基于系統動力學的河北省工業碳排放研究

李國柱，何　曼(石家莊經濟學院經貿學院，河北石家莊050031)

基于系統動力學的河北省工業碳排放研究

李國柱，何曼
(石家莊經濟學院經貿學院，河北石家莊050031)

摘要:論文以河北省工業行業為研究對象，利用系統動力學的建模方法，構建河北省工業碳足跡的系統動力學模型，并對模型進行檢驗。在通過對于模型的驗證之后，分別設定三種低碳發展情景，對比其模擬結果，并將適合河北省低碳經濟發展的模式界定于情景2和情景3之間。最后，結合系統的模擬結果，針對碳足跡系統的制約因素，從產業優化升級、低碳能源開發、人才技術和財稅政策支持等方面，對河北省發展低碳經濟提出了對策和建議。

關鍵詞:碳排放;系統動力學;低碳經濟

網絡出版地址: http://www. cnki. net/kcms/doi/10.13937/j. cnki. sjzjjxyxb. 2015.04.011.html網絡出版時間:2015－08－20 15:30

一、引言

目前，河北省處于城市加速發展、人口急劇增加的階段，為了保持現有經濟發展態勢，全社會的能源消耗量將會持續增加，由此帶來的碳排放總量也會隨之快速增長。鋼鐵、化工、制藥等傳統產業在河北省的產業結構中占有主導地位，清潔能源行業當中的光伏發電、風電設備等發展也有較快發展;但是河北省的產業結構仍然存在不少問題，例如第二產業比重過大、對于工業中的高耗能行業依賴性，影響到了可持續發展的能力，產業升級轉型迫在眉睫，河北省迫切需要探尋適合自身經濟體系特點和資源稟賦的低碳化轉型方式。本文以河北省為例，分析了河北省工業能源消費和工業碳排放現狀，利用System Dynamics建模方法，建立了河北省工業碳足跡的SD模型，進而對于河北省碳足跡系統進行基于不同情景設定的仿真模擬，最終得出河北省經濟發展和環境改善的最優發展模式。與此同時，結合仿真結果，總結了河北省碳排放的制約因素，并為河北省發展低碳經濟提供可行性建議。

二、河北省工業能源消費與碳排放

(一)河北省工業能源消費概況

河北省工業行業消耗的能源有:原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、焦炭、焦爐煤氣、高爐煤氣、其他煤氣、其他焦化產品、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣、煉廠干氣、其他石油制品、天然氣、熱力、電力和其他能源等。通過對《河北經濟年鑒》的工業能源消費量和《中國能源統計年鑒》的各類能源消費實物量數據進行整理，得到河北省2005年—2012年工業能源消費總量圖(圖1)和能源消費趨勢圖(略)。

從圖1可以看出，隨著工業增加值的逐年增長，河北省工業行業的能源消費量呈逐年上升趨勢，工業增加值的增長趨勢與工業行業能源消費量的發展趨勢基本吻合。2005年—2012年，工業行業的能源消費量(終端消費量)占社會能源消費總量的比例分別為73.37%、74.07%、74.50%、74.78%、74.06%、72.75%、78.90%和77.98%，全部在70%以上，而且有逐年增長的趨勢。

從能源消費趨勢圖可以看出，近年來河北省的工業能源消耗量隨著時間的推移，逐年增加;其中，在能源消費量中占了較大比例的原煤、焦炭和電力三種能源的增加趨勢最為明顯。2005年，三種能源的實物消耗量分別為: 39 166 712噸標準煤、43 689 006噸標準煤和41 115 484噸標準煤，分別占了當年工業行業能源消耗總量的26.91%、30.01%和28.25%。到了2012年，三種能源的實物消耗量分別為: 45 042 615噸標準煤、81261787噸標準煤和87 819 096噸標準煤，占當年工業行業能源消耗總量的比例分別為19.1%、34.45%和37.23%。長期以來，河北省能源消費結構以煤炭為主，1980年—2012年間一直在90%左右徘徊，消費結構單一，其他類型能源占比偏低，碳排放主要來自煤炭消費。與同處京津冀地區的北京、天津兩大直轄市相比，河北省的碳排放量一直較高且增速明顯，未來的碳減排不容樂觀。

