基于LEAP模型的浙江省能源消费和碳达峰路径规划研究
陈宇光作者简介  宇光，讲师,从事环境经济学研究。

摘要
全国层面的碳达峰碳中和愿景需要分解落实到各个区域。以浙江省为例,将全省能源平衡表作为基础资料,汇总最新出台的各类“十四五”相关规划等政策文件,通过构建能源消费和碳排放LEAP模型,设置基准情景、电气化情景、节能化情景、绿电化情景展开比较研究。结果显示:按照当前的政策力度,浙江省的能源强度下降率能够满足政策要求,但碳峰值将于2031年到达,难以满足“2030碳达峰”愿景。因此,需要按照对比情景的要求,持续推动终端部门节能降耗,深度挖掘电力部门减排潜力,稳妥提高零碳能源应用比例,在全社会开展碳达峰行动。

关键词:碳达峰;能源消费;浙江省;LEAP模型

2020年9月22日,国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上首次提出我国“2030碳达峰、2060碳中和”的目标愿景。自此,实现碳达峰碳中和成为我国政府的重点工作任务之一,在十九届五中全会、中央经济工作会议、全国两会等重要场合反复提及。全国层面的碳达峰碳中和目标需要落实到区域层面,我国“十四五”规划纲要提出:“支持有条件的地方和重点行业、重点企业率先达到碳排放峰值。”作为全面展示中国特色社会主义制度优越性的重要窗口、高质量发展的共同富裕示范区,浙江省深入践行“绿水青山就是金山银山”理念,积极推进气候治理体系和治理能力现代化,通过出台与碳达峰碳中和相关的行动方案、“十四五”规划与政策文件,设置一系列中长期社会、经济、环境指标参数。汇总这些指标参数以进行系统分析,评估浙江省实现“2030年碳达峰”的可能性,以及2035年向碳中和目标前进时的工作基础,这对未来浙江省相关部门完善现有政策参数以及出台新的低碳政策,都具备较强的现实借鉴意义。

一研究综述
参考蔡博峰编制的城市温室气体数据集,浙江省温室气体排放结构中的林业碳汇吸收量与甲烷、氧化亚氮、含氟气体的排放当量总和基本持平,碳排放总量占温室气体总量的95.51%。除工业过程排放外,农业、工业、服务业、交通、居民生活的能源碳排放量总和又分别占碳排放总量和温室气体总量的77.4%、73.93%[1]34-232。陈丽君分析了2005—2015年浙江省温室气体清单,也认为能源消费排放占温室气体排放总量的3/4左右,是核心关键排放源[2]43-47。由此可见,在浙江省应对气候变化工作中,控制能源燃烧相关的碳排放是实现碳达峰碳中和必不可少的一环。

为了探讨未来节能减排方向和政策力度,模拟各种碳达峰碳中和路径,需要进行“能源—经济—环境”(即Energy-Economy-Environment,简称“3E”)建模。目前国际上有多个研究机构开发了各自的3E模型,根据技术路线,可分为“自上而下、自下而上、混合路线”三类。每类模型在结构、功能、方法上有一定相似性。“自上而下”模型多以生产函数为出发点,以能源价格、经济弹性为重点参数,展现各部门受到政策冲击后其均衡状态所发生的变动,适合进行宏观经济政策研究,典型的如可计算一般均衡模型(Computable General Equilibrium,CGE)、气候与经济的动态综合模型(Dynamic Integrated Climate-E-conomy,DICE)等。但是,“自上而下”模型假设市场机制是充分竞争的,能源价格是开放灵活的,这与我国现实情况有一定出入,需要审慎使用。“自下而上”模型以具体技术为出发点,通过对能源需求、能源转换、能源生产进行详细的技术参数设置来进行仿真,只考虑静态的局部均衡,模拟不同政策下不同的能源系统情景路径,典型的有LEAP(Low Emissions Analysis Platform)、MARKAL(Market Allocation)等模型。混合模型既囊括“自上而下”的宏观经济模型,又设置了“自下而上”的能源供需模块,能够综合上述两种模型的优点,但其结构复杂,数据要求较高,典型的如IIASA(InternationalInstituteforAppliedSystemsAnalysis)模型。

