描述
开 本: 128开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030505286丛书名: 能源经济与低碳政策丛书
编辑推荐
《能源系统集成建模: 政策驱动下的低碳转型》适合有一定数学与经济学知识背景的专业从业人员、研究机构、能源企业、高校和科研院所的相关研究人员和学者阅读。
内容简介
在全球各国积极应对气候变化的时代背景下，经济增长与能源发展的关系趋于复杂，对能源－环境－经济(3E) 系统的研究面临新的挑战和要求。《能源系统集成建模: 政策驱动下的低碳转型》立足于新形势下经济发展与应对气候变化背景下的能源系统变革，以经济学和运筹管理理论为基础，探索能源技术演变机理，分析能源、经济、环境的耦合关系，改进3E系统集成建模方法，形成集成自顶向下和自底向上建模思想的新3E模型体系，力图反映低碳政策对3E系统的作用机理和影响，为探索形成能源系统低碳化转型路径提供科学的分析方法和政策模拟工具。
目 录
目录
总序
序
前言
第1章气候变化下的全球能源演变1
1.1应对全球气候变化挑战2
1.2能源消费与碳排放形势5
1.3能源技术低碳化发展9
第2章碳减排与能源低碳化:中国的行动11
2.1积极的碳减排努力12
2.2碳排放结构与特点13
2.3中国的能源低碳化进程17
第3章系统集成建模与气候变化研究20
3.1集成评估模型的特性与理论基础21
3.23E系统建模的动态机制23
3.3多区域集成建模研究24
3.4气候损害量化与市场化评估26
3.5综合评估模型的技术生态29
3.6不确定环境下的集成建模研究33
3.7总结与讨论35
第4章全球3E系统集成模型:E3METL37
4.1研究背景38
4.2Logistic多重技术演变机制39
4.3E3METL的建模机理与构建40
4.4模型运行机理与求解46
4.5总结与讨论47
第5章全球控排下的经济技术演化48
5.1研究背景49
5.2技术参数选择:研发？学习与替代50
5.3经济？能源消费与排放路径影响53
5.4替代能源技术的成本演化分析58
5.5非化石能源技术的发展路径61
5.6技术学习效应的影响探索64
5.7总结与讨论67
第6章全球能效改进的减排效应68
6.1研究背景69
6.2能效改进机制70
6.3内生能效改进的多维影响分析72
6.4模拟结果对能效参数选择的适应性讨论78
6.5总结与讨论80
第7章CCS背景下的**减排政策选择82
7.1研究背景83
7.2E3METL的CCS拓展84
7.3拓展模型的规格参数86
7.4**减排政策选择87
7.5CCS减排贡献分析90
7.6**R&D投资与低碳技术演变93
7.7总结与讨论98
第8章排放空间约束下中国的经济与技术演化100
8.1研究背景101
8.2E3METL的区域拓展:CE3METL102
8.3参数升级与数据库对接104
8.4控排影响:经济？能源消费与碳排放106
8.5排放约束与能源技术低碳化112
8.6技术替代能力与学习影响分析115
8.7总结与讨论118
第9章中国的能效改进与减排结构演变120
9.1研究背景121
9.2CE3METL与减排结构分解技术122
9.3能效改进与减排结构演变125
9.4动态减排贡献路径128
9.5总结与讨论130
第10章中国的低碳化减排:CCS技术发展132
10.1研究背景133
10.2CE3METL-CCS模型135
10.3初始成本与技术参数137
10.4CCS技术的成本演化规律139
10.5CCS的发展潜力与减排贡献评估143
10.6替代技术与CCS的竞争发展147
10.7总结与讨论148
第11章风电发展的综合减排效益评估150
11.1研究背景151
11.2CE3METL与海洋板块模型的耦合152
11.3风能扩散情景与减排路径设计155
11.4风电发展对排放路径的影响158
11.5风煤替代的辐射强迫与温升收益160
11.6总结与讨论163
第12章中国的温升贡献:太阳能技术替代165
12.1研究背景166
12.2综合气候效应集成评估系统167
12.3太阳能电力替代的减排收益170
12.4辐射强迫与温升贡献评估175
12.5总结与讨论178
第13章碳排放达峰与能源技术低碳化风险评估180
13.1研究背景181
13.2排放和技术演变的不确定性考量182
13.3**CE3EMTL模型184
13.4不确定性模拟情景设计189
13.5多重不确定性的系统影响189
13.6碳排放达峰与技术低碳化演变195
13.7总结与讨论203
第14章多区域排放交易机制设计:REEC模型205
14.1研究背景206
14.2REEC模型的构建207
14.3输入数据与参数集213
14.4REEC运行机理与求解216
14.5总结与讨论217
第15章低碳化减排:交易机制与碳税218
15.1研究背景219
15.2REEC模型:碳税与碳交易机制220
15.3碳排放空间与分配原理221
15.4政策选择与能源技术低碳化222
15.5结果稳定性分析229
15.6总结与讨论230
第16章应对低碳化减排挑战:建议与展望232
16.1能源变革引领的经济发展与环境保护的新型关系233
16.2推动低碳化减排的建议234
16.3能源低碳化集成建模研究展望236
参考文献239
Contents
Preface
Chapter 1 Global warming and energy technology evolution1
1.1 Global climate change challenges2
1.2 Energy consumption and CO2 emissions5
1.3 Low-carbon technology development9
Chapter 2 Carbon mitigation and low carbon transition in China11
2.1 China’s action on carbon reduction12
2.2 CO2 emissions strcture13
2.3 Energy technology low carbonization trend17
Chapter 3 Research on integrated assessment modeling20
3.1 Climate change and integrated models21
3.2 Dynamic mechanism of 3E-integrated systems23
3.3 Multiregional extension24
3.4 Quantization of climate-related damage26
3.5 Tech-ecology of 3E-integrated models29
3.6 Tech-ecdogy of 3E-intergrated models33
3.7 Summary35
Chapter 4 The establishment of E3METL37
4.1 Background38
4.2 Logistic technical curve39
4.3 Rationale of E3METL40
4.4 Operating and solving46
4.5 Summary47
