云南省碳中和技术路线与行动方案

曹成 侯正猛 熊鹰 罗佳顺 方琰藜 孙伟 廖建兴

曹成, 侯正猛, 熊鹰, 等. 云南省碳中和技术路线与行动方案 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 37-46. doi: 10.15961/j.jsuese.202100919
引用本文: 曹成, 侯正猛, 熊鹰, 等. 云南省碳中和技术路线与行动方案 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 37-46. doi: 10.15961/j.jsuese.202100919
CAO Cheng, HOU Zhengmeng, XIONG Ying, et al. Technical Routes and Action Plan for Carbon Neutral for Yunnan Province [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 37-46. doi: 10.15961/j.jsuese.202100919
Citation: CAO Cheng, HOU Zhengmeng, XIONG Ying, et al. Technical Routes and Action Plan for Carbon Neutral for Yunnan Province [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 37-46. doi: 10.15961/j.jsuese.202100919

云南省碳中和技术路线与行动方案

基金项目: 四川省国际科技创新合作项目(2021YFH0010);四川省科技项目(22MZGC0040)。
详细信息
    • 收稿日期:  2021-09-11
    • 网络出版时间:  2022-01-17 05:24:34
  • 作者简介:

    曹 成(1993—),男,副研究员,博士. 研究方向:二氧化碳利用与封存、油气井工作液. E-mail:caocheng@swpu.edu.cn
    曹成,四川南充人,2021年毕业于德国Clausthal University of Technology并获博士学位,现为西南石油大学副研究员。主要从事二氧化碳利用与封存(CCUS)、油气井工作液等方面的教学和科研工作。先后主持或参与国家重点基础研究发展计划(“973”计划)、国家科技重大专项、德国石油与煤科学技术协会项目、四川省科技项目、油田横向项目等科研项目10余项。出版英文专著1部,合作编写《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》,发表学术论文20余篇,其中SCI论文13篇,获授权发明专利3项。担任《 Energies》的特刊副主编、《油气藏评价与开发》青年编委,《 Journal of Petroleum Science and Engineering》《 Journal of Natural Gas Science and Engineering》《 International Field Exploration and Development Conference》等著名期刊和国际会议审稿专家。

    通信作者:

    侯正猛, E-mail: hou@tu-clausthal.de

  • 中图分类号: TK01

Technical Routes and Action Plan for Carbon Neutral for Yunnan Province

  • 摘要: 为解决碳达峰碳中和技术路线和行动方案不明确、不清晰的问题,以云南省为研究对象,分析梳理了云南省的能源结构、碳排放现状、碳排放重点行业、林业碳汇情况等,归纳总结出云南省碳中和目标导向下的技术路线和行动方案。研究结果表明:云南省可再生资源丰富,应充分发挥绿色能源优势,大力发展水能、风能及太阳能等可再生能源。充分利用废弃矿山、盐穴、枯竭油气藏等地下空间进行储能,结合二氧化碳生化反应合成甲烷及矿井抽水蓄能等技术,实现二氧化碳资源化利用与能源大规模储存。云南省应加快推动氢能产业发展,开展氢能制备、储存、运输、利用等相关设备和技术的研发、推广和标准化生产,并推动能源产、储、运、用一体化建设。云南省应充分利用资源优势条件,推进碳中和行动方案落实,若采用地质封存技术将六大主要碳排放领域的二氧化碳封存30%,则有望在2037年实现碳中和。研究成果对于碳减排和减缓气候变化具有理论意义,也对云南省实现碳达峰和碳中和目标具有重要实践指导意义。

     

    Abstract: In order to make the technical routes and action plans for carbon neutralization clear, the energy structure, carbon emission status, key carbon emission industries, and forestry carbon sinks in Yunnan Province were analyzed as a case study. The technical route and four major action plans guided by the carbon neutrality goal of Yunnan Province were also summarized. The research results showed that Yunnan Province is rich in renewable resources and should give full play to the advantages of green energy and vigorously develop renewable energy such as hydropower, wind power, and solar energy. It was suggested to make full use of underground spaces such as abandoned mines, salt caverns, depleted oil, and gas reservoirs for energy storage, combine with carbon dioxide biochemical reaction to produce methane and mine pumped energy storage, to realize the utilization of carbon dioxide resources and large-scale energy storage. Yunnan Province should accelerate the development of the hydrogen energy industry, carry out the research and development, promotion and standardized production of related equipment and technologies such as hydrogen energy production, storage, transportation, and utilization, and promote the integrated construction of energy production, storage and utilization. It was also suggested to make full use of its resource advantages and promotes the implementation of the carbon neutral action plan. It was expected to achieve carbon neutrality in 2037 if 30% of the six main CO2 emissions in Yunnan Province will be sequestrated. The research results have theoretical significance for carbon emission reduction and climate change mitigation, and also have important practical significance for Yunnan Province to achieve carbon peak and carbon neutral goals.

