基于LEAP模型的湖北省能源消耗及碳排放分析

龙　妍，丰文先，王兴辉

(1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北武汉430074；2. 华中科技大学 中欧清洁与可再生能源学院，湖北武汉 430074)



基于LEAP模型的湖北省能源消耗及碳排放分析

龙妍1,2，丰文先2，王兴辉1

(1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北武汉430074；2. 华中科技大学 中欧清洁与可再生能源学院，湖北武汉 430074)

摘要：LEAP模型是分析区域能源系统的理想工具。构建湖北省LEAP模型，设计基准情景、节能情景、强化节能情景等三种情形，通过对比分析，为湖北省在经济发展的同时实现节能减碳提供了指导性意见。结果表明单纯地从技术进步、能源结构、产业结构、新能源发展等方面无法打破湖北省面临的碳排放困局。保持GDP增速理性化是碳排放在2030年达峰的重点。

关键词：碳排放；湖北；能源消耗；LEAP

0引言

推动低碳循环发展，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，实施近零碳排放区的示范工程，建立健全碳排放权的分配制度，经济的低碳发展将是未来的重要发展方向。湖北省是“中部崛起”战略的重要省份，自“中部崛起”战略实施以来，湖北省经济社会发展速度不断加快，核心竞争力不断提升。2010年，湖北省成为首批低碳试点省份之一，能源需求与资源不足矛盾、经济“高碳”特征明显、产业结构不尽合理等问题困扰着着湖北省的低碳发展。随着武汉市加入“C40城市气候领袖群”、“中美峰会”上中国提出2030年左右二氧化碳排放达到峰值等现实背景的确立，湖北省面临的低碳压力越来越大，因此在保持经济增长的情况下如何削减碳排放成了具有重大现实意义的课题[1]。

随着二氧化碳大量排放导致的全球变暖问题日益得到人们的重视，有关经济与碳排放的关系也成为了广大学者的研究对象。近年来，大多数关于经济与碳排放的研究方法集中在运用统计和计量的方法来分析经济发展与碳排放之间的关系，对国家、地区和行业等不同层面能源相关的碳排放量进行核算以及应用STIRPAT计量模型对影响碳排放与能源消费水平的主要驱动因素进行分析[2-5]。以上研究方法大多局限于对单一系统的强调，而能源问题是涉及经济、环境等多子系统的复杂系统，由瑞典斯德哥尔摩环境研究所开发的LEAP系统一款基于情景分析的能源-经济-环境综合建模平台，在国家层面的中长期能源规划以及省市层面上的能源供应研究发挥着巨大作用。

1LEAP-湖北模型

LEAP-湖北模型以2012年为基期，预测2013年到2030年湖北省能源消耗和碳排放情况。该模型建立在能源平衡表和相关统计数据的基础之上，是湖北省能源消费系统的合理简化，主要包括终端能源消费系统、能源加工转换系统和资源供应系统。终端能源消费系统涵盖了第一、第二和第三产业的能源消费情况；能源加工转换包含了电力输运损失、火力发电、供热、炼焦和炼油模块。资源供应系统根据终端能源消费系统和能源加工转换系统的计算得出一次能源的需求量。LEAP-湖北各模块的关系如图1所示。

图1　LEAP-湖北模型结构

终端能源消费系统根据终端各部门及子部门的活动水平数据和相对应的能源使用强度计算出湖北省的终端能源消费量。计算原理如下：

(1)

式中：EDk表示k部门的终端能源需求量；ALk,i表示k部门中i子部门活动水平；EIk,i表示k部门中i子部门的能源使用强度。

由于不同部门的不同子部门中活动水平和能源使用强度不同，在预测过程中不同的部门在不同情景中活动水平和能源使用强度不同，使得不同的情景在能耗上有差别。

加工转换系统主要由炼焦、炼油、供热、火力发电和电力运输损失组成。主要投入的一次能源有煤、原油和天然气，产出的二次能源有电力、柴油、汽油、高炉煤气等。加工转换一次能源消耗量的计算原理如下：

(2)

