低碳城市能源需求與碳排放情景分析

朱婧等

摘要以應對氣候變化和發展低碳經濟為大背景，在分析中國城市能源需求和碳排放現狀與發展瓶頸的基礎上，探討了低碳城市未來可能的發展路徑問題。選擇河南省濟源市作為研究開展的案例城市，借助情景分析法和“脫鉤”概念模型，展示了濟源市在能源和碳排放約束條件下，到2030年不同情景的低碳發展圖景。認為：第一，從需求角度來看，能源需求總量在基準情景、低碳情景和強化低碳情景下均呈增長趨勢，由于驅動因素的作用差異，基準情景下能源需求量最大，強化低碳情景下最小；第二，從消費角度來講，人均能源消費量在不同情景下的變化趨勢各有特點，其中低碳情景下可能在2020年前后出現拐點，此時人均能源消費量約為16.9 tce/人，絕對值仍然較高；第三，從不同情景下減排潛力來看，低碳情景和強化低碳情景下仍具有較大的減排空間，例如2020年低碳情景下可能減排約741萬t，強化低碳情景下約可減排1 790萬t。基于對城市未來能源需求和碳排放的情景分析結果，給出了城市低碳發展的結論和政策建議：一是濟源市的能源需求若保持現有高速增長趨勢是不可取的，低碳情景下和強化低碳情景下能源需求總量和增速有明顯改善；二是盡管在最嚴格的情景下，濟源市的人均能耗預測值仍然高于國際國內其他城市的預測，但由于其資源稟賦、產業定位等問題，要實現這個目標仍存在著一定的挑戰；三是濟源市的經濟增長依靠工業生產拉動，對于工業占比為絕對主導的這類城市而言，發展低碳經濟的著力點和減排潛力釋放應在傳統產業格局的升級改造上。

關鍵詞低碳經濟；IPAT模型；脫鉤理論；情景分析

中圖分類號F124.5文獻標識碼A文章編號1002-2104（2015）07-0048-08doi：103969/jissn1002-2104201507007

中國實現了幾十年來經濟的連續高速增長，已經出現了資源供需緊張和環境負荷嚴重的現實問題，同時仍處于工業化和城鎮化進程當中，加之“富煤貧油少氣”的資源稟賦特征和能源利用結構，低碳的發展道路成為必然。城市承載了各項生產和生活活動，造成對化石燃料的大量消耗和CO2等溫室氣體的主要排放，理應成為發展低碳經濟的重要平臺和關鍵區域，城市未來的發展面臨著能源需求的巨大壓力和碳排放的嚴格限制，因此必須要有適當的規劃引導并能夠實時對照檢查[1]。在對低碳城市未來能源需求和碳排放的相關研究中，情景分析法是一種常用的分析方法，通過構建不同的發展目標，經過嚴格推理，預測未來情形和向未來發展的過程[2-4]。本文研究選擇河南省濟源市作為案例城市，考慮到其產業結構特征、能源消費特點、環境負荷現狀等情況，對于研究城市的低碳轉型具有較強的代表性，旨在通過預測濟源市未來不同的能源需求和碳排放發展趨勢，對城市的低碳發展之路提供借鑒和參考，為有效地評價指導碳減排實踐工作提供科學的理論依據和支持，將對低碳城市的預測情景作為全社會努力可實現的目標，提升和增加公眾對于低碳城市的理解和期望，應用到城市建設實踐中，提出可操作的對策建議，保障城市的社會經濟發展，同時積極應對氣候變化的影響，在全社會各部門形成低碳的生產方式和生活理念。