     

  • 碳排放是导致全球气候变暖的主要原因[1-2]。为了减缓碳排放对气候的影响,全球共有超过170个国家于2016年签署了《巴黎协定》。该协定的长期目标是将全球平均气温比前工业化时期平均气温的上升幅度控制在2 ℃以内,并努力将温度上升幅度尽量限制在1.5 ℃以内。中国不仅签署了《巴黎协定》,还在发展中国家中率先提出了具体的碳达峰和碳中和时间表。2020年9月22日,中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重提出中国二氧化碳减排两阶段目标:力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,体现了中国应对全球气候变化的责任担当。中国目前是世界上年碳排放量最多的国家,因此碳中和目标的实现困难重重。考虑到欧美等世界主要发达国家从碳达峰到实现碳中和往往需要60~80年,而中国计划仅用30年实现该目标,因此更是面临着巨大挑战。

    自碳达峰碳中和目标提出以来,李孥等[3]研究了碳中和目标下天然气产业的发展路径,邹才能等[4]研究了世界能源转型对中国碳中和的意义,Zou等[5]研究了新能源在实现碳中和目标过程中的作用;此外,一些学者从WEF[6]、碳交易制度[7]、CCUS(二氧化碳捕获、利用与封存)[8]等不同行业领域提出了行业发展意见和政策建议,为各行业实现碳达峰和碳中和目标提供了参考。但是,已有研究往往是从行业角度分析,并未提出总体的碳中和路线和行动方案,存在一定的局限性。为此,本文拟考察碳中和技术路线和行动方案,为中国实现碳中和目标提供借鉴。考虑到中国幅员辽阔,不同省份的资源禀赋及产业结构等基础条件差异显著,因此不同省份实现碳达峰碳中和的技术路线必定有所差异。本文以中等省份云南省为例,详细分析其能源结构和碳排放现状,并对其林业碳汇潜力进行分析,从而归纳总结出云南省碳中和技术路线与行动方案,为云南省碳中和政策制定提供参考依据,并为中国其他省份的碳中和目标实现提供借鉴。

    云南省2020年发电装机及发电情况如表1所示。云南省水电资源丰富,在发电装机中占据主导。截至2020年底, 云南省全口径发电装机容量达到了1.03×108 kW。以水电为主的清洁能源装机容量为8.83×107 kW,清洁能源装机占比达到85.4%。其中,水电装机容量约为7.56×107 kW,风电装机容量约为8.81×106 kW,光伏装机容量约为3.93×106 kW,火电装机容量约为1.51×107 kW。

    表  1  云南省2020年发电装机及发电情况(数据来源文献[9])
    Table  1  Installed power generation capacity and power generation situation in Yunnan Province in 2020 (data from reference [9])
    类别 装机量/
    (107 kW)
    装机量
    占比/%
    发电量/
    (1011 kW·h)
    发电量
    占比/%
    水电 7.556 17 73.1 2.76345 80.07
    火电 1.510 83 14.6 0.40981 11.87
    风电 0.880 64 8.5 0.24755 7.17
    光电 0.392 65 3.8 0.03037 0.88
    总量 10.340 28 100 3.45117 100

    云南省和全国近5年清洁能源发电情况如表2所示。由表2可以看到,云南省清洁能源发电量占比连续5年均保持90%左右,比全国平均占比约高出63%。云南省清洁能源交易电量占比高达97%,清洁能源发电占比等指标全国领先,并达到了世界一流水平,因此云南省具有很好的碳中和实现条件。

    表  2  近5年云南省和全国平均清洁能源发电对比
    Table  2  Clean energy generation in Yunnan Province and China between 2016 and 2020
    年份 云南清洁能源发电量/
    (1011 kW·h)
    云南清洁能源
    发电占比/%
    全国平均清洁能源
    发电占比/%
    2016 2.47 90.43 25.63
    2017 2.49 91.32 28.20
    2018 2.72 90.45 28.50
    2019 2.94 90.49 27.68
    2020 3.04 88.13 28.81
    平均值 2.73 90.16 27.77

