優化能源消費結構對河北省碳強度目標實現的貢獻潛力分析

王新利,黃元生,劉詩劍

(華北電力大學 經濟管理系，河北 保定 071000)

0 引言

隨著我國工業化進程的加快，能源需求也日益增長。然而，以煤炭為主的能源消費結構會對環境帶來嚴重負外部性影響，應對環境污染與氣候變暖是全世界面臨的共同挑戰。我國政府2009年提出2020年二氧化碳排放強度比2005年下降40%～45%，為此，中國必須發展低碳經濟。自碳強度目標被提出以來，學術界圍繞如何有效實現碳強度目標展開了相關研究。有學者研究表明，優化能源消費結構不但利于實現能源產業協調發展、保證國家能源安全，同時也能在一定程度上降低碳排放強度。但是，我國地區和資源稟賦發展不平衡，地區間能源消費結構和碳排放水平差異顯著。

河北省地處京津冀經濟圈，是我國經濟大省，也是能源消費大省。習近平總書記親自謀劃和推動的京津冀協同發展，第一次把河北全域納入國家戰略，為河北提供了難得的歷史機遇，同時也是河北省推進結構性調整又好又快發展的寶貴和有利時期。但是，河北省經濟社會發展還面臨著許多矛盾和挑戰。自2001年以來至今，河北省煤炭消耗量一直占能源消耗量的86%以上，二氧化碳排放量也一直居于前列，如此不合理的能源消費結構對生態環境造成了嚴重破壞和影響。因此，優化能源消費結構對實現河北省碳強度目標具有重要的現實意義。優化能源消費結構實現碳強度目標需要解決能源消費結構優化能在多大程度上降低二氧化碳排放強度以及能源消費結構優化對二氧化碳排放強度目標的貢獻程度是多少。

1 文獻綜述

近年來，國內外學者在碳強度研究方面取得了一些成果和進展。其中Shrestha&Timilsina[1]對亞洲12國的電力行業碳強度的研究，視為對碳強度研究的開始。此后，伴隨著我國2009年碳強度目標的提出，碳強度便成為研究熱點之一。

有些學者對碳強度的影響因素和驅動力開展研究。岳超[2]利用我國分省區的化石能源消費數據和美國公布的我國碳排放數據，分析了我國各省區的碳排放強度，指出應從調整產業結構、能源政策改革、發展可再生能源等方面入手，以此實現碳強度目標；李陶[3]等采用非線性規劃方法構建模型，分析了在我國碳強度目標約束下不同省市的減排配額分配方案問題；王鋒[4]等對中國經濟增長中碳強度的下降按照省區貢獻進行分解。何建坤[5]等以美國政府提出的溫室氣體排放強度下降率作為減排目標的建議，對碳排放強度下降率的影響因素進行了分析。陳詩一[6]從因素分解角度分析了我國碳強度下降的模式及其成因；郝珍珍[7]等通過構建行業二氧化碳排放增長驅動力模型證明影響碳排放的主要驅動力是能源強度效應和行業貢獻效應，而產業結構調整短時間內對CO2減排貢獻力不大。林伯強[8]指出在保持經濟增長的前提下應該通過提高能源利用效率來實現碳強度目標；張友國[9]等采用投入產出結構分析法，實證分析了1987～2007年的經濟發展方式對中國碳強度的影響。

有學者以能源結構優化與調整為切入點對碳強度展開研究。王鋒[10]等采用協整技術和馬爾可夫鏈預測了中國碳強度趨勢，分不同情景評估了能源結構優化對實現中國碳強度目標的貢獻潛力；潘任飛[11]等、徐盈之[12]等從優化能源結構的角度分析了碳強度目標的實現問題；范德成[13]等在“十二五”碳強度最小化目標的前提下，以經濟增長、能源供給和技術進步為約束，構建了線性規劃優化模型，預測了未來能源消費結構，計算了能源結構對碳強度和GDP的貢獻潛力。

