海南省交通運輸業(yè)能源需求與碳排放預(yù)測分析

張建珍,王小琛,臺啟龍,謝榮富, 陳振斌

(1.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海南 ?？?70228；2. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 衢州324000；3.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

海南省交通運輸業(yè)能源需求與碳排放預(yù)測分析

張建珍1,王小琛2,臺啟龍3,謝榮富1, 陳振斌1

(1.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海南 海口570228；2. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 衢州324000；3.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

為預(yù)測海南省交通運輸業(yè)的能源需求與碳排放情況，以美國和瑞典共同開發(fā)的模型—“長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(LEAP)”和MATLAB為工具，在分析2005—2014年間海南省交通運輸業(yè)能源消耗及碳排放現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立了海南省交通運輸?shù)哪茉磁c環(huán)境LAEP模型，同時，采用回歸分析法，對海南省交通運輸業(yè)的能源需求和二氧化碳排放量進行了預(yù)測，并設(shè)置了基準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)和政策3種情境，以2010年為基準(zhǔn)期，估測了2015—2035年交通運輸?shù)哪茉葱枨罅亢投趸寂欧帕?分析結(jié)果表明，在節(jié)能低碳情景下，2035年海南省的能源需求和CO2排放量顯著減緩，其中能源需求的結(jié)構(gòu)情境相比基準(zhǔn)情境將降低11.45%，單位產(chǎn)值的CO2排放則減少15.01%.政策情境相比基準(zhǔn)情境將降低11.08%，單位產(chǎn)值的CO2排放則減少12.24%.因此，調(diào)整交通運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)比例和從政策角度降低各終端的能源強度，有利于節(jié)能減排的實現(xiàn).

交通運輸業(yè)； 低碳發(fā)展； LEAP模型； 情境分析； 節(jié)能策略

交通運輸業(yè)是目前我國能源消耗增長最快的行業(yè)之一.因此，減少交通運輸業(yè)的能源需求和碳排放對于促進海南國際旅游島建設(shè)和創(chuàng)建全國生態(tài)文明城市具有重要作用.我國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》(2016—2020年)提出：“要樹立循環(huán)利用的資源觀，推動資源利用方式根本轉(zhuǎn)變，加強全過程節(jié)約管理，大幅提高資源利用的綜合效益”①中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要(2016—2020年).交通運輸業(yè)正處于“高能耗、高排放”的加速擴張期，其帶來的能源消耗大幅度增長的趨勢將難以扭轉(zhuǎn).目前，我國交通運輸業(yè)的石油消耗量僅次于制造業(yè)，排名第二，占全社會消耗總量的34%.與此同時，交通運輸業(yè)CO2排放量約占CO2排放總量的22%[1].為此，研究交通運輸?shù)牡吞及l(fā)展對于推動節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實意義.

在現(xiàn)有研究中，LEAP模型在國家和城市中長期能源需求和碳排放分析[2-6]，工業(yè)發(fā)展規(guī)劃[7]、居民生活[8]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.目前，對城市交通部門的能耗和碳排放分析主要集中在北京、上海等大城市，相對面言，對地理位置特殊和自身產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)濟總量小，人口總量少，城市化、工業(yè)化和居民收入水平較低的欠發(fā)達地區(qū)的研究則較少，而我國仍有很大一部分省份屬于這類欠發(fā)達的地區(qū).基于此，本文選擇以海南省為研究對象，分析了海南省交通運輸能耗與二氧化碳排放的現(xiàn)狀，同時，基于LEAP工具，構(gòu)建了海南省交通運輸行業(yè)的能源與環(huán)境模型，并以2010年為基準(zhǔn)年，研究了不同情境下的未來四個“五年計劃”期間海南省交通運輸行業(yè)的能源需求量和碳排放水平，最后，通過現(xiàn)狀分析與預(yù)測結(jié)果，提出了海南省交通運輸業(yè)節(jié)能減排的途徑與對策，以期為經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的交通運輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 海南省交通運輸能源消耗與二氧化碳排放現(xiàn)狀分析

1.1 交通運輸業(yè)能源消耗現(xiàn)狀 從海南省交通運輸業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r來看，交通運輸業(yè)能源消耗呈持續(xù)增長的趨勢.圖1給出了2005—2014年海南省交通運輸業(yè)能源消耗的總量.由圖1可知，2005—2013年，海南省交通運輸業(yè)的能源消耗呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，僅2014年較2013年有少許回落.2014年，海南省交通運輸業(yè)的能源消耗總量達280.98萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，占第三產(chǎn)業(yè)能源消耗總量的53.06%[9].相比于全國各省市，海南省交通運輸?shù)哪茉聪乃捷^高.

