基于系統(tǒng)動力學(xué)的碳排放強度控制研究

唐建榮，郜旭東，張白羽

1 問題的提出

無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，碳減排的施行都會對各國經(jīng)濟造成不同程度的影響。按照《京都議定書》的規(guī)定，發(fā)達國家要在2008～2012年二氧化碳排放與1990年相比平均降低5.23%，這一規(guī)定將意味著發(fā)達國家在2008～2012年間二氧化碳排放零增長甚至是負增長，這勢必會對發(fā)達國家的經(jīng)濟增長產(chǎn)生負面影響。在成熟的減排技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，減排就意味著抑制經(jīng)濟活動，并因此減緩經(jīng)濟發(fā)展速度。而對于發(fā)展中國家而言，能源利用率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平等都與發(fā)達國家有著較大的差距，減排對于發(fā)展中國家的影響更為廣泛。本文所研究的碳排放強度減排是在發(fā)展中國家參與減排的角度上提出的，以中國政府提出的碳強度減排目標為基準，以碳排放強度目標值作為2020年二氧化碳排放總量的約束條件，從系統(tǒng)的角度考慮影響碳排放強度的各種因素，尋找其內(nèi)在邏輯關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，并據(jù)此進行相關(guān)分析，進而為降低碳排放強度提供理論指導(dǎo)。

2 基于系統(tǒng)動力學(xué)的碳排放強度分析

系統(tǒng)動力學(xué)是基于反饋控制理論的計算機技術(shù)，適合于研究復(fù)雜社會經(jīng)濟系統(tǒng)。系統(tǒng)動力學(xué)從系統(tǒng)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)入手，建立SD數(shù)學(xué)模型，運用計算機技術(shù)，按時間步長法模擬運行，一步一步實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)演變過程。

2.1 碳排放強度的因果關(guān)系分析

系統(tǒng)動力學(xué)中的因果關(guān)系圖能夠簡潔的表達出復(fù)雜系統(tǒng)中各變量之間相互作用關(guān)系和相互影響，能夠確定系統(tǒng)動態(tài)模型的范圍。圖1為碳強度影響因素的因果關(guān)系圖。正反饋在系統(tǒng)中的主要作用是將外界干擾所引起的偏差予以放大，負反饋的作用是就是重新建立起該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。碳強度的約束決定了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)水平進步、環(huán)境政策優(yōu)化等一系列二氧化碳減排因素，通過分析其內(nèi)在的因果關(guān)系，我們勾畫出碳強度影響因素的因果關(guān)系如圖（1）。

圖1 碳強度影響因素的因果關(guān)系圖

由反饋回路可以看出，諸多因素共同影響碳強度目標值，降低碳強度是所有因素共振作用的結(jié)果；通過對因果關(guān)系圖的分析，可以進一步獲得影響碳排放強度目標值的系統(tǒng)動力學(xué)流程圖。

2.2 碳排放強度系統(tǒng)動力學(xué)模型

根據(jù)圖1的因果關(guān)系圖可得出碳排放強度系統(tǒng)動力學(xué)流程圖，如圖2。在系統(tǒng)動力學(xué)流程圖中，根據(jù)碳排放強度減排的約束條件模擬了二氧化碳排放總量變化的趨勢、GDP總量變化的趨勢，并得出碳排放強度變化的趨勢。

圖2 降低碳排放強度系統(tǒng)流程圖

由系統(tǒng)流程圖可以看出，影響碳排放強度的因素很多，其中直接影響因素是GDP總量與二氧化碳排放總量，二者直接決定碳排放強度的高低。同樣，碳排放強度通過控制碳排放強度影響因子反作用于能源消費需求，進而實現(xiàn)對二氧化碳排放總量的控制。而能源結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平、人均GDP、能源需求等因素也將影響碳排放強度的高低。系統(tǒng)流程圖通過一系列方程建立了各個因素之間的有機聯(lián)系，真正做到將研究對象置于系統(tǒng)之中，并使碳排放強度的研究結(jié)果更加精確。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果

模擬時間為2005～2020年。根據(jù)系統(tǒng)流程圖中所定義的數(shù)學(xué)模型和結(jié)構(gòu)模型設(shè)置2005年模擬起始時間的部分初始值（原始數(shù)據(jù)及方程見附表）。根據(jù)不同變量的邏輯方程并借助于Vensim軟件模擬了中國2005～2020年二氧化碳排放量及碳排放強度的變化趨勢。

