基于結構與效率雙控的北京市碳達峰優(yōu)化路徑仿真模擬研究

相 楠， 徐 峰

(1.北京工業(yè)大學 經(jīng)濟與管理學院， 北京 100124; 2.北京化工大學 經(jīng)濟管理學院， 北京 100029)

工業(yè)化革命以來，人類活動引起溫室氣體排放所導致的全球變暖現(xiàn)象越來越嚴重，減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放、阻止氣候變化已經(jīng)成為全人類的共同目標。中國嚴肅對待并積極推動碳減排工作，2020年9月，習近平主席在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前使二氧化碳減排達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。

碳達峰是指二氧化碳排放量達到歷史最高值，達峰后持續(xù)下降，是二氧化碳排放由增轉降的歷史拐點，標志著碳排放與經(jīng)濟發(fā)展實現(xiàn)完全脫鉤[2]，是經(jīng)濟社會的系統(tǒng)性變革?！半p碳”目標的達成需要中國各個城市的共同努力，北京作為中國首都，是全國最早提出碳達峰規(guī)劃的城市之一，更需要率先實現(xiàn)碳達峰，并提供科學合理的碳達峰路線圖，擬定科學合理的碳達峰峰值和時間線；與此同時，提供制定配套政策措施和方案的研究方法，為我國其他區(qū)域的碳排放提供借鑒和參考。

一、文獻綜述

第一，二氧化碳減排關鍵途徑的探索。在“雙碳”目標指引下，二氧化碳減排的方法和途徑的研究成為關注焦點。當前研究從多角度、多維度研究了碳減排的方法：包括能源結構調整及能源消費總量控制[3-4]、綠色能源技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化[5]、碳交易市場機制、碳稅[6]、電力結構低碳化[7]目標、合理利用碳定價機制[8]、引入二氧化碳捕集與封存技術和提升林業(yè)碳匯能力[9]等。首先，結構性改革是短期內(nèi)實現(xiàn)二氧化碳減排目標的關鍵途徑，產(chǎn)業(yè)結構是促進全球碳減排的第一大貢獻者，隨著第三產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，服務業(yè)的就業(yè)比例每提高1%，全球人均碳排放量便下降0.248 5%；其次，是能源結構，可再生能源比例每增加1%，全球人均碳排放量將減少0.121 6%[10]；控制煤炭消費量、提升非化石能源占比是中國實現(xiàn)碳達峰的根本動力[11-12]。北京市能源消費以電力為主，電力結構低碳化是能源結構調整的必然選擇[13]。此外，結合提高能源利用效率[14]，采取能源消費總量和強度控制[15]將是控制碳排放、推動碳達峰目標提前實現(xiàn)的最重要途徑[16]?？梢钥闯觯斍把芯科毡檎J可能源結構、產(chǎn)業(yè)結構調整和能源效率提升能夠有效控制二氧化碳排放，是當前階段減排降碳最有成效的手段[2]；能夠更好地保障2030年前碳達峰目標。

當前針對北京市碳達峰的研究，學者各自從不同的側重點探討碳減排的影響要素，李惠民等(2020)、崔(Cui)等從經(jīng)濟轉型、政策執(zhí)行機制和消費行為引導等方面提出北京市碳排放達峰路徑及政策啟示[4,14]，部分研究從京津冀協(xié)同[17]的角度探索碳減排路徑，論證了產(chǎn)業(yè)結構、能源結構和終端消費結構[18-19]等多種減排措施。但當前對于如何實現(xiàn)北京市碳達峰、碳達峰的峰值預測和時間路線預測等研究還存在空白之處。

第二，“雙碳目標”達成可行性及研究方法探索。為探索碳達峰、碳中和的時間表和路線圖，有學者展開了碳排放趨勢的預測研究，主要的模擬預測方法可分為三大類，包括指標分解法、情景分析法和系統(tǒng)優(yōu)化法[20]。其中指標分解法的代表性模型有STIRPAT模型(stochastic impacts by regression on population，affluence and technology)[16,21]和卡雅(Kaya)模型[22]，張哲等[23]基于STIRPAT模型，使用偏最小二乘法進行回歸分析，并預測出上海市實現(xiàn)2025年可以碳達峰的目標。情景分析法的常見模型是LEAP模型，張(Zhang)等[24]采用了LEAP模型，預測云南省將于2024年達到碳排放峰值。系統(tǒng)優(yōu)化模型包括IPAC模型(integrated iolicy assessment model for China)[25]、IAMC模型(integrated assessment model for China)[26]和系統(tǒng)動力學模型[27]等。系統(tǒng)動力學模型可以用來研究經(jīng)濟、社會、環(huán)境等多個子系統(tǒng)之間的相互作用關系，適合用于復雜系統(tǒng)建模和動態(tài)預測，劉(Liu)等[28]結合系統(tǒng)動力學模型和STIRPAT模型建立綜合情景分析，預測得到中國在節(jié)能情景、實施碳稅情景以及產(chǎn)業(yè)結構和能源結構優(yōu)化情景下，均可以在2030年前實現(xiàn)碳排放達峰。此外，環(huán)境庫茲涅茨曲線[29]、多目標優(yōu)化模型[11]、灰色模型[30]、PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型[31]也被用于預測碳排放峰值。