Chapter 5 Carbon-control and global economic technology system48
5.1 Background49
5.2 Parameter assumptions: R&D，Learning and technical substitution50
5.3 Analysis of impact on economy-technological system53
5.4 Cost evolution of alternative technologies58
5.5 Deployment of non-fossil technologies61
5.6 Learning effect analysis64
5.7 Summary67
Chapter 6 Energy efficiency improvement and CO2 reduction68
6.1 Background69
6.2 Energy efficiency improvement mechanism70
6.3 Effects of endogenous energy efficiency enhancement72
6.4 Sensitivity of key parameters77
6.5 Summary80
Chapter 7 Role of CCS in options to carbon-reduction policies82
7.1 Background83
7.2 E3METL with CCS84
7.3 Data sources and processing86
7.4 Optimal policy options to carbon mitigation87
7.5 Contribution of CCS to CO2 reduction90
7.6 Optimal R&D paths and low-carbon transition93
7.7 Summary98
Chapter 8 3E system evolution of China under carbon control100
8.1 Background101
8.2 Sinicizing of E3EMTL102
8.3 Data updating and database docking104
8.4 Economic and technical impact of carbon control106
8.5 Carbon-control and energy decarbonization112
8.6 Robustness of technology learning and substitution115
8.7 Summary118
Chapter 9 China’s energy efficiency improvement and carbon reductionstructure evolution120
9.1 Background121
9.2 CE3METL and structure decomposition technique122
9.3 Impact of EEI on CO2 reduction structure125
9.4 Dynamic paths of carbon mitigation contributions128
9.5 Summary130
Chapter 10 Role of CCS in China’s carbon reduction132
10.1 Background133
10.2 CE3METL with CCS135
10.3 Initial costs and technical parameters137
10.4 Cost evolution of CCS technology139
10.5 Assessment on CCS’s deployment potential143
10.6 Coordinate development between CCS and renewables147
10.
总序
序
前言
第1章气候变化下的全球能源演变1
1.1应对全球气候变化挑战2
1.2能源消费与碳排放形势5
1.3能源技术低碳化发展9
第2章碳减排与能源低碳化:中国的行动11
2.1积极的碳减排努力12
2.2碳排放结构与特点13
2.3中国的能源低碳化进程17
第3章系统集成建模与气候变化研究20
3.1集成评估模型的特性与理论基础21
3.23E系统建模的动态机制23
3.3多区域集成建模研究24
3.4气候损害量化与市场化评估26
3.5综合评估模型的技术生态29
3.6不确定环境下的集成建模研究33
3.7总结与讨论35
第4章全球3E系统集成模型:E3METL37
4.1研究背景38
4.2Logistic多重技术演变机制39
4.3E3METL的建模机理与构建40
4.4模型运行机理与求解46
4.5总结与讨论47
第5章全球控排下的经济技术演化48
5.1研究背景49
5.2技术参数选择:研发？学习与替代50
5.3经济？能源消费与排放路径影响53
5.4替代能源技术的成本演化分析58
5.5非化石能源技术的发展路径61
5.6技术学习效应的影响探索64
5.7总结与讨论67
第6章全球能效改进的减排效应68
6.1研究背景69
6.2能效改进机制70
6.3内生能效改进的多维影响分析72
6.4模拟结果对能效参数选择的适应性讨论78
6.5总结与讨论80
第7章CCS背景下的**减排政策选择82
7.1研究背景83
7.2E3METL的CCS拓展84
7.3拓展模型的规格参数86
7.4**减排政策选择87
7.5CCS减排贡献分析90
7.6**R&D投资与低碳技术演变93
7.7总结与讨论98
第8章排放空间约束下中国的经济与技术演化100
8.1研究背景101
8.2E3METL的区域拓展:CE3METL102
8.3参数升级与数据库对接104
8.4控排影响:经济？能源消费与碳排放106
8.5排放约束与能源技术低碳化112
8.6技术替代能力与学习影响分析115
8.7总结与讨论118
第9章中国的能效改进与减排结构演变120
9.1研究背景121
9.2CE3METL与减排结构分解技术122
9.3能效改进与减排结构演变125
9.4动态减排贡献路径128
9.5总结与讨论130
第10章中国的低碳化减排:CCS技术发展132
10.1研究背景133
10.2CE3METL-CCS模型135
10.3初始成本与技术参数137
10.4CCS技术的成本演化规律139
10.5CCS的发展潜力与减排贡献评估143
10.6替代技术与CCS的竞争发展147
10.7总结与讨论148
第11章风电发展的综合减排效益评估150
11.1研究背景151
11.2CE3METL与海洋板块模型的耦合152
11.3风能扩散情景与减排路径设计155
11.4风电发展对排放路径的影响158
11.5风煤替代的辐射强迫与温升收益160
11.6总结与讨论163
第12章中国的温升贡献:太阳能技术替代165
12.1研究背景166
12.2综合气候效应集成评估系统167
12.3太阳能电力替代的减排收益170
12.4辐射强迫与温升贡献评估175
