基于系統動力學的沈陽市工業碳排放研究

蔣雪嬌，佟 巖，張景欣

（沈陽大學經濟學院，遼寧 沈陽 110041）

1 研究背景與文獻綜述

改革開放以來，隨著我國經濟的快速增長，能源消耗日益增長，碳排放問題突出，中國在2020 年的氣候雄心峰會上承諾：2030 年在碳減排層面，中國單位國內生產總值CO2排放量將比2005 年下降65%以上，CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，2060 年前實現碳中和。

實現碳減排目標也是沈陽市實現自身可持續發展的必要選擇。沈陽作為中國重要的裝備制造業基地，沈陽工業現已形成以汽車及零部件、裝備制造、電子信息、醫藥化工、農產品深加工、民用航空、鋼鐵以及有色金屬深加工為主的八大特色產業，其經濟發展對化石能源消耗具有依賴性，能源消費的擴張不可避免。同時，沈陽市作為國家第三批低碳試點城市，應積極落實低碳理念，響應國家號召，在緩解氣候變化、實行碳減排等方面發揮自我力量。

近年來隨著相關學者的不斷深入，經濟—能源—環境的協調發展成為研究焦點。1992 年Roger 學者在其文章中首次引入能源系統動力學模型，從此該研究方法在學術領域得到不斷的引用和完善[1]。國內外學者主要從國家、區域和行業三個層面進行研究，本文主要側重行業層面。張建慧等將系統動力學模型用于研究政策對行業的影響，并用來預測行業未來發展趨勢[2]，之后學者高倩將其運用到能源領域，用來研究工業企業能源消耗情況[3]，田立新、錢佳玲拓展了其在能源研究領域的研究方法[4]。李紅啟通過引入工業能源系統動力學模型，對相關行業碳排放路徑進行追蹤[5]。蔣蓬陽等在利用系統動力學模型基礎上進行多角度多情景模擬，并完成了相關碳減排政策的仿真實驗分析[6]。劉琦等通過調控相關政策參數值和組合方式將情景模擬不斷完善[7]，楊莉莎等甚至詳細分析了單因素調整到何種程度才能促成碳減排目標的實現[8]，劉琪基于系統動力學模型對天津市碳減排路徑進行了詳細研究，研究發現能源結構的調整對實現碳減排有極大的推動作用[9]。

上述文獻從多方面展開了豐富的研究，取得了許多有價值的成果，為本文研究奠定了良好基礎，但多集中于國家或省域碳排放問題的研究，對地級市碳排放關注少，甚至對東部碳排放預測的研究相對較少。因此本文選取地級市中的典型代表—遼寧省沈陽市，在全面掌握沈陽市工業能源消費和碳排放現狀的基礎上，利用System Dynamics 方法構建沈陽市工業能源消費和工業碳排放系統動力學模型，通過Vensim軟件實現對沈陽市碳足跡系統的仿真實驗分析，探尋沈陽市經濟和環境協調發展模式，同時對沈陽市工業碳排放影響因素進行深入剖析，為沈陽市實現碳減排目標和建設低碳城市提供參考。

2 沈陽市工業能源消費與碳排放現狀

2.1 沈陽市工業能源消費現狀

2020 年，沈陽市擁有902.8 萬人，全年地區生產總值達6 571.6 億元，按可比價計算，比上年增長0.8%，工業生產總值占地區生產總值高達89.9%，這表明沈陽經濟在很大程度上依賴工業發展，而工業的高速發展，預示著大量的能源消費，據最新統計公報顯示，沈陽六大高耗能行業綜合能源消費量占總能源消費量的69.8%。通過對《沈陽市統計年鑒》和《2020年沈陽市國民經濟和社會發展統計公報》的工業能源消費量和工業總產值的數據進行整理，得到沈陽市2010—2020 年工業增加值、工業能源消費總量及工業能耗強度圖，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，2010—2014 年工業增加值逐年上升，年均增長率11.6%，2015 沈陽市工業增加值顯著下降，2016—2020 年趨于平穩。沈陽市2010—2020 年工業能耗強度維持在1%～2%，除2014 年外，整體呈下降趨勢。工業能源最終消耗總量除2014年和2018 年有小幅度回落，整體保持上升趨勢，從2010 年7 044.5 萬t 標準煤增加到2020 年9 467.2 萬t標準煤。2016—2020 年時間段內，工業能源最終消費總量呈現倒“U”形，工業能源消耗高峰區在2016 年之前，2016 之后出現大幅度降低，這是由于沈陽市“十三五”期間，出臺一系列政府文件和措施，通過優化產業結構、推進節能降碳，使得全市工業企業綜合能源消費量持續波動下降。到2018 年降幅超過13%，2018 年由于經濟規模擴大的原因，工業能源消耗量出現反彈趨勢，總體上工業生產總值的變化與沈陽市整體生產總值趨勢一致，說明工業發展對沈陽市的經濟增長發揮著重要作用。