1情景分析的方法學介紹

1.1基本框架

情景分析法在能源資源環境戰略規劃、政策分析以及決策管理支持等領域應用廣泛，其實質是構建了一套中長期戰略預測的框架，基于現實情況或可預見到的未來發展趨勢，預測未來情形和發展過程的一系列方案。基于情景分析法在能源需求、城市發展規劃以及生態環境系統變化等領域的研究應用，比較多的做法是通過預測經濟增長、政策執行以及技術升級等參數變化導致的未來不同情景，從而模擬分析各個情景下有區別的能源需求和低碳發展趨勢路徑。應用情景分析法的優勢在于提供了多種可能的發展預測結果，尤其在進行中長期的戰略規劃預測時面對的不確定性較大，使政策制定者或管理者有效避免過高或過低的決策，從而選擇正面因素最大而負面因素最小的發展方向和路徑。本文在預測低碳城市未來發展的能源需求和碳排放時，綜合應用情景分析和計量分析的方法，基于IPAT模型構建適用于研究對象的分析框架，有效結合了定量分析和定性分析的特點。以相對易于把握的經濟增長、能源需求與碳排放約束目標為基礎，預測案例城市可能的低碳發展路徑，通過對比現狀與預測值尋找城市低碳發展的潛力所在，從而提供政策建議、決策參考與行動計劃。

1.2.1IPAT理論模型

20世紀70年代美國生態學家埃里奇（Ehrlich）提出了表征經濟發展對環境影響的IPAT關系式，用人口（P）、富裕度（A）和技術水平（T）3個因素來反映環境受到的影響，其關系式用這3個因素表達為[1]：

I=P×A×T（1）

若將該關系式（1）中I看作碳排放對環境的影響，那么整個關系式就是關于碳排放的IPAT方程，在這里碳排放受到人口、經濟增長和技術水平的綜合作用。本文以碳排放的IPAT模型為基礎，引入“脫鉤”的概念，分析經濟增長、能源需求和碳排放之間的關系，I表示碳排放的環境負荷，P表示人口總量，A用人均GDP來表征，T為單位GDP的碳排放量，即碳排放強度[5-7]。

將關系式（1）進行分解，關于碳排放的IPAT模型可以表達為關系式（2）的變化形式。式中，Ct表示t期城市的碳排放總量，Pt表示t期年末總人口數，At表示t期人均GDP水平，E表示能源消費總量，（E/GDP）t表征的是t期能源強度，∑ni=1Ei/E表示第i類能源占能源消費總量的比例即能源結構，Ki是第i類能源的碳排放系數。

Ct=Pt×At×（E/GDP）t×（∑ni=1Ei/E）×Ki（2）

將t期與基期城市的碳排放負荷情況相比，假設人口年增長率是α，人均GDP年均增長率為β，能耗強度下降比率為γ，代表能源技術進步程度，用δ表征能源結構的變化率。此外，能源的碳排放系數Ki是一個相對穩定的常數，除非有重大技術變革發生，否則一般不會發生變化[1]。模型的t期與基期各因素關系如下：

Pt=P0×（1+α）（3）

At=A0×（1+β）（4）

（E/GDP）t=（E/GDP）0×（1-γ）（5）

∑ni=1Ei/E=∑ni=1Ei/E×（1-δ）（6）

因此，城市t期與基期碳排放負荷的變化情況就可以表述為：

Ct=C0×[（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）]t（7）

1.2.2“脫鉤”概念模型

按照環境庫茲涅茨曲線假說（EKC）的理論，經濟增長的過程伴隨著資源消耗和環境影響負荷，在經濟增長的同時，與之相關的資源消耗、環境負荷的發展狀態，可以用“脫鉤”理論進行測度，即對經濟增長和能源消耗、廢棄物排放的關系進行一個定量化的表達。因此發展的“脫鉤”與否，可以作為環境發展和環境政策的重要評估依據，這里采用人均GDP增長率和碳排放變化率來表征經濟增長和環境負荷之間的依賴程度[8-12]：

脫鉤程度=CO2排放增長率/人均GDP增長率 （8）

以脫鉤程度的概念模型式（8）為基礎，可以將經濟增長和環境負荷之間的不同關系表征如下：脫鉤程度>1，說明CO2增長速度大于經濟增長速度，CO2排放量增加顯著，經濟增長直接依賴于資源能源的消耗，處于發展的未脫鉤階段；脫鉤程度≤1，說明CO2增長速度小于或與經濟增長速度保持一致，經濟增長并不是完全來源于資源消耗，經濟增長與能源資源消耗處于脫鉤階段。

