优化能源消费结构对河北省碳强度目标实现的贡献潜力分析

王新利,黄元生,刘诗剑

(华北电力大学 经济管理系，河北 保定 071000)

0 引言

随着我国工业化进程的加快，能源需求也日益增长。然而，以煤炭为主的能源消费结构会对环境带来严重负外部性影响，应对环境污染与气候变暖是全世界面临的共同挑战。我国政府2009年提出2020年二氧化碳排放强度比2005年下降40%～45%，为此，中国必须发展低碳经济。自碳强度目标被提出以来，学术界围绕如何有效实现碳强度目标展开了相关研究。有学者研究表明，优化能源消费结构不但利于实现能源产业协调发展、保证国家能源安全，同时也能在一定程度上降低碳排放强度。但是，我国地区和资源禀赋发展不平衡，地区间能源消费结构和碳排放水平差异显著。

河北省地处京津冀经济圈，是我国经济大省，也是能源消费大省。习近平总书记亲自谋划和推动的京津冀协同发展，第一次把河北全域纳入国家战略，为河北提供了难得的历史机遇，同时也是河北省推进结构性调整又好又快发展的宝贵和有利时期。但是，河北省经济社会发展还面临着许多矛盾和挑战。自2001年以来至今，河北省煤炭消耗量一直占能源消耗量的86%以上，二氧化碳排放量也一直居于前列，如此不合理的能源消费结构对生态环境造成了严重破坏和影响。因此，优化能源消费结构对实现河北省碳强度目标具有重要的现实意义。优化能源消费结构实现碳强度目标需要解决能源消费结构优化能在多大程度上降低二氧化碳排放强度以及能源消费结构优化对二氧化碳排放强度目标的贡献程度是多少。

1 文献综述

近年来，国内外学者在碳强度研究方面取得了一些成果和进展。其中Shrestha&Timilsina[1]对亚洲12国的电力行业碳强度的研究，视为对碳强度研究的开始。此后，伴随着我国2009年碳强度目标的提出，碳强度便成为研究热点之一。

有些学者对碳强度的影响因素和驱动力开展研究。岳超[2]利用我国分省区的化石能源消费数据和美国公布的我国碳排放数据，分析了我国各省区的碳排放强度，指出应从调整产业结构、能源政策改革、发展可再生能源等方面入手，以此实现碳强度目标；李陶[3]等采用非线性规划方法构建模型，分析了在我国碳强度目标约束下不同省市的减排配额分配方案问题；王锋[4]等对中国经济增长中碳强度的下降按照省区贡献进行分解。何建坤[5]等以美国政府提出的温室气体排放强度下降率作为减排目标的建议，对碳排放强度下降率的影响因素进行了分析。陈诗一[6]从因素分解角度分析了我国碳强度下降的模式及其成因；郝珍珍[7]等通过构建行业二氧化碳排放增长驱动力模型证明影响碳排放的主要驱动力是能源强度效应和行业贡献效应，而产业结构调整短时间内对CO2减排贡献力不大。林伯强[8]指出在保持经济增长的前提下应该通过提高能源利用效率来实现碳强度目标；张友国[9]等采用投入产出结构分析法，实证分析了1987～2007年的经济发展方式对中国碳强度的影响。

有学者以能源结构优化与调整为切入点对碳强度展开研究。王锋[10]等采用协整技术和马尔可夫链预测了中国碳强度趋势，分不同情景评估了能源结构优化对实现中国碳强度目标的贡献潜力；潘任飞[11]等、徐盈之[12]等从优化能源结构的角度分析了碳强度目标的实现问题；范德成[13]等在“十二五”碳强度最小化目标的前提下，以经济增长、能源供给和技术进步为约束，构建了线性规划优化模型，预测了未来能源消费结构，计算了能源结构对碳强度和GDP的贡献潜力。

