Nature Communications｜到2050年全球住宅制冷能源使用的不平等现象
政务
2024-09-19 09:00
湖北
转自：地球平衡与稳态
社会人口结构转变和气候变暖相互交织，预示着全球高温暴露和健康后遗症的增加。通过空调 （AC） 进行制冷适应是有效的，但需要大量能源，并且受到家庭收入和适应能力差异的限制。使用在大型多国家庭调查数据集 （n = 673215） 上训练的统计模型，我们以精细的空间分辨率预测了全球空调的采用和能源使用到本世纪中叶。在全球范围内，拥有住宅空调的家庭比例可能从 27% 增长到 41%（评估的情景范围：33-48%），这意味着住宅制冷用电量从 1220 年到 1940 年（情景范围：1590-2377）太瓦时每年翻一番，排放 590 至 13.65 亿吨二氧化碳当量 （MtCO2国家和收入群体内部和之间 AC 的获取和利用将保持高度不平等，并产生显著的倒退影响。到 2050 年，将有多达 40 亿人没有空调。我们的全球网格化预测有助于将 AC 的脆弱性、健康和脱碳影响纳入气候变化的综合评估中。该研究通过收集和分析一个涵盖 25 个国家/地区 500 多个次国家行政单位的多国家庭级微观数据数据库来应对能源需求后果以及国家和世界区域内部和环境影响不平等的这一挑战。这些国家/地区占世界人口的 62%，占全球用电量的 73%。该数据集描述了 673215 个家庭的一组丰富的特征。我们用国家或国家以下各级的外部电价数据来增强微观数据，并使用城市化的外部网格数据来描述家庭居住地区的城市化程度，以及历史气象再分析数据来构建气候变量。我们使用生成的数据集来训练交流电采用率和交流电对住宅用电影响的两阶段分类和回归模型。我们评估了不同的模型规格，以说明为什么我们首选的预测框架是随机森林 （RF） 机器学习 （ML） 模型，该模型使用回归树算法来实现灵活的非参数估计，从而捕获变量之间的非线性关系。通过检查部分依赖性和弹性来说明交流电所有权的估计非线性条件概率（第一阶段模型）和电力消耗的期望值（第 2 阶段）。目的是将计量经济学估计目标和 ML 预测方法联系起来。我们证明了经过训练的模型能够根据当地家庭和地理特征评估未采样地点的交流电拥有概率和交流电使用水平。然后，我们使用经过验证的模型在经过验证的模型的基础上，对当前和未来 AC 的吸收和使用进行全球网格化预测和预测（了解每个情景中社会经济、人口和气候驱动因素的假设未来演变的描述）。我们利用全球覆盖率和高精细度的估计来研究 AC 分布及其使用方面当前和预计的不平等，并确定需要采取行动提高适应能力的关键脆弱领域。我们还得出了对能源使用和二氧化碳当量排放的影响。我们的结果可以为公共卫生、基础设施规划以及能源和气候政策交叉领域的决策者提供支持。由此产生的数据集是公开可用的，可以作为更明智的热脆弱性和影响评估的基础。![]()
我们基于模型的验证对 2020 年全球的预测显示，根据空间分辨率为 0.5 弧度的常规全球网格上定义的次国家单位，AC 在地区和国家之间和内部的分布存在高度异质性，反映了不同气候条件和人口分布及其社会经济属性的相互作用。在北美、南欧和北非、中东、南非、拉丁美洲南部、日本、中国东部和澳大利亚，家庭空调拥有率高度集中 （>50%） 的现有地区清晰可见。展望 2050 年，由于气候变暖、富裕水平上升和社会人口变化，空调拥有率高的地区将扩大。这种增长在目前空调普及率较低的地区尤为强劲，例如东南亚（+9600 万户，情景平均值），例如印度尼西亚和东亚（+4100 万），例如印度北部、撒哈拉以南非洲（+7200 万），而中欧（+3000 万）、北非和中东（+2400 万）以及拉丁美洲部分地区（+3300 万）的增长将更慢，因为目前 AC 的患病率已经更高（北美）。气候异质性和使用 AC （欧洲） 的低倾向。图 2：住宅空调 （AC） 拥有量和使用不平等的全球网格化预测就交流电的耗电量而言，研究表明，仅在交流电普及率高的地区（如美国、东亚和地中海国家），交流电的总用电量往往与人口密度密切相关。在世界其他地区，交流电的使用往往更集中在较大的城市中心附近。到 2050 年，预计印度、墨西哥以及东亚和东南亚将出现需求高度集中的新地区。以每户 （HH） 为单位，我们估计，到 2020 年，拥有空调的家庭平均消耗 2000 千瓦时 HH−1 yr−1 用于制冷，并指出这一数字在不同地区之间存在非常大的差异：例如，在北美，为 5,445 千瓦时 HH−1 yr−1，而在撒哈拉以南非洲为 985 千瓦时 HH−1 yr−1。到 2050 年，我们预计平均用电量将在 1,967 - 2289 千瓦时 HH−1 yr−1 之间，具体取决于所考虑的情景。