但我國各省區的碳強度變動、碳排放份額變動、能源強度變動、能源結構調整以及產值份額變動共同決定了全國碳強度的變動[10]，又由于各省區經濟發展和節能減排潛力差異很大，為順利實現全國碳強度目標，需要及時評估不同省區的碳強度。所以很多學者針對不同省份對碳強度展開了研究。王平[14]等采用情景預測、GM(1,1)模型和成分數據模型預測了優化能源結構對廣東省實現碳強度目標的貢獻潛力；何立華[15]等采用組合預測模型以及馬爾科夫鏈模型分別預測了山東省能源消費與能源消費結構，在此基礎上分9種組合情景計算了能源結構優化對山東省碳強度目標的貢獻潛力；王彩明[16]等在預測京津冀區域生產總值(GDP)、一次能源消費總量及一次能源消費結構的演變趨勢基礎上分析了一次能源消費結構調整對京津冀碳強度目標的貢獻潛力。

上述文獻研究發現能源消費結構調整可以有效降低碳排放強度，有助于實現碳強度目標。然而已有文獻更多的是圍繞國家層面展開的，研究結論和政策對不同省份而言不具備普遍適用性。河北省地處京津冀經濟圈，在京津冀納入國家發展戰略之后，河北省碳強度目標的實現直接關系到京津冀碳強度目標實現，乃至國家碳強度目標的實現，然而目前尚未有學者研究河北省能源消費結構對碳強度目標實現的貢獻潛力。基于此，本文將以河北省為研究對象，探討河北省能源消費結構優化對于碳強度目標實現的貢獻潛力，同時在研究過程中，剔除了同樣會對碳強度產生影響的技術因素、產業結構以及經濟結構等因素，使研究結果更有參考價值。本文首先運用情景預測方法預測河北省2020年地區生產總值和一次能源消費總量；其次采用馬爾科夫鏈預測模型預測未來能源消費結構；最后分27種不同組合情景計算碳強度下降幅度以及對碳強度目標實現的貢獻潛力，以期為制定和實施二氧化碳減排政策提供參考。

2 一次能源消費總量與地區生產總值預測

本文數據來源于《河北經濟年鑒》，根據年鑒搜集整理河北省2001～2015年一次能源消費量和GDP數據，建立情景預測模型，以此預測河北省2020年一次能源消費總量和GDP。2005年全國能源消費總量為43億噸標準煤，國家能源局要求2020年我國能源消費總量控制在50億噸標準煤以內，煤炭消費總量控制在41億噸標準煤以內。就河北省而言，2005年全省能源消費總量為2.94億噸標準煤，“十二五”期間累計單位GDP能耗下降25.2%，超過國家下達河北省節能目標(17%)8.2個百分點。河北省“十三五”能源規劃指出，到2020年，全省能源消費總量控制在3.27億噸標準煤左右，單位GDP能耗比2005年下降19%。

圖1 河北省2001年～2015年能源消費總量和地區生產總值及其增長率

2.1 一次能源消費總量預測

有關資料顯示，我國能源消費產生的二氧化碳排放量占據全國排放量的90%以上。河北省是我國能源消費大省，在京津冀一體化發展過程中扮演著非同尋常的角色。所以，本文主要針對河北省能源消費產生的二氧化碳排放進行研究。我國2005年一次能源消費總量為43億噸標準煤，在《能源發展“十三五”規劃》指出2020年我國能源消費總量控制在50億噸標準煤以內，年均增長2.13%。《河北省“十三五”能源發展規劃》中提到，到2020年河北省能源消費總量要控制在3.27億噸標準煤。如圖1所示，河北省能源消費從2001年的12114.29萬噸標準煤增長到了2005年的29395.36萬噸標準煤，年均增幅為6.65%，其中2005年增長率最高為14.34%，2014年首次出現負增長，下降了1.16個百分點，原因是政府實施了煤炭消費減量替代政策，利用優質能源替代煤炭消費，從而減少了煤炭消費，能源消費出現了負增長。根據能源消費總量的歷史變化趨勢以及未來能源消費未來變化趨勢的情景設定，將河北省未來5年能源消費總量增長分為三種情景。維持不變：年增長率為 4.06%；適度控制：年增長率為3%；強化控制：年增長率為2.2%。情景預測方法為：Energy2015+i=Energh2015×(1+r)i,i=1,2,…,5。其中r為Energy的年均增長率，據此計算，河北省2020年一次能源消費總量為：35867.23(維持不變)；34077.28(適度控制)；32774.29(強化控制)億噸標準煤。

