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非洲低碳能源发展路径研究基于扩展Kaya框架分析历史CO?驱动因素，结合深度学习优化模型预测2040年能源结构。研究发现太阳能和风能在北非及南非减排中起关键作用，占电力生成比例分别达40%、54%和21%。研究为非洲分区域低碳能源转型提供政策参考。
高庚宇|刘静春|李雅辉|梁平|丁一辉|李凤婷
同济大学环境科学与工程学院，上海，200092，中国
摘要
在人口快速增长、经济持续发展和能源需求不断增加的背景下，非洲正成为全球气候治理中的关键地区。为了探索具有地区特色的低碳发展路径，本研究分析了非洲及其各次区域的历史二氧化碳（CO2）排放驱动因素，并预测了未来的能源转型轨迹。采用扩展的Kaya框架，本研究将二氧化碳排放量分解为人口、人均GDP、能源强度和二氧化碳强度，并进一步按行业（农业、工业、服务业、未分配）和能源类型（煤炭、石油、天然气、核能、生物质及其废弃物、水力发电、太阳能和风能、地热能）进行细分，以捕捉结构动态。随后，在能源系统层面（电力及其他终端使用部门）整合了一个基于场景驱动和深度学习技术的可微分编程优化模型，以预测2040年的能源结构变化轨迹，并进行了优化后的分解分析。结果显示，在北非和南非，太阳能和风能在减排方面发挥了越来越重要的作用，有时甚至超过了水力发电的贡献。在北非，服务业的扩张有助于抵消工业部门导致的能源强度增加；而在撒哈拉以南非洲（不包括南非），服务业效率较低，限制了减排效果。展望未来，SSP1情景下的路径具有最低的成本和最高的可再生能源占比，其中太阳能和风能在北非、撒哈拉以南非洲（不包括南非）和南非的发电份额分别达到40%、54%和21%。优化后的分析表明，可再生能源的增长有效抵消了与社会经济发展相关的排放增加。本研究为非洲及其不同地区实现低碳能源发展提供了针对性的政策建议和参考。
引言
全球气候变化以前所未有的速度影响了人类社会的发展。目前的二氧化碳（CO2）排放轨迹表明，几乎不可能实现《巴黎协定》设定的1.5°C温控目标[1]、[2]。非洲大陆在应对气候变化挑战中的重要性日益凸显。尽管非洲目前的二氧化碳总排放量仅占全球的3-6%，但其年增长率（2.1%）远高于全球平均水平（1.2%）[3]。如果这一趋势持续下去，到2100年，非洲的二氧化碳排放量将占全球总量的20%以上[4]，并且由于气候变化，非洲的GDP将损失12%[5]。面对这一挑战，非洲联盟在《2063年议程》中将提高气候适应能力列为首要目标[6]，大多数国家也承诺通过国家自主贡献来减少二氧化碳排放[7]。然而，不断增长的能源需求和对化石燃料的依赖成为实现这些目标的核心障碍[8]、[9]。非洲迫切需要在促进经济增长的同时控制二氧化碳排放量的增长。
分解二氧化碳排放增长的驱动因素有助于识别排放增加的主要来源，因此已在国家[10]、[11]、区域[12]、[13]和行业[14]层面得到广泛应用。多项研究还探讨了非洲不同空间尺度上的二氧化碳排放决定因素，包括整个非洲大陆[16]、[17]、撒哈拉以南非洲[18]、西非国家[19]和南非[20]。这些研究表明，人口增长和经济发展是二氧化碳排放的主要正向驱动因素，而能源强度和二氧化碳强度则是负向驱动因素。其中，能源强度和二氧化碳强度经常被政策制定者用作设计二氧化碳减排政策的关键指标[21]。其原因是，产业结构的变化（体现在行业产出份额的变动和行业内部效率的提高）主要影响能源强度；而能源结构的变化（体现在能源类型的比重及其排放因子上）则决定了二氧化碳强度。尽管文献中广泛使用这两个强度指标进行因素分解分析，但大多数研究仍停留在总体强度层面，没有在统一的框架下进一步细分能源和二氧化碳强度，以量化行业发展和能源结构变化对二氧化碳排放的具体贡献。此外，张等人[22]指出能源强度是南非排放的关键因素，但未研究农业、工业和服务业的变化如何影响能源强度和相关的二氧化碳排放。关于能源结构，Steckel等人[23]指出石油消费是增加二氧化碳排放强度的关键因素。同时，与可再生能源快速扩张相关的规模效应尚未得到充分探索。例如，2022年非洲的太阳能装机容量约为2015年的五倍[24]。
