基于碳夹点技术的江苏省能源消费结构优化路径研究

  1 引言

 

  能源是人类进行生产活动的物质基础，其开发利用水平和产业化发展程度，直接关系着社会经济的发展、生态环境的保护和人民生活的质量。江苏省作为中国经济强省之一，近年GDP总量增长率一直保持在10%以上。经济发展意味着能源消耗，“十一五”期间江苏省每年一次能源消耗的平均增长速度达到8.6%。不断增长的能源需求赋予节能减排不轻的压力，以煤炭为主的能源消费结构是全球气候变暖的主要推手。因此，实现经济发展与环境保护的协同发展、保证经济社会与自然生态的和谐统一，分析能源消费结构特点、优化能源消费结构路径、完成2020年碳减排目标应该成为江苏省亟需解决的课题。

 

  目前学术界对江苏省能源消费结构开展了大量的研究，并取得了不少的进展。田立新等采用改进的LMDI能源预测模型，分析了江苏省能源消费的驱动因子，并利用情景分析法测算了江苏省2020年的碳排放量[2]。王迪等研究了江苏省能耗结构的优化问题，测算了江苏省能源消耗结构的节能减排效应，提出“高碳能源低度化、低碳能源高度化”的能源优化策略，建议江苏省未来应该由以煤炭为主的能源结构向煤炭的高效清洁利用与能源多元化相结合过渡[3]。赵健强等利用BP神经网络等方法分析了“十二五”期间碳排放约束下江苏省的能源结构预测和优化，认为目前江苏省是以煤炭为主的能源消费结构，应在今后一段时间内小幅提高油气消费的比例，同时根据不同地区的特点发展低碳能源[4]。谢乃明等构筑灰色GM（1，1）模型与马尔科夫预测结构转移模型模拟并预测了江苏省能源消费总量和结构，得出未来一段时期江苏省的能源消费结构是煤炭比例快速下降、石油比例基本不变、天然气与可再生能源比例迅速上升的结论。

 

  国内外学者对碳夹点技术的运用也做了不少的理论与实证研究。Crilly D.等正式提出了碳夹点分析法，并应用于预测和规划爱尔兰电力行业能源的供需，为进一步研究区域能源供应和CO2减排目标提供决策依据[6，7]。张改景等应用碳夹点分析技术对区域建筑能源系统进行系统分析，通过组合累积能阱-累积CO2排放量和累积能源-累积CO2排放量曲线确定各个情景下最小可再生能源用量、能源供给结构及其对应的CO2排放量[8]。胡晓岑等对湖北省2020年CO2排放限制下的能源结构进行了优化，计算出最小低碳或零碳能源需求量及其对应的CO2排放量，并把湖北省划分成3个区域，确定出每个区域的能源消费结构[9]。赵立华等针对某地区的能源数据，运用数学分析模型得到碳夹点，确定3种不同情景下的能源分配和碳排放限制量，从而优化供应系统。

 

  通过总结上述文献不难发现，目前对江苏省能源消费结构的研究主要集中在如何利用复杂数学模型预测并优化能耗结构，通过实证分析碳排放与能源消费结构的关系，对碳夹点技术的研究仅停留在采用假设数据解释其在能源结构模型优化的运用的层面上，并无实证分析。利用碳夹点技术分析省际能源问题的研究仍鲜见，基于碳夹点技术从行业角度定量优化能源消费结构的研究更是“空白”。

 

  利用碳夹点技术可求出各种化石燃料的使用量与最少清洁能源的消耗量，找到一种碳约束下科学分配资源的解决方案，从而优化能源消费结构；以能源结构相关数据为基础，通过碳夹点技术可以逆向优化能源消费的碳排放约束目标，从而制订更合理的碳减排目标。此外，用图形法表示的碳夹点线性规划模型（碳夹点图解技术）在技术层面上比纯数学模型拥有更加独特的优势，可以使决策者更加清晰地分析问题。因此，本文以江苏省为研究对象，结合江苏省的能源数据，应用碳夹点图解技术与情景模拟法研究2020年江苏省碳排放约束下能源消费结构的优化问题，为能源规划部门制订节能减排政策提供理论参考。

 

  2 碳夹点技术及其应用

 