2.2 地區生產總值預測

如圖1所示，2001年至2015年間，河北省GDP從5516.76億元增長到了29806.11億元，翻了5倍以上，上升趨勢顯著。其中，2004年環比增長率高達22.49%，2005年最低僅為1.31%，整個期間年均增長率達12.99%。河北省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要中指出，到2020年全省GDP突破4萬億元，發展目標為41800億元，年均增速7%左右。同時，在中國國民經濟和社會發展十三五規劃中指出，2016年至2020年經濟社會發展的主要目標是經濟保持中高速增長，經濟年均增長底線是6.5%以上。基于此，本文借鑒李善同[17]和王峰的研究成果與思路，結合全國和河北省實際發展和所定目標，將未來五年河北省經濟增長速度分為高速、中速和低速三種情景：高速為年均增長率7.5%，中速為年增長率7%，低速為年增長率為6.5%。

GDP預測方法為：GDP2015+i=GDP2015×(1+r)i,i=1,2,…,5。其中r為GDP的年均增長率。 根據情景設定和所建模型，河北省2020年GDP將分別達到：42790.53億元(高速)，41804.61億元(中速)，40836.95億元(低速)。

3 能源消費結構預測

不同的化石能源具有不同的碳排放系數，要計算CO2排放量，還需要預測能源消費結構，本文將采用馬爾科夫鏈模型預測河北省未來能源消費結構。

3.1 一次能源消費結構現狀

能源消費數據來源2016年《河北經濟年鑒》。如圖2所示，2001～2015年期間，河北省煤炭在一次能源消費中比重最高[18]，其中，2003年最高，占比為92.78%，從2009年開始，煤炭比重開始略有下降，2015年下降至86.55%。與此同時，天然氣和非化石能源比重開始逐漸上升，石油消費比重比較平穩。

圖2 河北省一次能源消費結構(2001～2015)

3.2 馬爾科夫鏈模型構建

3.2.1 馬爾科夫過程

如果一個隨機過程{(X(t),t∈T)}在時刻t0所處的狀態為已知，過程在時刻t(t>t0)所處狀態的條件分布只與時刻t0時刻的狀態有關而與過程在時刻t0之前狀態無關，則稱其具有馬爾可夫性。采用馬爾科夫鏈進行預測就是要根據所研究的變量現在的狀態以及其未來變動趨勢，對未來某一個特定期間有可能出現的狀態進行預測。能源消費結構變化有其自身規律和驅動力，能源消費結構變動符合馬爾科夫鏈特點。目前很多文獻也都采用馬爾科夫鏈模型對全國或者某些省份的能源消費結構進行預測。馬爾可夫鏈是隨機變量的一個數列，這些變量的范圍被稱為“狀態空間”[15]。設S為{(X(t),t∈T)}的狀態空間，若對于時間t的任意數值t1

P{X≤xn|X(t1)=x1,X(t2)=x2,…,X(tn-1)=xn-1}

=P{X(tn)≤xn|X(tn-1)=xn-1}

(1)

3.2.2 轉移概率矩陣

在上述轉移概率矩陣中，主對角線的元素表示四類能源消費保持原有份額的概率；主對角線以外的概率元素為轉移概率：其中行元素表示該類能源消費份額向其他類能源轉化的概率，列元素表示該類能源吸收其他類能源消費份額的概率；同時轉移矩陣的每一行元素值之和必須等于 1。

3.2.3 模型建立

(2)

(3)

3.2.4 河北省能源消費結構預測分析

將整理的河北省能源消費結構數據帶入上述構建的優化模型， 計算出一次轉移概率矩陣：

根據上述一次轉移概率矩陣和馬爾科夫鏈預測模型，以河北省2005年一次能源消費結構作為初始變量，可以遞推出2020年河北省能源消費結構：煤炭87.53%，石油5.92%，天然氣3.91%，非化石能源3.07%。預測結果表明，煤炭消費比重在下降，天然氣和非化石能源消費比重在不斷上升，未來河北省能源消費結構將得到改善，會逐步滿足能源規劃的基本要求。

3.3 無規劃約束的能源消費結構

無規劃約束是指不考慮河北省能源發展規劃中制定的能源消費目標對能源結構進行調整，而只是根據歷年能源消費的歷史規律預測未來狀態而得到的能源消費結構，即：煤炭87.53%，石油5.92%，天然氣3.91%，非化石能源3.07%，本文定義此情景為“不調整”。