圖1　2005年—2012年河北省工業行業能源消費總量

從表1可以看出，2005年至2012年，河北省規模以上工業企業的綜合能源消耗量逐年增多;這一期間六大高耗能行業的能源消耗量占到規模以上工業的綜合能源消費總量的90%，并且始終保持在這一穩定水平。通過數據分析我們不難看出，六大高耗能行業是河北省的能源消耗大戶，而這其中，電力、熱力的生產和供應業，黑色金屬冶煉及壓延加工業，又占了絕大部分。這在一定程度上表明，河北省節能降耗的重點領域是六大高耗能行業，而其中的減排重點，是電力、熱力的生產和供應業以及黑色金屬冶煉及壓延加工業。

表1　2005年—2012河北省規模以上工業企業及高耗能行業能源消費總量　(單位:萬噸標準煤)

(二)河北省工業碳排放概況

本文采用的工業能源消耗量，根據河北省地區能源平衡表中工業的終端消耗量整理得出，并統一折算成標準煤當量，并以此作為計算碳排放量的基礎。需要說明的是，計算過程中不計入加工轉化過程、運輸和輸配損失能源的碳排放。另外，終端能源消費量中，不再計算電力和熱力的排放，其碳排放按照火力發電和供熱過程投入的能源計算［1］。

碳排放量的計算，采取IPCC碳排放指南計算方法，如下所示:

式中，C代表由于能源消費引起的碳排放量，單位為104t; Ei表示各種一次性能源的消費量，按照標準煤計量; Fi表示各種能源的碳排放系數，(104t/104t)。

碳排放系數Fi來源于IPCC碳排放計算指南，屬于缺省值一類，以焦(J)為單位。標準煤與能量的轉化，其系數為1×104t標準煤=2.93× 105GJ。按照工業行業中的能源消耗類別，碳排放系數如表2所示。

表2　各種能源的碳排放系數

通過數據處理，可以得出河北省工業行業的碳排放量，如圖2所示。2005年至2012年，隨著工業GDP和工業行業的能源消耗量不斷增長，碳排放量也隨之呈現出不斷上升的趨勢，而且增長速度很快。發展趨勢上，工業行業碳排放量與工業GDP的增長基本一致。

圖2　2005年—2012年河北省工業行業碳排放量

三、系統模型構建與檢驗

(一)系統結構

模型涵蓋四個子系統，分別是能源子系統、人口子系統、經濟子系統和環境子系統。

從模型框架圖(圖3)可以看出，四個子系統之間相互作用，相互影響。其中能源子系統處于核心位置，能源水平直接制約經濟、人口的發展，能源的消費和廢棄物排放直接影響了環境的質量。經濟子系統為系統提供動力，經濟總量和經濟增長率決定了系統總體的發展。人口子系統是發展子系統，其發展水平直接受到其他子系統發展狀況的影響，人口的數量又能夠反作用于經濟發展、能源消費和環境質量。環境子系統是評價子系統，經濟發展、人口增長和能源消耗的最終效果將直接反映在環境的質量上，在本文中主要用碳排放量來進行評價。

圖3　系統模型框架圖

(二)因果關系圖

系統控制的決策過程的進行，主要位于系統中一個或者多個回路之中。在明確了系統邊界的基礎上，我們根據變量之間的相互關系來構建因果關系回路。

如圖4所示，系統中的主要反饋回路有:

工業GDP→+科技投入→+能源利用效率→‐化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平→+減排成本→‐工業GDP

工業GDP→+ GDP總量→+人均GDP→+生活水平→+人口→+勞動力→+工業GDP

環保政策→+產業結構→‐高耗能行業能源消費→+化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平→‐環境質量→+環保政策

環保政策→+能源結構→‐化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平→‐環境質量→+環保政策

環保政策→+科技投入→+能源利用效率→‐化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平→‐環境質量→+環保政策

碳排放水平→‐環境質量→+環保政策→+能源結構→‐化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平

碳排放水平→‐環境質量→+環保政策→+產業結構→‐高耗能行業能源消費→+化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平

碳排放水平→+減排成本→‐工業GDP→+化石能源消費量→+工業碳排放量→+碳排放水平

圖4　系統的因果關系圖

根據圖4中的因果關系圖，我們將其轉化為系統動力學流圖，如圖5所示。

由于2005年之前的河北省能源消耗數據缺失，2005年之后的各項數據趨于完善，為保證數據的完整性和真實性，選擇2005年作為模擬的起點。模型的時間界定為2005年至2020年。

另外，需要考慮模型的另一項指標DT (積分步長)的選擇。從理論上來說，DT的選擇不得大于系統變化周期的四分之一，否則會使計算的結果失真［2］。在一階系統中，通常選取DT=(0.1～0.5)×DT。實際中也可以根據實際管理中的決策頻率來確定DT。在本模型中，DT確定為1年。