1.2.3情景的設置依據

依據關系式（7）中關于城市碳排放變化情況的關系，結合“脫鉤”概念模型可以得到以下3點結論，作為城市未來低碳發展情景設置的基本依據：

（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）>1，Ct>C0；表明未來第t年的碳排放總量大于基期，環境負荷增加，人口增長和經濟發展導致的碳排放量的增加程度大于能源技術進步和結構調整所帶來的碳排放量的下降，按照脫鉤理論的思想，該情況下未能實現碳排放的脫鉤；

（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）=1，Ct=C0；表明未來第t年的碳排放總量與基期相等，人口增長、經濟發展和能源技術進步、結構調整所帶來的碳排放的增減量正好抵消，即保障了經濟社會增長的同時，沒有造成碳排放的增加，實現了碳排放的脫鉤；

（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）<1，Ct

2濟源市低碳發展的情景分析

濟源市位于河南省西北部，是溝通晉豫兩省的重要交通樞紐，煤、鐵、銅等礦產資源豐富，其中已探明的煤炭儲量達2.85億t。受資源稟賦和發展定位等因素的影響，經濟增長主要依靠第二產業拉動，多年發展形成了以能源化工、機械制造、黑色金屬冶煉、有色金屬冶煉以及新型建材等行業為主體的工業體系，2012年底三產結構比重為4.5∶75.6∶19.9，是典型的工業主導型城市，產業結構不盡合理。終端能源消費中工業部門占了絕對比重，產業發展對煤炭類資源能源依賴度很高，2012年末，煤炭、石油、天然氣消費在一次能源消費中占比分別為85%、1%，7%。工業部門中鋼鐵、鉛鋅冶煉以及水泥行業碳排放最多，受重化工業發展的影響，成為中原經濟區重要的能源基地和原材料基地，濟源市的產業結構特征和能源結構特征決定了其未來低碳轉型面臨著較大的挑戰[13]。

2.1情景構建

情景分析的邊界為濟源市的行政區劃邊界，主要涉及到城市的能源需求和產業發展等方面，采用的數據來源于歷年的《河南省統計年鑒》、《濟源市統計年鑒》、濟源市能源平衡表和各有關單位部門的基礎能源統計資料等[14-16]。研究選擇2010年為基期，2015年、2020年、2025年和2030年為目標期，由于在這些時間點上的相關規劃資料較為完整，對于情景分析參數設置具有一定的指導意義。參考國家能源需求和碳排放發展的背景、前提和要求，同時結合河南省和濟源市對于低碳建設發展的相關政策法規、規劃實施條件，以及對未來能源需求和碳排放可能出現的情況做出假設，依據IPAT模型設置了城市未來發展的3種情景：

（1）基準情景（Business as Usual，BaU）：按照城市近年來慣有的經濟增長速度、人口發展規模、城鎮化和工業化的進程，以及資源消耗和能源需求的現狀，以經濟增長作為最主要的驅動因素，不采取任何應對氣候變化的對策和措施，保持慣性發展帶來的能源需求和碳排放水平的情景。結合城市的未來發展定位和目標，顯示該情景下城市的資源能源保障和生態環境影響。一般說來，基準情景是能源需求和碳排放水平最高的情景。

（2）低碳情景（Low Carbon，LC）：在基準情景的基礎上，考慮城市當前的節能減排、針對氣候變化的相關政策法規、行動計劃及干預措施等，采取能源結構優化和提高能效的技術手段，一方面保證經濟社會發展目標的實現，另一方面落實現有的節能減排政策措施并延續下去，其目標在于實現城市經濟、社會和環境的可持續發展，是未來有可能發生的能源需求與碳排放的情景。通過制定和嚴格實施應對氣候變化的政策，并將其有所延續，促進低碳技術進步，人們的生活方式和消費模式也有一定程度上的改善，這種情景下的未來可能的發展模式定義為低碳情景。