    2020年云南省全社会用电量达到2.03×1011 kW·h时,其中,第一产业、第二产业、第三产业及城乡居民生活用电量分别为1.87×109 kW·h、1.49×1011 kW·h、2.53×1010 kW·h、2.68×1010 kW·h。全年外送电量1.66×1011 kW·h,与前一年同期持平。近年来,云南省用电需求快速增长,到2025年云南省全社会用电量将达到3.115×1011 kW·h。根据在建电源投产时序测算,2022年云南省电力供需基本平衡,2023年电量供给开始出现明显缺额,2023—2025年出现8.5×109~2.8×1010 kW·h电量缺额,主要为冬季枯水季结构性枯期缺电。

    云南省油气资源并不丰富,化石能源消费以煤炭为主。2019年,世界产煤8.129×109 t;中国产煤3.846×109 t,同比增长4%。近年来,云南省产煤量逐渐升高,2019年产煤4.78×107 t。根据《云南省煤炭产业高质量发展三年行动计划(2019—2021年)》:2020年原煤产量控制在5.8×107 t以内,实现工业总产值500亿元;2021年原煤产量控制在8×107 t以内,力争实现工业总产值1 000亿元,利税总额180亿元。

    云南省煤炭生产和消耗情况如图1所示。由图1可以看出,2019年云南省耗煤8.8×107 t,人均年耗煤1.9 t,比中国的人均耗煤低30%。由此可见,云南省具有较好的碳中和实现条件。根据云南省能源局预测,2025年云南省耗煤将达到1.01×108 t,其中电力耗煤将从2019年的1.434×107 t增加至4.5×107 t。

    图  1  云南省煤炭生产和消耗情况(数据来源于文献[9])
    Fig.  1  Coal production and consumption in Yunnan province (data from reference [9])
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    据《中国碳核算数据库》发布的碳排放数据[10],云南省碳排放总量如图2所示。由图2可以看出,近年来云南省年碳排放总量约2×108 t,云南省人均碳排放量约4 t,仅为中国人均碳排放量的51.3%(约7.8 t),进一步说明云南省具有实现碳中和较好的基础条件。

    图  2  云南省碳排放总量(数据来源于文献[10])
    Fig.  2  Total carbon emissions in Yunnan Province (data from reference [10])
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    云南省碳排放来源分布如图3所示。由图3可以看出:煤炭行业仍然是最主要的碳排放来源,近年来占比高达76%;其次是水泥行业,碳排放占比为17%;原油和天然气的碳排放相对较低,分别仅占碳排放总量的6%和1%。由此可见,降低煤炭使用量是云南省减少碳排放最为重要的途径。

    图  3  云南省碳排放来源(数据来源于文献[10])
    Fig.  3  Total carbon emissions in Yunnan Province (data from reference [10])
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    云南省主要碳排放行业的排放量及其占比如表3所示。

    表  3  云南省二氧化碳排放超过0.2×107 t的行业(数据来源于文献[10])
    Table  3  Industries with more than 0.2×107 t of CO2 emissions in Yunnan Province (data from reference [10])
    序号 排放行业 碳排放/(107 t) 占比/%
    1 非金属矿物制品业 4.358 21.99
    2 黑色金属冶金业 3.285 16.57
    3 电力/蒸汽/热水生产供应 2.928 14.77
    4 运输/仓储/邮电服务 2.158 10.89
    5 煤炭开采 1.969 9.93
    6 化工原料及化工产品 1.451 7.32
    7 农村排放 0.721 3.64
    8 农业/林业/畜牧业/渔业/水利 0.463 2.34
    9 零售批发及餐饮服务业 0.380 1.92
    10 石油加工及炼焦业 0.333 1.68
    11 城镇排放 0.325 1.64
    12 有色金属冶金 0.296 1.49
    13 建筑业 0.270 1.36