  英国曼彻斯特大学Bodo.Linnhoff 教授等于1982年在前人研究成果的基础上提出了换热网络优化设计方法，并逐步发展成为化工过程能量综合技术的方法论，即夹点技术。夹点技术是一种卓有成效的过程能量综合（Process Integration）方法，是过程能量系统优化设计、改造和降低能耗的成功技术[8]。夹点技术以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流经温度的分布，从中发现系统及其用能瓶颈，进而给以解瓶颈的一种方法[12]。碳夹点由夹点技术发展而来，它把工程应用中的夹点分析思想应用于优化碳排放限制下区域的能源结构[9]。Tan等提出了基于夹点的碳约束能源规划方法，并首先将图形夹点法用于分析碳约束的能源规划问题[13，14]，由可平移的能源曲线构成线性规划图形法表示碳夹点，以此确定过程的最小低碳或零碳能源需求量。Uday V等统一了针对不同夹点技术的数学模型算法，使夹点技术的运用更加广泛。

 

  2.1 基于夹点的碳约束规划

 

  碳夹点技术在优化碳排放约束下区域能源消费结构时需解决的主要问题是：在某地区或企业内，分析与规划既定能源供给数量和能源消费结构产生的碳排放状况；在碳排放与能源供给的约束下测算最小清洁能源数量及碳排放总量；根据各子区域的碳排放约束，在最少清洁能源数量全部消耗的条件下进行子区域能源的分配。

 

  碳夹点技术的一般步骤如下：①分别计算行业的累积需求数量、能源的累计供给数量及对应的累积碳排放量；②根据行业（能源）的碳排放系数大小，按照系数由小到大、首尾相连的顺序分别绘制以累计能源需求量（供给量）为横坐标、对应的累计碳排放量为纵坐标的能源需求（供给）CO2 复合曲线，并将两曲线聚合在同一坐标系中，曲线上任意一点的斜率等于该点所在的需求（或供给）曲线表示的碳排放系数，优化前的初始状态设置清洁能源的数量为0；③在碳排放约束条件下适当水平移动能源供给曲线，直至与能源消费曲线相切于最右边的唯一交点，该点便是碳夹点，碳排与能源数据可以从坐标轴上直接读出，水平移动的距离即为最少清洁能源需求量，此时的能源供应既能平衡能源需求又可满足碳排约束。夹点下方的行业通过提供清洁能源代替部分化石能源即能满足能源需求的碳排放约束，而夹点上方的行业全部使用高碳排的能源也可满足式（3）。夹点下方各行业使用全部高质量、低污染的能源充分展示了碳夹点的分析价值，也使决策者可以把握整个区域的能源瓶颈。

 

  2.2 数据来源与处理

 

  严格意义上生物质能等能源的碳排放系数并不为零，为简化分析本文统一将其归为碳排放为零的清洁能源。综合《中国能源统计年鉴》与《江苏省统计年鉴》的统计口径，将江苏省的产业分为农林牧渔水利业、工业、建筑业、交通运输仓储及邮电通讯业、批发零售业及住宿餐饮业、其他行业等六大行业，其他行业包括居民生活消费和除交通运输仓储及邮电通讯业、批发零售业及住宿餐饮业以外的其他第三产业。依据《中国能源统计年鉴》分地区综合能源平衡表的终端消费量，把能源划为煤炭、石油、天然气及清洁能源四大类。

 

  2020年江苏省各行业终端能源供需数据根据汪杏梅《江苏省能源投入产出结构分析和碳排放前景研究》[16]与《江苏省能源发展“十一五”规划》[17]整理计算求得；各品种能源的碳排放系数来源于《IPCC碳排放计算指南（2006）》的收录。

 

  各行业的行业碳排放系数计算公式：

 

  C =CO2 E =CO2 GDP ×GDP E=行业碳排放强度×行业能源效率式中C 为行业碳排放系数；GDP 为当年的地区生产总值；CO2 为碳排放总量；E 为能源消费总量。

 

  由于同行业在不同年份的碳排放强度及能源效率不同，因此本文利用指数平滑法在2005年基础上降低40%的碳排放强度粗略预估2020年各行业的行业碳排放系数。数据来源于1996-2012年《江苏省统计年鉴》与《中国能源统计年鉴》。碳排放量采用IPCC对能源碳排放的计算方法估计得到。

 

  2.3 碳排放缺口的供需分析

 

