基于LEAP模型的湖北省能源消耗及碳排放分析

龍　妍，豐文先，王興輝

(1. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北武漢430074；2. 華中科技大學 中歐清潔與可再生能源學院，湖北武漢 430074)

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基于LEAP模型的湖北省能源消耗及碳排放分析

龍妍1,2，豐文先2，王興輝1

(1. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北武漢430074；2. 華中科技大學 中歐清潔與可再生能源學院，湖北武漢 430074)

摘要：LEAP模型是分析區域能源系統的理想工具。構建湖北省LEAP模型，設計基準情景、節能情景、強化節能情景等三種情形，通過對比分析，為湖北省在經濟發展的同時實現節能減碳提供了指導性意見。結果表明單純地從技術進步、能源結構、產業結構、新能源發展等方面無法打破湖北省面臨的碳排放困局。保持GDP增速理性化是碳排放在2030年達峰的重點。

關鍵詞：碳排放；湖北；能源消耗；LEAP

0引言

推動低碳循環發展，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系，實施近零碳排放區的示范工程，建立健全碳排放權的分配制度，經濟的低碳發展將是未來的重要發展方向。湖北省是“中部崛起”戰略的重要省份，自“中部崛起”戰略實施以來，湖北省經濟社會發展速度不斷加快，核心競爭力不斷提升。2010年，湖北省成為首批低碳試點省份之一，能源需求與資源不足矛盾、經濟“高碳”特征明顯、產業結構不盡合理等問題困擾著著湖北省的低碳發展。隨著武漢市加入“C40城市氣候領袖群”、“中美峰會”上中國提出2030年左右二氧化碳排放達到峰值等現實背景的確立，湖北省面臨的低碳壓力越來越大，因此在保持經濟增長的情況下如何削減碳排放成了具有重大現實意義的課題[1]。

隨著二氧化碳大量排放導致的全球變暖問題日益得到人們的重視，有關經濟與碳排放的關系也成為了廣大學者的研究對象。近年來，大多數關于經濟與碳排放的研究方法集中在運用統計和計量的方法來分析經濟發展與碳排放之間的關系，對國家、地區和行業等不同層面能源相關的碳排放量進行核算以及應用STIRPAT計量模型對影響碳排放與能源消費水平的主要驅動因素進行分析[2-5]。以上研究方法大多局限于對單一系統的強調，而能源問題是涉及經濟、環境等多子系統的復雜系統，由瑞典斯德哥爾摩環境研究所開發的LEAP系統一款基于情景分析的能源-經濟-環境綜合建模平臺，在國家層面的中長期能源規劃以及省市層面上的能源供應研究發揮著巨大作用。

1LEAP-湖北模型

LEAP-湖北模型以2012年為基期，預測2013年到2030年湖北省能源消耗和碳排放情況。該模型建立在能源平衡表和相關統計數據的基礎之上，是湖北省能源消費系統的合理簡化，主要包括終端能源消費系統、能源加工轉換系統和資源供應系統。終端能源消費系統涵蓋了第一、第二和第三產業的能源消費情況；能源加工轉換包含了電力輸運損失、火力發電、供熱、煉焦和煉油模塊。資源供應系統根據終端能源消費系統和能源加工轉換系統的計算得出一次能源的需求量。LEAP-湖北各模塊的關系如圖1所示。

圖1　LEAP-湖北模型結構

終端能源消費系統根據終端各部門及子部門的活動水平數據和相對應的能源使用強度計算出湖北省的終端能源消費量。計算原理如下：

(1)

式中：EDk表示k部門的終端能源需求量；ALk,i表示k部門中i子部門活動水平；EIk,i表示k部門中i子部門的能源使用強度。

由于不同部門的不同子部門中活動水平和能源使用強度不同，在預測過程中不同的部門在不同情景中活動水平和能源使用強度不同，使得不同的情景在能耗上有差別。

加工轉換系統主要由煉焦、煉油、供熱、火力發電和電力運輸損失組成。主要投入的一次能源有煤、原油和天然氣，產出的二次能源有電力、柴油、汽油、高爐煤氣等。加工轉換一次能源消耗量的計算原理如下：

(2)

二氧化碳排放源頭主要是終端能源消費系統和能源加工轉換系統中化石能源，因此對于終端能源消費系統，需對一次能源和除電力之外的二次能源進行二氧化碳排放量的核算，不對電力進行核算是因為電力一方面來源于外購電或水電等形式；另一方面電力消費所產生的碳排放量已經核算在能源加工轉換系統中，因此無需在終端對其進行重復核算。而對于能源加工轉換系統而言，只需對其損失的能源量進行二氧化碳核算。

