碳中和背景下京津冀能源消费路径协同与优化——基于系统动力学模型

王锦程 WANG Jin-cheng

（中国社会科学院大学应用经济学院，北京 102456）

0 引言

碳中和本质上是指在目标时间节点及之后的碳排放流量动态清零，无论是碳排放还是碳移除，都强调了“人类活动”对二氧化碳排放总量的影响[1]。因而，碳中和目标下碳减排量的核算边界被界定为由于人类活动引起的化石能源燃烧所产生的二氧化碳排放，意味着，碳中和目标的实现要求构建近零排放的能源系统[2]。《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确“到2060 年，非化石能源消费比重达到80%以上”的目标，表明化石能源消费的清零过程就代表了碳中和的时间进程[3-5]。

中国区域间不平衡的发展现状导致各地区双碳目标的实现难以同步，需因地制宜规划区域碳中和路径[6，7]。合理规划京津冀地区碳中和路径对全国碳中和目标的实现具有重要指导意义。首先，京津冀具备协同推进碳中和目标的基础，京津冀协同发展战略已推行九年，为区域协同推进碳中和目标提供依据；其次，京津冀地区碳排放总量位居全国前列，其能源转型和碳减排责任在全国碳中和目标的实现过程占据较大分量，且城市群内部面临差异化的能源清洁化转型挑战，与我国当前地区间能源供需不平衡现状较为相符。然而，当前京津冀协同发展主要作用于疏解北京非首都功能，天津和河北被动“服务北京”，缺乏平等的政策协同机制阻碍了优质资源的自由流动，加剧了利益的不合理分配，导致京津冀内部发展差距不断扩大且对全国经济发展影响力持续下滑，如何有效依托区域协同发展推进能源转型成为难题。鉴于此，本研究以碳中和为目标导向，探讨不同协同措施对京津冀长期能源消费的影响，以期更为全面地揭示京津冀能源消费路径协同与优化的过程。

1 文献综述

中国面临各区域社会经济发展不均衡、能源资源禀赋迥异的现状，碳中和路径的规划应落实到地区层面[8]。京津冀城市群是我国重点建设区域之一，京津冀协同发展战略成为区域协同推进能源消费结构清洁化转型的有力依托，例如郑玉华等[9]、陈梦筱[10]、李艳丽等[11]指出交通一体化政策不仅推动区域内人流和物流的交流，而且优化货运交通结构，有效助力交通部门实现能源低碳转型；孙久文等[12]、石敏俊等[13]认为实施产业协同政策有利于推动三省市基于各自比较优势构建区域产业链，通过优化产业结构实现提升能效、降低能耗的目标；杜丽娟等[14]、王保林等[15]、孙铁山等[16]的研究指出科技创新政策的实施能够提高京津冀技术邻近性和绿色创新效率，通过加快创新要素在区域内的合理流动来构建区域创新型产业集群，最大化北京高新技术溢出效应，推动津冀提高能源利用效率；李昌明等[17]、宋香静等[18]、谢克昌等[19]指出从京津冀区域层面考虑能源消费结构转型，可以有效帮助清洁能源禀赋不足的地区开展区域间合作，形成区域经济-社会-能源协同发展模式。

优化能源结构实现近零碳排放目标，需要对未来能源消费总量和能源消费结构进行预测。系统动力学模型将复杂系统的影响因素拆分为子系统之间的因果关系，常被用作能源部门长期决策的支持方法。现有研究将能源消费的影响因素常分为经济水平、社会发展、科技进步和环境规制等[20-22]，通过对比不同情景预测结果确定最优的能源消费路径。例如，谢元博等[23]、Robalino-López[24]分别设置不同的能源消费结构情景，表明增加可再生能源使用比例能降低二氧化碳排放；何则等[25]指出在实施能源清洁化、高效化转型的转型情景下和加速转型情景下，中国将于本世纪中叶年实现非化石能源消费占比均超越化石能源的目标，并有效控制能源消费总量。

现有文献在区域协同政策分析、能源消费预测等方面为本文提供指导，然而针对碳中和背景下京津冀地区如何协同推进能源消费转型问题还存在不足：①碳中和目标与协同发展结合不充分，未能深入分析资金、产业结构、人才、技术、能源等各类要素的协同，缺少将多种协同措施纳入统一分析框架的研究；②未能正视京津冀协同发展战略下的“协同模式”是一种权利不对等、要素单向流动的协同，缺乏从改善协同模式的视角下优化京津冀碳中和路径；③已有研究多将京津冀视作一个整体研究，未考虑协同机制对京、津、冀三省市各自发展情况的影响。为有效解决上述问题，本文在综合考虑京津冀协同发展与碳中和目标的背景下，通过施加碳中和目标约束和改进当前协同发展模式弊端，设定基准情景、政策协同碳中和情景和一体化协同碳中和情景。为准确模拟长期变动趋势，结合马尔科夫链模型对能源消费结构的预测结果构建系统动力学模型，对北京市、天津市和河北省2021-2060 年能源消费量、分品种能源消费量及能源消费碳排放展开预测，以期为碳中和目标下京津冀能源消费协同转型与路径优化提供理论参考。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 情景分析法

