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碳减排系统工程:理论方法与实践 读者对象:本书适合碳中和及碳减排相关领域的工程技术人员、政府工作人员、企业管理人员、高等院校师生、科研院所人员及其他感兴趣的学者和相关工作人员阅读。
碳减排工程的科学实施与系统管理对于实现碳中和目标至关重要。本书全面介绍了作者及其团队在长期开展碳减排研究和实践的基础上,提出并形成的碳减排系统工程理论、技术及实践体系。上篇围绕碳减排过程中面临的短期减排与长期减排、局部减排与整体减排、政府管制与市场机制、发展与减排四大均衡难题,创建了碳减排系统工程理论,简称“时-空-效-益”统筹理论。中篇在“时-空-效-益”统筹理论指导下,建立了碳减排系统工程技术,即碳减排路径设计与系统优化技术,自主研制并成功开发了综合评估技术体系和平台,简称中国气候变化综合评估模型(C3IAM)。下篇在“时-空-效-益”统筹理论指导下,采用碳减排路径设计与系统优化技术,围绕碳捕集、利用与封存(CCUS)这一典型碳减排工程,聚焦项目可行性评价、工程选址、基础设施规划、进度管理、运营优化、风险管理等工程实践应用。最后面向我国碳达峰碳中和战略,系统研究了我国实现“双碳”目标所涉及的四对核心关系,创建了相关路径优化方法,研究提出了我国实现碳达峰碳中和的时间表与路线图。
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目录
上篇 碳减排系统工程“时-空-效-益”统筹理论体系 第1章 绪论 3 1.1 全球及主要地区气候减缓行动 3 1.2 碳达峰与碳中和 5 1.3 碳减排工程及其技术体系 7 1.4 碳减排工程相关研究进展 11 1.5 本章小结 31 第2章 碳减排系统工程及其“时-空-效-益”统筹原理 32 2.1 碳减排系统工程定义 32 2.2 碳减排系统工程特征 34 2.3 碳减排系统工程体系 35 2.4 碳减排系统工程难题 37 2.5 碳减排系统工程“时-空-效-益”统筹内涵 42 2.6 碳减排系统工程“时-空-效-益”统筹理论与技术及实践 45 2.7 本章小结 49 第3章 时间统筹:短期与长期协同 50 3.1 短期减排与长期减排 50 3.2 跨期均衡路径选择 53 3.3 贴现率参数选择 58 3.4 时间统筹方法:跨期分配模型 64 3.5 本章小结 65 第4章 空间统筹:局部与整体协同 66 4.1 局部减排与整体减排 66 4.2 社会福利权重的选择 69 4.3 碳减排责任分担规则 70 4.4 空间统筹方法:减排责任的代内权衡 73 4.5 本章小结 75 第5章 效率统筹:政府管制与市场机制协同 76 5.1 政府管制与市场机制 76 5.2 效率统筹理论 86 5.3 效率统筹方法:减排资源的最优配置 92 5.4 本章小结 99 第6章 收益统筹:发展与减排协同 100 6.1 发展与减排 100 6.2 收益统筹理论 104 6.3 收益统筹方法:发展与减排的协同权衡 117 6.4 本章小结 122 中篇 碳减排路径设计与系统优化技术 第7章 碳减排路径设计技术 125 7.1 碳减排路径设计的现实需求 125 7.2 系统优化技术是碳减排路径设计的主流工具 127 7.3 综合评估模型的发展历程与现状 128 7.4 基于“时-空-效-益”统筹的系统优化方法 133 7.5 本章小结 136 第8章 综合评估平台(C3IAM)总体设计 137 8.1 综合评估技术体系 137 8.2 气候系统和社会经济系统耦合技术 139 8.3 多源数据耦合技术 146 8.4 综合评估情景设置 150 8.5 本章小结 152 第9章 行业与区域碳减排技术系统 154 9.1 国家能源技术模型 154 9.2 电力行业 156 9.3 钢铁行业 161 9.4 水泥行业 165 9.5 化工行业 170 9.6 有色行业(铝冶炼行业) 174 9.7 建筑行业 178 9.8 交通行业 180 9.9 区域协同碳达峰碳中和路径优化方法 183 9.10 本章小结 187 第10章 经济系统 188 10.1 全球多区域最优经济增长模型体系 188 10.2 能源与环境政策分析模型 202 10.3 本章小结 212 第11章 气候系统 214 11.1 基本原理 214 11.2 碳循环过程 215 11.3 气候系统模型的简化框架 218 11.4 宏观经济影响评估模块 223 11.5 农业影响评估模块 224 11.6 人体健康影响评估模块 225 11.7 极端事件影响评估模块 226 11.8 本章小结 227 第12章 土地利用系统 228 12.1 基本原理 228 12.2 食物需求模型 229 12.3 土地生产活动生物物理参数 230 12.4 土地利用分配机制 230 12.5 本章小结 236 第13章 全球减排路径设计与评估 237 13.1 《京都议定书》实施效果评估 237 13.2 《巴黎协定》实施效果评估 242 13.3 全球气候变化“自我防护策略”设计 247 13.4 后巴黎时代缔约方的经济有效行动策略 253 13.5 本章小结 257 下篇 碳捕集、利用与封存工程的管理实践 第14章 碳减排路径与CCUS工程 261 14.1 全球碳减排路径与CCUS工程 261 14.2 中国CCUS发展需求 266 14.3 CCUS工程实践挑战与需求 268 14.4 本章小结 270 第15章 CCUS项目部署与可行性论证 271 15.1 CCUS项目优先级评价 271 15.2 中国CCUS典型项目投资可行性论证 280 15.3 本章小结 301 第16章 CCUS项目投资决策与运营优化 303 16.1 CCUS项目投资决策的主要影响因素 303 16.2 考虑CCUS的发电技术组合投资决策 307 16.3 燃煤耦合生物质发电的最佳碳捕集改造时机 318 16.4 燃煤耦合生物质发电的碳捕集运营优化 327 16.5 本章小结 337 第17章 CCUS项目风险管理 339 17.1 CCUS项目风险管理概述 339 17.2 CCUS项目风险识别 344 17.3 CCUS项目风险评价典型方法 352 17.4 CCUS项目风险应对 356 17.5 本章小结 359 第18章 CCUS工程源汇评估 361 18.1 CCUS碳排放源识别 361 18.2 CCUS封存场地封存潜力及适宜性评价 363 18.3 本章小结 375 第19章 CCUS工程源汇匹配与空间规划 376 19.1 全球CCUS工程源汇匹配优化技术 376 19.2 全球CCUS工程源汇匹配布局方案 382 19.3 本章小结 387 第20章 CCUS工程二氧化碳管网优化设计 388 20.1 二氧化碳管道输送技术及工程实践现状 388 20.2 面向碳中和目标的陆海CO2运输管网规划方案 390 20.3 本章小结 400 第21章 中国碳达峰碳中和实现路径 401 21.1 中国碳达峰碳中和的四对核心关系的辩证原理 401 21.2 中国碳达峰碳中和路径优化方法 407 21.3 中国碳达峰碳中和时间表与路线图 418 21.4 本章小结 438 参考文献 439 附录 478 后记 485 CONTENTS Part Ⅰ Theory Framework of Carbon Mitigation System Engineering: ‘Time-Space-Efficiency-Benefit’(TSEB) Overall Planning Chapter 1 Introduction 3 1.1 Global and Major Regional Climate Mitigation Actions 3 1.2 Carbon Peak and Carbon Neutrality 5 1.3 Carbon Mitigation