終端能源消費系統二氧化碳核算如下：

(3)

式中：SCk表示k部門二氧化碳排放量；Ek,i表示k部門所使用的第i種能源；Kk,i表示k部門所使用的第i種能源的低位熱值；fk,i表示k部門所使用的第i種能源的排放因子。

能源加工轉換系統二氧化碳核算如下：

(4)

式中：TRCn表示n部門二氧化碳排放量；En,j表示n部門所使用的第j種能源；Kn,j表示n部門所使用的第j種能源的低位熱值；fn,j表示n部門所使用的第j種能源的排放因子；EFFn表示n部門的能源轉換效率[6-10]。

2LEAP-湖北情景設置

為了分析湖北省現有政策及未來應該實行的政策，本文設置兩種情景：基準情景、節能減排情景，節能減排情景包括：產業結構調整子情景、工業節能子情景、能源結構調整子情景、建筑節能子情景和新能源利用子情景。利用這兩種情景分析湖北省現有政策對未來能源消費量和碳排放量的影響，同時為未來湖北省政策選取提供參考。

2.1基準情景主要參數設置

基準情景采用2005-2012年的數據，采用線性擬合的方法對數據進行合理外推，不考慮新政策對未來的影響，即只考慮過去政策對湖北省能源消費和碳排放影響。

(1)終端消費能源強度

如圖2所示為 2005年到2012年第一產業、工業、建筑業和第三產業的終端能源消費強度都能夠滿足一定的線性關系，分別對其進行線性擬合可以得出2020年、2030年等重要節點的參數。

(注：GDP為2005年可比價)圖2　2005-2012年終端消費能源強度

(2)產業結構

2005-2012年產業結構如圖3所示，可以看出第一產業、工業、建筑業和第三產業都能夠用線性關系來近似表示，因此對其進行線性擬合可得到2020年、2030年等節點的參數。

圖3　2005-2012年產業結構

(3)主要參數設置

基準情景核心參數設置如表1所示。

表1　基準情景核心參數設置

2.2節能情景主要參數設置

節能情景是對湖北省未來技術能力、產業結構、能源結構等的合理預期，與基準情景相比，經濟增長量保持不變，單純地從萬元產值能耗、產業結構和能源結構等手段上模擬湖北省能源消費的發展。核心參數設置如表2所示。

(1)產業結構調整

湖北省產業結構不夠合理，第二產業所占比重過大，超過了地區生產總值的50%，所以現今產業結構調整的主要方向是第二產業向第三產業特別是高新技術產業的轉化，加快淘汰落后產能。國際成熟經濟體第三產業所占比重大約為70%，因此本文假定到2030年湖北省第三產業所占地區生產總值的比重為60%，而第二產業所占地區生產總值的比重逐年下降。

表2　節能情景核心參數設置　%

(2)工業節能

根據《湖北省人民政府關于印發湖北省地毯發展規劃(2011-2015)的通知》，2010年湖北省工業單位生產總值能耗比全國平均值高出14.4%，工業能源消費量占全社會能源消費總量的67.7%，工業增加值占地區生產總值的42.1%，到2015年全省單位生產總值能耗比2010年下降16%，本文假定2015年以后工業生產總值能耗繼續小幅縮小，以每年1%的速率下降。

(3)能源結構調整

湖北省“高碳”經濟特征明顯，根據2005-2012年湖北省能源平衡表，煤炭消費占比從2005年的58%增加到2012年的75.2%，經濟的增長嚴重依賴于煤炭等化石能源的投入。在發達國家當中，能源結構占比一般是石油30%-40%，煤炭20%-30%，天然氣20%-30%。

(4)熱電聯產

一般的火電廠效率在30%-40%之間，而通過熱電聯產的方式可以將效率提高到40%-80%。

(5)新能源利用

根據《湖北省人民政府關于印發湖北省地毯發展規劃(2011-2015)的通知》，可再生能源和新能源快速發展，2015年水電裝機容量2 240萬kW，風電規模達200萬kW，太陽能60萬kW[11，12]。

2.3強化節能情景參數

強化節能情景是在節能情景的基礎上根據發達經濟體發展狀況的樂觀估計，與基準情景相比，考慮經濟增長量、萬元產值能耗、產業結構和能源結構等對整個能源消費的發展情況，屬于相對成熟的能源消費模式。核心參數設置如表3所示。

