加纳城乡烹饪能源转型分解：能源需求与PM2.5/CO2排放路径的情景研究

《Renewable and Sustainable Energy Transition》：Disaggregating Cooking Transitions: Urban and Rural Energy Demand and Emissions Pathways in Ghana

　　

城乡烹饪能源需求在所有政策情景下均呈分化；在适度政策情景下，全国PM_2.5（fine particulate matter with a diameter of less than 2.5 micrometers）排放下降，而CO₂（carbon dioxide）排放上升；细颗粒物集中于农村地区，CO₂则向城市地区转移；低碳转型使全国烹饪能源需求下降，尽管人口增长56%；城乡建模揭示出被国家汇总指标掩盖的PM_2.5排放不平等。

研究背景与问题：全球约20亿人缺乏清洁烹饪，城乡差距显著；加纳电气化率达89%，但76%家庭仍以固体燃料烹饪，农村62%以薪柴为主、城市27.9%以木炭为主，液化石油气（LPG）等清洁燃料集中于较高收入城市家庭。固体燃料导致家庭空气污染和约1.8万人/年过早死亡，并造成森林覆盖损失和二氧化碳（CO₂）排放。加纳国家LPG推广、农村LPG推广及能源转型框架（Energy Transition Framework, ETF）多设国家目标，未按城乡分解；既有研究或未模拟城乡烹饪转型，或覆盖全部终端用能而未分离烹饪，或仅限农村且只报告CO₂，缺乏加纳城乡分解、烹饪专用并同时估算细颗粒物（PM_2.5）与CO₂的情景预测。因此研究人员开展本项研究，以判断单一国家烹饪政策是否同等服务城乡，以及是否需要差异化干预。研究在既定政策情景（Stated Policies Scenario, STEPS）、可持续发展情景（Sustainable Development Scenario, SDS）和低碳排放情景（Low-Carbon Emissions Scenario, LCE）下预测2023—2050年加纳城乡家庭烹饪能源需求，并据需求分别计算PM_2.5和CO₂排放；结论是城乡烹饪转型在方向与驱动上分化，同一适度政策路径下农村PM_2.5下降而城市CO₂上升，国家汇总会抵消相反信号，故城乡分列预测是设计既降低局地PM_2.5又不削弱国家气候承诺政策的前提。

关键技术方法：研究采用能源需求分析模型（Model for Analysis of Energy Demand, MAED）自下而上模拟，按城市和农村居民子部门分别配置人口、家庭数、户均烹饪有用能、燃料渗透率和灶具热效率，基准年按加纳国家能源平衡校准；人口与家庭规模数据来自加纳2021年人口与住房普查，基准燃料结构取自该普查第3K卷，校准参照2023年国家能源统计。设置STEPS、SDS和LCE三情景并线性插值至2050年；由最终能源需求乘燃料排放因子计算PM_2.5，由CO₂排放因子乘非可再生生物质比例（fraction of non-renewable biomass, fNRB）等碳核算因子计算CO₂；对fNRB、PM_2.5排放因子、灶具效率和电网排放因子开展敏感性分析。

研究结果：3.1 烹饪能源需求预测：通过MAED三情景预测，2050年全国烹饪最终能源需求为STEPS 124 PJ、SDS 114 PJ、LCE 66 PJ，2023基准97 PJ；STEPS比SDS高9%，LCE自2024年起低于基准并在人口增长56%下仍降至66 PJ。城乡分解显示城市需求三情景均上升，STEPS下2050达79 PJ（基准45 PJ），SDS下电力占城市烹饪能源27%，LCE下电力主导且城市传统生物质完全退出，城市需求47 PJ、较2023水平高约5%以内；农村需求三情景均下降，2023农村高于城市的格局在LCE约2028、STEPS/SDS约2029反转，2050农村需求STEPS 45 PJ、LCE 19 PJ（较2023农村基准降63%），LPG是农村生物质替代主要份额，LCE下电气化仅占农村烹饪能源14%。3.2 PM_2.5排放趋势：通过最终能源需求乘燃料PM_2.5排放因子，2050年全国PM_2.5排放为STEPS 50 kt（范围36.5–62.4）、SDS 41 kt（29.5–51.2）、LCE 0.26 kt（0.19–0.32），基准59 kt，降幅从STEPS 14%至LCE 99%。城乡分解显示STEPS和SDS下农村仍占全国PM_2.5主要份额，2050分别60%和53%；城市PM_2.5由基准17 kt升至STEPS 20 kt（+14.8%）和SDS 19 kt（+10.7%）；LCE下城乡均近零，城市0.14 kt、农村0.12 kt，农村占残余46%。3.3 CO₂排放趋势：通过燃料CO₂排放因子与fNRB等碳核算，2050年全国CO₂为STEPS 5.06 MtCO₂（3.38–6.75）、SDS 4.46 MtCO₂（3.01–5.90）、LCE 1.46 MtCO₂，基准3.41 MtCO₂；STEPS增48%、SDS增31%，LCE降57%。城乡分解显示城市CO₂份额三情景均升，STEPS 2050占67%（65–73%），SDS占65%，LCE城市CO₂约2035年达2.0 MtCO₂峰值后降73%至0.54 MtCO₂；LCE农村CO₂降50%，2050农村占63%。敏感性固定SDS电烹饪需求仅变电网因子时，城市电烹饪CO₂于2039年峰值0.35 MtCO₂，农村峰值早两年在2037年，即便加速电网2050净零亦出现峰值。3.4 敏感性分析：通过独立设置fNRB、PM_2.5排放因子、LPG和电烹饪灶具效率及电网排放因子边界，情景排序在测试范围内稳健；STEPS和SDS的CO₂与PM_2.5不确定性显著大于LCE。以中心估计比例计，STEPS农村CO₂不确定性达87%，STEPS/SDS城市PM_2.5达63%，LCE为零；农村fNRB相对不确定性最大，灶具效率最小。LPG效率53%–59%使2050需求变化2.3%–9.4%，电效率56%–64%使需求变化9.8%–12.4%；LCE需求下降与STEPS–LCE燃料结构转变方向不变。电网因子路径下2050电烹饪CO₂城市为无脱碳2.10、STEPS 1.34、SDS 0.90、LCE 0 MtCO₂，农村为0.16、0.10、0.07、0。

