基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的碳排放強(qiáng)度控制研究

唐建榮，郜旭東，張白羽

1 問題的提出

無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，碳減排的施行都會(huì)對(duì)各國經(jīng)濟(jì)造成不同程度的影響。按照《京都議定書》的規(guī)定，發(fā)達(dá)國家要在2008～2012年二氧化碳排放與1990年相比平均降低5.23%，這一規(guī)定將意味著發(fā)達(dá)國家在2008～2012年間二氧化碳排放零增長(zhǎng)甚至是負(fù)增長(zhǎng)，這勢(shì)必會(huì)對(duì)發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。在成熟的減排技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，減排就意味著抑制經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，并因此減緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。而對(duì)于發(fā)展中國家而言，能源利用率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平等都與發(fā)達(dá)國家有著較大的差距，減排對(duì)于發(fā)展中國家的影響更為廣泛。本文所研究的碳排放強(qiáng)度減排是在發(fā)展中國家參與減排的角度上提出的，以中國政府提出的碳強(qiáng)度減排目標(biāo)為基準(zhǔn)，以碳排放強(qiáng)度目標(biāo)值作為2020年二氧化碳排放總量的約束條件，從系統(tǒng)的角度考慮影響碳排放強(qiáng)度的各種因素，尋找其內(nèi)在邏輯關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并據(jù)此進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)而為降低碳排放強(qiáng)度提供理論指導(dǎo)。

2 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的碳排放強(qiáng)度分析

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是基于反饋控制理論的計(jì)算機(jī)技術(shù)，適合于研究復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)從系統(tǒng)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)入手，建立SD數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，按時(shí)間步長(zhǎng)法模擬運(yùn)行，一步一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變過程。

2.1 碳排放強(qiáng)度的因果關(guān)系分析

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的因果關(guān)系圖能夠簡(jiǎn)潔的表達(dá)出復(fù)雜系統(tǒng)中各變量之間相互作用關(guān)系和相互影響，能夠確定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的范圍。圖1為碳強(qiáng)度影響因素的因果關(guān)系圖。正反饋在系統(tǒng)中的主要作用是將外界干擾所引起的偏差予以放大，負(fù)反饋的作用是就是重新建立起該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。碳強(qiáng)度的約束決定了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)水平進(jìn)步、環(huán)境政策優(yōu)化等一系列二氧化碳減排因素，通過分析其內(nèi)在的因果關(guān)系，我們勾畫出碳強(qiáng)度影響因素的因果關(guān)系如圖（1）。

圖1 碳強(qiáng)度影響因素的因果關(guān)系圖

由反饋回路可以看出，諸多因素共同影響碳強(qiáng)度目標(biāo)值，降低碳強(qiáng)度是所有因素共振作用的結(jié)果；通過對(duì)因果關(guān)系圖的分析，可以進(jìn)一步獲得影響碳排放強(qiáng)度目標(biāo)值的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流程圖。

2.2 碳排放強(qiáng)度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)圖1的因果關(guān)系圖可得出碳排放強(qiáng)度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流程圖，如圖2。在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流程圖中，根據(jù)碳排放強(qiáng)度減排的約束條件模擬了二氧化碳排放總量變化的趨勢(shì)、GDP總量變化的趨勢(shì)，并得出碳排放強(qiáng)度變化的趨勢(shì)。

圖2 降低碳排放強(qiáng)度系統(tǒng)流程圖

由系統(tǒng)流程圖可以看出，影響碳排放強(qiáng)度的因素很多，其中直接影響因素是GDP總量與二氧化碳排放總量，二者直接決定碳排放強(qiáng)度的高低。同樣，碳排放強(qiáng)度通過控制碳排放強(qiáng)度影響因子反作用于能源消費(fèi)需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳排放總量的控制。而能源結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平、人均GDP、能源需求等因素也將影響碳排放強(qiáng)度的高低。系統(tǒng)流程圖通過一系列方程建立了各個(gè)因素之間的有機(jī)聯(lián)系，真正做到將研究對(duì)象置于系統(tǒng)之中，并使碳排放強(qiáng)度的研究結(jié)果更加精確。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果

模擬時(shí)間為2005～2020年。根據(jù)系統(tǒng)流程圖中所定義的數(shù)學(xué)模型和結(jié)構(gòu)模型設(shè)置2005年模擬起始時(shí)間的部分初始值（原始數(shù)據(jù)及方程見附表）。根據(jù)不同變量的邏輯方程并借助于Vensim軟件模擬了中國2005～2020年二氧化碳排放量及碳排放強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。

