化工企业节能减排论文工厂节能减排论文：基于leap模型的城市能源规划与co减排研究———以景德镇为例

化工企业节能减排论文工厂节能减排论文 基于 LEAP 模型的城市能源规划与 CO 减排研究以 景德镇为例 摘 要:未来城市能源供给面临巨大的压力，同时温室气体减 排也成为经济发展的一项硬约束为探索节能减排和低碳 发展背景下城市的能源需求和 CO2 排放变化，本文基于 LEAP(Long range Energy Alternatives Planning System)模型 框架，建立起针对基准情景和节能低碳情景的能源消费和 CO2 排放的预测技术以景德镇市为例，利用建立的 LEAP 模型预测两种情景下能源需求和 CO2 排放变化结果表明， 节能低碳情景下 2020 年景德镇市能源需求和 CO2 排放增速 显著减缓，其中能源需求相比基准情景将降低 27%，单位 产值 CO2 排放则降低 37% 关键词:LEAP 模型; 能源需求;节能减排 ;情景分析 传统的能源规划侧重能源供需平衡分析，但能源消耗 的外部性对生态环境的影响不容忽视2010 年中国向世界 承诺“在 2020 年单位 GDP 温室气体排放量在 2005 年基础 上减少 45%”，碳减排已成为中国经济发展的硬性约束为 此在城市能源规划中，既要注重能源供需平衡，也要考虑 温室气体的减排约束目前，城市能源系统分析与规划方 法主要集中在能源总量的需求及其影响因素分析上，其中 能源预测方法包括弹性系数法、投入产出法、时间序列分 析法等1-2 这些方法可以识别和探讨能源体系中的主要 影响因素、相互关系和联合作用，但难以模拟系统结构变 化比较大的情况，不适合能源的中长期预测3 ，而且也 未能关联环境影响，不能为决策者提供综合的支持LEAP 模型是一个基于情景分析的能源环境经济综合模型，可以 在对经济、产业或技术的重大演变提出各种关键假设的基 础上，构想未来较长时期能源及其环境影响的各种可能方 案，得出相应的预测结果3-4 目前 LEAP 模型已广泛应 用于交通能源及大气污染物预测5 、化学吸收工艺环境 和经济评价6 、填埋气环境经济评估7 、钢铁行业 CO2 减排潜力分析8 、可再生能源和未来行业能源预测 等9-11 这些研究主要集中在对单项能源政策或某一项 措施的环境影响和效益评估，很少涉及对综合的能源政策 组合影响进行预测，而且研究尺度集中在国家或某一行业 部门，较少利用 LEAP 模型开展城市尺度下的综合能源体 系和节能减排规划本文基于 LEAP 框架，构建适用于城 市能源需求和节能减排预测的 LEAP 模型，并以景德镇市 为例，预测中长期范围内全市分行业和部门能源需求和温 室气体排放情况 1 研究方法 11 LEAP 模型框架 LEAP 模型由瑞典斯德哥尔摩环 境研究所及美国波士顿 Tellus 研究所共同研发，是一个能 源- 环境情景分析模型，可以进行中长期能源供需平衡分析、 能源流通和消费过程中大气污染物及温室气体的排放及成 本效益分析，可以用来追踪一个经济体中所有部门之间的 资源开采、能源生产和消费行为12 LEAP 模型包括能 源供给、能源加工转换、终端能源需求 3 个环节，可根据 项目的要求自由调整模型的结构和数据框架，涵盖了几乎 所有的能源需求、转换、传输、分配和终端使用，能够模 拟已存在的和即将应用的终端用能技术13 LEAP 模型 的应用过程首先是进行发展历史的回顾性分析，然后对未 来的趋势做出一系列假定，接着对政策措施、经济状况和 技术水平等因素进行有目的的设定，在此基础上建立起数 据模型，输入相关参数，最后得出相应的预测结果 12 能源需求和 CO2 排放计算 LEAP 模型对能源需求 进行分行业预测假设有 m 种能源和 n 个行业部门，各行 业的能源需求由经济活动水平和单位经济活动水平下的能 源强度决定，CO2 排放由能源需求和碳排放系数决定，公 式如下 Eti=nj=1AtjEtijEtj=mi=1AtjEtijC=ijAtjEtijfij 式中，Eti 为 t 时刻第 i 种能源消费总量 ;Etj 为 t 时刻第 j 部 门综合能耗;C 为 CO2 排放量;Atj 为第 j 部门在 t 时刻的活动 水平，多以部门产值或产品产量表示;Etij 为 t 时刻 j 部门单 位活动水平下的能源消费强度;fij 为第 j 部门对第 i 种能源 的碳排放系数焦炭和煤气的生产与消费过程均产生 CO2 排放，本模型按照投入焦炭和煤气生产环节的全部能源进 行计算，不再考虑其终端消费产生的 CO2化工生产部门 