相 楠， 徐 峰

(1.北京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 北京 100124; 2.北京化工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 北京 100029)

工業(yè)化革命以來(lái)，人類活動(dòng)引起溫室氣體排放所導(dǎo)致的全球變暖現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放、阻止氣候變化已經(jīng)成為全人類的共同目標(biāo)。中國(guó)嚴(yán)肅對(duì)待并積極推動(dòng)碳減排工作，2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布，將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)于2030年前使二氧化碳減排達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

碳達(dá)峰是指二氧化碳排放量達(dá)到歷史最高值，達(dá)峰后持續(xù)下降，是二氧化碳排放由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)，標(biāo)志著碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)完全脫鉤[2]，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)的系統(tǒng)性變革?！半p碳”目標(biāo)的達(dá)成需要中國(guó)各個(gè)城市的共同努力，北京作為中國(guó)首都，是全國(guó)最早提出碳達(dá)峰規(guī)劃的城市之一，更需要率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，并提供科學(xué)合理的碳達(dá)峰路線圖，擬定科學(xué)合理的碳達(dá)峰峰值和時(shí)間線；與此同時(shí)，提供制定配套政策措施和方案的研究方法，為我國(guó)其他區(qū)域的碳排放提供借鑒和參考。

一、文獻(xiàn)綜述

第一，二氧化碳減排關(guān)鍵途徑的探索。在“雙碳”目標(biāo)指引下，二氧化碳減排的方法和途徑的研究成為關(guān)注焦點(diǎn)。當(dāng)前研究從多角度、多維度研究了碳減排的方法：包括能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及能源消費(fèi)總量控制[3-4]、綠色能源技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]、碳交易市場(chǎng)機(jī)制、碳稅[6]、電力結(jié)構(gòu)低碳化[7]目標(biāo)、合理利用碳定價(jià)機(jī)制[8]、引入二氧化碳捕集與封存技術(shù)和提升林業(yè)碳匯能力[9]等。首先，結(jié)構(gòu)性改革是短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)的關(guān)鍵途徑，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是促進(jìn)全球碳減排的第一大貢獻(xiàn)者，隨著第三產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，服務(wù)業(yè)的就業(yè)比例每提高1%，全球人均碳排放量便下降0.248 5%；其次，是能源結(jié)構(gòu)，可再生能源比例每增加1%，全球人均碳排放量將減少0.121 6%[10]；控制煤炭消費(fèi)量、提升非化石能源占比是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的根本動(dòng)力[11-12]。北京市能源消費(fèi)以電力為主，電力結(jié)構(gòu)低碳化是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然選擇[13]。此外，結(jié)合提高能源利用效率[14]，采取能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度控制[15]將是控制碳排放、推動(dòng)碳達(dá)峰目標(biāo)提前實(shí)現(xiàn)的最重要途徑[16]?？梢钥闯觯?dāng)前研究普遍認(rèn)可能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源效率提升能夠有效控制二氧化碳排放，是當(dāng)前階段減排降碳最有成效的手段[2]；能夠更好地保障2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)。

當(dāng)前針對(duì)北京市碳達(dá)峰的研究，學(xué)者各自從不同的側(cè)重點(diǎn)探討碳減排的影響要素，李惠民等(2020)、崔(Cui)等從經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、政策執(zhí)行機(jī)制和消費(fèi)行為引導(dǎo)等方面提出北京市碳排放達(dá)峰路徑及政策啟示[4,14]，部分研究從京津冀協(xié)同[17]的角度探索碳減排路徑，論證了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和終端消費(fèi)結(jié)構(gòu)[18-19]等多種減排措施。但當(dāng)前對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)北京市碳達(dá)峰、碳達(dá)峰的峰值預(yù)測(cè)和時(shí)間路線預(yù)測(cè)等研究還存在空白之處。

