基于系统动力学的沈阳市工业碳排放研究

蒋雪娇，佟 岩，张景欣

（沈阳大学经济学院，辽宁 沈阳 110041）

1 研究背景与文献综述

改革开放以来，随着我国经济的快速增长，能源消耗日益增长，碳排放问题突出，中国在2020 年的气候雄心峰会上承诺：2030 年在碳减排层面，中国单位国内生产总值CO2排放量将比2005 年下降65%以上，CO2排放力争于2030 年前达到峰值，2060 年前实现碳中和。

实现碳减排目标也是沈阳市实现自身可持续发展的必要选择。沈阳作为中国重要的装备制造业基地，沈阳工业现已形成以汽车及零部件、装备制造、电子信息、医药化工、农产品深加工、民用航空、钢铁以及有色金属深加工为主的八大特色产业，其经济发展对化石能源消耗具有依赖性，能源消费的扩张不可避免。同时，沈阳市作为国家第三批低碳试点城市，应积极落实低碳理念，响应国家号召，在缓解气候变化、实行碳减排等方面发挥自我力量。

近年来随着相关学者的不断深入，经济—能源—环境的协调发展成为研究焦点。1992 年Roger 学者在其文章中首次引入能源系统动力学模型，从此该研究方法在学术领域得到不断的引用和完善[1]。国内外学者主要从国家、区域和行业三个层面进行研究，本文主要侧重行业层面。张建慧等将系统动力学模型用于研究政策对行业的影响，并用来预测行业未来发展趋势[2]，之后学者高倩将其运用到能源领域，用来研究工业企业能源消耗情况[3]，田立新、钱佳玲拓展了其在能源研究领域的研究方法[4]。李红启通过引入工业能源系统动力学模型，对相关行业碳排放路径进行追踪[5]。蒋蓬阳等在利用系统动力学模型基础上进行多角度多情景模拟，并完成了相关碳减排政策的仿真实验分析[6]。刘琦等通过调控相关政策参数值和组合方式将情景模拟不断完善[7]，杨莉莎等甚至详细分析了单因素调整到何种程度才能促成碳减排目标的实现[8]，刘琪基于系统动力学模型对天津市碳减排路径进行了详细研究，研究发现能源结构的调整对实现碳减排有极大的推动作用[9]。

上述文献从多方面展开了丰富的研究，取得了许多有价值的成果，为本文研究奠定了良好基础，但多集中于国家或省域碳排放问题的研究，对地级市碳排放关注少，甚至对东部碳排放预测的研究相对较少。因此本文选取地级市中的典型代表—辽宁省沈阳市，在全面掌握沈阳市工业能源消费和碳排放现状的基础上，利用System Dynamics 方法构建沈阳市工业能源消费和工业碳排放系统动力学模型，通过Vensim软件实现对沈阳市碳足迹系统的仿真实验分析，探寻沈阳市经济和环境协调发展模式，同时对沈阳市工业碳排放影响因素进行深入剖析，为沈阳市实现碳减排目标和建设低碳城市提供参考。

2 沈阳市工业能源消费与碳排放现状

2.1 沈阳市工业能源消费现状

2020 年，沈阳市拥有902.8 万人，全年地区生产总值达6 571.6 亿元，按可比价计算，比上年增长0.8%，工业生产总值占地区生产总值高达89.9%，这表明沈阳经济在很大程度上依赖工业发展，而工业的高速发展，预示着大量的能源消费，据最新统计公报显示，沈阳六大高耗能行业综合能源消费量占总能源消费量的69.8%。通过对《沈阳市统计年鉴》和《2020年沈阳市国民经济和社会发展统计公报》的工业能源消费量和工业总产值的数据进行整理，得到沈阳市2010—2020 年工业增加值、工业能源消费总量及工业能耗强度图，如图1 所示。