讨论部分总结：讨论指出城市烹饪需求在STEPS和SDS下增长，人口增长快于燃料转型；LPG并非终端燃料，而是电烹饪规模化前的中间燃料，电网不可靠和灶具成本约束电烹饪。农村需求下降在STEPS下部分来自城镇化而非燃料可及性改善，燃料转换与城镇化共同作用；SDS和LCE下LPG扩张成为主要机制。国家PM_2.5下降主要由农村生物质替代驱动，城市PM_2.5因需求增长快于燃料转换而上升；国家CO₂在适度情景下仍升，因人口驱动需求增长超过LPG带来的强度下降。SDS下城乡PM_2.5排放不平等扩大，说明国家总量改善不能代表公平减排。政策上，城市需将电气化激励与电网可靠性、电网脱碳结合；农村需直接减少生物质依赖，改善改良灶具分配并扩展LPG供应链、信贷和补帖机制；国家目标应按家庭类型分解。局限性包括MAED不内生化价格和供应约束、未计燃料堆叠、未对历史城乡烹饪需求进行回测、未计上游排放、排放因子多来自实验室测试、未模拟黑碳等短寿命气候污染物，LCE应视为1.5°C兼容路径的边界条件而非现实预报。

研究结论部分翻译：本研究在三种政策情景下预测了2050年前加纳城乡烹饪能源需求及相应PM_2.5和CO₂排放。所有情景下城乡烹饪转型在方向和驱动因素上均分化。农村需求下降主要源于城镇化而非燃料转换，城市CO₂增长随LPG沿既有分销基础设施扩张。LCE下近完全燃料转换的效率收益超过56%人口增长，使全国烹饪能源需求下降32%。与加纳既定政策承诺（包括ETF 2070净零路径）一致的情景未能在研究期内实现烹饪部门CO₂下降。SDS和LCE下PM_2.5减排应解释为完全燃料转换假设下的上限；若燃料堆叠持续，实际协同效益可能低于预测。这些预测以各情景燃料渗透率、人口假设和电网排放路径为条件，不应解释为预报。按城乡家庭类型分解烹饪能源需求可识别某一转型路径的排放成本由哪类人口承担，这是国家汇总预测无法提供的信息。STEPS和SDS下城市持续依赖LPG使全国CO₂上升而PM_2.5下降；需求增长快于电气化，故尽管LPG单位有用能CO₂和PM_2.5低于生物质，总CO₂仍升。LCE下加速电气化配合电网脱碳是唯一同时降低城乡烹饪CO₂和PM_2.5的建模路径。传统薪柴和木炭PM_2.5排放因子最高，应优先替代，尤其农村；现代生物质和LPG相对传统燃料均大幅降低PM_2.5，但LPG净CO₂收益取决于采用速度是否跟上人口驱动需求增长。没有一种燃料在两种污染物上均最优，选择取决于政策目标。政策方向包括：城市将电气化激励与电网可靠性改善和电网脱碳结合；农村直接针对传统生物质，通过可负担可靠清洁燃料供应链和改良灶具分配；国家按家庭类型分解清洁烹饪目标。全国烹饪PM_2.5下降不是城乡等效减排的可靠指标，因为燃料转换速率不同且国家汇总抵消相反PM_2.5和CO₂信号。预测未捕捉家庭燃料堆叠、价格驱动偏离、室内空气质量和暴露结果；未来将分解排放框架与暴露和经济可行性数据结合可扩展为健康与财务结果诊断，并推广至其他生物质依赖经济体。