但我国各省区的碳强度变动、碳排放份额变动、能源强度变动、能源结构调整以及产值份额变动共同决定了全国碳强度的变动[10]，又由于各省区经济发展和节能减排潜力差异很大，为顺利实现全国碳强度目标，需要及时评估不同省区的碳强度。所以很多学者针对不同省份对碳强度展开了研究。王平[14]等采用情景预测、GM(1,1)模型和成分数据模型预测了优化能源结构对广东省实现碳强度目标的贡献潜力；何立华[15]等采用组合预测模型以及马尔科夫链模型分别预测了山东省能源消费与能源消费结构，在此基础上分9种组合情景计算了能源结构优化对山东省碳强度目标的贡献潜力；王彩明[16]等在预测京津冀区域生产总值(GDP)、一次能源消费总量及一次能源消费结构的演变趋势基础上分析了一次能源消费结构调整对京津冀碳强度目标的贡献潜力。

上述文献研究发现能源消费结构调整可以有效降低碳排放强度，有助于实现碳强度目标。然而已有文献更多的是围绕国家层面展开的，研究结论和政策对不同省份而言不具备普遍适用性。河北省地处京津冀经济圈，在京津冀纳入国家发展战略之后，河北省碳强度目标的实现直接关系到京津冀碳强度目标实现，乃至国家碳强度目标的实现，然而目前尚未有学者研究河北省能源消费结构对碳强度目标实现的贡献潜力。基于此，本文将以河北省为研究对象，探讨河北省能源消费结构优化对于碳强度目标实现的贡献潜力，同时在研究过程中，剔除了同样会对碳强度产生影响的技术因素、产业结构以及经济结构等因素，使研究结果更有参考价值。本文首先运用情景预测方法预测河北省2020年地区生产总值和一次能源消费总量；其次采用马尔科夫链预测模型预测未来能源消费结构；最后分27种不同组合情景计算碳强度下降幅度以及对碳强度目标实现的贡献潜力，以期为制定和实施二氧化碳减排政策提供参考。

2 一次能源消费总量与地区生产总值预测

本文数据来源于《河北经济年鉴》，根据年鉴搜集整理河北省2001～2015年一次能源消费量和GDP数据，建立情景预测模型，以此预测河北省2020年一次能源消费总量和GDP。2005年全国能源消费总量为43亿吨标准煤，国家能源局要求2020年我国能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内，煤炭消费总量控制在41亿吨标准煤以内。就河北省而言，2005年全省能源消费总量为2.94亿吨标准煤，“十二五”期间累计单位GDP能耗下降25.2%，超过国家下达河北省节能目标(17%)8.2个百分点。河北省“十三五”能源规划指出，到2020年，全省能源消费总量控制在3.27亿吨标准煤左右，单位GDP能耗比2005年下降19%。

图1 河北省2001年～2015年能源消费总量和地区生产总值及其增长率

2.1 一次能源消费总量预测

有关资料显示，我国能源消费产生的二氧化碳排放量占据全国排放量的90%以上。河北省是我国能源消费大省，在京津冀一体化发展过程中扮演着非同寻常的角色。所以，本文主要针对河北省能源消费产生的二氧化碳排放进行研究。我国2005年一次能源消费总量为43亿吨标准煤，在《能源发展“十三五”规划》指出2020年我国能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内，年均增长2.13%。《河北省“十三五”能源发展规划》中提到，到2020年河北省能源消费总量要控制在3.27亿吨标准煤。如图1所示，河北省能源消费从2001年的12114.29万吨标准煤增长到了2005年的29395.36万吨标准煤，年均增幅为6.65%，其中2005年增长率最高为14.34%，2014年首次出现负增长，下降了1.16个百分点，原因是政府实施了煤炭消费减量替代政策，利用优质能源替代煤炭消费，从而减少了煤炭消费，能源消费出现了负增长。根据能源消费总量的历史变化趋势以及未来能源消费未来变化趋势的情景设定，将河北省未来5年能源消费总量增长分为三种情景。维持不变：年增长率为 4.06%；适度控制：年增长率为3%；强化控制：年增长率为2.2%。情景预测方法为：Energy2015+i=Energh2015×(1+r)i,i=1,2,…,5。其中r为Energy的年均增长率，据此计算，河北省2020年一次能源消费总量为：35867.23(维持不变)；34077.28(适度控制)；32774.29(强化控制)亿吨标准煤。