二氧化碳排放量、單位能源二氧化碳排放量、能源消費(fèi)需求、GDP總量、碳排放強(qiáng)度的模擬數(shù)據(jù)如表1。

3.1 碳排放強(qiáng)度模擬結(jié)果及說明

通過對(duì)二氧化碳排放強(qiáng)度系統(tǒng)流程的仿真，本文得到中國2005～2020年單位能源二氧化碳排放量、能源消費(fèi)需求、二氧化碳排放總量以及GDP總量的模擬數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)，見表1所示。其中，單位能源二氧化碳與能源消費(fèi)需求是為了求出二氧化碳排放總量。根據(jù)二氧化碳排放總量與GDP總量可以模擬碳排放強(qiáng)度的變化趨勢(shì)及2020年碳排放強(qiáng)度。

由模擬結(jié)果可知，在保證經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的前提下，能源消費(fèi)需求呈上升態(tài)勢(shì)，單位能源二氧化碳排放量明顯下降，這說明碳強(qiáng)度的約束在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步方面起到了明顯作用。進(jìn)行碳強(qiáng)度約束后，二氧化碳排放總量的增長(zhǎng)速率也趨于減緩，并在2018年達(dá)到峰值后逐年降低，符合我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)與我國的基本國情；據(jù)預(yù)測(cè)，我國年均GDP增長(zhǎng)速率約為9%，而根據(jù)模擬結(jié)果，我國二氧化碳排放強(qiáng)度在2020年為1.38850萬噸/億元，達(dá)到了我國政府所承諾的減排目標(biāo)，這說明碳排放強(qiáng)度約束的減排方式兼顧經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與減緩二氧化碳絕對(duì)量增長(zhǎng)，在不傷害經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的前提下實(shí)現(xiàn)減排，是一種切實(shí)可行的減排方式。

表1 2005～2020年各指標(biāo)模擬結(jié)果

3.2 模型的有效性

將模擬數(shù)據(jù)與已發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模擬的真實(shí)性。二氧化碳排放系統(tǒng)流程的仿真主要從二氧化碳排放量、GDP總量、碳排放強(qiáng)度3個(gè)指標(biāo)入手，校驗(yàn)系統(tǒng)模型與分配總量的擬合程度。如表2所示。

由于二氧化碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的滯后性，論文中采集了2005年至2007年的中國二氧化碳排放總量，由仿真結(jié)果可以看出，模擬的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的擬合度比較好。在GDP總量模擬數(shù)據(jù)中，模型綜合了2006～2008年之間GDP總量?jī)晌粩?shù)的增長(zhǎng)速度以及2010～2020年年均增長(zhǎng)量為8%的政府預(yù)測(cè)，將GDP年增長(zhǎng)量最終定為9%，因此2005～2008年所得GDP總量要比實(shí)際GDP總量偏小，排除這種影響，模型的運(yùn)行結(jié)果與最終預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，同時(shí)也符合15%的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的允許誤差，這說明模擬結(jié)果可以真實(shí)反應(yīng)實(shí)際情景。

表2 二氧化碳排放量、GDP總量、單位GDP碳排放強(qiáng)度誤差分析

4 碳強(qiáng)度約束的減排新思路

中國正處在工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化發(fā)展的新階段，但總體工業(yè)技術(shù)水平落后，政府政策、法律法規(guī)的相對(duì)滯后都是阻礙我國低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開能源消耗，而碳強(qiáng)度指標(biāo)約束為我國二氧化碳減排提供了新的思路：

4.1 結(jié)構(gòu)減排

能源結(jié)構(gòu)不合理是制約我國產(chǎn)業(yè)低碳化的關(guān)鍵因素。從模擬結(jié)果可以看出，能源結(jié)構(gòu)的改變將直接影響碳減排的效果。依據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)分析，2050年，終端能源結(jié)構(gòu)的改善在不同減排情景下的減排總量貢獻(xiàn)率上將達(dá)到36～44%。我國目前一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭消費(fèi)為主，通過對(duì)模型的分析，結(jié)構(gòu)減排應(yīng)側(cè)重降低煤炭的消費(fèi)比重，推進(jìn)煤炭資源整合；加快電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少火電，重點(diǎn)開發(fā)風(fēng)電、核電、水電等高效能源的建設(shè)，通過調(diào)整高碳行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，將會(huì)產(chǎn)生卓有成效的減排效果。

4.2 技術(shù)減排

我國最大的二氧化碳排放來源是固體化石燃料的燃燒，1950年以來，其排放比例一直在總排放量的70%以上，應(yīng)對(duì)其減排科技進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，側(cè)重關(guān)鍵技術(shù)，加緊對(duì)固體化石能源減排科技的研究。模擬結(jié)果也恰好說明了技術(shù)因素影響單位能源二氧化碳排放量，進(jìn)而影響碳排放強(qiáng)度。技術(shù)減排不單單是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行革新，也應(yīng)當(dāng)對(duì)影響氣候變化的相關(guān)技術(shù)做超前研究與引進(jìn)，包括CCS化石燃料發(fā)電、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）、煤炭超臨界發(fā)電（USCSC）等。