结合京津冀协同发展战略及碳中和目标，共设定三种发展情景：情景一，基准情景，按照历史趋势惯性发展所设定，仅表现《京津冀协同发展纲要》主要领域——有序疏解北京非首都功能产业、生态环境保护协同治理和打造京津冀协同创新共同体目标对能源消费的影响，未考虑碳中和目标对区域发展的影响；情景二，政策协同碳中和情景，在基准情景上考虑碳中和约束，施加更严格的环境规制[26]；情景三，一体化协同碳中和情景，满足优质要素的自由流动，市场机制下津冀具有选择低能耗、高附加值产业迁入的权利，科技创新企业和优质人才将有序向津冀流动，京津冀在平等享有发展权利的前提下协同推进能源消费结构清洁化转型。见表1。

表1 京津冀情景设定（北京/天津/河北）

2.1.2 马尔可夫链模型

本文参考王锋等[27]能源消费结构预测方法，采用马尔科夫链模型来预测京津冀无规划约束下的能源消费结构。碳中和目标要求更高的工业电气化水平、建筑业电气化水平、交通业电气化水平和居民生活电气化水平，假设电气化水平的提高能够推动高碳能源向更清洁的能源转变，即非化石能源消费量较低时，天然气、非化石能源对煤炭、石油的替代；当非化石能源开发技术较成熟后，转变为非化石能源对化石能源的替代。本文使用对数函数来表征变化趋势，考虑到化石能源需求难以完全清零，当煤炭、石油、天然气的占比达到足够小的阈值后则不再对状态转移矩阵进行更新，具体如下：

其中，m 为驱动因子，α1、α2、α3、α4分别代表碳中和约束下与无规划约束下工业电气化水平、建筑业电气化水平、交通电气化水平和居民生活电气化水平的比值；S 为有调整的状态转移矩阵，pxx均为对应时刻下基准情景平均状态转移矩阵的元素。

2.1.3 系统动力学模型

2.1.3.1 系统流图

能源需求预测是一个复杂的非线性系统，碳中和目标下能源消费的主要影响因素可概括为经济、人口、技术、环境规制、产业结构等，因而构建了包含经济子系统、人口子系统、技术子系统、能源消费子系统和碳排放子系统的能源消费系统动力学模型，对京津冀地区2021-2060 年能源消费总量、分品种能源消费量和碳排放总量进行预测，如图1。

图1 能源消费系统动力学模型

2.1.3.2 参数说明

本文将京津冀地区作为研究对象，构建能源消费系统动力学模型，各子系统的主要变量见表2。

表2 子系统主要变量

模型参数包括水平变量、速率变量、辅助变量和常量，常用的方法包括常数法、直接赋值法、表函数法和回归分析法。水平变量的初值通过查询历史数据直接赋值法得到，例如GDP 总量、人口总量等；速率变量多通过表函数确定，综合刘哲希等[28]及魏一鸣等[29]对经济增速的研判设定GDP 增长率，参考魏一鸣等[29]、《世界人口展望（2022）》[30]设定人口增长率等；受多因素影响决定的变量采用回归分析法进行赋值，例如能耗强度、能源消费总量等。

2.1.3.3 能源消费碳排放计算

能源消费产生的碳排放总量采用二氧化碳排放系数法进行计算：

其中E 为能源消费碳排放总量（万吨CO2），Ei为第i 种能源消费产生的碳排放量（万吨CO2），Ni为第i 种能源消费消费量（万吨标准煤），ωi为碳排放系数（吨CO2/吨标准煤）。依据IPCC 计算基准及国家发改委能源研究所规定设定碳排放系数，非化石能源发电的二氧化碳排放量忽略不计。

2.1.3.4 模型有效性检验

检验系统动力学模型的有效性是进行仿真预测的重要前提。本研究以2006 年为仿真初始年，仿真步长为1年，对比2006-2020 年的变量实际值与模型中变量模拟值，如表3 所示，北京市平均误差率为-1.95%，天津市为-0.10%，河北省为-1.47%，均小于10%，证明能源消费系统动力学模型具有有效性，可以进行后续仿真预测。

表3 模型有效性检验结果

2.2 数据来源

本文数据主要为北京市、天津市和河北省2006-2020年能源、人口、经济、产业、碳排放相关的统计数据。经济、社会、产业数据均来源于《北京统计年鉴》《天津统计年鉴》和《河北省统计年鉴》，能源数据来源于《中国能源统计年鉴》和上述统计年鉴，能源碳排放系数来源于IPCC 国家温室气体清单指南。