第二，“雙碳目標(biāo)”達(dá)成可行性及研究方法探索。為探索碳達(dá)峰、碳中和的時(shí)間表和路線圖，有學(xué)者展開(kāi)了碳排放趨勢(shì)的預(yù)測(cè)研究，主要的模擬預(yù)測(cè)方法可分為三大類，包括指標(biāo)分解法、情景分析法和系統(tǒng)優(yōu)化法[20]。其中指標(biāo)分解法的代表性模型有STIRPAT模型(stochastic impacts by regression on population，affluence and technology)[16,21]和卡雅(Kaya)模型[22]，張哲等[23]基于STIRPAT模型，使用偏最小二乘法進(jìn)行回歸分析，并預(yù)測(cè)出上海市實(shí)現(xiàn)2025年可以碳達(dá)峰的目標(biāo)。情景分析法的常見(jiàn)模型是LEAP模型，張(Zhang)等[24]采用了LEAP模型，預(yù)測(cè)云南省將于2024年達(dá)到碳排放峰值。系統(tǒng)優(yōu)化模型包括IPAC模型(integrated iolicy assessment model for China)[25]、IAMC模型(integrated assessment model for China)[26]和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[27]等。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可以用來(lái)研究經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等多個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，適合用于復(fù)雜系統(tǒng)建模和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，劉(Liu)等[28]結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和STIRPAT模型建立綜合情景分析，預(yù)測(cè)得到中國(guó)在節(jié)能情景、實(shí)施碳稅情景以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化情景下，均可以在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰。此外，環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線[29]、多目標(biāo)優(yōu)化模型[11]、灰色模型[30]、PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[31]也被用于預(yù)測(cè)碳排放峰值。

第三，碳排放模擬仿真方法演進(jìn)。針對(duì)同步調(diào)整結(jié)構(gòu)和效率的碳排放模擬仿真研究，學(xué)者從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、能源和碳排放方面選取指標(biāo)來(lái)設(shè)置模型參數(shù)，如人口數(shù)量、GDP增長(zhǎng)率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)強(qiáng)度、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和碳排放強(qiáng)度等，代入?yún)?shù)預(yù)測(cè)得到碳排放趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)及能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化路徑[31-34]。目前關(guān)于碳排放達(dá)峰的模擬仿真研究方法大多依賴于設(shè)置外生參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，參數(shù)設(shè)定對(duì)結(jié)果影響明顯，進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)時(shí)誤差較大，且無(wú)法真正探究在經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境等多因素的共同影響下，各個(gè)系統(tǒng)之間的相互作用及內(nèi)部?jī)?yōu)化機(jī)理。

從經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化角度看，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)是系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的核心，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不僅需要考慮單個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的能源消費(fèi)量及碳排放水平，還要考慮產(chǎn)業(yè)部門(mén)之間的相互聯(lián)系[24]。投入產(chǎn)出模型能夠系統(tǒng)揭示經(jīng)濟(jì)部門(mén)間的平衡和聯(lián)系，反映出各部門(mén)之間的相互作用關(guān)系，可以用作碳達(dá)峰研究中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要工具[27,35-36]。此外，在進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，多數(shù)文獻(xiàn)側(cè)重于分析各種能源類型的消費(fèi)比例變化，沒(méi)能挖掘出能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的倒逼作用[37]。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間的耦合機(jī)理和內(nèi)部?jī)?yōu)化有待進(jìn)一步探討。

第四，文獻(xiàn)評(píng)述。綜上所述，當(dāng)前關(guān)于碳達(dá)峰的路徑研究和時(shí)間表預(yù)測(cè)主要存在的問(wèn)題有：(1)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，目前研究忽略了各產(chǎn)業(yè)部門(mén)之間的相互影響和制約關(guān)系；(2)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間的耦合機(jī)理和內(nèi)部?jī)?yōu)化有待進(jìn)一步探索；(3)在研究方法上，多數(shù)模型通過(guò)設(shè)置外生參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，未能有效利用經(jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)作用對(duì)碳排放趨勢(shì)進(jìn)行仿真模擬，缺乏系統(tǒng)的基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的區(qū)域碳達(dá)峰潛力預(yù)測(cè)分析，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較大。針對(duì)北京市的研究看，近5年北京市碳排放總量保持較低的增長(zhǎng)速度，但在考慮外調(diào)電力的情況下，尚未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。結(jié)構(gòu)和效率的提升對(duì)促進(jìn)北京低碳綠色發(fā)展?jié)摿薮?，但面向碳達(dá)峰目標(biāo)，具體如何調(diào)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)優(yōu)化路徑并不明晰，尚存在研究空缺之處。