1.2 二氧化碳排放量 CO2排放量是交通運輸業(yè)低碳發(fā)展的衡量指標(biāo)之一.本文根據(jù)文獻[10]來計算碳排放量，公式如下：

(1)

式中，C為能源燃燒所產(chǎn)生的碳排放總量，E為能源消費量，NCV為能源低位發(fā)熱量，CEC為碳排放系數(shù)，COF為碳氧化因子.選取2006年《中國工業(yè)統(tǒng)計年鑒》和《IPCC國家溫室氣體排放清單指南2006》中所列的CO2排放因子，不同能源的消耗量和其對應(yīng)的碳排放系數(shù)，測算交通運輸業(yè)碳排放的數(shù)據(jù).測算結(jié)果為：海南省交通運輸領(lǐng)域的CO2排放量由2005年的232.48萬t上升至2014年的849.78萬t.

2 海南省交通運輸能源環(huán)境模型與參數(shù)

2.1 模型選取 LEAP模型(Long-range Energy Alternatives Planning System,LEAP)是由美國勞倫斯-伯克利國家實驗室開發(fā)的，它包括能源供給、能源加工轉(zhuǎn)換、終端能源需求等環(huán)節(jié)[11].可根據(jù)數(shù)據(jù)的可得性、分析的目的和類型等來構(gòu)造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可用于國家和城市中長期能源與環(huán)境規(guī)劃研究，亦可以此來預(yù)測海南省交通運輸?shù)哪茉磁c環(huán)境狀況[12-13].

本文選用LEAP，建立了海南省交通運輸業(yè)的能源與環(huán)境模型.同時，以2010年為基準(zhǔn)年，研究了2005—2014年海南省交通周轉(zhuǎn)量和能源強度.首先，根據(jù)相關(guān)性分析，對經(jīng)濟狀況、政策措施和技術(shù)水平等因素進行有目的的設(shè)定；然后，建立數(shù)據(jù)模型，輸入相關(guān)參數(shù)；最后，預(yù)測出2015—2035年海南省交通運輸?shù)哪茉葱枨罅亢投趸嫉呐欧潘?

2.2 模型參數(shù)的選取及計算 交通運輸包括鐵路、公路、水路、航空和管道等五種運輸方式，由于管道運輸很少，故本文將管道運輸忽略.在《海南省統(tǒng)計年鑒》部門分類的基礎(chǔ)上，將海南省交通運輸部門分為了客運、貨運和城市客運等3個部門，具體部門設(shè)計如表1所示.

交通運輸能源消耗與運輸周轉(zhuǎn)量、運輸結(jié)構(gòu)和運輸能耗強度相關(guān).LEAP模型計算終端的能源需求量公式為[14]：

ED=AL×EI，

(2)

式中ED—能源需求量，AL—交通周轉(zhuǎn)量，EI—能源強度.

表1 LEAP模型中的部門設(shè)計

2.2.1 交通周轉(zhuǎn)量預(yù)測 交通周轉(zhuǎn)量是能源消耗的一個重要因素.本文基于海南省1999—2014年交通運輸周轉(zhuǎn)量和驅(qū)動因素的歷史數(shù)據(jù)，運用相關(guān)性分析函數(shù)corrcoef(x)來計算各驅(qū)動因素與其的相關(guān)性，在剔除不顯著相關(guān)性的驅(qū)動因素后，再用逐步回歸法和曲線擬合的方法來預(yù)測客運周轉(zhuǎn)量和貨運周轉(zhuǎn)量.

城市客運部門的交通周轉(zhuǎn)量是按如下公式來進行計算[14-15]：

PT=PN×DN×DD×YD，

(3)

IT=VN×VD×VP，

(4)

式中PT—公共交通，PN—城市居民人口數(shù)，DN—日出行次數(shù)，DD—日出行距離，YD—年平均出行天數(shù)，IT—個體交通，VN—車輛保有量，VD—年平均行駛距離，VP—車輛平均載客量.交通周轉(zhuǎn)量的預(yù)測結(jié)果如表2所示.

2.2.2 能源強度確定 能源強度指終端利用層次中各種技術(shù)承擔(dān)單位服務(wù)量所需要的能源[16].

EIi=FCi-ρi×ECi，

(5)

式中：EIi為第i種終端設(shè)備的能源強度；FCi為第i種終端設(shè)備的單位油耗；ρi為第i種終端設(shè)備使用燃料的密度；ECi為第i種終端設(shè)備使用燃料的含能量.

