基于系統動力學方法的3E－T結構碳排放分析

朱莉萍 喬 鑫 楊瀚欽 周登文

基于系統動力學方法的3E－T結構碳排放分析

朱莉萍 喬 鑫 楊瀚欽 周登文

目前，我國CO2排放量已居世界第二位，其中75%為能源消費產生。因此低碳化發展已經成為亟不可待的問題，而分析研究影響CO2排放的影響因素必然成為首要解決問題。本文主要就能源－經濟－環境－技術（Energy－Economy－Environment－Technology，3E－T）等幾大因素對碳排放量進行分析。基于系統動力學的方法，尋找3E－S系統中各子系統間的重要影響指標并探究其因果反饋關系，構建3E－T系統協調發展系統動力學模型。并利用LMDI模型對碳排放的主要影響因素進行分解分析，可以算出每個因素對碳排放的貢獻率及碳排放的變化，為政府相關部門的決策者制定可再生能源發展規劃提供理論基礎和科學依據。

目前，CO2作為導致全球氣候變暖的最主要的因素，因此減少CO2的排放也就成為緩解氣候變暖的最主要措施。能源－經濟－環境－技術（Energy－Economy－Environment－Technology，3E－T）等系統間協調發展是影響CO2排放量的主要因素。然而3E－T系統是一個多指標間相互影響、多種不確定性信息相互交織、動態反饋發展的復雜系統。其影響的合力并非是各因素的簡單線性疊加，而是復雜的非線性關系。系統動力學（System Dynamics）則正是處理這類大型復雜多變系統分析、仿真、預測問題的有力工具。

本文主要基于北京3E－T系統結構的整體情況，研究3E－T結構各子系統間的反饋關系，利用系統動力學對影響碳排放的因素進行結構分析，總結出最主要的幾種影響因素，最后通過LMDI模型計算出主要影響因素對碳排放的貢獻率。對政府相關部門的決策者提出合理的改革措施和發展低碳經濟有重要的意義。

基于系統動力學的北京3E－T結構分析

能源子系統

根據對能源系統結構的調查研究和現狀分析，按照系統論的觀點：復雜問題從整體出發，統籌兼顧各方影響因子。本文能源系統特指能源消費系統，研究能源系統的結構調整問題就不可僅限于系統本身而是綜合考慮經濟、人口、科技、環境等諸多因素共同作用下能源系統的運作機制。如圖1所示，選取能源系統主要狀態變量：化石能源消費總量、可再生能源利用率、能源強度、能源效率、能源結構。

經濟子系統

經濟系統是一個復雜的多層次的系統。經濟的變化主要通過國民生產總值來進行衡量，產業結構在經濟系統結構中的影響性比較大，故本文將重點通過產業結構的GDP產值來分析北京的經濟發展趨勢，從而為北京市未來的經濟發展政策及規劃的制定提供科學合理的建議。

在這里我們將經濟系統的組成分為：產業結構、經濟結構、經濟總量、循環經濟發展、經濟發展水平、人均收入等，如圖2所示。

環境子系統

能源作為整個國民經濟的基礎，在保障經濟發展，改善人們生活質量方面在當下和過去很長一段時期都起著決定性作用。然而伴隨經濟的高速發展以及人口的迅速膨脹，化石能源利用過程所產生的大量污染物也正在成為空氣污染、水污染以及環境惡化等問題的元兇。近年來，我國經濟發展迅速，人口密集程度高，對其環境系統進行研究更具有典型意義。

圖1 能源子系統因果反饋圖

圖2 經濟子系統因果反饋圖

圖3 環境子系統因果反饋圖

圖4 技術子系統因果反饋圖

在這里我們將環境系統的組成分為：環境質量、環境政策、二氧化碳排放量、減排成本城市人口密度、人口規模等。

科學技術子系統

當代，科學技術日新月異、迅猛發展，已經成為促進經濟和社會發展的主導力量，以前所未有的姿態改變著人類社會的生產和生活方式。科學技術的發展對能源結構及能源消費有一定的影響，現代新能源技術是柴、煤、油等傳統能源之后用高技術形成的高效、清潔、可再生的現代能源。對能源和環境的影響有著非常重要的作用。

