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碳中和研究院

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月17日 18:59

北京大學(xué)IMED模型最新成果揭示我國農(nóng)村現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型的成本和健康效益

研究摘要

農(nóng)村居民能源向現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型對(duì)于中國實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)、空氣質(zhì)量改善目標(biāo)至關(guān)重要。本研究通過構(gòu)建“居民能源-空氣質(zhì)量-公眾健康”的模型框架，在省級(jí)層面探究中國農(nóng)村居民部門實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的低碳轉(zhuǎn)型路徑，分析空氣質(zhì)量改善帶來的健康影響，發(fā)現(xiàn)推廣電炊事設(shè)備和空氣源熱泵有助于農(nóng)村家庭向現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)、顯著改善北方地區(qū)的空氣質(zhì)量，且大部分省份的貨幣化人群健康效益可抵消技術(shù)轉(zhuǎn)型成本。研究成果于2023年9月29日在線發(fā)表于Nature Communications。

該成果是在北京大學(xué)碳中和研究院交叉學(xué)科平臺(tái)的支持下，發(fā)揮跨院校多學(xué)科團(tuán)隊(duì)綜合優(yōu)勢(shì)，基于多方自主構(gòu)建的IMED綜合評(píng)估模型體系在雙碳政策評(píng)估方面取得的又一重要研究進(jìn)展。論文由北京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院謝楊副教授指導(dǎo)博士生馬騰和博士后方艷茹共同完成，主要合作者來自北京航空航天大學(xué)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院、北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院、北京大學(xué)碳中和研究院等機(jī)構(gòu)。本研究得到國家自然科學(xué)基金委管理學(xué)部青年項(xiàng)目“中國碳減排與空氣污染控制政策的成本效益分析”、重點(diǎn)項(xiàng)目“溫室氣體減排、空氣污染治理的健康效益評(píng)估與協(xié)同政策設(shè)計(jì)”、北京大學(xué)必和必拓“碳與氣候”博士研究生未名學(xué)者項(xiàng)目等支持。

研究背景

農(nóng)村居民部門是重要的能源消費(fèi)領(lǐng)域，同時(shí)排放大量的溫室氣體和空氣污染物。農(nóng)村居民用能向現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型有助于協(xié)同實(shí)現(xiàn)多個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs），如獲取清潔能源（SDG7）、良好的健康與福祉（SDG3）等。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，農(nóng)村居民能源如何實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型及其協(xié)同影響值得關(guān)注。

先前研究主要集中在兩個(gè)方面：一是基于農(nóng)村能源調(diào)查及排放清單回溯性地靜態(tài)評(píng)估居民能源使用的空氣質(zhì)量和人群健康影響；二是構(gòu)建能源規(guī)劃模型分析建筑部門的中長期節(jié)能減排潛力。但由于缺乏精細(xì)化數(shù)據(jù)和綜合性模型，鮮有研究在省級(jí)層面關(guān)注農(nóng)村居民部門實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的轉(zhuǎn)型路徑，能源轉(zhuǎn)型的成本與健康效益分析尤其缺乏。

鑒于此，本研究聚焦農(nóng)村炊事和取暖活動(dòng)（占農(nóng)村居民能源消耗的80%以上），通過構(gòu)建“省級(jí)居民能源系統(tǒng)模型-空氣質(zhì)量模型-健康評(píng)估模型”綜合模型框架，基于情景分析法從省級(jí)層面模擬農(nóng)村居民部門實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的能源轉(zhuǎn)型路徑，識(shí)別關(guān)鍵減排技術(shù)，進(jìn)一步探究空氣質(zhì)量協(xié)同改善產(chǎn)生的貨幣化健康效益能否抵消技術(shù)轉(zhuǎn)型成本。