（3）強化低碳情景（Enhanced Low Carbon，ELC）：在低碳情景的基礎上，綜合考慮國際成熟經驗和國內城市的減排愿景，經濟增長模式有所改變，人們的消費理念發生變化，更加重視低碳生活的自覺行為，低碳技術發展成熟，主要耗能行業減排成本大幅下降，能源結構更加優化，能耗需求控制更嚴格和穩定，各項政策措施行動計劃的規范性和執行力更強。在強化低碳情景下，采用了能源需求控制和能源結構優化的技術手段措施，濟源市碳排放總量到2020年前基本穩定，并在2020年達到峰值，之后實現總量的下降，達到經濟增長與碳排放的脫鉤狀態。

2.2參數設置

對濟源市在基準情景（BaU）、低碳情景（LC）和強化低碳情景（ELC）下的人口、人均GDP、能源強度和能源結構等參數進行預測，各參數的變化情況分別用α、β、γ和δ來表征（表1），并得到各參數的實際變量值（表2）。對各參數在不同情景下的趨勢預測分別依據：

（1）人口參數。綜合考慮政策因素和社會經濟發展對人口增長的影響，以及在一定技術水平下，資源環境承載力對人口規模的制約，參考人口歷史自然增長率和相關規劃，確定預測期內戶籍人口自然增長率，鑒于濟源市建設產業集聚區、引進高等院校和中心城社區建設等，結合現有規劃及已有預測研究結果，確定人口機械增長率和常住人口綜合增長率，經綜合分析后得到年末常住人口數量預測。具體說來，預計2012-2015年人口機械增長率為15‰，2015-2030人口機械增長率為11‰，2011-2015年常住人口綜合增長率為21‰，2015-2030年常住人口綜合增長率為17‰，綜合分析后得到年末常住人口數量預測。

（2）經濟參數。經濟增長情況對于能源需求和碳排放影響重大，本文對濟源市未來GDP增長和產業結構的預測，主要依據國內外的發展經驗和城市對于自身經濟增長的規劃設計，綜合考慮其資源稟賦特征和產業定位特點，以及未來可能實現的經濟增長速度規模和產業結構分布特征來設置，這里采用實際GDP并以2010年作為判斷基準。具體說來，對于中國經濟增速的判斷，一般認為在2040年前后將完成工業化進程，根據國際同類型發展階段城市的歷史規律，經濟增長在未來20年內仍將保持較高的速度，即到2020年國內生產總值比2010年翻一番，在2030年之前仍保持工業化階段較快的經濟增長，表現出工業生產拉動GDP增長的趨勢。因此預計基準情景下“十二五”期間GDP年均增速將達到14%左右，到2030年以前經濟增速保持在12%的速度；低碳情景下2010-2020年間GDP將保持8.38%的增長速度，2020-2030年間將會降低至7.11%；強化低碳情景下參考國內資源型城市低碳發展的經濟增速和既定目標要求，將2010-2020年間GDP將保持5.5%的增長速度，2020-2030年間將會降低至4.5%。

（3）能源消耗參數。能耗強度和碳排放強度指標是國民經濟和社會發展的約束性指標，對于能源消耗的相關參數進行預測時，主要考慮未來城市能源強度的可能發展預期，結合國家《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》對于河南省的能耗下降目標和《濟源低碳試點城市實施方案》中對濟源市能耗強度下降的量化目標綜合設置。

由表2可見，與2012年年末常住人口數量相比，到2030年年末預計將新增28萬人，是2012年人口數量的1.4倍，若其他影響因素不變，僅人口數量的增加也將導致城市能源需求量和碳排放的增長。關于城市人口增加導致碳排放更大增長的研究已經有很多，一般認為人口規模對于城市碳排放而言是主要的影響因素，人口作為城市最主要的生產者和消費者，數量與碳排放呈較強的正相關關系，伴隨著人口向城市集中，碳排放量也將有所增長。

