中國特色 “低碳經濟”優(yōu)化模型研究

朱思斯

（清華大學，北京 100084）

中國特色 “低碳經濟”優(yōu)化模型研究

朱思斯

（清華大學，北京 100084）

隨著我國經濟的穩(wěn)定增長、人民生活質量不斷提高，如何實現低碳經濟、限制二氧化碳的排放變得極具挑戰(zhàn)。本文首先對我國在2018年的GDP總量、能耗總量以及碳排放總量進行了預測；然后根據預測結果，以經濟產出最大化、碳排放量最小化以及行業(yè)環(huán)境效率評估等為目標函數，構建中國低碳經濟優(yōu)化模型；最后通過求解、分析得到針對我國產業(yè)部門結構的最優(yōu)調整方案，為我國進一步實現低碳經濟提供了科學依據和參考。

低碳經濟 產業(yè)結構 優(yōu)化模型 調整方案

引 言

自改革開放以來，化石能源（石油、煤炭等）極大的推動了中國經濟的飛速發(fā)展，然而，伴隨化石能源的燃燒排放出大量的 “溫室氣體” （CO2、CH4、水汽等），導致的全球性氣候變暖首當其沖成為各個國家所面臨的環(huán)境問題。據國際能源署（IEA）在2010年的統(tǒng)計：中國已經成為 “世界第一大化石能源消費國”［1］，同樣也是 “世界第二大溫室氣體排放國”［2］。為此，我國在 “十三五”規(guī)劃中提出，到2020年，二氧化碳排放量（下稱“碳排”）相對于2005年降低40%～45% ，并承諾到2030年達到降低60%～65%的目標［3］。

低碳經濟首先在2003年被英國提出，其中心思想就是在保證一定經濟增長速度的同時，減少CO2等溫室氣體的排放；其本質則是優(yōu)化產業(yè)結構，提高能源使用效率，從而達到低碳發(fā)展的目的［4］。按照英國 “能源白皮書”［5］對低碳經濟模式的規(guī)劃，英國逐漸從自給自足的能源供應走向主要依靠進口的時代，并預計到2020年英國80%的能源都必須進口［6，7］。然而，中國由于其特殊的國情，經濟建設以發(fā)展為首要任務，急需大力發(fā)展生產力；此外，中國人口基數龐大，且人口增長率也遠高于歐洲［8－10］。因此，如何建立一個具有中國特色的 “低碳經濟道路”迫在眉睫。

1 中國在2018年的GDP、能耗及碳排總量預測

我國GDP總量、能源消耗總量和二氧化碳排放總量的整體變化趨勢以及研究三者直接的相互影響規(guī)律是實現我國 “低碳經濟”體制的重要科學依據和研究方法。

作者采用計量模型擬合的方法［11，12］，并采用2008～2013年的真實數據作對比，得到了GDP、能源消耗和二氧化碳排放總量的預測模型：

根據預測模型以2013年的數據為樣本，對中國2018年的41項部門產出優(yōu)化總量、能源消耗總量和二氧化碳排放總量進行預測，得到附表1所示。

2 中國低碳經濟優(yōu)化模型研究

2.1 目標函數確定

根據預測模型，以經濟產出最大化、碳排放量最小化以及行業(yè)環(huán)境效率評估等為目標，對經濟總量、能耗總量以及碳排總量的預測值作為上限約束進行優(yōu)化模型的構建，得到的目標函數為：

其中：x——決策變量；

i＝［1，1，…，1］T；

j——附表1中41項部門的總產出，j＝1，2，…，41；

M——代表我國所有41部門的產出量進行加總，將總產出值最大化。

2.2 約束條件的確定

2.2.1 能耗約束

考慮能耗約束，主要為了保證我國二氧化碳的總排放量不超標，同時也能保證我國具有一個健康的能源利用體制。基本思路是求得各部門能源消耗總和，不得超過預測的范圍，具體約束模型為：

其中，E——各部門的能耗系數矩陣；

β——轉化系數，表示各類能源換算成標準煤的比值（見表1所示）；

βTE—為1×41的矩陣，表示綜合能源生產率 ；ef——預測的我國2018年能源消耗量。

表1 標準煤能源轉化系數（β值）

2.2.2 CO2排放約束

該約束條件與約束（1）相近，表示各部門所排出的CO2總和不超過預測值。

其中，C——碳的排放系數矩陣；

iTC——同樣為一個1×41的矩陣，表示各部門分別消耗的二氧化碳總量；

cf——預測的我國2018年二氧化碳排放總量。

2.2.3 經濟發(fā)展水平約束

該約束將所有部門的增加值進行加總，總量不低于既定的GDP預測值。

其中：I——41×41的單位矩陣；

A——部門中間消耗系數矩陣；

（I－A）——增加值系數矩陣；

yf——預測的我國2018年GDP總量。

2.2.4 部門結構調整范圍約束

考慮到實際情況，一些關系到國民經濟命脈的部門，其產出量不存在從零到正無窮的變化范圍，為了不影響整體經濟良好運行，應該受到宏觀調控的控制，其范圍會在一個局部的小區(qū)間內活動，因此針對某些部門結構需人為的為其設置上下限，從而使得到的優(yōu)惠結果更接近真實。得到的約束模型如下：

