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▲Costs and health benefits of the rural energy transition to carbon neutrality in China
期刊：Nature Communications
时间：29 September 2023
作者：Teng Ma, Silu Zhang, Yilong Xiao, Xiaorui Liu, Minghao Wang, Kai Wu, Guofeng Shen, Chen Huang, Yan Ru Fang✉ & Yang Xie✉
通讯单位：北京大学，北京航空航天大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41707-7
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本文探讨了中国农村能源转型对于实现碳中和及改善空气质量的重要性与紧迫性。文章指出，中国农村地区的能源消费和碳排放对国家整体的碳中和目标具有显著影响。研究通过集成的评估框架，模拟了农村炊事和取暖（RCH）向现代能源转型的成本效益和健康影响，对比了不同情景下的转型结果。结果发现虽然以碳中和为目标的农村能源转型能够显著改善空气质量并带来健康益处，但转型成本较高，且存在地区差异。根据该结果，文章建议为农村地区提供更多的财政支持以推动碳中和目标的实现，尤其是对于收入较低的农村居民。
01 研究背景
碳中和目标：中国作为全球第二大农村人口国家，拥有约5.5亿农村居民，他们在2019年消耗了约163百万吨油当量的商业能源。农村住宅部门的能源消耗和碳排放对实现国家的碳中和目标至关重要。
空气质量问题：农村地区广泛使用传统的生物质和煤炭作为炊事和取暖的主要能源，导致住宅碳排放自2000年至2017年年均增长4.8%，占中国总住宅能源相关CO2排放的42%。此外，农村住宅能源使用对空气污染物排放的贡献极高，对人类健康造成危害。
农村能源转型的复杂性：从固体燃料向现代能源（如电力和气体）的转型，特别是在发达地区，已经带来了空气质量和人类健康的多重共同利益。但农村地区在能源消费上存在显著的不平等，尤其是液化石油气（LPG）的使用，且转型成本和健康效益的存在地理分布不均的现象。
02 研究贡献
（1）提出了一个综合的能源 - 空气质量 - 健康建模框架，用于评估农村能源转型的成本效益路径和相关健康影响。
（2）发现农村炊事和供暖去碳化将显著改善空气质量，特别是在中国北方地区，预计将带来可观的健康效益。
（3）提出了不同地区的具体转型路径和政策建议，强调需要为农村居民提供更多的财政支持和激励措施，以实现全面的能源去碳化。
03 研究方法
研究构建了基线场景（BaU）和碳中和场景（CNS）两种场景，并采用综合建模框架对不同情景下的能源使用、排放、空气质量和健康效益进行了评估。综合建模框架包括了能源系统优化模型（IMED|TEC）、空气质量模型（GAINS）和健康影响评估模型（IMED|HEL）三部分：
①IMED|TEC模型（能源系统优化）：
收集和校准全国和各省的农村能源消耗数据，设定不同情景下的技术转换路径和CO2排放约束，以模拟农村住宅能源消耗和技术转变，预测不同能源场景下的能源使用、排放和系统成本。
②GAINS模型（空气质量建模）：
使用来自IMED|TEC模型的能源消耗和排放数据作为输入，模拟不同能源使用情景下的空气质量变化，提供PM2.5浓度和空气污染物排放数据。
③IMED|HEL模型（健康影响评估）：
将GAINS模型输出的PM2.5浓度数据作为输入，应用全球暴露死亡率模型（GEMM）评估因PM2.5减少而避免的过早死亡，结合统计生命价值（VSL）计算各省的健康效益。
图1 研究方法示意图
04 图文解析
首先，研究基于2014年的数据，计算了当年农村炊事和供暖的总能耗为151Mtoe，总CO2排放量估计为2.04亿公吨（Mton），SO2, NOx和PM2.5的排放量分别为1.21、0.58和2.56 Mton。全国超过80%的炊事和取暖服务需求由主要依赖传统生物质和煤炭的技术满足，包括年化资本成本和能源成本在内炊事和供暖的系统总成本分别为11.1亿和98亿美元。
同时研究基于共享社会途径，预测了从2014年到2060年农村的人口变化。由于农村人口的快速城市化和能用利用技术的提升，农村能源需求不断减少、效率不断提高，农村能源消费持续下降，碳及其他空气污染物的排放量也随之呈现出下降趋势。
1.能源消费及其省际差异
在此背景下，研究首先探讨了不同场景的能源消耗及能源结构的变化情况。对于农村地区的总能源消费，在基线情景（BaU）下，假设没有碳排放限制，预计农村地区的能源消耗将从2014年的151百万吨油当量（Mtoe）减少至2060年的79 Mtoe，减少率为47%；而在碳中和情景（CNS）下，由于实现碳中和所需的额外的能源利用效率的提升，能源消耗到2060年将降至2014年的17%，即26 Mtoe。
从能源类型的转变来看，到2060年，BaU情景下的能源结构变化不大，仍然以生物质和煤炭作为主要的消费能源；对于CNS情景，天然气/液化石油气将在2040年之前取代煤炭和生物质作为过渡燃料，并最终形成以电力为主的能源消费结构。