目前,评估具体的节能减排措施的替代效应,通常都是采用“自下而上”模型。本文综合考虑研究目的、模型特性、数据可得性等因素,选择LEAP模型进行建模。LEAP模型是由瑞士斯德哥尔摩环境研究所开发的一款用于分析能源政策、气候变化减缓、大气污染物减排的模型。在进入20世纪90年代后,许多国家都采用该模型向联合国报告其气候变化工作。模型根据研究者的研究目的,可选用“关键假设、终端需求、能源转换、资源、非能源排放”等模块,其运算原理是“关键假设”驱动“终端能源需求”发生变动,再根据“能源转换”模块的效率系数,倒推一次能源在转化为二次能源过程的需求量,汇总比较一次能源的本地产量和进口量,实现能源供需规划;在预测能源消费量的同时,计量各部门各品种能源消费所产生的污染物,如二氧化碳、二氧化硫、甲烷、细颗粒物等,从而评估社会经济系统转型所造成的环境影响。

基于LEAP模型的气候变化研究自20世纪80年代就已出现,于90年代开始逐渐推广,目前已经运用于跨国、国家、省级等各个综合层面的低碳转型路径研究,或用于考察交通、建筑、电力、钢铁等各个细分领域新型技术的节能潜力。在地区综合层面的研究中,王克与刘俊伶等对全国层面的低碳转型路径进行了探讨[3]7-17[4]355-366[5]173-179;王春春与王远等对省级层面的碳排放情况进行了预测和考察[6]11[7]3535-3543[8]17。这些前期研究对总体数据的分解方式不同,在建模思路、数据处理、情景假设等方面也各有不同,值得借鉴参考。吴唯、陈丽君使用LEAP模型针对浙江省碳排放进行了情景分析,在吴唯建立的低碳情景和强化低碳情景中,浙江省碳排放于2020年达峰[9]19-24;陈丽君认为,在渐进式减排模式下,浙江省碳峰值出现在2020—2025年[2]43-47。这些前期研究需要结合最新的碳达峰碳中和政策要求,特别是浙江省“十四五”相关规划指标参数,进行后续跟进和更新。



二浙江省能源消费和碳排放 LEAP模型的建构
(一)模型模块设置
1.终端需求模块
建构LEAP模型,首先要考虑终端部门的能耗分解方案,尤其是设置“能源强度”和“活动水平”两个参数,其选取标准为:(1)理论上部门能源消费与该“活动水平”有稳定的线性关系;(2)该“活动水平”的未来值有一定的可预测性。建模实践中有两种方案:对产品同质化水平较高的具体行业,例如钢铁、水泥、电解铝等,研究中通常将产品产量作为“活动水平”;而在汇总水平较高的部门,由于产品、技术、生产过程存在大量异质性因素,研究中通常将经济增加值作为“活动水平”。本文拟统一采用同质化水平较高的国内生产总值数据、常住人口数据作为“活动水平”,并借鉴Kaya提出的恒等式思想,将浙江省终端能耗分解如下:

根据《中国能源统计年鉴》浙江能源平衡表的结构,公式分为两个部分。在公式第一部分中,m 代表六个产业部门:农林牧渔业、工业、建筑业、交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮业、其他;在公式第二部分中,n 代表两大居民部门:城镇居民、农村居民。式中,j代表各部门所使用的7种能源:煤炭、焦炭、油品、天然气、热力、电力、其他能源;GDP、GDPm 分别代表全省生产总值、各产业增加值;P、Pn 分别代表全省常住人口、城镇或农村人口数量;Incn 代表城镇或农村居民可支配总收入;Em 和En、Emj 和Enj 分别代表m 和n 部门所耗用的能源标煤总量、m 和n 部门所耗用的j种能源标煤量。从分解式的分子分母关系可知,模型引入了产业结构、能源密度、能源结构、城镇化率、人均可支配收入等变量,这些变量的历史和未来预测数可以在“关键假定”模块中设定。

2.能源转换模块
在终端需求部门所使用的能源中,煤炭、油品、天然气、其他能源为直接可以利用的一次能源,而焦炭、热力、电力均为需要转换的二次能源,故在“能源转换模块”中设置“输配电、发电、供热、炼焦”四项能源转换流程。焦炭、热力所对应的一次能源均为煤炭;而电力生产则根据浙江省实际情况,设置了火电、水电、风电、光电、核电五种技术,故电力所对应的一次能源有五种。每项流程均设置了效率系数,从而得到能源转换模块因加工转换而损失的能源标煤量,其公式如下:

其中,k 代表四项能源转换流程;Ek 代表所产出的二次能源标煤量;efficiencyk 代表第k 项能源转换流程所对应的效率系数。汇总“终端需求模块”和“能源转换模块”的能源消耗量,即可得到当年整体区域的能源消费量,其公式如下:


3.环境影响设置
通过 LEAP模型的情景模拟,得到各部门各种能源历年的消费量后,即可根据各种能源相应的碳排放系数,计算并汇总区域每年的碳排放量,其计算公式如下:


其中,i代表产生直接排放的部门,包括所有八个终端用能部门、发电和供热两个能源转换流程;j 仍代表能源品类;Eij 代表i部门所消耗的j类能源的标煤量;Emissionj 代表单位标煤的j种燃料的碳排放系数,其值根据各种燃料的折标煤系数、平均低位发热量、单位热值含碳量、碳氧化率计算,各参数参考《中国能源统计年鉴》附录、《综合能耗计算通则》《省级温室气体清单编制指南》等资料。

至此,构建模型所需的理论准备已经完成,浙江省能源消费和碳排放LEAP模型框架如图1所示。模型启用了三个模块:关键假设模块、终端需求模块、能源转换模块。其中,“关键假设”模块中设置的各项指标变量是分析的起点,研究者可以根据政策研究需要,建立基准情景和多个参照情景,从而分析不同政策假定下能源系统的输出结果。

(二)情景设置
情景比较研究是 LEAP模型的核心功能,研究者通常根据“关键假定”中指标参数的历史趋势,构建基准情景,以反映既有政策力度假定下能源系统的未来趋势。本文基准情景的设置依据有1995—2019年浙江省能源平衡表数据、各类浙江省“十四五”规划和其他政策文件,在假定所有政策意图都实现的情景下,描绘未来全省能源消费和碳排放图景。

除基准情景以外,还需根据未来的工作重心,规划重点政策的参照情景。根据模型分解情况,考察能源消耗量相关的因素可知,浙江省区域GDP目标、产业结构、常住人口增量、城镇化率等参数属于社会经济领域较为刚性的指标,其数值变动并不受应对气候变化工作的影响。本文选取了能源结构、能源密度、发电技术比例三个指标,在基准情景的基础上,分别构建了“电气化情景”“节能化情景”“绿电化情景”,这三个参照情景的描述如表1所示。

(三)数据来源和参数设置
鉴于《中国能源统计年鉴》能源平衡表数据的可获得性,以及浙江省各类社会经济规划所覆盖的时间段,本文以2019年为基期,以2020—2035年为预测期,收集模型所需的各类当前和未来数据。

1.产业部门的指标设置
全省GDP的预测参考《2022年浙江省政府工作报告》《浙江省“十四五”规划和2035年远景目标纲要》,设置了5.5%、5%、4.5%三档增速,按照该增速,浙江省将于2033年提前两年完成“2035年远景目标”中关于“地区生产总值比2020年翻一番”的计划。全省产业结构的设置参考《浙江省“十四五”规划和2035年远景目标纲要》《浙江省建筑业“十四五”规划》,作为制造大省,浙江省制造业增加值预计将长期稳定在1/3左右的水平;建筑业增加值的比例在“十四五”期间会维持在5.5%以上。能源密度参数参考《浙江省节能降耗和能源资源优化配置“十四五”规划》,“十四五”期间全省单位GDP能耗降低15%,单位工业增加值能耗下降18%。关于能源结构的设置,《浙江省能源发展“十四五”规划》《浙江省煤炭石油天然气发展“十四五”规划》等提出,未来15年,煤炭标煤比例将由2019年的45%左右下降到25%~30%;油品、外输电力比例在当前20%、10%的水平上小幅下降;天然气比例将由8%上升到15%左右;非化石能源,以光伏、风电为代表,在“风光倍增”等工程的推进下将会取得长足发展,其比例将由20%上升到2035年的36%,成为主要保供能源。