CO2 排放按照投入的全部能源进行计算，没有考虑扣除作 为原料的部分，因此计算得到的 CO2 排放量略微偏大燃 料大气污染物和 CO2 排放系数参见表 1 和表 2 2 景德镇案例研究 21 区域背景景德镇市位于江西省东北部，是著名的 瓷都，其陶瓷、飞机汽车制造、电子、化工、机械等行业 发展迅速，是江西省重要的工业城市快速的经济发展导 致能源消费不断上升，根据景德镇统计局公示的相关数据 景德镇 2007 年单位 GDP 能耗高于全国平均水平，且“十 一五”前三年能源消费强度未能达到规划进度要求根据 “景德镇十一五规划”和景德镇城市总体规划纲要 ，确 定未来主要社会经济指标，详见表 3 22 模型构建景德镇市 LEAP 模型基于 LEAP 提供的 建模基础框架构建，覆盖了终端能源消费部门和加工转换 部门，并涵盖了终端能源消费主要的能源品种考虑数据 可获得性，模型以 2007 年为基准年，研究时间跨度为 20072020 年，模型的驱动因素包括 GDP 增长、人口规模 变化、产业结构调整、能源技术进步和能效提高等根据 景德镇市的产业部门分类和终端能源消费特点，模型将终 端能源需求部门划分为第一产业用能、工业用能、建筑业 用能、交通用能、商业用能和居民生活用能 6 个部门其 中工业用能部门细化为建材行业(陶瓷和水泥)、造纸、制药、 机械制造、制焦、电力、化学纤维、精细化工等子部门， 交通部门分为铁路运输、公路运输和水路运输 3 个子部门， 居民生活用能分为城镇居民用能和农村居民用能模型中 的能源载体有原煤、电力、煤气、天然气等由于数据来 源的限制和数据类型的差异，对各部门设计不同的数据结 构，采取不同的计算方式 221 工业用能工业用能以规模以上企业和重点用能 企业作为行业代表，按照如下公式进行计 算Et= iAAEiftgtkit 式中，Et 表示 t 时刻，某工业部门 用能;Ei表示该行业表示重点用能企业的第 i 种能源的消费 量;A/A表示整体行业的产出水平与规模以上企业和重点用 能企业的产出水平的比值;ft 表示该行业未来的产业规模增 长系数;gt 表示该行业的节能系数 ;kit 为第 i 种能源的能源结 构调整系数ft、gt、kit 在初始时刻(2007 年)的值均为 1 222 电力用能火电厂将一次能源转化为二次能源 电力供其他部门使用，为避免重复计算，本文对火电 厂的计算公式如下 H=cf1(e e)f2 式中， c 表示火电厂燃 煤量(t);e 和 e表示火电厂的总发电量和火电厂的自用电量 (kWh);f1、f2 分别表示煤炭和电力折合成标煤系数， f1=0 7143kgce/kg，f2=01229kgce/kWh(综合能耗计算通 则 GB/T 2589-2008) 223 交通用能景德镇市不属于江西省重要的交通枢 纽，其交通用能的估算方法如下 Ti=T4if1f1f2f2f3f3f4f 槡 4 式中，Ti、Ti 表示景德镇市和江西省交通部门对第 i 种能 源的消费，i 表示柴油、汽油、煤炭、综合能耗等; f1、 f2、 f3、f4分别为景德镇市客运总量、货运总量、客 运周转量、货运周转量;f1、f2、f3、f4 分别为江西省的客运 总量、货运总量、客运周转量和货物周转量 224 第一产业和其他用能参考国家和江西省的能源 消费数据，不管是全国范围还是江西省范围内，第一产业 用能在社会总能耗中所占比例很小，大约在 3%4%，且呈 逐年下降趋势，景德镇市在江西省第一产业用能比例相对 较低，因此可取为较小值其它行业如建筑业、服务业等 在能源消费中所占的比例大约在 45%5%，这些部门可 以按照现有比例乘以其它部门用能总量的方法进行计算， 对于总量的预测影响不大 23 情景设计景德镇市未来能源消费及大气污染排放 情景主要基于以下基本假设: (1)随着城市化进程，农村居民消费的一些非商品能源 (如薪柴、秸秆) 将被其它的商品能源所替代，农村消费的煤 炭比例降低; (2)未来电气化和燃气率提高，电力、城市煤气、天然 气等优质能源比例提高，能源利用效率提高; (3)未来加强对煤炭燃烧利用过程产生的各种污染物的 防治，大气污染物及温室气体排放强度将降低在此基础 上，设立如下两种情景 (1)情景一:基准情景基准情景，又称“零方案” ，是指未 采取进一步的节能减排政策和措施以 2007 年各能源需求 终端消耗情况做趋势外推，不考虑进一步节能减排的规划 和措施 (2)情景二:节能减排情景参考国家节能中长期规划等节 能政策，未来城市能源利用效率有很大提高，能源结构优 