    表3可知:矿业领域是碳排放最多的行业,其中:非金属矿物制品业碳排放量最高为4.358×107 t,占云南省碳排放总量的21.99%;其次为黑色金属冶金业,其碳排放量为3.285×107 t,占比16.57%。电力、蒸汽、热水生产供应相关行业碳排放也高达2.928×107 t,占比14.77%。除此之外,运输、仓储、邮电服务相关行业和煤炭开采产生的碳排放也接近2×107 t。总体来看,云南省碳排放量超过1×107 t的有六大领域,分别为非金属矿物制品业、黑色金属冶金业、电力/蒸汽/热水生产供应业、运输/仓储/邮电服务业、煤炭开采业,以及化工原料及化工产品业。这六大领域的碳排放之和占云南全省碳排放总量的81.47%,因此推动这些产业的技术升级和产业转型是云南省碳减排战略的重中之重。

    自然碳汇是固碳减排的重要环节,其实现途径是利用植物的光合作用,将二氧化碳转化为碳水化合物,并以有机碳的形式固定在植物体内或者土壤之中[11]。云南省作为中国林业大省,其林地面积、森林面积、森林蓄积量3项指标均居全国第2位,自然条件优越。因此,云南省森林碳汇功能将为云南省实现碳中和目标作出巨大贡献。根据2020年云南省环境状况公报显示[12],云南省林地面积为 2.83×107 hm2,森林面积为 2.49×107 hm2,森林蓄积量为2.07×109 m3,森林覆盖率65.04%,各项指标与2010年代相比均有小幅增长[13]。并且,云南省湖泊(1 037 km2)和湿地(3 983 km2)资源丰富,也具有一定的碳汇能力[14]。根据《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》,2014年中国林业的碳汇为吸收二氧化碳1.115×1010 t [15]。由于云南省的森林蓄积量占中国的比例约为11%[16],因此可以得到云南省林业的年均碳汇吸收二氧化碳约为1.23×108 t。需要指出的是,本文估算的云南省年均碳汇(吸收二氧化碳1.23×108 t)是一个非常保守的评估数据。Wang等[17]基于林业面积和大气中监测的二氧化碳浓度数据计算得到,中国陆地生态系统年均吸收碳约为1.11×109 t,相当于吸收二氧化碳4.074×109 t,云南省森林年均吸收二氧化碳约为4.48×108 t。作者从文献[16]的通信作者之一、中国科学院大气物理研究所刘毅研究员处了解到其团队对该数据做了进一步修正,根据高分辨率模式和更多补充数据计算得到修正后的碳汇大约降低了20%左右,即中国年均二氧化碳碳汇约为3.259×109 t。由此可见,不同机构计算得到的碳汇存在较大差异,同一机构提出的碳汇计算也需要进行修正,碳汇的计算和核实尚存在较大争议。但是,由于林业资源丰富,云南省的碳汇能力在全国排名前列是公认的事实。

    在2021年2月19日召开的中央全面深化改革委员会第十八次会议上,习近平总书记明确提出:要围绕推动全面绿色转型深化改革,建立健全绿色低碳循环发展的经济体系,统筹制定2030年前碳排放达峰行动方案,使发展建立在高效利用资源、严格保护生态环境、有效控制温室气体排放的基础上,推动中国绿色发展迈上新台阶。由于中国幅员辽阔,各省市资源禀赋和产业结构等存在差异,因此各省市实现碳达峰和碳中和的途径必定有所差异。

    2021年全国各省市相继发布了政府工作报告及“十四五”规划,并明确了碳达峰任务。云南省也明确指出要“为国家碳达峰、碳中和作贡献”。目前,虽然各省市均提出将以实现碳达峰、碳中和作为短中期的主要政策目标,但是对于具体的碳中和技术路线和行动方案仍不明确。侯正猛教授针对云南省碳中和与绿色发展的战略、技术路线和行动方案提出了22条建议[17],具体包括:政策落实本地化、循环经济绿色化、排放碳汇中和化、消费行为革命化、提效节能大众化、能源供给再生化、能源利用电气化、减碳增氢产业化、产储运用耦合化、地下空间能源化、能源利用数智化、政产学研互动化、科技创新人本化、减排增汇定量化、总量排放市场化、电力交易期货化、研发双创基金化、政府基金滚动化、示范推广园区化、技术推广标准化、欧洲合作引领化、南亚东盟重点化。基于云南省的产业结构和资源禀赋,云南省应着力加大可再生资源开发利用,推动氢能产业发展,并充分利用矿山等地下空间,实现氢能制备、运输、储存、利用产业化。采用矿山抽水蓄能及二氧化碳生化反应合成甲烷等技术,实现能源高效储存与二氧化碳资源化利用,并建设稳定、安全、高效的能源供给系统。