第三，碳排放模擬仿真方法演進。針對同步調整結構和效率的碳排放模擬仿真研究，學者從社會經(jīng)濟、能源和碳排放方面選取指標來設置模型參數(shù)，如人口數(shù)量、GDP增長率、產(chǎn)業(yè)結構、能源消費強度、能源消費結構和碳排放強度等，代入?yún)?shù)預測得到碳排放趨勢和產(chǎn)業(yè)及能源結構的優(yōu)化路徑[31-34]。目前關于碳排放達峰的模擬仿真研究方法大多依賴于設置外生參數(shù)進行預測，參數(shù)設定對結果影響明顯，進行中長期預測時誤差較大，且無法真正探究在經(jīng)濟、能源、環(huán)境等多因素的共同影響下，各個系統(tǒng)之間的相互作用及內(nèi)部優(yōu)化機理。

從經(jīng)濟、能源、環(huán)境復雜系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化角度看，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)是系統(tǒng)聯(lián)動的核心，產(chǎn)業(yè)結構調整不僅需要考慮單個產(chǎn)業(yè)部門的能源消費量及碳排放水平，還要考慮產(chǎn)業(yè)部門之間的相互聯(lián)系[24]。投入產(chǎn)出模型能夠系統(tǒng)揭示經(jīng)濟部門間的平衡和聯(lián)系，反映出各部門之間的相互作用關系，可以用作碳達峰研究中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結構調整的重要工具[27,35-36]。此外，在進行能源結構調整時，多數(shù)文獻側重于分析各種能源類型的消費比例變化，沒能挖掘出能源結構調整對產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化的倒逼作用[37]。經(jīng)濟系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間的耦合機理和內(nèi)部優(yōu)化有待進一步探討。

第四，文獻評述。綜上所述，當前關于碳達峰的路徑研究和時間表預測主要存在的問題有：(1)在產(chǎn)業(yè)結構調整方面，目前研究忽略了各產(chǎn)業(yè)部門之間的相互影響和制約關系；(2)經(jīng)濟系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間的耦合機理和內(nèi)部優(yōu)化有待進一步探索；(3)在研究方法上，多數(shù)模型通過設置外生參數(shù)來實現(xiàn)預測，未能有效利用經(jīng)濟-能源-環(huán)境系統(tǒng)之間的動態(tài)關聯(lián)作用對碳排放趨勢進行仿真模擬，缺乏系統(tǒng)的基于產(chǎn)業(yè)結構和能源結構調整的區(qū)域碳達峰潛力預測分析，預測結果誤差較大。針對北京市的研究看，近5年北京市碳排放總量保持較低的增長速度，但在考慮外調電力的情況下，尚未實現(xiàn)碳達峰。結構和效率的提升對促進北京低碳綠色發(fā)展?jié)摿薮螅嫦蛱歼_峰目標，具體如何調結構和設計優(yōu)化路徑并不明晰，尚存在研究空缺之處。

作為我國生態(tài)文明建設的先鋒隊，北京市需要率先高質量實現(xiàn)碳達峰，并提供合理的碳達峰方法論和路線圖，對其他城市亦具有重要的參考價值。本文以北京市為研究對象，(1)采用投入產(chǎn)出模型，探索碳達峰目標下北京市的產(chǎn)業(yè)結構調整；(2)基于系統(tǒng)動力學方法，刻畫北京市能源系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的能源流和物質流與社會經(jīng)濟相關的價值流，探尋北京市能源和產(chǎn)業(yè)對低碳經(jīng)濟的驅動機制，闡明經(jīng)濟-能源-環(huán)境(3E)復雜系統(tǒng)的耦合機理；(3)結合多目標優(yōu)化理論及動態(tài)投入產(chǎn)出原理，創(chuàng)新性開發(fā)結構與效率雙控轉型的城市“碳達峰”模擬器，利用模型模擬和動態(tài)仿真方法來預測低碳減排潛力，探究北京市綠色發(fā)展的能源和產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化路徑，為北京市達成碳達峰目標提供決策支持，為區(qū)域加快碳減排進程提供有效的借鑒和參考。

二、北京市碳排放歷史趨勢及影響因素分析

21世紀以來，北京市經(jīng)歷了快速的城市化進程，經(jīng)濟增長迅速，2019年，北京實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值3.54萬億元，2005—2019年的年均增速達11.2%。如此快速的經(jīng)濟社會發(fā)展，離不開能源的支持，能源燃燒即會帶來二氧化碳排放。據(jù)關大博等人的CEADS(Carbon Emission Accounts & Datasets)數(shù)據(jù)庫(1)CEADS數(shù)據(jù)庫，https:∥www.ceads.net.cn/。所知，北京市二氧化碳排放量自2010年之后基本保持穩(wěn)定態(tài)勢。但其數(shù)據(jù)庫并未包含外調電力的碳排放量，而電力又在北京市能源供給結構中占據(jù)重要位置。因此，本研究為全面精準把握北京市實際二氧化碳排放總量，采用北京市生態(tài)環(huán)境局2020年發(fā)布的《二氧化碳排放核算和報告要求》[38]和世界資源研究所提供的《能源消耗引起的溫室氣體排放計算工具指南(2.1版)》[39]作為北京市最新的碳排放因子，基于《IPCC 2006指南方法》核算二氧化碳排放總量。

(1)

其中，e表示能源類別，2005—2019年北京市在生產(chǎn)生活中消耗比較多的11種能源(原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣、天然氣、煉廠干氣、熱力和電力(排除綠電))；ECe表示消耗第e種能源的總量；Efe表示第e種能源所對應的二氧化碳排放因子(詳見表1)。

