中国环境科学ChinaEnvironmentalScienceISSN1000-6923,CN11-2201/X《中国环境科学》网络首发论文题目：双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例作者：许鸿伟，汪鹏，任松彦，林泽伟，张聪，赵黛青DOI：10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20211112.010网络首发日期：2021-11-15引用格式：许鸿伟，汪鹏，任松彦，林泽伟，张聪，赵黛青．双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例[J/OL]．中国环境科学.https://doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20211112.010网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。中国环境科学2021,21(2)ChinaEnvironmentalScience1双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例许鸿伟1,2,3,4,5,汪鹏1,2,3,任松彦1,2,3,林泽伟1,2,3,张聪1,2,3,赵黛青1,2,3(1.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广东广州510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东广州510640；4.中国科学院大学，北京100049；5.广东省环境科学研究院，广东广州510045)摘要：为评估双碳目标路径实现对产业部门变化的影响，本研究通过构建粤港澳大湾区动态CGE模型，设计基准情景、碳中和情景和强化碳中和情景，评估双碳目标约束下电力系统转型对不同等级电力依赖产业微观及宏观影响。结果表明：（1）相比基准情景，碳中和情景电力部门2045年实现零碳电力对大湾区经济发展和外购电占比带来一定程度影响，双碳限制作用将促进2050年能源消耗总量和碳排放量分别降低8.9%、67%，导致外购电力占比提高11%和GDP总量损失3.9%，但各产业部门的电能替代性、碳减排贡献性和增加值柔韧性存在差异，其中高等电力依赖部门电能替代性和碳减排潜力较小，同时经济受影响最小，每部门增加值损失约790亿元；中等电力和低等电力依赖部门的碳减排贡献较大，单个部门碳减排空间在400-700万吨之间，每个部门平均经济损失在1000-3200亿元之间，经济发展受限较大，应推动向高电气化部门和清洁能源替代方向调整。（2）相比碳中和情景，强化碳中和情景电力部门2040年更早实现零碳，绿电增长有利于湾区加强电力供应安全性和社会经济增长，2050年外购电力占比降低11%，促进GDP增长1.5%，增长来自电力部门和中高等电力依赖产业部门，同时促进各等级电力依赖部门电气化率提升。本研究定量评估了双碳目标下产业部门的正负影响程度及对宏观经济的促进作用，为政府制订产业低碳转型政策和设计碳中和路径提供参考依据。关键词：粤港澳大湾区；混合动态CGE；电力系统转型；双碳目标；产业部门中图分类号：X321文献标识码：AImpactassessmentofpowersystemtransitiononindustrialsectorsunderdualcarbontargets--TaketheGreaterBayAreaasanexampleXUHong-Wei1,2,3,4，5,WANGPeng1,2,3,RENSong-Yan1,2,3,LINZe-Wei1,2,3,ZHANGCong1,2,3,ZHAODai-Qing1,2,3(1GuangzhouInstituteofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China;2KeyLaboratoryofRenewableEnergy,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China;3GuangdongProvincialKeyLaboratoryofNewandRenewableEnergyResearchandDevelopment,Guangzhou510640China;4UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;5GuangdongAcademyofEnvironmentalSciences,Guangzhou510045China)Abstract：Inordertoevaluatetheimpactoftherealizationofthedualcarbontargetpathonthechangeofindustrialsectors,thisstudyconstructedadynamicCGEmodeloftheGuangdong-HongKong-MacaoGreaterBayAreaanddesignedbaselinescenarios,carbonneutralizationscenariosandenhancedcarbonneutralizationscenariostoevaluatethemicroandmacroimpactsofthepowersystemtransformationondifferentlevelsofpower-dependentindustriesundertheconstraintsofthedualcarbontarget.Theresultsshowthat:(1)Comparedwiththebaselinescenario,therealizationofzero-carbonelectricityinthecarbon-neutralpowersectorin2045willhaveacertainimpactontheeconomicdevelopmentoftheGreaterBayAreaandtheproportionofoutsourcedpowertosomeextent.Dualcarbonconstraintswillpromotethereductionoftotalenergyconsumptionandcarbonemissionsby8.9%and67%respectivelyin2050,resultinginan11%increaseintheproportionofoutsourcedpoweranda3.9%lossintotalGDP.However,therearedifferencesinelectricenergysubstitution,carbonemissionreductioncontributionandaddedvalueflexibilityamongdifferentindustrialsectors.Amongthem,theenergysubstitutionandcarbonemissionreductionpotentialofthehighpowerdependentsectorissmaller,andtheeconomyisleastaffected,withtheaddedvaluelossofeachsectorofabout79billionyuan.Mediumandlowpowerdependentsectorshaveagreatercontributiontocarbonemissionreduction,withthespaceforcarbonemissionreductioninasinglesectorrangingfrom4millionto7milliontons,andtheaverageeconomiclossineachsectorrangingDOI：10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20211112.010网络首发时间：2021-11-1516:02:45网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2201.X.20211112.2027.020.html2中国环境科学21卷2from100billionto320billionyuan.Therefore,economicdevelopmentisgreatlylimited,andadjustmentshouldbepromotedtohighelectrificationsectorsandcleanenergyalternatives.(2)Comparedwiththecarbonneutralscenario,thepowersectorintheenhancedcarbonneutralscenariowillrealizezerocarbonearlierin2040.ThegrowthofgreenelectricityisconducivetostrengtheningthesecurityofpowersupplyandsocialandeconomicgrowthintheBayArea.In2050,theproportionofoutsourcedpowerwilldecreaseby11%,promotingtheGROWTHofGDPby1.5%,andthegrowthcomesfromthepowersectorandmiddleandhighpowerdependentindustries.Atthesametimetopromotetheelectrificationrateofalllevelsofelectricitydependentdepartments.Thisstudyquantitativelyevaluatesthepositiveandnegativeimpactsofindustrialsectorsunderthedualcarbontargetandtheirpromotingeffectsonthemacroeconomy,providingareferenceforthegovernmenttoformulatepoliciesforindustriallow-carbontransformationanddesigncarbonneutralpaths.Keywords：Guangdong-HongKong-MacaoGreaterBayArea;HybriddynamicCGEmodel;Powersystemtransition;Dualcarbontarget;Industrialsector基金项目：国家自然科学基金：基于经济-技术-空间集成能源模型研究（71603248）和广东科技计划：工业园区智慧能源管理系统关键技术研究（2017A050501060）责任作者,职称,E-mail：汪鹏，博士，研究员，主要研究方向为CGE模型、能源转型研究。E-mail：wangpeng@ms.giec.ac.cn。自双碳目标提出以后，全国各地积极推动产业部门低碳发展，电力部门作为主要碳排放来源部门，未来电力系统低碳转型将势在必行，然而双碳约束作用对电力结构以及产业部门经济发展将带来不同程度的影响。如何全面刻画双碳目标下的电力结构转变及其对宏观经济及产业部门的影响，使政策驱动的路径目标既达到电力系统清洁低碳、安全高效，又能最大程度降低对宏观GDP、产业部门协调发展和居民福利影响，需要系统地评估。