基于迭代尋優(yōu)的中長期碳排放預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法*

□課題組

碳達(dá)峰碳中和是黨中央、國務(wù)院作出的重大戰(zhàn)略決策。習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)宣布“二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，展現(xiàn)中國積極應(yīng)對(duì)氣候變化的決心。然而如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)任務(wù)艱巨。因此科學(xué)合理進(jìn)行碳排放預(yù)測(cè)，制定碳達(dá)峰的時(shí)間表、路線圖迫在眉睫。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碳排放的預(yù)測(cè)研究較多，然而由于不同區(qū)域發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等存在顯著差異，因此學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一的建模范式（張軍莉和劉麗萍,2019）；（Flerlage 等,2021）。根據(jù)研究角度的不同，已有的碳排放預(yù)測(cè)模型可以分為自上而下模型（景僑楠等,2019）與自下而上（Yang等,2017）；（李群,2019），以及混合預(yù)測(cè)模型（Cai 等,2021）。

自上而下模型即能源經(jīng)濟(jì)模型，其將宏觀經(jīng)濟(jì)理論和計(jì)量經(jīng)濟(jì)方法用于碳排放預(yù)測(cè)，以商品價(jià)格等經(jīng)濟(jì)指數(shù)表現(xiàn)其與能源生產(chǎn)和消費(fèi)之間的關(guān)系（Flerlage 等，2021）。這類模型包括一般均衡模型（CGE）（Wang 等，2007）、宏觀計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型等（孫攀等，2018），CGE 模型作為其典型代表已被廣泛用于研究能源稅、碳稅等環(huán)境稅收政策對(duì)碳減排的影響（燕東等，2021）。

與自上而下模型從宏觀角度進(jìn)行建模不同，自下而上模型是以能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)過程中所使用的技術(shù)為基礎(chǔ)，并從能源消費(fèi)、生產(chǎn)出發(fā)進(jìn)行供需預(yù)測(cè)，其典型代表包括 LEAP模型等（Khanna 等,2016）。LEAP 模型融合了部門分析法與投入產(chǎn)出法的優(yōu)點(diǎn)，將資源稟賦、能源價(jià)格及投資等能源供給的影響因素納入了模型，可實(shí)現(xiàn)短期、中期和長期的預(yù)測(cè)（YangPan等，2017）。

混合預(yù)測(cè)模型即在一個(gè)模型中耦合自上而下宏觀分析與自下而上的部門分析，其可以對(duì)整個(gè)能源系統(tǒng)（從能源開采到終端消費(fèi)）進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展演化進(jìn)行模擬分析，并實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的反饋聯(lián)系（Flerlage 等，2021）；（CaiZhang等，2021）。尹祥等基于能源服務(wù)需求耦合MARKAL 與MACRO 形成MARKAL－MACRO 模型，研 究結(jié)果表明中國碳排放將持續(xù)增加，到2050 年不會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)（尹祥和陳文穎,2013），該研究結(jié)論與我國碳達(dá)峰目標(biāo)不一致。

然而，上述模型在碳排放預(yù)測(cè)時(shí)存在一定的局限性，對(duì)相關(guān)規(guī)劃的約束性目標(biāo)響應(yīng)不夠，且在重大項(xiàng)目等重要因素對(duì)碳達(dá)峰的影響考慮不足。本文圍繞經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源消費(fèi)、碳排放和居民生活四個(gè)維度，以國家和省級(jí)考核指標(biāo)為約束，綜合考慮地區(qū)生產(chǎn)總值、人口、能耗雙控和煤炭控制指標(biāo)等確定因素以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、電力熱力供應(yīng)結(jié)構(gòu)等可變因素，合理設(shè)定經(jīng)濟(jì)增長預(yù)期、重大項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序等關(guān)鍵因素，構(gòu)建基于迭代尋優(yōu)的中長期碳排放預(yù)測(cè)模型。