作為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的先鋒隊(duì)，北京市需要率先高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，并提供合理的碳達(dá)峰方法論和路線圖，對(duì)其他城市亦具有重要的參考價(jià)值。本文以北京市為研究對(duì)象，(1)采用投入產(chǎn)出模型，探索碳達(dá)峰目標(biāo)下北京市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整；(2)基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，刻畫(huà)北京市能源系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的能源流和物質(zhì)流與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的價(jià)值流，探尋北京市能源和產(chǎn)業(yè)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，闡明經(jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境(3E)復(fù)雜系統(tǒng)的耦合機(jī)理；(3)結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化理論及動(dòng)態(tài)投入產(chǎn)出原理，創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)與效率雙控轉(zhuǎn)型的城市“碳達(dá)峰”模擬器，利用模型模擬和動(dòng)態(tài)仿真方法來(lái)預(yù)測(cè)低碳減排潛力，探究北京市綠色發(fā)展的能源和產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化路徑，為北京市達(dá)成碳達(dá)峰目標(biāo)提供決策支持，為區(qū)域加快碳減排進(jìn)程提供有效的借鑒和參考。

二、北京市碳排放歷史趨勢(shì)及影響因素分析

21世紀(jì)以來(lái)，北京市經(jīng)歷了快速的城市化進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，2019年，北京實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值3.54萬(wàn)億元，2005—2019年的年均增速達(dá)11.2%。如此快速的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，離不開(kāi)能源的支持，能源燃燒即會(huì)帶來(lái)二氧化碳排放。據(jù)關(guān)大博等人的CEADS(Carbon Emission Accounts & Datasets)數(shù)據(jù)庫(kù)(1)CEADS數(shù)據(jù)庫(kù)，https:∥www.ceads.net.cn/。所知，北京市二氧化碳排放量自2010年之后基本保持穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。但其數(shù)據(jù)庫(kù)并未包含外調(diào)電力的碳排放量，而電力又在北京市能源供給結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。因此，本研究為全面精準(zhǔn)把握北京市實(shí)際二氧化碳排放總量，采用北京市生態(tài)環(huán)境局2020年發(fā)布的《二氧化碳排放核算和報(bào)告要求》[38]和世界資源研究所提供的《能源消耗引起的溫室氣體排放計(jì)算工具指南(2.1版)》[39]作為北京市最新的碳排放因子，基于《IPCC 2006指南方法》核算二氧化碳排放總量。

(1)

其中，e表示能源類別，2005—2019年北京市在生產(chǎn)生活中消耗比較多的11種能源(原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣、天然氣、煉廠干氣、熱力和電力(排除綠電))；ECe表示消耗第e種能源的總量；Efe表示第e種能源所對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放因子(詳見(jiàn)表1)。

表1 北京市分類能源的二氧化碳排放因子

(一)二氧化碳排放趨勢(shì)分析

2005年至今，北京市二氧化碳排放總量仍呈現(xiàn)遞增態(tài)勢(shì)，2012年達(dá)到高值13 942萬(wàn)噸，緊接著2013年北京市開(kāi)始實(shí)施嚴(yán)格壓減燃煤措施，2013年二氧化碳排放量隨之下降，但自2014年之后直至2019年仍有緩慢上升趨勢(shì)，2019年碳排放總量達(dá)到13 909萬(wàn)噸。從碳排放強(qiáng)度看，北京市整體水平為全國(guó)省級(jí)地區(qū)的最低水平[40-41]，且一直保持下降趨勢(shì)。但經(jīng)濟(jì)總量和二氧化碳排放量均呈現(xiàn)遞增態(tài)勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)前北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和碳排放尚未實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的強(qiáng)脫鉤，距離碳達(dá)峰目標(biāo)仍有距離，仍需要嚴(yán)格實(shí)行二氧化碳排放總量和排放強(qiáng)度的“雙控”機(jī)制(詳見(jiàn)圖1)。

圖1 北京市二氧化碳排放總量及排放強(qiáng)度變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005—2019年)及表1所示參數(shù)計(jì)算而得。

(二)能源供需結(jié)構(gòu)趨勢(shì)分析

首先，能源燃燒是二氧化碳排放的最根本源頭，碳達(dá)峰的深層次問(wèn)題是能源問(wèn)題，尤其是能源

效率提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，亦即實(shí)現(xiàn)能源體系“非碳化”。 2005—2019年，能源消費(fèi)年均增速為1.93%，同期地區(qū)生產(chǎn)總值年均增速為9%[40](詳見(jiàn)圖2)。得益于集約高效的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的構(gòu)建，北京市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)能源依賴程度穩(wěn)步降低。2019年，北京市能源消費(fèi)強(qiáng)度為0.21噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，低于全國(guó)平均水平(0.49噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元[42])和上海(0.31噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元[43])、廣州(0.27噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元[44])等國(guó)內(nèi)重點(diǎn)城市。然而2019年北京能源消耗強(qiáng)度(0.21噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元)是東京都同期(0.04噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元(2)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省，https:∥www.enecho.meti.go.jp/。)的5倍以上，且北京市的能源消費(fèi)總量仍然居高不下，與東京等國(guó)際大都市相比依然存在較大差距。