本研究构建混合动态CGE模型并结合不同的发电技术，不仅能研究碳排放约束对发电政策影响，同时也深入刻画电力部门和其他产业部门的相互影响逻辑关系，从而评估双碳目标约束下电力系统转型对宏观经济及产业部门的影响，为粤港澳大湾区制定未来的电力低碳转型的宏观经济政策制定和微观产业部门调控提供重要的理论依据和量化支撑。1前言目前，中国对外积极承诺2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和。由于我国各地区整体资源禀赋不同、经济差距较大、产业特性及竞争力不同，政策实施之前往往选几个特定地区开展试点，总结试点成功经验后进行全国推行，以减少政策实施成本和风险。本研究以粤港澳大湾区为例，从战略层面看，粤港澳大湾区是开放程度最高、产业比较发达、经济承受能力较强的地区。对标国际湾区和面向世界科技创新前沿，大湾区人均GDP较高，无煤炭开采行业，能源对外依赖度较大，非化石能源占比较高，风电、光伏、核电等可再生能源和新能源生产制造基础雄厚，向低碳经济和产业转型优势明显，电力改革等体制机制逐步完善，理应在双碳目标政策实施上先行先试。从现实层面看，2017年粤港澳大湾区电力碳排放1.55亿吨，占粤港澳大湾区总碳排放40%，与全国碳排放结构相似，且据不同机构预测粤港澳大湾区2035年的电力需求量达到0.7~1亿千瓦时，应及早谋划和加快在粤港澳大湾区构建清洁、低碳、安全、高效的现代电力系统。因此，研究粤港澳大湾区电力系统低碳转型，助推湾区率先实现碳达峰碳中和目标，为建设富有活力和国际竞争力的一流湾区和世界级城市群提供坚强的能源保障，同时为全国各地区积极推动双碳目标的实现起到积极示范作用[1-2]。双碳目标的实现不仅需要能源供应侧的调整，也需要需求侧产业内能源消费结构的改变。推动碳达峰和碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，以供应侧电力系统主动调整是现阶段助力碳达峰目标的优先举措，但电力系统转型“牵一发而动全身”，将对全社会各产业部门带来较大的影响，在双碳目标约束下不仅激励电力系统低碳转6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例3型，而且碳目标约束下的碳价和电力系统转型后的电价变动将对产业部门带来双重叠加影响。因此，以粤港澳大湾区为例，量化评估双碳目标下电力系统低碳转型对产业部门的各种影响因素，以支撑大湾区双碳目标的实现。目前，针对电力系统低碳转型研究主要从电力结构优化和经济环境评估等方面开展。其中，电力结构优化层面上，现有电力结构优化研究层面主要以完成碳排放和能源结构政策指标为目标，满足产业部门的电力和碳减排需求，从电力行业的资源禀赋、可持续发展、清洁低碳角度考虑供给侧电力结构优化。如国家发改委能源研究所[3]研究既有政策情景和2℃情景下2050年非化石能源装机占比应分别达到90%和92%。清华大学气候变化与可持续发展研究院[4]研究给出了中国2050年2℃情景下非化石能源总装机将达53亿千瓦，非化石电力发电量占到90.4%。周孝信[5]通过国家能源发展战略目标来估算电力系统的转型目标，提出2030年装机总容量27亿千瓦，非化石电力发电量占比接近50%；2050年装机总容量50亿千瓦，非化石电力法电量占比达到78%，其中10%由核电供电，剩下70%左右由水电、风电、太阳能发电等可再生能源供给满足。张宁[6]等采用源—网—荷—储协调等新理论和现代分析决策新技术，研判中国能源和电力到2050年的转型发展趋势，给出了2030年和2050年陆上风电、光伏、气电、核电、水电、煤电等各类型发电的装机量。此类研究提出了碳约束下电力部门的低碳路径，但文献侧重在供给侧的电力部门转型，缺少对双碳约束下需求侧用电需求的调整反馈，以及较少考虑电力结构演变评估及双碳目标下零碳电力对需求侧产业部门的碳减排和增加值的影响。在经济环境评估层面上，现有CGE模型研究通常以部门碳减排和经济发展为指标，只单独考虑碳减排约束或电力转型对宏观经济层面的影响，如O’Ryan[7]等基于可计算一般均衡（CGE）模型，分析碳排放、碳强度、GDP和电价等指标，提出化石燃料向低碳可再生技术的过渡将减少二氧化碳排放量，且在不同可再生能源扩张情景下，2013年至2030年之间的电价将稳步下降并刺激GDP相对于基准情景有小幅增长。Yang[8]等基于CGE模型，分析一次能源消耗、发电结构和碳排放等指标，研究表明深度脱碳路径2030年的非化石能源消耗约为27％，且CO2可以在2030年之前达峰。Li等[9]建立动态可计算的一般均衡（CGE）模型，分析GDP、发电结构和碳排放等指标，研究表明可再生能源政策有助于减少碳排放和能源结构调整，但到2030年，每增加一个百分点的可再生能源发电量，GDP损失将增加约91.1亿元人民币。Mu[10]等构建结合了详细的可再生能源发电技术并考虑劳动力市场缺陷的可计算一般均衡（CGE）模型，分析可再生能源对就业的影响，研究表明太阳能光伏发电和风能发电每增加1亿千瓦时，将分别创造直接就业和间接就业机会45和15.8万人。此类文献缺少对详细不同发电技术的刻画，无法反映清洁和零碳电力作用下的供应侧发电结构调整对需求侧的影响，导致双碳约束下微观电力部门多种发电技术的结合对供应侧与需求侧影响的分析不足，及较难分析到2050年双碳目标约束下电力系统率先零碳转型对产业部门的传导以及供需相互影响下关键指标的变化。基于上述考虑，文章通过构建粤港澳大湾区CGE模型，设置基准情景、碳中和情景和强化碳中和情景，以外购电力占比、能源达峰、碳减排和GDP等宏观指标，以产业部门电力替代性、碳减排贡献性和增加值柔韧性等微观指标为评价标准，从能源-经济-环境三个维度进行系统性分析，研究不同发电结构转型到终端产业部门电气化率、碳减排及产业增加值的传导机制，评估碳限制作用下电力系统间接加速转型和电力系统主动深度转型对宏观社会及微观部门的影响，为粤港澳大湾区电力低碳转型的宏观政策制定和微观部门调控提供量化理论支撑。