3.4 有規劃約束的能源消費結構預測

3.4.1 僅實現天然氣目標約束的能源消費結構

2016年9月河北省政府出臺了《關于加快實施保定廊坊禁煤區電代煤和氣代煤的指導意見》，并在河北“十三五”能源發展規劃提到加快推進“減煤、增氣、納新”，調整能源消費結構，將天然氣消費比重由2005年的3.3%提高到10%以上，以此緩解河北省碳減排壓力。本文假設天然氣比重提高是由于代替煤炭所致。根據上述規劃，本文預測2020年河北省僅實現天然氣目標約束的能源消費結構：煤炭為81.01%，石油為5.92%，天然氣10%，非化石能源3.07%，本文定義此種情景為“中幅調整”。

3.4.2 天然氣、煤炭和非化石能源消費目標約束同時實現的能源消費結構

雖然近年來河北省非化石能源消費比例有所上升，但仍然沒有改變“煤炭”的能源消費主導地位。如果政府采取合理措施逐步提高非化石能源的消費比例，勢必會推動河北省進一步碳減排。國家能源“十三五”規劃指出，2020年能源消費目標：非化石能源比重為提高到15%以上，天然氣爭達到10%，煤炭消費爭取降低到58%以下，其中非化石能源和天然氣消費為約束性指標。而河北“十三五”能源發展規劃指出2020年，除了將天然氣比重提升到10%以外，還規定煤炭實物消費量要控制在2.6億噸標準煤以內，非化石能源消費比重要提高到7%，對煤炭和非化石能源的消費目標為約束性目標，并預期2020年一次能源消費總量為3.27億噸標準煤。依此計算，煤炭比重最高為79.5%，假設天然氣與非化石能源提高部分都是對煤炭能源的替代。根據上述規劃，本文預測2020年河北省能源消費結構：煤炭為65%，石油為10%，天然氣10%，非化石能源15%。本文定義此種情景為“大幅調整”。

4 優化能源消費結構對河北省碳強度目標的貢獻潛力分析

本文將能源消費分為煤炭、石油、天然氣和非化石能源四種；采用聯合國政府間氣候變化專門委員會《國家溫室氣體排放清單指南(2006)》推薦的參考方法估算二氧化碳排放量，并在此基礎上計算二氧化碳排放強度；最后評估能源消費結構優化對河北省碳強度目標的貢獻潛力。

4.1 河北省二氧化碳排放量測算

本文根據方法，對碳排放量計算公式如下：

(4)

其中，CO2表示能源消費產生的碳排放量；E代表能源消費總量；Si表示第i種能源消費在一次能源消費中所占比例；Ki表示第i種能源的碳排放系數；碳排放量與CO2的轉換系數為44/12。為了確定不同能源的碳排放量，還需要確定各種能源的二氧化碳排放系數，由于目前各機構確定的排放系數不同，本文將采用中國國家發展和改革委員會能源研究所推薦的碳元素排放系數[19]，即煤炭、石油、天然氣、非化石能源的碳排放系數依次為：0.7476、0.5825、0.4435、0。河北省2001～2015年各年二氧化碳排放量以及其增速、GDP增速如圖3所示。

圖3 河北省2001～2015年CO2及CO2、GDP增長率

本文設定了三種經濟增長情景(高速、中速、低速)、三種能源消費增長情景(維持不變、適度控制、強化控制)、三種能源消費結構調整情景(不調整、中福調整、大幅調整)，將每一種情景進行組合可以組合成27種不同情景。在對河北省能源消費總量和消費結構預測的情景上，根據碳強度計算公式，可以計算出2020年27種組合情景下一次能源消費的碳強度，結果見表2。根據表2結果，進一步計算與2005年相比各種情景下碳強度的下降幅度，具體見表3。表1和表2計算結果表明：在預測的2020年各種情景下，河北省的碳強度與2005年碳強度相比均發生了下降；在對一次能源消費總量的控制力度以及一次能源消費結構調整幅度相同的情景下，河北省碳強度的下降幅度隨著經濟增速增加而增加；在對一次能源消費結構調整幅度和同樣的經濟增長速度情景下，河北省能源下降幅度隨著對一次能源消費總量控制力度增加而增大。

4.2 能源結構優化對實現碳強度目標的貢獻潛力

由于技術進步和產業結構優化調整等對碳強度降低也有作用，為了更好的分析能源結構優化對碳強度目標實現的貢獻潛力，就要剔除其他因素的影響。基于此，本文的貢獻潛力指的是河北省一次能源結構在不同情景調整下的碳強度下降幅度與不調整狀態作為基準情景對應的碳強度下降幅度的差值與碳強度目標值之間的比值。我國碳強度目標是到2020年，單位GDP二氧化碳排放量較2005年下降40%～45%。以2005年不變價格為基礎，計算的2005年河北省碳排放強度為1.47t/萬元。根據設定的貢獻潛力計算方法，進一步計算出調整優化能源結構對實現碳強度目標的貢獻潛力，具體見表3。