｜模型方法和指標(biāo)定義

（一）方法說明

1.模型基礎(chǔ)。國內(nèi)外的機(jī)構(gòu)和學(xué)者已有不少關(guān)于區(qū)域中長期碳排放預(yù)測(cè)的研究?？v觀已有的研究成果，LEAP 模型提供了靈活的情景分析框架，在全世界多個(gè)國家和地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，可基于情景分析進(jìn)行自下而上的 “能源-環(huán)境”核算。

2.模型本地化。針對(duì)浙江省碳排放預(yù)測(cè)，本文構(gòu)建基于迭代尋優(yōu)的碳排放預(yù)測(cè)模型。該模型基于LEAP 模型自下而上進(jìn)行碳排放預(yù)測(cè)，同時(shí)又利用國家和浙江的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境等宏觀指標(biāo)（如GDP、能耗雙控、碳排放強(qiáng)度等）進(jìn)行自上而下迭代校核。

基于迭代尋優(yōu)的碳排放預(yù)測(cè)模型包含能源需求預(yù)測(cè)和能源加工轉(zhuǎn)換兩大核心模塊。能源需求預(yù)測(cè)模塊通過經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人口和單耗，并結(jié)合分品種能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，從而得到一二三產(chǎn)和居民生活分品種能源需求，主要包括終端煤炭、石油、天然氣以及電力熱力的需求。能源加工轉(zhuǎn)換模塊結(jié)合全省的電力裝機(jī)、外來電、熱電機(jī)組及發(fā)電小時(shí)數(shù)等的預(yù)測(cè)，滿足終端電力、熱力的需求。

基于上述兩個(gè)模塊，計(jì)算得到全省一次能源消費(fèi)量。通過各品種能源碳排放因子，計(jì)算得到全省碳排放預(yù)測(cè)值。最后，根據(jù)GDP 增長目標(biāo)、能耗雙控、碳排放強(qiáng)度、煤炭消費(fèi)量等約束邊界，不斷迭代循環(huán)，直至獲得滿足多維度目標(biāo)平衡的碳達(dá)峰情景。

（二）指標(biāo)定義

本文所提碳排放預(yù)測(cè)建模方法所用到的主要指標(biāo)包括GDP、人口、能耗指標(biāo)、終端能源消費(fèi)、能源加工轉(zhuǎn)換、重大用能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目、相關(guān)系數(shù)、校核變量等8 個(gè)類目共30 個(gè)指標(biāo)，如表1 所示?；A(chǔ)數(shù)據(jù)來源為歷年統(tǒng)計(jì)年鑒、能源平衡表等公開數(shù)據(jù)。

表1 重要指標(biāo)定義及數(shù)據(jù)描述表

｜模型的建立與求解

（一）模型構(gòu)建

本文基于自下而上的底層建模邏輯，引入能源政策，考慮重大能源、產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，構(gòu)建終端能源消費(fèi)模型和能源加工轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)初始能源消費(fèi)總量與經(jīng)濟(jì)、人口等基礎(chǔ)要素之間的映射，進(jìn)一步結(jié)合碳排放政策約束，構(gòu)建基于迭代尋優(yōu)的中長期碳排放預(yù)測(cè)模型。

1.終端能源消費(fèi)模型。由于經(jīng)濟(jì)、人口等基礎(chǔ)要素模型的研究相對(duì)成熟，本文借鑒LEAP 模型的思路，參考主流經(jīng)濟(jì)、人口模型，基于基準(zhǔn)年份的可比價(jià)全省生產(chǎn)總值和一二三產(chǎn)可比價(jià)生產(chǎn)總值，獲取各預(yù)測(cè)年份的生產(chǎn)總值和全省常住人口。

其中，n 為包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)年在內(nèi)的預(yù)測(cè)年份數(shù)量。

根據(jù)全省、各分產(chǎn)業(yè)、居民生活的單耗，構(gòu)建能耗模型，預(yù)測(cè)終端能源消費(fèi)總量。考慮技術(shù)的進(jìn)步以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，假設(shè)一二三產(chǎn)單耗呈現(xiàn)負(fù)增長，同時(shí)假設(shè)人均單耗正增長，則一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)及居民生活能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)值可表示為其中，U 為1×n 的全1 陣。

