1、249Journal of BeijNormalUniversi(Natural Science)59(2）2023-04北京师范大自然科学版）城市碳中和措施的边际减排成本分析一以北京市为例*刘耕源1,2)+郭丽思1）陈钰1)颜宁聿1)孟凡鑫1李慧1)陈操操3)谢涛4)（1)北京师范大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，10 0 8 7 5，北京；2)北京市流域环境生态修复与综合调控工程技术研究中心，10 0 8 7 5，北京；3）北京市应对气候变化管理事务中心，10 0 0 48，北京；4）北京雪迪龙科技股份有限公司，10 2 2 0 6，北京）摘要城市是碳中和的主阵地，随着“
2、双碳”目标的提出，将鼓励更多的减排技术和政策在城市低碳转型中发挥作用。基于此，本研究运用边际减排成本方法，以北京市为例，结合北京市低碳政策推广情况，对具体减排技术的减排潜力和减排成本进行分析，绘制了具有35 项减排措施的北京市边际减排成本曲线，识别出有较高经济性的优先减排措施，为北京市实现碳中和目标提供技术措施优先级排序和实施路径建议。研究表明：1)筛选出的电力部门、交通部门、建筑部门减排技术的减排潜力分别为14.9 6 亿、7.6 6 亿、2.5 5 亿t.平均碳边际减排成本为48 5.12 元t，电力部门、交通部门、建筑部门的平均减排成本为15 4.5 6、417.5 6、6 8 8.2
3、8 元t；北京市应大力推广电力减排措施，保证北京市碳排放进人快速下降通道；2)在35 项减排措施中，11项的减排措施的边际减排成本为负，成本有效的CO,减排潜力为39 9 6 7 万t，占39.15%减排初期应大力推广电动出租车、电动公交车和电动轻型货车、照明节能等负成本措施；3)高边际减排成本措施的减排潜力较大，但不具有成本优势，实施难度大，为促进此类减排技术的扩散，政府可以采取一定程度的补贴或激励政策确保减排投资收益的稳定性，降低减排投资风险。关键词砖碳中和措施；边际减排成本；电力部门；交通部门；建筑部门中图分类号号X3D0I:10.12202/j.0476-0301.20222120引言
4、碳的边际减排成本（marginal abatementcost，M A C)是每减少一单位的CO,排放所需要支出的额外成本.碳的边际减排成本曲线（marginal abatement cost curve,MACC)是展示宏观（国家、地区）或微观（行业、企业、城区）的减排潜力以及边际减排成本的常见工具，助力气候政策决策 国内外已有众多学者对边际减排成本展开研究：第1类是“基于专家的CO,减排成本模型，这类型研究基于工程方案的思路，使用所设定的基准情景为参照，对不同国家、不同行业的各种减排措施进行技术评价，计算其减排潜力和减排成本.在这种计算方法中，减排措施的渗透率及措施的节能减排量的数据都是通
5、过专家或文献获取，该方法经常被用来说明减排技术的经济有效性。其中最有名的是麦肯锡在2 0 0 7 一2 0 10 年发布的一系列报告，包括14个不同国家及全球边际减排成本曲线 2-3.第2 类则是“基于能源经济模型”，主要有CGE模型 4MARKAL模型 5 、AIM模型及其他综合评估模型 6 .此类研究通过模型模拟能源-经济系统在不同经济发展或能源政策情景下的经济产出及碳排放变化，研究政策对边际减排成本的影响，如碳税 7 、化石能源价格波动8 .第3类是“基于计量经济模型”，如使用距离函数分析不同国家 9 、省份 10-1、城市 12-13 的碳边际减排成本及其差异特征.在第2 类及第3类研