从图1 可以看出，2010—2014 年工业增加值逐年上升，年均增长率11.6%，2015 沈阳市工业增加值显著下降，2016—2020 年趋于平稳。沈阳市2010—2020 年工业能耗强度维持在1%～2%，除2014 年外，整体呈下降趋势。工业能源最终消耗总量除2014年和2018 年有小幅度回落，整体保持上升趋势，从2010 年7 044.5 万t 标准煤增加到2020 年9 467.2 万t标准煤。2016—2020 年时间段内，工业能源最终消费总量呈现倒“U”形，工业能源消耗高峰区在2016 年之前，2016 之后出现大幅度降低，这是由于沈阳市“十三五”期间，出台一系列政府文件和措施，通过优化产业结构、推进节能降碳，使得全市工业企业综合能源消费量持续波动下降。到2018 年降幅超过13%，2018 年由于经济规模扩大的原因，工业能源消耗量出现反弹趋势，总体上工业生产总值的变化与沈阳市整体生产总值趋势一致，说明工业发展对沈阳市的经济增长发挥着重要作用。

2.2 沈阳市工业碳排放现状

本文采用IPCC2006 年国家温室气体清单指南（2019 修订版）（能源卷）中各能源排放计算方法和参数（缺省数据），并结合我国《能源统计年鉴》中公布的相关参数计算，得出相应的能源碳排放系数。最终测算沈阳市九种主要消费能源：原煤、其他洗煤、焦炭、天然气、汽油、煤油、柴油、燃料油和液化石油气。沈阳市九种主要能源碳排放系数表，如表1 所示。

表1 沈阳市九种主要能源碳排放系数表

1）缺省净发热值。标准煤又称作煤当量，我国规定标准煤的热值为7 000 kcal/kg。1 kg 标准煤=7 000×4.186 8 kJ=29 307.6 kJ 标煤热值，用此把各能源的折标准煤系数转换为缺省净发热值（kJ/Gg）。

2）缺省含碳量。将各能源热值依照《IPCC 国家温室气体排放清单指南》中划分的燃料类型，得出相关能源的缺省碳含量。

3）碳排放系数。1 kJ 热值=29.27 kg 标准煤，各能源的碳排放系数（kg/kg 标准煤）为碳含量与29.27 的比值。

工业碳排放主要来源于化石能源的消耗[10]。本文主要对选取的九种主要能源种类进行计算，其碳排放的计算公式如下：

其中：C 为沈阳市9 种能源消费碳排放量；Pi为第i 种能源在能源消耗总量中所占的比例；S 沈阳市能源消费总量；Fi为第i 种能源的碳排放系数。

3 系统动力学模型构建与检验

3.1 模型总体结构

能源消费与碳排放系统是社会经济系统中一个较为具体的部分，本文将前者相关研究基础与沈阳市工业实际发展情况相结合，确定能源消费与碳排放系统边界，并分析其因果反馈关系。基于沈阳市经济发展水平和碳排放现状及工业能源消耗，所建立工业碳排放预测模型包括四个子系统，分别是以人口为基础的社会子系统，反映经济水平的经济发展子系统，反映能源使用状况的能源消费子系统以及反映碳排放和财政补贴政策控制的环境治理子系统。

3.2 模型因果反馈关系

本文以沈阳市工业能源消费量和碳排放量实际为依据，通过四个系统构建碳排放仿真系统，实现沈阳工业碳排放的仿真和模拟，六条反馈回路如下：

1）工业GDP→＋R&D 经费投入→＋技术进步→＋能源利用效率→－工业能源消费量→＋工业产值→＋工业碳排放量→＋工业碳排放水平→＋减排成本→－工业总产值→＋工业GDP。

2）工业GDP→＋GDP→＋人均GDP→＋生活水平→＋人口总量→＋全社会劳动力资源总数→＋工业GDP。

3）财政补贴政策→＋能源结构→－工业能源消费量→＋工业碳排放量→＋碳排放水平→－环保水平→＋财政补贴政策。

4）财政补贴政策→＋R&D 经费投入→＋能源利用效率→－工业能源消费量→＋工业产值→＋工业碳排放量→＋工业碳排放水平→－环保水平→＋财政补贴政策。

5）工业碳排放量→－环保水平→＋财政补贴政策→＋能源结构→－工业能源消费量→＋工业碳排量。

6）工业碳排放量→＋减排成本→－工业总产值→＋工业增加值→＋工业能源消费量→＋工业碳排放量。

3.3 系统流图的建立

在确定各个子系统变量以及因果反馈关系的基础上，为进一步探寻沈阳市工业碳排放的机理，建立沈阳市工业碳排放的系统动力学流图，如图2 所示。流程图中主要变量有工业增加值，人口总量、工业能源消费量、工业碳排放总量、能源结构影响因子、R&D经费投入因子、人均GDP 对能源需求的影响因子和碳排放强度影响因子。流程图中各个变量与相关因子通过Vensim 软件中表函数构建相关方程。