研究方法

本研究拓展了北京大學(xué)IMED|TEC能源技術(shù)優(yōu)化模型，深度融合了陶澍院士/沈國鋒研究員團(tuán)隊(duì)編制的全國農(nóng)村居民能源調(diào)查和排放清單等特征數(shù)據(jù)庫，極大提升了IMED模型農(nóng)村居民模塊的精準(zhǔn)度。進(jìn)一步將本土化的省級(jí)居民能源系統(tǒng)模型（IMED|TEC居民部門）與IIASA的空氣質(zhì)量模型（GAINS）、北航謝楊團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)開發(fā)的公眾健康評(píng)估模型（IMED|HEL）深度耦合，形成了雙碳政策成本與效益分析的全鏈條綜合評(píng)估框架。

本研究設(shè)置了兩個(gè)主情景：基線情景（BaU）與碳中和情景（CNS）。BaU情景是無碳排放限制的參考情景，農(nóng)村炊事和取暖活動(dòng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)延續(xù)歷史趨勢(shì)進(jìn)行自發(fā)、緩慢的技術(shù)升級(jí)。CNS情景是有省級(jí)碳限額的碳中和情景，假設(shè)各省2035年的碳排放較2014年下降25-35%，2060年的碳排放較2014年下降90-95%。此外，為檢驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)健性，本研究在主情景BaU和CNS的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建116個(gè)敏感性情景對(duì)農(nóng)村炊事、取暖服務(wù)需求、現(xiàn)代技術(shù)初始成本、現(xiàn)代技術(shù)效率、現(xiàn)代能源價(jià)格、暴露-響應(yīng)函數(shù)、生命統(tǒng)計(jì)價(jià)值等關(guān)鍵輸入變量進(jìn)行敏感性分析。

圖 1 研究框架

研究結(jié)果

農(nóng)村炊事和取暖能源向現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型，能源貧困在全國范圍內(nèi)明顯改善。1）國家層面。在BaU和CNS情景中，由于持續(xù)的城鎮(zhèn)化趨勢(shì)，全國農(nóng)村炊事和取暖能源消費(fèi)在2014至2060年間均下降，但在CNS情景中下降趨勢(shì)更加顯著。在BaU情景中，農(nóng)村炊事和取暖能源消費(fèi)由2014年的1.51億噸標(biāo)準(zhǔn)油下降至2060年的0.79億噸標(biāo)準(zhǔn)油；而在CNS情景中，農(nóng)村能源首先向天然氣轉(zhuǎn)型，再向電力轉(zhuǎn)型，由于現(xiàn)代技術(shù)和能源的效率高于傳統(tǒng)的生物質(zhì)和煤炭，2060年的能源消費(fèi)僅為0.26億噸標(biāo)準(zhǔn)油。另一方面，未來農(nóng)村傳統(tǒng)固體燃料的使用量逐漸減少，但在BaU情景中煤炭和傳統(tǒng)生物質(zhì)仍為2060年的主導(dǎo)能源；而在CNS情景中，2060年電和氣等現(xiàn)代能源消費(fèi)較2014年增加2倍，其中電力成為主導(dǎo)能源，農(nóng)村炊事和取暖分別消耗0.14和0.04億噸標(biāo)準(zhǔn)油的電力。

圖2 中國農(nóng)村炊事、取暖的能源消耗和現(xiàn)代能源占比

2）省級(jí)層面。2014年，除沿海發(fā)達(dá)地區(qū)外，傳統(tǒng)固體燃料是大部分省份農(nóng)村炊事、取暖的主導(dǎo)能源，如廣西、四川、遼寧的生物質(zhì)使用占比分別為91%、79%和73%，而山西、貴州煤炭使用占比約50%。此外，由于北方地區(qū)的冬季取暖需求大且傳統(tǒng)固體燃料效率低，北方省份的能源消費(fèi)一般高于南方省份。在CNS情景中，現(xiàn)代能源成為2060年所有省份農(nóng)村炊事、取暖的主導(dǎo)能源，占比超過90%；此時(shí)，全國人均現(xiàn)代能源消費(fèi)達(dá)到80千克標(biāo)準(zhǔn)油（kgoe），遠(yuǎn)超2014年（14kgoe）和同時(shí)期BaU情景（23kgoe）水平。根據(jù)國際能源署定義的能源發(fā)展指數(shù)（EDI），人均現(xiàn)代能源消費(fèi)量和現(xiàn)代能源占比是衡量居民能源貧困的重要指標(biāo)，因此碳中和目標(biāo)有利于在全國范圍內(nèi)大幅改善農(nóng)村能源貧困，但人均現(xiàn)代能源消費(fèi)的省際不平等可能擴(kuò)大。