圖5　系統的流圖

模型中參數的選擇是建立模型的過程中非常重要的一步。本文中參數的主要類型有常數、表函數和初始賦值，參數的確定方法主要有:

(1)查閱《河北經濟年鑒》《中國能源年鑒》等統計年鑒和政府部門的相關數據和文獻資料，運用相關統計學知識，整理已知數據并進行預測。如工業GDP、人口總數、工業能源消費量等。

(2)利用Vensim_ PLE軟件自帶的表函數功能，建立模型中部分變量之間的函數關系以得出參數值。如科技投入因子、結構影響因子、人均GDP的目標值、碳排放強度的目標值等。

(3)運行模型之后，針對與真實數據不符的結果修改模型的參數，使得模擬的結果更加接近真實數據。

根據前文建立的系統模型和設定的參數，運行Vensim_ PLE軟件，模擬河北省2005年—2020年工業碳足跡系統的運行情況。可以得到四組數據，分別對應工業GDP、人口總量、工業能源消費量和工業碳排放總量的仿真結果，如表3所示。

(三)模型的檢驗

系統動力學認為，任何一個模型都不能完全地反映現實，模型只是對于現實情況的一種抽象模擬。在模型中，現實中可以觀察到的規律和法則仍然適用。模型的質量沒有好壞之分，但是在系統動力學中，我們應該選擇具有更高的可信度的模型，以便對于現實問題提出更加有效的政策建議。

模型的有效性測試主要是通過比較歷史數據與仿真數據之間的偏差率，來驗證模型的有效性。本文主要驗證了工業GDP、人口總量、工業能源消費量和工業碳排放總量的歷史數據和仿真數據之間的誤差，以驗證所建立模型的有效性。通過數據檢驗，偏差率都在±10%以內，基本滿足了系統仿真的條件［3］，說明河北省工業碳足跡系統能夠較為真實地還原了現實情況。

通過測試，驗證了該模型能夠可信地反映現實狀況，可以用于系統仿真，為河北省發展低碳經濟，提供可靠的政策建議。

表3　2005年—2020年系統仿真結果

四、系統仿真

(一)發展情景設定

在建立了河北省工業碳足跡模型之后，下一步就是通過系統仿真，以確定適合于河北省現實狀況的經濟發展模式。本文的研究對象，是河北省工業碳足跡系統，分別建立了能源子系統、人口子系統、經濟子系統、和環境子系統。系統仿真就是在子系統不同變量的基礎之上，對于相關變量進行組合和仿真，對比不同發展方案之下的仿真結果，為實現河北省經濟發展目標提供政策參考。

國際能源機構(IEA)在《世界能源展望2007》中，提出了三種發展情景，分別為:“參考情景”，“可選擇政策情景”，“高經濟增長情景”。情景在描述未來發展的可能性方面，比別的方法更加簡化和直觀。一般來說，情景的設定始于假設，其對象是重要關系和驅動力，且對象通常連貫一致。情景，可能針對不同的發展情境，做出詳細的描述;情景不是假設，也不是預想。情景可以從預計中得到，但經常是來源于其他信息的額外信息。

在建立河北省工業碳足跡的系統動力學模型的基礎上，本文設計了三種情景來進行仿真模擬，三種情景的總體目標見表4。

表4　模型的三種情景

為了對于模型中的狀態變量進行仿真，模型的控制參考變量選取常量和狀態變量初始值等系統參數［4］，主要有碳排放強度目標值、科技投入因子、結構影響因子和碳排放強度影響因子。

經過調試，不同情景的參數設定如表5所示。

(二)仿真結果

對于三種模擬情景的仿真結果進行總結，發現不同的影響因子在三種發展情景之下，得到的結果不同。下面主要從碳排放強度和工業碳排放量兩方面進行對比。

表5　三種情景的參數設定

1.碳排放強度目標值的對比

三種情景的碳排放強度的設定不同，情景1中的碳排放強度設定為每年降低3.91%，依據是“到2020年，單位GDP碳排放比2005年降低40%～45%”的發展目標。情景2設定為4.98%，即2015年的碳排放強度，比2005年降低40%。情景3設定為5.8%，即2015年的碳排放強度，比2005年降低45%，比情景1的預期完成時間提前五年。三種情景目標值差異如圖6所示。

2.工業碳排放量的對比

從圖7可以看出，雖然三種情景中，碳排放量在未來幾年仍然保持了增長的態勢，但是情景2和情景3的碳排放量均低于情景1。這是由于科技投入、結構調整以及其他影響因子的作用。與此同時，以情景1為基準，情景3的變化幅度大于情景2，在影響因子的調整上幅度更大，有利于提前實現低碳經濟的發展目標。

