采用新范式優(yōu)化碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑 - 副本

一、引言探尋碳達(dá)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(fù)雜結(jié)構(gòu)及其多目標(biāo)控制機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的分析。當(dāng)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(biāo)。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(xué)范式的變革關(guān)聯(lián)起來。二、挑戰(zhàn)涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題能源革命的順利推進(jìn)，碳達(dá)峰、碳中和的如期實(shí)現(xiàn)，需要可靠的、科學(xué)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(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)問題。既涉及系統(tǒng)的建模，又涉及基于模型框架的標(biāo)準(zhǔn)體系的制定等。而全球變化目標(biāo)的實(shí)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(dú)善其身，必須協(xié)調(diào)行動，才能高效實(shí)現(xiàn)。這就需要系統(tǒng)思維，可作為科學(xué)范式變革的一個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)升級。數(shù)據(jù)也有待進(jìn)一步搜集和梳理。在模型方面，自上而下模型?；谝话憔饫碚?，忽略異質(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(shí)際偏差較大。自下而上模型依據(jù)部分均衡，經(jīng)濟(jì)外生，難以引入政策約束；成本計(jì)算一般局限于技術(shù)成本；成本最小化單目標(biāo)優(yōu)化不切實(shí)際，且可能導(dǎo)致不切實(shí)際的躍變結(jié)果；計(jì)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(jī)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(dǎo)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(fù)雜系統(tǒng)的邊界條件涉及資源的可及性和經(jīng)濟(jì)的承受力，以及生態(tài)、氣候目標(biāo)的限制。而這需要科研范式的變革，才能破解時(shí)空復(fù)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的復(fù)雜系統(tǒng)模型與標(biāo)準(zhǔn)體系。當(dāng)前，針對碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)十分明確，急需突破現(xiàn)有能源模型的局限性，建立準(zhǔn)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(dāng)前最為緊迫的任務(wù)！三、基于新范式構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)模型與對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系能源戰(zhàn)略研究至少涉及三個(gè)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(gè)層次都有三個(gè)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(rèn)識、調(diào)控這些層次的復(fù)雜介尺度結(jié)構(gòu)是優(yōu)化、設(shè)計(jì)、預(yù)測系統(tǒng)行為的關(guān)鍵，而介尺度行為實(shí)質(zhì)上是不同主導(dǎo)機(jī)制之間競爭中協(xié)調(diào)的反映，是多目標(biāo)變分問題。最關(guān)鍵也最難處理的是技術(shù)鏈層次，這是當(dāng)前模型均未很好處理的關(guān)鍵層次。在該層次中存在三個(gè)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(fù)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(jì)、環(huán)境、社會指標(biāo)，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(gè)相互競爭的主導(dǎo)機(jī)制是節(jié)能降耗和節(jié)資減排。節(jié)能降耗機(jī)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(jī)制選擇累積代價(jià)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(dǎo)機(jī)制的協(xié)調(diào)導(dǎo)致了實(shí)際能源技術(shù)鏈的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。據(jù)此，方可在新范式下對能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(shí)空場合的規(guī)模分布。探明對應(yīng)的主導(dǎo)機(jī)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(gè)競爭機(jī)制之間的協(xié)調(diào)構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化獲得，而不應(yīng)取某一時(shí)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(jìn)行簡單平均。這是不同復(fù)雜系統(tǒng)的共性特點(diǎn)。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(gè)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(jì)、環(huán)境（含生態(tài)、碳排放）、社會指標(biāo)。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(dǎo)機(jī)制及其競爭、協(xié)調(diào)關(guān)系，獲得的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果將可望直接指導(dǎo)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(jìn)一步區(qū)分為更多層次，如國家層次、洲際層次、全球?qū)哟蔚?，?dāng)然取決于經(jīng)濟(jì)、社會關(guān)系。對于標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)制定，才能實(shí)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(biāo)準(zhǔn)體系，也才有系統(tǒng)的政策基礎(chǔ)依據(jù)！進(jìn)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(shí)空結(jié)構(gòu)和調(diào)控方略！因而，揭示每個(gè)層次中介尺度結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)機(jī)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(dá)峰、碳中和的技術(shù)路線設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)制定發(fā)揮重要的指導(dǎo)作用，以多目標(biāo)最優(yōu)方案實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，避免路徑選擇的失誤！對于聯(lián)合國提出的更為復(fù)雜的17個(gè)可持續(xù)