2模型方法2.1模型架构本研究以粤港澳大湾区2017年投入产出表为数据基础，结合能源平衡表和产业统计年鉴数据、2017年粤港澳大湾区发电技术装机量、发电结构、发电成本等数据，构建粤港澳大湾区混合动态CGE模型。模型由生产部门、居民部门、政府部门、国6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例4产出资源温室气体综合要素中间投入初始要素能源NE1...NEk电力化石能源资本劳动力土地煤炭油品天然气温室气体排放出口产出本地省际调出本地市场进口本地生产本地市场省际调入本地消费禀赋收入税收储蓄居民支出政府支出资本形成商品商品商品商品商品商品居民政府·税收支出模块市场模块收入模块生产模块图1模型架构Fig.1Modelarchitecture际部门以及省际贸易5个模板组成，模型架构如图1。混合CGE模型对技术成本的刻画与能源技术模型不同，如LEAP模型（Long-rangeEnergyAlternativesPlanningSystem）、MARKAL-EFOM系统综合模型（TheIntegratedMARKAL-EFOMSystem）等。本模型将电力部门细分为煤电、气电、核电和风电等7种技术部门，参考IanSueWing[11-12]将电力部门投入产出表细分为7个部门的技术投入产出表，并依据大湾区的各种电力技术与33部门构建投入产出关系，形成不同电力技术的原料投入、资本投入和劳动力投入等成本关联关系，进而通过各个技术投入产出构成刻画不同技术组合的成本和增加值情况，研究电力部门自身及对宏观经济和环境影响。各技术的生产函数与能源转化部门的生产函数相同，每一种技术都完全可以被另一种技术替代，电力输出几乎与能量输入呈线性关系。2.2电力部门与其他产业部门相互影响机理粤港澳大湾区动态CGE模型的核心机理是以人口、GDP等社会经济驱动因子确定各部门的各类能源服务需求，需求进一步驱动生产，价格影响产出。CGE模型模拟处于一般均衡态的经济系统，对某些变量进行一定程度的政策干扰，投资结构发生转变。当系统以生产者追求利润最大化和消费者追求效用最大化原则再次回到均衡态时，各类型能源消费量和能源价格发生改变，部门生产活动也跟随改变，进而影响全社会各部门增加值和碳排放量发生变化。其中，本研究主要采取了碳排放约束和电力系统转型两个政策，在此政策干扰下，电力部门通过生产供应电价影响其他产业部门的电力消耗需求量，而其他产业部门的电力消耗需求量的变化反过来会影响电力部门的生产供应电价，进而对各产业部门的生产和用能方式带来改变及投资结构的调整。3基础设置3.1数据整理投入产出表是构建社会核算矩阵（SAM）并用于CGE模型的部门间关系建模的重要数据来源。由2018年广东省统计年鉴[13]仅能获得珠三角9地市33个部门的总产值和增加值，以及居民消费支出、政府消费支出、资本形成、进出口、调入调出等总量值，无法收集到分部门细致数据。其中，珠三角9地市GDP值占广东省GDP值的80%，可近6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例5影响决定影响影响影响决定碳排放约束电量需求电力生产供应电价电力部门（电力供应结构）其他产业部门（能源消耗结构）政策干扰动态CGE模型外生变量：外部投资总量、投资结构、EEI效率参数等内生变量：能源价格、能源、GDP、污染物排放量能源系统重新平衡电力消费量改变电价改变化石能源消费量改变化石能源价格改变经济系统改变碳排放改变各部门投资结构发生转变图2模型机理Fig.2Mechanismofmodel似认为珠三角9地市投入产出表规律与广东省投入产出表规律一致，则珠三角9地市投入产出表中劳动力报酬、固定资产折旧、税收净额，以及居民消费支出、政府消费支出、资本形成额、进出口量、调入调出量等分部门值可按照珠三角9地市和广东省各类型总量值做比例放缩得到。香港澳门投入产出表由2015年投入产出表[14-15]按照2017年的分行业增加值缩放得到。然后对2017年广东省9地市投入产出和香港澳门投入产出表重新进行合并针对本研究进行部门重新划分，并用交叉熵法平衡构建2017年粤港澳大湾区SAM表。粤港澳大湾区33个部门的能耗量由珠三角9地市分部门能源平衡表[13]和香港澳门分部门能源平衡表[16-27]整理得到。其中，CGE模型中各个部门均以价值量为单位，而实际需求的能源消耗及CO2排放则是实物物理量的形式，需要根据当年能源平衡表中能源消费总量与当年能源消费价值量得出不同能源品种当年的平均能源价格，进而根据投出产出表和能源碳排放因子转换得到各个部门的能源消费量及二氧化碳排放量。而33部门的CO2排放由IPCC推荐方法[18]计算，即CO2排放量由化石能源使用量乘以碳排放系数，再乘以碳氧化率得到。3.2参数设置（1）GDP和人口增速设置：2017—2018年GDP增长速度和人口增长速度均按照2018—2019年《广东省统计年鉴》中广州、深圳、珠海、东莞、佛山、中山、江门、肇庆、惠州的统计年鉴、香港统计局网站、澳门统计局网站整理计算设置。2019—2050年粤港澳大湾区GDP增速参考《广东省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》[19]以及增速趋势设置，综合考虑了2020年疫情下经济的增速与新基建下未来的增速进行平均获得。2019—2030年粤港澳大湾区人口增速参考《广东省人口发展规划（2017—2030年）》[20]进行设置，2031—2050年人口增速依据2019—2030的增速趋势以及参考本课题组《粤港澳大湾区能源转型中长期情景研究》进行设置，参数结果如表1。