12.5总结与讨论178
第13章碳排放达峰与能源技术低碳化风险评估180
13.1研究背景181
13.2排放和技术演变的不确定性考量182
13.3**CE3EMTL模型184
13.4不确定性模拟情景设计189
13.5多重不确定性的系统影响189
13.6碳排放达峰与技术低碳化演变195
13.7总结与讨论203
第14章多区域排放交易机制设计:REEC模型205
14.1研究背景206
14.2REEC模型的构建207
14.3输入数据与参数集213
14.4REEC运行机理与求解216
14.5总结与讨论217
第15章低碳化减排:交易机制与碳税218
15.1研究背景219
15.2REEC模型:碳税与碳交易机制220
15.3碳排放空间与分配原理221
15.4政策选择与能源技术低碳化222
15.5结果稳定性分析229
15.6总结与讨论230
第16章应对低碳化减排挑战:建议与展望232
16.1能源变革引领的经济发展与环境保护的新型关系233
16.2推动低碳化减排的建议234
16.3能源低碳化集成建模研究展望236
参考文献239
Contents
Preface
Chapter 1 Global warming and energy technology evolution1
1.1 Global climate change challenges2
1.2 Energy consumption and CO2 emissions5
1.3 Low-carbon technology development9
Chapter 2 Carbon mitigation and low carbon transition in China11
2.1 China’s action on carbon reduction12
2.2 CO2 emissions strcture13
2.3 Energy technology low carbonization trend17
Chapter 3 Research on integrated assessment modeling20
3.1 Climate change and integrated models21
3.2 Dynamic mechanism of 3E-integrated systems23
3.3 Multiregional extension24
3.4 Quantization of climate-related damage26
3.5 Tech-ecology of 3E-integrated models29
3.6 Tech-ecdogy of 3E-intergrated models33
3.7 Summary35
Chapter 4 The establishment of E3METL37
4.1 Background38
4.2 Logistic technical curve39
4.3 Rationale of E3METL40
4.4 Operating and solving46
4.5 Summary47
Chapter 5 Carbon-control and global economic technology system48
5.1 Background49
5.2 Parameter assumptions: R&D，Learning and technical substitution50
5.3 Analysis of impact on economy-technological system53
5.4 Cost evolution of alternative technologies58
5.5 Deployment of non-fossil technologies61
5.6 Learning effect analysis64
5.7 Summary67
Chapter 6 Energy efficiency improvement and CO2 reduction68
6.1 Background69
6.2 Energy efficiency improvement mechanism70
6.3 Effects of endogenous energy efficiency enhancement72
6.4 Sensitivity of key parameters77
6.5 Summary80
Chapter 7 Role of CCS in options to carbon-reduction policies82
7.1 Background83
7.2 E3METL with CCS84
7.3 Data sources and processing86
7.4 Optimal policy options to carbon mitigation87
7.5 Contribution of CCS to CO2 reduction90
7.6 Optimal R&D paths and low-carbon transition93
7.7 Summary98
Chapter 8 3E system evolution of China under carbon control100
8.1 Background101
8.2 Sinicizing of E3EMTL102
8.3 Data updating and database docking104
8.4 Economic and technical impact of carbon control106
8.5 Carbon-control and energy decarbonization112
8.6 Robustness of technology learning and substitution115
8.7 Summary118
Chapter 9 China’s energy efficiency improvement and carbon reductionstructure evolution120
9.1 Background121
9.2 CE3METL and structure decomposition technique122
9.3 Impact of EEI on CO2 reduction structure125
9.4 Dynamic paths of carbon mitigation contributions128
9.5 Summary130
Chapter 10 Role of CCS in China’s carbon reduction132
10.1 Background133
10.2 CE3METL with CCS135
10.3 Initial costs and technical parameters137
10.4 Cost evolution of CCS technology139
10.5 Assessment on CCS’s deployment potential143
10.6 Coordinate development between CCS and renewables147
10.