2.居民部门的指标设置
《浙江省国土空间总体规划(2021—2035年)》《浙江省“十四五”规划和2035年远景目标纲要》预计2035年浙江省常住人口将达到7400万人,城镇化率在2025年达到75%,在2035年达到80%。城乡居民人均可支配收入根据《2022年浙江省政府工作报告》的要求,预期将“与经济增长基本同步”;《浙江省新型城镇化发展“十四五”规划》根据“共同富裕示范区”的创建要求,提出城乡居民人均可支配收入比将由2020年的1.96∶1缩小至2025年的1.9∶1,并在2035年进一步缩小至1.6∶1,并且居民人均可支配收入在2035年相比2020年实现翻番。

3.能源转换模块的指标设置
各流程的转换效率系数以2019年浙江省能源平衡表折标煤比例数据为准。在发电流程中,各技术的历年发电量数据来自《中国能源统计年鉴》;装机容量、全社会用电量的当前和未来预测数据来自《浙江省能源发展“十四五”规划》《浙江省电力发展“十四五”规划》。限于篇幅,表2仅列举模型基准情景的部分关键参数。

三LEAP模型能源消费和碳排放情景分析结果
(一)能源消费量情景结果
1.全省能耗情况预测
2020—2035年,预期浙江省社会经济仍处于较快发展阶段,其能耗在中长期仍呈现刚性增长态势,如图2所示。在基准情景中,2019年浙江省终端能耗1.83亿吨标煤,能源加工转换耗能0.40亿吨标煤,两者合计耗能2.23亿吨标煤;至2035年,预计终端能耗增长至2.26亿吨标煤,能源加工转换能耗0.56亿吨标煤,合计2.82亿吨标煤,但每年的增长率下降至0.22%,基本实现与经济增长脱钩;测算区域单位GDP能耗可知,2025年该指标相比2020年预期下降19.41%,足以完成“十四五”规划目标。

在参照情景中,电气化情景由于更多地强调使用电力,而电力作为二次能源,在加工转换和输配电中存在损耗,故总体的能源消费量高于基准情景;节能化情景和绿电化情景分别在终端、转换端节约了能源消费,故总体能耗均低于基准情景,并能够于2030年前实现能耗达峰。

2.终端部门能耗分析
在四个情景下,终端部门的能耗均呈现类似的特征。首先,在绝对数值上,终端能耗处于持续增长状态,但在节能化情景下,由于加强了用能约束,其能耗低于另外三个情景。其次,在基准情景下终端部门耗能结构如图3所示,工业在过去和未来都是消耗能源最多的部门,同时工业领域也是节能减排的重点部门,故其用能比例处于下降通道,预期将会从1995年的72.74%下降到2035年的55.14%。

(二)碳排放量情景结果

1.碳峰值预测
在基准情景下,2026—2030年浙江省碳总量仍呈现小幅上升态势,预期将于2031年达到其最高值4.92亿吨,这与《浙江省应对气候变化“十四五”规划》所计划的“2030碳达峰”目标有较大差距。在电气化情景下,全省碳总量预计于2026年达到峰值4.62亿吨,并在中长期维持稳定。该情景确实能实现率先达峰目标,但与规划中“2035年碳排放达峰后稳中有降”的要求尚有差距。在节能化情景下,各产业部门均提高了单位GDP能耗的下降率,故每一年的能耗均比基准情景低,其峰值4.78亿吨将在2029年达到,能够如期实现达峰目标,且后续碳总量呈持续下降态势。在绿电化情景中,由于电力部门的直接排放占比较高,故电力部门有效的节能减排工作将会极大地促进区域减排,此时全省碳峰值预计为4.74万吨,并于2028年提前达峰,之后由于非化石能源替代工作的强力推进,区域碳排放出现较为快速的下降趋势。

2.碳排放结构分析
从中长期来看,碳排放的结构无论是从部门分解,还是从能源分解,其比例均较为固定。由于我国“富煤贫油少气”的能源禀赋格局,发电和供热部门长期以煤炭为主要能源,且电力和供热设施投资大、资本投资周期长,普遍存在“高碳锁定”现象。各情景下发电部门都是碳排放占比最高的部门,约占50%的比重;工业和交通部门的直接排放,贡献了20%~30%的份额,在碳源结构中排名第三、第四位。从排放对应的能源来看,煤炭是产生碳排放最多的能源,约占70%的份额;油品排名第二,贡献约20%的排放;其余10%的排放来自天然气的使用。

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