基于系统动力学的碳排放强度控制研究

唐建荣，郜旭东，张白羽

1 问题的提出

无论是发达国家还是发展中国家，碳减排的施行都会对各国经济造成不同程度的影响。按照《京都议定书》的规定，发达国家要在2008～2012年二氧化碳排放与1990年相比平均降低5.23%，这一规定将意味着发达国家在2008～2012年间二氧化碳排放零增长甚至是负增长，这势必会对发达国家的经济增长产生负面影响。在成熟的减排技术广泛应用之前，减排就意味着抑制经济活动，并因此减缓经济发展速度。而对于发展中国家而言，能源利用率、产业结构、技术水平等都与发达国家有着较大的差距，减排对于发展中国家的影响更为广泛。本文所研究的碳排放强度减排是在发展中国家参与减排的角度上提出的，以中国政府提出的碳强度减排目标为基准，以碳排放强度目标值作为2020年二氧化碳排放总量的约束条件，从系统的角度考虑影响碳排放强度的各种因素，寻找其内在逻辑关系，构建系统动力学模型，并据此进行相关分析，进而为降低碳排放强度提供理论指导。

2 基于系统动力学的碳排放强度分析

系统动力学是基于反馈控制理论的计算机技术，适合于研究复杂社会经济系统。系统动力学从系统内部微观结构入手，建立SD数学模型，运用计算机技术，按时间步长法模拟运行，一步一步实现系统动态演变过程。

2.1 碳排放强度的因果关系分析

系统动力学中的因果关系图能够简洁的表达出复杂系统中各变量之间相互作用关系和相互影响，能够确定系统动态模型的范围。图1为碳强度影响因素的因果关系图。正反馈在系统中的主要作用是将外界干扰所引起的偏差予以放大，负反馈的作用是就是重新建立起该系统的稳定性，使系统的性能更优。碳强度的约束决定了产业结构调整、技术水平进步、环境政策优化等一系列二氧化碳减排因素，通过分析其内在的因果关系，我们勾画出碳强度影响因素的因果关系如图（1）。

图1 碳强度影响因素的因果关系图

由反馈回路可以看出，诸多因素共同影响碳强度目标值，降低碳强度是所有因素共振作用的结果；通过对因果关系图的分析，可以进一步获得影响碳排放强度目标值的系统动力学流程图。

2.2 碳排放强度系统动力学模型

根据图1的因果关系图可得出碳排放强度系统动力学流程图，如图2。在系统动力学流程图中，根据碳排放强度减排的约束条件模拟了二氧化碳排放总量变化的趋势、GDP总量变化的趋势，并得出碳排放强度变化的趋势。

图2 降低碳排放强度系统流程图

由系统流程图可以看出，影响碳排放强度的因素很多，其中直接影响因素是GDP总量与二氧化碳排放总量，二者直接决定碳排放强度的高低。同样，碳排放强度通过控制碳排放强度影响因子反作用于能源消费需求，进而实现对二氧化碳排放总量的控制。而能源结构、技术水平、人均GDP、能源需求等因素也将影响碳排放强度的高低。系统流程图通过一系列方程建立了各个因素之间的有机联系，真正做到将研究对象置于系统之中，并使碳排放强度的研究结果更加精确。

3 系统仿真及结果

模拟时间为2005～2020年。根据系统流程图中所定义的数学模型和结构模型设置2005年模拟起始时间的部分初始值（原始数据及方程见附表）。根据不同变量的逻辑方程并借助于Vensim软件模拟了中国2005～2020年二氧化碳排放量及碳排放强度的变化趋势。

二氧化碳排放量、单位能源二氧化碳排放量、能源消费需求、GDP总量、碳排放强度的模拟数据如表1。

3.1 碳排放强度模拟结果及说明

通过对二氧化碳排放强度系统流程的仿真，本文得到中国2005～2020年单位能源二氧化碳排放量、能源消费需求、二氧化碳排放总量以及GDP总量的模拟数据及变化趋势，见表1所示。其中，单位能源二氧化碳与能源消费需求是为了求出二氧化碳排放总量。根据二氧化碳排放总量与GDP总量可以模拟碳排放强度的变化趋势及2020年碳排放强度。

由模拟结果可知，在保证经济增长的前提下，能源消费需求呈上升态势，单位能源二氧化碳排放量明显下降，这说明碳强度的约束在调整产业结构与促进技术进步方面起到了明显作用。进行碳强度约束后，二氧化碳排放总量的增长速率也趋于减缓，并在2018年达到峰值后逐年降低，符合我国经济发展的趋势与我国的基本国情；据预测，我国年均GDP增长速率约为9%，而根据模拟结果，我国二氧化碳排放强度在2020年为1.38850万吨/亿元，达到了我国政府所承诺的减排目标，这说明碳排放强度约束的减排方式兼顾经济增长与减缓二氧化碳绝对量增长，在不伤害经济增长的前提下实现减排，是一种切实可行的减排方式。

表1 2005～2020年各指标模拟结果

3.2 模型的有效性

将模拟数据与已发布的统计数据进行比较，以验证模拟的真实性。二氧化碳排放系统流程的仿真主要从二氧化碳排放量、GDP总量、碳排放强度3个指标入手，校验系统模型与分配总量的拟合程度。如表2所示。