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第1章 气候变化下的全球能源演变
世界气象组织( WMO) 的**报告显示，2014年全球温室气体浓度创有记录以来的新高，CO2的平均浓度接近400ppmv关口，北半球浓度甚至短暂突破了这一界线；同时，另外两种主要温室气体( CH4和N2O) 的浓度增速也为近十年之*( WMO，2015)。WMO估计，这些主要温室气体浓度指标当前至少处在80万年以来的**点。 据此看，人类面临的气候灾害风险正以前所未有的速度逼近临界线，而留给我们的减排“观望”时间已越来越少。本章首先围绕温升幅度、冰盖面积以及海平面变化等指标总结**的气候变化事实，特别梳理20世纪90年代以来人类为迎接气候变化挑战所作出的努力；随后，分析近些年来全球能源消费和碳排放结构的演变特征，解析新形势下的能源结构与碳排放结构演变间的关系；*后介绍减排背景下全球能源技术低碳化趋势，尤其关注非水电可再生能源技术的发展状况。
随着全球气候变化形势的日趋严峻，人类面临的温室气体减排挑战也越来越艰巨。 正如Peters等(2013)所言，若不立即采取切实有效的减排措施，2℃的温控目标实际上已变得难以实现。 幸运的是，各国已充分意识到了通过人为干预来防止可能的气候损害的重要性，并就碳减排问题达成基本共识，且开展了一系列行动积极应对来自气候变化的挑战，尽管这些行动的力度仍有待加强。
1.1 应对全球气候变化挑战
全球变暖问题以其成因的复杂性、影响的广泛性、潜在危害的严重性和不可逆性，以及排放控制的全球合作性等特点正日益成为举世关注的焦点。政府间气候变化专门委员会(IPCC)《第五次全球气候变化综合评估报告》(AR5)延续了以往的科学论断，即全球变暖极有可能由人类活动排放的温室气体导致，并将这种可能性进一步由《第四次全球气候变化综合评估报告》(AR4) 的90%提高至95% (IPCC，2014)。 尽管局部地区的自然变异和天气波动证据使得“人为大量排放二氧化碳(CO2)是造成全球气候变暖的罪魁祸首”的论点仍饱受争议，但无可否认的是，全球平均气温升高、冰雪消融加速、海平面上升以及**气候频繁等现象有力佐证了全球气候变暖的事实。**的研究成果表明: 当前的大气CO2浓度已超过400ppmv，若未来的人为温室气体(GHGs)排放延续这一速度，到21世纪末，全球平均温度将升高4℃，这将导致地球近1/6的物种面临灭绝(Urban，2015)。
IPCC通过1990年、1995年、2001年、2007年和2014年总共五次全球气候变化综合评估报告积累了大量有关气候变化存在、诱因及相关影响的数据和资料。 全球地表温度监测资料显示，1906~2005 年的100年间，全球温度升高的线性趋势为0.74℃，且在1956~2005 年的50年间以每10年0.13℃的速度升高。 此外，与其他地区相比，高纬度的北半球地区的升温速度较快，约为全球平均升温速度的2倍(IPCC，2007a)。温度升高的直接后果就是导致极地冰雪消融加速并*终引起海平面上升。IPCC(2007a) 的评估结果还显示，1961~2003年的40 多年里，全球海平面的平均上升速率达到1.8mm/年，而1993~2003 年10年间的平均上升速率更高，达到3.1mm/年。此外，世界气象组织(WMO) **发布的《全球大气监测年度报告2010》也指出，1990~2009年人为排放量增长了27.5%，这使得2009年监测的全球温室气体浓度打破了有记录以来的**水平，这一监测结果进一步印证了IPCC评估报告所作的预测。
较之AR4，AR5展示了更多有关大气圈和冰冻圈正在变暖的证据。1880~2012年，全球平均地表温度升高幅度达0.85℃，且其中的0.12℃升温发生在1951 ~2012年的60余年内，这一变暖速度是1880年以来升温速率的近两倍。2002~2011年，南极冰雪覆盖面积每年减少1470 亿吨，而格陵兰冰盖的冰储量则以每年2150亿t的速度缩减。冰雪消融引起了海平面的显著上升，1901~2010年，全球海平面以每年1.7mm的速度上升，100多年里海平面累积升高了约0.19m；近年来，海平面上升速率在不断提高，统计数据显示，1993 ~2010年全球海平面平均上升速率达到了3.2mm/年(图1-1)。 为此，联合国再次警告，如果人类不采取切实有效的减排行动，地球恐将面临潜在的灾难性后果。
图1-1 1850~2012年全球气候变化形势: 多指标展示