6、究中提到的边际减排成本，常常被定义为碳的影子成本，即在某个具体的时间段、某个经济客体由于碳排放约束而付出的经济代价，如碳税、行业增加值或总产值损失 14-15 .但这里所说的成本是指一种经济代价，与具体技术所需要投的成本还不能直接划等号.而第1类更关注具体的减排技术.“基于专家”的MAC曲线利用自底而上的数据来核算单独措施的边际减排成本，此处边际减排成本不是指减排措施的全部成本和碳减排量的比值，而是每项减排技术额外的减排成本（包括与替代技术比较额外的购置成本、能源成*国家社科基金重大资助项目（2 2&ZD108）；国家自然科学基金资助项目（5 2 0 7 0 0 2 1）；广东省基础与应用基础
7、研究基金资助项目（2 0 19 A1515110816）十通信作者：刘耕源（19 8 3一），男，博士，教授.研究方向：城市代谢与生态管理.E-mail：l i u g e n g y u a n b n u.e d u.c n收稿日期：2 0 2 2-0 6-15250第5 9 卷北京师范大自然科学版）本和运维成本）与技术寿命期内的碳减排量的比值。基于能源-经济模型构建的MAC曲线一般是连续曲线.“基于专家”的MAC曲线可以将低碳技术按照减排成本从低到高的顺序依次排列，呈现“阶梯状”，同时展示出一系列低碳技术的减排成本和累积减排潜力，为技术筛选及路径规划提供支撑 16 近年来，许多学者使用“
8、基于专家”的边际减排成本法构建了各部门MAC曲线，包括乘用车 17 、水泥 18 农业 19 、建筑部门 2 0 和可再生能源发电 2 1 等.研究表明，从行业角度来看，具有MAC0的减排措施在其寿命期间同时具有经济竞争力和减排潜力，且推广难度较低。也有研究计算了2 2 项航运减排措施的边际减排成本和减排潜力 2 2 ,结果表明，由于成本效益原因，MAC0的措施实施率更高，为2 5%5 0%；而MAC0的减排措施中7 0%的实施率不超过5%，市场推广缓慢.有些研究也指出，考虑到碳税、其他社会成本等，与碳市场相关的措施（例如CCER和碳交易）可以提高正MAC措施的竞争力 7 上述研究一定程度上丰
9、富了边际减排成本的研究成果，并提供了数据支撑，对于帮助理解减排措施或政策的实际减排潜力与成本具有重要意义，但也存在不足：1)部分研究对于城市等宏观层面的研究大多应用总量数据，并未结合地区特点及技术推广情况，缺乏深人分析；2)缺少对边际减排成本差异进行进一步的分析，可能会低估减排措施难度.本研究使用“基于专家”的边际减排成本法，选取北京市为案例，基于地区减排措施推广特点及相关政策规划，筛选具有代表性的城市关键减排技术。根据已发布规划或相关研究报告，对减排技术的渗透率及减排效率进行预测，按年均成本法估算减排措施的边际减排成本，并绘制边际减排成本曲线.最后，针对北京市走向碳中和最重要的电力、交通与建
10、筑部门低碳/零碳技术措施，提出技术措施优先级排序和实施路径建议.1边际减排成本分析方法学1.1减排成本计算模型根据Schafer等 2 3 研究，边际CO2减排成本等于相对于基准情景因实施减排技术而增加的成本与碳减排量的比值.具体计算公式为ACK +Co p e r a tCMA(1)ARARACOoperal=ACenerey+ACo&M,(2)式中：C是减排技术的增量投资成本；AR为碳减排量；ACoperai是减排技术的增量运行成本；K是减排技术的碳减排量；Cenergy是燃料成本差值；Co&M是运维成本差值，由于运维成本在总成本中占比很小，可忽略不计.所以投人一项减排技术带来的增量成本等
11、于投资成本增加量减去能源节约收益。以北京市为研究对象，计算35 项减排技术的边际减排成本.由于不易计算所有减排措施全生命周期成本，本研究使用资本回收系数计算减排技术增量成本的等额年值 2 3,公式为(1+d)xdCanual=Kdela+Cenerey+Co&M,(3)(1+d)*-1Cenergy=CAET-Cer=e;X Pi-e2r X P2,(4)式中：Canual为减排技术增量成本的等额年值；d为折现率；L为技术寿命期限；CAET为减排技术能源费用；Cer为原有技术能源费用；ei为替代能源消耗，若不存在能源替代，则ei=0;pi为替代能源单价；e2为原有技术能源消耗；r为技术节能率；