  经过整理分析有关部门公布的能源供需数据后发现，江苏省能源供需基本达到平衡；此外，地方经济的发展需要要求各行业的能源需求必须得到满足。因此，出于能源供需平衡的角度考虑，2020年江苏省可供给能源数量是基于终端能源需求总量，结合《江苏省能源发展“十一五”规划》中各能源品种的比例计算得出。表1与表2分别列出了2020年江苏省的能源供需及其碳排数据。从表中可看出江苏省能源供给的碳排总量为10.025 5亿t，大于其碳排限额6.081 8亿t，出现“能源碳排逆差”，存在碳排放缺口，利用碳排放系数低的能源替换系数高的能源可弥补缺口。清洁能源的碳排放系数为0，是最佳的替代能源，最大限度地使用清洁能源可最大限度地减少碳排放，但是现阶段清洁能源的开发3 基于碳夹点的江苏省能源消费结构优化路径据表1与表2，按碳排放系数递增的顺序将能源品种与需求行业依次排列，分别计算累计能源供给量、累计能源需求量、各自的CO2排放量及累计CO2排放量[19]。此外，为使能源供给曲线从原点出发，使平移分析简便而易操作，在优化初始状态根据碳夹点技术设定清洁能源为0TJ，数据整理后的结果如表3所示。

 

  基于表3，利用碳夹点图解技术优化江苏省的能源消费结构,本文设置三种不同情景：情景一为在全省碳排总量约束下测算最少清洁能源消耗额；情景二为在行业碳排放量约束下解决各行业的能源分配结构；情景三为基于固定清洁能源的供给数量估算全省的碳排总量。

 

  3.1 碳排放总量约束下的能源结构优化

 

  不考虑某一具体行业的碳排放约束，仅关注所有行业的碳排总限额，计算最少清洁能源的需求数量，解决化石燃料的分配问题。据表3分别绘制能源供给CO2 排放量与能源需求CO2 排放量复合曲线，并聚合两曲线得到图1。在图1中，水平移动能源供给CO2排放量复合曲线，直至相交于能源需求CO2排放量复合曲线的最右顶点，该交点即是碳夹点，其坐标为（1 317.8，6.081 8），表示2020年江苏省能源总需求为1 317.8万TJ，碳排放总量为6.081 8亿t，恰好满足全省的能源需求与碳排放约束。水平移动距离561.8万TJ即是最少清洁能源需求量，其占能源需求总量的42.63%。

 

  从图1看出，碳夹点将能源供给CO2排放量复合曲线分为上下两部分，夹点右上方有曲线存在，表明有415.1万TJ（=561.8万TJ-146.7万TJ）的煤炭供给剩余。在碳排总量约束下，剩余的能源将不能被利用，造成部分含碳高的化石燃料将被清洁能源代替，即江苏省需要提供等量的清洁能源以弥补所减少的煤炭。优化后的2020年江苏省能源结构见表4。

 

  3.2 行业碳排放约束下的能源结构优化

 

  碳排放总量只能衡量全省总体的碳排情况，并不能反映某一具体行业碳排放的个体状况。如果行业A的碳排放量未超出其碳排放约束，行业B的碳排放量处于其碳排限额之上，那么碳低排的行业A将替碳高排的行业B所超出的碳排放量“买单”，A、B行业碳排放量相互中和使两行业的碳排放量总和仍可能处于限额之下；同时，各行业的清洁能源分配额也仍未求得，碳控路径不清晰。因此，需要基于各行业的碳排放约束，将排放目标分解到各单一行业，量化各行业的能源分配数额，以达到碳控制路径清晰的目的。

 

  （1）碳夹点初始优化的各行业清洁能源需求总量。如图2所示，平移能源供给CO2排放量复合曲线，至与能源需求CO2排放量复合曲线相交，形成一个新夹点（其他行业与交通运输仓储及邮电通讯业的交汇点）。562.2万TJ的清洁能源可以满足江苏省所有行业的碳排总量约束，其占能源总需求的42.66%，415.5万TJ（=562.2 万TJ-146.7 万TJ）的煤炭被清洁能源替代而剩余。

 

  新夹点将能源需求CO2排放量复合曲线分成了两部分：农林牧渔水利业、工业、交通运输仓储及邮电通讯业、批发零售业及住宿餐饮业、建筑业均位于其左下方，分布在其右上方的则是其他行业。在左下方，该五大行业的能源供给与需求曲线起始于原点、交汇于夹点，表明该五大行业的能源需求及碳排放量分别与夹点左下方的能源供给曲线所表示的能源数量及碳排放量相等，通过利用562.2万TJ的清洁能源代替415.5万TJ的煤炭便能同时满足能源总需求和碳排总量约束；在右上方，其他行业则无需通过提供任何数量的清洁能源即可同时满足能源需求与碳排放约束，因为其他行业的能源供给CO2排放量复合曲线斜率小于其能源需求CO2排放量复合曲线斜率，即煤炭的碳排放系数小于其他行业的碳排放系数。