4.3 管理減排

應(yīng)對(duì)氣候變化是未來長(zhǎng)期面對(duì)的事情，這一挑戰(zhàn)的持久性要求減排必須要有完備的管理體系，在管理的角度上實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。通過有效的管理機(jī)制，建立科研平臺(tái)、交易平臺(tái)，集成研究，切實(shí)提高我國碳減排的研究水平，將碳強(qiáng)度減排應(yīng)用到碳交易平臺(tái)的建設(shè)中，在管理上做到協(xié)調(diào)應(yīng)對(duì)碳減排的科學(xué)布局；協(xié)調(diào)組織碳減排的科研項(xiàng)目及經(jīng)費(fèi)規(guī)劃；協(xié)調(diào)建立碳減排的人才梯隊(duì)；協(xié)調(diào)發(fā)展與國際間的碳減排合作；協(xié)調(diào)完善資料數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)碳減排前沿?cái)?shù)據(jù)共享。在管理減排中，主要包括以下幾種方式的減排控制：

（1）碳預(yù)算減排控制

測(cè)算和定量分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的碳排放是減排控制的第一步，碳資源的使用控制預(yù)算是碳減排能否達(dá)到目標(biāo)的重要保證。碳預(yù)算保證了減排政策的針對(duì)性強(qiáng)、減排實(shí)施的操作性好、減排考核的有效性高。因此，碳預(yù)算應(yīng)結(jié)合區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能量流、物質(zhì)流分析，開創(chuàng)區(qū)域性碳排放預(yù)算，為建立我國區(qū)域性碳市場(chǎng)做準(zhǔn)備，為我國參與碳交易提供契機(jī)，為我國發(fā)展碳貿(mào)易提供數(shù)據(jù)支持。

（2）碳金融減排控制

金融減排是將減排風(fēng)與金融風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合，利用成熟的金融風(fēng)險(xiǎn)管理手段，通過市場(chǎng)機(jī)制、社會(huì)與政府的監(jiān)督，將“先污染后治理”變?yōu)椤笆虑邦A(yù)防”，有效地解決了市場(chǎng)失靈的問題。利用金融手段對(duì)碳交易市場(chǎng)進(jìn)行刺激，通過保險(xiǎn)、證券以及“綠色信貸”等方式充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制的作用，提高市場(chǎng)效率，通過“綠色信貸”等手段使企業(yè)提高對(duì)減排成本的重視程度，致力于排放端的治理，推行信貸前的減排預(yù)估，對(duì)于可能造成污染的企業(yè)不予貸款，使其難以正式投產(chǎn)，在源頭上提高企業(yè)投產(chǎn)門檻，達(dá)到減排的目的。

（3）碳政策減排控制

碳強(qiáng)度的政策目標(biāo)是通過制定符合我國基本國情的減排政策，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，結(jié)構(gòu)低碳型社會(huì)為最終目標(biāo)，在政策減排的實(shí)施過程中應(yīng)重點(diǎn)恪守三個(gè)原則：首先，綜合治理原則，減排的根本目的是為了我國可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)平衡各種不同的利益與矛盾；其次，自主創(chuàng)新原則，制定鼓勵(lì)自主創(chuàng)新的政策，政策應(yīng)以減少排放及適應(yīng)技術(shù)為目標(biāo)；第三，重點(diǎn)突破原則，對(duì)癥下藥，找對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)做政策突破口，集中力量，重點(diǎn)突破。

（4）碳交易減排控制

碳交易是為鼓勵(lì)減少全球溫室氣體排放總量所采取的市場(chǎng)機(jī)制。作為管理減排的一個(gè)分支，碳交易是市場(chǎng)化控制碳減排必不可少的手段之一。碳交易將二氧化碳排放權(quán)推向市場(chǎng)，讓市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)環(huán)境保護(hù)。而碳交易減排控制將碳金融減排控制與實(shí)體經(jīng)濟(jì)緊密聯(lián)系起來，一方面企業(yè)和項(xiàng)目所產(chǎn)生的減排量通過碳交易市場(chǎng)進(jìn)入碳金融領(lǐng)域；另一方面，金融資本直接或間接的投資于碳減排的項(xiàng)目或企業(yè)，將無形的金融資本與有形的實(shí)體經(jīng)濟(jì)連通起來，通過碳交易的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)力量引導(dǎo)實(shí)體經(jīng)濟(jì)減排，達(dá)到碳交易減排控制的最終目的。

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