2.2 沈陽市工業碳排放現狀

本文采用IPCC2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 修訂版）（能源卷）中各能源排放計算方法和參數（缺省數據），并結合我國《能源統計年鑒》中公布的相關參數計算，得出相應的能源碳排放系數。最終測算沈陽市九種主要消費能源：原煤、其他洗煤、焦炭、天然氣、汽油、煤油、柴油、燃料油和液化石油氣。沈陽市九種主要能源碳排放系數表，如表1 所示。

表1 沈陽市九種主要能源碳排放系數表

1）缺省凈發熱值。標準煤又稱作煤當量，我國規定標準煤的熱值為7 000 kcal/kg。1 kg 標準煤=7 000×4.186 8 kJ=29 307.6 kJ 標煤熱值，用此把各能源的折標準煤系數轉換為缺省凈發熱值（kJ/Gg）。

2）缺省含碳量。將各能源熱值依照《IPCC 國家溫室氣體排放清單指南》中劃分的燃料類型，得出相關能源的缺省碳含量。

3）碳排放系數。1 kJ 熱值=29.27 kg 標準煤，各能源的碳排放系數（kg/kg 標準煤）為碳含量與29.27 的比值。

工業碳排放主要來源于化石能源的消耗[10]。本文主要對選取的九種主要能源種類進行計算，其碳排放的計算公式如下：

其中：C 為沈陽市9 種能源消費碳排放量；Pi為第i 種能源在能源消耗總量中所占的比例；S 沈陽市能源消費總量；Fi為第i 種能源的碳排放系數。

3 系統動力學模型構建與檢驗

3.1 模型總體結構

能源消費與碳排放系統是社會經濟系統中一個較為具體的部分，本文將前者相關研究基礎與沈陽市工業實際發展情況相結合，確定能源消費與碳排放系統邊界，并分析其因果反饋關系。基于沈陽市經濟發展水平和碳排放現狀及工業能源消耗，所建立工業碳排放預測模型包括四個子系統，分別是以人口為基礎的社會子系統，反映經濟水平的經濟發展子系統，反映能源使用狀況的能源消費子系統以及反映碳排放和財政補貼政策控制的環境治理子系統。

3.2 模型因果反饋關系

本文以沈陽市工業能源消費量和碳排放量實際為依據，通過四個系統構建碳排放仿真系統，實現沈陽工業碳排放的仿真和模擬，六條反饋回路如下：

1）工業GDP→＋R&D 經費投入→＋技術進步→＋能源利用效率→－工業能源消費量→＋工業產值→＋工業碳排放量→＋工業碳排放水平→＋減排成本→－工業總產值→＋工業GDP。

2）工業GDP→＋GDP→＋人均GDP→＋生活水平→＋人口總量→＋全社會勞動力資源總數→＋工業GDP。

3）財政補貼政策→＋能源結構→－工業能源消費量→＋工業碳排放量→＋碳排放水平→－環保水平→＋財政補貼政策。

4）財政補貼政策→＋R&D 經費投入→＋能源利用效率→－工業能源消費量→＋工業產值→＋工業碳排放量→＋工業碳排放水平→－環保水平→＋財政補貼政策。

5）工業碳排放量→－環保水平→＋財政補貼政策→＋能源結構→－工業能源消費量→＋工業碳排量。

6）工業碳排放量→＋減排成本→－工業總產值→＋工業增加值→＋工業能源消費量→＋工業碳排放量。

3.3 系統流圖的建立

在確定各個子系統變量以及因果反饋關系的基礎上，為進一步探尋沈陽市工業碳排放的機理，建立沈陽市工業碳排放的系統動力學流圖，如圖2 所示。流程圖中主要變量有工業增加值，人口總量、工業能源消費量、工業碳排放總量、能源結構影響因子、R&D經費投入因子、人均GDP 對能源需求的影響因子和碳排放強度影響因子。流程圖中各個變量與相關因子通過Vensim 軟件中表函數構建相關方程。