    3.2.1   大力发展可再生能源

    2020年12月12日,中国国家主席习近平在气候雄心峰会上提出:到2030年,中国非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、光伏装机容量将达到1.2×109 kW以上。根据国家能源局统计数据,截至2020年9月底,中国风电装机容量为2.23×108 kW、光伏发电装机容量为2.23×108 kW,二者合计4.46×108 kW。因此,全国未来10年将要新增风电、光伏装机7×108 kW以上,云南省能为此作出巨大贡献。由于云南省2023—2025年可能存在8.5×109~2.8×1010 kW·h的结构性电量缺额,因此云南省也应大力发展可再生能源来解决该问题。加大可再生能源的开发与利用,大力提高水、风、光和生物能及地热在能源结构中的占比。

    云南可再生资源开发潜能如表4所示。由表4可以看出云南省具有较好的可再生资源条件。全年太阳总辐射量高达3 620~6 682 MJ/m2,并且大多数地区的年平均太阳总辐射量为4 500~6 000 MJ/m2,大部分地区年日照时间超过2 000 h,年满发小时数可以达到1 300 h左右[18]。云南省可以充分利用丰富的太阳能资源,以电价补贴的方式鼓励居民安装人均约1 kW的分布式光伏热电联产智能系统,以实现光伏乡村振兴。云南省风电储量达1.23×108 kW、可开发达潜能为2.82×107 kW。云南水能蕴藏量超过1×108 kW,占全国总量的21%,居全国第3位,经济可开发量达9.795×107 kW,全省目前尚有待开发的水电潜力近3.8×107 kW,因此,云南省应研究开发金沙江中游龙头水库,进一步发挥好以水电为主的绿色能源资源优势。

    表  4  云南可再生资源开发潜能(数据来源于文献[9,19])
    Table  4  Development potential of renewable resources in Yunnan Province (data from reference [9,19])
    资源类型 开发潜能/(108 kW)
    水电 1.000
    风电 0.282
    光电 1.070
    合计 2.352
    3.2.2   推动氢能产业发展

    氢能因其具有来源丰富、绿色环保、能量密度大、转化效率高等优点,被广泛认为是人类社会发展的理想能源,并且是继化石燃料之后最具竞争力的能量载体。根据国际氢能委员会(Hydrogen Council)预测,到2050年,氢能将在全球范围内创造3 000万个工作岗位,减少二氧化碳排放6×109 t,创造2.5万亿美元产值,在全球能源中所占比重有望达到18%[19]。根据中国氢能联盟预计,到2030年中国氢气需求量将高达3.5×108 t。到2050年,氢能将在中国终端能源体系中占比达到10%以上,产业链年产值高达12万亿元,届时氢能产业将成为引领中国经济高质量发展的新增长极。目前,德国、韩国、日本、荷兰等国家已经出台了国家级氢能战略,中国尚未出台全国性的氢能发展规划。不过《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》指出“制定国家氢能产业发展战略规划”,山东省和四川省已于2020年先后发布了省级氢能发展规划。因此,云南省应该抢抓氢能发展机遇,率先布局氢能产业。

    考虑到云南省的水电、风电、光电等可再生资源较为丰富,应着力发展电解水制氢产业。在氢能利用领域,首先,推动氢燃料电池和氢能汽车的运用;然后,利用氢作为还原剂逐步代替焦炭在炼钢炼铁及有色冶金和化工领域的使用,从而实现难以减排领域的深度脱碳。云南省还应充分利用中缅天然气管道过境的优势,开展天然气掺氢的低成本高效利用,在不改变天然气管道的条件下天然气掺氢浓度可达20%。除此之外,氢还可以通过化学反应合成甲醇、氨及二甲醚等化工产品,减少化工领域对化石原料的依赖。总之,云南省应开展氢能制备、储存、运输、利用等相关设备和技术的研发、示范、推广国际合作和标准化生产,带动云南省氢燃料电池等产业关键材料与部件等多个领域的产业发展,建设集生产、储存、运输和利用为一体的一流绿色氢能产业链。