進(jìn)一步考慮政策對(duì)于能耗水平的影響，引入五年計(jì)劃全省單耗下降率目標(biāo)值作為預(yù)測(cè)模型約束條件，并進(jìn)行一定的松弛，得到全省單耗下降率不等式約束

其中，Dter為單耗下降率約束值，ε 為松弛系數(shù)。

由于終端能源消費(fèi)中，電能和熱能屬于二次能源，需經(jīng)加工轉(zhuǎn)換模型折算回一次能源，進(jìn)而統(tǒng)一核算碳排放總量。因此，本文在能耗模型中引入分部門用能結(jié)構(gòu)，獲取全省分品種能源消費(fèi)折標(biāo)量，即

考慮到省內(nèi)用煤管控、分散燃煤鍋爐淘汰、集中供熱比例提高、電能替代以及工藝改善等因素對(duì)于終端用能結(jié)構(gòu)的影響，引入煤、電、熱三個(gè)品種能源的約束條件

其中l(wèi)∈[0,n-1]。

2.能源加工轉(zhuǎn)換模型。

（1）熱力加工轉(zhuǎn)換模型?；诮K端熱能消費(fèi)模型，考慮熱力加工轉(zhuǎn)換及輸配損耗系數(shù)，獲取全社會(huì)熱力需求

其中，ε2h為熱力折標(biāo)系數(shù)，μh為熱力加工轉(zhuǎn)換及輸配損耗系數(shù)。

由于省內(nèi)供熱主要通過燃煤和燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)，因此熱力加工轉(zhuǎn)換所需的初始能源由煤炭消費(fèi)量和天然氣消費(fèi)量構(gòu)成，即

其中，ρcoal2h為供熱標(biāo)煤耗，ρgas2h 為折標(biāo)后的供熱氣耗，prpcoal為燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)占比，prpgas燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)占比，且prpcoal+prpgas=I，I 為全1 陣。

（2）電力加工轉(zhuǎn)換模型。在電力加工轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)充分考慮供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的電力電量平衡。電力供應(yīng)側(cè)主要受省內(nèi)各類存量裝機(jī)、規(guī)劃裝機(jī)及其對(duì)應(yīng)的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，以及電力調(diào)入調(diào)出影響，而需求側(cè)主要通過終端電力消費(fèi)及電力輸配損耗系數(shù)計(jì)算全社會(huì)用電量，可表示為

其中，ε2e為發(fā)電標(biāo)煤耗，μe為電力輸配損耗系數(shù)。

電量平衡等式約束為

其中，je 表示省內(nèi)各種發(fā)電裝機(jī)品種，且je=1 表示煤電，je=2 表示氣電，其余為清潔能源發(fā)電。Ein表示外來電調(diào)入電量，Eout表示電力調(diào)出電量。

電力加工轉(zhuǎn)換所需的初始能源可表示為燃煤發(fā)電的煤炭消費(fèi)量和燃?xì)獍l(fā)電的天然氣消費(fèi)量，即

其中，ρcoal2e為發(fā)電標(biāo)煤耗，ρgas2e為折標(biāo)后的發(fā)電氣耗。

3.碳排放進(jìn)程跟蹤模型。根據(jù)能源加工轉(zhuǎn)換模型，可將終端消費(fèi)的電能和熱能轉(zhuǎn)換成煤、油、氣三種初始能源，由此可獲得初始能源分品種模型

初始能源消費(fèi)總量可表示為

考慮 “能耗雙控” 政策影響，引入能耗強(qiáng)度下降率以及煤炭總量約束

基于初始能源消費(fèi)量，乘以各能源品種的碳排放因子，可獲取全省碳排放總量。全省碳排放進(jìn)程跟蹤模型可表示為

其 中，hcoal、hoil、hgas和hfele依次為煤、油、氣和外來火電的碳排放因子。

由于重大能源與產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的投產(chǎn)將導(dǎo)致碳排放進(jìn)程產(chǎn)生明顯變化，因此在依據(jù)初始能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)值進(jìn)行碳排放進(jìn)程推演時(shí)，應(yīng)單獨(dú)考慮重大項(xiàng)目產(chǎn)能釋放的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，重大能源項(xiàng)目投產(chǎn)將顯著提升清潔能源在電力生產(chǎn)中的占比，從而有效降低電力加工轉(zhuǎn)換過程的化石能源消耗，而重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目則由于單位碳排放遠(yuǎn)高于終端能源消費(fèi)的單位碳排放，將顯著抬升實(shí)際全省碳排放總量。綜上，在式（11）中引入重大能源項(xiàng)目，則式（11）可修正為