表1 各情景中碳強度預測結果 t/萬元

表2 各情景中碳強度的下降幅度 單位：%

表3 優化能源結構對實現碳強度目標的貢獻潛力 單位：%

表2和表3結果表明，在相同經濟增長速度和能源消費總量控制情景下，河北省碳強度的下降幅度隨著能源結構調整幅度的增大而增大，對實現碳強度目標的貢獻潛力也越大；在相同的一次能源消費結構調整的情景下，河北省的碳強度下降幅度隨著經濟增速的增加而增加，對實現碳強度目標的貢獻潛力也越大。以經濟中速增長的情景為例，假設以不考慮國家和河北省中長期能源發展規劃中對能源結構的調整目標作為基準情景，在能源消費實行適度控制時，僅實現天然氣消費目標的引導的“中幅調整”情景下，2020年碳強度與2005年相比下降幅度為61.56%，對河北省碳強度目標實現的貢獻潛力為2.7%～3.1%；而同時實現天然氣和非化石能源消費目標的引導“大幅調整”情景下，2020年碳強度與2005年相比下降幅度為66.94%，對河北省碳強度目標實現的貢獻潛力為14.7%～16.5%。

5 結論

通過研究發現，能源消費結構優化對于是降低碳強度目標的有效措施。河北省一次能源消費結構進行不同幅度的調整對實現碳強度目標具有不同程度的貢獻潛力。不同的經濟增長情形、不同幅度的能源結構調整和不同的能源消費總量的控制力度，都會在一定程度上降低河北省碳強度，對碳強度目標實現具有一定的貢獻潛力。主要結論如下：

(1)在一定的經濟增長速度和一次能源消費總量控制下，河北省碳強度下降幅度隨著一次能源消費結構的調整幅度增大而增大，一次能源結構調整對實現碳強度目標的貢獻潛力也逐漸增大。表3顯示，能源消費結構“大幅調整”所實現的碳強度“下降幅度”和“貢獻潛力”分別大于在能源消費結構“中幅調整”和“不調整”時對應的結果。在同樣的能源調整結構情景中，經濟高速增長實現的碳強度“下降幅度”和“貢獻潛力”，分別大于經濟“中速”和“低速”情景下實現的“下降幅度”和“貢獻潛力”。在一定的經濟增長速度和同樣的一次能源結構幅度調整情形下，河北省碳強度下降幅度隨著一次能源消費總量的控制力度增大而增大，這說明了一次能源消費結構的調整對實現碳強度目標的貢獻潛力在減小；在相同的一次能源消費結構的調整幅度和控制力度情景下，河北省碳強度下降幅度伴隨經濟增長速度減小而減小，說明一次能源消費結構對其實現碳強度目標的貢獻潛力在增大。這與王峰等[10]在研究中國能源消費結構調整對碳強度貢獻潛力評估和王彩明[15]研究京津冀一次能源消費結構調整對碳強度目標實現的貢獻分析得出的結論是一致的。

(2)在本文組合的27種情景中，河北省一次能源消費結構調整對碳強度均有不同程度的下降，對碳強度目標實現的貢獻潛力程度也不盡相同。其中，在經濟高速增長、一次能源消費結構大幅調整以及對一次能源消費總量進行強化控制的情景下，河北省碳強度2020年與2005年相比，下降幅度最大，為68.93%(見表2)；在經濟低速增長、一次能源消費結構大幅調整、一次能源消費總量維持不變的情景下，河北省一次能源消費結構調整對實現2020年碳強度目標的貢獻潛力最大，為16.0%～17.8%(見表3)。

(3)影響碳強度變動的因素很多，而本文僅考慮了優化能源消費結構對河北省碳強度的下降幅度和對碳強度目標實現的貢獻潛力，因此，研究結論僅對采取優化能源消費結構政策實現碳強度目標提供一定情景量化參考。正如前文所述，優化能源消費結構只是實現碳強度目標的有效措施之一，要想完全實現國家提出的2020年的碳強度目標，政府部門必須同時采用一系列配套的行之有效的對策。