中國儲能網訊：
作者：程云鶴，董洪光，耿紀超，何繼善
中部地區(qū)崛起的能源需求及碳達峰路徑研究[J].中國工程科學,2021,23(1):68-78.
編者按
能源革命是經濟、社會、環(huán)境協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的內在要求，其實施需要與地區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略相結合，統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同發(fā)展。
中國工程院何繼善院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第1期發(fā)表《中部地區(qū)崛起的能源需求及碳達峰路徑研究》一文。文章將能源革命戰(zhàn)略與中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略相對接，對中部地區(qū)在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代化進程中的能源需求與CO2排放峰值路徑等開展初步探討，以期為中部地區(qū)能源發(fā)展提供理論參考。
一、前言
使用煤炭、石油等化石能源，在為經濟社會發(fā)展提供基本動力的同時，也產生了硫化物、氮化物、可吸入顆粒物等污染物和CO2，帶來了環(huán)境污染和全球氣候變化，因此推動能源轉型一直是國際社會的熱點和前沿問題。我國自2006年起成為世界上最大的能源消費和CO2排放國，2019年煤炭消費量占世界的51.7%、CO2排放占世界的28.8%，以煤為主的能源結構面臨著國內要求改善環(huán)境、國際上減少CO2排放的壓力。此外，我國的石油、天然氣對外依存度較高，能源安全面臨潛在威脅。因此，推動我國能源轉型、進行能源結構優(yōu)化，是能源、經濟、環(huán)境可持續(xù)協(xié)調發(fā)展亟需解決的問題。
國家高度重視能源轉型問題，作出了推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系等戰(zhàn)略部署。學術界開展了較多研究，試圖將能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃與新時代中國特色社會主義建設實踐相結合：探討能源革命背景下的煤炭產業(yè)、可再生能源產業(yè)、煤層氣產業(yè)的前沿技術、發(fā)展路徑、風險因素等；研究提出要將能源轉型與國情結合，走一條具有特色的能源轉型道路；研究指出能源生產和消費革命的核心是能源供給側、能源消費改革與創(chuàng)新，對促進低碳清潔轉型起到重要作用；還有研究認為，通過促進能源生產和消費改革，加快能源價格機制和能源體制改革，完善能源制度。也要注意到，我國幅員遼闊，地區(qū)間的能源稟賦和發(fā)展水平差異較大，能源革命必然要因地制宜并與區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略相結合，而目前有關將能源革命與具體區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略相結合的文獻尚不多見。尤其對于中部地區(qū)，其工業(yè)化、城鎮(zhèn)化水平與沿海地區(qū)發(fā)展差異較大，地區(qū)崛起意味著更多、更高質量的能源需求。應對國家宏觀要求，將能源革命戰(zhàn)略與中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略相結合，從能源革命推動中部地區(qū)高質量發(fā)展的角度開展研究，具有現(xiàn)實意義。