    3.2.3   充分利用地下空间储能

    地下空间储存容量高,是重要的储能场所,储能形式包括抽水蓄能、压缩空气、天然气、氢气等[20-24]。将水能、风能、太阳能等可再生能源产生的过剩电能进行转化,可以实现地下大规模储存。云南省废弃矿山采空区高达1.5×109 m3,具有巨大的储能潜力。利用废弃矿山采空区储能不占用土地,同时还能有效解决废弃矿山空间的必要维护和生态保护问题。云南省可将大红山铜矿等可利用矿井空间逐步改造建成矿山抽水蓄能发电站,以起到调峰的作用,即在电力供大于求时抽水蓄电,在电力供不应求时放水发电。根据矿山空间可利用率8%和平均高差600 m的保守估算,则云南省利用矿井抽水蓄能潜力高达3.29×1010 (kW·h)/a。

    盐岩因其极低的渗透特性、良好的蠕变及损伤恢复特性,也是理想的能源地下储存介质。中国已有在层状盐岩中建造盐穴储库储存天然气及压缩空气的工程先例,而储氢库尚未建设。目前,世界上有3座正在运行的盐穴储氢库,英国1座,美国2座,均已成功运营30多年。昆明以西的安宁盆地具有发育较好的安宁盐岩矿床,含盐系分布约80 km2,其中保存较好的盐层地段有60 km2,因此,云南省可以充分利用安宁的地下盐穴,将其建成为多功能大规模地下储能库。根据安资2井测井资料,盐岩累计厚度335 m,单层厚度最高135 m,在竖直方向从上到下共有3处盐层可用于建造大规模多功能盐穴储库[25]

    云南省可以利用盐矿、枯竭油气藏和深部咸水层,结合CCUS技术进行储能。尽管云南省缺油少气,但邻近的四川省是天然气大省却没有条件好的盐矿(如云南安宁)建造大型盐穴储能库群,通过合作,云南省可利用四川大量枯竭气藏作为大型生化反应器,采用产甲烷菌将二氧化碳和氢气转化为甲烷,并将生成的甲烷储存于地下空间,从而实现非纯氢的零(负)排放经济利用,以及二氧化碳的资源化利用,同时还可以建成天然气地下储气库。

    3.2.4   推动能源产储运用一体化

    由于云南省水能、风能、太阳能等可再生资源丰富,随着可再生资源的大力开发,可再生能源在能源消费结构中的占比可达到100%。为了促进资源的有效利用,侯正猛教授于2018年提出了基于能源多板块智能耦合的绿色能源系统(ENSYSCO)[26],见图4。通过交通运输网、油气管网及电网等实体网络与信息网、监控网和物联网等虚拟网络,实现能源的生产、储运及利用三大版块的智慧耦合。

    图  4  ENSYSCO数智绿色能源系统示意图[26]
    Fig.  4  Schematic diagram of ENSYSCO digital intelligence green energy system [26]
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    云南省在利用ENSYSCO数智绿色能源系统时应着重注意以下3点。

    一是,构建能源系统的实时监测、调整和核算网络,如图5所示。利用人工智能、大数据及区块链等技术对能源网络进行实时监测、预测和控制,根据各种能源的实时供需状况,实现水、光、风、地热等可再生能源与传统化石能源在生产、储运和利用等各个板块的互补。二是,云南省可以利用安宁盐穴储能及矿井抽水蓄能实现地下大规模储存分布式能源。三是,云南省还可以利用数字化智能化能源网络的信息交换和监控功能,根据能源需求实现工业和居民分布式能源按需供给,从而建成稳定、安全、高效的能源供给系统,实现能源产–储–运–用一体化。

    图  5  能源系统的实时监测、调整和核算网络示意图[26]
    Fig.  5  Schematic diagram of the detection, adjustment and accounting network of the energy system[26]
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    由第2.2节可知,云南省六大领域的碳排放之和占比超过云南全省碳排放总量的80%。因此,实现碳中和的关键在于推动这些领域的碳减排。根据已公开的2010—2017年云南省六大行业二氧化碳排放数据的趋势线,结合已知政策的约束,以及假设条件比如氢能在冶金行业中到2060年完全取代原煤供能,按照比例估算出云南省六大领域二氧化碳排放预测结果,如图6所示。

    图  6  云南省主要碳排放行业二氧化碳排放预测
    Fig.  6  Carbon dioxide emission forecast of major industries in Yunnan Province
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    1)云南省近年来非金属矿物制品业稳定增长,二氧化碳排放量逐步增加,预计按此增加趋势在2025年达到二氧化碳排放量峰值,约4.938×107 t,其中原煤来源的二氧化碳排放量约占23.9%。假设到2060年氢能完全取代原煤供能,同时根据中金公司研究部估算[27],到2060年产业总体能耗下降20%~35%,据此估算云南省非金属矿物制品业整体碳减排约51%。