表1 北京市分類能源的二氧化碳排放因子

(一)二氧化碳排放趨勢分析

2005年至今，北京市二氧化碳排放總量仍呈現(xiàn)遞增態(tài)勢，2012年達到高值13 942萬噸，緊接著2013年北京市開始實施嚴格壓減燃煤措施，2013年二氧化碳排放量隨之下降，但自2014年之后直至2019年仍有緩慢上升趨勢，2019年碳排放總量達到13 909萬噸。從碳排放強度看，北京市整體水平為全國省級地區(qū)的最低水平[40-41]，且一直保持下降趨勢。但經(jīng)濟總量和二氧化碳排放量均呈現(xiàn)遞增態(tài)勢，說明當前北京市經(jīng)濟發(fā)展和碳排放尚未實現(xiàn)長期穩(wěn)定的強脫鉤，距離碳達峰目標仍有距離，仍需要嚴格實行二氧化碳排放總量和排放強度的“雙控”機制(詳見圖1)。

圖1 北京市二氧化碳排放總量及排放強度變化趨勢數(shù)據(jù)來源：根據(jù)《北京統(tǒng)計年鑒》(2005—2019年)及表1所示參數(shù)計算而得。

(二)能源供需結構趨勢分析

首先，能源燃燒是二氧化碳排放的最根本源頭，碳達峰的深層次問題是能源問題，尤其是能源

效率提升和結構優(yōu)化，亦即實現(xiàn)能源體系“非碳化”。 2005—2019年，能源消費年均增速為1.93%，同期地區(qū)生產(chǎn)總值年均增速為9%[40](詳見圖2)。得益于集約高效的經(jīng)濟發(fā)展模式的構建，北京市經(jīng)濟增長對能源依賴程度穩(wěn)步降低。2019年，北京市能源消費強度為0.21噸標準煤/萬元，低于全國平均水平(0.49噸標準煤/萬元[42])和上海(0.31噸標準煤/萬元[43])、廣州(0.27噸標準煤/萬元[44])等國內(nèi)重點城市。然而2019年北京能源消耗強度(0.21噸標準煤/萬元)是東京都同期(0.04噸標準煤/萬元(2)日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省，https:∥www.enecho.meti.go.jp/。)的5倍以上，且北京市的能源消費總量仍然居高不下，與東京等國際大都市相比依然存在較大差距。

圖2 2005—2019年北京市GDP、能源消耗總量及能耗強度變化數(shù)據(jù)來源：根據(jù)《北京統(tǒng)計年鑒》(2005—2019年)計算而得。

其次，從能源供給結構看，可再生能源占能源消耗總量的比例相對不足(詳見圖3)[45]，2015年北京市可再生能源占全市能源消費總量的3.76%，2019年該比例僅上升到6.53%(詳見表2)[40,47]。電力作為化石能源的綠色替代品，在清潔能源體系中占據(jù)重要地位，然而2019年北京市可再生能源電力消納量僅占全社會用電量的12.7%(同期紐約的可再生能源發(fā)電占總供電量的29%[48])，為北京市總能耗的3.36%。當前北京市的可再生能源利用總量較低，給支撐碳達峰目標的實現(xiàn)帶來了較大的壓力。

圖3 2005—2019年北京市能源供給結構數(shù)據(jù)來源：《北京統(tǒng)計年鑒》(2005—2019年)。

表2 北京市可再生能源占比核算 %

(三)產(chǎn)業(yè)的能源消費結構趨勢分析

能源結構轉型不可忽視能源消費結構優(yōu)化，生產(chǎn)和生活行為是能源消費的驅動力，2005—2019年北京市的能源消費結構出現(xiàn)較大的變動(詳見圖4)。在產(chǎn)業(yè)結構方面，北京產(chǎn)業(yè)高端化趨勢明顯，產(chǎn)業(yè)結構布局不斷優(yōu)化。2005年，北京市第一、二、三產(chǎn)地區(qū)生產(chǎn)總值占比為1.2∶26.7∶72.1，于2019年達到0.3∶16.2∶83.5[40]，第三產(chǎn)業(yè)保持穩(wěn)定增長趨勢，始終占據(jù)經(jīng)濟主力軍地位。高耗能、高排放行業(yè)能耗比例持續(xù)下降，而第三產(chǎn)業(yè)和居民生活的能源消費量已超過全市總能耗的70%，成為拉動北京能耗總量增長的主要因素[48]。當前北京市服務業(yè)與國際發(fā)達城市相比尚有較大發(fā)展空間，2019年紐約第三產(chǎn)業(yè)占比91.2%(3)statista數(shù)據(jù)庫, https:∥www.statista.com/。。北京市仍可進一步深化行業(yè)內(nèi)部結構調整，進而提高產(chǎn)業(yè)綜合競爭力，以產(chǎn)業(yè)升級帶動經(jīng)濟環(huán)境高質量發(fā)展，助力節(jié)能減排工作的開展。

