基于LEAP模型的中國煤炭需求情景分析

高俊蓮 姜克雋 劉 嘉 徐向陽

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區，100083；2.國家發展和改革委員會能源研究所，北京市西城區，100038；3.中國礦業大學(北京)管理學院，北京市海淀區，100083；4.中國礦業大學(北京)資源與環境政策研究中心，北京市海淀區，100083)

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★經濟管理 ★

基于LEAP模型的中國煤炭需求情景分析

高俊蓮1，4姜克雋2劉 嘉2徐向陽3，4

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區，100083；2.國家發展和改革委員會能源研究所，北京市西城區，100038；3.中國礦業大學(北京)管理學院，北京市海淀區，100083；4.中國礦業大學(北京)資源與環境政策研究中心，北京市海淀區，100083)

煤炭作為我國的主體能源，是中國經濟持續、快速發展的基本保障，然而在大氣環境、氣候變化的環境目標及經濟新常態的大背景下，我國能源體系將面臨重大變革，到2050年，我國將實現以低碳為主的能源體系轉型，煤炭作為高污染、高排放的化石能源必然面臨重大挑戰，利用LEAP模型對我國煤炭需求進行情景分析及預測，得出三種不同經濟及環境情境下，我國未來的煤炭需求，對于煤炭行業去產能，煤炭行業技術發展方向及煤化工提出了政策建議，有助于煤炭行業正確認識目前及未來煤炭發展形式，更好地適應及支撐能源系統的轉型。

煤炭需求 LEAP 情景分析

目前我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，2015年我國煤炭生產量占全球煤炭生產總量的47%，消費量占全球煤炭消費總量的50%。據美國能源信息署(EIA)估計，即使在我國提高能源效率以及提高能源與環境可持續發展目標的情景下，到2020年我國煤炭的消費量占總能源消費的比例依然保持63%，到2040年煤炭的消費比例為55%。雖然相對比例有所下降，但是絕對消費量依然將增長50%。我國經濟新常態、大氣環境以及全球氣候變化目標將會替代能源安全成為未來能源轉型的主要驅動因素。近期國際模型研究已經啟動了針對全球氣候變化升溫目標控制在1.5℃的研究，全球將在2050-2060年實現零排放，之后進入負排放。到2050年，我國能源系統將實現以低碳能源為主的能源體系。長期以來煤炭作為我們的主體能源，無論從能源消費總量控制，還是能源消費結構調整，煤炭行業都面臨著重大轉型，同時世界經濟環境處于調整期，經濟復蘇緩慢，由高速增長期進入中低速增長期。在這種大背景下，受產能持續釋放、進口增長加快等因素的影響，我國煤炭市場供過于求、煤炭產業面臨較大壓力。作為煤炭行業，在目前的經濟及能源結構轉型期，只有正確預測和評價未來煤炭的需求，才能更好地適應煤炭的轉型，進而更好地支撐能源系統的轉型。

1 研究方法

1.1 研究工具

煤炭需求的預測方法有很多，常用的方法包括彈性系數法、回歸分析預測法、能源強度法、灰色系統預測法、神經網絡模型等，這些方法只考慮了影響煤炭需求的主要因素，缺乏對煤炭供給及需求系統的詳細刻畫，為了能夠詳細分析我國未來煤炭需求的發展情景，研究煤炭行業未來的發展方向，我們主要采用能源模型定量分析的方法。LEAP模型(Long-range Energy Alternatives Planning System)是由斯德哥爾摩環境研究所開發的自底向上的能源環境分析工具。作為基于情景分析的能源模型工具，LEAP平臺應用范圍廣泛，作為數據庫可提供能源系統綜合信息查詢與分析；作為預測工具能夠對中長期能源供應與需求做出推測；作為政策分析工具，能夠模擬與分析可替代能源項目、投資等政策的經濟與環境效應。LEAP模型已經被190多個國家的政府及學術機構用于能源消費、能源生產和資源開發等領域。