    2)云南省冶金产业2017年二氧化碳排放量约3.3×107 t,约占全省总排放量的17%~21%。随着可再生能源电解水制氢产业的发展,氢气可逐步取代煤炭作为还原剂和供能使用,云南省冶金产业氢能利用有望走在全国前列。云南省可借鉴奥地利的钢铁工业氢能利用规划实施碳减排,即2030年氢能替代率和碳减排达到30%,到2050年实现钢铁工业近零碳排放。

    3)云南省的电力/蒸汽/热水生产供应业的碳排放主要来自煤电。根据云南省能源局预测,近几年火电发电量会进一步上升,2025年发电耗煤将达到4.5×107 t,发电约9.64×1010 kW·h。但随着水力发电、光伏发电、风力发电的进一步增加,云南省对火电的需求会逐步降低。根据1吨标煤发电3×103 kW·h排放二氧化碳2.7 t,预测到2060年云南省电力/蒸汽/热水生产供应业可实现近零碳排放。

    4)对于运输/仓储/邮电服务业,近10年来,云南省交通运输领域二氧化碳排放量增长趋势稳定,预计到2025年达到排放峰值,约2.671×107 t。之后,随着新能源产业的发展和普及,交通运输领域碳排放可得到显著控制。根据中金公司研究部预测[27],到2060年中国公路和铁路运输业有望完成100%电气化率,航空运输业(能源消费比重约10%)单位能耗下降35%~60%,据此估算云南省交通运输行业整体碳减排可达约95%。

    5)根据《云南省煤炭产业高质量发展三年行动计划(2019—2021年)》[28],近年云南省的煤炭产量会逐渐升高。2025年之后,随着火电耗煤需求的降低,煤炭开采将有所降低。随着绿氢在化工领域对煤的代替,煤炭需求会进一步降低。根据2020年云南煤炭开采量5.332×107 t,碳排放量2.390×107 t,估算到2060年煤炭开采业整体碳减排约25%。

    6)2017年云南省化工产业二氧化碳排放量约1.45×107 t,占全省总排放量的7%,其中原煤来源二氧化碳排放量为7.27×106 t,占化工行业的50%。预计在2030年达到二氧化碳排放峰值,约1.867×107 t。假设到2060年原煤供能被氢能完全取代,同时根据中金公司研究部估算[27],到2060年化工产业单位能耗约下降20%,据此估算化工产业整体碳减排约60%。

    基于云南省各行业的碳排放数据,分别采用较为保守的云南省林业碳汇(吸收二氧化碳1.23×108 t)、考虑不采用二氧化碳封存(CCS)技术,以及采用CCS技术对主要六大碳排放领域封存二氧化碳10%、20%、30%等情景进行预测,结果如图7所示。

    图  7  云南省碳中和预测
    Fig.  7  Forecast of carbon neutral in Henan Province
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    图7可知:云南省可在2025年左右实现碳排放达峰,相应的二氧化碳排放量约为2.7×108 t。随后,二氧化碳排放量将逐渐降低,且不同情景下的减排路径存在差异。如果不采用CCS技术,云南省将在2045年实现碳中和;如果采用CCS技术将六大碳排放领域的二氧化碳封存10%、20%、30%,则对应的碳中和目标实现时间分别为2042年、2040年、2037年。总之,云南省即使不采用CCS技术,也可以在2060年之前实现碳中和目标,但采用CCS技术可以进一步加速碳中和进程。

    以云南省为例,在分析其能源结构、碳排放现状、碳排放重点行业、林业碳汇等情况的基础上,归纳总结出云南省碳中和目标导向下的技术路线和四大行动方案,不仅对云南省实现碳中和具有指导意义,也对其他省份实现碳中和目标具有借鉴意义。研究得到的具体成果如下。

    1)云南省清洁能源装机容量占比达到85.4%,清洁能源发电量占比连续5年保持约90%,高出全国平均水平约63%。云南省人均年耗煤1.9 t,比中国的人均耗煤低30%,因此具有很好的资源禀赋。

    2)云南省年碳排放总量约2×108 t,人均碳排放约4 t,仅为中国人均碳排放水平的51.3%,进一步说明云南省具有实现碳中和较好的基础条件。从碳排放来源来看,煤炭是云南省最主要的碳排放源,近年来占比高达76%,其次是水泥行业,碳排放占比为17%。