圖4 北京市16個部門能源消費結構的變化趨勢數(shù)據(jù)來源：《北京統(tǒng)計年鑒》(2005—2019年)。

生產(chǎn)生活行為是能源消費的主體，如何推動產(chǎn)業(yè)結構進一步向節(jié)能低碳轉型，如何實現(xiàn)能源消費結構向可再生能源傾斜，是北京市實現(xiàn)碳達峰面臨的關鍵問題。根據(jù)北京市“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標，北京市將轉變能源發(fā)展方式，到2025年，全市可再生能源消費比例達14%左右，煤炭消費量控制在100萬噸以內(nèi)，同時構建綠色低碳的產(chǎn)業(yè)體系[49]，計劃在“十四五”時期實現(xiàn)二氧化碳排放總量率先達峰后穩(wěn)中有降，實施二氧化碳控制專項行動。本文正是基于以上現(xiàn)實背景，致力于從結構優(yōu)化和效率提升兩大方面雙管齊下，采用復雜系統(tǒng)仿真模擬的方法，開發(fā)北京市碳達峰模擬器，探索如何通過產(chǎn)業(yè)結構和能源結構調整、能源利用效率提升的三大舉措層面助力北京市碳達峰目標的實現(xiàn)，提供優(yōu)化路徑和碳達峰路線圖。

三、北京市碳達峰模擬器構建及模型檢驗

(一)模型框架及數(shù)據(jù)來源

研究結合系統(tǒng)動力學模型、動態(tài)投入產(chǎn)出模型和多準則決策模型進行北京市經(jīng)濟-能源-環(huán)境整合建模，開發(fā)基于結構與效率雙控的“碳達峰”模擬器(Beijing carbon emission peak simulator, 簡稱BJCEPS)。系統(tǒng)動力學模型能刻畫經(jīng)濟、社會、環(huán)境等多個子系統(tǒng)之間的相互作用關系，從系統(tǒng)運行的整體角度執(zhí)行多目標優(yōu)化，通過該方法闡明北京市的經(jīng)濟-能源-環(huán)境復雜系統(tǒng)的耦合機理；投入產(chǎn)出表能反映經(jīng)濟部門間的平衡和聯(lián)系，用于研究產(chǎn)業(yè)結構的內(nèi)部優(yōu)化調整及其帶來的低碳效果；多準則決策模型可以在存有沖突的約束條件或目標下求解最優(yōu)方案，研究既要實現(xiàn)GDP最大化，同時也要控制能源消耗量和二氧化碳排放。通過該模型模擬預測北京市未來15年的經(jīng)濟社會發(fā)展、能源供需平衡以及二氧化碳排放情況，求解經(jīng)濟、能源和碳排放的系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展路徑。

模擬器由社會經(jīng)濟模型、能源模型和碳排放模型三大子模型構成(詳見圖5)。北京市的社會經(jīng)濟活動以產(chǎn)業(yè)部門的生產(chǎn)行為為主，社會經(jīng)濟發(fā)展促進產(chǎn)業(yè)的中間投入和最終需求，形成經(jīng)濟系統(tǒng)的價值流，產(chǎn)業(yè)部門間遵循投入產(chǎn)出價值流動平衡。能源系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的作用機理均與社會經(jīng)濟活動密切相關，社會經(jīng)濟活動和居民生活需要能源投入，能源的生產(chǎn)和使用會導致二氧化碳排放產(chǎn)生，分別形成能源系統(tǒng)的能源流和環(huán)境系統(tǒng)的物質流。通過系統(tǒng)動力學分析復合模型中的耦合機理，利用復雜系統(tǒng)的價值流、能源流和物質流之間的既相互制約又相互促進的關系，使三者處于動態(tài)平衡。一旦這種平衡被打破，如經(jīng)濟系統(tǒng)出現(xiàn)高能耗高污染型生產(chǎn)和盲目擴大經(jīng)濟規(guī)模，將會導致能源短缺危機和嚴重環(huán)境污染等系列問題。為了從決策方案中擇取最優(yōu)，本文設置不同情景，模擬預測產(chǎn)業(yè)結構與能源結構的調整方式及其實施效果，比較分析不同情景下北京市二氧化碳減排潛力、碳達峰的實現(xiàn)時間和優(yōu)化路徑。

圖5 北京市碳達峰模擬器模型架構

研究使用的數(shù)據(jù)主要來源于北京市2006—2020年統(tǒng)計年鑒、能源平衡表以及2017年北京市投入產(chǎn)出表[50]。為有針對性地反映重點行業(yè)能源消費和碳排放情況，研究根據(jù)生產(chǎn)活動特點、行業(yè)性質和能源消耗強度相近的部門進行整合，將2017年北京市42部門的投入產(chǎn)出表整合成16個部門(詳見表3)。

表3 2017年北京市16部門直接消耗系數(shù)矩陣及附加價值率

(二)模型構建和參數(shù)設計

1.目標函數(shù)和主要約束條件

目標函數(shù)設為北京市地區(qū)生產(chǎn)總值(gross domestic product，簡稱GDP)最大化或二氧化碳排放總量(TCO2)最小化。模型以2017年為基準年，做2017—2035年共19年的預測。根據(jù)2017年北京市的真實數(shù)據(jù)，給模型中的外生變量賦值，模型模擬未來15年北京市的經(jīng)濟、能源和二氧化碳排放的發(fā)展變化(外生變量和內(nèi)生變量分別簡稱為外生和內(nèi)生)。

(2)

(3)

式(2)中，ρ為社會折現(xiàn)率，研究引用每年社會折現(xiàn)率為0.05的系數(shù)進行測算(外生)；式(3)Vi為北京市i部門的附加價值率(外生)(詳見表3)，i為整合后的北京市投入產(chǎn)出表的16個部門；Xi(t)為t年北京市i部門的產(chǎn)值(內(nèi)生)。模型共作19年的模擬預測，t=1為2017年，t=19為2035年。

