基于LEAP模型的林浆纸产业碳排放情景模拟

吴晓珍，景晓玮，赵庆建

（南京林业大学 经济管理学院，南京210037）

1 概述

最近世界气象组织发布的《2018年全球气候状况声明》显示，2018年全球的二氧化碳排放量比上年增加了1.6%，全球温室气体浓度创下纪录，导致海平面上升，南北两极冰面消融，而这一趋势在2019年仍将持续。面对如此严峻的事实，人类应对全球变暖的努力赶不上气候变化的速度，必须尽快找到可持续的解决方案。我国的经济体量大、增速快，作为温室气体排放大国，必须切实当前的经济发展状态，找到一条绿色经济的可持续发展道路，以负责任的姿态履行发展低碳经济的承诺。在此背景下，碳排放的影响因素、碳排放的潜力预测等方面受到了国内外学术界的广泛关注，主要的研究思路围绕因素分解法以及计量经济学两种展开。在研究碳排放影响因素方面，主要有Dietz等在Kaya模型基础上建立的IPAT方程的随机模型——STIRPAT模型；灰色关联度分析、对数均值迪式分解法LMDI以及向量自回归VAR模型。在碳排放的潜力预测方面，主要有基于长期能源替代规划系统模型LEAP的情景分析、蒙特卡洛动态模拟研究等。

LEAP模型是一种能对能源系统进行情景分析和计算的能源技术模型。目前LEAP模型得到了国内外许多学者的应用。于灏[1]等通过利用LEAP模型构建了北京市客运交通能源环境模型，测算了北京市在未来不同政策下CO2的排放趋势，最后认为改善交通结构并限制私家车的使用对降低北京市客运交通能源需求和CO2排放起很大作用。杨顺顺[2]通过构建长江经济带分区域碳排放LEAP模型，核算了现状排放量，并对2015-2030年碳排放变化进行情景分析，结果表明长江经济带空间上东部区域排放占比最高，贡献源上以终端能耗碳排放为主，并指出2030年左右碳排放将达到峰值，中部区域将成为碳排放的最高板块。刘艳艳[3]运用LEAP模型对江西省2010-2030年的交通运输业排放进行预测分析，结果表明必须将不同的能源合理分配到交通运输的各个部门中，才能缓解能源供应压力，减少碳排放。国外学者Di.Sbroiavacca等[4]利用LEAP模型评估各种气候变化控制政策对阿根廷2010-2050年期间的一次能源消耗、末端能源消耗、电力部门发展和能源部门的CO2碳排放影响。Safaai等[5]采用LEAP模型对马来西亚的电力部门、交通运输部门、工业部门和建筑部门的CO2排放进行预测分析，结果表明2020年马来西亚的碳排放量将达到2.853亿t，且电力部门是最大的碳排放行业，约占43.4%。

对于林浆纸产业碳排放的研究，赵庆建、温作民等[6]基于林浆纸供应链的多次层次投入产出模型，建立隐含碳流与碳排放模型，对各层次和部门的隐含碳流与碳排放进行计算和描述，找出了热点碳排放源与碳流路径，帮助企业从生产系统优化、设备技术改造、新能源替代、低碳原材料使用等方面探索可持续发展的路径。陈诚和邱荣祖[7]基于我国制浆造纸工业特点，从供应链的视角对我国制浆造纸工业的能源消耗和碳排放量进行估算，提出了一种在遵守IPCC指导方针的前提下，既能区分进口和国产不同的供应链投入，也能考虑到供应链上能源原料本质及多用性的计算方法。Shabbir I，Mirzaeian M[8]从节能减排的视角对巴基斯坦的制浆造纸工业的能源效率与CO2减排潜力开展研究，结果表明，热电联产技术能够实现相当于轧机实际热能需求16.9%的节能潜力，使目前的碳排放水平降低14.3%。