2.2 地区生产总值预测

如图1所示，2001年至2015年间，河北省GDP从5516.76亿元增长到了29806.11亿元，翻了5倍以上，上升趋势显著。其中，2004年环比增长率高达22.49%，2005年最低仅为1.31%，整个期间年均增长率达12.99%。河北省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要中指出，到2020年全省GDP突破4万亿元，发展目标为41800亿元，年均增速7%左右。同时，在中国国民经济和社会发展十三五规划中指出，2016年至2020年经济社会发展的主要目标是经济保持中高速增长，经济年均增长底线是6.5%以上。基于此，本文借鉴李善同[17]和王峰的研究成果与思路，结合全国和河北省实际发展和所定目标，将未来五年河北省经济增长速度分为高速、中速和低速三种情景：高速为年均增长率7.5%，中速为年增长率7%，低速为年增长率为6.5%。

GDP预测方法为：GDP2015+i=GDP2015×(1+r)i,i=1,2,…,5。其中r为GDP的年均增长率。 根据情景设定和所建模型，河北省2020年GDP将分别达到：42790.53亿元(高速)，41804.61亿元(中速)，40836.95亿元(低速)。

3 能源消费结构预测

不同的化石能源具有不同的碳排放系数，要计算CO2排放量，还需要预测能源消费结构，本文将采用马尔科夫链模型预测河北省未来能源消费结构。

3.1 一次能源消费结构现状

能源消费数据来源2016年《河北经济年鉴》。如图2所示，2001～2015年期间，河北省煤炭在一次能源消费中比重最高[18]，其中，2003年最高，占比为92.78%，从2009年开始，煤炭比重开始略有下降，2015年下降至86.55%。与此同时，天然气和非化石能源比重开始逐渐上升，石油消费比重比较平稳。

图2 河北省一次能源消费结构(2001～2015)

3.2 马尔科夫链模型构建

3.2.1 马尔科夫过程

如果一个随机过程{(X(t),t∈T)}在时刻t0所处的状态为已知，过程在时刻t(t>t0)所处状态的条件分布只与时刻t0时刻的状态有关而与过程在时刻t0之前状态无关，则称其具有马尔可夫性。采用马尔科夫链进行预测就是要根据所研究的变量现在的状态以及其未来变动趋势，对未来某一个特定期间有可能出现的状态进行预测。能源消费结构变化有其自身规律和驱动力，能源消费结构变动符合马尔科夫链特点。目前很多文献也都采用马尔科夫链模型对全国或者某些省份的能源消费结构进行预测。马尔可夫链是随机变量的一个数列，这些变量的范围被称为“状态空间”[15]。设S为{(X(t),t∈T)}的状态空间，若对于时间t的任意数值t1

P{X≤xn|X(t1)=x1,X(t2)=x2,…,X(tn-1)=xn-1}

=P{X(tn)≤xn|X(tn-1)=xn-1}

(1)

3.2.2 转移概率矩阵

在上述转移概率矩阵中，主对角线的元素表示四类能源消费保持原有份额的概率；主对角线以外的概率元素为转移概率：其中行元素表示该类能源消费份额向其他类能源转化的概率，列元素表示该类能源吸收其他类能源消费份额的概率；同时转移矩阵的每一行元素值之和必须等于 1。

3.2.3 模型建立

(2)

(3)

3.2.4 河北省能源消费结构预测分析

将整理的河北省能源消费结构数据带入上述构建的优化模型， 计算出一次转移概率矩阵：

根据上述一次转移概率矩阵和马尔科夫链预测模型，以河北省2005年一次能源消费结构作为初始变量，可以递推出2020年河北省能源消费结构：煤炭87.53%，石油5.92%，天然气3.91%，非化石能源3.07%。预测结果表明，煤炭消费比重在下降，天然气和非化石能源消费比重在不断上升，未来河北省能源消费结构将得到改善，会逐步满足能源规划的基本要求。

3.3 无规划约束的能源消费结构

无规划约束是指不考虑河北省能源发展规划中制定的能源消费目标对能源结构进行调整，而只是根据历年能源消费的历史规律预测未来状态而得到的能源消费结构，即：煤炭87.53%，石油5.92%，天然气3.91%，非化石能源3.07%，本文定义此情景为“不调整”。