表2 不同運輸方式下的交通周轉(zhuǎn)量預(yù)測結(jié)果(2010—2035年)

表3 交通運輸業(yè)能源消耗量模擬值與統(tǒng)計值比較

3 交通運輸能源需求以及碳排放預(yù)測

為分析交通運輸結(jié)構(gòu)、政策及技術(shù)措施對海南省交通運輸業(yè)能源需求和節(jié)能潛力的影響，本研究采用了情境分析法，設(shè)置了3種情境：基準(zhǔn)情境、結(jié)構(gòu)情境和政策情境.以基準(zhǔn)情境為參照，進行結(jié)構(gòu)情境和政策情境模型的比較研究.分析了不同節(jié)能措施對海南省交通運輸能源消耗的影響.

3.1 基準(zhǔn)情境下能源消耗預(yù)測分析 基準(zhǔn)情境即“零方案”情境，指到2035年為止未采取任何節(jié)能減排措施，交通周轉(zhuǎn)量按經(jīng)濟自然增長，能源強度沿襲2013年的數(shù)值(不變).以2003—2014年海南省交通運輸業(yè)的能源消耗量為參照，選擇擬合曲線建模，并對模型精度檢驗.預(yù)測2015—2035年交通運輸業(yè)的能源消耗量.將模型運行結(jié)果與統(tǒng)計年鑒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對比，得到表3.通過相對誤差的分析可知，模型的模擬值與統(tǒng)計值的誤差絕對值不超過4%，說明誤差較小，該預(yù)測模型可用.得到2015—2035年交通運輸業(yè)的能源消耗量預(yù)測模型，Matlab 運行的具體輸出結(jié)果為：

x=[136.13，390.65，420.20，450.07，480.38，511.22，542.86，573.51，609.48，644.87，682.11，721.39，763.19，807.72，845.57，897.01，948.70，992.28，1 049.21，1 101.45，1 148.33].

到2035年，基準(zhǔn)情形下的能源需求量將達到1 148.33萬t標(biāo)準(zhǔn)煤.

3.2 結(jié)構(gòu)情境下能源消耗的預(yù)測分析 因鐵路、公路、水路和航空四種交通運輸方式的經(jīng)濟技術(shù)條件各不相同，相應(yīng)的每種運輸方式的運輸能源強度差異較大，由此造成不同運輸結(jié)構(gòu)的能源消費各異.結(jié)構(gòu)情境就是在基準(zhǔn)情境分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)海南省經(jīng)濟發(fā)展和交通運輸?shù)膶嶋H情況，從交通體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化出發(fā)，降低公路和民航高能耗運輸方式，適當(dāng)提高鐵路和水路的比重.本文根據(jù)海南省發(fā)展情景的規(guī)劃，按公路運輸比重下降7%，民航下降5%*海南省2014—2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案，海南省政府辦公廳，2014-10-09.，得到了基準(zhǔn)情景與結(jié)構(gòu)情景能源需求總量的預(yù)測結(jié)果對比，見圖2.

3.3 政策情境下能源消耗的預(yù)測分析 政策情境主要是從政策優(yōu)化調(diào)整的角度，降低各終端的能源強度，以此來預(yù)測海南交通運輸?shù)恼咔榫衬Ｐ?根據(jù)海南省發(fā)展目標(biāo)，按客車單位運輸周轉(zhuǎn)量能源強度下降2%，貨車單位能源強度下降3%②，得到了基準(zhǔn)情境與政策情境能源需求總量的預(yù)測結(jié)果對比，見圖3.

由LEAP模型的計算結(jié)果可知，2010年交通運輸?shù)哪茉聪牧窟_到244.55萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，到2035年，基準(zhǔn)情境下的能源需求量將達到1 148.33萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，結(jié)構(gòu)情境下的能源需求量將達到1 016.82萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，比基準(zhǔn)情境下降11.45%；政策情境下的能源需求量將達到1 021.08萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，比基準(zhǔn)情境下降11.08%.

3.4 不同情境下交通運輸業(yè)CO2排放量的預(yù)測比較 以基準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)和政策三種情境下交通運輸業(yè)能源消耗的預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)ORNL化石能源碳排放分解模型估算法進行碳排放預(yù)測結(jié)果的計算[18-20]，得到基準(zhǔn)情境下2010—2035年海南省交通運輸業(yè)碳排放的預(yù)測結(jié)果(圖4)，圖5為基準(zhǔn)情境、結(jié)構(gòu)情境及政策情境下2010—2035海南省交通運輸業(yè)碳排放的預(yù)測結(jié)果對比.由圖4 和圖5可知，在基準(zhǔn)情境下，到2035年CO2排放量將達到3 689.26萬t.與基準(zhǔn)年2010年相比增長了424.38%.而在采取措施的結(jié)構(gòu)情境和政策情境下，CO2排放量增加的速度有不同程度的減少.結(jié)構(gòu)情境下CO2排放量減少了553.76萬t，單位產(chǎn)值CO2排放則減少15.01%.政策情境下CO2排放量減少了351.86萬t，單位產(chǎn)值CO2排放量則減少12.24%.可見，調(diào)整交通運輸結(jié)構(gòu)比例和從政策角度降低各終端的能源強度有利于節(jié)能減排的實現(xiàn).