表3　強化節能核心參數設置　%

(1)第三產業占比

國際成熟經濟體第三產業占比大約為70%，在強化節能情景中對湖北省第三產業的發展進行樂觀估計，到2030年其占比達到65%，接近國際成熟經濟體的水平。

(2)GDP增速

強化節能情景GDP增速到2030年低于節能情景中2030年GDP增速一個百分點，為5%。

3結果分析

3.1能源消費總量及能源強度

根據三種情景在LEAP模型中的差異性假設可得出兩種不同的能源消費曲線，其結果如圖4所示。

圖4　三種情景下湖北省能源消費總量

隨著經濟的增長，三種情景下湖北省能源消費總量都呈增長態勢，三者在增長的量上差異很大。基準情景下，湖北省能源消費量從2012年的17 373萬t標準煤增長到2030年的43 405萬t標準煤，年均增長5.22%。而在節能情景中，湖北省能源消費量從2012年的17 373萬t標準煤增長到2030年的34 731萬t標準煤，年均增長3.9%。強化節能情況下，湖北省能源消費量從2012年的17 373萬噸標準煤增長到2030年的27 264萬t標準煤，年均增長2.5%。

基準情景下年平均能源消費彈性系數為0.73，可以看出基準情景下湖北省的經濟發展很大程度上依賴于能源的投入，粗放式增長的本質并沒有得到有效改善。節能情景下年平均能源消費彈性系數為0.55，與基準情景相比有很大改善。但是長遠來看，0.55的能源消費彈性系數依舊偏大，英國、美國等發達國家1981-2002年的能源消費彈性系數分別為0.29和0.25[6]。強化節能情景下年平均消費彈性系數為0.4，與發達經濟體的能源消費彈性系數差距較小。

從萬元地區生產總值能耗的角度來看，如表4所示，三種情景情況下萬元地區生產總值能耗都在下降(2005年可比價)，但是節能情景和強化節能情景的下降速率顯然迅速很多，造成這種現象的原因主要有兩方面內容：一是因為相對于基準情景的第三產業占比來說，節能情景和強化節能情景的第三產業占比有了較大的提高；二是因為火力發電的效率的提高，到2030年節能情景和強化節能情景火力發電通過運用熱電聯產技術將效率提高到了45%。因此從情景對比來看，重點關注產業結構調整和火電技術的提高將會有效地降低能耗。

表4　三種情景萬元地區生產總值能耗　噸/萬元

3.2碳排放總量及其強度

如圖5所示，隨著能源消費的增長，能源活動的碳排放也在增長，但是三種情景下的增長速率是不同的(2012-2030)。

圖5　三種情景下二氧化碳排放量

基準情景下，湖北省碳排放量從2012年的39 943萬t增長到2030年的103 327萬t，年平均增長率為5.4%。節能情景下，湖北省碳排放量從2012年的39 943萬t增長到2030年的74 966萬t，年平均增長率為3.6%。強化節能情景下，湖北省碳排放量從2012年的39 943萬t增長到2030年的57 632萬t年均增長率為2.1%。

基準情景的二氧化碳與能源脫鉤系數為1.03，二氧化碳與經濟的脫鉤系數為0.76；節能情景的二氧化碳與能源脫鉤系數為0.92，二氧化碳與經濟的脫鉤的系數為0.51；強化節能情景下二氧化碳與能源脫鉤系數為0.84，二氧化碳與經濟脫鉤系數為0.34。基準情景下二氧化碳的排放與能源的消耗有很強的關聯性，主要原因是基準情景下能源結構以煤為主；而在節能情景下二氧化碳和能源消耗的關聯性有所減弱，原因在于在節能情景下能源結構較為合理，煤占比下降，天然氣占比上升，同時風能和太陽能也提供了一部分電能。在強化節能情景中，能源結構并沒有改變，而兩個脫鉤系數都有明顯下降。

如表5所示，三種情景下萬元地區生產總值碳排放當量呈下降趨勢，但是下降的速率不同(2005年可比價)碳排放當量。節能情景和強化節能情景的下降速率比基準情景下降速率快，主要原因在于節能情景的能源結構比基準情景的能源結構合理，煤占比下降代之以天然氣，而強化節能情景的產業結構和能源結構都較為合理。

