全球能源基础设施数据库建设及2019-2021年碳锁定核算-清华大学.pdf

全球能源基础设施数据库建设及 2019 - 2021 年碳锁定核算 Development of Global Energy Infrastructure Emissions Database (GID) and Assessment of 2019 -2021 Committed Emissions Development of Global Energy Infrastructure Emissions Database (GID) and Assessment of 2019-2021 Committed Emissions 清华大学 202 3 .3 .28 Tsinghua University March 28 , 202 3 1 目录 一、项目背景 . 3 二、项目目标及主要任务 . 5 三、方法学简介 . 8 3.1 全球能源基础设施基础信息数据库构建 8 3.2 碳排放动态表征 8 3.3 碳锁定效应核算 9 四、项目研究进展 10 4.1 全球重点行业能源基础设施建设发展现状 . 10 4.1.1 电力行业 . 10 4.1.2 钢铁行业 . 21 4.1.3 水泥行业 . 24 4.1.4 道路交通行业 . 29 4.1.5 炼油行业 . 31 4.2 全球能源基础设施碳排放变化 . 34 4.2.1 电力行业 . 34 4.2.2 钢铁行业 . 39 4.2.3 水泥行业 . 42 4.2.4 道路交通行业 . 46 4.2.5 炼油行业 . 49 4.3 全球能源基础设施碳排放锁定效应 . 51 4.3.1 2021 年能源基础设施碳排放锁定效应 51 4.3.2 2019 - 2021 年碳排放锁定效应变化趋势 . 54 4.3.3 2021 年能源基础设施锁定碳排放对全球气候目标的威胁 57 4.3.4 2021 年全球碳排放锁定效应的敏感性分析 58 4.4 中国能源基础设施发展及碳排放锁定效应 . 60 4.4.1 能源基础设施时空演变及现状 . 61 4.4.2 碳锁定演变及低碳转型挑战 . 67 4.4.3 落后产能淘汰及其碳锁定解除 . 78 2 4.4.4 解除 “碳锁定 ”：迈向碳中和 . 79 4.5 “ 一带一路 ”沿线国家能源基础设施碳排放锁定效应与绿色共建机遇 . 82 4.5.1 “ 一带一路 ”沿线国家发展概况 . 82 4.5.2 主要能源基础设施发展情况 . 84 4.5.3 能源基础设施碳排放演变 100 4.5.4 能源基础设施碳锁定效应 110 4.5.5 “ 一带一路 ”绿色共建挑战与机遇 114 五、项目研究展望 . 118 参考文献 . 120 3 一、项目背景 能源基础设施是当今人类社会生产和消费能源的基本载体，是国民经济和社 会生产发展的重要基石；但同时其也是化石燃料燃烧利用和二氧化碳等温室气体 排放的基本单元，其发展和变化对气候环境产生重要影响。自工业化时代以来， 为满足日益增长的能源需求和产品需求，全球能源基础设施规模不断扩张，碳排 放量持续攀升。近十年来，尽管基于风光资源等的新能源基础设施取得突破性发 展，大量以传统化石燃料为动力的能源基础设施仍在不断新建、投运和规划，全 球气候治理和碳减排仍充满挑战。因此，理解能源基础设施历史发展规律、追踪 其最新变化发展是当前进行气 候决策和治理的重要科学基础。 根据联合国政府间气候变化专门委员会（ IPCC）发布的第六次评估报告 （ AR6 ）， 2011 -2020 年间全球地表平均温度相较 1850 -1900 年已上升 1.09℃， 全球温升与人为二氧化碳排放累积量之间的准线性关系再次得到系统验证和评 估 （ IPCC, 2021） 。最新测算显示，自 2020 年起，为实现 1.5℃全球温控目标全 球碳排放预算（ Carbon Budget ）仅剩余 4000 -5000 亿吨二氧化碳（ 50% -67%执行 区间），即使在 2℃温控目标下，碳预算亦不足 15000 亿吨（ 11500 -13500 亿吨）。 然而仅在 2020 -2021 年间，人类活动合计释放近 700 亿吨二氧化碳，碳预算空间 正以惊人的速度缩减。同时，世界多地化石能源基础设施新建仍然活跃，其服役 时间可长达几十年，考虑建设成本和就业等因素其一旦建成投产短时间内难以停 产或退役，因此将在未来一定时间内不断产生二氧化碳排放，即产生了碳排放锁 定效应（图 1-1）。