二氧化碳排放源头主要是终端能源消费系统和能源加工转换系统中化石能源，因此对于终端能源消费系统，需对一次能源和除电力之外的二次能源进行二氧化碳排放量的核算，不对电力进行核算是因为电力一方面来源于外购电或水电等形式；另一方面电力消费所产生的碳排放量已经核算在能源加工转换系统中，因此无需在终端对其进行重复核算。而对于能源加工转换系统而言，只需对其损失的能源量进行二氧化碳核算。

终端能源消费系统二氧化碳核算如下：

(3)

式中：SCk表示k部门二氧化碳排放量；Ek,i表示k部门所使用的第i种能源；Kk,i表示k部门所使用的第i种能源的低位热值；fk,i表示k部门所使用的第i种能源的排放因子。

能源加工转换系统二氧化碳核算如下：

(4)

式中：TRCn表示n部门二氧化碳排放量；En,j表示n部门所使用的第j种能源；Kn,j表示n部门所使用的第j种能源的低位热值；fn,j表示n部门所使用的第j种能源的排放因子；EFFn表示n部门的能源转换效率[6-10]。

2LEAP-湖北情景设置

为了分析湖北省现有政策及未来应该实行的政策，本文设置两种情景：基准情景、节能减排情景，节能减排情景包括：产业结构调整子情景、工业节能子情景、能源结构调整子情景、建筑节能子情景和新能源利用子情景。利用这两种情景分析湖北省现有政策对未来能源消费量和碳排放量的影响，同时为未来湖北省政策选取提供参考。

2.1基准情景主要参数设置

基准情景采用2005-2012年的数据，采用线性拟合的方法对数据进行合理外推，不考虑新政策对未来的影响，即只考虑过去政策对湖北省能源消费和碳排放影响。

(1)终端消费能源强度

如图2所示为 2005年到2012年第一产业、工业、建筑业和第三产业的终端能源消费强度都能够满足一定的线性关系，分别对其进行线性拟合可以得出2020年、2030年等重要节点的参数。

(注：GDP为2005年可比价)图2　2005-2012年终端消费能源强度

(2)产业结构

2005-2012年产业结构如图3所示，可以看出第一产业、工业、建筑业和第三产业都能够用线性关系来近似表示，因此对其进行线性拟合可得到2020年、2030年等节点的参数。

图3　2005-2012年产业结构

(3)主要参数设置

基准情景核心参数设置如表1所示。

表1　基准情景核心参数设置

2.2节能情景主要参数设置

节能情景是对湖北省未来技术能力、产业结构、能源结构等的合理预期，与基准情景相比，经济增长量保持不变，单纯地从万元产值能耗、产业结构和能源结构等手段上模拟湖北省能源消费的发展。核心参数设置如表2所示。

(1)产业结构调整

湖北省产业结构不够合理，第二产业所占比重过大，超过了地区生产总值的50%，所以现今产业结构调整的主要方向是第二产业向第三产业特别是高新技术产业的转化，加快淘汰落后产能。国际成熟经济体第三产业所占比重大约为70%，因此本文假定到2030年湖北省第三产业所占地区生产总值的比重为60%，而第二产业所占地区生产总值的比重逐年下降。

表2　节能情景核心参数设置　%

(2)工业节能

根据《湖北省人民政府关于印发湖北省地毯发展规划(2011-2015)的通知》，2010年湖北省工业单位生产总值能耗比全国平均值高出14.4%，工业能源消费量占全社会能源消费总量的67.7%，工业增加值占地区生产总值的42.1%，到2015年全省单位生产总值能耗比2010年下降16%，本文假定2015年以后工业生产总值能耗继续小幅缩小，以每年1%的速率下降。

(3)能源结构调整

湖北省“高碳”经济特征明显，根据2005-2012年湖北省能源平衡表，煤炭消费占比从2005年的58%增加到2012年的75.2%，经济的增长严重依赖于煤炭等化石能源的投入。在发达国家当中，能源结构占比一般是石油30%-40%，煤炭20%-30%，天然气20%-30%。