3.4 模型有效性檢驗

本文通過Vensim 軟件對模型進行仿真模擬，沈陽市工業行業主要變量系統仿真結果，如表2 所示。由于系統動力學是基于實際經濟發展水平下的模擬，通過對比驗證2016—2020 年工業GDP，人口總量、工業能源消費量以及工業碳排放總量的仿真結果與歷史數據，平均偏差均控制在10%以內，說明該模型可以用于預測沈陽市的工業碳排放量[11]。

表2 沈陽市工業行業主要變量系統仿真結果

4 系統動力學模型仿真實驗

4.1 情景設定

在國家發改委所確定的第三批低碳城市的峰值目標以及創新重點中，沈陽市的碳排放峰值年被預估為2027 年，沈陽市政府接連下發《節能減排工作要點》，要求降低規模以上工業企業單位工業增加值能耗，大力推進國家低碳試點城市建設。為實現這一目標，沈陽市工業企業必須調整能源結構，加大科技創新投入。以“2030 年，單位GDP 碳排放比2010 年降低30%～40%”為發展目標，本文通過設定能源結構影響因子、R&D 經費投入因子、人均GDP 對能源需求的影響因子和碳排放強度影響因子數值，為沈陽市工業能源消費總量與工業碳排放量預測設置了以下三種情景：

情景1：碳排放強度年均降低3.2%。

情景2：碳排放強度年均降低4.2%。

情景3：碳排放強度年均降低5.2%。

4.2 仿真結果與分析

橫向來看,由圖3 和下頁圖4 可知，三種情境下工業能源消費總量和工業碳排放量隨時間不斷增長。但是縱向來看，情景2 和情景3 的工業能源消費總量和工業碳排放量均低于情景1，這是由于能源結構影響因子、R&D 經費投入因子及其他影響因子的作用。以情景1 作為基準情景，該情景下2030 年沈陽市工業能源消費量達到10 612.2 萬t 標準煤，工業碳排放達到3 613.39 萬t，均呈緩慢上升趨勢。以情景3 作為強約束情景，在強約束情景下，2030 年年沈陽市工業能源消費量達到10 494.6 萬t 標準煤，工業碳排放達到3 247.25 萬t，表明強約束情景工業能源消費總量和工業碳排放量均低于基準情景，這是由于能源結構影響因子、R&D 經費投入因子及其他影響因子的作用。因此，優化工業能源消費結構、加大R&D 經費投入、提高能源利用效率、降低能源消費強度和加大財稅扶持力度，有利于實現低碳減排目標。

5 對策建議

5.1 優化能源消費結構

隨著沈陽經濟持續發展，能源結構性矛盾凸顯，沈陽市作為傳統重工業城市，能源消費和生產結構長期以煤炭為主，要想實現可持續發展就必須優化能源結構，需要著重解決經濟發展瓶頸的制約作用，大力開發可再生能源，如風能、水能、太陽能和地熱能等。針對沈陽市可利用的可再生能源有風能和太陽能。沈陽應運用相關技術水平，充分開發康平、法庫等地區豐富的風能，擴大可再生能源范圍，增加清潔能源占比，實現清潔能源供暖，有利于實現碳排放強度的降低。

5.2 加大R&D 經費投入

貫徹實施創新驅動發展戰略，加大科研創新力度，不斷整合皇姑區科技創新資源，立足自身條件，挖掘強有力的競爭優勢，將渾南科技城打造為全市科技創新的示范區和新舊動能轉換的“發動機”。大力推廣低碳技術科技成果轉化，健全產學研一體化協同機制，深度挖掘高校院所的科技成果，形成產學研聯盟。

5.3 出臺相關財稅政策

在市場主體下充分發揮政府調控職能，通過稅收激勵政策，刺激清潔能源消費，利用技術補貼引導工業提高綠色水平，降低能耗，最終實現碳減排。比如通過提高資源使用稅費，完善資源使用權，明確資源產權管理。根據資源稀缺程度、供求關系和環境成本合理制定資源價格。提高企業污染物排放的違法成本，實行排污收費制度。