(4)

式(4)中，TCO2為t年北京市的二氧化碳排放總量(內(nèi)生)，測算方法參見式(1)。

為實現(xiàn)經(jīng)濟增長和低碳減排的雙重目標下的線性優(yōu)化，研究設置了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投入產(chǎn)出約束、能源供給需求平衡約束和電力系統(tǒng)的平衡約束。從經(jīng)濟增長目標對產(chǎn)業(yè)部門的發(fā)展要求出發(fā)，社會經(jīng)濟模型重點考慮產(chǎn)業(yè)部門的投入產(chǎn)出平衡，探索產(chǎn)業(yè)部門在相互影響制約下如何進行調整。能源供需平衡分析能源的需求結構和供給結構變化，并由能源的消費進入對二氧化碳減排問題的探究。電力系統(tǒng)單獨列出，是考慮北京市電力在能源供給結構中的比例將會持續(xù)增加，光伏、風力等可再生能源發(fā)電取代傳統(tǒng)火力發(fā)電是必然趨勢，因此，在能源模型中應單獨考慮電力部門的供需平衡。

(5)

TES(t)≥TED(t)

(6)

TELEC(t)≥Electricitydemand(t)

(7)

TCO2(t-1)≥TCO2(t),t≥15

(8)

2.能源供需平衡模塊

產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動和居民生活離不開能源保障，同時能源結構也受到經(jīng)濟結構變化的影響，能源與經(jīng)濟密不可分。能源模型充分考慮供給側和需求側結構轉變趨勢及相互作用，供給側考慮可再生能源逐漸替代化石能源；需求側則主要通過產(chǎn)業(yè)結構調整控制能源消費總量。能源為經(jīng)濟發(fā)展提供動力保障，為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，能源模型滿足能源供給大于等于能源需求的平衡，即能源供給主要由原煤、汽油、煤油、柴油、天然氣、液化天然氣、電力、熱力和新能源等組成。

(9)

式(9)中，TES(t)為t年北京市的能源標準煤總供給量(內(nèi)生)；SCfe為e種能源的折標準煤系數(shù)(外生，詳見表4)；ESe(t)為t年e種能源的總量(內(nèi)生)，增加e=12，新能源。

表4 各類能源折標準煤系數(shù)

能源需求主要考慮北京市16個產(chǎn)業(yè)部門以及居民生活對原煤、汽油、柴油、煤油、天然氣、液化天然氣、熱力和電力的終端消費量。

(10)

式(10)中，TED(t)為t年北京市的能源標準煤消費總量(內(nèi)生)； ECI_Standardi為i部門的能源標準煤消耗系數(shù)(外生)；ECI_Standardresident為居民生活的能源標準煤消耗系數(shù)(外生)，為0.781 8噸標準煤/人；Xi(t)為t年i部門的產(chǎn)值(內(nèi)生)；R(t)為t年北京市的常住人口數(shù)量(內(nèi)生);ξ為能源效率提升參數(shù)(外生)。

居民生活是北京市的一大能源消費主體，因此，本研究也將居民生活的能源需求及其導致的碳排放納入模型中。常住人口數(shù)量是影響居民用能的重要因素，其計算可用函數(shù)表示為：

R(t+1)=(1+0.02%)·R(t)

(11)

式(11)中，R(t)為t年北京市的常住人口總數(shù)(內(nèi)生)；0.02%為北京市2014—2019年的平均常住人口自然增長率(外生)，模型中假設未來15年的人口增長率保持為0.02%。

3.電力供需平衡模塊

為保障正常的生產(chǎn)和生活用電，電力總供給恒大于等于電力總需求。電力是北京市最重要能源，并且隨著北京市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對電力的需求日益增大。但是當前發(fā)電結構主要以火力發(fā)電為主，為實現(xiàn)“雙碳”目標，新能源發(fā)電取代傳統(tǒng)火力發(fā)電是必然趨勢。

電力供給：北京市的電力結構由北京市發(fā)電和外省調入電力兩個部分組成。新能源發(fā)電比例在當前北京市發(fā)電和外省調入電力中占比較低，2017年低于15%。為實現(xiàn)“雙碳”目標，火力發(fā)電技術效率提升和新能源發(fā)電取代傳統(tǒng)火力發(fā)電是必然趨勢。電力供給公式如下：

TELECS(t)=ELECnew(t)+ELECthermal(t)+(1-α)·ELECim(t)+α·ELECim(t)

(12)

TELECnew(t)=ELECnew(t)+α·ELECim(t)

(13)

式(13)中，TELECS(t)為t年電力供給總量(內(nèi)生)；ELECnew(t)為t年新能源發(fā)電量(內(nèi)生)；ELECthermal(t)為t年傳統(tǒng)火力發(fā)電發(fā)電量(內(nèi)生)；ELECim(t)為t年從外省調入電量(內(nèi)生)；α為從外省調入電量中新能源發(fā)電量占比(內(nèi)生)，數(shù)值區(qū)間為(13%，50%)。

(14)

可再生能源電力是未來電力總供給的一個核心組成部分，由北京市的自主發(fā)電和外省調入兩部分構成，等于總供電量減去北京市當?shù)氐幕鹆Πl(fā)電和外省調入電量中的火電。