圖3 農(nóng)村炊事、取暖的能源消耗和現(xiàn)代能源占比的空間分布

農(nóng)村現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型促進(jìn)空氣污染減排，協(xié)同改善空氣質(zhì)量和人群健康。農(nóng)村炊事、取暖活動(dòng)脫碳有利于協(xié)同減少SO2、NOX、PM2.5排放，BaU情景中農(nóng)村居民部門的三類空氣污染物直接排放分別由2014年的121、58、256萬噸下降至2060年的108、27、124萬噸，而2060年CNS情景較BaU情景分別繼續(xù)下降99%、97%和99%。值得注意的是，由于傳統(tǒng)生物質(zhì)和煤炭的快速淘汰，SO2、PM2.5排放在2040年之前顯著下降；另一方面，電力將居民部門的排放轉(zhuǎn)移到上游發(fā)電部門，因此全生命周期的CO2和空氣污染物減排要求電力部門采取減污減碳措施。北方地區(qū)因此獲得顯著的空氣質(zhì)量改善和人群健康效益，2050年，北方大部分省份的PM2.5濃度降低超過2 μg/m3，避免約52000 例/年過早死亡，占全國70%。其中山西(5.4 μg/m3)、河北(5.2 μg/m3)、陜西(4.6 μg/m3)的PM2.5濃度降低最多，而山東(9288 例/年)、河南(9280 例/年)、河北(8014 例/年)避免的過早死亡人數(shù)最多。

圖 4 全國CO2和污染物排放、PM2.5濃度和避免的PM2.5相關(guān)過早死亡人數(shù)

碳中和目標(biāo)促使農(nóng)村炊事和取暖向電炊事爐具、空氣源熱泵轉(zhuǎn)型。在碳中和目標(biāo)下，使用傳統(tǒng)固體燃料的秸稈爐灶、薪柴爐灶、煤爐等設(shè)備逐步淘汰，在2040年之前主要向天然氣/LPG設(shè)備轉(zhuǎn)型，而隨后逐步向電炊事爐和空氣源熱泵轉(zhuǎn)型，至2060年后兩類設(shè)備分別滿足94%的炊事需求和72%的取暖需求?，F(xiàn)代技術(shù)設(shè)備伴隨著更高的成本，2060年全國技術(shù)轉(zhuǎn)型成本約130億美元，其中主要由山東、山西、河北、黑龍江等華北、東北省份承擔(dān)，對(duì)應(yīng)的人均轉(zhuǎn)型成本更高。在省級(jí)層面，由于CNS情景中南方省份的碳約束更緊，技術(shù)升級(jí)發(fā)生得更快，2040年時(shí)電炊事爐具、空氣源熱泵已成為大部分南方省份的炊事、取暖主導(dǎo)技術(shù)。

圖 5 農(nóng)村炊事、取暖活動(dòng)的技術(shù)轉(zhuǎn)型趨勢(shì)和年度技術(shù)成本

農(nóng)村居民部門脫碳的健康效益可觀，大部分省份的貨幣化人群健康效益可抵消轉(zhuǎn)型成本。研究通過比較2035年（“美麗中國”目標(biāo)年）和2050年省級(jí)層面的技術(shù)轉(zhuǎn)型成本和貨幣化人群健康效益，構(gòu)建簡易的“成本-效益”框架。無論2035年或2050年，在中VSL水平下，全國大部分省份的貨幣化人群健康效益高于轉(zhuǎn)型成本，2050年全國效益-成本比為11.9。北方地區(qū)的技術(shù)轉(zhuǎn)型成本和健康效益都相對(duì)更大，其中凈效益最大的省份是山東、河南和河北，2050年的凈效益分別為32、19、14億美元。即使在低VSL水平下，大部分省份的貨幣化人群健康效益可抵消轉(zhuǎn)型成本的結(jié)論依舊成立。對(duì)于技術(shù)轉(zhuǎn)型成本高于PM2.5相關(guān)室外健康收益的少數(shù)西南地區(qū)，主要原因包括1）本底PM2.5濃度很低，造成的PM2.5相關(guān)過早死亡人數(shù)很少；2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)落后，代表避免過早死亡支付意愿的VSL參數(shù)估計(jì)值相對(duì)較低。