3.4 模型有效性检验

本文通过Vensim 软件对模型进行仿真模拟，沈阳市工业行业主要变量系统仿真结果，如表2 所示。由于系统动力学是基于实际经济发展水平下的模拟，通过对比验证2016—2020 年工业GDP，人口总量、工业能源消费量以及工业碳排放总量的仿真结果与历史数据，平均偏差均控制在10%以内，说明该模型可以用于预测沈阳市的工业碳排放量[11]。

表2 沈阳市工业行业主要变量系统仿真结果

4 系统动力学模型仿真实验

4.1 情景设定

在国家发改委所确定的第三批低碳城市的峰值目标以及创新重点中，沈阳市的碳排放峰值年被预估为2027 年，沈阳市政府接连下发《节能减排工作要点》，要求降低规模以上工业企业单位工业增加值能耗，大力推进国家低碳试点城市建设。为实现这一目标，沈阳市工业企业必须调整能源结构，加大科技创新投入。以“2030 年，单位GDP 碳排放比2010 年降低30%～40%”为发展目标，本文通过设定能源结构影响因子、R&D 经费投入因子、人均GDP 对能源需求的影响因子和碳排放强度影响因子数值，为沈阳市工业能源消费总量与工业碳排放量预测设置了以下三种情景：

情景1：碳排放强度年均降低3.2%。

情景2：碳排放强度年均降低4.2%。

情景3：碳排放强度年均降低5.2%。

4.2 仿真结果与分析

横向来看,由图3 和下页图4 可知，三种情境下工业能源消费总量和工业碳排放量随时间不断增长。但是纵向来看，情景2 和情景3 的工业能源消费总量和工业碳排放量均低于情景1，这是由于能源结构影响因子、R&D 经费投入因子及其他影响因子的作用。以情景1 作为基准情景，该情景下2030 年沈阳市工业能源消费量达到10 612.2 万t 标准煤，工业碳排放达到3 613.39 万t，均呈缓慢上升趋势。以情景3 作为强约束情景，在强约束情景下，2030 年年沈阳市工业能源消费量达到10 494.6 万t 标准煤，工业碳排放达到3 247.25 万t，表明强约束情景工业能源消费总量和工业碳排放量均低于基准情景，这是由于能源结构影响因子、R&D 经费投入因子及其他影响因子的作用。因此，优化工业能源消费结构、加大R&D 经费投入、提高能源利用效率、降低能源消费强度和加大财税扶持力度，有利于实现低碳减排目标。

5 对策建议

5.1 优化能源消费结构

随着沈阳经济持续发展，能源结构性矛盾凸显，沈阳市作为传统重工业城市，能源消费和生产结构长期以煤炭为主，要想实现可持续发展就必须优化能源结构，需要着重解决经济发展瓶颈的制约作用，大力开发可再生能源，如风能、水能、太阳能和地热能等。针对沈阳市可利用的可再生能源有风能和太阳能。沈阳应运用相关技术水平，充分开发康平、法库等地区丰富的风能，扩大可再生能源范围，增加清洁能源占比，实现清洁能源供暖，有利于实现碳排放强度的降低。

5.2 加大R&D 经费投入

贯彻实施创新驱动发展战略，加大科研创新力度，不断整合皇姑区科技创新资源，立足自身条件，挖掘强有力的竞争优势，将浑南科技城打造为全市科技创新的示范区和新旧动能转换的“发动机”。大力推广低碳技术科技成果转化，健全产学研一体化协同机制，深度挖掘高校院所的科技成果，形成产学研联盟。

5.3 出台相关财税政策

在市场主体下充分发挥政府调控职能，通过税收激励政策，刺激清洁能源消费，利用技术补贴引导工业提高绿色水平，降低能耗，最终实现碳减排。比如通过提高资源使用税费，完善资源使用权，明确资源产权管理。根据资源稀缺程度、供求关系和环境成本合理制定资源价格。提高企业污染物排放的违法成本，实行排污收费制度。