研究基于以上模型公式，依據(jù)北京市經(jīng)濟能源環(huán)境的現(xiàn)實數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)(詳見表4～5)，結合北京市政策文件里的經(jīng)濟、能源、碳排放目標來設置不同情景，并利用交互式的線性和通用優(yōu)化求解器(linear interactive and general optimizer， 簡稱LINGO)來進行仿真模擬，預測北京市2020—2035年的能源供需及產(chǎn)業(yè)轉型優(yōu)化發(fā)展情況，探索北京市的碳達峰路線圖和優(yōu)化路徑。

表5 2017年北京市16部門產(chǎn)值及產(chǎn)業(yè)能耗、電耗情況

(三)模型敏感度檢驗

敏感度檢驗是驗證模型有效性的手段之一。研究的經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先情景主要是擬合北京市的經(jīng)濟、能源和環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，因此，通過2017—2019年真實值和預測值的比較，可以驗證模型的擬合度和科學性，以保證模型的合理性(詳見圖6)。

圖6 基準情景模擬值與實際值的對比

圖6是動態(tài)模型的預測結果與現(xiàn)實值的對比，模擬GDP和實際GDP在數(shù)值上相差幅度不超過5%，其中基準年的GDP和一二三產(chǎn)業(yè)的占比與現(xiàn)實值幾乎吻合，模型的擬合效果較好。從二氧化碳排放量的模擬值與實際值比較看，2017年、2018年、2019年誤差率分別為3.39%、1.57%、1.1%，誤差率均小于5%，且誤差率逐年降低(詳見表6)。說明本研究使用的動態(tài)優(yōu)化仿真模型是合理的，模擬結果具有準確性，可以用于預測產(chǎn)業(yè)結構和能源結構調整對促進北京市碳達峰的影響和優(yōu)化路徑。

表6 2017—2019年二氧化碳排放量與模擬值比較

(四)情景設計

為深入分析不同碳減排途徑的作用，研究分別設置了基準情景、結構優(yōu)先情景和綜合發(fā)展情景(詳見表7)?；鶞是榫跋虏捎卯a(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化措施；結構優(yōu)先情景整合能源結構和產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化措施，設置2030年新能源供給比例超過30%的限制；綜合發(fā)展情景，采取結構與效率雙控的手段，在結構優(yōu)先措施的基礎上，增加能源效率2025年提升10%、2030年提升20%的約束。

表7 碳減排途徑的情景設定

基于以上3種情景，本文探討了基于產(chǎn)業(yè)結構和能源結構調整對促進北京市碳達峰的影響和優(yōu)化路徑。

四、北京市碳達峰優(yōu)化路徑仿真模擬分析

(一)碳達峰時間和峰值預測

不同情景下二氧化碳排放量均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(詳見圖7)，并有明顯的排放量拐點，說明產(chǎn)業(yè)結構與能源結構優(yōu)化調控以及能源效率提升3種措施對碳減排有著顯著作用。3種情景下碳達峰時間和峰值存在一定差異。

圖7 3種情景下二氧化碳排放量、GDP和碳排放強度的變化趨勢

在基準情景下，2027年實現(xiàn)碳達峰，達峰值為16 116萬噸，但經(jīng)濟發(fā)展明顯受到碳減排制約，尤其在碳達峰后期出現(xiàn)經(jīng)濟下行，表明僅通過產(chǎn)業(yè)結構轉型升級不能支撐低碳經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

結構優(yōu)先情景下，調整產(chǎn)業(yè)結構的同時大力推進新能源發(fā)電，提升北京市自發(fā)電力以及外部引入電力中的新能源發(fā)電占比，以此優(yōu)化能源結構，在產(chǎn)業(yè)結構與能源結構“雙結構”調控措施下，2025年實現(xiàn)碳達峰，達峰值為15 884萬噸，但達峰值偏高，達峰后至2035年GDP年平均增長率為2.2%，碳達峰后期“雙結構”優(yōu)化措施對經(jīng)濟驅動水平有所下降。

在實施優(yōu)化調控產(chǎn)業(yè)結構與能源結構以及提升能源效率3種措施的綜合發(fā)展情景下，2027年實現(xiàn)碳達峰，碳達峰值較2019年水平相比，沒有顯著增加，為14 751萬噸；碳達峰后至2035年碳排放量保持穩(wěn)定下降態(tài)勢，2035年碳排放量下降至12 764萬噸；同時GDP保持穩(wěn)定增長態(tài)勢，2035年，基本實現(xiàn)GDP翻一番的2035愿景目標，達到近70 000億元，年平均增長率近4%；碳達峰后可實現(xiàn)絕對脫鉤發(fā)展，促進經(jīng)濟高質量發(fā)展。

比較3種情景2035年的GDP和碳排放量，綜合發(fā)展情景下，2035年GDP為69 155億元，與基準情景52 859億元、結構優(yōu)先情景59 899億元比較，增加幅度明顯，分別為1.31倍和1.15倍，同樣，綜合發(fā)展情景下，2035年碳排放量最少為12 764萬噸，與結構優(yōu)先情景12 898萬噸、15 235噸相比，少了134萬噸和2 471萬噸。

由于不同情景的碳達峰年的二氧化碳排放量、經(jīng)濟發(fā)展水平有著較大差異，碳排放強度下降幅度也有顯著差異?；鶞是榫跋?，碳排放量以較大幅度增長到高峰值點達峰，達峰后勻速下降，下降曲線較平緩，2035年碳排放量較2017年增加1 796萬噸，但二氧化碳排放強度較2017年下降40%；結構優(yōu)先情景下，碳排放量增長速度較快，達峰后碳排放量下降幅度較大，曲線坡度較陡，2035年碳排放量較2017年減少540萬噸，二氧化碳排放強度較2017年下降50%。

