原标题：2050能源零跑者 ④︱撑起碳中和的七大支柱：全球零碳排放路线的合纵连横 (II)

  如果你还没有被上一期预言家式的2050碳排放情景所说服，那么本期科幻大片般的2050能源情景预测将带给你前所未有的震撼。未来能源的生产都将使用哪些黑科技？高铁替代飞机会减少碳排放？未来人们会用氢气做晚餐吗？人们能坐上电动飞机吗？本期报告将详细描绘2030和2050年的能源供应来源和消费方式，并介绍七大实现碳中和的支柱措施中的三大支柱：能效、行为变化、电气化。要知道，2050年风能和光伏将要提供全球70%的电力!快让我们一起跑步进入IEA编者为我们描绘的能源未来。

  （根据《国际能源统计建议》（IRES）,一次能源供应容量（TPES）或一次能源需求（TPED）已更名为能源供应总量（TES）

  到2030年，能源供应总量将降至550艾焦（EJ），较2020年降低7%。尽管全球人口和经济明显地增长，但这样的一种情况还是会发生，因为能源强度（单位GDP的能耗量）在降低。2020年到2030年间，通过电气化、能源和材料效率提升、低能耗需求的行为模式改变、传统能源生物能源的使用方式等方式，年均能源强度将逐年递减4%（与在低效炉灶中传统使用生物质相比，现代形式的烹饪需要的能源要少得多。例如，用液化石油气炉做饭比传统的生物质消耗量要低5倍左右）。这比近几年能源强度的递减速度要快得多：2010年到2020年间年均降低不到2%。

  2030年后，终端部门的持续电气化有助于逐步降低能源强度，但到2030年为止对能源效率最大化的强调会限制之后几年可能的机会。同时，提高生物燃料、氢和合成燃料等新兴燃料的产量可能会推高能源的使用。因此，2030年到2050年间能源强度的下降率会逐年减缓2.7%。随着经济和人口的一直增长，2020年到2040年间能源供应总量会逐渐降低，至2050年大致趋平。尽管全球人口增加了近30亿、经济稳步的增长超过3倍，但是净零排放情景下，2050年的能源消耗总量将于2010年的水平大致相同。

  净零排放情景下，2050年的能源结构比现在更加多样化。2020年，石油占能源供应总量的30%，煤炭占26%，天然气占23%。2050年，可再次生产的能源提供三分之二的能源使用，包括生物能源、风能、太阳能、水电和地热。核电的比重也大幅度的增加，2020年至2050年间几乎翻了一番。化石燃料的使用将大幅度减少，作为能源供应总量的一部分，从2020年的80%下降到2050年的略高于20%；但是，化石燃料的使用量在2050年不会下降到零——大量化石能源仍将用来生产非能源产品，包括使用碳捕集、利用与封存技术（CCUS）产能的工厂、或是重工业和长途运输等减排难度极大的部门。2050年所有剩余排放量都被另外的地方的负碳排放量所抵消（专栏2.2）。2020年的，煤炭使用量约为52.5亿吨煤当量(5250Mtce)，2030年将下降至25亿吨煤当量（2500Mtce），并在2050年下降到不到6亿吨煤当量（600Mtce）——2020年至2050年平均每年下降7%。2020年，石油需求量下降到9000万桶/天(90mb/d)，这一数值不会再反弹到2019年的峰值：2030年降至7200万桶/天（72mb/d），2050年降至2400万桶/天（24mb/d）——2020年至2050年平均每年下降超过4%。2020年，天然气使用量下降至39000亿立方米(3900bcm)，但在2020年代中期将超过2019年的峰值，继而随着电力部门的逐步淘汰使用而进一步下降：2030年降至37000亿立方米（3700bcm），2050年降至17500亿立方米（1750bcm）——2020年至2050年平均每年下降近3%。