根据对国内外相关文献的分析，可以发现已有的研究多是针对工业中如交通运输业、电力部门等高污染、高排放的某些公众熟知的行业开展，林浆纸行业也是一个高能耗、高排放的行业，但是由于其更具有专业性，技术和管理领域也不为公众熟知，针对该行业碳排放的深入研究也相对缺乏。基于此，本文对中国林浆纸行业的能源需求与碳排放开展了调研，以2016年为基准年，设定了1个碳排放基准情景和缩减产能、技术推广以及碳交易市场3个碳减排政策情景。从宏观经济视角出发，采用情景分析法，运用LEAP模型模拟各情景下的能源需求与碳排放情况，旨在为我国林浆纸产业发展节能减排寻找一条可持续发展的道路。

2 LEAP模型与碳排放情景设定

2.1 LEA P模型概述

LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning System)，即长期能源替代规划系统，由美国波士顿大学与斯德哥尔摩环境研究所共同开发，是一种以情景分析法为基础的自下而上分析的能源—环境核算工具。LEAP模型一般基于能源建模软件LEAP实现，LEAP软件包含了能源需求预测、能源转换、生物质资源、环境影响预测及成本分析等模块，这些模块通常可以互相组合，形成一个或若干个具体的方案。然后通过在模块中建立相应模型、设置相关参数以实现所研究对象对环境的影响以及成本预测等[9]。

相比于其他模型，LEAP具有容易使用、输入数据后自动运算分析的优势，是一个很好的构建能源需求与供给的量化模型，使结果具体化、可视化；同时模型设置了不同情景参数以改变最终结果，方便决策者从不同情景中选择系统最佳方案；另一方面，LEAP模型提供了环境数据库，决策者既可链接使用软件自带数据库，也可以自行输入数据，对研究对象进行费用效益分析，同时优化选择。最后，LEAP模型可以让用户根据现有的能源需求与数据进行能源预测，有助于制定和实施减少温室气体排放、节约能源等能源政策。

2.2 能源需求与C O2排放计算

2.2.1 能源需求

该模块用于预测将来的能源需求。一般需先建立相应的数据结构，数据结构通常包括部门、子部门、终端使用以及设备四个层次。例如，本文的研究部门是工业，则它的子部门就是林浆纸产业，热电站动力锅炉是其中一个终端，而煤锅炉就是终端使用的设备之一。能源需求通常由部门的活动水平以及活动水平所对应的能源强度决定。以下为LEAP模型计算能源需求总量的公式。

上述公式中，EC代表能源消耗总量；ALj，i表示第i个部门的第j个终端能源使用活动水平；EIj，i表示该活动水平下的能源强度。能源强度能反映能源的利用效率，通常指单位经济活动所需要的能源总量，一般用单位的GDP能耗表示。所以能源强度越高，则能源利用效率越低，GDP对能源的依赖也就越大，反之亦然。当对未来经济活动水平进行预测时，LEAP模型提供了内推法、弹性系数法及增长率。

2.2.2 碳排放

本参考联合国政府间气候变化专门委员会发布的碳排放计算指南，用碳排放系数法主要核算林浆纸行业能源活动消耗煤炭、石油、天然气一次电力以及其他燃料产生的二氧化碳排放量。计算公式为:

其中C为碳排放总量；Ci为各种能源的碳排放量，ei为各种能源的消耗量，μi为第i种能源的碳排放系数。各种燃料的碳排放系数见表1

表1 各种燃料的碳排放系数

2.3 林浆纸企业碳排放情景设定

2.3.1 宏观经济假设

近几年，我国经济增速显示出下滑迹象，在2016年我国国内生产总值达到74.4万亿元，比上年增长6.7%，增长率创下1990年以来最低；在2017年，我国经济连续10个季度稳定在6.7%-6.9%区间内，依然存在很明显的经济增长压力；在2018年，我国国内生产总值同比增长6.6%，创28年新低。对于未来中国经济会保持在多高的增长水平上，国际货币基金组织、国务院发展研究中心“中长期增长”课题组、中国社会科学院“中国经济增长前沿”课题组以及中国社会科学院的蔡昉教授都进行深入思考与研究。国际货币基金组织（2017年）发布的《世界经济展望》中预测中国2017-2022年各年分别增长6.58%、6.17%、6.00%、5.90%、5.80%和5.70%。Pritchettand Summers[10]认为中国经济增长率在2013-2023和2023-2033年期间达到5.01%和3.28%。陆旸和蔡昉[11]认为中国在2016-2020年、2021-2025年、2026-2030年、2031-2035年、2036-2040年、2041-2045年和2046-2050年的潜在增长率分别为6.600%、5.633%、4.983%、4.540%、3.935%、3.151%和2.474%。易信[12]对我国未来30年经济增长前景进行了预测，结果表明在2049年我国的经济增速将下降至3.1%-4.2%。

