基于LEAP模型的中國煤炭需求情景分析

高俊蓮 姜克雋 劉 嘉 徐向陽

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國家發(fā)展和改革委員會能源研究所，北京市西城區(qū)，100038；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與環(huán)境政策研究中心，北京市海淀區(qū)，100083)

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★經(jīng)濟(jì)管理 ★

基于LEAP模型的中國煤炭需求情景分析

高俊蓮1，4姜克雋2劉 嘉2徐向陽3，4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國家發(fā)展和改革委員會能源研究所，北京市西城區(qū)，100038；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與環(huán)境政策研究中心，北京市海淀區(qū)，100083)

煤炭作為我國的主體能源，是中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展的基本保障，然而在大氣環(huán)境、氣候變化的環(huán)境目標(biāo)及經(jīng)濟(jì)新常態(tài)的大背景下，我國能源體系將面臨重大變革，到2050年，我國將實現(xiàn)以低碳為主的能源體系轉(zhuǎn)型，煤炭作為高污染、高排放的化石能源必然面臨重大挑戰(zhàn)，利用LEAP模型對我國煤炭需求進(jìn)行情景分析及預(yù)測，得出三種不同經(jīng)濟(jì)及環(huán)境情境下，我國未來的煤炭需求，對于煤炭行業(yè)去產(chǎn)能，煤炭行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及煤化工提出了政策建議，有助于煤炭行業(yè)正確認(rèn)識目前及未來煤炭發(fā)展形式，更好地適應(yīng)及支撐能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。

煤炭需求 LEAP 情景分析

目前我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，2015年我國煤炭生產(chǎn)量占全球煤炭生產(chǎn)總量的47%，消費量占全球煤炭消費總量的50%。據(jù)美國能源信息署(EIA)估計，即使在我國提高能源效率以及提高能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的情景下，到2020年我國煤炭的消費量占總能源消費的比例依然保持63%，到2040年煤炭的消費比例為55%。雖然相對比例有所下降，但是絕對消費量依然將增長50%。我國經(jīng)濟(jì)新常態(tài)、大氣環(huán)境以及全球氣候變化目標(biāo)將會替代能源安全成為未來能源轉(zhuǎn)型的主要驅(qū)動因素。近期國際模型研究已經(jīng)啟動了針對全球氣候變化升溫目標(biāo)控制在1.5℃的研究，全球?qū)⒃?050-2060年實現(xiàn)零排放，之后進(jìn)入負(fù)排放。到2050年，我國能源系統(tǒng)將實現(xiàn)以低碳能源為主的能源體系。長期以來煤炭作為我們的主體能源，無論從能源消費總量控制，還是能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭行業(yè)都面臨著重大轉(zhuǎn)型，同時世界經(jīng)濟(jì)環(huán)境處于調(diào)整期，經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇緩慢，由高速增長期進(jìn)入中低速增長期。在這種大背景下，受產(chǎn)能持續(xù)釋放、進(jìn)口增長加快等因素的影響，我國煤炭市場供過于求、煤炭產(chǎn)業(yè)面臨較大壓力。作為煤炭行業(yè)，在目前的經(jīng)濟(jì)及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型期，只有正確預(yù)測和評價未來煤炭的需求，才能更好地適應(yīng)煤炭的轉(zhuǎn)型，進(jìn)而更好地支撐能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。

1 研究方法

1.1 研究工具

煤炭需求的預(yù)測方法有很多，常用的方法包括彈性系數(shù)法、回歸分析預(yù)測法、能源強(qiáng)度法、灰色系統(tǒng)預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，這些方法只考慮了影響煤炭需求的主要因素，缺乏對煤炭供給及需求系統(tǒng)的詳細(xì)刻畫，為了能夠詳細(xì)分析我國未來煤炭需求的發(fā)展情景，研究煤炭行業(yè)未來的發(fā)展方向，我們主要采用能源模型定量分析的方法。LEAP模型(Long-range Energy Alternatives Planning System)是由斯德哥爾摩環(huán)境研究所開發(fā)的自底向上的能源環(huán)境分析工具。作為基于情景分析的能源模型工具，LEAP平臺應(yīng)用范圍廣泛，作為數(shù)據(jù)庫可提供能源系統(tǒng)綜合信息查詢與分析；作為預(yù)測工具能夠?qū)χ虚L期能源供應(yīng)與需求做出推測；作為政策分析工具，能夠模擬與分析可替代能源項目、投資等政策的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效應(yīng)。LEAP模型已經(jīng)被190多個國家的政府及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)用于能源消費、能源生產(chǎn)和資源開發(fā)等領(lǐng)域。