圖2 2005—2019年北京市GDP、能源消耗總量及能耗強(qiáng)度變化數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005—2019年)計(jì)算而得。

其次，從能源供給結(jié)構(gòu)看，可再生能源占能源消耗總量的比例相對(duì)不足(詳見(jiàn)圖3)[45]，2015年北京市可再生能源占全市能源消費(fèi)總量的3.76%，2019年該比例僅上升到6.53%(詳見(jiàn)表2)[40,47]。電力作為化石能源的綠色替代品，在清潔能源體系中占據(jù)重要地位，然而2019年北京市可再生能源電力消納量?jī)H占全社會(huì)用電量的12.7%(同期紐約的可再生能源發(fā)電占總供電量的29%[48])，為北京市總能耗的3.36%。當(dāng)前北京市的可再生能源利用總量較低，給支撐碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了較大的壓力。

圖3 2005—2019年北京市能源供給結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源：《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005—2019年)。

表2 北京市可再生能源占比核算 %

(三)產(chǎn)業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)趨勢(shì)分析

能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型不可忽視能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生產(chǎn)和生活行為是能源消費(fèi)的驅(qū)動(dòng)力，2005—2019年北京市的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的變動(dòng)(詳見(jiàn)圖4)。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面，北京產(chǎn)業(yè)高端化趨勢(shì)明顯，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局不斷優(yōu)化。2005年，北京市第一、二、三產(chǎn)地區(qū)生產(chǎn)總值占比為1.2∶26.7∶72.1，于2019年達(dá)到0.3∶16.2∶83.5[40]，第三產(chǎn)業(yè)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，始終占據(jù)經(jīng)濟(jì)主力軍地位。高耗能、高排放行業(yè)能耗比例持續(xù)下降，而第三產(chǎn)業(yè)和居民生活的能源消費(fèi)量已超過(guò)全市總能耗的70%，成為拉動(dòng)北京能耗總量增長(zhǎng)的主要因素[48]。當(dāng)前北京市服務(wù)業(yè)與國(guó)際發(fā)達(dá)城市相比尚有較大發(fā)展空間，2019年紐約第三產(chǎn)業(yè)占比91.2%(3)statista數(shù)據(jù)庫(kù), https:∥www.statista.com/。。北京市仍可進(jìn)一步深化行業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)而提高產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，以產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展，助力節(jié)能減排工作的開(kāi)展。

圖4 北京市16個(gè)部門(mén)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)來(lái)源：《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005—2019年)。

生產(chǎn)生活行為是能源消費(fèi)的主體，如何推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向節(jié)能低碳轉(zhuǎn)型，如何實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向可再生能源傾斜，是北京市實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)北京市“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，北京市將轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，到2025年，全市可再生能源消費(fèi)比例達(dá)14%左右，煤炭消費(fèi)量控制在100萬(wàn)噸以內(nèi)，同時(shí)構(gòu)建綠色低碳的產(chǎn)業(yè)體系[49]，計(jì)劃在“十四五”時(shí)期實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放總量率先達(dá)峰后穩(wěn)中有降，實(shí)施二氧化碳控制專項(xiàng)行動(dòng)。本文正是基于以上現(xiàn)實(shí)背景，致力于從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和效率提升兩大方面雙管齊下，采用復(fù)雜系統(tǒng)仿真模擬的方法，開(kāi)發(fā)北京市碳達(dá)峰模擬器，探索如何通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源利用效率提升的三大舉措層面助力北京市碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提供優(yōu)化路徑和碳達(dá)峰路線圖。

三、北京市碳達(dá)峰模擬器構(gòu)建及模型檢驗(yàn)