二氧化碳排放量、單位能源二氧化碳排放量、能源消費需求、GDP總量、碳排放強度的模擬數(shù)據(jù)如表1。

3.1 碳排放強度模擬結(jié)果及說明

通過對二氧化碳排放強度系統(tǒng)流程的仿真，本文得到中國2005～2020年單位能源二氧化碳排放量、能源消費需求、二氧化碳排放總量以及GDP總量的模擬數(shù)據(jù)及變化趨勢，見表1所示。其中，單位能源二氧化碳與能源消費需求是為了求出二氧化碳排放總量。根據(jù)二氧化碳排放總量與GDP總量可以模擬碳排放強度的變化趨勢及2020年碳排放強度。

由模擬結(jié)果可知，在保證經(jīng)濟增長的前提下，能源消費需求呈上升態(tài)勢，單位能源二氧化碳排放量明顯下降，這說明碳強度的約束在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與促進技術(shù)進步方面起到了明顯作用。進行碳強度約束后，二氧化碳排放總量的增長速率也趨于減緩，并在2018年達到峰值后逐年降低，符合我國經(jīng)濟發(fā)展的趨勢與我國的基本國情；據(jù)預(yù)測，我國年均GDP增長速率約為9%，而根據(jù)模擬結(jié)果，我國二氧化碳排放強度在2020年為1.38850萬噸/億元，達到了我國政府所承諾的減排目標，這說明碳排放強度約束的減排方式兼顧經(jīng)濟增長與減緩二氧化碳絕對量增長，在不傷害經(jīng)濟增長的前提下實現(xiàn)減排，是一種切實可行的減排方式。

表1 2005～2020年各指標模擬結(jié)果

3.2 模型的有效性

將模擬數(shù)據(jù)與已發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行比較，以驗證模擬的真實性。二氧化碳排放系統(tǒng)流程的仿真主要從二氧化碳排放量、GDP總量、碳排放強度3個指標入手，校驗系統(tǒng)模型與分配總量的擬合程度。如表2所示。

由于二氧化碳監(jiān)測數(shù)據(jù)的滯后性，論文中采集了2005年至2007年的中國二氧化碳排放總量，由仿真結(jié)果可以看出，模擬的結(jié)果與真實結(jié)果的擬合度比較好。在GDP總量模擬數(shù)據(jù)中，模型綜合了2006～2008年之間GDP總量兩位數(shù)的增長速度以及2010～2020年年均增長量為8%的政府預(yù)測，將GDP年增長量最終定為9%，因此2005～2008年所得GDP總量要比實際GDP總量偏小，排除這種影響，模型的運行結(jié)果與最終預(yù)測結(jié)果基本吻合，同時也符合15%的系統(tǒng)動力學(xué)模型的允許誤差，這說明模擬結(jié)果可以真實反應(yīng)實際情景。

表2 二氧化碳排放量、GDP總量、單位GDP碳排放強度誤差分析

4 碳強度約束的減排新思路

中國正處在工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化發(fā)展的新階段，但總體工業(yè)技術(shù)水平落后，政府政策、法律法規(guī)的相對滯后都是阻礙我國低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。經(jīng)濟發(fā)展離不開能源消耗，而碳強度指標約束為我國二氧化碳減排提供了新的思路：

4.1 結(jié)構(gòu)減排

能源結(jié)構(gòu)不合理是制約我國產(chǎn)業(yè)低碳化的關(guān)鍵因素。從模擬結(jié)果可以看出，能源結(jié)構(gòu)的改變將直接影響碳減排的效果。依據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)分析，2050年，終端能源結(jié)構(gòu)的改善在不同減排情景下的減排總量貢獻率上將達到36～44%。我國目前一次能源消費結(jié)構(gòu)以煤炭消費為主，通過對模型的分析，結(jié)構(gòu)減排應(yīng)側(cè)重降低煤炭的消費比重，推進煤炭資源整合；加快電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少火電，重點開發(fā)風(fēng)電、核電、水電等高效能源的建設(shè)，通過調(diào)整高碳行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，將會產(chǎn)生卓有成效的減排效果。