LEAP模型采用自下而上的計算方式，按照資源、需求、轉換的結構設計不同情景下的能源消費模式，分析不同情景下的環境影響。模型為用戶提供了多個模塊，包括能源需求分析、能源轉換分析、交通部門、成本效益分析、技術清單、環境影響評價等。

1.2 研究框架

根據我國煤炭生產和需求的特點，我們構建了基于LEAP模型的CCDM(China Coal Demand Model) 模型。該模型通過外生需求量的驅動來預測未來煤炭生產和能源消費的變化。模型主要包含需求、轉化和資源三個模塊。CCDM模型中，資源模塊定義了一次能源的儲量，一次能源通過轉化模塊里的開采、加工等技術，轉化為可供終端部門利用的二次能源。經過加工轉化的能源被需求模塊中各個子部門使用，滿足工業、農業、服務業、交通運輸及居民生活對能源的終端需求。CCDM模型框圖如圖1所示。

圖1 CCDM模型框圖

CCDM模型分為需求、轉化和資源三個模塊。模型包括了55個部門，涵蓋了下游行業的主要部門。

我們將需求劃分為五大部門對能源的需求，包括：居民部門、服務業、運輸部門、農業部門和工業部門。其中，居民部門分為農村和城鎮；服務業分為餐飲、熱力和電力；運輸部門分為客運和貨運；農業部門分為農產品加工、灌溉和其他；工業部門又分為：鋼鐵、建材、有色、化工和其他工業。其中，鋼鐵包括煉鋼和軋鋼；建材分為水泥、磚瓦、玻璃、石灰四個部門；有色金屬分為銅、鋁和其他有色；化工分為合成氨、電石、煤化工和其他化工；其他工業部門包括造紙、機器制造及其他。每個部門下均考慮各自的生產技術及能耗，原理如公式(1)所示。

Di=Activityi×Technologyik×Intensityik(1)

式中：Di——部門i的能源需求量；

Activityi——部門i活動水平；

Technologyik——i部門k種技術占比；

Intensityik——i部門k種技術的能源強度。

轉換模塊包括：電力輸配、發電、供熱、煉焦、配煤、洗煤(分為無煙煤、煙煤、褐煤)、采煤(分為無煙煤、煙煤、褐煤)部門，每個部門下考慮其對應的技術及能耗。

資源模塊包括模型中涉及的所有一次及二次能源。

1.3 模型參數的設定

需求模塊參數包括各部門、各技術的活動水平(產量)，各種技術的占比以及各技術的能源強度。轉換模塊參數包括各種技術的占比及各技術的能源強度。資源模塊的參數為各種一次能源的資源儲量。數據來源主要是利用IPAC-AIM/技術模型數據，IPAC-AIM/技術模型是IPAC模型組的核心模型，是基于詳細工藝過程描述和技術描述的線性規劃最小成本優化模型。IPAC-AIM/技術模型已經長期應用于我國的能源和氣候變化情景和政策研究，對我國的“十一五”、“十二五”和“十三五”國家的能源目標和氣候變化目標的定量分析提供了研究依據，同時IPAC模型也參與了全球模型研究，保證了參數設定的真實與可靠。

1.4 模型情景的設定

考慮到未來煤炭需求的不確定性，我們在模型中設定三個情景: 高煤炭情景、中煤炭情景、低煤炭情景。三個情景在考慮社會經濟發展、實現國家發展目標的情況下，分別考慮了不同的環境、氣候變化目標、可再生能源發展、清潔煤炭技術發展、煤化工等因素，給出不同的煤炭需求。各個情景采用同樣的社會經濟情景，其不同情景的描述如下。

(1)高煤炭情景。考慮清潔煤技術發展快速，能夠實現國家的大氣環境目標，給煤炭發展提供空間。煤化工發展較為快速，具有競爭力，同時比較弱化氣候變化目標，能夠實現國家提交的氣候變化自主貢獻的目標。