    3)云南省应充分利用全省各方面条件和资源,大力发展可再生能源和氢能产业,充分利用废弃矿山以及盐穴的地下空间进行储能,并利用矿山抽水蓄能以及二氧化碳生化反应合成甲烷等技术,实现能源高效储存与二氧化碳资源化利用。

    4)采用较为保守的碳汇数据对云南省碳中和实现途径进行了预测,发现:若不采用CCS技术,云南省可以在2045年实现碳中和;如果采用CCS技术对六大主要碳排放领域的二氧化碳分别封存10%、20%、30%,则分别可以在2042年、2040年、2037年实现碳中和。

    研究过程中发现,不同机构计算得到的碳汇存在较大差异,可见碳汇的计算和核实尚存在较大争议,后续应对此展开深入研究,建立碳汇核算方法的标准,为碳中和规划及路线制定提供可靠基础数据。

  • 图  1   云南省煤炭生产和消耗情况(数据来源于文献[9])

    Fig.  1   Coal production and consumption in Yunnan province (data from reference [9])

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    图  2   云南省碳排放总量(数据来源于文献[10])

    Fig.  2   Total carbon emissions in Yunnan Province (data from reference [10])

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    图  3   云南省碳排放来源(数据来源于文献[10])

    Fig.  3   Total carbon emissions in Yunnan Province (data from reference [10])

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    图  4   ENSYSCO数智绿色能源系统示意图[26]

    Fig.  4   Schematic diagram of ENSYSCO digital intelligence green energy system [26]

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    图  5   能源系统的实时监测、调整和核算网络示意图[26]

    Fig.  5   Schematic diagram of the detection, adjustment and accounting network of the energy system[26]

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    图  6   云南省主要碳排放行业二氧化碳排放预测

    Fig.  6   Carbon dioxide emission forecast of major industries in Yunnan Province

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    图  7   云南省碳中和预测

    Fig.  7   Forecast of carbon neutral in Henan Province

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    表  1   云南省2020年发电装机及发电情况(数据来源文献[9])

    Table  1   Installed power generation capacity and power generation situation in Yunnan Province in 2020 (data from reference [9])

    类别 装机量/
    (107 kW)
    装机量
    占比/%
    发电量/
    (1011 kW·h)
    发电量
    占比/%
    水电 7.556 17 73.1 2.76345 80.07
    火电 1.510 83 14.6 0.40981 11.87
    风电 0.880 64 8.5 0.24755 7.17
    光电 0.392 65 3.8 0.03037 0.88
    总量 10.340 28 100 3.45117 100

    表  2   近5年云南省和全国平均清洁能源发电对比

    Table  2   Clean energy generation in Yunnan Province and China between 2016 and 2020

    年份 云南清洁能源发电量/
    (1011 kW·h)
    云南清洁能源
    发电占比/%
    全国平均清洁能源
    发电占比/%
    2016 2.47 90.43 25.63
    2017 2.49 91.32 28.20
    2018 2.72 90.45 28.50
    2019 2.94 90.49 27.68
    2020 3.04 88.13 28.81
    平均值 2.73 90.16 27.77

    表  3   云南省二氧化碳排放超过0.2×107 t的行业(数据来源于文献[10])

    Table  3   Industries with more than 0.2×107 t of CO2 emissions in Yunnan Province (data from reference [10])

    序号 排放行业 碳排放/(107 t) 占比/%
    1 非金属矿物制品业 4.358 21.99
    2 黑色金属冶金业 3.285 16.57
    3 电力/蒸汽/热水生产供应 2.928 14.77
    4 运输/仓储/邮电服务 2.158 10.89
    5 煤炭开采 1.969 9.93
    6 化工原料及化工产品 1.451 7.32
    7 农村排放 0.721 3.64
    8 农业/林业/畜牧业/渔业/水利 0.463 2.34
    9 零售批发及餐饮服务业 0.380 1.92
    10 石油加工及炼焦业 0.333 1.68
    11 城镇排放 0.325 1.64
    12 有色金属冶金 0.296 1.49
    13 建筑业 0.270 1.36

    表  4   云南可再生资源开发潜能(数据来源于文献[9,19])

    Table  4   Development potential of renewable resources in Yunnan Province (data from reference [9,19])

    资源类型 开发潜能/(108 kW)
    水电 1.000
    风电 0.282
    光电 1.070
    合计 2.352
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图(7)  /  表(4)

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