虽然这些不平等也可能源于当地气候的差异，但我们的分析表明，在每个地区和国家内，AC 患病率在 SSP2（45） 的收入群体中持续分布不均。这种收入分层评估显示，在所有地区都观察到不平等：这种差异既可以解释为收入可获得不平等，也可以由收入水平与高温暴露之间的地理相关性来解释（请注意，在全球范围内以及在所考虑的七个宏区域中，每个地区都存在收入水平差异很大的国家）。在全球范围内，到 2050 年，收入最低的五分之一的 AC 渗透率预计将从平均约 17% 增长到 21-39%，而在最高水平上，我们的预测表明平均值将从 52% 增长到约 56-60%。值得注意的是，分析结果预计撒哈拉以南非洲和南亚地区收入最高的五分之一和最低收入五分之一之间的空调供应差距将扩大，我们观察到，在属于收入分配的第四和第五个五分位数的最富有家庭中，空调的采用率增幅最大，而在其他地区，预计这一差距将缩小或保持相似。图 3：按收入和地区划分的家用空调 （AC） 普及率 （%） 和住宅部门平均交流用电量由于空调所有权不平等，预计到 2050 年，尽管生活在高温气候中，但仍有大量人没有空调（主要是由于收入限制）。为了分析冷却贫困的剥夺维度26,47，我们利用全球预测的高空间颗粒度来估计，在全球范围内，暴露于高温下的弱势群体（定义为没有 AC 的人暴露于 cdd yr−1 比区域历史平均值更多的人）的数量将从今天的 25 亿左右变为到 2050 年的 32 亿 SSP2（45）， 见图4. 我们发现，在 SSP3（70） 的低 AC 和高变暖未来，将观察到更高的暴露量，有 41 亿人暴露。这些数字与参考文献 25 的降温差距估计一致，后者估计 2050 年将有 2-50 亿人。有趣的是，我们观察到 SSP5（85） 是气候最暖的情景，预计将是全球适应降温赤字最小的未来，为 24 亿。虽然这是经济高速增长的结果，但这也意味着那些无法使用空调的人将面临最明显的高温暴露，如图 1 所示。该图可视化了全球和世界每个主要地区的人口的累积比例（以 CDD yr-1 量化），这些人在所考虑的四种情景中估计到 2050 年不会患有 AC。此外，差距数字的增加或仅适度减少是由高度暴露但适应能力受限地区的预期全球人口增长来解释的，这可能部分或更多抵消了全球空调普及率的预期增长。因此，匮乏正在并将越来越多地集中在非洲和南亚。相对而言，这意味着到 2050 年，与目前估计的 25 亿人（占全球人口的 35%）相比，生活在 CDD 暴露量高于其区域人口加权平均值的地区的全球人口中有 36% [情景范围：30-51%] 预计将保持没有 AC。因此，虽然受全球适应降温赤字影响的人口比例将或多或少保持不变（在情景-均值路径中），但从绝对值来看，它将增加 5 亿人 [−100 +16 亿]。当聚合到全局级别时，对中间道路情景的网格预测（按每个网格单元的家庭数量加权）导致全球预计的空调普及率从目前的 27% 上升到 41% 的情景中位数。到 2050 年，配备空调机组的家庭将从 6.2 亿增加到估计的 9 亿中位数。空调可用性的提高意味着能源使用量和相关环境影响的激增。我们预测全球住宅交流用电量。从 2020 年估计的 1220 太瓦时 yr-1 增长到 2050 年的 1940 （1590-2377） 太瓦时 yr-1。而在全球范围内，轨迹大多是线性的。比较了AC的采用和使用的预期增长率），在特定地区，如东亚和太平洋，我们已经见证了AC的普及和使用在2020年代的非常迅速的增长，而在其他地区，主要是撒哈拉以南非洲和南亚，这种激增被推迟到接近2050年的几十年。这可能是获得 AC 的可用收入水平出现转折点的结果。事实上，对未来活性炭吸收和利用增长的驱动因素的分解分析。研究表明，尽管存在一些情景异质性，但支出增长具有最大的相对重要性，其次是社会人口驱动因素。气候变化的作用虽然相关，但更为微不足道，这与之前的证据一致。图 5：住宅空调 （AC） 用电量和随之而来的温室气体排放的区域汇总轨迹除了地理异质性外，我们的结果还表明情景差异如何显著影响 AC 吸收和能源使用预测。情景 SSP1（26） 和 SSP2（45） 在大多数地区导致相似的结果，表明不同的气候变化和社会经济增长相互作用如何产生相似的影响情景。另一方面，SSP3（70） 和 SSP5（85） 显示出完全不同的结果，无论类似的隐含辐射强迫如何。由于 SSP3（70） 是区域竞争、经济停滞和人口高速增长的情景，它导致发展中国家的空调使用率低，而 SSP5（85） 意味着强劲的、化石燃料驱动的经济增长，导致非常高的变暖和高冷却能耗。