本文参考相关文献以及国家“十三五”规划纲要中提出的目标要求，以中国宏观经济变量为出发点，考虑国内生产总值、城市化率、总人口、三大产业比重等因素开展研究，对中国经济的判断与预测，本文假设了设置的各情景中2016-2041年的宏观经济参数，如表2所示。

表2 宏观经济基本假定

2.3.2 情景定义

本文建立了1个基准情景和3个政策情景。政府需建立相应的政策法规来规范管理林浆纸一体化企业，淘汰落后产能，同时积极推广低碳节能技术，提高低碳节能技术的应用率，从技术升级的角度提高企业的能源利用率，从而减少碳排放。4个情景的模拟时间均为2016-2041年，以2016年为基准年，具体情况如下:

①基准情景:以2016年林浆纸企业碳排放为基础参考年，假设企业不采取任何节能减排规划措施，政府不颁布任何改善目标和改进政策，林浆纸产业按自然趋势发展。

②缩减产能情景:假设林浆纸一体化行业按照《十三五总量减排要求对造纸行业发展的影响》的规定，逐步淘汰造纸产业落后产能，制定产业结构调整政策，按照中国经济供给侧改革和节能减排政策进行调控，做好长期碳减排绿色规划。

③技术推广情景:假设林浆纸产业从技术的角度积极思考节能减排措施，并参考《造纸工业节能减排技术指南》中提到的造纸工业流程节能减排技术改进方法，对备料、制浆、碱回收等一系列流程进行技术上的升级或设备上的改造，政府采用“强制+激励”的手段在林浆纸一体化行业中推广指南所提到的节能减排技术。

④碳交易市场情景.市场情景建立在国家颁布的全国性碳排放交易政策之上，在碳排放交易市场的情景中，林浆纸领域的企业不得不积极进行碳减排规划。由于技术落后，很多企业无法完成碳减排指标导致利润受到影响，企业将主动采取降低产量的方式以完成碳减排目标。表3具体描述了各情景的参数:

表3 情景描述与主要参数设定

3 模拟结果分析

3.1 能源需求情景模拟

根据假定的情景，借助LEAP软件进行政策的模拟，可以得出在四种不同的假设情景、下的能源需求。从图1可以看出:中国林浆纸产业能源需求在四种假设情景下都呈下降趋势，其中基准情景下能源需求量由13.9亿吉焦减少到12.5亿吉焦；缩减产能情景下需求量下降到6.6亿吉焦；技术推广情景下能源需求量下降到7.5亿吉焦；碳交易市场情景下能源需求量下降到4.9亿吉焦。综合看来，碳交易市场情景对于林浆纸产业节能减排效果最好。

图1 2016—2041年各情景下能源需求情景

3.2 二氧化碳排放情景模拟

根据假定的情景，借助LEAP软件进行政策的模拟，可以得出在四种不同的假设情景下的二氧化碳排放量。由图2可以看出:二氧化碳排放量在四种假设情景下都呈下降趋势，其中基准情景下排放量由1.27亿t减少到1.14亿t；缩减产能情景下排放量下降到5900万t；技术推广情景下排放量下降到6350万t；碳交易市场情景下排放量下降到3610万t。综合的看来，碳交易市场对于林浆纸产业减排效果最好。

图2 2016—2041年各情景下CO2排放情况

4 结论与建议

4.1 结论

通过建立四种假设的政策情景，采用情景分析法模拟分析政策推行效果，得出以下几点结论:

中国林浆纸产业具有很大的节能减排潜力，政府通过建立节能减排政策对林浆纸产业低碳发展是十分有效的。根据LEAP模型软件模拟的结果可以看出，文中假设的4种政策情景对于节能减排的效果不一，其中碳交易市场政策对于造纸产业节能减排的效果最好，其次为缩减产能政策，再其次为技术推广政策，最后为基准情景。通过排序可以得出:政府如果想通过政策的建立促进高能耗、高排放的林浆纸企业向节能减排的绿色方向发展，应优先考虑建立碳交易市场政策，其次为建立有效化解产能政策或淘汰落后产能政策，最后为推广国内外先进技术政策。

如果政府在林浆纸行业推广《国家低碳节能技术（2017年版本）》中相关的先进节能低碳技术，国内林浆纸产业的能源消耗会大幅降低，且二氧化碳等温室气体的排放也将得到有效控制。通过控制国内林浆纸产业的产能，能够缓解产能过剩的问题，同时可以达到节能减排的效果。落后产能的淘汰有利于推进林浆纸行业的“供给侧”改革，推动该产业向着高技术水平方向发展。

模拟结果表明，通过建立碳交易市场政策在林浆纸产业中的减排效果是最为有效的。碳交易市场政策的建立，二氧化碳排放的外部成本将直接成为企业的内部成本，这一转变将有效推动林浆纸产业向着节能减排方向努力改进，通过设备引进和技术升级改造来实现节能减排的目的，碳排放交易政策将有效推动国内林浆纸产业向着绿色发展方向发展。

表4 林浆纸产业节能技术

4.2 政策建议

建立林浆纸产业产能化解机制政府要从产能化解的角度建立长效的机制。除了要充分利用政府的宏观调控作用，同时要调动市场的自我调节能力，多维度地建立化解产能的有效政策。如今产能过剩成为了工业领域普遍存在的问题，制约着林浆纸企业的健康可持续发展。因此，政府首先要针对产能落后的部分企业，积极管制，出台淘汰落后产能的相关政策，能够合理地规划林浆纸产业的布局。随着供给侧改革的持续推进，林浆纸产业要能够主动适应这种“新常态”节奏，把惯有的靠产能或价格竞争以抢夺市场份额的思路转变到向着技术创新、质量提升的方向上来。能够充分发挥好造纸业政策约束和引导作用，进一步地推进信息化建设，将信息预警系统建立起[13]。

引进和推广国内外先进技术认真落实《国家低碳节能技术（2017年版本）》在中国林浆纸行业的推广，让中国造纸业从技术升级的角度实现质的转变，供给侧改革推动着中国制造业向“精品”制造方向迈进，同时要求其符合环境友好。政府可推广目前审批完成的可以应用于林浆纸产业的低碳节能技术，让这些有利于节能减排的技术更多地被造纸企业应用起来，可以采用“激励+强制”手段进行技术推广，对于那些不能达到节能减排行业标准的林浆纸企业，制定严格的惩处措施并能够落地实施，确保能够推动造纸行业向绿色产业方向转型。

政府要致力于推进碳交易的制度化建设，我国碳市场发展的最大短板，在于碳金融体系深化发展和创新不足。政府需要关注目前碳排放交易权配额分配方法的效率，同时也兼顾碳交易市场的监管建设[14]。就目前国内七个碳排放交易市场试点的情况看来，以配额规模较大的湖北市场为例，湖北省碳排放权交易中心有相关规定，配额若跨期储存前提是该配额是通过交易市场购入的，这种方式表面上看来提升了湖北省碳排放交易规模，其实暗藏了很多隐患。如果出现了配额供给剩余，将导致抛压，从而导致价格出现大幅下滑，在2016年7月临近履约时，湖北市场突然出现大量的供给，但是由于市场需求不足导致碳价下滑严重，迫于压力，湖北省排放权交易中心将价格日内跌幅由10%强行调为1%，虽然一定程度上稳定了碳价，但是却在市场上引起了很大争议。政府要致力于建立一个具有监管力度的碳排放权交易市场，让高耗能、高排放的林浆纸企业覆盖其中，挖掘造纸企业的减排潜力，促进该行业向着节能、低碳化方向发展。另外，政府所推进的节能减排政策能否落地执行，取决于政策能否被严格实施起来，建议政府在制定政策时建立相应的履约机制，能够有效监督节能减排政策的实施效果，实现闭环管理。