3 仿真结果输出与分析

3.1 北京市能源消费总量、分品种能源消费量及能源消费碳排放预测

基准情景（A1）下，如图2，北京市能源消费量将持续增加，在2040 年达到峰值10497.4 万吨标准煤，随后逐渐下降，2060 年时能源消费量为9226.49 万吨标准煤。北京市煤炭、石油消费下降明显，但非化石能源消费增长缓慢，天然气消费需求依旧较大，2060 年非化石能源消费占比仅为48.87%，尚未实现深度能源清洁化转型；政策协同碳中和情景（A2）下，北京继续以“高耗能产业为主”的模式开展企业外迁，碳中和目标约束下北京将加大节能环保支出，一定程度上推动使用更积极的能源政策，2060 年非化石能源消费占比升至90.88%，但能源消费总量仍有8061.36 万吨标准煤；一体化协同碳中和情景（A3）下，随着环保协同治理、科技协作和优化产业转移政策的共同发力，北京能源消费峰值将于2035 年达到7822.5 万吨标准煤，2060 年下降至6417.75 万吨标准煤，相较基准情景和政策协同碳中和情景分别下降30.44%、20.39%，此时非化石能源占比超过90%，能源结构达到碳中和目标要求。

图2 北京市能源消费总量及分品种能源消费量预测结果（万吨标准煤）

基于图3 能源消费碳排放预测结果来看，能源消费碳排放在2007 年达到峰值12015.4 万吨CO2。基准情景（A1）下能源消费碳排放峰值为10293.8 万吨CO2，2060 年能源消费碳排放为7906.04 万吨CO2；政策协同碳中和情景（A2）和一体化协同碳中和情景（A3）下，预测期内能源消费碳排放将逐步下降，2060 年能源消费碳排放分别为1296.54 万吨CO2和1032.19 万吨CO2，一体化协同碳中和情景下能源消费碳排放实现最大降幅。

图3 北京市能源消费碳排放预测结果

3.2 天津市能源消费总量、分品种能源消费量及能源消费碳排放预测

如图4 所示，基准情景（A1）下天津市将于2040 年达到能源消费峰值11347.4 万吨标准煤，2060 年能源消费总量为8128.63 万吨标准煤，非化石能源消费占比仅为38.71%，能源结构尚未实现根本性变革；政策协同碳中和情景（A2）下，天津市能源消费峰值于2035 年达到8784.12万吨标准煤，2060 年下降至7195.68 万吨标准煤，非化石能源消费占比显著提升至84.83%；一体化协同碳中和情景（A3）下，市场机制下高质量产业迁入有效降低化石能源消费，2060 年天津市能源消费总量降下降至4838.18 万吨标准煤，相较基准情景和政策协同碳中和情景分别下降40.48%、32.76%，此时非化石能源占比超过80%，能源结构达到碳中和目标要求。

图4 天津市能源消费总量及分品种能源消费量预测结果（万吨标准煤）

从图5 的能源消费碳排放结果来看，天津均已在2017 年达到能源消费碳排放峰值17304.3 万吨CO2，未来能源消费碳排放都将进一步降低。基准情景（A1）、政策协同碳中和情景（A2）和一体化协同碳中和情景（A3）下，2060 年碳排放预测值较峰值分别下降48.36%、86.45%和90.89%，一体化协同碳中和情景下能源消费碳排放下降幅度最大，预计2060 年降至1576.85 万吨CO2。

图5 天津市能源消费碳排放预测结果

3.3 河北省能源消费总量、分品种能源消费量及能源消费碳排放预测

图6 结果显示，基准情景（A1）下，河北省将于2040 年达到能源消费峰值46466.9 万吨标准煤，预计2060 年河北省能源消费总量为38348.3 万吨标准煤，非化石能源消费占比约38.36%，能源消费结构仍以化石能源消费为主；政策协同碳中和情景（A2）下，碳中和目标约束将有效推动河北省改变当前高耗能产业结构，2060 年能源消费总量下降至28228.3 万吨标准煤，非化石能源消费占比升至0.17%；一体化协同碳中和情景（A3）下，京津冀地区加大对河北高污染产业的治理，同时河北省将提高环境准入和退出机制并加强低碳技术研发，推动河北省能源清洁化转型进程加速，能源消费峰值41963.8 万吨标准煤将于2035 年提前达到，2060 年将下降至16122.5 万吨标准煤，相较基准情景和政策协同碳中和情景分别下降57.96%、42.89%。

