采用新范式優(yōu)化碳中和的實現(xiàn)路徑 - 副本

一、引言探尋碳達峰、碳中和的優(yōu)化路徑，需要對不同行業(yè)、領(lǐng)域內(nèi)多層次的復雜結(jié)構(gòu)及其多目標控制機制進行系統(tǒng)的分析。當前的分析方法，有的忽略層次和異質(zhì)性，有的偏重于局部單目標。本文嘗試提出一種新的分析方法，基于一種新的范式，即將這類挑戰(zhàn)性問題與科學范式的變革關(guān)聯(lián)起來。二、挑戰(zhàn)涉及的關(guān)鍵科學問題能源革命的順利推進，碳達峰、碳中和的如期實現(xiàn)，需要可靠的、科學理性的能源戰(zhàn)略的正確指引。這涉及能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，是一個十分復雜的系統(tǒng)科學問題。既涉及系統(tǒng)的建模，又涉及基于模型框架的標準體系的制定等。而全球變化目標的實現(xiàn)，需要各國應(yīng)對戰(zhàn)略的成功，更需要全球戰(zhàn)略的協(xié)調(diào)。任何國家難以獨善其身，必須協(xié)調(diào)行動，才能高效實現(xiàn)。這就需要系統(tǒng)思維，可作為科學范式變革的一個具體案例。能源戰(zhàn)略的可靠性與可及性依賴于能源數(shù)據(jù)、能源模型。然而，目前盛行的能源模型（包括自上而下模型、自下而上模型、混合模型）尚不完善，需要在新的范式框架下對已有模型進行系統(tǒng)升級。數(shù)據(jù)也有待進一步搜集和梳理。在模型方面，自上而下模型?；谝话憔饫碚摚雎援愘|(zhì)性（如投入、分配、地域等方面的結(jié)構(gòu)），采用平均化參數(shù)，與實際偏差較大。自下而上模型依據(jù)部分均衡，經(jīng)濟外生，難以引入政策約束；成本計算一般局限于技術(shù)成本；成本最小化單目標優(yōu)化不切實際，且可能導致不切實際的躍變結(jié)果；計算量大，難以直接分析大尺度場景?；旌夏Ｐ褪亲陨隙履Ｐ团c自下而上模型的簡單組合，沒有引入必要的融合機制，未能從根本上消除前述缺陷。在數(shù)據(jù)方面，一次數(shù)據(jù)較為龐雜、散亂，往往由異質(zhì)性導致，難以直接有效應(yīng)用，需要梳理、整合為二次及更高層次數(shù)據(jù)。這些問題亟待突破！除此之外，這一復雜系統(tǒng)的邊界條件涉及資源的可及性和經(jīng)濟的承受力，以及生態(tài)、氣候目標的限制。而這需要科研范式的變革，才能破解時空復雜結(jié)構(gòu)帶來的困難。綜上，要應(yīng)對這一重大挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于：構(gòu)建實現(xiàn)碳達峰與碳中和的復雜系統(tǒng)模型與標準體系。當前，針對碳達峰、碳中和的目標十分明確，急需突破現(xiàn)有能源模型的局限性，建立準確、高效的能源系統(tǒng)模型，發(fā)展相應(yīng)的求解器，整合出各級動態(tài)數(shù)據(jù)庫。如此，才能有力支撐能源戰(zhàn)略研究，這是當前最為緊迫的任務(wù)！三、基于新范式構(gòu)建復雜系統(tǒng)模型與對應(yīng)標準體系能源戰(zhàn)略研究至少涉及三個相互銜接的層次：單元技術(shù)層次、技術(shù)鏈層次、區(qū)域或以上層次。每個層次都有三個典型的尺度：單元尺度、系統(tǒng)尺度和介于二者之間的介尺度。認識、調(diào)控這些層次的復雜介尺度結(jié)構(gòu)是優(yōu)化、設(shè)計、預測系統(tǒng)行為的關(guān)鍵，而介尺度行為實質(zhì)上是不同主導機制之間競爭中協(xié)調(diào)的反映，是多目標變分問題。最關(guān)鍵也最難處理的是技術(shù)鏈層次，這是當前模型均未很好處理的關(guān)鍵層次。在該層次中存在三個典型尺度，即單元技術(shù)所處的單元尺度，技術(shù)鏈整體所處的系統(tǒng)尺度，其間是復雜的技術(shù)鏈結(jié)構(gòu)所處的介尺度。所謂技術(shù)鏈結(jié)構(gòu)即不同能源品種之間基于不同能源技術(shù)相互轉(zhuǎn)化的連接網(wǎng)絡(luò)。該層次系統(tǒng)的輸入是能源或資源供給、可用技術(shù)、資金，以及經(jīng)濟、環(huán)境、社會指標，輸出是能源需求和能源轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)品。