綜合發(fā)展情景下碳達峰值處在3種情景中的最低點，同時，碳達峰后碳排放量持續(xù)穩(wěn)定下降，且經(jīng)濟增長保持穩(wěn)定，較2017年下降55%；碳達峰實現(xiàn)效果最為顯著。

(二)碳達峰產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化路徑分析

圖8顯示3種情景的達峰年、2030年及2035年的產(chǎn)業(yè)結構變化。3種情景下至2035年，北京市的服務業(yè)一直保持主導地位，3種情景達峰年、2030年及2035年的服務業(yè)占比均超過了80%；3種情景在2035年的服務業(yè)占比分別為：基準情景88.6%、結構優(yōu)先情景87.4%以及綜合發(fā)展情景86.6%。

從其他行業(yè)發(fā)展看，與2017年各行業(yè)部門產(chǎn)值相比，在基準情景下，實現(xiàn)較大幅度增長的有醫(yī)藥制造業(yè)、交通運輸設備制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)和能源部門；在結構優(yōu)先情景下，實現(xiàn)較大幅度增長的有醫(yī)藥制造業(yè)、交通運輸設備制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)、能源部門和建筑業(yè)，但上述兩種情景下能耗強度大(如重化工業(yè)、金屬制品、交通運輸)或行業(yè)增加值率偏低(如電器機械和器材、通信電子設備)的“低產(chǎn)出高排放”行業(yè)發(fā)展受到嚴重限制，這些行業(yè)產(chǎn)值較2017年水平相比下降幅度為40%～60%。

相比之下，綜合發(fā)展情景除上述醫(yī)藥制造業(yè)、交通運輸設備制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)、能源部門和建筑業(yè)之外，通信設備、計算機和其他電子設備，專用設備也得到一定發(fā)展，符合“大力發(fā)展現(xiàn)代制造業(yè)，培育新的經(jīng)濟增長點”的北京發(fā)展戰(zhàn)略。綜合情景下建筑業(yè)和能源工業(yè)各占3%，交通運輸設備制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、計算機和其他電子設備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比提升至4%以上?？傮w來說，實施產(chǎn)業(yè)結構與能源結構優(yōu)化調控、能源效率提升3種措施為發(fā)展現(xiàn)代制造業(yè)提供了發(fā)展空間，能夠在碳減排過程中實現(xiàn)穩(wěn)定增長，產(chǎn)業(yè)結構轉型升級轉向高質量發(fā)展。

(三)碳達峰能源結構優(yōu)化路徑分析

圖9闡釋3種情景的能源供給結構相對于2017年水平的變化態(tài)勢，主要分析了碳達峰年、2030年和2035年的變化規(guī)律。

3種情景下，電力均是最主要的能源消費類型，電力包括傳統(tǒng)火力發(fā)電和新能源發(fā)電兩個部分。在結構優(yōu)先和綜合發(fā)展情景中，2035年新能源發(fā)電在能源供給結構中的占比超過了30%。綜合發(fā)展情景下，能源結構變化態(tài)勢最為穩(wěn)定，達峰年電力占能源供給的44.8%，且新能源發(fā)電占比達12.1%；達峰后期新能源發(fā)電占比逐年提升，至2035年達到31.4%，電力占能源供給的44.9%。天然氣是除電力之外北京主要使用的清潔能源，達峰年天然氣在能源結構中占比達到17.5%，2035年提升至19.9%。電力和天然氣是未來發(fā)展過程中支撐能源供給結構的兩大重要能源。

推動新能源發(fā)電和擴大清潔能源天然氣使用，不僅能確保北京能源供應穩(wěn)定，而且能提升經(jīng)濟發(fā)展空間和低碳減排空間，促進能源系統(tǒng)低碳轉型，對碳達峰有著顯著作用。

(四)碳達峰能源效率提升路徑分析

3種情景的能耗消費量與經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)“同步性”增長趨勢(詳見圖10)?；鶞是榫跋?，碳達峰后經(jīng)濟發(fā)展受到制約，能源消費量未出現(xiàn)持續(xù)增長；結構優(yōu)先情景的能源消費量最高，2035年達到8 637萬噸標準煤，年均增長率在1%；結構與效率雙控的綜合發(fā)展情景下，2035年能源消費量為8 501萬噸標準煤，但能源消費增長率顯著低于經(jīng)濟增長率，因此，能耗強度顯著低于其他兩種情景。

基準情景和結構優(yōu)先情景能耗強度分別為0.16噸標準煤/萬元和0.15噸標準煤/萬元，較2017年水平降低40%和42%；綜合發(fā)展情景下，2035年能耗強度為0.12噸標準煤/萬元，較2017年水平下降51%，能耗強度下降幅度最大。

據(jù)此可知，產(chǎn)業(yè)與能源結構調整在碳達峰前期對推動經(jīng)濟發(fā)展和控制能耗總量上效果顯著，但碳達峰后保持二氧化碳排放量持續(xù)下降，邊際減排效果遞減；相對而言，在實施能源效率提升措施的綜合發(fā)展情景下，碳達峰后依然保持較大的減排空間。