  注：低排放能源包括在碳捕集、利用与封存（CCUS）和非能源用途中使用化石燃料。

  总体来说，净零排放情景下2050年大约消耗了120艾焦（EJ）的化石燃料，而2020年这一数值为460艾焦（EJ）。即使2050年能源部门实现了零碳，仍旧没办法完全摒弃使用化石能源主要有以下三个原因：

  用于非能源用途。 2050年超过30%的化石能源总消耗（其中石油占70%）不有必要进行燃烧，所以不会导致任何直接的二氧化碳排放。例如，用作化学原料和润滑剂、石蜡和沥青等。净零排放情景将尽可能限制这类化石燃料的使用，例如全球塑料回收利用率从2020年的15%上升至2050年的55%，但是到2050年化石燃料在这些非能源用途中的应用仍将略有上升。

  搭配了碳捕集、利用与封存（CCUS）。 2050年，大约一半的化石燃料使用来自配备碳捕集、利用与封存（CCUS）的工厂（2050年大约3.5吉吨的二氧化碳排放来自化石燃料）。大约9250亿立方米（925bcm）的天然气伴随碳捕集、利用与封存（CCUS）转化为氢气。此外，在电力和工业部门，约有4.7亿吨煤当量（470Mtce）和2250亿立方米（225bcm）的天然气使用配备了CCUS，主要是为了延长新设施的运营和减少搁浅资产。

  用于技术选择稀缺的部门。 2050年，剩余的20%化石燃料使用将用于那些难以完全实现脱碳的行业，主要是石油，因为石油将继续为航空提供燃料。少量未经处理的煤碳和天然气将用于工业和能源生产。2050年化石燃料的持续使用导致的约1.7吉吨的二氧化碳排放量将被装配有CCUS的生物能源（BECCS）和结合碳捕集及碳封存的直接空气捕获（DACCS）完全抵消。

  注：非燃烧包括用于非排放、非能源用途的化石燃料使用，例如石化原料、润滑剂和沥青。能源生产包括用于直接进行空气碳捕获的燃料。

  即使是在净零排放情景下，固体、液体和气体燃料仍然发挥及其重要的作用，生物能源和氢气使用大幅度提升。现今大约40%的生物能源是在烹饪过程中使用传统的生物质：这将在净零排放情景下被快速淘汰。现代的固体生物质形式能够适用于减少电力和工业部门的碳排，2020年消耗量约为32艾焦（EJ），2030年增长至55艾焦（EJ），2050年达到75艾焦（EJ），抵消了很大一部分煤炭需求的下降。氨、合成燃料和液体生物燃料等低排放液体燃料的使用量从2020年的3.5艾焦（160万桶油当量/日[1.6mboe/d]），逐渐增加到2050年的略高于25艾焦（EJ）（1250万桶油当量/日[12.5mboe/d])。氢气、合成甲烷、沼气和生物甲烷等低排放气体燃料的供应量从2020年的2艾焦（EJ）增加到2030年的17艾焦（EJ）和2050年的50艾焦（EJ）。2020年至2030年间气态氢产量涨幅将是美国页岩气产量增速最快的十年涨幅的两倍。

  注：氢气转化损失指使用蒸汽甲烷重整生产低碳商业氢气时的天然气消耗。氢基燃料包括氢、氨和合成燃料

  世界最终消费总量在2020年下降5%后有所反弹，但始终没有回到2019年的水平（435EJ）。从2025年到2050年以每年平均1%的速率下降至340EJ。能源效率措施和电气化是两个主要的贡献因素，而行为变化和材料效率也发挥了作用。假如没有这些改进，2050年的最终能源消耗将约为640EJ，比NZE的水平高出约90%。从2020年到2030年，电力的最终消费增加了25%，到2050年是2020年水平的两倍以上。来自最终使用部门和氢气生产的电力消耗的增加，意味着整体的年度电力需求量开始上涨相当于每年在净零排放情景中增加一个印度大小的电力市场。电力在全球最终能源消费中的比例从2020年的20%跃升到2030年的26%，到2050年达到约50%（图九）。建筑物和工业直接用可再次生产的能源，加上生物能源和氢基燃料等低排放燃料，在2050年又提供了28%的最终能源消费；化石燃料包括其余部分，其中大部分用于非排放过程或在配备CCUS的设施中使用。