定量理解碳排放锁定效应的变化，进而设计和实行相应的“解 锁”方案，是实现全球温控目标的重要举措。 4 图 1-1 碳排放锁定效应概念图 2020 年全球范围新冠疫情爆发 ， 而 风电和 光伏等新能源产业 逆势增长 再创 新高 , 显著放缓了 主要 化石能源基础设施建设 ，后疫情时代“绿色复苏”一时备 受期待。但是， 2021 年新兴经济体能源基础设施扩张迅速重启，全球碳排放快速 反弹，大量经济复苏资金仍然流向化石能源项目 （ O’Callaghan and Murdock, 2021 ） ， 后疫情时代的能源基础设施发展是否“绿色”、碳排放及其锁定效应能否得到减 缓仍存在巨大变数。因此，本项目依托全球能源基础设施排放数据库（ Global Energy Infrastructure Emissions Database ，简称 GID）中超过十万个能源基础设施 信息，从理解全球电力、钢铁、水泥 、 道路交通 和炼油 等重点行业能源基础设施 历史变化出发，聚焦最新（ 2019 -2021 年）设施新建和退役情况，分析其近年碳 排放变化趋势，并更新全球能源基础设施碳锁定效应核算结果，为科学评估和政 策决策提供及时的科学支撑。 5 二、项目目标及主要任务 由能源基金会、清华大学碳中和研究院和 清华大学全球变化研究院 等机构支 持，《全球能源基础设施锁定效应》系列项目旨在以单个设施为研究对象，建立 从设施层面追踪全球能源基础设施发展、排放和锁定效应的新方法，进而识别能 源基础设施在低碳转型过程中面临的主要挑战并提出治理思路。具体包括但不限 于 以下几个方面 ：构建并持续更新全球能源基础设施排放数据库（ GID）， 逐步 拓展行业覆盖， 追踪全球能源基础设施发展及其碳排放动态变化；逐年更新全球 能源基础设施碳排放锁定效应核算，及时评估其与碳预算空间的动态关系，揭示 最新气候威胁；聚焦中国和“一带一路”国家能源基础设施发展和碳锁定效应变 化，为新兴经济体低碳转型进程提供科学支撑。 第一期项目《全球能源基础设施锁定效应 2019 -2020 》顺利完成了任务目标， 为后续 的研究和拓展奠定了坚实基础。项目 初步构建了覆盖火电、钢铁和水泥等 重点行业和道路交通部门的全球能源基础设施排放数据库（ GID），并更新至 2020 年；基于 GID数据库，追踪近 30 年全球重点行业能源基础设施设备级碳排放并 揭示其变化驱动因素；更新 2019 -2020 年全球能源基础设施碳排放锁定效应核算， 分析其与《巴黎协定》气候目标下碳预算空间的最新动态关系；聚焦中国和“一 带一路”新兴经济体能源基础设施发展，针对其设施扩张特征和碳排放演变等开 展细致研究。第一期项目成果以《全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 》 报告形式公开发布，在科学界和相关行业 取得较好反响。 通过第一期项目工作，项目团队深刻认识到 全球能源基础设施发展的动态特 征和时空异质性，由此显著影响其碳排放和锁定效应最新变化，因此每年及时追 踪其发展动向、定量其排放水平并更新锁定效应核算具有重要的科学和政策指导 意义； 需要进一步拓展行业覆盖，开发石化和化工等高碳行业的排放数据库，从 而更全面深入的追踪能源基础设施发展； 面向 各行业差异化的短期和中长期潜在 低碳转型路径，应当 考虑 更多行业“个性化” 的 未来情景以更全面的量化 其 锁定 效应 ；针对众多新兴经济体，可更深入开展重点国家调研，结合资源禀赋、产业 6 结构和社会形态等国家本地化特征进行细致的能源基础设施研究分析，提供更符 合其国情和发展需要的低碳转型建议。 第二期项目《全球能源基础设施锁定效应 2019 -2021 》拟基于第一期项目建 立的数据基础和技术方法，拓展和更新相关研究结果，并针对上述问题开展更为 细致深入的研究。 本项目拟通过大数据挖掘等方式收集海量 最新 能源基础设施关 键信息（ 设施新建和退役、 生产规模、地理位置等）， 完善已建立的 火电、钢铁、 水泥等重点行业 设备级排放动态表征模型，将 全球能源基础 设施 排放 数据库 更新 至 2021 年 ，揭示能源基础设施发展 及其碳排放 最新动态 ；同时， 通过多源大数 据融合等方法 构建全新的全球炼油厂排放数据库，扩充行业类型并开展相应分析 。 