3.4 有规划约束的能源消费结构预测

3.4.1 仅实现天然气目标约束的能源消费结构

2016年9月河北省政府出台了《关于加快实施保定廊坊禁煤区电代煤和气代煤的指导意见》，并在河北“十三五”能源发展规划提到加快推进“减煤、增气、纳新”，调整能源消费结构，将天然气消费比重由2005年的3.3%提高到10%以上，以此缓解河北省碳减排压力。本文假设天然气比重提高是由于代替煤炭所致。根据上述规划，本文预测2020年河北省仅实现天然气目标约束的能源消费结构：煤炭为81.01%，石油为5.92%，天然气10%，非化石能源3.07%，本文定义此种情景为“中幅调整”。

3.4.2 天然气、煤炭和非化石能源消费目标约束同时实现的能源消费结构

虽然近年来河北省非化石能源消费比例有所上升，但仍然没有改变“煤炭”的能源消费主导地位。如果政府采取合理措施逐步提高非化石能源的消费比例，势必会推动河北省进一步碳减排。国家能源“十三五”规划指出，2020年能源消费目标：非化石能源比重为提高到15%以上，天然气争达到10%，煤炭消费争取降低到58%以下，其中非化石能源和天然气消费为约束性指标。而河北“十三五”能源发展规划指出2020年，除了将天然气比重提升到10%以外，还规定煤炭实物消费量要控制在2.6亿吨标准煤以内，非化石能源消费比重要提高到7%，对煤炭和非化石能源的消费目标为约束性目标，并预期2020年一次能源消费总量为3.27亿吨标准煤。依此计算，煤炭比重最高为79.5%，假设天然气与非化石能源提高部分都是对煤炭能源的替代。根据上述规划，本文预测2020年河北省能源消费结构：煤炭为65%，石油为10%，天然气10%，非化石能源15%。本文定义此种情景为“大幅调整”。

4 优化能源消费结构对河北省碳强度目标的贡献潜力分析

本文将能源消费分为煤炭、石油、天然气和非化石能源四种；采用联合国政府间气候变化专门委员会《国家温室气体排放清单指南(2006)》推荐的参考方法估算二氧化碳排放量，并在此基础上计算二氧化碳排放强度；最后评估能源消费结构优化对河北省碳强度目标的贡献潜力。

4.1 河北省二氧化碳排放量测算

本文根据方法，对碳排放量计算公式如下：

(4)

其中，CO2表示能源消费产生的碳排放量；E代表能源消费总量；Si表示第i种能源消费在一次能源消费中所占比例；Ki表示第i种能源的碳排放系数；碳排放量与CO2的转换系数为44/12。为了确定不同能源的碳排放量，还需要确定各种能源的二氧化碳排放系数，由于目前各机构确定的排放系数不同，本文将采用中国国家发展和改革委员会能源研究所推荐的碳元素排放系数[19]，即煤炭、石油、天然气、非化石能源的碳排放系数依次为：0.7476、0.5825、0.4435、0。河北省2001～2015年各年二氧化碳排放量以及其增速、GDP增速如图3所示。

图3 河北省2001～2015年CO2及CO2、GDP增长率

本文设定了三种经济增长情景(高速、中速、低速)、三种能源消费增长情景(维持不变、适度控制、强化控制)、三种能源消费结构调整情景(不调整、中福调整、大幅调整)，将每一种情景进行组合可以组合成27种不同情景。在对河北省能源消费总量和消费结构预测的情景上，根据碳强度计算公式，可以计算出2020年27种组合情景下一次能源消费的碳强度，结果见表2。根据表2结果，进一步计算与2005年相比各种情景下碳强度的下降幅度，具体见表3。表1和表2计算结果表明：在预测的2020年各种情景下，河北省的碳强度与2005年碳强度相比均发生了下降；在对一次能源消费总量的控制力度以及一次能源消费结构调整幅度相同的情景下，河北省碳强度的下降幅度随着经济增速增加而增加；在对一次能源消费结构调整幅度和同样的经济增长速度情景下，河北省能源下降幅度随着对一次能源消费总量控制力度增加而增大。

4.2 能源结构优化对实现碳强度目标的贡献潜力

由于技术进步和产业结构优化调整等对碳强度降低也有作用，为了更好的分析能源结构优化对碳强度目标实现的贡献潜力，就要剔除其他因素的影响。基于此，本文的贡献潜力指的是河北省一次能源结构在不同情景调整下的碳强度下降幅度与不调整状态作为基准情景对应的碳强度下降幅度的差值与碳强度目标值之间的比值。我国碳强度目标是到2020年，单位GDP二氧化碳排放量较2005年下降40%～45%。以2005年不变价格为基础，计算的2005年河北省碳排放强度为1.47t/万元。根据设定的贡献潜力计算方法，进一步计算出调整优化能源结构对实现碳强度目标的贡献潜力，具体见表3。