  在工业方面，到2030年期间，净零排放情景中的全球减排量大部分是通过提高能源和材料效率、热能电气化、以及向太阳能热能、地热和生物能源的燃料转换来实现的。此后，CCUS和氢气在减少二氧化碳排放方面发挥着逐渐重要的作用，特别是在钢铁、水泥和化工等重工业领域。在2020年和2050年之间，工业的电力消耗增加了一倍多，在2050年提供45%的工业能源总需求（图十）。

  工业对商品氢气的需求从现在的不到100万吨增加到2050年的约4000万吨。2050年还有10%的工业能源需求由配备CCUS的工厂使用的化石燃料来满足。

  在交通方面，全世界都正在迅速脱离石油（石油在2020年提供了超过90%的燃料使用）。在公路运输中，电力成为该部门的主导，在2050年提供超过60%的能源使用，而氢和氢基燃料发挥的作用较小，大多数都用在为长途重型卡车提供燃料。在航运方面，能源效率的提高大幅度减少了能源需求（特别是到2030年），而先进的生物燃料和氢基燃料，如氨，慢慢的变多地取代了石油。在航空方面，合成液体和先进的生物燃料的使用迅速增长，它们在总能源需求中的份额从现在的几乎为零上升到2050年的近80%。总的来说，到2040年代初，电力成为全世界交通部门的主要燃料，2050年占其能源消费的45%左右（2020年为1.5%）。氢气和氢基燃料占消费的近30%（2020年几乎为零），生物能源占另外的15%（2020年约为4%）。

  在建筑方面，包括供暖在内的终端用途的电气化导致电力需求在2020年至2050年期间增加约35%：电力成为主要的燃料，在2050年达到16000太瓦时（TWh），并占建筑部门能源消耗总量的三分之二。到2050年，发达经济体三分之二的住宅建筑和新兴市场和发展中经济体约40%的住宅建筑都安装了热泵。基于可再次生产的能源的现场能源系统，如太阳能热水器和生物质锅炉，在2050年又提供了建筑部门最终能源使用的四分之一（从2020年的6%上升）。低排放的区域供热和氢气仅提供7%的能源使用，但在一些地区发挥了重要作用。

  建筑物能源消耗在2020年至2030年期间下降了25%，这主要是由于提高效率的大力推动和传统的固体生物质烹饪的逐步淘汰：由液化石油气（LPG）、沼气、电饭煲和改进的生物能源炉取代。2030年实现了电力的普及，这使2030年的全球电力需求增加不到1%。鉴于持续的效率提高和电气化，建筑部门的能源消耗在2030年和2050年之间收缩了大约15%。到2050年，建筑物的能源使用比2020年减少35%。能效措施--包括改善建筑围护结构和确保所有进入市场的新电器都是最有效的型号--在限制净零排放情景中电力需求的上升方面发挥了关键作用。假如没有这些措施，2050年的建筑用电需求将增加约10000TWh，或比净零排放情景的水平高出约70%。

  IPCC SR1.5包括90个（包括53个没有或有限的温度过高的情景和37个温度过高的情景）单独的情景有至少50%的机会概率将2100年的升温限制在1.5℃（IPCC, 2018）。其中只有18个在2050年能源部门和工业过程中的二氧化碳净排放为零。也就是说，在IPCC评估的1.5°C情景中，只有五分之一的情景在2050年之前的能源和工业加工部门的减排目标水平与净零排放情景相同（低能源需求情景下，2050年能源部门和工业流程的二氧化碳排放量约为4.5Gt，不包括在此比较中）。这18种情景与2050年的净零排放情景之间的一些比较如下：