气候变化问题之所以是一个全球性问题，主要由于它具有以下两个特点: 首先，人为温室气体排放作为引起气候变化*可能的原因，其来源具有全球性。 无论是哪国的排放*终都将汇入人类公共且独有的大气空间，不同来源的温室气体排放累积*终会导致大气中温室气体浓度上升，继而演变成为影响人类生存环境的温室效应。 其次，气候灾难一旦发生，其影响波及全球。气候变暖会引起海平面上升，增加飓风、海啸等**气候事件出现的频率，改变区域降水分布和地质环境，从而影响整个地球生态系统。 气候变化还可能对农业造成重大影响，包括对粮食、饮水等人类赖以生存的物质条件的影响。 而这些影响都具有明显的外部性，一旦气候灾难发生，世界各国将无一能够幸免。 因此，气候变化的全球性特点决定了解决气候变化问题需全球合作和共同努力。
为减缓和适应气候变化对人类生存环境的可能影响，人类从意识到全球变暖问题开始便作出了积极的努力。1988年IPCC成立宣告人类应对气候变化的行动正式开始。1990年，IPCC发布了首份气候变化综合评估报告，报告对可能发生的气候变化问题进行了科学、系统地总结，主要目的在于提高各国对气候变化问题严重程度的认识。 随后，《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)的制定为全球合作应对气候变化和减少CO2排放提供了相对公平和统一的谈判平台。 该公约不仅确立了“共同但有区别的责任” 等五个基本原则，同时还提出了三种灵活的合作减排机制，即联合履约机制(JI)、排放贸易机制(ET) 和清洁发展机制(CDM)，《联合国气候变化框架公约》 的制定为全球更深层次的合作减排以及随后《京都议定书》 的签订铺平了道路。1997年《京都议定书》 的签订被广泛认为是人类应对全球气候挑战的里程碑。 针对发达国家历史累计排放较高的现状，《京都议定书》规定了发达国家温室气体减排的长期目标，即要求发达国家2011年的温室气体排放量较1990 年下降5.2%，且为各个发达国家设定了具体的温室气体排放控制目标。 该议定书自2005 年开始正式生效。 进入21世纪以来，世界各国普遍加快了合作应对气候变化挑战的步伐，从2007 年《巴厘路线图》 的签订到2010年坎昆气候大会的召开，再到2012年的多哈气候谈判，以及2015年召开的巴黎气候会议，无不显示了人类应对气候变化的决心和努力(图1-2)。
图1-2 全球应对气候变化行动历程
除了积极参加气候变化国际谈判外，各国还制定了具体的温室气体减排目标。 2009年12月，UNFCCC 第15次缔约方会议(COP15) 在丹麦首都哥本哈根召开，与会各方通过谈判*终达成了《哥本哈根协议》，协议要求各国于2010年1月31日前向UNFCCC 秘书处提交其2020 年减排目标，包括发达国家的强制性减排约束和发展中国家的自主减排计划，尽管这些减排约束或计划并未形成*终的法律约束力，但却充分表现了各国积极参与合作减排的态度和意愿。据UNFCCC秘书处统计，自哥本哈根会议结束以来，共有35个工业化国家和20个发展中国家提交了控制温室气体排放的中期目标。其中，挪威承诺到2020 年温室气体排放量将在1990年的基础上减少30% ~40%，其承诺减排幅度居各国之首；俄罗斯承诺2020年前将温室气体排放量在1990年的基础上减少25%；而美国也承诺了2020年温室气体排放量较2005年减少17%的减排目标，这一目标约相当于在1990年的基础上减少4%。此外，中国、南非、印度尼西亚、巴西和印度等发展中国家也提出了各自的减排计划，例如: 我国承诺到2020年单位GDP二氧化碳排放量将较2005年降低40% ~45%，而巴西则表示到2020年将其温室气体排放量在预期基础上减少36.1% ~38.9%。
2015年是全球气候变化谈判取得重要进展的一年，全球近200个国家在法国巴黎共同就气候变化和温室气体减排问题展开国际谈判。 所有缔约方一致同意通过《巴黎协定》，协定指出: 各方将围绕减缓、适应、损失损害、资金、技术以及能力建设等目标加强对气候变化威胁的联合应对，力争将全球升温幅度控制在2℃以内，并为把升温控制在1.5℃之内而努力。为此，全球须尽快实现排放达峰，并于21世纪下半叶达到温室气体近零排放。 会上90%以上的缔约方向UNFCCC提交自主贡献减排方案是此次巴黎气候谈判*大的亮点，中国在气候谈判过程中一如既往地发挥了积极的作用，不仅重申了早先在《中美气候变化联合声明》 中提出的减排目标，即承诺于2030年实现碳排放达峰，并将届时的非化石能源份额将提高到20%；同时，中国还与法国发表了雄心勃勃的《中法元首气候变化联合声明》。作为经济和排放大国，且曾经明确表示退出《京都议定书》 的美国此番参会也展示了积极的态度，其承诺将2025年的温室气体排放较2005年减少28%。尽管巴黎气候大会对减排方案的法律效力、资金兑现时间和方案、技术转移路线等具体问题并没有给出明确的解决办法，但其仍然是未来各方继续开展良性循环谈判的一个良好开端，为全球各国*终妥善应对气候变化问题打下了坚实的基础。
