）2030年以后延续2020-2030年的碳减排力度。

碳中和情景：

（1）以习总书记提出的“2030年前碳排放实现达峰，2060年实现碳中和”为依据。

（2）与全球要求的1.5℃温升控制目标碳排放轨迹基本相符。

（1）全球以大于66%概率实现1.5℃温控的CO2排放轨迹

若要以大于66%的概率实现 1.5℃温升控制，在没有任何减排分担机制、减排发生在最具成本效益的地点和时间的情况下，全球应在2045~2060年间实现碳中和(Luderer et al., 2018)。

目前全世界主要的模型研究机构对碳排放的轨迹都有各自的看法，但需要注意的是，这些以西方为主的研究机构一般都会主张从2020年开始就是深度减排。这与我国发展中国家的国情、应对气候变化全球治理中需要考虑的共同而有区别的责任以及各自能力的原则是不相符的。所以在情景设计的时候，既需要考量全球减排的要求，也需要考量中国自己的特征。

（2）中国与全球不同情景下的碳强度下降率

中国提出双碳目标对全球应对气候变化、在本世纪末实现2℃甚至是1.5℃温控目标至关重要。我们既考虑全球对中国的减排要求，也要考虑到中国实际的情况和中国应该承担的责任以及自身的能力。

通过将中国碳中和情景下的碳强度下降率与世界不同情景下的碳强度下降率进行对比，可以发现模型中碳中和情景对应的碳强度下降率基本达到1.5℃温升控制目标所要求的最低碳强度下降率。

（3）能源相关碳排放应在“十五五”中期达峰，2050年相比峰值下降约75%

模型中模拟得出2020-2060年不同情景下中国化石能源燃烧二氧化碳的排放路径是：化石能源燃烧碳排放将在2030年前实现达峰，峰值在105亿吨以内。2030年碳排放缓慢降为100亿吨，2030年之后通过一定的平缓的区间来实现减排。2050年排放相比峰值下降约75%。2060年，能源相关碳排放将实现净零排放。

（4）中国与全球不同情景下的碳排放指数

在充分考虑到中国国情分析的情况下，通过对比2020年到2060年我国碳中和情景下碳排放指数与全球其他排放轨要求的碳排放指数来看，C-GEM模型模拟的我国碳中和情景对应的排放曲线相对全球其它模型的排放曲线明显偏高。

（1）碳中和目标要求经济进行持续结构性调整，高碳产业贡献不断降低

从模型结果来看，未来在碳中和目标的约束下，产业结构还是有明显的变化。其中，未来三产比例会逐渐增加，2050 年三产增加值占GDP 比重预计将达到71%，而后保持相对稳定。但是2050年之后，二产所占的比例还是保持在一个相对稳定的比例状态下，这是因为中国作为一个世界工厂，实体经济是非常至关重要的。

（2）碳中和情景下 GDP 增速

在碳中和情景下，模型预测的增速相对来讲还是能够完成我国2035年远景规划纲要提出的基本实现社会主义现代化以及到2050年建成社会主义强国的目标。2060年将比2020年翻两番，2060年仍可保持2.6%左右的GDP增速。

（3）碳中和目标的实现需要引入足够强的碳价信号

因为存在市场失灵，能源经济的转型需要政策的推动得以实现。碳价代表着全经济尺度的边际碳减排成本，碳定价是成本最低的公共政策工具的代表。通过模型预测各个时期碳排放的边际减排成本，也就是对应的碳价，可以发现如果以人民币来计价，在现在的节点2020年预期碳价大概是不到60元每吨，也是和现在全国碳市场50元左右的碳价比较接近；2030年预期碳价大概是100元人民币左右；2050年之后，可以看到碳价呈现一个很明显的凸曲线，因为临近中和残余的二氧化碳是最难减排的部分；2060年基本上比较容易减排的机会都已经充分利用，这时可能会需要一些托底的高成本的减排技术来实现中和。此时，单位边际的减排成本可能会达到300美元或者400美元每吨。