大量研究探讨了非洲能源系统与二氧化碳排放之间的关系。Adams和Nsiah[25]利用历史数据发现，化石燃料等非可再生能源显著增加了二氧化碳排放：其消费量每增加一个百分点，排放量就会增加1.9%。幸运的是，非洲拥有丰富的可再生能源资源；到2040年，可再生能源的发电潜力可能是预计需求的1000倍[26]。从技术和经济角度来看，非洲的可再生能源发展具有可行性[27]、[28]。因此，这一领域吸引了大量学术关注。Njoh[29]基于54个非洲国家的数据表明，人均可再生能源消费量较高的国家碳排放量较低。Yeboah等人[30]进一步发现，可再生能源在所有研究国家中都能显著减少二氧化碳排放。因此，逐步实现低碳能源转型被认为是非洲应对气候变化挑战的务实路径[31]。Namahoro等人[32]从未来视角认为，用可再生能源替代化石燃料将在未来十年内为50个非洲国家带来显著的减排贡献。然而，从化石燃料向可再生能源的平稳过渡仍面临挑战。例如，Carlino等人[33]指出，由于气候变化的影响以及太阳能和风能成本的下降，非洲可能在2030年后不再新增水力发电能力，特别是考虑到具有竞争力的太阳能和风能技术的平准化成本（LCOE）持续下降[34]。Steckel等人[23]还强调了在撒哈拉以南非洲逐步淘汰化石燃料以实现未来脱碳的重要性。尽管这些研究提供了宝贵的见解，并结合了历史趋势和未来预测，但它们主要关注能源消费，而对能源成本在引导能源结构转型中的作用关注不足。此外，针对北非和撒哈拉以南非洲等次区域的差异化分析仍然较少，这忽略了各地区在经济发展和能源结构上的显著差异。
总之，现有关于非洲二氧化碳排放的研究缺乏对区域间产业结构、能源结构和减排潜力的详细分析，特别是很少有研究将能源强度和二氧化碳强度与具体行业和能源类型联系起来。非洲各地区之间的经济和资源差异也常常被忽视，比较性研究也较为有限。关键在于，如何利用区域特点来平衡减排和能源成本，这仍然是未来研究的重要方向。因此，与以往的研究不同，本研究进一步将能源强度和二氧化碳强度分解为不同行业和能源类型的贡献，基于2000年至2022年非洲各国二氧化碳排放驱动因素的详细分解。本研究分别考察了北非、撒哈拉以南非洲（不包括南非）和南非的情况，以便进行区域间的比较分析（具体区域国家列表见表S1）。此外，基于深度学习（DL），提出了一种可微分编程优化模型，该模型考虑了能源成本、转型平滑度、二氧化碳排放和可再生能源因素。该模型用于预测2040年非洲及其各次区域的能源结构，并识别塑造未来能源转型的关键驱动力。通过结合历史分析和未来情景模拟，本文试图回答两个核心科学问题：（1）非洲不同地区二氧化碳排放差异的主要驱动因素是什么，这些因素如何在行业和能源结构的变化中演变？（2）在不同的社会经济发展情景下，可再生能源能否有效促进能源结构转型，并实现减排、成本和能源的多重目标？
本文的其余部分结构如下：第2节描述了研究方法和数据来源；第3节讨论了研究结果；第4节总结了研究发现、政策建议和局限性；研究框架见图1。
部分摘录
Kaya分解
本研究基于Kaya公式，将非洲的二氧化碳排放量分解为人口增长、经济发展、能源消费等因素的影响，具体分析方法如下[35]：本节中使用的所有符号详见表1。
利用Laspeyres指数方法，本研究将随时间变化的排放量（）表示为四个因素共同作用的结果：