能源革命助推中部地區(qū)相關省份（河南省、安徽省、湖北省、湖南省、江西省，以下稱“中部五省”）崛起，不僅是經濟水平的單一提升，更應是經濟、社會、生態(tài)環(huán)境的全方位提升。①在經濟維度上，能源革命指保障中部地區(qū)經濟發(fā)展的能源安全、滿足經濟發(fā)展的高品質能源需求；在生產投入上積極利用科技進步來合理配置能源，推動產業(yè)轉型升級、能源效率提升；在產出上積極推動能源質量變革、動力變革，提升產出的能源品質及相應經濟效益。②在社會維度上，能源革命應使中部地區(qū)居民共享高質量生活，推動由發(fā)展不平衡不充分向和諧社會發(fā)展；區(qū)域差距、城鄉(xiāng)差距、收入差距是經濟發(fā)展中的客觀現(xiàn)實，能源消費水平作為生活質量高低的一個重要參考指標，不僅要縮小與東部沿海地區(qū)的差距，更要彌合城鄉(xiāng)差距、居民收入差距。③在生態(tài)維度上，長期以來中部地區(qū)資源開采和應用造成了生態(tài)破壞和環(huán)境污染，生態(tài)效率與節(jié)能減排技術水平均低于東部地區(qū)；中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略可能加劇中部地區(qū)城市的環(huán)境污染問題，能源革命需要扭轉和消除這種生態(tài)退化狀況。中部地區(qū)的高質量崛起，需要以高品質能源為支撐；能源革命應助推中部地區(qū)經濟、社會、環(huán)境多個維度協(xié)調發(fā)展、高質量崛起（見圖1）。因此，文章嘗試將能源革命戰(zhàn)略與中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略相對接，對中部地區(qū)在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代化進程中的能源需求與CO2排放峰值路徑等開展初步探討，以期為中部地區(qū)能源發(fā)展提供理論參考。
圖1 能源革命推動中部高質量崛起的內在機理
二、中部地區(qū)崛起的能源需求預測模型
（一）工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展的能源需求建模
Kaya恒等式以簡潔的數學公式描述社會、經濟、能源、碳排放等宏觀總體因子之間的關系，原理清晰簡明，分解出的驅動具有可觀測性、可控性、解釋性。為了捕捉能源在地區(qū)經濟、社會、環(huán)境中的特征，文中將能源消費需求分解為生產性、生活性兩部分：前者對應中部地區(qū)經濟發(fā)展中產業(yè)結構優(yōu)化的能源需求，反映能源革命推動經濟維度的發(fā)展；后者對應中部地區(qū)城鎮(zhèn)化進程中城鄉(xiāng)社會結構優(yōu)化而引致的需求，反映能源革命推動社會維度的進步。此外，以能源碳含量的降低來代表能源結構的優(yōu)化，反映能源革命對生態(tài)環(huán)境的保護作用。
文中參考調整的方程式有公式（1）~（5），有關變量的解釋性說明見表1。其中，公式（1）考察工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的能源需求；公式（2）主要運用產業(yè)結構演化規(guī)律來體現(xiàn)不同產業(yè)發(fā)展的能源需求；公式（3）和（4）中引入可支配人均收入中間變量，體現(xiàn)人均可支配收入的提高會提高生活質量并進而增加對能源需求；公式（5）表示清潔低碳的能源品質，可據此測算CO2排放量。
表1 變量名稱及其設計思路與來源
（二）模型基礎參數設定