由于二氧化碳监测数据的滞后性，论文中采集了2005年至2007年的中国二氧化碳排放总量，由仿真结果可以看出，模拟的结果与真实结果的拟合度比较好。在GDP总量模拟数据中，模型综合了2006～2008年之间GDP总量两位数的增长速度以及2010～2020年年均增长量为8%的政府预测，将GDP年增长量最终定为9%，因此2005～2008年所得GDP总量要比实际GDP总量偏小，排除这种影响，模型的运行结果与最终预测结果基本吻合，同时也符合15%的系统动力学模型的允许误差，这说明模拟结果可以真实反应实际情景。

表2 二氧化碳排放量、GDP总量、单位GDP碳排放强度误差分析

4 碳强度约束的减排新思路

中国正处在工业化、城市化、现代化发展的新阶段，但总体工业技术水平落后，政府政策、法律法规的相对滞后都是阻碍我国低碳产业发展的瓶颈。经济发展离不开能源消耗，而碳强度指标约束为我国二氧化碳减排提供了新的思路：

4.1 结构减排

能源结构不合理是制约我国产业低碳化的关键因素。从模拟结果可以看出，能源结构的改变将直接影响碳减排的效果。依据国际能源署（IEA）的数据分析，2050年，终端能源结构的改善在不同减排情景下的减排总量贡献率上将达到36～44%。我国目前一次能源消费结构以煤炭消费为主，通过对模型的分析，结构减排应侧重降低煤炭的消费比重，推进煤炭资源整合；加快电力结构的调整，减少火电，重点开发风电、核电、水电等高效能源的建设，通过调整高碳行业的能源结构，将会产生卓有成效的减排效果。

4.2 技术减排

我国最大的二氧化碳排放来源是固体化石燃料的燃烧，1950年以来，其排放比例一直在总排放量的70%以上，应对其减排科技进行重点关注，侧重关键技术，加紧对固体化石能源减排科技的研究。模拟结果也恰好说明了技术因素影响单位能源二氧化碳排放量，进而影响碳排放强度。技术减排不单单是对现有技术进行革新，也应当对影响气候变化的相关技术做超前研究与引进，包括CCS化石燃料发电、整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）、煤炭超临界发电（USCSC）等。

4.3 管理减排

应对气候变化是未来长期面对的事情，这一挑战的持久性要求减排必须要有完备的管理体系，在管理的角度上实现减排目标。通过有效的管理机制，建立科研平台、交易平台，集成研究，切实提高我国碳减排的研究水平，将碳强度减排应用到碳交易平台的建设中，在管理上做到协调应对碳减排的科学布局；协调组织碳减排的科研项目及经费规划；协调建立碳减排的人才梯队；协调发展与国际间的碳减排合作；协调完善资料数据库，实现碳减排前沿数据共享。在管理减排中，主要包括以下几种方式的减排控制：

（1）碳预算减排控制

测算和定量分析经济发展中的碳排放是减排控制的第一步，碳资源的使用控制预算是碳减排能否达到目标的重要保证。碳预算保证了减排政策的针对性强、减排实施的操作性好、减排考核的有效性高。因此，碳预算应结合区域环境系统与区域经济系统的能量流、物质流分析，开创区域性碳排放预算，为建立我国区域性碳市场做准备，为我国参与碳交易提供契机，为我国发展碳贸易提供数据支持。

（2）碳金融减排控制

金融减排是将减排风与金融风险相结合，利用成熟的金融风险管理手段，通过市场机制、社会与政府的监督，将“先污染后治理”变为“事前预防”，有效地解决了市场失灵的问题。利用金融手段对碳交易市场进行刺激，通过保险、证券以及“绿色信贷”等方式充分发挥市场机制的作用，提高市场效率，通过“绿色信贷”等手段使企业提高对减排成本的重视程度，致力于排放端的治理，推行信贷前的减排预估，对于可能造成污染的企业不予贷款，使其难以正式投产，在源头上提高企业投产门槛，达到减排的目的。

（3）碳政策减排控制

碳强度的政策目标是通过制定符合我国基本国情的减排政策，以科学发展观为指导，以建设环境友好型社会，结构低碳型社会为最终目标，在政策减排的实施过程中应重点恪守三个原则：首先，综合治理原则，减排的根本目的是为了我国可持续发展，应平衡各种不同的利益与矛盾；其次，自主创新原则，制定鼓励自主创新的政策，政策应以减少排放及适应技术为目标；第三，重点突破原则，对症下药，找对关键点做政策突破口，集中力量，重点突破。

（4）碳交易减排控制

碳交易是为鼓励减少全球温室气体排放总量所采取的市场机制。作为管理减排的一个分支，碳交易是市场化控制碳减排必不可少的手段之一。碳交易将二氧化碳排放权推向市场，让市场经济主导环境保护。而碳交易减排控制将碳金融减排控制与实体经济紧密联系起来，一方面企业和项目所产生的减排量通过碳交易市场进入碳金融领域；另一方面，金融资本直接或间接的投资于碳减排的项目或企业，将无形的金融资本与有形的实体经济连通起来，通过碳交易的市场经济力量引导实体经济减排，达到碳交易减排控制的最终目的。

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