圖 6 農(nóng)村炊事、取暖脫碳對(duì)應(yīng)的技術(shù)轉(zhuǎn)型成本和貨幣化人群健康效益（基于中VSL）

敏感性分析。敏感性分析發(fā)現(xiàn)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)的炊事、取暖需求是影響能源使用、CO2和污染物排放、居民能源系統(tǒng)成本等最顯著的輸入?yún)?shù)。然而，盡管敏感性情景中的研究結(jié)果與主情景（BaU和CNS）在定量方面略有不同，但本研究的主要結(jié)論是穩(wěn)健的。

研究總結(jié)

在碳中和目標(biāo)下，農(nóng)村炊事、取暖能源由傳統(tǒng)固體燃料向電力和氣轉(zhuǎn)型，現(xiàn)代能源消費(fèi)在2014至2060年間增加2倍，全國范圍內(nèi)的農(nóng)村能源貧困明顯改善。全國農(nóng)村居民將廣泛使用電炊事爐和空氣源熱泵，2060年的技術(shù)轉(zhuǎn)型成本約130億美元，主要由華北和東北地區(qū)承擔(dān)。農(nóng)村居民部門的低碳轉(zhuǎn)型明顯改善北方地區(qū)的空氣質(zhì)量，2050年全國預(yù)計(jì)避免約75500例PM2.5相關(guān)過早死亡，其中北方地區(qū)占69%。值得注意的是，農(nóng)村居民部門實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的健康效益可觀，大部分省份的貨幣化人群健康效益可抵消轉(zhuǎn)型成本。

作者簡介

第一作者：馬騰，北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境管理專業(yè)2020級(jí)直博生，研究方向?yàn)槟茉喘h(huán)境經(jīng)濟(jì)與政策評(píng)估，聚焦居民能源系統(tǒng)的氣候適應(yīng)與低碳轉(zhuǎn)型及成本效益分析，以第一作者在Nature Communications發(fā)表論文1篇，共同作者論文7篇。

通訊作者：方艷茹，博士，時(shí)任北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士后，現(xiàn)任中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境管理研究中心助理研究員。主要從事能源環(huán)境與氣候政策研究，著重運(yùn)用綜合評(píng)估模型探索不同行業(yè)（如電力、交通和建筑）的可持續(xù)低碳轉(zhuǎn)型。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、能源、人群健康等多方面因素，明晰不同行業(yè)的碳中和優(yōu)化發(fā)展路徑。以一作及通訊作者在Nature Communications、Resources, Conservation and Recycling、Applied Energy、Renewable & Sustainable Energy Reviews等期刊發(fā)表論文10余篇。

通訊作者：謝楊，北京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事環(huán)境與氣候變化的健康經(jīng)濟(jì)影響研究，主導(dǎo)開發(fā)了全球和地區(qū)多層級(jí)人群健康綜合評(píng)估模型，定量評(píng)估清潔空氣與氣候政策的成本與效益。主持國家自然科學(xué)基金委青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目課題、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等項(xiàng)目，入選北航“青年拔尖人才支持計(jì)劃”、 “卓越百人計(jì)劃”等。以第一或通訊作者在Nature Communications、Lancet Regional Health、Global Environmental Change、ES&T等主流期刊發(fā)表論文30余篇，ESI前1%高被引論文累計(jì)8篇。擔(dān)任Energy，Ecology and Environment期刊領(lǐng)域編輯、中國優(yōu)選法統(tǒng)籌法與經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)研究會(huì)青年委員、IPCC AR6報(bào)告評(píng)審人、《全球疾病負(fù)擔(dān)》Collaborator。

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