3.碳排放強度的對比

通過圖8可以看出，三種情景下碳排放強度的仿真結果有所不同。情景2和情景3的仿真結果均低于情景1，說明工業碳排放量的差異在GDP增長速度不變的情況下，決定了碳排放強度的差異。

上文以圖表形式，直觀地對比了Vensim_ PLE軟件的仿真結果。通過三種發展情景的對比結果可以看出，為了實現減排目標，對于河北省工業行業的諸多方面，例如產業結構、能源結構和科技投入程度，都有更高的要求。

從對比結果可以看出，在三種情景當中，情景3的碳排放量模擬結果最低，但是，在河北省發展低碳經濟的實踐中，情景3的設定可能會給節能減排的工作帶來一定的壓力。以碳排放強度的目標值為例，情景1將年均下降速度設定為3.91%，其依據是中央政府做出的“到2020年全國單位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%”的決定，情景3在這一基礎上，縮短了實現減排目標的時限，加快了減排幅度。這就使得河北省“十二五”末期以及“十三五”期間的減排難度加大，淘汰落后產能的規模將進一步擴大;工業，特別是高耗能行業，是河北省的支柱產業，技術上具有一定的優勢，河北省現有的產業結構想要在短時間內徹底改變，難度很大。

圖6　碳排放強度目標值的對比結果

圖7　工業碳排放量的對比結果

碳減排的本質，是經濟發展方式的變革，是一種制度的變遷。而制度變遷，則分為強制性和誘導性兩種。蘇聯和中國制度變遷的實踐證明，強制性的制度變遷是具有破壞性的，尤其是在變革的早期。因此，碳減排方式的制訂，應當既包括強制性措施，也包括誘導性措施。強制性措施主要有淘汰落后產能、限產限電等，對于碳減排的效果相對明顯;而誘導性措施，例如技術創新等，在短時間內難以發揮最大的效用。以強制性減排措施為主導，短時間內大幅度降低碳排放量，不利于國民經濟的長期持續穩定增長。因此，適用于河北省低碳經濟的發展模式，應當界定于情景2和情景3之間，爭取在2015年完成減排40%～45%的發展目標。

圖8　碳排放強度對比結果

五、對策建議

(一)產業優化升級

河北省必須繼續完善和構建促進節能降耗的產業政策。通過調整產業結構、產品結構、能源消費結構，提升高附加值、低能耗產業和產品的比重。在重點產業選擇時，要把能源消耗作為一個重要的衡量指標，大力發展清潔型產業，堅決杜絕高能耗高排放產業，從源頭上實現節能減排。具體的做法包括:

1.對行業進入嚴格把關，制定準入規范，控制新設行業，重點監督高能耗、浪費多的以及新建項目。對于新項目的批準建設，堅決看緊源頭，管控審核程序，嚴管審核關口。擬建項目的單位GDP能耗，如果高于當地標準，各層投資主管部門當年內全部不得審批、核準、備案。

2.執行行業能耗標準，明確規定高耗能行業的節能內容，規范高耗能行業主要產品的單產能耗。對于落后于時代要求的產能，例如污染環境、浪費資源和已不具備生產條件的落后廠房設備，應當強制減少。對于銷售渠道和建設施工階段進行監督檢查，嚴密監控能效不合格的高耗能產品和廠房，對于違反國家強制性規定的高耗能生產，要予以懲戒。

3.第三產業發展與工業轉型升級相結合，逐步提高第三產業在整體經濟結構中的比重，深化產業結構升級。結合河北省自身的競爭優勢，制定中長期的戰略規劃，為發展第三產業建立健全政策體系，培養具有專業素質的技術人才，提供自由、開放的市場環境和對企業優惠的資金支持，確保在實際中規劃的各項目標能夠得到有效的末端落實。

(二)低碳能源開發

低碳能源主要包括核能和可再生能源，其中，可再生能源包括風能、水能、生物質能、太陽能、潮汐能以及地熱能等。與煤炭相比，低碳能源的單位能源含碳分子量較少，或者沒有碳分子結構，因此使用低碳能源會產生更少的二氧化碳排放量，帶來更少的環境污染。對于河北省而言，能夠利用的可再生能源有風能、太陽能和生物質能。充分利用張家口、承德等地區豐富的風能、太陽能，擴大生物質能等替代能源的使用，有利于實現碳排放強度的降低。制定明確的政策，將發展可再生能源和提升河北省的產業競爭力統一起來，以率先實現科學發展。