Engineering and Its Technical System 7 1.4 Research Progress in Carbon Mitigation Engineering 11 1.5 Chapter Summary 31 Chapter 2 Carbon Mitigation System Engineering and Its‘Time-Space- Efficiency-Benefit’Overall Planning Principles 32 2.1 Definition of Carbon Mitigation System Engineering 32 2.2 Characteristics of Carbon Mitigation System Engineering 34 2.3 Framework of Carbon Mitigation System Engineering 35 2.4 Challenges in Carbon Mitigation System Engineerin 37 2.5 The Connotation of Carbon Mitigation System Engineering‘Time-Space- Efficiency-Benefit’Overall Plannin 42 2.6 Theory, Technology, and Practice of Carbon Mitigation System Engineering‘Time-Space-Efficiency-Benefit’Overall Planning 45 2.7 Chapter Summary 49 Chapter 3 Time Coordination: Short-Term and Long-Term synergy 50 3.1 Short-Term Carbon Reduction and Long-Term Carbon Reduction 50 3.2 Inter-Temporal Equilibrium Path Selection 53 3.3 Discount Rate Parameter Selection 58 3.4 Time Coordination Method: Inter-Temporal Allocation Model 64 3.5 Chapter Summary 65 Chapter 4 Spatial Coordination: Local and Overall Synergy 66 4.1 Local Carbon Reduction and Overall Carbon Reduction 66 4.2 Selection of Social Welfare Weights 69 4.3 Principles of Carbon Reduction Responsibility Allocation 70 4.4 Spatial Coordination Method: Intragenerational Balance of Carbon Reduction Responsibilities 73 4.5 Chapter Summary 75 Chapter 5 Efficiency Coordination: Government Regulation and Market Mechanism Synergy 76 5.1 Government Regulation and Market Mechanism 76 5.2 Efficiency Coordination Theory 86 5.3 Efficiency Coordination Method: Optimal Allocation of Carbon Reduction Resources 92 5.4 Chapter Summary 99 Chapter 6 Benefit Coordination: Development and Carbon Reduction Synergy 100 6.1 Development and Carbon Reduction 100 6.2 Benefit Coordination Theory 104 6.3 Benefit Coordination Method: Synergies and Trade-offs Between Development and Carbon Reduction 117 6.4 Chapter Summary 122 Part II Carbon Reduction Pathways Design and System Optimization Technology Via TSEB Chapter 7 Carbon Reduction Pathways Design Technology 125 7.1 Practical Needs of Carbon Reduction Pathways Design 125 7.2 System Optimization Technology is the Mainstream Tool for Carbon Reduction Pathways Design 127 7.3 Development and Current Status of Integrated Assessment Technology 128 7.4 System Optimization Method Based on‘Time-Space-Efficiency-Benefit’ Overall Planning 133 7.5 Chapter Summary 136 Chapter 8 Integrated Assessment Platform (C3IAM) and Overall Design of Coupling Technology 137 8.1 Integrated Assessment Technology System 137 8.2 Coupling Technology of Climate System and Socio-Economic System 139 8.3 Multi-Source Data Coupling 146 8.4 Scenario Setting 150 8.5 Chapter Summary 152 Chapter 9 Carbon Reduction Technology System in Industries 154 9.1 National Energy Technology Model 154 9.2 Power Industry 156 9.3 Steel Industry 161 9.4 Cement Industry 165 9.5 Chemical Industry 170 9.6 Non-Ferrous Industry (aluminum smelting industry) 174 9.7 Construction Industry 178 9.8 Transportation Industry 180 9.9 Optimization Method for Regional Collaborative Carbon Peak and Carbon Neutrality Roadmap 183 9.10 Chapter Summary 187 Chapter 10 Economic System 188 10.1 Global Optimal Economic Growth Model 188 10.2 Energy and Environment Policy Analysis Model 202 10.3 Chapter Summary 212 Chapter 11 Climate System 214 