能源需求預測的基礎參數有2010—2019年GDP、人均GDP、三次產業(yè)結構、產業(yè)能耗強度、城鎮(zhèn)化進程等，預測時間跨度為2020—2035年；其中模型分析的情景驅動因素為GDP、人口規(guī)模、產業(yè)結構、能源效率、城鎮(zhèn)化、生活能源、人均收入等。模型的基礎參數涉及人口數、第二產業(yè)和第三產業(yè)結構、第二產業(yè)能耗強度、城鎮(zhèn)化率、GDP增長率、人均GDP（見表2），具體包括：①依據現(xiàn)有人口增長情況（以第六次全國人口普查數據為依據），基于中部五省2010—2018年的人口總和生育率情況，考慮到“二孩”政策因素，采用PADIS-INT人口預測軟件（設定河南省、安徽省、湖北省、湖南省、江西省的總和生育率分別為1.9、1.8、1.75、1.85、1.85），預測2035年之前中部五省常住人口；②第二產業(yè)和第三產業(yè)結構參數依據2010—2018年各省產業(yè)結構演化規(guī)律進行外推；③三次產業(yè)能耗強度根據2010—2018年各省產業(yè)能耗變化規(guī)律進行外推；④城鎮(zhèn)化率依據2010—2018年各省城鎮(zhèn)化政策和規(guī)律，結合發(fā)達國家城鎮(zhèn)化規(guī)律進行推演得到；⑤GDP增長率依據各省2010—2018年GDP增長率趨勢進行擬合外推；⑤人均GDP以2005年為基期乘以GDP增長率，再除以人口總數得到。
表2 中部地區(qū)崛起的基礎參數設定（2020—2035年）
注：表中數據根據中部五省歷年統(tǒng)計年鑒數據測算得到，負值表示下降。
三、中部地區(qū)崛起的能源需求情景設計
（一）產業(yè)結構和能耗情景設計
根據中部地區(qū)2010—2018年經濟、社會、生態(tài)環(huán)境發(fā)展走勢，綜合了影響中部地區(qū)未來能源需求的驅動因子，將產業(yè)結構優(yōu)化設置為基準情景、加速情景（見表3）：前者主要是各省份過去趨勢的延伸，后者假設未來能源革命即將實施的額外市場導向機制。能源革命推進產業(yè)結構高級化，即地區(qū)經濟發(fā)展重點或產業(yè)結構重心由第一產業(yè)向第二產業(yè)、第三產業(yè)逐次演化的歷程，體現(xiàn)著中部地區(qū)經濟發(fā)展水平的高低和發(fā)展階段與方向。
表3 中部地區(qū)三次產業(yè)能源強度變化的預測(2020—2035年)
注：表中負值表示下降。
（二）城鎮(zhèn)化進程及城鄉(xiāng)生活能源消耗情景設計
2019年，我國城鎮(zhèn)化率為60.6%，城鎮(zhèn)化已進入中后期；預計2030年，我國城鎮(zhèn)化水平達到70%，之后進入后期發(fā)展階段，發(fā)展速度將會趨緩。中部五省中，只有湖北省（61%）略高于全國平均水平，而其他省份均不同程度地低于全國平均水平；各省份的城鎮(zhèn)化速度也存在差異，如河南省、安徽省、湖北省、湖南省、江西省的相應數值分別為1.55%、1.19%、1.0%、1.4%、1.4%。鑒于中部地區(qū)現(xiàn)實情況，文中以0.1個百分點為間隔，設置3種城鎮(zhèn)化情景預測。
應同時強調中部地區(qū)的協(xié)調發(fā)展，即重點促進城鄉(xiāng)區(qū)域協(xié)調發(fā)展。盡管河南省、安徽省、湖北省、湖南省、江西省的城鄉(xiāng)收入差距比分別由2005年的3.02、3.21、3.03、3.05、2.64下降到2018年的1.52、2.46、2.30、2.30、2.34，而國際勞工組織資料（2012年）顯示，大多數國家的城鄉(xiāng)收入差距比約為1.5；中部地區(qū)唯有河南省接近這個比例，而安徽省的城鄉(xiāng)差距比最高，湖南省、湖北省、江西省的城鄉(xiāng)收入差距比居中。
中部地區(qū)崛起必然是城鄉(xiāng)收入差距逐步縮小的過程，主要表現(xiàn)為：隨著工業(yè)化和新型城鎮(zhèn)化的推進，中部五省的城鎮(zhèn)人口比例會逐步提升，收入水平也會相應提高，到 2035年基本實現(xiàn)現(xiàn)代化；在此過程中，人均收入水平由中等收入向高收入組別過渡，同時還需要完成縮小城鄉(xiāng)收入差距的目標。為此，在設定農村居民收入彈性時，農村居民的可支配收入增長速度高于城鎮(zhèn)居民；在此假定下，編制了收入彈性系數的高、低、基準情景，并假設該系數在過渡點附近保持在1或更高水平。表4給出了居民收入方面的3種備選方案，用于比較分析。