  使用CCUS（碳捕集、利用及封存）。 在IPCC分析情景中，2050年CCUS捕集二氧化碳中位数约为15Gt CO2，超过净零排放情景的两倍。

  使用CDR（脱二氧化碳）。 在IPCC情景中，2050年BECCS和DACCS捕集二氧化碳量在3.5到15Gt CO2之间，而净零排放情景为1.9Gt。

  生物燃料。 在IPCC情景中，2050年一次生物燃料使用中位数为200EJ（今天是63EJ），其中还有超过300EJ的情景。净零排放情景为100EJ。

  氢气。 在IPCC情景中，2050年氢气占最终能源消费总量的13EJ，净零排放情景为33EJ。

  发电。 在IPCC情景中，2050年风光占发电总量的15%到80%，中位数为50%。净零排放情景为70%。

  注：CCUS = 碳捕获、利用和储存；CDR = 碳直接清除；TES = 能源供应总量；TFC = 最终消费总量。与能源有关的CDR包括通过生物能源与CCUS捕获的二氧化碳，以及通过CCUS直接捕获空气并置于永久储存。风力和太阳能的份额是以总发电量的百分比来表示的。IPCC评估的18个方案中只有17个方案在TFC中使用氢气。

  要想在三十年内完成快速减排，就要有广泛的政策和科技支持。全球能源系统中关键的脱碳支柱是能效、行为变化、电气化、新能源、氢气和氢基燃料、生物能源以及CCUS。

  注：活动=经济和人口增长带来的能源服务需求变化。行为 = 用户决定带来的能源服务需求变化，如改变供暖温度。避免需求 = 技术发展带来的能源服务需求变化，如数字化。其他燃料转变 = 从煤炭和石油转向天然气、核能、水电、地热、聚光太阳能或海洋

  通过提高能效最大限度地减少能源需求的增长，为达到净零排放情景做出了重要贡献。在工业、建筑、电气和交通方面的许多能效措施可以很快付诸实施并扩大规模。所以，能效措施在净零排放情景中被前置，它们在2030年前的时期内对对抑制能源需求和排放发挥了最大的作用。虽然2030年后能效进一步提升，但由于其他减排措施发挥的作用慢慢的变大，其对整体减排的贡献也在下降。如果在净零排放情景中没有部署能效、行为变化和电气化措施，2050年的最终能源消耗将增加约300EJ，比2050年NZE的水平高出近90%。效率的提高也有助于减少企业和消费的人对电力供应潜在中断的影响。

  注：其他燃料转换包括转换到与氢有关的燃料、生物能源、太阳能热能、地热或区域供热。

  在建筑部门，许多能效措施在减少能源使用和排放的同时，也产生了财政节约。在净零排放情景中，建筑物能效有着直接和快速的改善，大多数来源于大规模的改造计划。在先进的经济体中，每年约有2.5%的现有住宅建筑在2050年之前被改造成符合规定标准的就绪的零碳建筑（相比之下，目前的改造率不足1%）（一个就绪的零碳建筑是高度节能的，它直接用可再次生产的能源或来自于将在2050年之前在NZE情景中完全脱碳的能源供应（如电力或区域供热）。一个就绪的零碳建筑将在2050年成为一个零碳建筑，而不需要对建筑或其设备做进一步的改变（见第三章））在新兴市场和发展中经济体，建筑更换率较高，到2050年，每年的改造率约为2%。到2050年，绝大部分现有的住宅建筑都被改造成零碳建筑。到2030年，所有地区都将引入与能源相关的建筑法规，以确保几乎所有新建造的建筑都是就绪的零碳建筑。2020年，所有国家都将引入或加强最低能效性能标准和低效电器的替换计划。到2030年代中期，全世界内销售的几乎所有家用电器都与目前最高效的型号一样高效。

  在交通部门，严格的燃油经济性标准和确保从2035年起全球不再销售使用内燃机的新乘用车，使汽车销售迅速转向效率更加高的电动车（在2020年，电动车与燃油车相比，提供同样的活动平均仅需30%的能源）。对效率的影响在2030年就有所体现了，因为车辆的构成发生了变化：电动汽车在2030年占道路汽车的20%，2040年占60%（而现在只有1%）。到2050年，重型公路车辆的燃料经济性将持续改善，因为它们转而使用电力或燃料电池，而航运和航空的效率也会提高，因为更高效的飞机和船舶取代了现有 的库存。