化效果明显，落后产能基本淘汰，污染物排放得到一定控 制部分行业单位产值能耗现状值和规划值如表 4 所示 参考以上数据和相关文献研究资料，对景德镇市重点用能 企业的能源利用效率目标设置如表 5 所示水泥行业的活 动水平在规划期内为基准情景预测值的 40%，其他高耗能 行业在规划远期产业活动水平达到基准情景的 50% 3 结果与分析 31 能源消费与 CO2 排放现状模拟利用景德 镇市 LEAP 模型模拟 2007 年能源消费与 CO2 排放，结果如 表 6 所示根据景德镇统计公报，景德镇市 2007 年能源消 费总量为 309104t 标煤，单位 GDP 能耗为 118 万元(略 高于全国平均水平 116 万元)，与模型模拟的结果非常接 近能源消费结构中工业的比例为 83%，高于全国平均水 平居民生活用能次之在工业能源消费中，电力、化纤 化工和建材( 水泥) 行业占据了主导地位，说明景德镇市的工 业发展仍以资源密集型为主(见表 7) 32 未来情景预测分析 321 基准情景基准情景下能源消费总量和单位 GDP 能耗变化预测如图 1 所示，CO2 排放变化预测如图 2 所示由此看出，在当前的产业结构和发展速度下，景德 镇市的能源消耗会继续高速增长到 2015 年能源消耗量将 是 2007 年水平的 192 倍，2020 年将达到 26 倍而单 位 GDP 能耗先经历短暂的下降，在 20102011 年达到最 低值，之后保持平稳工业耗能高达 846%，主要耗能行 业包括电力、建材(水泥)、化纤和陶瓷等，详见表 720072020 年能源变化的分行业贡献如表 8 所示，可见 电力、建材( 水泥) 业和化工行业是能源增长的主导行业，分 别贡献了 301%、26%和 131% ，这些高能耗行业未来 还将经历一个快速增长时期总体上，在基准情景下景德 镇市的经济结构变化不大，还是主要依靠资源密集型和高 能耗的企业推动经济发展，能源需求和 CO2 排放近似平行 增长 321 节能减排情景在情景二下，能源消费总量和单 位 GDP 能耗变化预测如图 1 所示，CO2 排放变化预测如图 2 所示2020 年能源消耗比 2007 年增加 281104t 标煤， 万元 GDP 能耗则由 116t 下降至 073t，下降幅度为 37%2020 年 CO2 排放比 2007 年增加 188104t，万元 GDP 排放强度由 078t 下降到 045t，下降幅度达 37%， 接近国家承诺的 40%45%的指标相比情景一，2020 年 能源消费总量减少了 217104t 标煤，CO2 排放量减少了 147104t能源结构如表 7 所示，工业用能比重下降，但 仍占主导地位主要耗能行业为电力、化纤、陶瓷、化工 及水泥，其中水泥行业耗能比例得到大幅限制，电力耗能 比例则有所增加 33 未来对策分析显然，情景二有利于实现景德镇市 的节能减排目标，为此未来应强调: (1)保障经济快速增长，优化产业结构，寻找新的经济 增长点，重点发展附加值高、能耗低的高新技术行业和第 三产业; (2)重点限制建材、化纤化工、冶金等高耗能行业发展， 淘汰落后产能或上大压小; (3)加强能源供应能力，扩大景德镇发电厂规模，鼓励 农村水电发展;(4)优化能源结构，以川气东输为契机，使用 优质能源替代民用和工业用煤 4 结论 本文探讨了 LEAP 模型应用于城市能源需求和碳排放 预测的技术过程，并以景德镇市为例进行案例研究在基 准发展情景和节能低碳发展情景下，分第一产业、工业、 交通、居民生活和其它用能 5 个部门进行模拟预测，验证 表明误差在可允许范围内，城市能源 LEAP 模型适于推广 应用在基准情景下，2020 年景德镇市综合能耗增加 16 倍，单位 GDP 能耗和 CO2 排放水平分别为 998kg/万元和 728kg/万元在节能低碳发展情景下，通过限制电力、陶瓷、 化工行业发展规模，淘汰水泥行业落后产能，提高各行业 能源利用效率等，2020 年用能仅增加 09 倍，单位 GDP 能耗和 CO2 排放水平则同时下降 37%考虑数据的可获得 性和能源系统本身的复杂性，城市能源 LEAP 模型对真实 的能源情景模拟还存在不足，如何消除简化过程对模型精 确性的不利影响将是下一步研究的重点 参考文献 1刘婧国外能源系统模型研究及启示J 理论 界，2009，25(12):35-36Liu JingThe foreign energy system model research and its revelationJ Theorists，2009，25(12):35-36 