 

  （2）碳夹点二次优化的各行业能源分配结构。首先分配交通运输仓储及邮电通讯业的能源用量。图3中，能源需求曲线上的极限点M为交通运输仓储及邮电通讯业与农林牧渔水利业的交汇点，在移动后的能源供给CO2复合曲线上定义点A（即在能源供给CO2复合曲线上，纵坐标与M的纵坐标相等的点）。水平左移A点以下的能源供给CO2复合曲线直至与M点重合，此时M点成为一个新夹点（1 270.8，5.719 7），A 点坐标分别为1 280.1 万TJ 和5.719 7亿t。从平移后的图3可看出优化后的能源消费结构：交通运输仓储及邮电通讯业的一部分曲线与能源供给曲线构成一个封闭的多边形，通过多边形各点的坐标可以读出各种能源用量数据，即水平移动的距离9.3万TJ是必须提供给交通运输仓储及邮电通讯业的清洁能源数量，此时仍需要提供18.3万TJ的煤炭才能保证能源需求。

 

  据此方法依次计算夹点左下方其他各行业的能源配额及碳排放量，如图4所示，其中点B、C、D均在能源供给CO2 复合曲线上，其纵坐标分别等于工业与农林牧副渔水利业、建筑业与工业、批发零售业及住宿餐饮业与建筑业的交汇点的纵坐标。

 

  在满足各行业碳排放约束的条件下，碳排放系数最小的批发零售业及住宿餐饮业可利用清洁能源15.1万TJ与天然气4.6万TJ便可满足行业的能源需求；35.1万TJ的天然气与93.4万TJ的清洁能源可以保证建筑业对能源的要求；工业作为2020年江苏省耗能最大的行业，需要消耗281.9 万TJ 的煤炭、77.2万TJ的天然气、441.7万TJ的清洁能源及全部的石油；农林牧渔水利业因自身的行业特性耗能最少，仅需提供2.9 万TJ 的煤炭与2.7 万TJ的清洁能源；在满足前述几大行业的能源需求后还剩9.3 万TJ 的清洁能源，它可供给交通运输仓储及邮电通讯业，此外为平衡能源需求还需要煤炭18.3万TJ；其他行业则利用能源供给中剩下的19.4 万TJ 煤炭即可满足能源需求。表5列出了优化后各行业的能源消费结构。

 

  从该分配方案可知，利用占能源需求总量42.66%的清洁能源可满足各行业自身的碳排放约束，煤炭需求量与供给量相比减少了415.5万TJ，石油与天然气均全部被耗用；实际产生的碳排放总量小于全省的碳排放限额，这是碳夹点在碳排放约束下落在各个更加具体而苛刻的子行业的结果。由此可知，碳排放总量约束下的能源消费结构暗藏了碳低排行业为碳高排行业“买单”的现象，导致减排路径不清晰。因此行业划分越细，越有利于减排。不难得出，如果继续细划本文研究的几大行业，运用碳夹点优化碳排放约束下每个行业的能源消费结构，那么江苏省能源消费产生的碳排放总量将比6.078 4万t还低。

 

  3.3 固定清洁能源供给数量下的碳排放总量

 

  2009年9月22日，胡锦涛总书记在联合国气候变化峰会开幕式上首次提出中国要“大力发展可再生能源和核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右”。在此政府能源规划目标下，不考虑其他能源品种的数量变化，仅分析在能源消费总量保持不变、15%的非化石能源均被利用的条件下江苏省能否实现2020年碳减排目标，因此根据这个比例数值计算得到2020年江苏省需要供应197.7万TJ（=1317.8万TJ×15%）清洁能源。

 

  水平向右移动能源供给CO2复合曲线197.7万TJ；保持能源总需求碳排放限制量曲线最右点的横坐标不动（即能源总需求不变），绕原点旋转该曲线，至与能源供给曲线相交于新夹点，如图6所示，通过旋转曲线，消除了其与能源供给曲线之间的距离，表明包括清洁能源在内的能源供给既满足能源需求，又在碳排放约束下实现了最优碳减排。新夹点（1 317.8，9.541 0）意味着在清洁能源均被消费的情况下，江苏省各行业的碳排放总量达到9.541 0亿t，低于初始能源供给的碳排放量10.025 5亿t，但高于能源需求碳排放限额6.081 8亿t，能源消费的碳减排目标将难以兑现。