(4)热电联产

一般的火电厂效率在30%-40%之间，而通过热电联产的方式可以将效率提高到40%-80%。

(5)新能源利用

根据《湖北省人民政府关于印发湖北省地毯发展规划(2011-2015)的通知》，可再生能源和新能源快速发展，2015年水电装机容量2 240万kW，风电规模达200万kW，太阳能60万kW[11，12]。

2.3强化节能情景参数

强化节能情景是在节能情景的基础上根据发达经济体发展状况的乐观估计，与基准情景相比，考虑经济增长量、万元产值能耗、产业结构和能源结构等对整个能源消费的发展情况，属于相对成熟的能源消费模式。核心参数设置如表3所示。

表3　强化节能核心参数设置　%

(1)第三产业占比

国际成熟经济体第三产业占比大约为70%，在强化节能情景中对湖北省第三产业的发展进行乐观估计，到2030年其占比达到65%，接近国际成熟经济体的水平。

(2)GDP增速

强化节能情景GDP增速到2030年低于节能情景中2030年GDP增速一个百分点，为5%。

3结果分析

3.1能源消费总量及能源强度

根据三种情景在LEAP模型中的差异性假设可得出两种不同的能源消费曲线，其结果如图4所示。

图4　三种情景下湖北省能源消费总量

随着经济的增长，三种情景下湖北省能源消费总量都呈增长态势，三者在增长的量上差异很大。基准情景下，湖北省能源消费量从2012年的17 373万t标准煤增长到2030年的43 405万t标准煤，年均增长5.22%。而在节能情景中，湖北省能源消费量从2012年的17 373万t标准煤增长到2030年的34 731万t标准煤，年均增长3.9%。强化节能情况下，湖北省能源消费量从2012年的17 373万吨标准煤增长到2030年的27 264万t标准煤，年均增长2.5%。

基准情景下年平均能源消费弹性系数为0.73，可以看出基准情景下湖北省的经济发展很大程度上依赖于能源的投入，粗放式增长的本质并没有得到有效改善。节能情景下年平均能源消费弹性系数为0.55，与基准情景相比有很大改善。但是长远来看，0.55的能源消费弹性系数依旧偏大，英国、美国等发达国家1981-2002年的能源消费弹性系数分别为0.29和0.25[6]。强化节能情景下年平均消费弹性系数为0.4，与发达经济体的能源消费弹性系数差距较小。

从万元地区生产总值能耗的角度来看，如表4所示，三种情景情况下万元地区生产总值能耗都在下降(2005年可比价)，但是节能情景和强化节能情景的下降速率显然迅速很多，造成这种现象的原因主要有两方面内容：一是因为相对于基准情景的第三产业占比来说，节能情景和强化节能情景的第三产业占比有了较大的提高；二是因为火力发电的效率的提高，到2030年节能情景和强化节能情景火力发电通过运用热电联产技术将效率提高到了45%。因此从情景对比来看，重点关注产业结构调整和火电技术的提高将会有效地降低能耗。

表4　三种情景万元地区生产总值能耗　吨/万元

3.2碳排放总量及其强度

如图5所示，随着能源消费的增长，能源活动的碳排放也在增长，但是三种情景下的增长速率是不同的(2012-2030)。

图5　三种情景下二氧化碳排放量

基准情景下，湖北省碳排放量从2012年的39 943万t增长到2030年的103 327万t，年平均增长率为5.4%。节能情景下，湖北省碳排放量从2012年的39 943万t增长到2030年的74 966万t，年平均增长率为3.6%。强化节能情景下，湖北省碳排放量从2012年的39 943万t增长到2030年的57 632万t年均增长率为2.1%。

基准情景的二氧化碳与能源脱钩系数为1.03，二氧化碳与经济的脱钩系数为0.76；节能情景的二氧化碳与能源脱钩系数为0.92，二氧化碳与经济的脱钩的系数为0.51；强化节能情景下二氧化碳与能源脱钩系数为0.84，二氧化碳与经济脱钩系数为0.34。基准情景下二氧化碳的排放与能源的消耗有很强的关联性，主要原因是基准情景下能源结构以煤为主；而在节能情景下二氧化碳和能源消耗的关联性有所减弱，原因在于在节能情景下能源结构较为合理，煤占比下降，天然气占比上升，同时风能和太阳能也提供了一部分电能。在强化节能情景中，能源结构并没有改变，而两个脱钩系数都有明显下降。