基于 最新 数据库设备级信息，更新 2019 -2021 年全球能源基础设施碳排放锁定效 应核算结果，以《巴黎协定》温控目标 和 IPCC AR 6最新碳排放预算 为重要指标， 分析全球能源低碳转型和气候治理的挑战和机遇。进一步聚焦中国和“一带一路” 国家等新兴经济体，重点分析其近年来能源基础设施发展情况并评估其碳排放锁 定效应，为新兴经济体协调短期经济发展与长期气候目标提 供科学支撑和政策建 议。 本项目包括三个主要任务。第一，全球能源基础设施数据库建设： 一方面， 拓展 GID行业覆盖，初步建立 2000 -2018 年全球炼油厂排放数据库，并对全球炼 油行业能源基础设施发展及碳排放变化展开分析；另一方面， 由于 2021 年后疫 情时代 电力、钢铁、水泥等行业发展 逐步复苏 ， 本项目在 已有的 2019 -2020 年 数 据库 基础上更新了 2021 年 能源基础设施发展的最新变化，并重点对比分析全球 疫情前和疫情后的能源基础设施建设变化趋势以及影响因素 。此外， 构建 1990 - 2021 年长时间序列的 火电 行业基础信息数据库 和 拟建 电厂基础信息数据库 ，并 分析重点国家和区域的技术变化等特征。第二， 2019 -2021 年全球能源基础设施 碳锁定效应核算：在已有 2019 -2020 年核算基础上，将全球在运行和已规划能源 基础设施碳锁定效应核算更新至 2021 年并进行区域和行业尺度分析；根据《巴 黎协定》的 1.5℃和 2℃温升目标及 IPCC最新碳排放预算估计，比对分析不同目 标下碳锁定效应与 碳排放预算的关系，量化服役寿命等不同因素的敏感性。第三， 中国和新兴经济体碳锁定效应核算。具体任务包括： 对 中国省级尺度能源基础设 7 施碳锁定效应分省和行业尺度分析，进一步量化探究不同能源基础设施退役路径 等对中国碳锁定效应的影响；对“一带一路”新兴经济体 2019 -2021 年碳锁定效 应进行核算并分析其变化特征，综合考虑其未来发展和气候治理提供相应科学政 策建议。 8 三、方法学 简介 3.1 全球能源基础设施 基础信息 数据库 构建 项目团队 针对 火电 、钢铁 、水泥 等重点行业能源基础设施开展大数据挖掘， 融合行业全球设备级基础信息数 据库（如 WEPP数据库）、非政府组织（ NGO） 数据库、重点国家高精度本地数据库（如美国 eGRID数据库）和国家污染源清 单等 多源 异构数据， 获得覆盖全球电力、水泥 、 钢铁行业十万多个产耗能设施的 基础信息数据库，包含设备级 地理位置、投运和关闭时间、生产技术和产能等 关 键 信息 。 其中，重点 建立 1990 -2021 年长时间序列电力行业基础信息数据库 和拟 建电厂基础信息数据库 ，覆盖 已有、 在建、拟建和已批准建设的各类 电力 能源基 础设施的 基础信息。 在第一期数据库建设基础上 （ Qin et al., 2022; Chen et al., 2022 , Xu et al., 2022 ） ， 项目团队利用最新全球数据库（如 USGS数据库 ） 和国际组织 报告，梳理、整合、校验设备级新建和退役信息， 将 火电、钢铁、水泥行业 数据 库及时更新 至 2021 年 。 项目团队针对炼油行业， 初步建立 2000 -2018 年全球工厂级 基础信息数据库 。 团队融合 GlobalData 和 Enerdatabas e两大数据库，获取全球炼油厂名称、运营商 和地理信息等关键基础数据，再结合 Industryabout 数据库、 OpenStreet 地图 和 A Barrel Full 数据库等补充 缺失的 产能、投产和退役时间、经纬度等信息 （ Le i et al., 202 1） 。通过多源数据融合，最终构建包括 2000 -2018 年间约 1000 个炼油厂的 全球基础信息数据库，包括所有权信息、地理位置数据 、投产和退役时间、运行 状态、产能等工厂级数据， 覆盖 24种 工艺单元和轻度加氢型等 10 种配置类型。 3. 2 碳排放 动态表征 基于 上述 设备或工厂 级 基础 信息， 项目团队 进一步收集各区域 设备或工厂 级 产能利用率 等 数据，并以国际能源署 （ IEA） 能源消费数据和多源产品产量数据 为约束 （ IEA , 2022; USGS, 2022） ，通过考虑产能规模、技术类型和能效差异等 多种因素的数据建模估计逐 设备或工厂 的能源消费数据。道路交通部门的活动水 平基于使用多源保有量数据、 Gompertz方程和机动车存活曲线等建立的全球车