其中，ubj和lbj分別表示各部門產出量的上界和下界。

2.2.5 其他優(yōu)化約束

為保證所得到的產出量均為非負值，這里多加入了下列優(yōu)化約束：

3 中國低碳經濟優(yōu)化模型的求解

3.1 部門產出量優(yōu)化結果分析

根據上述式（1）～（6），采用Matlab軟件對預期年各部門的經濟產出量進行求解，得到我國經濟優(yōu)化指數如表2。

表2 總體經濟指數

縱觀全局，我國的三次產業(yè)在2018年所占比重的優(yōu)化結果分別為6.18%、69.56%以及28.1%。與2013相比，第一產業(yè)的比重變化不大；而第二產業(yè)呈下降趨勢，下降幅度達3.5個百分點，這說明 “CO2排放約束”對于工業(yè)部門的結構形式產生了效果；作為服務業(yè)的第三產業(yè)所占比重略有增加。我國經濟總產出量相比2013年可以增加約36.44%，而增加值（GDP）比例上漲了約29.58%。

圖1 部門產出量最優(yōu)方案（單位：萬元）

根據41個部門產出量的結果看，到2018年我國國民經濟總產出量排名前5位的部門分別為建筑業(yè)，化學工業(yè)，農林牧漁業(yè)，食品制造及煙草加工業(yè)及批發(fā)和零售業(yè)。而相對增長幅度排名前6的部門為郵政業(yè)，金融業(yè)，衛(wèi)生、社會保障和社會福利業(yè)，批發(fā)和零售業(yè)，研究與試驗發(fā)展業(yè)以及綜合技術服務業(yè)。

根據2013～2018年變化趨勢可知：總產出比重下降的部門主要在第二產業(yè)。其中下降幅度較高的有：煤炭開采和洗選業(yè)，石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)，非金屬礦物制品業(yè)。其中，金屬冶煉及壓延加工業(yè)的降低幅度最高，比例在50%左右。與2013年相比，建筑業(yè)的總產出量達到18.7萬億，其所占總國民經濟的份額增長約為2.4%。除此之外，第二產業(yè)中兩個主要能源產業(yè)（天然氣開采業(yè)、燃氣生產和供應業(yè)以及石油）的產量均需有所提升；另外的石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、電力、熱力的生產和供應業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè)，其產出量絕對份額需要有所下降。

作為服務業(yè)務的第三產業(yè)，其中所有部門的產能均有所升高，提高比例需達到50%左右。從整體來看，我國第三產業(yè)全部16個部門，其產出量的增長幅度由2013年的20%增長到2018年25.5%。其中，全部16個產業(yè)中的文化、體育和娛樂業(yè)產值提升了2.21萬億，上升幅度最大。

由此可見，想要實現我國產業(yè)結構的優(yōu)化，更合理的實現低碳經濟體制，就必須大力發(fā)展第三產業(yè)，向服務業(yè)轉型。另外，第二產業(yè)部門中能源部門所占比例需要有所限制；其中，建筑業(yè)仍為我國支柱產業(yè)，其所占比例仍需持續(xù)維持。還有部分金屬加工業(yè)的生產規(guī)模也都需要降低。

3.2 能耗量與碳排量的優(yōu)化分析

我們通過公式（2）～（4），可以計算出我國2018年41個產業(yè)部門各自的能源消耗量與CO2排放量，然后再與增加值做比得到優(yōu)化方案中各部門的能源強度及二氧化碳強度。得到的行業(yè)能源強度下降比例結果如圖2所示。

圖2 行業(yè)能源強度下降比例結果

3.2.1 能耗量分析

根據圖2可以看出，能源消耗總量最高的金屬冶煉及壓延加工業(yè)所占比例由2013年部門23%下降至2018年的11.6%；而化學工業(yè)的能源消耗總量躍居成為首位，遠超第二名的交通運輸及倉儲業(yè)。第二產業(yè)中能耗排名前5位的部門，占據的比例也由63.06%下降至53%。