6中国环境科学21卷6表1粤港澳大湾区GDP、人口增速设定值Table1GDPandpopulationgrowthvaluesoftheGBA年份2019—20202021—20252026—20302031—20352036—20402041—20452046—2050GDP增速7.0%6.5%6.0%5.5%5.0%4.5%4.0%人口增速2.0%2.0%1.0%1.0%0.5%0.5%-0.1%（2）发电量设置：①2017年各类型发电量设置：按照2018年《广东省统计年鉴》中广州、深圳、珠海、东莞、佛山、中山、江门、肇庆、惠州的统计年鉴、香港统计局网站、澳门统计局网站整理计算得到。②2018-2050年各类型发电量设置：参考现有政策[21-22]以及本课题前期研究结果，设置煤电发电量逐步从2017年3214万千瓦机组退役2032年的保底容量值，即1152万千瓦机组，年均发电量为518亿kW·h，随后逐步在2045年实现完全退役；气电发电量逐步上机供电，并考虑气电在现有规划下未来最大发电容量和广东明确规定未来不增添火电机组，设置气电逐步从2017年1931万千瓦机组增长到2038年的达峰容量值，即4292万千瓦机组，年均发电量为1931亿kW·h，随后逐步退役，到2050年仍然保持占本地发电量22%，年均发电量1323亿kW·h；本地发电总量2035年和2050年本地发电量总量依据往年增速趋势，以及参考本课题组《粤港澳大湾区能源转型中长期情景研究》[1]和南方电网能源发展研究院的《粤港澳大湾区能源规划研究》[23]进行设置；非化石发电量由本地发电总量减去化石电力发电量得到，如图3。图3电力结构Fig.3Powerstructure3.3情景设计为分别刻画粤港澳大湾区电力部门在现行节能减排政策、以及碳中和政策下被动加速转型和主动深度转型对宏观社会和产业部门的经济环境影响，本研究基于混合CGE模型设计基准情景、碳中和情景和强化碳中和情景，情景设置如表2。3.4部门归类为了更加简洁评估碳限制作用下电力系统被动加速转型和主动深度转型对宏观社会以及产业部门的能源、碳排放和增加值的影响。根据2017年粤港澳大湾区33个部门的能源消耗量特点及产业性质，简化归并成12个部门，进一步依据2017年各产业部门的电气化率水平归类为高、中、低等电力依赖部门，如图4。其中金属、机械制造、电子、服务业等4个部门分为高等电力依赖部门；纺织、造纸、石化、其他工业等4个部门分为中等电表2情景设置Table2ScenarioSettings情景描述电力结构设置碳限制设置基准情景考虑当前节能减排政策下电力部门能自由发展，对其他部门加以碳排放限制，分析具有最优电力速度发展组合的电力结构对微观部门和宏观社会未来经济环境的影响。如图3设置碳排放总量从2017年开始以年均0.9%速度增长到2025年4.48亿吨，然后以年均4.3%速度降低到2050年1.50亿吨碳中和情景基于电力结构和基准情景一致的前提下，考虑未来碳中和政策的影响，并根据全社会最优化分配原则对全部门加以碳限制。如图3设置碳排放总量从2017年开始以年均0.9%速度增长到2025年4.48亿吨，然后以年均8.4%速度降低到2050年0.50亿吨强化碳中和情景考虑碳中和情景下碳限制作用将导致化石能源电力减少，进而基于碳限制与碳中和情景一致的前提下，通过加大本地非化石电力发电量的方式对电力结构碳中和情景的碳限制导致煤电和气电发电量萎缩的空间由风电、核电和生物质发电及其他按2:3:5的比例进行填补碳限制设置与碳中和情景一致6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例7进行重构，以促进电力系统深度转型力依赖部门；农业、非金属和交通部门等3个部门分为低等电力依赖部门，电力部门设置为单独部门。图42017年12个部门的能源消耗情况Fig.4Energyconsumptionof12departmentsin20174结果分析4.1电力供应安全性分析相比基准情景，碳中和情景的煤电和气电等具有碳排放性质的发电技术均受到碳限制约束影响，湾区电力系统被动加速进行低碳转型。其中，碳中和情景的煤电发电量从2033年开始急剧下降，并在2035年提前实现完全退役；气电发电量由2038年达峰提前到2037年实现达峰，然后开始下降至2044年实现完全退役；风电、核电和生物质发电及其他等非化石清洁电力的发电量和基准情景一致，如图5A~C。碳中和情景下，电力部门本地煤电、气电生产供应量受限，推动本地电力价格上升，因外购电价格便宜，外购电大量涌入，推动电力供应曲线向下移动，导致电价降低。电价降低促进终端部门需求侧对电力需求量的增加，推动电力需求曲线向上移动，价格发生二次变动。价格的变化将导致电力供应曲线和电力需求相互变动，最终电力供应和需求侧相互影响和电价变化作用下，当CGE模型以最优化原则求解最优值，最终均衡电价Pn在P1和P2之间，电价相比基准情景降低，电力供给量相比基准情景增多，如图5D。因此，相比基准情景，碳中和情景社会供电量呈现增长趋势，如图5F。在本地电力供给侧受限情况下，全社会用电需求的增加主要依靠外购电力进行填充供给，外购电力占总供应电量的比例增加。2050年，碳中和情景的外购电量占比达到64%，相比基准情景提高11%，湾区内电力供应安全性降低，如图5G。相比基准情景，强化碳中和情景的煤电和气电也受到碳限制约束影响，但是该情景在碳中和情景的基础上进一步设置非化石电力发电量填补煤电和气电发电量受约束的空缺，以通过方式加大本地非化石电力发电量供给，促进电力系统深度低碳转型。由于非化石清洁电力的优先发电级别高于化石电力，在电力部门投资不变的情况下，当设置煤电和气电发电量空缺由非化石电力发电填补，非化石电力不能等量替代化石电力，出现非化石电力挤压化石电力效应。相比于碳中和情景，强化碳中和情景的煤电和气电发电量受到挤压效应将进一步减少，同时2043年后非化石电力发电量微小于设置值，如图5A~C。