未来交流电使用的变化将通过额外的温室气体排放反馈全球变暖动态，其方式将受到世界各国脱碳程度的影响。研究结果显示了住宅使用空调的区域 CO2e 电力排放量，2020 年总计 7.97 亿吨 （Mt），根据我们的预测，到 2050 年在 590-1365 公吨之间，其中美洲和亚洲占据了大部分。作为参考，2021 年美国电力部门的排放量为 1551 公吨。因此，我们的估计表明，未来全球交流电的排放量可能超过美国当前总电力排放量的三分之一，几乎相当于美国。有趣的是，我们观察到，在预计电力部门将迅速脱碳的地区，在深度脱碳的情况下，不断增长的交流电利用率可以与排放脱钩 （SSP1（26））。我们的分析表明，人为气候变化和不断变化的社会经济因素的相互作用将决定全球对空调的吸收和利用的急剧增长，以应对高温。我们估计，到 2050 年，拥有空调的家庭比例可能会从 27% 增长到 41% （33-48%），这意味着全球住宅交流用电量将从 2020 年的约 1220 太瓦时/年激增到 2050 年的 1940 （1590-2377） 太瓦时/年。到 2050 年，住宅制冷能源需求的增长可能会使 CO2e 排放量增加到 590-1365 Mt CO2e，除非电力部门按照 SSP1（26） 所述进行深度脱碳。我们的预测与国际能源署 （IEA） 的《冷却的未来》报告基本一致，但略显保守。国际能源署估计，到 2050 年，在全球范围内，至少拥有一台空调的家庭份额将达到约 65%，而我们的预测将达到 SSP5（85） 中近 47% 的家庭，即从目前的 18 亿人增加到约 38 亿人。然而，我们研究中建模的其他情景，如 SSP3（70），其特点是低收入和中低收入国家的低经济增长和趋同以及高人口增长，导致全球 AC 的采用速度明显放缓。此外，在其基线情景中，国际能源署估计，到 2050 年，住宅制冷能源使用量将增加三倍以上，达到近 4000 太瓦时 yr-1。在 IEA 的高效制冷情景中，这一增长减少了约 45%，使 IEA 的数字与我们的住宅交流用电量预测范围一致。发射预测也具有可比性。国际能源署 （IEA） 估计，目前与全球制冷行业相关的CO2 排放量为 11.3 亿吨CO2 yr-1。该估计还考虑了商业和服务部门的冷却，这些部门约占全球冷却能力的一半。因此，我们对 2020 年住宅空调使用二氧化碳排放量的估计一致，为 797 公吨。这些全球汇总数据对全球、区域和国家能源规划以及实现减排目标具有重要的政策意义。并非偶然，在联合国气候变化框架公约 （UNFCCC） 第 28 届缔约方会议 （COP28） 期间，64 个国家（除了一些高度高温的国家除外）签署了全球制冷承诺，其目标是到 2050 年将制冷相关排放量减少 68%，到 2030 年增加可持续制冷的机会，并将新空调的全球平均效率提高一半。尽管有这些雄心勃勃的全球目标，但我们的分析表明，如果要解决制冷和能源贫困和不平等问题，考虑更细致的信息非常重要。我们的地方预测显示，在没有专门政策的情况下，未来空调拥有量和使用量的增长将在地区和收入群体之间高度不均。我们预测的粒度是一项重要贡献，它产生了对政策实施至关重要的规模的新证据。例如，我们表明，在南亚和撒哈拉以南非洲等高度暴露的地区，到 2050 年，空调将只提供给属于最高收入群体的人群（空调可用性 >50%），而绝大多数较贫困的家庭将无法获得。我们预测的高空间分辨率和全球覆盖范围对于揭示世界不同地区和人口亚群中气候适应不平等的未来地理热点至关重要。人均国内生产总值 （GDP） 被认为是 AC 吸收和使用增长的主要驱动力，强调了收入作为自主适应推动因素的巨大相关性，以及对冷却解决方案进行地方监管的必要性。这与能源贫困有关也至关重要——这与对气候变化的适应能力有关——因为适应更高的温度会增加不太富裕个人的能源负担，他们已经将很大一部分收入用于能源服务。关于这些问题，我们研究中提供的详细证据可以通过公共补贴、国际捐助者、建筑和城市规划以及被动式冷却解决方案来促进更公平的冷却解决方案规划以应对热量。事实上，新出现的证据表明，获得冷却是一个系统性的、多维度的问题，它与最近全球气候会议的中心气候变化适应平等的讨论密切相关。Falchetta, G., Cian, E.D., Pavanello, F. et al. Inequalities in global residential cooling energy use to 2050. Nat Commun 15, 7874 (2024). 【知识转载，翻译难免有误，详细查看原文，侵权联系删除】投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