本文我們將技術子系統的組成分為：生產技術改造、科技創新投入、技術水平、R&D經費投入等。

基于系統動力學的碳排放強度分析

碳排放強度的因果關系分析

通過系統動力學方法對3E－T結構進行了因果反饋分析，各系統內部存在的因果關系一目了然，然而系統之間也存在一定的關系。下面就各子系統中的因子來做整體的因果反饋圖。

由反饋回路可以看出，眾多因素影響碳強度的目標值，所以降低碳強度是所有因素共同作用的結果；通過對碳排放因果關系圖的分析，可以得出幾條主要的因果關系反饋鏈。

可得出碳排放影響因素因果關系反饋鏈有：

二氧化碳排放量→+能源強度→+能源結構→+可再生能源利用→—二氧化碳排放量

二氧化碳排放量→+環境質量→+環境政策→+科技創新投入→+技術水平→+能源效率→—二氧化碳排放量

經濟總量→+科技創新投入→+技術水平→+R&D→+產業結構→+經濟發展水平→+經濟總量

圖5 碳排放影響因素因果圖

圖6 碳排放影響因素流程圖

碳排放強度的系統動力學建模

根據圖1的碳排放影響因素因果圖可得出碳排放強度系統動力學流程圖，如圖6。由碳排放影響因素流程圖可以看出，其中影響碳排放強度的因素是二氧化碳排放總量和GDP總量（經濟總量），二者直接決定了碳排放強度的高低，而技術水平、環境政策、能源結構、產業結構等因素也將影響碳排放強度的高低。同樣，通過控制碳排放強度影響因子反作用于能源消費需求，來實現對二氧化碳排放總量的控制。碳排放影響因素流程圖通過一系列方程建立了各個因素之間的有機聯系，做到真正將研究對象置于系統之中，能使碳排放強度的研究結果更加精確。

碳排放因素分解－基于LMDI分解技術

模型構建與分解技術

有關二氧化碳排放的恒等式很多，鑒于我們已通過系統動力學模型對二氧化碳排放影響因素進行了分析，并總結出了主要影響因素，因此我們的關注重點在經濟總量、經濟結構、能源利用效率和能源消費結構對碳排放的影響，本文采用下述恒等式對我國二氧化碳排放軌跡進行分析

其中，i表示第i產業；C表示二氧化碳排放總量，Ci表示第i產業的二氧化碳排放量；E和Ei分別表示能源消耗總量和第i產業能源消費量；Q表示國民生產總值，Qi表示第i產業增加值所占比重；Ti表示第i產業科技投入。分別定義能源強度結構因素EI=Ei/Qi；能源結構因素ES= Ei/E；經濟增長因素QI= Qi/Q。

表1 2002－2012年中國產業碳排放因素分解

在基期和報告期的碳排放量差異可以表示為如下加法模式：

上述分項中分別代表能源強度、能源結構、產業結構、人口數量、技術投入的變動對總的排放水平的影響。

則有公式：

中國碳排放的分解

使用LMDI分解法，計算到各驅動因素對碳排放的貢獻值。能源結構、能源強度、技術進步三項驅動因素對碳排放的影響呈現負向驅動。經濟增長和人口數量是拉動碳排放量的主要因素（如表1所示）。

從表中可以看出能源結構效應和能源強度效應對減排也有一定的貢獻但是貢獻率不大，數據顯示從2002年到2012年分別使二氧化碳排放量減少161.26萬t和760萬t。能源強度的貢獻也不容忽視，一直保持較高的貢獻份額。表1顯示，人口規模的變化和經濟的增長增加了碳排放量。人口數量的變化使碳排放量從2002年到2012年增加了1888.98萬t，經濟增長使碳排放增加了5839.94萬t，成為拉動碳排放最大的增長因子；科技進步對碳排放的增長起了很大的抑制作用，雖然有波動，但是整體呈現負驅動。最后，還可以看出碳排放量在這十年間雖然也有減少，但是大部分年份都在增加，因此減排措施刻不容緩。

結語

本文通過系統動力學方法對影響碳排放的四大系統（即3E－T結構）分別做了結構分析。首先將每個子系統分解為多個因素，做出它們之間的因果反饋圖，然后找出各子系統的主要因子，再通過主要因子做出整體的碳排放因果反饋圖。通過總的因果反饋圖我們可以得出影響碳排放的因素經濟增長、能源強度、能源結構、人口總數、技術進步等。這些都對碳排放起著代表性的作用。然后通過LMDI因素分解模型得出各因子在相應時間段內對碳排放的貢獻值。

社會經濟的飛速發展和人口的迅速增長是影響能源消費增長的主要原因，無論是從國家層面還是地區層面來看，都能得出這個結論，經濟發展的同時要解決與能源消費之間的平衡的問題。北京要因地制宜，根據碳排放的特點制定政策，優化產業結構，促進高效、高附加值、節能、低污染的產業發展，解決經濟發展與能源消費之間的平衡問題。文中的數據也證實了對科技的進步對碳排放的影響是巨大的，北京市應加大對科技的投入，可以有效的實施節能減排。

朱莉萍 喬 鑫 楊瀚欽 周登文

1.華北電力大學控制與計算機工程學院；2.華北電力大學控制與計算機工程學院；3.華北電力大學控制與計算機工程學院；4.華北電力大學控制與計算機工程學院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.003