强化碳中和情景下，由于本地电力供给侧非化石电力增加，本地生产供应价格降低，外购电电力减少，推动电力供应曲线向上移动，导致电价升高。电价升高促进终端部门需求侧对电力需求量的减少，推动电力需求曲线向下移动，价格发生二次变动。初始价格的变化将导致电力供应曲线和电力需求相互变动，最终电力供应和需求侧相互影响和电价变化作用下，当CGE模型以最优化原则求解最优值，此时均衡电价Pm在P1和Pn之间，电价相比碳中和情景升高，电力供给量相比碳中和情景减少，如图5E。因此，碳中和情景的供电总量相比基准情景呈现增长趋势，但是相比碳中和情景呈现减少趋势，如图5.4F。加大本地非化石电力发电量的供给，促进湾区外购电力需求减少，外购电力占总供应电量的比例减少。2050年，强化碳中和情景的外购电量占比为53%，与基准情景一致，且相比碳中和情景降低了11%，湾区内电力供应安全性升高，如图5G。6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例8图5各类电力发电量、电价、发电量总量和外购电力占比变化曲线Fig.5Variationcurveofvarioustypesofelectricpowergeneration,price,totalamountofelectricitygenerationandproportionofpurchasedelectricity4.2部门电力替代性分析基准情景下，湾区终端部门电力消耗量呈现增长趋势，煤炭、石油、天然气和总量消耗量分别在2030、2026、2032、2032年达峰，达峰消耗量分别为0.46、0.94、0.24、2.47亿吨标煤，如图6A~E。碳中和情景下，在碳限制直接作用和电力系统被动加速转型的间接作用影响下，湾区终端部门电力消耗相比基准情景呈现增多趋势，煤炭、石油、天然气和总量消耗量分别在2027、2026、2030、2028年达峰，达峰消耗量分别为0.42、0.93、0.23、2.38亿吨标煤。其中，煤炭、天然气和终端能源消耗总量的达峰时间节点相比基准情景提前，而石油消耗量达峰时间节点和基准情景一致，但是石油达峰消耗量降低，如图6A~E。相比基准情景，2050年碳中和情景能源消耗总量降低8.9%。强化碳中和情景下，在碳限制直接作用和电力系统主动深度转型的间接作用影响下，煤炭、石油、天然气消耗量的变化量趋势和碳中和情景一致，中间过程有微小波动主要由于电力结构中非化石电力发电量无法完全填补化石电力空缺造成。而湾区终端部门电力消耗相比基准情景呈现增多趋势，但是相比碳中和情景呈现减少趋势。因此，相比碳中和情景，强化碳中和情景的能源消耗总量的变化主要来自电力消耗量的变化，且电力系统主动深度转型主要影响湾区电力消耗量，对化石能源消耗量几乎无影响，如图6A~E。相比碳中和情景，2050年强化碳中和情景能源消耗总量降低1.7%。6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例9图6煤油气电消耗量和能源消耗总量变化曲线Fig.6Changecurveofcoal,gas,electricityconsumptionandtotalenergyconsumption从2050年产业部门能源消耗量变化情况角度，分析碳中和情景和强化碳中和情景的部门电力替代性。碳中和情景下，基于全社会最优化分配原则对所有部门加以碳限制，但是各个部门受到碳限制作用的程度不一致。其中，服务业、电子、金属、机械制造等高等电力依赖部门的能源消耗主要依赖电力消耗，碳减排承担责任小，应当放松对该类部门的碳限制管理。相比基准情景，高等电力依赖部门的电力和化石能源消耗量均出现增长趋势，部门电气化率整体上反而呈现降低趋势，其中2050年部门电气化率平均降低1%，部门电力替代性较弱。纺织、造纸、石油化工、其他工业等中等电力依赖部门在碳限制作用下，部门碳减排承担责任大，部门电力和化石能源消耗量相比基准情景整体上出现减少趋势，部门电气化率提高，其中2050年部门电气化率平均提高13%，部门电力替代性好。低等电力依赖部门中农业部门碳减排承担责任小，电力和化石能源消耗量均出现增长趋势，部门电气化率有微量上涨；非金属和交通部门碳减排承担责任大，化石能源消耗量相比基准情景整体上出现减少趋势，但非金属部门电力消耗有所增长，导致交通部门电气化率上涨幅度较小，非金属部门电气化率上涨幅度较大，如图7A~B。强化碳中和情景下，电力部门主动往非化石电力方向进行深度转型，各个产业部门的化石能源消耗量基本不产生变化，但是电价的升高导致产业部门的电力消耗量降低，所有产业部门的电气化率均呈现下降趋势，2050年部门各类型电力依赖部门的电气化率平均降低0.8%，部门电力替代性均变差。从整体上来看，各类部门的电气化率下降趋势一致，其中高等电力依赖部门中的机械制造业部门和金属部门、中等电力依赖部门中的石油化工部门、低等电力依赖部门中的非金属部门的电力替代性较差，如图8A~B。10中国环境科学21卷10图7碳中和情景的各产业部门能源消耗量和电气化率变化Fig.7Changesinenergyconsumptionandelectrificationratesacrossindustrysectorsunderthecarbonneutralscenario图8强化碳中和情景的各产业部门能源消耗量和电气化率变化Fig.8Changesinenergyconsumptionandelectrificationratesacrossindustrysectorsunderenhancedcarbonneutralscenarios4.3部门碳减排贡献性分析基准情景下，受当前节能减排政策的影响，大湾区内部生产活动的碳排放将在2025年实现达峰，达峰碳排放量为4.48亿吨，然后碳排放开始逐年下降，到2050年仅剩1.5亿吨，如图9A。