1.2 能源消费与碳排放形势
近10年全球经济总量实现翻番增长，2000年，世界生产总值(GWP)为32.3万亿美元，而2011年，这一数值已增至近70万亿美元，累积增长超过100% (当年价计算)；2014年，GWP达到77.3万亿美元。 全球经济快速增长是以能源，尤其是以含碳化石能源的大量消耗为依托的，BP(2012) 的统计数据显示，2000~2010年10年间的平均能源消费增长率达到2.5%，消费总量从2000 年的93.6 亿toe 增长到2011年的122.7亿toe。 **的数据显示，2014年全球的一次能源消费总量已升至129.28亿toe (BP，2015)。其中，化石能源仍然在能源消费中占据**地位，其消费份额始终稳定在86.5%以上。
从图1-3可以看出，煤炭仍然是化石能源消费的主力，其全球总消费量从2000年的23.7亿toe增长至2011年的37.2亿toe，累积增长约57%。此外，煤炭在化石能源消费中的比重呈上升趋势，2000年时，煤炭占总化石能源消费的份额为29.2%，2011年时，这一份额增长至34.8%。煤炭是含碳成分相对较高的能源品种，其消费份额的升高在很大程度上影响了全球CO2排放量的上升速度。近5年的能源消费总量和构成基本延续了2000~2011年的基本态势(图1-3)。
化石能源的大量消耗必然会造成以CO2为主体的温室气体排放的迅速增加。人为CO2的持续排放会显著增加大气中温室气体的浓度，而后者被广泛认为是引起全球气候变暖的主要元凶。正如AR5 所指出，20 世纪中叶以来的大部分已观测到的全球平均温度升高“极可能” 是由于观测到的人为温室气体浓度增加所导致的，因此，“人类活动的净影响是1750年以来引起全球变暖的原因之一”这一的论点的可信度越来越高。
事实上，随着节能技术的发展以及能源效率的改进，2000年以来全球单位生产总值的能源消耗(能源强度) 和CO2排放(碳强度) 均有所下降，其中能源强度从2000年的0.29kgoe/美元下降到2011年的0.18kgoe/美元(按当年价计算)，而碳强度则相应地从0.79kgCO2/美元下降到0.49kgCO2/美元，下降幅度达到38.2%。到2014年，碳强度和能源强度进一步分别降至0.456kgCO2/美元和0.166kgoe/美元(图1-4)。近10年(2005
世界气象组织( WMO) 的**报告显示，2014年全球温室气体浓度创有记录以来的新高，CO2的平均浓度接近400ppmv关口，北半球浓度甚至短暂突破了这一界线；同时，另外两种主要温室气体( CH4和N2O) 的浓度增速也为近十年之*( WMO，2015)。WMO估计，这些主要温室气体浓度指标当前至少处在80万年以来的**点。 据此看，人类面临的气候灾害风险正以前所未有的速度逼近临界线，而留给我们的减排“观望”时间已越来越少。本章首先围绕温升幅度、冰盖面积以及海平面变化等指标总结**的气候变化事实，特别梳理20世纪90年代以来人类为迎接气候变化挑战所作出的努力；随后，分析近些年来全球能源消费和碳排放结构的演变特征，解析新形势下的能源结构与碳排放结构演变间的关系；*后介绍减排背景下全球能源技术低碳化趋势，尤其关注非水电可再生能源技术的发展状况。
随着全球气候变化形势的日趋严峻，人类面临的温室气体减排挑战也越来越艰巨。 正如Peters等(2013)所言，若不立即采取切实有效的减排措施，2℃的温控目标实际上已变得难以实现。 幸运的是，各国已充分意识到了通过人为干预来防止可能的气候损害的重要性，并就碳减排问题达成基本共识，且开展了一系列行动积极应对来自气候变化的挑战，尽管这些行动的力度仍有待加强。
1.1 应对全球气候变化挑战
全球变暖问题以其成因的复杂性、影响的广泛性、潜在危害的严重性和不可逆性，以及排放控制的全球合作性等特点正日益成为举世关注的焦点。政府间气候变化专门委员会(IPCC)《第五次全球气候变化综合评估报告》(AR5)延续了以往的科学论断，即全球变暖极有可能由人类活动排放的温室气体导致，并将这种可能性进一步由《第四次全球气候变化综合评估报告》(AR4) 的90%提高至95% (IPCC，2014)。 尽管局部地区的自然变异和天气波动证据使得“人为大量排放二氧化碳(CO2)是造成全球气候变暖的罪魁祸首”的论点仍饱受争议，但无可否认的是，全球平均气温升高、冰雪消融加速、海平面上升以及**气候频繁等现象有力佐证了全球气候变暖的事实。**的研究成果表明: 当前的大气CO2浓度已超过400ppmv，若未来的人为温室气体(GHGs)排放延续这一速度，到21世纪末，全球平均温度将升高4℃，这将导致地球近1/6的物种面临灭绝(Urban，2015)。
