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)、領域內多層次的復雜結構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聯(lián)起來。二、挑戰(zhàn)涉及的關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。這涉及能源結構的轉型和產(chǎn)業(yè)結構的調整，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)，需要各國應對戰(zhàn)略的成功，更需要全球戰(zhàn)略的協(xié)調。任何國家難以獨善其身，必須協(xié)調行動，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，自上而下模型常基于一般均衡理論，忽略異質性（如投入、分配、地域等方面的結構），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，往往由異質性導致，難以直接有效應用，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構帶來的困難。綜上，要應對這一重大挑戰(zhàn)，關鍵在于：構建實現(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！三、基于新范式構建復雜系統(tǒng)模型與對應標準體系能源戰(zhàn)略研究至少涉及三個相互銜接的層次：單元技術層次、技術鏈層次、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、調控這些層次的復雜介尺度結構是優(yōu)化、設計、預測系統(tǒng)行為的關鍵，而介尺度行為實質上是不同主導機制之間競爭中協(xié)調的反映，是多目標變分問題。最關鍵也最難處理的是技術鏈層次，這是當前模型均未很好處理的關鍵層次。在該層次中存在三個典型尺度，即單元技術所處的單元尺度，技術鏈整體所處的系統(tǒng)尺度，其間是復雜的技術鏈結構所處的介尺度。所謂技術鏈結構即不同能源品種之間基于不同能源技術相互轉化的連接網(wǎng)絡。該層次系統(tǒng)的輸入是能源或資源供給、可用技術、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)調導致了實際能源技術鏈的復雜結構。據(jù)此，方可在新范式下對能源產(chǎn)業(yè)進行結構優(yōu)化！單元技術層次在技術鏈層次之下，前者的系統(tǒng)是后者的單元，即能源轉化的單元技術。在技術鏈層次上，單元技術是單一路線，具有確定的技術參數(shù)；在單元技術層次上，單元技術系統(tǒng)則包括所有可能的工藝路線，對應于大量不同的技術參數(shù)。該層次的單元即任一可能的工藝路線。介尺度結構即不同工藝路線在不同時空場合的規(guī)模分布。探明對應的主導機制及其競爭與協(xié)調關系，可望整合出可供技術鏈層次使用的合理技術參數(shù)取值。比如，技術鏈層次需要單元技術的效率、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)調構建的多目標優(yōu)化獲得，而不應取某一時間的瞬態(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)的技術鏈總成。該層次的系統(tǒng)則是多個技術鏈總成的集合。其輸入、輸出是對應區(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。該層次的介尺度結構是不同技術鏈總成的連接關系。揭示控制該層次介尺度結構的主導機制及其競爭、協(xié)調關系，獲得的多目標優(yōu)化結果將可望直接指導對應區(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、全球層次等，當然取決于經(jīng)濟、社會關系。對于標準體系設計而言，首先，應有系統(tǒng)的多層次、多尺度結構化模型，再有單元技術、產(chǎn)業(yè)結構等層次的模型，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）的時空結構和調控方略！因而，揭示每個層次中介尺度結構的主導機制，及其相互競爭與協(xié)調關系，并構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、碳中和的技術路線設計和標準制定發(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)