  如果没有公民的积极性与自发性，就没办法实现净零排放中所提议的的整体目标。人的行为推动了能源相关商品和服务的需求的改变，社会规范和个人选择，两方面都对能源体系是不是能够走上可持续发展道路发挥着关键作用。在净零排放情景下，只有不到40%的减排来自于采用低碳技术，例如发电或钢铁生产技术等，这些技术往往需要大量的政策支持和投资，但很少有公民或消费者的直接参与。另外55%的减排需要低碳技术的应用均需要公民和消费的人的热情参加，例如安装太阳能热水器或购买电动汽车。最后8%的减排来自于减少能源需求的行为改变和材料效率的提高，例如减少商务飞行（图十四）等。消费者的态度也会影响关注公众形象的企业的投资决策。

  净零排放情景下，行为改变是指消费者持续或重复行为的改变，这些行为与能源总量需求或能源强度需求息息相关。净零排放情景中的部分能源服务需求的减少也来自技术进步，但这些不算作行为改变一类。例如，随着数字化程度的提高和智能电器（如智能恒温器或空间差异化热控制）的普及，降低了人们在家庭节能方面发挥的积极作用。

  净零排放中包含三种主要的行为变化。政府的广泛干预可用于激励这些变化（见第本章7.1节）。

  减少过度能源使用。这包括减少建筑物和道路上的能源使用，例如通过降低室内温度设置、在家庭中采用更节能的温度设置，以及将高速公路的行驶速度限制在每小时100公里。

  交通模式转换。这包括使用骑自行车、步行、共乘或乘坐公共汽车来替代汽车的交通方式，以及在可行的地区用高铁取代航空旅行等。这一类型的行为改变，可能意味着人们熟悉或习惯性生活方式的改变，因此就需要公众接受，甚至公众主动为之。许多城市还需要新的基础设施，如自行车道、高速铁路网、明确的政策支持和高质量的城市规划。

  材料效率提升。这包括减少对材料的需求，提高材料回收率，改进建筑或车辆的设计建造过程等，例如近年来一次性塑料的使用情况等。材料效率的提高取决于制造业和建筑业的技术创新、支持相关实践的标准和法规，整个社会的循环使用效率的增加等。

  注：低碳技术包括低碳发电、最终用途的低碳气体和生物燃料。公民热情参加的低碳技术包括燃料转换、电气化和最终使用效率的提高。行为变化和材料效率包括运输方式转换、抑制过度或浪费能源使用以及材料效率措施。

  净零排放情景中，行为变化导致的减排中的四分之三是通过政府政策及基础设施的更新提供的，例如使用高速铁路的出行方式。其余来自居民自愿改变节能习惯，特别是在居民家庭中。

  净零排放情景下，到2050年，行为改变使能源相关行为平均减少10-15%，意味着在2050年，全球能源总需求减少超过37 EJ。到2030年，可避免约1.7 Gt的二氧化碳排放，其中45%来自交通运输，特别是通过减少城市汽车使用和提高燃油经济性等措施。例如，在2030年，将高速公路的速度限制降低到100公里/小时，道路运输的二氧化碳排放量将减少3%，即1.4亿吨二氧化碳。使用在大城市享汽车或骑自行车和步行替代单人汽车出行，可再节省1.85亿吨二氧化碳。2030年，由于材料效率的提高和回收利用率的提高，工业减排约占40%，其中最大的影响来自减少废物和改进建筑规划设计与施工。2030年减排的其余部分则来自建筑物的行为变化，例如调整建筑物内部空调加热和冷却温度。