表1 各情景中碳强度预测结果 t/万元

表2 各情景中碳强度的下降幅度 单位：%

表3 优化能源结构对实现碳强度目标的贡献潜力 单位：%

表2和表3结果表明，在相同经济增长速度和能源消费总量控制情景下，河北省碳强度的下降幅度随着能源结构调整幅度的增大而增大，对实现碳强度目标的贡献潜力也越大；在相同的一次能源消费结构调整的情景下，河北省的碳强度下降幅度随着经济增速的增加而增加，对实现碳强度目标的贡献潜力也越大。以经济中速增长的情景为例，假设以不考虑国家和河北省中长期能源发展规划中对能源结构的调整目标作为基准情景，在能源消费实行适度控制时，仅实现天然气消费目标的引导的“中幅调整”情景下，2020年碳强度与2005年相比下降幅度为61.56%，对河北省碳强度目标实现的贡献潜力为2.7%～3.1%；而同时实现天然气和非化石能源消费目标的引导“大幅调整”情景下，2020年碳强度与2005年相比下降幅度为66.94%，对河北省碳强度目标实现的贡献潜力为14.7%～16.5%。

5 结论

通过研究发现，能源消费结构优化对于是降低碳强度目标的有效措施。河北省一次能源消费结构进行不同幅度的调整对实现碳强度目标具有不同程度的贡献潜力。不同的经济增长情形、不同幅度的能源结构调整和不同的能源消费总量的控制力度，都会在一定程度上降低河北省碳强度，对碳强度目标实现具有一定的贡献潜力。主要结论如下：

(1)在一定的经济增长速度和一次能源消费总量控制下，河北省碳强度下降幅度随着一次能源消费结构的调整幅度增大而增大，一次能源结构调整对实现碳强度目标的贡献潜力也逐渐增大。表3显示，能源消费结构“大幅调整”所实现的碳强度“下降幅度”和“贡献潜力”分别大于在能源消费结构“中幅调整”和“不调整”时对应的结果。在同样的能源调整结构情景中，经济高速增长实现的碳强度“下降幅度”和“贡献潜力”，分别大于经济“中速”和“低速”情景下实现的“下降幅度”和“贡献潜力”。在一定的经济增长速度和同样的一次能源结构幅度调整情形下，河北省碳强度下降幅度随着一次能源消费总量的控制力度增大而增大，这说明了一次能源消费结构的调整对实现碳强度目标的贡献潜力在减小；在相同的一次能源消费结构的调整幅度和控制力度情景下，河北省碳强度下降幅度伴随经济增长速度减小而减小，说明一次能源消费结构对其实现碳强度目标的贡献潜力在增大。这与王峰等[10]在研究中国能源消费结构调整对碳强度贡献潜力评估和王彩明[15]研究京津冀一次能源消费结构调整对碳强度目标实现的贡献分析得出的结论是一致的。

(2)在本文组合的27种情景中，河北省一次能源消费结构调整对碳强度均有不同程度的下降，对碳强度目标实现的贡献潜力程度也不尽相同。其中，在经济高速增长、一次能源消费结构大幅调整以及对一次能源消费总量进行强化控制的情景下，河北省碳强度2020年与2005年相比，下降幅度最大，为68.93%(见表2)；在经济低速增长、一次能源消费结构大幅调整、一次能源消费总量维持不变的情景下，河北省一次能源消费结构调整对实现2020年碳强度目标的贡献潜力最大，为16.0%～17.8%(见表3)。

(3)影响碳强度变动的因素很多，而本文仅考虑了优化能源消费结构对河北省碳强度的下降幅度和对碳强度目标实现的贡献潜力，因此，研究结论仅对采取优化能源消费结构政策实现碳强度目标提供一定情景量化参考。正如前文所述，优化能源消费结构只是实现碳强度目标的有效措施之一，要想完全实现国家提出的2020年的碳强度目标，政府部门必须同时采用一系列配套的行之有效的对策。