图6 河北省能源消费总量及分品种能源消费量预测结果（万吨标准煤）

依据图7 的结果来看，能源消费碳排放峰值90658.5万吨CO2出现于2016 年。基准情景（A1）下，河北省能源消费碳排放在未来十年将处于高位平台期，2030 年能源消费碳排放达到81655.9 万吨CO2后缓慢下降，预计2060年仍有48068 万吨与能源燃烧相关的碳排放。政策协同碳中和情景（A2）和一体化协同碳中和情景（A3）下，预测期内能源消费碳排放呈下降趋势，预计2060 年能源消费碳排放分别为12952.3 和7397.68 万吨CO2。

图7 河北省能源消费碳排放预测

4 研究结论与政策建议

本文构建京津冀能源消费系统动力学模型对各地区未来能源消费总量、分品种能源消费及能源消费碳排放展开分情景预测。研究结论如下：一是基准情景下，京、津、冀预测期内能源消费总量均呈现先升后降的趋势，能源消费总量及能源消费碳排放量为五种预测结果的最高值，三地非化石能源占比均低于50%，与碳中和目标下能源消费结构差距较大。二是政策协同碳中和情景下，碳中和目标将倒逼能源消费结构转型，但由于京津冀仍处在以行政主体指令行为为核心的“单赢”协同模式，此时北京缺乏和津冀协同的动力而是单向疏解与其高质量发展相悖的产业，在津冀缺乏优质资源的不平等发展模式下，三地发展能源消费总量虽相较基准情景有所下降，但仍存在能源过度消耗的问题。三是一体化协同碳中和情景下，京津冀具有平等发展的权利，共同推动产业协同优化、体指令行为为核心的“单赢”协同模式，此时北京缺乏和津冀协同的动力而是单向疏解与其高质量发展相悖的产业，在津冀缺乏优质资源的不平等发展模式下，三地发展能源消费总量虽相较基准情景有所下降，但仍存在能源过度消耗的问题。三是一体化协同碳中和情景下，京津冀具有平等发展的权利，共同推动产业协同优化、科技创新协同和环保协同治理等多项协同措施，不仅实现能源消费结构的清洁化转型，同时相较政策协同碳中和情景能源消费量显著下降，避免了能源的过度开采并节约了经济成本，能源消费碳排放为三种情景下的最低值，是三地区碳中和路径下能源转型的最优路径。

本文的研究结论对京津冀地区协同优化能源消费路径，实现碳中和目标具有一定指导意义。提出如下政策建议：

一是构建京津冀一体化协同发展模式，打破行政壁垒对要素市场的分割，在平等发展的前提下构建一体化的区域要素市场，真正实现“1+1+1>3”的共赢发展。京津冀一体化协同发展模式需要从多个领域发力：首先，持续优化京津冀地区的产业协同发展，有序扩大天津市、河北省承接以高技术、低污染的高端制造为代表的第三产业规模，淘汰以消耗化石能源为主的部分工业，推动京津冀整体清洁能源消费比重的提升。其次，深化环保协同治理政策，提高环境规制标准和环保投资，不断提高居民节能环保意识，推动能源消费结构清洁化转型。这主要体现在两个方面，一是环保协同治理政策所带来的能源消费总量降低，可使同样实物增量的非化石能源在能源消费总量中占据更大的比例，有效降低了能源消费结构转型的难度；二是当前非化石能源的开发、利用技术处于起步阶段，通过共享节能环保科技成果的方法能够有效降低非化石能源使用成本。最后，突破技术瓶颈，深化科技创新协同政策。具有科技优势的北京要担起解决能源消费清洁化转型关键技术问题的重任，充分发挥北京市科技创新的辐射带动作用，加大对天津、河北科研团队和研究机构的支持力度，提高津冀承接北京高新技术产业的能力，构建京津冀创新产业链。二是推动能源领域从生产端和消费端实现根本性转变。能源生产端的清洁化转变意味着需要合理规划京津冀能源资源基地空间布局，加快京津冀分布式能源装机，推进河北省大型太阳能、风能基地布局，同时推动京津冀能源基础设施一体化建设，保障京津冀地区清洁能源的供给；能源消费端的转变要覆盖个人、企业、社会多层面，通过提高居民日常节能意识、推动化石能源清洁化改造、优化产业结构提高能源利用效率等做法拓宽非化石能源的消费领域。

三是完善体制机制。首先，应建立京津冀非化石能源跨区域规划联动机制，摸清三地非化石能源开发潜力，统筹优化可再生能源开发布局；其次，完善区域能源发展补偿机制，使非化石能源需求方通过经济投资、技术帮扶、人才迁入等手段有效分担非化石能源供给方在能源开发中产生的一系列经济成本问题，真正实现区域内跨市“一体化能源开发-利用”；最后，建立健全区域内非化石能源开发利用的规划制度，包括京津冀区域内非化石能源开发利用制度、区域能源市场的管控制度等。