五、研究結論及建議

碳達峰是碳中和的前提條件，碳達峰實現(xiàn)時間提前、峰值越小，對碳中和的效益越大。2030年前實現(xiàn)碳達峰目標意義深遠，任務艱巨，探索碳達峰時間表和路線圖是現(xiàn)實所需。本研究開發(fā)結構優(yōu)化與效率提升雙驅動的“北京市碳達峰模擬器”，對2020—2035年北京市的經(jīng)濟發(fā)展、能源消費和二氧化碳排放趨勢進行動態(tài)仿真預測，通過分析模擬結果得到幾方面的結論和建議。

(一)結構與效率雙驅動有效降低碳排放峰值

基準情景和結構優(yōu)先情景的碳達峰值偏高，分別為16 116萬噸和15 884萬噸，且碳達峰后產(chǎn)業(yè)結構、能源結構優(yōu)化調控的碳減排空間有限，經(jīng)濟發(fā)展將受到限制，基準情景下呈現(xiàn)經(jīng)濟下行趨勢，結構優(yōu)先情景下年平均增長速度僅為2%。與其相比，結構優(yōu)化與效率提升雙驅動的綜合發(fā)展情景的二氧化碳減排效果顯著，2027年實現(xiàn)碳達峰目標，碳達峰值為14 751萬噸，碳達峰后，經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)保持近4%增長速度至2035年，2035年GDP將達到6.92萬億元，基本實現(xiàn)2035年較2020年經(jīng)濟翻一番的目標；碳達峰后，二氧化碳排放量保持持續(xù)下降，經(jīng)濟增長與二氧化碳排放實現(xiàn)絕對脫鉤發(fā)展，二氧化碳排放強度下降與2017年水平相比下降51%。

(二)深入推進碳達峰進程中的現(xiàn)代服務業(yè)和高精尖制造業(yè)轉型升級

2035年，其產(chǎn)值規(guī)模占比達到86%以上，與此同時，服務業(yè)成為北京市能耗最大的產(chǎn)業(yè)，今后是否控制好服務業(yè)能耗強度對二氧化碳排放影響較大。因此，需要通過節(jié)能等措施進一步提升服務業(yè)能效水平，加快向現(xiàn)代服務業(yè)轉型升級。

碳達峰亦需要交通設備、通信設備等制造業(yè)部門的產(chǎn)業(yè)結構向低耗能低排放的清潔型產(chǎn)業(yè)升級，結構優(yōu)化和效率提升為北京市推進高精尖制造業(yè)提供了新的發(fā)展空間，能夠在碳達峰過程中使產(chǎn)值穩(wěn)定增長，制造業(yè)部門產(chǎn)業(yè)結構逐漸優(yōu)化實現(xiàn)高質量發(fā)展。能源工業(yè)作為社會經(jīng)濟發(fā)展必不可缺的動力保障，亟需推動傳統(tǒng)能源工業(yè)向綠色能源工業(yè)升級，使綜合發(fā)展情景中能源工業(yè)部門產(chǎn)值穩(wěn)步增長。

(三)碳達峰進程前期注重結構優(yōu)化、后期強調效率提升

在不同發(fā)展階段制定針對性措施，能夠更好地促進碳達峰效果。產(chǎn)業(yè)與能源結構優(yōu)化調控的邊際碳減排效果在碳達峰前期更為顯著，在碳達峰后期能源效率提升的邊際碳減排效果更為明顯。因此，產(chǎn)業(yè)轉型升級的同時，大力推動能源結構優(yōu)化調整和各部門能源效率提升，對有效控制能源消費總量具有重要作用。

(四)碳達峰目標倒逼“能源系統(tǒng)去碳化”

碳達峰目標實現(xiàn)需要大幅度提升能源供給結構中新能源占比、擴大清潔能源天然氣使用。電力是北京市最重要的能源類型，且北京市外調電力比例較高，提高北京自發(fā)電中新能源發(fā)電占比的同時，提高外調電的綠電占比，也會對二氧化碳減排以及低峰值提前實現(xiàn)碳達峰作出較大貢獻。此外，天然氣作為清潔能源是第二大能源類型，供給占比也穩(wěn)步提升，逐步取代高污染高排放化石能源。在各部門提升能源效率激勵下，綜合發(fā)展情景的能源效率將實現(xiàn)跨越式提升，2035年較2017年水平將降低51%。

(五)深化區(qū)域化石能源的消費總量強約束

合理控制化石能源的消費規(guī)模，遏制高碳能源的使用，從源頭上減少二氧化碳排放量。北京能源結構是以電力為主、清潔能源天然氣為輔，逐漸提升電力中的新能源發(fā)電占比，保持高比例的新能源零碳電源是必然趨勢，新能源發(fā)電在能源系統(tǒng)中的作用將越來越突出。

綜上，本研究拓展學科交叉研究，整合投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動力學模型和運籌規(guī)劃模型，創(chuàng)新性開發(fā)了“北京市碳達峰模擬器”，基于此，運用復雜系統(tǒng)動態(tài)仿真的方法，探究碳達峰背景下北京市的能源與產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化和能源效率提升路徑。結構與效率雙管齊下，有效助推北京市經(jīng)濟高質量發(fā)展且提前實現(xiàn)碳達峰。本研究致力于為北京市碳達峰提供科學的發(fā)展路線圖，研究方法具有普適性和拓展性，為其他地區(qū)探索2030年前碳達峰優(yōu)化路徑提供有效的借鑒和參考。