图2 中国农村炊事和供暖的全国能源消费情况及现代能源占比统计
从不同省份来看，总体上各省农村的能源消耗都呈下降趋势。在BaU情境下，各省的生物质燃料会逐步被煤炭和现代能源取代，南方沿海地区现代能源的占比将会有明显的增长，北方地区则会形成以煤炭为主的能源结构。这缓解了农村地区的能源贫困，但也加剧了各省份之间总能源利用的不平等。而在CNS情景下，全国各省都会形成当代能源份额占比82%以上的能源结构。这缓解了各省份之间总能源利用的不平等，但当代能源利用的不平等性在2025 - 2050年间出现了显著的增长，这种波动可能来自于区域差异导致的转型速度与进展差异。
图3 中国农村炊事和取暖活动各类型能耗及其占比的空间分布
2.对排放、空气质量和健康的影响
研究探讨了排放、空气质量和人口健康随能源结构的变化情况。在BaU情景下，由于生物质燃料被淘汰，NOx和PM2.5出现了明显的下降，其他排放也略有减少。而在CNS情景下，随着能源结构逐步向天然气并最终向电力转型，各类污染物的排放迅速下降，到2060年，所有污染物排放均实现了95%以上的下降。
从不同省份来看，对于两种场景，各省份的PM2.5浓度均会出现下降，特别是在中国北方地区。在CNS情景下，到2050年，空气质量改善最显著的五个北方省份分别是山西(5.4μg/m3)、河北(5.2μg/m3)、陕西(4.6μg/m3)、山东(3.9μg/m3)和河南(3.8μg/m3)。与空气质量改善类似，预计中国北方对健康的影响将显著大于南方，2035年和2050年，可避免的与pm2.5相关的过早死亡分别有63%和69%发生在北方。同时由于人口密度高，中国东部地区的健康效益预计将大于西部地区。到本世纪中叶，最显著的健康效益将出现在山东、河南和河北，分别有9288人、9280人和8014人避免了与pm2.5相关的过早死亡，减少的人数约占全国避免过早死亡人数的35%。此外，各省份排放量的下降带来的健康效益也表现出明显的区域异质性，初始空气质量较好的地区受益较少。
图4 中国农村炊事和取暖活动排放量变化情况
3.农村住宅技术改造与成本
根据2014年的数据，南北方的炊事技术并不存在明显的差异。在BaU情景下，生物质炉灶主要持续转向煤炉，少量转换为液化石油气和电灶。尽管取暖和炊事转向更昂贵的技术，但由于农村人口的减少，取暖和炊事的成本并没有显著增加。
对于CNS场景，这个转型过程被划分为两个阶段，与能源结构的转型趋势一致，煤炉和生物质炉首先转向液化石油气和天然气炉具作为过渡，这一现象集中在北方出现，煤灶和煤炉将被率先淘汰。2040年之后，北方地区也开始逐步向电气炉具转变，到2060年，空气热泵和电炉灶将成为最主要的设施。此外，相较于BaU情景，CNS情景下炊事的成本降低，但由于大量使用了空气热泵，取暖的成本显著提升，这也意味着农村居民的经济负担可能会加重，根据计算结果，山东、黑龙江、山西和河北等的转型成本较高，可能需要政府的补贴和转移支付。
图5 农村炊事和取暖的各类能源技术占比和年化技术成本
4.农村能源转型的成本效益分析
最后研究估算了不同省份在2035年和2050年通过减少PM2.5所带来的货币化健康效益，并将其与转型成本进行了比较，以分析省级清洁能源转型的成本效益。结果表明，大多数省份的健康效益可以抵消转型成本，尤其是在中国北方地区。但部分经济相对落后的省份，如西藏则无法完全抵消转型成本。为了确保这些地区能够实现能源转型，需要提供补贴等支持措施以支持转型。总体来看，2050年中国的清洁能源转型将带来显著的健康效益，其效益成本比预计达到11.9。
图6 2035 年和2050年与PM减排相关的农村炊事和供暖转型成本和货币化健康效益
05 结论
研究表明，中国北方的农村实现碳中和可以带来可观的协同效益。仅住宅部门的脱碳工作就可以减少75500例由PM2.5污染导致的提前死亡，其中69%的减排来自于北方农村的转型，同时，到2060年，由于煤炭仍被大量采用，因此中国北方仍具有极大的转型减排潜力。
其次，到 2060 年，除几个发展较差的区域外（如西藏，其空气质量也较好），大多数省份的转型成本可以被健康效益所抵消。政府应该增加补贴以购买现代技术，特别是对低发达地区的农村居民，同时应当加强宣传教育工作，使农村居民意识到转型带来的隐形的长期健康效益。
最后，以电力为主要能源的电炉灶和空气热泵将会成为2060年RCH的主要设备。现代能源的普及利用显著改善了能源贫困，但加剧了当代人均能源使用的不平等。因此，减少区域间经济发展差异的措施，如对低发展地区的财政支持，有利于减少能源贫困的不平等，特别是针对当代人均能源使用的区域差距。
06 结论
随着全球对碳中和目标的追求，各国纷纷致力于能源结构的优化和转型。中国农村能源转型不仅有助于实现碳中和目标，还能显著改善空气质量和公众健康。然而，受限于不同地区的资源条件和发展现状，其转型进展和成本效益存在显著差异，部分地区的转型可能存在经济上的困难。政府可能需要提供更多的财政支持和激励措施，特别是针对发展较低的地区。
另一方面根据该研究的结果，为了实现全面的农村能源去碳化，政策制定者需要进行更详细的转型成本评估。因此除了该研究中提出的因素外，还有许多值得考虑的部分，比如：能源转型带来的基础设施建设成本估算；不同地区是否需要指定差异化的转型方案（如是否需要采用天然气等作为过渡的能源）；不同的发电方式带来的碳排放和经济成本等。