經濟發展表現出持續增長的態勢，“十一五”時期GDP的年均增速達到14.8%，人均GDP比“十五”末翻了一番以上。基準情景下假設經濟增長保持慣性發展的趨勢，地區發展GDP仍然主要依靠第二產業拉動，未來城市投資、消費以及資源產品的輸入輸出仍將保持一定的增長規模和速度，再加上產業發展定位為制造業、加工業等重工業行業，因此綜合考慮濟源市和河南省的經濟發展相關規劃，以及已有研究對于其未來經濟發展速度進行判斷；低碳情景和強化低碳情景下主要集中在第二產業占比較大的產業結構調整，低碳情景下經濟增速較基準情景有一定下降，強化低碳情景下假設對第二產業的發展實行非常嚴格的管制措施，主動淘汰能耗高、排放大的行業，經濟增長主要依靠第三產業完成，因此可以預見的是，減排措施必然會影響到城市的經濟增速，但從長遠來看，對于城市整體的產業結構優化，技術水平提高，以及資源環境社會的協調發展是有益的。

對于能源消耗的相關參數進行預測時，主要考慮未來城市能源強度的可能發展預期，“十一五”期間濟源市單位GDP能耗由2.64 tce/萬元降低到2.03 tce/萬元，能耗強度仍高于河南省平均水平。基準情景下僅考慮按照以往慣性發展所帶來的影響，參照同類型城市對于能耗強度下降的相關預測和規劃來設置參數；低碳情景的設定較基準情景更嚴格，主要是依據濟源市目前的能源相關規劃及低碳行動計劃，通過發展非化石能源，風力發電、垃圾焚燒發電和太陽能光伏發電等新能源示范工程實現能源結構調整，2015年單位GDP能耗比2010年降低17%，按照2005年價格計算將下降到1.69 tce/萬元，2020年單位GDP能耗比2010年降低30%，比2015年降13%，達到1.42 tce/萬元；強化低碳情景相較于低碳情景的能耗強度下降幅度更大，就預測結果來看，2020年達到排放拐點時的能耗強度約為1.36 tce/萬元，屆時碳排放強度將達到3.32 t/萬元。

3結果分析

3.1能源需求總量

能源需求總量在基準情景、低碳情景和強化低碳情景下，到2030年之前均處于持續增長的態勢，其中，基準情景下需求總量最大，低碳情景下總量和增長幅度都要小于基準情景且增速逐漸放緩，強化低碳情景下能源需求總量和增速較低碳情景更小。究其原因，主要是因為濟源市未來仍處在經濟增長期，不論是城鎮化的進一步加速，還是中原經濟區能源基地的產業定位，必然刺激能源需求量的供給（圖2）。通過預測可見，基準情景下能源需求總量平穩增長，這主要是因為對于該情景下的經濟社會等驅動因素設置為慣性增長所致；低碳情景和強化低碳情景下能源需求總量的增速變化較大，主要是由于對經濟增速的設定有所放緩，同時考慮到技術進步和低碳措施手段的強化執行，尤其是能源消費結構的變化，以及清潔能源在一次能源使用中的占比調整，促使能源需求總量受到限制。

3.2人均能源消費量

人均能源消費量是從消費角度來衡量城市能源消耗量的，通過城市間的橫向比較，或者與國家平均水平進行比較，從而反映出是否達到低碳城市的要求。通過對濟源市的人均能源消費量情景分析可見，基準情景下，人均能源消費量保持上升的趨勢，但在2015年后增速略小于前面幾年的增速，較為穩定；低碳情景下在未來幾年仍保持增長，到2020年前后出現拐點開始下降；強化低碳情景較低碳情景下降的更多且速度也更快。盡管在人均能源消費量最小的強化低碳情景下，濟源市到2020年的人均能源消費量約為11.91 tce/人，仍高于國際國內一些城市對于未來人均能源消費量的預測，但是考慮到其自身的資源稟賦、產業結構以及發展定位等問題，要想實現這個目標仍是具有一定挑戰的。

3.3碳排放強度

碳排放強度即表征單位GDP的碳排放量，能源種類不同則碳排放強度差異很大，同時又與能源消費量直接相關，反映了技術水平、能源生產利用效率等，取決于城市的經濟發展、行業水平和產業結構等因素的綜合作用。就情景分析的結果而言，預測碳排放強度在基準情景、低碳情景和強化低碳情景下均表現為逐年下降的趨勢，碳排放強度的下降將直接影響城市碳排放的總量，同時也是未來城市低碳發展的著力點所在。根據表3中預測結果可見，強化低碳情景下碳排放年均下降率最快，數值最小，三種情景下2030年的碳排放強度與2015年相比，分別下降了58%、74%和82%。