IPCC通过1990年、1995年、2001年、2007年和2014年总共五次全球气候变化综合评估报告积累了大量有关气候变化存在、诱因及相关影响的数据和资料。 全球地表温度监测资料显示，1906~2005 年的100年间，全球温度升高的线性趋势为0.74℃，且在1956~2005 年的50年间以每10年0.13℃的速度升高。 此外，与其他地区相比，高纬度的北半球地区的升温速度较快，约为全球平均升温速度的2倍(IPCC，2007a)。温度升高的直接后果就是导致极地冰雪消融加速并*终引起海平面上升。IPCC(2007a) 的评估结果还显示，1961~2003年的40 多年里，全球海平面的平均上升速率达到1.8mm/年，而1993~2003 年10年间的平均上升速率更高，达到3.1mm/年。此外，世界气象组织(WMO) **发布的《全球大气监测年度报告2010》也指出，1990~2009年人为排放量增长了27.5%，这使得2009年监测的全球温室气体浓度打破了有记录以来的**水平，这一监测结果进一步印证了IPCC评估报告所作的预测。
较之AR4，AR5展示了更多有关大气圈和冰冻圈正在变暖的证据。1880~2012年，全球平均地表温度升高幅度达0.85℃，且其中的0.12℃升温发生在1951 ~2012年的60余年内，这一变暖速度是1880年以来升温速率的近两倍。2002~2011年，南极冰雪覆盖面积每年减少1470 亿吨，而格陵兰冰盖的冰储量则以每年2150亿t的速度缩减。冰雪消融引起了海平面的显著上升，1901~2010年，全球海平面以每年1.7mm的速度上升，100多年里海平面累积升高了约0.19m；近年来，海平面上升速率在不断提高，统计数据显示，1993 ~2010年全球海平面平均上升速率达到了3.2mm/年(图1-1)。 为此，联合国再次警告，如果人类不采取切实有效的减排行动，地球恐将面临潜在的灾难性后果。
图1-1 1850~2012年全球气候变化形势: 多指标展示
气候变化问题之所以是一个全球性问题，主要由于它具有以下两个特点: 首先，人为温室气体排放作为引起气候变化*可能的原因，其来源具有全球性。 无论是哪国的排放*终都将汇入人类公共且独有的大气空间，不同来源的温室气体排放累积*终会导致大气中温室气体浓度上升，继而演变成为影响人类生存环境的温室效应。 其次，气候灾难一旦发生，其影响波及全球。气候变暖会引起海平面上升，增加飓风、海啸等**气候事件出现的频率，改变区域降水分布和地质环境，从而影响整个地球生态系统。 气候变化还可能对农业造成重大影响，包括对粮食、饮水等人类赖以生存的物质条件的影响。 而这些影响都具有明显的外部性，一旦气候灾难发生，世界各国将无一能够幸免。 因此，气候变化的全球性特点决定了解决气候变化问题需全球合作和共同努力。
为减缓和适应气候变化对人类生存环境的可能影响，人类从意识到全球变暖问题开始便作出了积极的努力。1988年IPCC成立宣告人类应对气候变化的行动正式开始。1990年，IPCC发布了首份气候变化综合评估报告，报告对可能发生的气候变化问题进行了科学、系统地总结，主要目的在于提高各国对气候变化问题严重程度的认识。 随后，《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)的制定为全球合作应对气候变化和减少CO2排放提供了相对公平和统一的谈判平台。 该公约不仅确立了“共同但有区别的责任” 等五个基本原则，同时还提出了三种灵活的合作减排机制，即联合履约机制(JI)、排放贸易机制(ET) 和清洁发展机制(CDM)，《联合国气候变化框架公约》 的制定为全球更深层次的合作减排以及随后《京都议定书》 的签订铺平了道路。1997年《京都议定书》 的签订被广泛认为是人类应对全球气候挑战的里程碑。 针对发达国家历史累计排放较高的现状，《京都议定书》规定了发达国家温室气体减排的长期目标，即要求发达国家2011年的温室气体排放量较1990 年下降5.2%，且为各个发达国家设定了具体的温室气体排放控制目标。 该议定书自2005 年开始正式生效。 进入21世纪以来，世界各国普遍加快了合作应对气候变化挑战的步伐，从2007 年《巴厘路线图》 的签订到2010年坎昆气候大会的召开，再到2012年的多哈气候谈判，以及2015年召开的巴黎气候会议，无不显示了人类应对气候变化的决心和努力(图1-2)。
图1-2 全球应对气候变化行动历程