4 結(jié)論與建議

本研究以海南省為研究對象，采用情境分析和回歸分析法，應(yīng)用LEAP模型構(gòu)建了海南省交通運輸?shù)哪茉磁c環(huán)境模型.同時，基于社會發(fā)展和節(jié)能政策的實施，從終端能源需求的角度，分析和預(yù)測了未來海南省交通運輸在3種不同情境下的能源需求和環(huán)境排放情況，探究了節(jié)能減排的潛力，主要結(jié)論如下：

(1)海南省2010—2035年的交通周轉(zhuǎn)量和能源需求量將呈顯著增長的趨勢，并伴隨著大量環(huán)境氣體的排放.受社會經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)進步、能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能政策與實施等諸多因素的影響，海南省2035年交通運輸?shù)哪茉葱枨髮⑦_到一千一百多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤.

(2)根據(jù)預(yù)測，結(jié)構(gòu)情境和政策情境的能源消耗和CO2排放相對于基準(zhǔn)情境會有明顯的下降，這說明調(diào)整交通運輸業(yè)的結(jié)構(gòu)比例和從政策角度降低各終端的能源強度有利于節(jié)能減排的實現(xiàn).

根據(jù)海南省交通運輸業(yè)能耗和碳排放的預(yù)測結(jié)果，為實現(xiàn)海南省交通運輸行業(yè)的節(jié)能減排，建議如下：

(1)調(diào)整和優(yōu)化交通運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建節(jié)能的交通運輸結(jié)構(gòu)體系，并通過交通運輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，促使運輸需求向低能耗和低排放的模式轉(zhuǎn)移，如可以通過增加鐵路運輸和水路運輸在交通運輸市場中的份額來促進我省交通運輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

(2)通過政策的優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合交通的智能管理以及新型技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)交通系統(tǒng)的節(jié)能，如可利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)來提高交通系統(tǒng)的信息化和智能化水平，使交通秩序井然，車流暢通，且污染降低.

(3) 研究汽車的低碳技術(shù)，降低單位能耗，如可發(fā)展新能源汽車，混合動力車和純電動車等在交通運輸中的應(yīng)用，以降低公路運輸?shù)确绞降膯挝荒芎?

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Forecasting of Energy Demands and Carbon Emission of Transportation in Hainan Province

Zhang Jianzhen1, Wang Xiaochen2, Tai Qilong3, Xie Rongfu1, Chen Zhenbin1

(1. School of Mechanical Electrical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China; 2. Quzhou College of Technology, Quzhou 324000, China;3. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

To forecast the energy demands and carbon emission of transportation in Hainan Province, LEAP model (Long-range Energy Alternatives Planning System), which were developed by U.S.A and Sweden, and MATLAB, were used as the tools to analyze the situation of energy demands and carbon emission of transportation industry in Hainan Province from 2005 to 2014, and the LEAP model of Hainan Province was constructed. Regression analysis was performed to forecast the energy demands and carbon emission of transportation in Hainan Province. Three scenario, baseline, structure, and policy, were set, the energy demand and carbon dioxide emissions from 2015—2035 were estimated. The results showed that the energy demand and carbon dioxide emissions in 2035 would be declined under the energy-saving and low-carbon scenario. Compared with baseline scenario，the energy demand in the structure scenario would be reduced by 11.45%, and the emissions of carbon dioxide reduced by 15.01%. Compared with baseline scenario，the energy demand under the policy scenario would be reduced by 11.08%, and the emissions of carbon dioxide reduced by 12.24%. Therefore, adjusting the proportion of transportation industries and decreasing the energy intensity from the perspective of policy analysis are helpful for the realization of energy-saving and emission-reduction.

transportation industry; low-carbon development; LEAP model; scenario analysis; energy-saving measures

2016-11-30

中國清潔發(fā)展機制基金贈款項目(CDM2013008)

張建珍(1976-)，女，福建建甌人，副教授，研究方向：汽車運用工程，E-mail：zjzhen9635@hainu.edu.cn

陳振斌(1968-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：汽車節(jié)能環(huán)保與新能源，E-mail:zhenbin1208@hainu.edu.cn

1004-1729(2017)02-0164-07

TK01

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0028