LEAP模型采用自下而上的計算方式，按照資源、需求、轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同情景下的能源消費模式，分析不同情景下的環(huán)境影響。模型為用戶提供了多個模塊，包括能源需求分析、能源轉(zhuǎn)換分析、交通部門、成本效益分析、技術(shù)清單、環(huán)境影響評價等。

1.2 研究框架

根據(jù)我國煤炭生產(chǎn)和需求的特點，我們構(gòu)建了基于LEAP模型的CCDM(China Coal Demand Model) 模型。該模型通過外生需求量的驅(qū)動來預(yù)測未來煤炭生產(chǎn)和能源消費的變化。模型主要包含需求、轉(zhuǎn)化和資源三個模塊。CCDM模型中，資源模塊定義了一次能源的儲量，一次能源通過轉(zhuǎn)化模塊里的開采、加工等技術(shù)，轉(zhuǎn)化為可供終端部門利用的二次能源。經(jīng)過加工轉(zhuǎn)化的能源被需求模塊中各個子部門使用，滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、交通運輸及居民生活對能源的終端需求。CCDM模型框圖如圖1所示。

圖1 CCDM模型框圖

CCDM模型分為需求、轉(zhuǎn)化和資源三個模塊。模型包括了55個部門，涵蓋了下游行業(yè)的主要部門。

我們將需求劃分為五大部門對能源的需求，包括：居民部門、服務(wù)業(yè)、運輸部門、農(nóng)業(yè)部門和工業(yè)部門。其中，居民部門分為農(nóng)村和城鎮(zhèn)；服務(wù)業(yè)分為餐飲、熱力和電力；運輸部門分為客運和貨運；農(nóng)業(yè)部門分為農(nóng)產(chǎn)品加工、灌溉和其他；工業(yè)部門又分為：鋼鐵、建材、有色、化工和其他工業(yè)。其中，鋼鐵包括煉鋼和軋鋼；建材分為水泥、磚瓦、玻璃、石灰四個部門；有色金屬分為銅、鋁和其他有色；化工分為合成氨、電石、煤化工和其他化工；其他工業(yè)部門包括造紙、機(jī)器制造及其他。每個部門下均考慮各自的生產(chǎn)技術(shù)及能耗，原理如公式(1)所示。

Di=Activityi×Technologyik×Intensityik(1)

式中：Di——部門i的能源需求量；

Activityi——部門i活動水平；

Technologyik——i部門k種技術(shù)占比；

Intensityik——i部門k種技術(shù)的能源強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)換模塊包括：電力輸配、發(fā)電、供熱、煉焦、配煤、洗煤(分為無煙煤、煙煤、褐煤)、采煤(分為無煙煤、煙煤、褐煤)部門，每個部門下考慮其對應(yīng)的技術(shù)及能耗。

資源模塊包括模型中涉及的所有一次及二次能源。

1.3 模型參數(shù)的設(shè)定

需求模塊參數(shù)包括各部門、各技術(shù)的活動水平(產(chǎn)量)，各種技術(shù)的占比以及各技術(shù)的能源強(qiáng)度。轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)包括各種技術(shù)的占比及各技術(shù)的能源強(qiáng)度。資源模塊的參數(shù)為各種一次能源的資源儲量。數(shù)據(jù)來源主要是利用IPAC-AIM/技術(shù)模型數(shù)據(jù)，IPAC-AIM/技術(shù)模型是IPAC模型組的核心模型，是基于詳細(xì)工藝過程描述和技術(shù)描述的線性規(guī)劃最小成本優(yōu)化模型。IPAC-AIM/技術(shù)模型已經(jīng)長期應(yīng)用于我國的能源和氣候變化情景和政策研究，對我國的“十一五”、“十二五”和“十三五”國家的能源目標(biāo)和氣候變化目標(biāo)的定量分析提供了研究依據(jù)，同時IPAC模型也參與了全球模型研究，保證了參數(shù)設(shè)定的真實與可靠。