4.2 技術(shù)減排

我國最大的二氧化碳排放來源是固體化石燃料的燃燒，1950年以來，其排放比例一直在總排放量的70%以上，應(yīng)對其減排科技進行重點關(guān)注，側(cè)重關(guān)鍵技術(shù)，加緊對固體化石能源減排科技的研究。模擬結(jié)果也恰好說明了技術(shù)因素影響單位能源二氧化碳排放量，進而影響碳排放強度。技術(shù)減排不單單是對現(xiàn)有技術(shù)進行革新，也應(yīng)當(dāng)對影響氣候變化的相關(guān)技術(shù)做超前研究與引進，包括CCS化石燃料發(fā)電、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）、煤炭超臨界發(fā)電（USCSC）等。

4.3 管理減排

應(yīng)對氣候變化是未來長期面對的事情，這一挑戰(zhàn)的持久性要求減排必須要有完備的管理體系，在管理的角度上實現(xiàn)減排目標。通過有效的管理機制，建立科研平臺、交易平臺，集成研究，切實提高我國碳減排的研究水平，將碳強度減排應(yīng)用到碳交易平臺的建設(shè)中，在管理上做到協(xié)調(diào)應(yīng)對碳減排的科學(xué)布局；協(xié)調(diào)組織碳減排的科研項目及經(jīng)費規(guī)劃；協(xié)調(diào)建立碳減排的人才梯隊；協(xié)調(diào)發(fā)展與國際間的碳減排合作；協(xié)調(diào)完善資料數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)碳減排前沿數(shù)據(jù)共享。在管理減排中，主要包括以下幾種方式的減排控制：

（1）碳預(yù)算減排控制

測算和定量分析經(jīng)濟發(fā)展中的碳排放是減排控制的第一步，碳資源的使用控制預(yù)算是碳減排能否達到目標的重要保證。碳預(yù)算保證了減排政策的針對性強、減排實施的操作性好、減排考核的有效性高。因此，碳預(yù)算應(yīng)結(jié)合區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)與區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的能量流、物質(zhì)流分析，開創(chuàng)區(qū)域性碳排放預(yù)算，為建立我國區(qū)域性碳市場做準備，為我國參與碳交易提供契機，為我國發(fā)展碳貿(mào)易提供數(shù)據(jù)支持。

（2）碳金融減排控制

金融減排是將減排風(fēng)與金融風(fēng)險相結(jié)合，利用成熟的金融風(fēng)險管理手段，通過市場機制、社會與政府的監(jiān)督，將“先污染后治理”變?yōu)椤笆虑邦A(yù)防”，有效地解決了市場失靈的問題。利用金融手段對碳交易市場進行刺激，通過保險、證券以及“綠色信貸”等方式充分發(fā)揮市場機制的作用，提高市場效率，通過“綠色信貸”等手段使企業(yè)提高對減排成本的重視程度，致力于排放端的治理，推行信貸前的減排預(yù)估，對于可能造成污染的企業(yè)不予貸款，使其難以正式投產(chǎn)，在源頭上提高企業(yè)投產(chǎn)門檻，達到減排的目的。

（3）碳政策減排控制

碳強度的政策目標是通過制定符合我國基本國情的減排政策，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以建設(shè)環(huán)境友好型社會，結(jié)構(gòu)低碳型社會為最終目標，在政策減排的實施過程中應(yīng)重點恪守三個原則：首先，綜合治理原則，減排的根本目的是為了我國可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)平衡各種不同的利益與矛盾；其次，自主創(chuàng)新原則，制定鼓勵自主創(chuàng)新的政策，政策應(yīng)以減少排放及適應(yīng)技術(shù)為目標；第三，重點突破原則，對癥下藥，找對關(guān)鍵點做政策突破口，集中力量，重點突破。

（4）碳交易減排控制

碳交易是為鼓勵減少全球溫室氣體排放總量所采取的市場機制。作為管理減排的一個分支，碳交易是市場化控制碳減排必不可少的手段之一。碳交易將二氧化碳排放權(quán)推向市場，讓市場經(jīng)濟主導(dǎo)環(huán)境保護。而碳交易減排控制將碳金融減排控制與實體經(jīng)濟緊密聯(lián)系起來，一方面企業(yè)和項目所產(chǎn)生的減排量通過碳交易市場進入碳金融領(lǐng)域；另一方面，金融資本直接或間接的投資于碳減排的項目或企業(yè)，將無形的金融資本與有形的實體經(jīng)濟連通起來，通過碳交易的市場經(jīng)濟力量引導(dǎo)實體經(jīng)濟減排，達到碳交易減排控制的最終目的。

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