12、P2为原有技术能源单价.对于交通部门而言，碳减排措施主要分为提高能源效率和使用清洁能源.例如：提高交通运输工具能源效率可以通过节省燃油减少CO,排放；使用电动车的减排量与电力排放因子有关，电力CO,排放因子越高，电动车减排量越低；同样，氢燃料汽车的减排量与氢气生产、运输碳排放有关.因此，交通部门减排措施i在研究期内的碳减排量为(5)V=1式中：s,为使用新减排技术i的交通设备销量；1表示设备寿命；V表示设备年龄；E，表示减排技术i的年节能量；Ffuel是燃料碳排放因子；Ealer、是电动车或氢燃料汽车的能耗；Falter.是第v年替代能源碳排放因子.对于建筑部门而言，可以通过使用更高效的电器或
13、者使用电力替换天然气等来减少碳排放.因此，建筑部门减排措施j在研究期内的碳减排量为(6)V=1式中：A,为使用新减排技术j的建筑面积；1表示设备寿命；v表示设备年龄；当使用更高效的器具时，E，表示减排技术替代原有技术的年节能量；当涉及电能替代时，须计算电力的间接碳排放，EEle.是减排技术j的年用电量；FEle.，是当年电力碳排放因子.1.2减排技术措施推广为了充分体现北京市节能减排行动现状与发展，本文选取2 0 15 年作为基准年份.结合北京市2 0 15 一2 0 2 2 年节能减排行动，以及新251以北京市为例刘耕源等：城市碳中和措施的边际减排成本分析第2 期发布的北京市“十四五”时期应
14、对气候变化和节能规划北京市“十四五”时期能源发展规划北京市“十四五”时期交通发展建设规划等专项规划，选取具有代表性的4项电力减排技术、16 项交通减排技术、15 项建筑部门建筑技术。为准确计算减排技术MAC,需要明确作为参照的基准技术，并确定减排技术的现有普及率及减排效率、成本 2 4 等.有研究认为减排技术未来渗透率一定程度上影响减排潜力和边际减排成本 2 2 .普及程度越高，技术累计减排潜力越大本文根据技术推广的实际情况及未来预计渗透率，对减排技术的MAC进行计算。1.2.1电力部门的减排技术措施选择根据北京市“十三五”“十四五”能源规划，能源结构调整思路为“减煤、稳气、强电、增绿”。其中
15、，用燃气发电取代燃煤发电、大力发展本地可再生能源发电并逐渐减少燃气发电、同步扩大外调绿电规模是北京市电力部门实现碳中和的主要减排措施。使用平准化发电成本（levelizedcostof energy，LCOE)分析电力部门减排技术推广成本.LCOE指发电机组在建设运营周期内每kWh的发电成本，是一种被广泛认可的发电项目成本计算方法.参考国际能源署报告 2 5-2 6 ,结合相关文献 2 7-2 8 设定燃煤发电，燃气发电、集中式光伏、分布式光伏、分布式风电等可再生能源发电的LCOE，具体参数如表1所示.扩大外调绿电规模的成本，取决于绿电交易溢价.本研究选取2 0 2 1年首批绿色电力交易试点的
16、绿电较火电的平均溢价40 元（M Wh)-1作为外调绿电增量成本 2 9 .表1电力部门发电技术成本参数平准化发电成本/增量成本/序号技术寿命/a文献(元(MWh)-1)(元（M Wh）-)燃煤发电49440一25A1燃气发电7703027A2集中式光伏3362526A3分布式光伏4292528A4外调绿电一4029根据北京市电力结构现状、相关规划文件和研究报告，对减排技术的未来装机量进行估算：2 0 15 一2 0 2 0年，燃气发电不断取代燃煤发电；2 0 2 0 一2 0 5 0 年，随着本地可再生能源发电升高，北京禁止新增气电并且逐渐降低燃气发电量，同时不断增加外调绿电规模至1260亿kWh.所以，本研究假定燃气发电的参照技术为煤电，光伏的参照对象为燃气发电.北京市光伏年利用时间取12 42 h30。各类技术未来推广情况具体取值如表2 所示。表2电力部门减排措施未来推广参数设定燃煤燃气集中式光伏分布式光伏绿电年份年发电量/年发电量/总装机/总装机/年消费量/(亿kWh）(亿kWh）万kW万kW(亿kWh）2020638456410020300237835045020400971