1.4 模型情景的設(shè)定

考慮到未來煤炭需求的不確定性，我們在模型中設(shè)定三個情景: 高煤炭情景、中煤炭情景、低煤炭情景。三個情景在考慮社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實現(xiàn)國家發(fā)展目標(biāo)的情況下，分別考慮了不同的環(huán)境、氣候變化目標(biāo)、可再生能源發(fā)展、清潔煤炭技術(shù)發(fā)展、煤化工等因素，給出不同的煤炭需求。各個情景采用同樣的社會經(jīng)濟(jì)情景，其不同情景的描述如下。

(1)高煤炭情景?？紤]清潔煤技術(shù)發(fā)展快速，能夠?qū)崿F(xiàn)國家的大氣環(huán)境目標(biāo)，給煤炭發(fā)展提供空間。煤化工發(fā)展較為快速，具有競爭力，同時比較弱化氣候變化目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)國家提交的氣候變化自主貢獻(xiàn)的目標(biāo)。

(2)中煤炭情景。實現(xiàn)國家的大氣控制目標(biāo)，中等程度能源替代，在散煤使用方面將會由于天然氣的使用而大量降低，可再生能源發(fā)展較為快速，煤化工競爭力不強(qiáng)。

(3)低煤炭情景。實現(xiàn)進(jìn)一步的大氣控制目標(biāo)，天然氣替代散煤進(jìn)程快，氣候變化實現(xiàn)全球2℃升溫目標(biāo)，我國需要在2020-2022年左右實現(xiàn)CO2排放峰值。在全球低碳發(fā)展的情況下，由于油價長期處于低位，煤化工缺乏競爭力，非化石能源發(fā)展快速。

各個情景的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 各情景的主要參數(shù)與特征

2 模型調(diào)試及結(jié)果

2.1 模型調(diào)試

模型以2014年為基年，時間步長為5年，模擬時間范圍為2015-2030年，由于統(tǒng)計制度與LEAP模型計算口徑略有區(qū)別，需要對模型第一個模擬年結(jié)果與實際值進(jìn)行校正，以保證模型預(yù)測結(jié)果的可信度。故將第一個模擬年2015年與煤炭生產(chǎn)消費歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，對比數(shù)據(jù)包括2015年煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)(生產(chǎn)總量、進(jìn)口量、出口量)，消費環(huán)節(jié)(居民部門、服務(wù)部門、交通部門、農(nóng)業(yè)部門及工業(yè)部門分部門煤炭消費量)，轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)(煤炭洗選、發(fā)電、供熱、煉焦、煤制油、煤制氣)。通過模型參數(shù)的調(diào)試使得模型第一個模擬年值與實際值的絕對誤差在5%之內(nèi)，確保模型的可信度與精度。

2.2 模型結(jié)果

基于模型模擬分析，我們得出以下煤炭情景結(jié)果，見圖2。

(1)高煤炭情景。2020年煤炭需求量為42億t，比2014年稍微增長一些，基本處于平臺期。其中煤化工得到一些發(fā)展，2020年可以達(dá)到2～4億t用煤量。但是存在一定風(fēng)險，因為如果煤化工與油價有一定的聯(lián)動關(guān)系，煤化工的發(fā)展迅速，一定程度上會導(dǎo)致油價變低，進(jìn)而再次影響煤化工的發(fā)展。隨著我國能源消費增長緩慢，替代能源的增長，2030年煤炭消費量將下降到35.7億t。

圖2 三種不同情景下未來煤炭的需求量

(2)中煤炭情景。2020年煤炭消費量39.7億t，2030年33.6億t。主要考慮煤炭價格維持較低水平，煤炭具有一定的競爭力。同時煤炭消費部門大力推進(jìn)清潔煤技術(shù)，控煤的力度適度同時也能夠?qū)崿F(xiàn)我國的大氣霧霾近期目標(biāo)，電力、熱力以及大型工業(yè)鍋爐大比例推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)煙氣除塵、脫硫、脫硝。散煤使用開始得到控制。

(3)低煤炭情景。2020年煤炭消費量為37億t，比2014年下降近4億t，煤炭占一次能源消費的比重為55%左右。該情景的主要決定因素是可再生能源和核電按照2015年的發(fā)展力度到2020年，即2020年水電實現(xiàn)既有目標(biāo)，光伏達(dá)到1.4億kW裝機(jī)，風(fēng)電2.3億kW，核電5000萬kW。這些能源帶來的新增能源為量為4.5億t標(biāo)煤。2020年天然氣4000億m3，相當(dāng)于新增能源量2億t標(biāo)煤。2030年煤炭需求將下降到29億t。