如表5所示，三种情景下万元地区生产总值碳排放当量呈下降趋势，但是下降的速率不同(2005年可比价)碳排放当量。节能情景和强化节能情景的下降速率比基准情景下降速率快，主要原因在于节能情景的能源结构比基准情景的能源结构合理，煤占比下降代之以天然气，而强化节能情景的产业结构和能源结构都较为合理。

表5　基准情景和节能情景万元地区生产总值

3.3结果分析

(1)随着经济的增长，湖北省能源需求的增加以及碳排放总量的增加是短期内无法改变的趋势。基准情景、节能情景和强化节能情景都不同程度地呈现出湖北省能源总量向上的一个趋势。基准情景和节能情景的峰值在2030年之后，而强化节能情景的峰值大概出现在2030年左右。

(2)万元地区生产总值能源消耗和万元地区生产总值碳排放在比较长的时间内都呈现为下降趋势。基准情景下，2020年万元地区生产总值碳排放比2005年下降了29.3%；强化节能情景和节能情景下2020年万元地区生产总值碳排放比2005年下降了44.9%，强化节能情景和节能情景能够很好地完成2020年万元地区生产总值下降45%的目标。

(3)鉴于目前湖北省的能源结构和产业结构，在未来可预期的技术进步、能源结构和产业结构等条件的限制下，在保持GDP增长不变的前提下完成2030年达峰目标难度很大，要完成碳减排的目标需要减缓GDP的增长速度。

4政策建议

(1)加快产业结构调整，以产业结构调整带动能源结构调整。

能源结构调整的国外经验是以气代煤或以油代煤。湖北省能源消费主要是煤、石油，且能源资源较匮乏，内产或外购的天然气无法满足省内的能源需求，这一客观条件限制了湖北省的能源结构调整，因此湖北省无法单纯地依靠能源结构调整来降低碳排放量。相对于第三产业而言第二产业的万元地区生产总值能耗较大，例如2012年湖北省第二产业万元地区生产总值能耗为1.32t/万元，而湖北省第三产业万元地区生产总值能耗为0.64 t/万元。因此调整产业结构能够比较有效地降低整个地区的能耗，从而降低碳排放量。

(2)促进GDP理性增长，摒弃粗放式增长。

经济的增长很大地依靠能源的投入，根据经济学原理，GDP每增加一个百分点，其边际成本会以指数的方式增长。从计算结果上看，节能情景与强化节能情景到2030年碳排放差值为17 334万t，两种情景的主要差异在于GDP增长率的设置上，节能情景平均增长率为6.2%，强化节能情景平均增长率为7%。因此适当地放缓GDP增长会减缓能源消耗增长，会促进碳排放总量早日达标。

(3)引进先进的发电技术，促进风能、太阳能等新能源的发展。

目前湖北省水能资源基本开发完毕，急需其他能源填补需求缺口。风能、太阳能等新能源无污染、无碳排放，是理想的替代技术，但由于技术原因在短期内无法大规模运用，因此需要对其加大投入力度从长期的角度促进其发展。而能源需求的缺口主要依靠核电和火电填补，由于核电基本无碳排放，电力生产造成的碳排放主要来自于火力发电过程，因此需要引进先进的火电技术，提升其发电效率，这在一定程度上能够减缓能源消耗的增长。基准情景下火电效率为29.1%，到2030年碳排放量为32 893万t，节能情景下火电效率为到2030年为45%，到2030年其碳排放量为17 594万t，通过提高火力发电的效率可以显著地减少碳排放量。目前日本火力发电厂可以将效率提高到45%，因此引进先进的发电技术将有利于更好地减少碳排放量[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。

基金项目：国家自然科学基金(51106055)。

作者简介：龙妍(1975-)，女，副教授，研究方向为能源政策、低碳经济、节能技术与管理等，E-mail：ly_hust@163.com。

中图分类号:F061.5；X24

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.001