 

  4 结论与建议

 

  碳夹点图解技术可更直观地优化能源消费结构，求得碳控制下各种化石燃料的使用量与清洁能源的消耗量。基于碳夹点技术，本文运用情景模拟法设置了三种不同的情景：一是碳排放总量约束下江苏能源消费结构的优化；二是行业碳排放约束下江苏能源消费结构的优化；三是固定清洁能源供给数量下江苏省的碳排放总量。前两种属于理论探讨的范畴，第三种归入实证规划的界限。研究结果表明，情景一中江苏省碳排放总量恰好等于碳排放限额，其能源消费结构由42.63%清洁能源、24.51%煤炭、23.99%石油与8.87%天然气构成；情景二中江苏省需要消耗能源供给总量中24.48%的煤炭、全部比例的石油与天然气、42.63%的清洁能源才能满足各行业的碳排放限额，并且平衡能源需求，碳控路径比情景一清晰是由碳夹点技术在细划行业类别后优化所致；情景三中江苏省在197.7万TJ的清洁能源全部消耗条件下，碳排放量比初始能源供给的碳排放量低，但比碳排放限额目标高，无法完成2020年的碳减排目标。因此，为满足能源需求与行业碳排放的“软硬”双重约束条件，江苏省2020年的清洁能源比重必须不低于42.63%。与清洁能源占比不到10%、煤炭占60%以上的能源消费结构现状相比，能源消费结构调整压力巨大，将陷入能源消费“结构困境”,能源消费结构优化的路途任重道远。

 

  基于以上分析与结论，为了破解江苏省能源消费“结构困境”，江苏省应该充分借鉴国内外先进经验，实施以清洁能源为主的“无悔减排1）”战略，具体的政策措施为：

 

  （1）推动能源供给革命，建立低碳能源供应驱动体系[21]。碳夹点技术分析得到江苏省清洁能源比重不能低于42.63%的结论。当前江苏省清洁能源比重不足10%，实现42.63%的清洁能源比例对江苏省而言是一大挑战。因此，江苏省应该立足省内外，着力发展清洁能源，加强清洁能源的获取能力；同时推进化石能源清洁高效利用，努力推动传统化石能源向“低碳能源”和“近零排放能源系统”转变，逐渐形成“清洁能源为主，煤炭、石油、天然气多轮驱动”的能源供应体系。实现能源供应的多元化、清洁化和低碳化，是江苏省调整能源结构的必由之路。

 

  （2）推动能源消费革命，加强需求侧“前端”减排管理。比较情景一与情景二得出行业划分越细，减排效果越理想的结论。从能源需求方（即各行业）施行“前端”减排是江苏省调整能源结构的直接途径。首先，精细行业类别，碳核算、碳审计与碳预算等碳控制工具覆盖到江苏省各子行业。其次，优化产业结构，降低高耗能产业比重，逐步构建绿色、循环、低碳的地方产业体系。最后，实施“先控增量后削存量”方针，合理控制新增的化石能源消费总量，稳步削减既存的化石燃料需求总量。

 

  （3）推动能源技术革命，摊薄高碳锁定效应1）助转型。情景三中的碳排放总量比碳排放目标限额高，2020年江苏省在非化石能源占比15%的能源规划下将无法完成碳减目标。加大能源科技投入，发展低碳技术[22]，提高能效是江苏省实现碳减目标的核心路径。政府部门或企业应努力突破高碳锁定效应的影响，鼓励利用高效率、低排放的能源技术，大力发展清洁能源开发利用技术，提高常规化石能源的利用效率，实现低碳技术高端化；在技术减排潜力的基础上，扣除某些技术上可行而经济上缺乏竞争力的技术选择；在经济减排潜力的基础上扣除某些由于市场和机制不完善，而造成在现有市场条件下不经济的政策和技术选择。

 

  （4）推动能源体制革命，打通双控机制运行快车道。继续不遗余力地推进改革，调控能耗总量；根据各行业的结构特征、技术水平、发展阶段等因素，分解行业碳减排与节能指标；实现节能目标与碳减排控制目标的衔接，完成碳减排目标和清洁能源发展目标的贯通，在确保能耗总量控制与碳减排目标的前提下促进全省经济的健康发展。