(2)中煤炭情景。實現國家的大氣控制目標，中等程度能源替代，在散煤使用方面將會由于天然氣的使用而大量降低，可再生能源發展較為快速，煤化工競爭力不強。

(3)低煤炭情景。實現進一步的大氣控制目標，天然氣替代散煤進程快，氣候變化實現全球2℃升溫目標，我國需要在2020-2022年左右實現CO2排放峰值。在全球低碳發展的情況下，由于油價長期處于低位，煤化工缺乏競爭力，非化石能源發展快速。

各個情景的主要技術參數如表1所示。

表1 各情景的主要參數與特征

2 模型調試及結果

2.1 模型調試

模型以2014年為基年，時間步長為5年，模擬時間范圍為2015-2030年，由于統計制度與LEAP模型計算口徑略有區別，需要對模型第一個模擬年結果與實際值進行校正，以保證模型預測結果的可信度。故將第一個模擬年2015年與煤炭生產消費歷史數據進行比對，對比數據包括2015年煤炭生產環節(生產總量、進口量、出口量)，消費環節(居民部門、服務部門、交通部門、農業部門及工業部門分部門煤炭消費量)，轉化環節(煤炭洗選、發電、供熱、煉焦、煤制油、煤制氣)。通過模型參數的調試使得模型第一個模擬年值與實際值的絕對誤差在5%之內，確保模型的可信度與精度。

2.2 模型結果

基于模型模擬分析，我們得出以下煤炭情景結果，見圖2。

(1)高煤炭情景。2020年煤炭需求量為42億t，比2014年稍微增長一些，基本處于平臺期。其中煤化工得到一些發展，2020年可以達到2～4億t用煤量。但是存在一定風險，因為如果煤化工與油價有一定的聯動關系，煤化工的發展迅速，一定程度上會導致油價變低，進而再次影響煤化工的發展。隨著我國能源消費增長緩慢，替代能源的增長，2030年煤炭消費量將下降到35.7億t。

圖2 三種不同情景下未來煤炭的需求量

(2)中煤炭情景。2020年煤炭消費量39.7億t，2030年33.6億t。主要考慮煤炭價格維持較低水平，煤炭具有一定的競爭力。同時煤炭消費部門大力推進清潔煤技術，控煤的力度適度同時也能夠實現我國的大氣霧霾近期目標，電力、熱力以及大型工業鍋爐大比例推進高標準煙氣除塵、脫硫、脫硝。散煤使用開始得到控制。

(3)低煤炭情景。2020年煤炭消費量為37億t，比2014年下降近4億t，煤炭占一次能源消費的比重為55%左右。該情景的主要決定因素是可再生能源和核電按照2015年的發展力度到2020年，即2020年水電實現既有目標，光伏達到1.4億kW裝機，風電2.3億kW，核電5000萬kW。這些能源帶來的新增能源為量為4.5億t標煤。2020年天然氣4000億m3，相當于新增能源量2億t標煤。2030年煤炭需求將下降到29億t。

3 結語

作為我國的主體能源，在我國能源系統轉型期間，煤炭行業將面臨諸多不確定性，通過情景分析的方式，對未來可能出現的需求情景進行分析，有助于煤炭行業做好產業調整。

(1)三種煤炭情景中，煤炭的需求量在未來都會有所下降，2014年底全國登記公告煤炭產能為32.5億t，已核準規模4億t，加上超能生產，目前實際產能為44億t，考慮在建、新增產能及進口，2020年我國煤炭生產能力可以達到47～49億t，即使是在高煤炭情景下也存在大量過剩產能。煤炭企業應主動適應經濟新常態，把去產能作為當前核心任務，積極適應和推動減產、限產及淘汰落后產能。