11.1 Basic Principle 214 11.2 Carbon Cycle Process 215 11.3 Simplified Framework for Climate System Model 218 11.4 Macroeconomic Impact Assessment Module 223 11.5 Agricultural Impact Assessment Module 224 11.6 Human Health Impact Assessment Module 225 11.7 Extreme Event Impact Assessment Module 226 11.8 Chapter Summary 227 Chapter 12 Land Use System 228 12.1 Basic Principle 228 12.2 Food Demand Model 229 12.3 Biophysical Parameters of Land Production 230 12.4 Land Use and Distribution Mechanism 230 12.5 Chapter Summary 236 Chapter 13 Design and Assessment of Global Emission Reduction Pathway 237 13.1 Assessment of the Implementation Effects of the Kyoto Protocol 237 13.2 Assessment of the Implementation Effects of the Paris Agreement 242 13.3 Design of‘Self-Protection Strategies’for Global Climate Change 247 13.4 Strategies for Cost-Effective Action by Parties in the Post-Paris Era 253 13.5 Chapter Summary 257 Part III Practices for Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) Projects Via TSEB Chapter 14 Carbon Reduction Pathways and CCUS Projects 261 14.1 Global Carbon Reduction Pathways and CCUS Projects 261 14.2 Development Pathways for CCUS in China 266 14.3 Challenges and Requirements in CCUS Project Implementatio 268 14.4 Chapter Summary 270 Chapter 15 Feasibility Analysis of CCUS Project Deployment 271 15.1 Evaluation of CCUS Project Priorities 271 15.2 Feasibility Analysis of Typical CCUS Projects in China 280 15.3 Chapter Summary 301 Chapter 16 Investment Decision and Operational Optimization of CCUS Projects 303 16.1 Key Factors Influencing Investment Decision for CCUS Projects 303 16.2 Investment Decision for a Portfolio of Power Generation Technologies with CCU 307 16.3 Optimal Retrofit Timing for Biomass Co-firing in Coal-fired Power Plants 318 16.4 Operational Optimization for Biomass Co-firing in Coal-fired Power Plants 327 16.5 Chapter Summary 337 Chapter 17 Risk Management for CCUS Projects 339 17.1 Overview of Risk Management for CCUS Projects 339 17.2 Identification of Risk Sources in CCUS Projects 344 17.3 Typical Methods for Risk Assessment in CCUS Projects 352 17.4 Risk Mitigation for CCUS Projects 356 17.5 本章小结 359 Chapter 18 Source-Sink Assessment for CCUS Engineering 361 18.1 Identification of Carbon Emission Sources Suitable For CCUS 361 18.2 Evaluation of Carbon Sequestration Potential and Suitability of Carbon Sequestration Sites 363 18.3 Chapter Summary 375 Chapter 19 Source-Sink Matching and Spatial Planning for CCUS Engineering 376 19.1 Optimization Techniques for Global CCUS Source-Sink Matching 376 19.2 Global Layout for CCUS engineerin 382 19.3 Chapter Summary 387 Chapter 20 Optimization Design of CO2 Pipeline Network for CCUS 388 20.1 CO2 Pipeline Technology and Current Engineering Practices 388 20.2 Layouts for Land-Based and Offshore CO2 Transportation Networks under Carbon Neutrality Goals 390 20.3 Chapter Summary 400 Chapter 21 Pathways to Achieving Carbon Peaking and Carbon Neutrality in China 401 21.1 Dialectical Principles of the Four Pairs’ Relationships for China’s Carbon Peaking and Neutrality 401 21.2 Optimization Method for China’s Carbon Peaking and Neutrality Pathways 407 21.3 Roadmap for Achieving China’s Carbon Peak and Neutrality Pathway 418 21.4 Chapter Summary 438 References 439 Appendix 478 Postscript 485
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