在開發可再生能源的同時，不能夠片面地看到其單位能源碳排放量小的優點，而忽視大規模的開發利用可能會帶來的負面效應，如大規模的風電開發可能阻斷近地面大氣流動，進而影響植物授粉。因此，在開發低碳能源的過程中，需要對于各類低碳能源開發的風險、代價和成本進行論證，形成不同的低碳能源開發方案，選擇成本、風險和代價小的低碳能源開發方案予以實施。

(三)人才技術支持

通過清潔發展機制(CDM)引進發達國家的成熟技術，包括清潔、高效和低碳的能源技術，低碳發電站技術，創新型太陽能發電技術，生物燃料新技術，貯氫技術和脫碳產氫技術，碳捕獲與封存技術等。同時，加強科研創新的資金投入，建立低碳技術研發平臺，鼓勵科研院所、高校和企業建立產學研聯盟，低碳技術孵化器和中介服務機構，并鼓勵企業組建工程技術中心，推進國家重點實驗室的建設，研究開發控制溫室氣體排放領域的共性關鍵技術。加快低碳技術推廣應用和高排放產品的節約替代，推廣國家低碳技術推廣目錄中的技術，選擇具有重要推廣價值的替代產品或工藝進行推廣示范，實施高耗能、高排放產品替代工程，鼓勵開發和使用高性能、低成本、低消耗的新型材料替代傳統鋼材，鼓勵使用緩釋肥、有機肥等替代傳統化肥。

(四)財稅政策支持

為了全方位扶持低碳經濟，需要積極尋求財政政策的空間，充分發揮其導向作用，為低碳經濟的發展提供動力，積極出臺一系列促進低碳經濟發展的財政政策，綜合運用財政政策工具，形成相對較為完善的財稅政策體系。

相應的財政稅收政策支撐體系應當包括兩部分:一是對市場主體的節能減排行為起激勵作用的財政支出政策體系，如財政補助、貸款貼息、國債投入以及政府采購等政策措施;二是對市場主體的耗能排放行為起約束作用的稅收政策體系，主要是指與能源消費有關的各種稅、費征收措施，如碳稅、能源稅等。

具體的財稅措施包括:制訂稅收優惠政策，對企業低碳設備的投資按一定比例實行稅額抵免和退稅，對設備實行加速折舊，吸引國內外資金投資;充分利用河北省境內國土類型多樣的特點，結合三北防護林、退耕還林等林業政策，針對進行生態固碳的組織和企業，建立生態固碳的財政直接補助機制;推行優先購買低碳產品的政府綠色采購制度，將低碳經濟和資源節約的指標納入指令性的指標范疇，在同等條件下，優先購入節能環保的低碳產品;建立促進低碳發展的融資機制，通過創新金融制度和工具、發行企業債券、財政貼息貸款等方式，為低碳產業的發展提供資金支持和保障。

參考文獻:

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〔3〕龔宇波.基于系統動力學的南通市可持續發展研究［D］.南京:南京師范大學，2011.

〔4〕胡大偉.基于系統動力學和神經網絡模型的區域可持續發展的仿真研究［D］.南京:南京農業大學，2006.

(責任編輯周吉光)

Research on Industrial Carbon Emissions in Hebei Province Based on System Dynamics

LI Guo-zhu，HE Man
(Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang，Hebei 050031)

Abstract:This paper builds the system dynamics of model Hebei Industrial carbon footprint using system dynamics modeling approach，after the models were tested，it sets the set of three low-carbon development scenarios and compare their simulation results，and finds that low-carbon economic development mode in Hebei is between Scenario 2 and Scenario 3.Finally，combined the simulation results，the article puts forward countermeasures and suggestions in Hebei province from industrial optimization and upgrading of low-carbon energy development，talent and technology and other aspects of fiscal policy support for the development of low-carbon economy.

Key words:carbon emissions; system dynamics; low-carbon economy

作者簡介:李國柱(1971—)，男，回族，河北孟村人，博士，教授，主要研究方向:統計理論與方法。

基金項目:河北省社會科學發展重點課題“河北省生態文明建設監測指標體系及綜合評價研究”(2015020208) ;河北省統計科學重點課題“經濟轉型升級統計指標體系及綜合評價方法研究”(2014HZ05)

收稿日期:2015－04－21

DOI:10.13937/j. cnki. sjzjjxyxb. 2015.04.011

中圖分類號:F205

文獻標識碼:A

文章編號:1007-6875 (2015) 04-0057-09