(2)三種煤炭情景中均考慮了清潔發電技術以及IGCC，在中、低情景中CCS技術也被考慮在內，在大氣污染及氣候變化的背景下，煤炭行業必須走向清潔和低碳的發展道路。主要是超潔凈發電技術、IGCC以及CCS。近期由于我國快速推進大氣霧霾行動方案，超潔凈發電技術市場的迅速擴大，導致技術的快速發展，成本明顯下降。IGCC可以實現本地污染物和溫室氣體排放的近零排放，是實現煤炭清潔化利用的重要技術。在氣候變化目標及政策明確的情況下，CCS技術是煤炭行業必須要考慮的技術。

(3)三種煤炭情景中，從長遠看，在去產能的大背景下，煤炭企業應延伸產業鏈，發展煤炭深加工和精細化加工，但因為其受到其他行業的影響，煤化工的發展存在較大不確定性，加之水資源短缺、能耗高、水耗大、環保技術滯后等一系列問題制約了我國煤化工產業的快速發展。鑒于以上原因，今后我國煤化工的發展方向應該集中于提高煤炭利用率和節能降耗技術的研發，有序發展現代煤化工。

[1] Huntingford C，Mercado L M. High chance that current atmospheric greenhouse concentrations commit to warmings greater than 1.5℃Cover land[J].Scientific Reports，2016(6)[2] 徐國政.碳約束下我國煤炭供需研究[J].中國煤炭，2016(3)

[3] 劉衛東，仲偉周，石清.2020年中國能源消費總量預測——基于定基能源消費彈性系數法[J].資源科學，2016(4)

[4] 王立杰，孫繼湖.基于灰色系統理論的煤炭需求預測模型[J].煤炭學報，2002(3)

[5] 時合生，樊愛宛，王巍等.用馬爾可夫殘差修正灰色理論的煤炭需求預測[J].計算機仿真，2011(10)

[6] 胡雪棉，趙國浩.基于Matlab的BP神經網絡煤炭需求預測模型[J].中國管理科學，2008(s1)

[7] Nojedehi P，Heidari M，Ataei A，et al. Environmental assessment of energy production from landfill gas plants by using Long-range Energy Alternative Planning (LEAP)and IPCC methane estimation methods: A case study of Tehran[J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments，2016(16)

[8] 姜克雋，賀晨旻，莊幸等.我國能源活動CO2排放在2020-2022年之間達到峰值情景和可行性研究[J].氣候變化研究進展，2016(3)

(責任編輯 宋瀟瀟)

Scenarios analysis of the coal demand in China based on LEAP model

Gao Junlian1，4, Jiang Kejuan2, Liu Jia2, Xu Xiangyang3,4

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China；2.Energy Research Institute, National Development and Reform Commission, Xicheng, Beijing 100038, China；3.School of Management, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China；4.Resources and Environment Policy Research Center, China University of Mining and Technology，
Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

As the main energy in China, coal has been the basic guarantee for the sustainable and rapid economic development, and will remain the basic guarantee for the energy security in the future. However, under the background of the air quality controlling and the target of the climate change, along with the new economic norm, energy system in China will face major changes. By 2050, China will transform energy system with low carbon energy. Due the high pollution and emission, coal will face a major transformation. We establishes a LEAP model to forecast the coal demand in China, and show three possible demand under different background of economic and environment. Based on the analysis, we give suggestion on capacity compression, the potential direction of technology development and the coal chemical industry to help the coal industry better understand the current and future situation and better adapt the transformation of energy system.

coal demand, LEAP, scenarios analysis

高俊蓮，姜克雋，劉嘉等.基于LEAP模型的中國煤炭需求情景分析[J].中國煤炭，2017，43(4):23-27. Gao Junlian, Jiang Kejuan, Liu Jia, et al.Scenarios analysis of the coal demand in China based on LEAP model[J].China Coal，2017，43(4):23-27.

TD-9

A

高俊蓮(1985-)，女，博士，中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院博士后，資源與環境政策研究中心技術負責人，主要從事能源系統建模研究。