表5　基準情景和節能情景萬元地區生產總值

3.3結果分析

(1)隨著經濟的增長，湖北省能源需求的增加以及碳排放總量的增加是短期內無法改變的趨勢。基準情景、節能情景和強化節能情景都不同程度地呈現出湖北省能源總量向上的一個趨勢。基準情景和節能情景的峰值在2030年之后，而強化節能情景的峰值大概出現在2030年左右。

(2)萬元地區生產總值能源消耗和萬元地區生產總值碳排放在比較長的時間內都呈現為下降趨勢。基準情景下，2020年萬元地區生產總值碳排放比2005年下降了29.3%；強化節能情景和節能情景下2020年萬元地區生產總值碳排放比2005年下降了44.9%，強化節能情景和節能情景能夠很好地完成2020年萬元地區生產總值下降45%的目標。

(3)鑒于目前湖北省的能源結構和產業結構，在未來可預期的技術進步、能源結構和產業結構等條件的限制下，在保持GDP增長不變的前提下完成2030年達峰目標難度很大，要完成碳減排的目標需要減緩GDP的增長速度。

4政策建議

(1)加快產業結構調整，以產業結構調整帶動能源結構調整。

能源結構調整的國外經驗是以氣代煤或以油代煤。湖北省能源消費主要是煤、石油，且能源資源較匱乏，內產或外購的天然氣無法滿足省內的能源需求，這一客觀條件限制了湖北省的能源結構調整，因此湖北省無法單純地依靠能源結構調整來降低碳排放量。相對于第三產業而言第二產業的萬元地區生產總值能耗較大，例如2012年湖北省第二產業萬元地區生產總值能耗為1.32t/萬元，而湖北省第三產業萬元地區生產總值能耗為0.64 t/萬元。因此調整產業結構能夠比較有效地降低整個地區的能耗，從而降低碳排放量。

(2)促進GDP理性增長，摒棄粗放式增長。

經濟的增長很大地依靠能源的投入，根據經濟學原理，GDP每增加一個百分點，其邊際成本會以指數的方式增長。從計算結果上看，節能情景與強化節能情景到2030年碳排放差值為17 334萬t，兩種情景的主要差異在于GDP增長率的設置上，節能情景平均增長率為6.2%，強化節能情景平均增長率為7%。因此適當地放緩GDP增長會減緩能源消耗增長，會促進碳排放總量早日達標。

(3)引進先進的發電技術，促進風能、太陽能等新能源的發展。

目前湖北省水能資源基本開發完畢，急需其他能源填補需求缺口。風能、太陽能等新能源無污染、無碳排放，是理想的替代技術，但由于技術原因在短期內無法大規模運用，因此需要對其加大投入力度從長期的角度促進其發展。而能源需求的缺口主要依靠核電和火電填補，由于核電基本無碳排放，電力生產造成的碳排放主要來自于火力發電過程，因此需要引進先進的火電技術，提升其發電效率，這在一定程度上能夠減緩能源消耗的增長。基準情景下火電效率為29.1%，到2030年碳排放量為32 893萬t，節能情景下火電效率為到2030年為45%，到2030年其碳排放量為17 594萬t，通過提高火力發電的效率可以顯著地減少碳排放量。目前日本火力發電廠可以將效率提高到45%，因此引進先進的發電技術將有利于更好地減少碳排放量[13，14]。

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Analysis of Hubei Province’s Energy Consumption and Carbon Emission Based on LEAP Model

LONGYan1,2，FENGWenxian2，WANGXinghui1

(1.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,SchoolofEnergyandPowerEngineering,Wuhan430074,China;2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,China-EUInstituteforCleanandRenewableEnergy,Wuhan430074,China)

Abstract：As an ideal tool, LEAP model is applied to analyze the complex energy system. By constructing a LEAP-Hubei model, this paper designs three comprehensive scenarios, i.e. the baseline scenario, the energy-saving scenario and the enhanced energy-saving scenario. The results show that the dilemma of the excessive carbon emission could not be shaken off since the measures are only taken from aspects of the improvement of the technology, adjustment of the energy structure and development of the new energy, etc. The development synergistically with clean and renewable energy may achieve a rational increasing of GDP with excessive carbon emissions under control at the same time.

Keywords：carbon emissions; Hubei; energy consumption; LEAP

收稿日期：2016-01-13。

基金項目：國家自然科學基金(51106055)。

作者簡介：龍妍(1975-)，女，副教授，研究方向為能源政策、低碳經濟、節能技術與管理等，E-mail：ly_hust@163.com。

中圖分類號:F061.5；X24

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.001