（1）能源消费总量应于2030年进入平台期，煤油气消费应依次达峰

2060 碳中和情景下，随着碳约束的加强、能效和电气化水平的提升，中国一次能源消费总量将于 2030 年起进入约十年的平台期（消费量约为 60 亿吨标煤）。在碳中和情景下，我国能源结构将加快向可再生能源主导型结构转变，煤油气消费则依次2025年、2030年、2035年达峰（如图左所示）。2060年，非化石能源的比例应该是要占到80%以上，可再生能源的比例大概是在65%左右，核电占15%左右，剩下的煤、石油、天然气是占到了20%左右（如图右所示）。

（2）加快电气化和电力系统深度脱碳

未来用电需求量将不断提高（如图所示）。电力需求预计到2025年将达到8万亿千瓦时左右，到2060年预计将会翻一倍左右，达到将近16万亿千瓦时的水平。碳中和时，电力部门占终端用能的比重预计超过70%。

（3）碳中和情景下电力部门发电量

对于分品种电力（如图所示），未来煤电与气电需进行CCS技术改造，非化石电力尤其是风光电力需大规模发展。对于常规煤电，其发电量将于 2025 年左右达峰，约为4万亿千瓦时，而后不断减少至 2050 年完全退出市场。

随着未来非化石能源电力占总发电量的比例提升和 CCS 技术的推广，电力部门将于 2045~2050 年间率先实现碳中和。其中，非化石能源在电力部门的占比会将近在90%左右，核电和未来的CCS会起到比较重要的作用。

可再生能源虽然重要，但这并不意味着可再生能源应该达到一个非常高的比例（可能会将近三分之二左右）。因为如果达到了比如说超过70%比例的话，对于电力系统的安全稳定可能会产生非常明显的影响。所以我们这里相应的分析也是希望能够要考虑到未来整个电力系统对于安全稳定的重要需求。

明确碳排放总量控制路径；

进一步提高能源利用效率；

持续推进以新能源为主体的能源结构优化；

大力推进电气化和电力系统深度脱碳；

积极推动CCUS和碳移除技术的研发、示范和推广；

充分发挥碳定价机制在能源经济转型中的经济激励。

（张希良、黄晓丹、张达、耿涌、田立新、范英、陈文颖. 碳中和目标下的能源经济转型路径与政策研究.管理世界. 2022年第1期, 第35~51页。）

我国的全国碳市场是一个基于强度的碳市场，即“可交易的绩效标准(Tradable Performance Standard, TPS)”，市场上碳配额总量不固定，受履约期内公司产量的影响。我国全国碳市场于2021年开始运行，目前覆盖电力部门，未来将扩展成多部门的碳市场，可能覆盖水泥、电解铝、钢铁等部门。

根据全国碳市场基本设计原则，碳市场对于一个部门之内的不同技术有不同的排放基准值设计。对于电力部门来讲，实际上是要考虑到电力部门煤电、气电以及煤电不同发电技术各自的特点。根据《2019-2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案（发电行业）》，不同机组类别根据其使用情况等差异性有不同的供电排放基准值（如图所示）。为了给不同机组合理安排减排任务，需要在模型设计时对不同技术进行详细表达，从而与不同碳排放的基准值相对应。相应的，在水泥、电解铝或其他高耗能部门也存在类似的情况。由此，为了跟进碳交易基准线的设计研究，TPS模型应需而生。

TPS模型的基本原理与C-GEM模型类似，主要区别在于TPS模型简易刻画了贸易部分。模型内主要分为中国和中国以外两区域、进出口价格不受政策影响；同时包含了29个生产部门，其中电力、水泥、电解铝和钢铁又分为不同的子技术组。

关于TPS模型的应用来源于工作论文——《中国碳排放权交易系统的成本-效益及分配影响的一般均衡分析(General Equilibrium Analysis of Cost-Effectiveness and Distributional Impacts of China’s Nationwide CO2 Emissions Trading System)》，主要研究以下三个问题：

（1）基于强度的“可交易绩效标准(TPS)”碳市场和基于总量的碳市场(C&T)成本效益的对比；

（2）不同基准线方案设计的比较；

（3）探究可储蓄配额的影响。

因该论文尚未发表，相关研究成果暂不详细展开。

(Goulder, Long, Qu, Zhang, Zhang, 2022. General Equilibrium Analysis of Cost-Effectiveness and Distributional Impacts of China’s Nationwide CO2 Emissions Trading System. ）