碳中和情景下，受更严碳限制作用的影响，大湾区内部生产活动的碳排放在2025年实现达峰，达峰碳排放量和基准情景一致，为4.48亿吨。2025年后湾区内部碳排放量下降幅度增大，到2050年湾区碳排放量仅剩0.50亿吨，相比基准情景降低67%，基本实现碳中和。相比2050年基准情景，碳中和情景湾区碳排放量的减少主要由电力部门、低等电力依赖部门和中等电力依赖部门贡献。其中，相比2050年基准情景，碳中和情景的高、中和低等电力依赖部门的平均碳减排量为，0、4和7百万吨，低等电力依赖部门的碳减排贡献性最大，中等电力依赖部门的贡献性次之，高等电力依赖部门几乎无贡献，如图9B。强化碳中和情景下，电力部门主动深度转型对全社会以后产业部门的化石能源消耗影响较小，碳排放变化曲线和碳中和情景一致，如图9B。图9碳排放总量及各产业部门碳减排变化量Fig.9Thetotalamountofcarbonemissionsandthechangeofcarbonemissionreductionineachindustrialsector4.4产业增加值柔韧性分析碳中和情景下，碳限制作用将导致全社会化石能源消耗降低，部门生产活动受限，大湾区整体GDP增长放缓。到2050年，碳中和情景的GDP相6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例11比基准情景损失3.9%，如图10A。其中，相比2050年基准情景，碳中和情景的高、中和低等电力依赖部门的平均增加值减少量为790、3216和1019亿元。因此，高等电力依赖部门受到碳限制作用较小，部门增加值损失最小，部门增加值柔韧性较好。中等电力依赖部门和低等电力依赖部门受到碳限制作用较大，且由于中等电力依赖部门经济体量大，部门增加值损失大于低等电力依赖部门，如图10B。强化碳中和情景下，通过加大本地非化石电力生产量的方式进行电力系统深度转型，一方面外购电购买量依赖变小，成本支出变小，另一方面促进非化石电力上下游关联产业链发展，减缓了碳限制对GDP负效益作用。相比基准情景，2050年强化碳中和情景的GDP仅损失2.4%。相比碳中和情景，强化碳中和情景的GDP增长了1.5%，相当缓解了碳限制导致GDP损失的7916亿元。其中，相比碳中和情景，强化碳中和情景GDP值的增长只要来自于电力部门、高等电力依赖部门和中等电力依赖部门，且高等电力依赖部门的柔韧性更优于中等电力依赖部门，如图10C。图10宏观GDP损失及各产业部门增加值变化量Fig.10MacroGDPlossandchangesinaddedvalueofvariousindustrialsectors5总结本研究基于粤港澳大湾区混合动态CGE模型，设置基准情景、碳中和情景和强化碳中和情景，以外购电力占比、能源达峰、碳减排和GDP等宏观指标，以及产业部门电力替代性、碳减排贡献性和增加值柔韧性等微观指标为评价标准，评估供应侧电力结构转型驱动与双碳目标下的需求侧产业部门碳约束对终端产业的影响，得到以下主要结论：碳限制作用下，电力部门被动加速转型。相比基准情景，碳中和情景的电力消耗总量增加，能源消耗总量提前至2028年达峰，且2050年能源消耗总量降低8.9%，湾区能源结构得到优化；碳排放于2025年达峰，且2050年湾区碳排放量降低67%，碳减排效果明显；但碳限制作用将导致湾区2050年外购电力占比提高11%，电力供应安全性变差；同时部门生产活动受限，大湾区整体GDP增长放缓，2050年GDP总量损失3.9%。相比基准情景，碳中和情景的高等电力依赖部门增加值平均仅损失790亿元，部门增加值柔韧性较好，但电力替代性和碳减排贡献性较差；中等电力依赖部门的电气化率平均提高13%，部门电能替代性较好，但部门碳减排贡献性和增加值柔韧性较差；低等电力依赖部门的碳排放平均减少700万吨，部门碳减排贡献性较好，但电力替代性和增加值柔韧性较差。碳限制作用下，电力部门主动深度转型。相比碳中和情景，强化碳中和情景的能源消耗总量达峰12中国环境科学21卷12时间节点不变，电力消耗量减少，2050年能源消耗总量降低1.7%；碳排放变化曲线基本和碳中和情景一致。而电力部门的主动深度转型推动湾区2050年外购电力占比降低11%，外购电力占比水平降低到和基准情景一致，电力供应安全性变好；同时外购电购买量成本支出变小和非化石电力上下游关联产业链的发展，减缓了碳限制对GDP负效益作用，2050年GDP相比碳中和情景增长了1.5%。相比碳中和情景，强化碳中和情景的部门碳减排和电力替代影响较小，各类型部门的增加值柔韧性中高等电力依赖部门最好，其次是中等电力依赖部门，最后是低等电力依赖部门。政策建议根据本文研究分析的将部门分为三大类，以支撑粤港澳大湾区电力系统安全可靠、经济有效的往清洁的非化石电力方向转型，其中：（1）供应侧的电力部门：考虑当前煤炭价格、天然气价格和CCS成本高居不下，应积极实施低碳转型，促进粤港澳大湾区2040年前率先实现零碳电力，区内电力全部由核电、风电、光伏、生物质发电和外购电供应。同时，在大湾区积极推进大湾区实现碳达峰和碳中和的进程中，电力部门仍需加大对风电、核电、太阳能发电以及生物质发电等发电技术的研发，推动发电成本的降低，以促进各产业部门的清洁电力能源消耗。（2）针对高等电力部门如：金属、机械制造、电子、服务业等高等电力依赖部门初始电气化率高，部门生产活动主要依靠电力能源。在碳限制作用下，此类部门的碳减排承担责任小，出现化石能源消耗反弹增加和电力替代性变差现象，未来仍需加大对此类部门碳减排目标的管控。（3）针对低等和中等电力部门：纺织、造纸、石油化工、其他工业等中等电力依赖部门，以及农业、非金属和交通部门等低等电力依赖部门是未来碳减排贡献的主力部门，但是部门电气化率的提升是以降低化石能源消耗的方式实现，同时也会对部门增加值产生较大的负面影响。为缓解碳排放约束作用影响，此类部门应积极推动清洁能源替代、能效提升和CCS技术运用。