從整體優(yōu)化結構來看，農林牧漁部門的能源強度在2018年有所上升，代表第一產業(yè)對我國能源總量的影響并不大。因此，為了滿足優(yōu)化模型中能源總量的限制，近95%的部門均需要下調現有的能源強度，其中，第二產業(yè)相對第三產業(yè)的能源強度下降幅度更需要大一點。

3.2.2 CO2排放量分析

從行業(yè)的CO2排放量可知，電力、熱力的生產和供應業(yè)是碳排放總量最高的部門，占總體比例的34.49%；而化學工業(yè)在碳排量優(yōu)化方案中排名第一。此外，碳排量排名前10的部門都來自第二產業(yè)，其中9個行業(yè)的碳排總量均相對于2013年都有所降低；排放量需要下降最大的部門為電力、熱力生產和供應業(yè)，降幅可達近90%。

由以上結果表明：CO2排放總量的約束條件下，工業(yè)部門依舊是 “碳排大戶”，但其整體的排放數量相比2013年需要大幅降低。

第一產業(yè)部門所占并未發(fā)生大的變化，表明了第一產業(yè)的改變對節(jié)能減排并無大礙。第三產業(yè)部門也是如此，除倉儲運輸業(yè)需要對現有碳排水平進行減排外，其余部門都可以保持現狀即可。

從CO2排放強度來看，碳生產率（1/碳強度）前五位全部來自第三產業(yè)部門；而在前十位中的也只有兩個部門（計算機以及其他電子設備制造業(yè)、儀器儀表及文化辦公用機械制造業(yè)和通信設備）來自第二產業(yè)部門。因此，第二產業(yè)中包含的5個能源部類、11個部門均需要提升自身行業(yè)的碳生產率以滿足碳排總量的限制條件。

第三產業(yè)由于其具有經濟產出高、碳排量相對較低等優(yōu)勢，在優(yōu)化方案中指出包括了信息傳輸、計算機服務和軟件業(yè)等7個部門的碳強度需要提升，若能大力發(fā)展第三產業(yè)，能夠事半功倍的保證經濟總量增長。

需要指出的是，交通運輸及倉儲業(yè)是第三產業(yè)中唯一一個碳排放總量排進前十的部門，并且在經濟產出量優(yōu)化結果排行中也占據第8位，屬于我國經濟產出的重要組成部分，如果未來可以將新能源、新材料等科技在交通運輸部門多加推廣及應用，減少該部門的碳排壓力，很大程度上會有助于我國經濟的 “低碳”發(fā)展。

圖3 行業(yè)碳排強度排名

圖4 行業(yè)碳排強度下降比例結果

4 結 論

中國特色 “低碳經濟”的直接目的就是在保證一定量經濟增速的前提下，減少碳排放量，以通過優(yōu)化產業(yè)結構、提高能源使用效率的方式來達到低碳發(fā)展的目的。本文根據計量模型的預測，構建出我國基于經濟總量、能耗量以及碳排量的總量控制優(yōu)化模型。在保證現有的經濟增長水平，能源消耗水平及二氧化碳排放水平下，提出2018年最優(yōu)的產出（產業(yè)結構調整）方案。研究表明：可以在能耗量與碳排量雙重約束下經濟產出量達到最大，且相比基年（2013年）能源強度下降26.04% ，二氧化碳強度下降48.95%。而后，在上面非限制模型的基礎上又對碳排放總量加入政策性的 “減排”條件。相比上一個非限制優(yōu)化模型，在滿足最低限度經濟增長的前提下，二氧化碳排放總量能夠下降約22%。

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Research on the Optimization Model of China’s Low－Carbon Economy

Zhu Sisi
（Tsinghua University，Beijing 100084，China）

With the steady growth of China’s economy，people’s life quality rise ceaselessly，how to realize low carbon economy，limiting emissions of carbon dioxide becomes very challenging.Firstly，GDP in 2018，total energy consumption and carbon emissions is forecasted；then according to the forecast results，in order to maximize economic output，taking minimized carbon emissions and environmental efficiency evaluation as objective function，the optimization model of China’s low carbon economy is constructed；finally，by means of solving industrial sectors in China，it analyzes of the structure of the optimal adjustment scheme，for our country to further achieve low carbon economy provides scientific basis and reference.

low carbon economy；industrial structure；the optimization model；adjust the plan

附表1 中國41項分類部門產出總量、能源消耗總量和二氧化碳排放總量預測總表

續(xù)表

10.3969/j.issn.1004－910X.2016.12.013

F205；F121.3

A

（責任編輯：王 平）

2016—08—25

朱思斯，清華大學經濟管理學院經濟系博士研究生。研究方向 ：產業(yè)經濟學、公共經濟學。