3 結(jié)語

作為我國的主體能源，在我國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型期間，煤炭行業(yè)將面臨諸多不確定性，通過情景分析的方式，對未來可能出現(xiàn)的需求情景進(jìn)行分析，有助于煤炭行業(yè)做好產(chǎn)業(yè)調(diào)整。

(1)三種煤炭情景中，煤炭的需求量在未來都會有所下降，2014年底全國登記公告煤炭產(chǎn)能為32.5億t，已核準(zhǔn)規(guī)模4億t，加上超能生產(chǎn)，目前實際產(chǎn)能為44億t，考慮在建、新增產(chǎn)能及進(jìn)口，2020年我國煤炭生產(chǎn)能力可以達(dá)到47～49億t，即使是在高煤炭情景下也存在大量過剩產(chǎn)能。煤炭企業(yè)應(yīng)主動適應(yīng)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)，把去產(chǎn)能作為當(dāng)前核心任務(wù)，積極適應(yīng)和推動減產(chǎn)、限產(chǎn)及淘汰落后產(chǎn)能。

(2)三種煤炭情景中均考慮了清潔發(fā)電技術(shù)以及IGCC，在中、低情景中CCS技術(shù)也被考慮在內(nèi)，在大氣污染及氣候變化的背景下，煤炭行業(yè)必須走向清潔和低碳的發(fā)展道路。主要是超潔凈發(fā)電技術(shù)、IGCC以及CCS。近期由于我國快速推進(jìn)大氣霧霾行動方案，超潔凈發(fā)電技術(shù)市場的迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致技術(shù)的快速發(fā)展，成本明顯下降。IGCC可以實現(xiàn)本地污染物和溫室氣體排放的近零排放，是實現(xiàn)煤炭清潔化利用的重要技術(shù)。在氣候變化目標(biāo)及政策明確的情況下，CCS技術(shù)是煤炭行業(yè)必須要考慮的技術(shù)。

(3)三種煤炭情景中，從長遠(yuǎn)看，在去產(chǎn)能的大背景下，煤炭企業(yè)應(yīng)延伸產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展煤炭深加工和精細(xì)化加工，但因為其受到其他行業(yè)的影響，煤化工的發(fā)展存在較大不確定性，加之水資源短缺、能耗高、水耗大、環(huán)保技術(shù)滯后等一系列問題制約了我國煤化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。鑒于以上原因，今后我國煤化工的發(fā)展方向應(yīng)該集中于提高煤炭利用率和節(jié)能降耗技術(shù)的研發(fā)，有序發(fā)展現(xiàn)代煤化工。

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(責(zé)任編輯 宋瀟瀟)

Scenarios analysis of the coal demand in China based on LEAP model

Gao Junlian1，4, Jiang Kejuan2, Liu Jia2, Xu Xiangyang3,4

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China；2.Energy Research Institute, National Development and Reform Commission, Xicheng, Beijing 100038, China；3.School of Management, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China；4.Resources and Environment Policy Research Center, China University of Mining and Technology，
Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

As the main energy in China, coal has been the basic guarantee for the sustainable and rapid economic development, and will remain the basic guarantee for the energy security in the future. However, under the background of the air quality controlling and the target of the climate change, along with the new economic norm, energy system in China will face major changes. By 2050, China will transform energy system with low carbon energy. Due the high pollution and emission, coal will face a major transformation. We establishes a LEAP model to forecast the coal demand in China, and show three possible demand under different background of economic and environment. Based on the analysis, we give suggestion on capacity compression, the potential direction of technology development and the coal chemical industry to help the coal industry better understand the current and future situation and better adapt the transformation of energy system.

coal demand, LEAP, scenarios analysis

高俊蓮，姜克雋，劉嘉等.基于LEAP模型的中國煤炭需求情景分析[J].中國煤炭，2017，43(4):23-27. Gao Junlian, Jiang Kejuan, Liu Jia, et al.Scenarios analysis of the coal demand in China based on LEAP model[J].China Coal，2017，43(4):23-27.

TD-9

A

高俊蓮(1985-)，女，博士，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院博士后，資源與環(huán)境政策研究中心技術(shù)負(fù)責(zé)人，主要從事能源系統(tǒng)建模研究。