参考文献：[1]《粤港澳大湾区能源转型中长期情景研究》项目组,粤港澳大湾区能源转型中长期情景研究）[M]。北京：科学出版社，2020.[2]南方电网能源发展研究院.粤港澳大湾区能源规划研究[R].广州:南方电网能源发展研究院有限责任公司,2020.[3]国家可再生能源中心.美丽中国2050年的能源生态系统[R/OL].2018[2020-01-01].https://max.book118.com/html/2018/0420/162194247.shtm.NationalRenewableEnergyCenter.BeautifulChina’senergyecosystemin2050[R/OL].2018[2020-01-01].https://max.book118.com/html/2018/0420/162194247.shtm(inChinese)[4]项目综合报告编写组.《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》综合报告[J].中国人口·资源与环境,2020,30(11):1-25.[5]周孝信.能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势[J].电气时代,2018(01):33-35.[6]张宁,邢璐,鲁刚.我国中长期能源电力转型发展展望与挑战[J].中国电力企业管理,2018(13):58-63.[49][7]O’ryanRaúl,NasirovShahriyar,Álvarez-EspinosaAndrés.RenewableenergyexpansionintheChileanpowermarket:AdynamicgeneralequilibriummodelingapproachtodetermineCO2emissionbaselines.JCleanProd,2020,247:119645.[8]YangXi,PangJun,TengFei,etal.Theenvironmentalco-benefitandeconomicimpactofChina'slow-carbonpathways:Evidencefromlinkingbottom-upandtop-downmodels.RenewableandSustainableEnergyReviews,2021,136:110438.[9]WeiLi,CanLu,Yan-WuZhang.ProspectiveexplorationoffuturerenewableportfoliostandardschemesinChinaviaamulti-sectorCGEmodel[J].EnergyPolicy,2019,128:45-56[10]YaqianMu,WenjiaCai,SamuelEvans,CanWang,DavidRoland-Holst.EmploymentimpactsofrenewableenergypoliciesinChina:AdecompositionanalysisbasedonaCGEmodelingframework[J].AppliedEnergy,2018,210:256-267.[11]IanSueWing.TheSynthesisofBottom-UpandTop-DownApproachestoClimatePolicyModeling:ElectricPowerTechnologiesandTheCostOfLimitingUSCO2Emissions.EnergyPolicy.2006,34(18):3847-3869.[12]IanSueWing.TheSynthesisofBottom-UpandTop-DownApproachestoClimatePolicyModeling:ElectricPowerTechnologyDetailinaSocialAccountingFramework.EnergyEconomics.2008,30(2):547-573.[13]广东省统计局.广东省统计年鉴2018[M].北京：中国统计出版社，2018.[14]澳门统计年鉴[R].澳门：统计局，2018-2019.[15]经济合作与发展组织.香港投入产出表2015[EB/OL].https://stats.oecd.org/Index.aspx?DataSetCode=IOTSI4_2015,2015.[16]澳门能源统计[R].澳门：统计局，2018-2019.[17]香港特别行政区政府统计处.(2016b).香港能源统计2016年年刊.Retievedformhttps://www.censtatd.gov.hk/hkstat/sub/sp90_tc.jsp?productCode=B1100002[18]MinistryofScienceandTechnology,EconomyandEnergy.Supplyofaninstrumentforestimatingtheemissionsofgreenhouseeffectgasescoupledwiththeenergymatrix[R/OL].2010[2014-06-11].6期许鸿伟等:双碳目标下电力系统转型对产业部门影响评估——以粤港澳大湾区为例13http://ecen.com/matriz/eee24/coefycin.htm[19]广东省人民政府关于印发《广东省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》的通知[J].广东省人民政府公报,2016:3.[20]广东省人民政府关于印发广东省人口发展规划（2017—2030年）的通知[J].广东省人民政府公报,201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