表4 中部五省收入彈性系數預測情景（2020—2035年）
隨著經濟發(fā)展、人均收入水平增長、居住條件和家用電器的普及，居民生活能源消費水平將穩(wěn)步增長。從國際經驗來看，在經濟合作與發(fā)展組織的國家中，家庭住宅能源消耗平均占據能源消費總量的19%（不含私人交通能源消費）。合理預計，中部地區(qū)的生活能源消費量將持續(xù)攀升，2020年后人均生活能源消耗量在能源消費“量”和“質”兩個方面均會提升。
參照上海市等一線城市的發(fā)展規(guī)律來設定中部五省城鄉(xiāng)能源消費的彈性系數，從而體現(xiàn)中部地區(qū)崛起并縮小與東部地區(qū)的差距。選取上海市作為參考基準，這是因為上海市已經率先完成了由中等收入向高收入水平的過渡，走過的歷程可作為中部省份城鎮(zhèn)化生活能源消費的參照。具體而言：在人均GDP方面，上海市從2005年的6138美元增長到2017年的18756美元，中部五省當前的人均收入正處于該區(qū)間；上海市的能源消耗彈性表現(xiàn)為“由低到高再向低”，轉折點出現(xiàn)在2011年；相關趨勢在北京市、深圳市等一線城市同樣存在。至于農村居民能源消費彈性系數，當前中部五省能源消費量的絕對水平仍然較低，但隨著收入增長，能源需求潛力增量較大；假設該系數開始時為1，城鄉(xiāng)收入差距縮小一段時間后逐漸減小。表5給出了用于比較分析的生活能源消費彈性預測。
表5 中部五省生活能源消費彈性預測（2020—2035年）
（三）能源革命助推能源結構轉型的情景設計
能源革命的核心是發(fā)展清潔低碳能源，在能源消費量上表現(xiàn)為能源結構的變化。中部五省的能源消費結構以煤為主，煤炭消費占總能源的比重較高。近年來，得益于技術創(chuàng)新驅動，煤炭直接消費的比例呈現(xiàn)下降趨勢，煤炭的清潔轉換率有了較大提高；各省份大力發(fā)展風能、光能、水能、生物質能等可再生能源，形成風光互補、水光互補等多能體系；區(qū)域能源合作中的“西氣東輸”“西電東送”“北煤南運”、特高壓智能電網等，為中部地區(qū)能源結構轉換提供了便利條件；據此構建了能源革命推動中部地區(qū)能源結構轉變情景（見表6）。
表6 中部五省一次能源結構情景（2020—2035年）
借鑒文獻研究思路，在給定的變量和假設條件下共有144個不同崛起路徑的能源消費情景組合?？偨Y這些情景，根據GDP增長率的高、中、低來設定3類主要情景，然后在主要情景中研究選擇GDP增長率基準情景，高增長率、低增長率情景下的4種關鍵子情景。不同崛起路徑下的能源需求情景總體描述見表7。
表7 中部地區(qū)崛起產業(yè)結構優(yōu)化、城鎮(zhèn)化情景設定的總體描述
四、能源革命助推中部地區(qū)崛起的路徑選擇
（一）中部地區(qū)崛起不同路徑的能源需求
將中部地區(qū)崛起過程中的各種宏觀總體因子，如經濟增長、產業(yè)發(fā)展、新型城鎮(zhèn)化、能源效率、人均收入和生活能源等整合為發(fā)展路徑的不同選項，通過政策的引導實施以獲得不同的發(fā)展路徑及相應效果。根據不同的情境設定，可以得到中部五省2020—2035年在不同路徑下的能源需求量。
以經濟高增長情景為例（見圖2），至2035年，中部地區(qū)崛起的能源需求呈現(xiàn)遞增趨勢，沒有出現(xiàn)拐點，能源需求量約為8.45×108~1.0×109 tce。如采用能源革命推動產業(yè)結構優(yōu)化和提升能源效率（SE11路徑），2035年能源需求量約為9.12×108 tce；如果能源革命不能推動產業(yè)結構優(yōu)化和提升能源效率，同時城鎮(zhèn)化進程加速（SE14路徑），則能源的需求量約為1.0×109 tce；如果推動產業(yè)結構升級、提升能源效率二者選一，即為SE12、SE13路徑，但SE13路徑的能源需求量要比SE12路徑低4.55×107 tce，這表明能源技術效率的提升效應要高于產業(yè)結構優(yōu)化。