3.4減排潛力研究

對城市在未來的社會經濟、產業結構、全社會能源需求和碳排放情況進行情景模擬，定量化地給出不同情景下的可能發展路徑，與基準情景相比較，低碳情景和強化低碳情景下可能的減排潛力情況如圖4。以2020年減排潛力為例，與基準情景相比，低碳情景下還有可能減少排放CO2約741萬t，強化低碳情景下約可減排1 790萬t，可見在嚴格的應對氣候變化和低碳發展的政策措施及行動計

劃下，城市碳排放仍具有較大的減排空間。

就低碳情景和強化低碳情景下碳排放狀況與基準情景的比較可見，低碳情景和強化低碳情景下碳排放總量的減少是比較明顯的，在2015、2020、2025和2030年，低碳情景下分別可以減排CO2排放為218萬t、741萬t、1 325萬t和2 147萬t，相比基準情景下的排放量分別減少了7.15%、17.44%、26.48%和36.95%；強化低碳情景下由于采取了更加嚴格的減排措施手段，CO2排放總量更大且下降的速度也更快，與基準情景相比，總排放量未來年期分別可以減少729萬t、1 790萬t、2 514萬t和3 599萬t，下降率為23.9%、42.14%、50.25%和61.93%（圖5）。

4結論與對策

濟源市經濟增長很大程度上依賴于第二產業的帶動，經歷了作為產品輸出和能源基地的建設發展過程，在長期經濟增長累積的背景下，存在資源承載和環境負荷的巨大壓力，積累了許多環境保護的矛盾，經濟發展依賴資源，產業結構單一，經濟效益低下等問題逐漸暴露，加上資源環境和碳排放的條件約束，決定了其低碳發展存在著一定的現實困難。工業化和城鎮化的快速推進中，城市建設和人口消費的剛性需求造成碳排放的增長，也是無法回避的問題，盡管在低碳技術方面已經有了一定的基礎，但是依靠技術減排和結構減排通常需要較長的周期，且重點工業行業單位能耗較高的現狀仍然存在。在對濟源市能源需求和碳排放預測的基礎上，最后提出幾點對策和建議：

（1）對于濟源市這類以工業行業為主導的城市而言，產業結構調整重點在對傳統產業格局的升級改造上，對于高碳排放的傳統產業進行轉型，引導形成產業集聚區內的循環產業鏈。結合國家培育和發展戰略性新興產業的大

背景，規劃引導和政策支持培育符合城市發展特點的戰略性新興產業，形成高效節能環保的裝備和產品。特別是鼓勵發展高附加值的新興產業，將知識技術密集型的產業作為新的經濟增長點，逐步降低高碳排放產業在國民經濟體系中的占比。

（2）根據國家發布的產業淘汰目錄，制定淘汰落后產能方案，逐步淘汰落后產能、生產設備和工藝，重點在運行效率低、單位耗能高、碳排放強度大、不符合國家產業政策準入標準的工業企業。完善淘汰機制，引導落后產能企業與新興產業和特色產業接軌。比如說，濟源市的行業特點，可以探索“鋼鐵—深加工—廢棄物綜合利用”、“鉛鋅冶煉—精深加工—廢物綜合利用—再生鉛回收”、“煤炭—焦炭—副產及廢棄物綜合利用”等循環產業鏈技術。

（3）調整優化能源消費結構，控制能源消費總量，推進重點領域行業的低碳發展。在生產領域積極推廣風能、太陽能、生物質能、地熱能、天然氣等清潔能源的合理利用，最大限度地減少煤炭、石油等化石燃料的使用，推進行業減排加強行業指導、技術進步和監督管理，比如說水泥、化工、有色金屬等行業重點在SO2和氮氧化物的治理和低氮燃燒技術改造。

（編輯：李琪）

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