除了积极参加气候变化国际谈判外，各国还制定了具体的温室气体减排目标。 2009年12月，UNFCCC 第15次缔约方会议(COP15) 在丹麦首都哥本哈根召开，与会各方通过谈判*终达成了《哥本哈根协议》，协议要求各国于2010年1月31日前向UNFCCC 秘书处提交其2020 年减排目标，包括发达国家的强制性减排约束和发展中国家的自主减排计划，尽管这些减排约束或计划并未形成*终的法律约束力，但却充分表现了各国积极参与合作减排的态度和意愿。据UNFCCC秘书处统计，自哥本哈根会议结束以来，共有35个工业化国家和20个发展中国家提交了控制温室气体排放的中期目标。其中，挪威承诺到2020 年温室气体排放量将在1990年的基础上减少30% ~40%，其承诺减排幅度居各国之首；俄罗斯承诺2020年前将温室气体排放量在1990年的基础上减少25%；而美国也承诺了2020年温室气体排放量较2005年减少17%的减排目标，这一目标约相当于在1990年的基础上减少4%。此外，中国、南非、印度尼西亚、巴西和印度等发展中国家也提出了各自的减排计划，例如: 我国承诺到2020年单位GDP二氧化碳排放量将较2005年降低40% ~45%，而巴西则表示到2020年将其温室气体排放量在预期基础上减少36.1% ~38.9%。
2015年是全球气候变化谈判取得重要进展的一年，全球近200个国家在法国巴黎共同就气候变化和温室气体减排问题展开国际谈判。 所有缔约方一致同意通过《巴黎协定》，协定指出: 各方将围绕减缓、适应、损失损害、资金、技术以及能力建设等目标加强对气候变化威胁的联合应对，力争将全球升温幅度控制在2℃以内，并为把升温控制在1.5℃之内而努力。为此，全球须尽快实现排放达峰，并于21世纪下半叶达到温室气体近零排放。 会上90%以上的缔约方向UNFCCC提交自主贡献减排方案是此次巴黎气候谈判*大的亮点，中国在气候谈判过程中一如既往地发挥了积极的作用，不仅重申了早先在《中美气候变化联合声明》 中提出的减排目标，即承诺于2030年实现碳排放达峰，并将届时的非化石能源份额将提高到20%；同时，中国还与法国发表了雄心勃勃的《中法元首气候变化联合声明》。作为经济和排放大国，且曾经明确表示退出《京都议定书》 的美国此番参会也展示了积极的态度，其承诺将2025年的温室气体排放较2005年减少28%。尽管巴黎气候大会对减排方案的法律效力、资金兑现时间和方案、技术转移路线等具体问题并没有给出明确的解决办法，但其仍然是未来各方继续开展良性循环谈判的一个良好开端，为全球各国*终妥善应对气候变化问题打下了坚实的基础。
1.2 能源消费与碳排放形势
近10年全球经济总量实现翻番增长，2000年，世界生产总值(GWP)为32.3万亿美元，而2011年，这一数值已增至近70万亿美元，累积增长超过100% (当年价计算)；2014年，GWP达到77.3万亿美元。 全球经济快速增长是以能源，尤其是以含碳化石能源的大量消耗为依托的，BP(2012) 的统计数据显示，2000~2010年10年间的平均能源消费增长率达到2.5%，消费总量从2000 年的93.6 亿toe 增长到2011年的122.7亿toe。 **的数据显示，2014年全球的一次能源消费总量已升至129.28亿toe (BP，2015)。其中，化石能源仍然在能源消费中占据**地位，其消费份额始终稳定在86.5%以上。
从图1-3可以看出，煤炭仍然是化石能源消费的主力，其全球总消费量从2000年的23.7亿toe增长至2011年的37.2亿toe，累积增长约57%。此外，煤炭在化石能源消费中的比重呈上升趋势，2000年时，煤炭占总化石能源消费的份额为29.2%，2011年时，这一份额增长至34.8%。煤炭是含碳成分相对较高的能源品种，其消费份额的升高在很大程度上影响了全球CO2排放量的上升速度。近5年的能源消费总量和构成基本延续了2000~2011年的基本态势(图1-3)。
化石能源的大量消耗必然会造成以CO2为主体的温室气体排放的迅速增加。人为CO2的持续排放会显著增加大气中温室气体的浓度，而后者被广泛认为是引起全球气候变暖的主要元凶。正如AR5 所指出，20 世纪中叶以来的大部分已观测到的全球平均温度升高“极可能” 是由于观测到的人为温室气体浓度增加所导致的，因此，“人类活动的净影响是1750年以来引起全球变暖的原因之一”这一的论点的可信度越来越高。
事实上，随着节能技术的发展以及能源效率的改进，2000年以来全球单位生产总值的能源消耗(能源强度) 和CO2排放(碳强度) 均有所下降，其中能源强度从2000年的0.29kgoe/美元下降到2011年的0.18kgoe/美元(按当年价计算)，而碳强度则相应地从0.79kgCO2/美元下降到0.49kgCO2/美元，下降幅度达到38.2%。到2014年，碳强度和能源强度进一步分别降至0.456kgCO2/美元和0.166kgoe/美元(图1-4)。近10年(2005
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