圖2 經濟高增長情景的能源需求量
在基準經濟增長背景下，至2035年，中部五省的能源需求量約為9.01×108~9.74×108 tce。在產業(yè)結構升級和能源效率提升的情況下（SE24路徑），中部地區(qū)的能源需求量約為9.01×108 tce；如果能源革命無法推動產業(yè)結構升級、提升能源效率，則能源需求量約為9.74×108 tce；其他情況介于二者之間。能源革命中如果調整產業(yè)結構、提升能源效率同步（SE22路徑），則能源需求約為9.11×108 tce；僅推動產業(yè)結構升級而不提升能源效率（SE23路徑），則能源需求量約為9.60×108 tce；在城鎮(zhèn)化加速的背景下，產業(yè)結構和能源效率保持不變（SE25路徑），能源的需求量約為9.58×108 tce。
在經濟低增長背景下，至2035年，能源需求分為4種情況：基準情景（SE31路徑），能源需求量約為9.11×108 tce；基準情景且能源革命提升能源效率（SE32 路徑），能源需求量約為8.57×108 tce；SE32路徑附加能源革命加速產業(yè)結構優(yōu)化升級（SE33路徑），能源需求量約為8.99×108 tce；SE33路徑附加能源革命既促進產業(yè)結構優(yōu)化又提升能源效率，能源需求量約為8.45×108 tce。
由此可見，能源革命在推動中部地區(qū)崛起的過程中，推進產業(yè)結構優(yōu)化、提升能源效率起著至關重要的作用：一方面可以節(jié)約能源消費量，即能源消費革命；另一方面可為中部地區(qū)崛起提供了路徑選擇。
（二）中部地區(qū)崛起CO2排放量拐點出現(xiàn)路徑
能源革命的核心任務之一是推進能源轉型，即通過優(yōu)化能源結構，朝著清潔低碳方向發(fā)展。根據不同的崛起路徑假設，加上能源革命、基準能源供給情景假設，共有 432個不同崛起路徑的CO2排放情景組合?？偨Y這些情景，將經濟基準增長、經濟高增長、低增長與能源革命、能源基準發(fā)展情景相組合，可以得到能源碳達峰的拐點年份情況。
同樣以經濟高增長為例，如果中部地區(qū)能源按照基準情景發(fā)展（見圖3），在4種不同崛起路徑下的中部地區(qū)CO2排放量均在2022年達到峰值，2022年之后開始緩慢下降。對比基準情景和能源革命情景（SE11、SE13路徑），CO2排放量峰值年份均為2020年，但能源革命情景下（見圖4）的總排放量更少。對于SE12、SE14路徑，基準情景下的峰值年份為2022年，能源革命情景下的峰值年份為2021年；同樣，能源革命情景下的總排放量更少。
圖3 經濟高增長+能源基準路徑的CO2排放
圖4 經濟高增長+能源革命路徑的CO2排放
在經濟基準增長背景下，如果中部地區(qū)能源按照基準情景發(fā)展，在5種不同崛起路徑下，中部地區(qū)的CO2排放峰值均出現(xiàn)在2021年，此后隨著能源結構的轉型呈現(xiàn)出逐年遞減趨勢。關于CO2排放量，能源革命情景較基準能源結構條件低1.434×107~1.474×107 tce。
在經濟低增長背景下，如果中部地區(qū)能源按照基準情景發(fā)展，在4種不同崛起路徑下，中部地區(qū)CO2排放峰值均出現(xiàn)在2021年，此后隨著能源結構的轉型呈現(xiàn)出逐年遞減趨勢。同樣，能源革命將明顯降低CO2排放量，有利于全球氣候變化治理，也有利于區(qū)域環(huán)境改善。