2卢二坡我国能源需求预测模型研究J 统计 与决策，2005，(10X):29-31Lu Erpo The research of chinese energy demand modelJ Statistics and Decision，2005，(10X):29-31 3朱跃中中长期能源发展情景分析方法对我国未 来节能规划的启示J 中国能源，2000 ，23(5):5-6Zhu YuezhongAnalysis of long-term energy development scenarios on future energy planning in China InspirationJ Chinese Energy，2000，23(5):5-6 4曾忠禄，张冬梅不确定环境下解读未来的方法: 情景分析法J 情报杂志， 2005，24(5):14-16Zeng Zhonglu，Zhang DongmeiA method to assess the future- scenario analysisJ Journal of information，2005，24(5): 14-16 5Shabbir R，Ahmad S SMonitoring urban transport air pollution and energy demand in Rawalpindi and Islamabad usingleap modelJ Energy ，2010，30(3):403- 412 6Song H，Lee S，Maken S，et alEnvironmental and economic assessment of the chemical absorption process in Koreausing the LEAP modelJ Energy Policy，2007，29(12):2109-2124 7Shin H，Park J，Kim H，et al Environmental and economic assessment of landfill gas electricity generation in Koreausing LEAP modelJ Energy Policy，2005，46(6): 363-364 8王克，王灿，吕学都，等基于 LEAP 的中国钢 铁行业 CO2 减排潜力分析 J 清华大学学报 (自然科学版) ， 2006，46(12):1982-1986Wang Ke，Wang Can，Lv Xuedu，et alAbatement potential of CO2emissions from Chinas iron and steel industry basedon LEAPJ Journal of Tsinghua University(ScienceTechnology)，2006，46(12): 1982-1986 9高虎，梁志鹏，庄幸LEAP 模型在可再生能源 规划中的应用J 中国能源， 2004， 26(10):34-37Gao Hu，Liang Zhipeng，Zhuang XingThe application of LEAP in renewable energy planningJ Chinese energy，2004，26(10):34-37 10迟春洁，于渤，张弛基于 LEAP 模型的中国 未来能源发展前景研究J 技术经济与管理研究， 2004，25(5):73-74Chi Chunjie，Yu Bo，Zhang ChiThe development prospect of Chinas future energyJ Technoeconomic andManagement Research， 2004，25(5):73-74 11周大地，戴彦德2020 中国可持续能源情景 M 北京 :中国环境科学出版社，2003Zhou Dadi，Dai YandeChinas sustainable energy scenarios in 2020M Beijing:China Environmental Science Press，2003 12Stockholm Environmental Institute(SEI)An Introduction to LEAPN/OL http:/wwwenergycommunityorg/ 13Zhang Q Y，Tian W LExternal costs from electricit