而重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目則在碳進(jìn)程跟蹤模型中直接引入，綜上，在式（16）中引入重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，則式（16）可修正為

（二）模型求解

本文構(gòu)建的模型基于定步長遍歷法，通過迭代校核模型約束條件，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景下全省碳排放預(yù)測(cè)。

模型可用Java 等程序算法求解實(shí)現(xiàn)。模型求解過程中，根據(jù)不同場(chǎng)景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組合，模型可自動(dòng)尋優(yōu)求解該場(chǎng)景的可行解及最優(yōu)解，從而完成對(duì)不同場(chǎng)景下的浙江省碳排放預(yù)測(cè)。

｜結(jié)論和建議

（一）模型結(jié)論

1.浙江省碳排放的峰值及時(shí)間。考慮新上重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，浙江省將于2030 年前實(shí)現(xiàn)全社會(huì)碳達(dá)峰。

2.浙江省碳達(dá)峰進(jìn)程主要影響因素。（1）碳達(dá)峰峰值。碳排放峰值受大項(xiàng)目投產(chǎn)影響最大，其次為GDP 增速和二產(chǎn)占比。重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的投產(chǎn)將極大推高碳達(dá)峰峰值，高GDP 增速、高二產(chǎn)占比將推高浙江省碳排放峰值。（2）碳達(dá)峰時(shí)間。碳達(dá)峰時(shí)間受重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目投產(chǎn)時(shí)間的影響較大，其投產(chǎn)將明顯增加能源消費(fèi)總量，增加二氧化碳排放。重大能源項(xiàng)目，如核電項(xiàng)目對(duì)碳達(dá)峰的影響非常大，2030 年前投產(chǎn)多臺(tái)核電機(jī)組對(duì)浙江省碳達(dá)峰有明顯的削峰現(xiàn)象，在重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目不投產(chǎn)時(shí)可以將浙江省碳達(dá)峰時(shí)間前移。

（二）政策建議

圍繞碳達(dá)峰目標(biāo)，浙江省應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)穩(wěn)健原則，緊抓雙碳工作中能源和產(chǎn)業(yè)“兩個(gè)關(guān)鍵”。

1.大力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。省內(nèi)煤電、氣電裝機(jī)和利用小時(shí)數(shù)直接影響到能源加工轉(zhuǎn)換的碳排放，因此要深入實(shí)施火電機(jī)組節(jié)能降耗，加速優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，積極安全有序發(fā)展核電，大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔能源，積極謀劃外來非化石電力入浙。

2.深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的前提下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和單耗呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)特性，因此產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和單耗下降兩者需統(tǒng)籌考慮。要積極推進(jìn)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，堅(jiān)決遏制高耗能高排放低產(chǎn)出項(xiàng)目盲目發(fā)展，同時(shí)要為傳統(tǒng)行業(yè)碳排放雙控設(shè)置合理的過渡期，如紡織、化工等高耗能高排放行業(yè)在浙江經(jīng)濟(jì)中仍有較大比重，需要逐步引導(dǎo)有序開展改造升級(jí)。最后，要大力發(fā)展新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、高端裝備等低碳新興產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)“騰籠換鳥”。

3.強(qiáng)化重大項(xiàng)目管理。重大項(xiàng)目是否建設(shè)、何時(shí)投產(chǎn)對(duì)全省碳排放起到極大的作用，因此要合理規(guī)劃重大項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序，統(tǒng)籌考慮產(chǎn)能釋放，強(qiáng)化重大項(xiàng)目的節(jié)能降碳診斷和管理。