由此可見，能源革命戰(zhàn)略與中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略相結合，有助于促進中部地區(qū)高質量發(fā)展。能源革命以轉變能源結構、提升能源效率的方式，推進中部地區(qū)產業(yè)結構轉型升級，為地區(qū)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展、居民生活水平提高發(fā)揮積極作用。
五、對策建議
在綜合考慮經濟增長、產業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)化、現(xiàn)有節(jié)能政策等條件下，中部地區(qū)的能源需求將隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進而持續(xù)上升，2035年之前不會出現(xiàn)拐點，但能源效率提升、產業(yè)結構優(yōu)化有助于降低能源需求量；以構建多元互補能源體系為目標的能源革命情景，有助于中部地區(qū)碳達峰時間盡快到達，促進中部地區(qū)經濟、社會、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。應對中部地區(qū)崛起的時代背景，對地區(qū)能源革命提出如下發(fā)展建議。
（一）重點發(fā)展節(jié)能清潔技術，提升能源效率和清潔低碳能源供給
中部地區(qū)能源消費主要以煤炭為主，煤炭在一次能源中的主導地位短期內難以改變。由于火電是我國煤炭轉化的主要方式，開展火電技術創(chuàng)新是相關清潔化技術發(fā)展的重要方面。煤炭的清潔利用是未來能源革命的重點，節(jié)能提效是我國能源戰(zhàn)略之首；一方面加大中部地區(qū)火電機組升級換代、小規(guī)模機組淘汰的力度，對區(qū)域內各產業(yè)的能源投入產出效率進行調控，持續(xù)提升能源的利用效率；另一方面規(guī)劃和實施水電、風電、光伏、生物質能等可再生能源的發(fā)展。
（二）加大產業(yè)結構調整力度，向綠色低碳生態(tài)化轉型
能源革命推動中部地區(qū)崛起，不僅是能源產業(yè)結構本身的問題，更是區(qū)域內整個產業(yè)結構發(fā)展高度化、生態(tài)化的問題。在生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新理念下，中部地區(qū)應改變傳統(tǒng)的依賴資源的粗放發(fā)展方式，聚焦產業(yè)轉型升級，因地制宜推動產業(yè)結構調整，朝著低碳生態(tài)化方向發(fā)展。建議將生態(tài)文明建設納入產業(yè)轉型升級過程，發(fā)展新型工業(yè)化以調整優(yōu)化產業(yè)結構；改變工業(yè)文明“資源–產品–廢物排放”產業(yè)模式，逐步轉向生態(tài)文明、人與自然和諧共生的發(fā)展方式；采用先進技術改造提升傳統(tǒng)產業(yè)，實施傳統(tǒng)工藝改造升級，運用信息技術、新能源技術來推動產業(yè)生態(tài)化發(fā)展。
（三）推動能源體制變革，構建多能競爭市場體制
新能源發(fā)展壯大離不開市場突破，我國當前的“煤電聯(lián)營”“煤電一體化”運行體制事實上形成了煤電對電網的獨占，而風能、光伏等新能源在價格上已基本具備與傳統(tǒng)火電競爭的條件。建議發(fā)揮新能源分散性特點，結合“美麗鄉(xiāng)村”“安全社區(qū)”等工程建設，采用先農村后城市、由生活到生產的發(fā)展路徑，設計競爭市場，更好發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用。鑒于風能、太陽能分布的區(qū)域性差異，建議中部地區(qū)各省份構建協(xié)商機制、打破行政分割，在新能源使用方面充分加強區(qū)域協(xié)作；推動能源體制變革，破除體制約束并打破區(qū)域間隔，倡導可再生能源的優(yōu)先發(fā)展、優(yōu)先利用，更好落實生態(tài)優(yōu)先發(fā)展理念。