初步研究表明，決定該層次介尺度行為的兩個相互競爭的主導機制是節(jié)能降耗和節(jié)資減排。節(jié)能降耗機制選擇累積能效最高的能源轉(zhuǎn)化路線，以最少的供給能源產(chǎn)出最多的需求能源。節(jié)資減排機制選擇累積代價最小的能源轉(zhuǎn)化路線，以最大限度地降低成本和排放量。這兩種相互競爭的主導機制的協(xié)調(diào)導致了實際能源技術(shù)鏈的復雜結(jié)構(gòu)。據(jù)此，方可在新范式下對能源產(chǎn)業(yè)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化！單元技術(shù)層次在技術(shù)鏈層次之下，前者的系統(tǒng)是后者的單元，即能源轉(zhuǎn)化的單元技術(shù)。在技術(shù)鏈層次上，單元技術(shù)是單一路線，具有確定的技術(shù)參數(shù)；在單元技術(shù)層次上，單元技術(shù)系統(tǒng)則包括所有可能的工藝路線，對應(yīng)于大量不同的技術(shù)參數(shù)。該層次的單元即任一可能的工藝路線。介尺度結(jié)構(gòu)即不同工藝路線在不同時空場合的規(guī)模分布。探明對應(yīng)的主導機制及其競爭與協(xié)調(diào)關(guān)系，可望整合出可供技術(shù)鏈層次使用的合理技術(shù)參數(shù)取值。比如，技術(shù)鏈層次需要單元技術(shù)的效率、成本、排放等參數(shù)的確切數(shù)值，這可以通過基于多個競爭機制之間的協(xié)調(diào)構(gòu)建的多目標優(yōu)化獲得，而不應(yīng)取某一時間的瞬態(tài)值或某一地域的局域值，也不宜對不同工藝路線的相關(guān)數(shù)值進行簡單平均。這是不同復雜系統(tǒng)的共性特點。區(qū)域或以上層次在技術(shù)鏈層次之上，前者的單元即后者的系統(tǒng)，即某區(qū)域某行業(yè)的技術(shù)鏈總成。該層次的系統(tǒng)則是多個技術(shù)鏈總成的集合。其輸入、輸出是對應(yīng)區(qū)域的能流、碳流，約束是經(jīng)濟、環(huán)境（含生態(tài)、碳排放）、社會指標。該層次的介尺度結(jié)構(gòu)是不同技術(shù)鏈總成的連接關(guān)系。揭示控制該層次介尺度結(jié)構(gòu)的主導機制及其競爭、協(xié)調(diào)關(guān)系，獲得的多目標優(yōu)化結(jié)果將可望直接指導對應(yīng)區(qū)域的能源發(fā)展規(guī)劃。該層次根據(jù)需要可能進一步區(qū)分為更多層次，如國家層次、洲際層次、全球?qū)哟蔚?，當然取決于經(jīng)濟、社會關(guān)系。對于標準體系設(shè)計而言，首先，應(yīng)有系統(tǒng)的多層次、多尺度結(jié)構(gòu)化模型，再有單元技術(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等層次的模型，再把這些層次用復雜性原理統(tǒng)一起來。在此構(gòu)架下，引入邊界條件，通過各環(huán)節(jié)的標準制定，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的分析。也就是說，只有基于系統(tǒng)的模型，才能有針對性地形成標準體系，也才有系統(tǒng)的政策基礎(chǔ)依據(jù)！進而才能量化分析整體能源體系（與產(chǎn)業(yè)體系相關(guān)）的時空結(jié)構(gòu)和調(diào)控方略！因而，揭示每個層次中介尺度結(jié)構(gòu)的主導機制，及其相互競爭與協(xié)調(diào)關(guān)系，并構(gòu)建不同層次之間的銜接，可望發(fā)展出有效的新型能源模型和多級數(shù)據(jù)系統(tǒng)。伴隨著求解器的研發(fā)，將形成面向區(qū)域、國家乃至全球的全新能源戰(zhàn)略研究方法，助力能源革命的規(guī)劃和部署，對碳達峰、碳中和的技術(shù)路線設(shè)計和標準制定發(fā)揮重要的指導作用，以多目標最優(yōu)方案實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標，避免路徑選擇的失誤！對于聯(lián)合國提出的更為復雜的17個可持續(xù)