  图十五、在净零排放情景中行为改变及材料效率的提高对于二氧化碳的排放及能源需求的减少

  到2050年，低排放电力和燃料在交通和建筑中的重要性与日俱增，这在某种程度上预示着90%的减排是在工业领域，主要是在那些直接解决排放问题最具挑战性的行业。仅材料效率就可减少20%的水泥和钢材需求，从而节省约17亿吨二氧化碳。在2050年运输业的减排中，近80%来自减少客运航空需求的措施，其余来自公路运输。

  净零排放情景中行为变化的范围、速度或规模都因地区不同而不同，这取决于几个因素，包括现有基础设施建设，以及地理、气候、城市化、社会规范和文化价值观的差异。例如，如今私家车使用率较高的地区比别的地方更倾向于公共交通、共享汽车、步行和骑自行车；而航空旅行转换为高铁出行，则只有在火车能够给大家提供类似的旅行时间的情况下才有可能；在建筑物和车辆中调节温度则应更多考虑季节性影响和湿度。富裕地区的人均能源相关活动水平普遍较高，而行为改变在这些地区对减少过度或浪费的能源消费起着很重要的作用。

  净零排放情景中，大多数行为变化的过程都会对居民的日常生活产生一些影响，但不可能会产生有悖居民区域性生活小习惯的根本性区别。例如，在日本，一个提升认知的活动已经成功地减少了空气制冷需求，大概与其他许多地区到2040年的减少量相当；许多大城市已经出台了限制城市汽车使用的相关条规；而为减少空气污染和提高安全性，英国和西班牙已经测试了将车速限制降低到100公里/小时左右。

  直接使用低排放的电力资源代替化石燃料是净零排放减排的最重要手段之一，电气化产生的减排将占到2050年减排总量的20%。2020年至2050年间，全球电力需求翻了一倍有余，用电需求绝对增长最大的是工业领域的需求，在2020年至2050年间增长了11000TWh。这在很大程度上是由于中低温热和二次废钢生产用电量的增加。

  在交通运输方面，净零排放情景的交通运输电力需求总额占比从2020年的不到2%将增加到2050年的45%左右。到2030年，全球乘用车总销量的60%以上是电动汽车（相比之下，2020年电动车仅占整体销量的5%），到2050年，全世界的汽车几乎全部实现了电气化（其余是氢动力汽车）。未来10年，全球电动乘用车销量的增长是过去10年传统内燃机汽车销量增长的20多倍。卡车的电气化速度较慢，因为它依赖于比市场上现有电池密度更高的电池，尤其是长途卡车，还需要新的大功率充电基础设施。到2030年，电动卡车占全球重型卡车总销量的25%左右，到2050年占全球重型卡车总销量的三分之二左右。航运和航空业的电气化非常有限，只有在电池单位体积内的包含的能量大幅度提高后才能开始（见第第三章6节）。在净零排放情景中，2050年对运输用电池的需求达到14 TWh左右，是2020年的90倍。其中电池需求的增长将转化为对关键矿物的需求增加。例如，到2030年，电池用锂的需求量增长了30倍，而2050年的需求量是2020年的100多倍（国际能源署，2021年）。

  在建筑领域，净零排放需要通过推动提高电器、冷却、照明的效率，并加强建筑围护结构等手段来减少能源需求。但是，随着热泵供暖的广泛使用，建筑用电需求直到2050年仍稳步上升，达到建筑能耗总量的66%。

  在终端行业直接用电增长的同时，制氢用电也大幅度的增加。到2050年，利用电解法生产的商用氢在净零排放情况下需要12000TWh左右，这比中国和美国目前的年总电力需求加起来还要大。

  到2050年，电力需求量开始上涨从过去十年的每年2%加速到每年3%，加上可变可再生发电的份额明显地增加，这在某种程度上预示着净零排放情景下，每年的电力部门投资平均比近年来高出三倍。电力需求的增长还要求通过需求侧管理、灵活的低排放发电源（包括水力发电和生物能源）的运行以及电池储存，广泛努力确保电力供应的稳定性和灵活性。

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