(一)模型框架及數(shù)據(jù)來(lái)源

研究結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、動(dòng)態(tài)投入產(chǎn)出模型和多準(zhǔn)則決策模型進(jìn)行北京市經(jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境整合建模，開(kāi)發(fā)基于結(jié)構(gòu)與效率雙控的“碳達(dá)峰”模擬器(Beijing carbon emission peak simulator, 簡(jiǎn)稱BJCEPS)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型能刻畫(huà)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等多個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，從系統(tǒng)運(yùn)行的整體角度執(zhí)行多目標(biāo)優(yōu)化，通過(guò)該方法闡明北京市的經(jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)的耦合機(jī)理；投入產(chǎn)出表能反映經(jīng)濟(jì)部門(mén)間的平衡和聯(lián)系，用于研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部?jī)?yōu)化調(diào)整及其帶來(lái)的低碳效果；多準(zhǔn)則決策模型可以在存有沖突的約束條件或目標(biāo)下求解最優(yōu)方案，研究既要實(shí)現(xiàn)GDP最大化，同時(shí)也要控制能源消耗量和二氧化碳排放。通過(guò)該模型模擬預(yù)測(cè)北京市未來(lái)15年的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、能源供需平衡以及二氧化碳排放情況，求解經(jīng)濟(jì)、能源和碳排放的系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展路徑。

模擬器由社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型、能源模型和碳排放模型三大子模型構(gòu)成(詳見(jiàn)圖5)。北京市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以產(chǎn)業(yè)部門(mén)的生產(chǎn)行為為主，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的中間投入和最終需求，形成經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的價(jià)值流，產(chǎn)業(yè)部門(mén)間遵循投入產(chǎn)出價(jià)值流動(dòng)平衡。能源系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的作用機(jī)理均與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和居民生活需要能源投入，能源的生產(chǎn)和使用會(huì)導(dǎo)致二氧化碳排放產(chǎn)生，分別形成能源系統(tǒng)的能源流和環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)流。通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析復(fù)合模型中的耦合機(jī)理，利用復(fù)雜系統(tǒng)的價(jià)值流、能源流和物質(zhì)流之間的既相互制約又相互促進(jìn)的關(guān)系，使三者處于動(dòng)態(tài)平衡。一旦這種平衡被打破，如經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)出現(xiàn)高能耗高污染型生產(chǎn)和盲目擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)規(guī)模，將會(huì)導(dǎo)致能源短缺危機(jī)和嚴(yán)重環(huán)境污染等系列問(wèn)題。為了從決策方案中擇取最優(yōu)，本文設(shè)置不同情景，模擬預(yù)測(cè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整方式及其實(shí)施效果，比較分析不同情景下北京市二氧化碳減排潛力、碳達(dá)峰的實(shí)現(xiàn)時(shí)間和優(yōu)化路徑。

圖5 北京市碳達(dá)峰模擬器模型架構(gòu)

研究使用的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于北京市2006—2020年統(tǒng)計(jì)年鑒、能源平衡表以及2017年北京市投入產(chǎn)出表[50]。為有針對(duì)性地反映重點(diǎn)行業(yè)能源消費(fèi)和碳排放情況，研究根據(jù)生產(chǎn)活動(dòng)特點(diǎn)、行業(yè)性質(zhì)和能源消耗強(qiáng)度相近的部門(mén)進(jìn)行整合，將2017年北京市42部門(mén)的投入產(chǎn)出表整合成16個(gè)部門(mén)(詳見(jiàn)表3)。

表3 2017年北京市16部門(mén)直接消耗系數(shù)矩陣及附加價(jià)值率

(二)模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)計(jì)

1.目標(biāo)函數(shù)和主要約束條件

目標(biāo)函數(shù)設(shè)為北京市地區(qū)生產(chǎn)總值(gross domestic product，簡(jiǎn)稱GDP)最大化或二氧化碳排放總量(TCO2)最小化。模型以2017年為基準(zhǔn)年，做2017—2035年共19年的預(yù)測(cè)。根據(jù)2017年北京市的真實(shí)數(shù)據(jù)，給模型中的外生變量賦值，模型模擬未來(lái)15年北京市的經(jīng)濟(jì)、能源和二氧化碳排放的發(fā)展變化(外生變量和內(nèi)生變量分別簡(jiǎn)稱為外生和內(nèi)生)。

(2)

(3)

式(2)中，ρ為社會(huì)折現(xiàn)率，研究引用每年社會(huì)折現(xiàn)率為0.05的系數(shù)進(jìn)行測(cè)算(外生)；式(3)Vi為北京市i部門(mén)的附加價(jià)值率(外生)(詳見(jiàn)表3)，i為整合后的北京市投入產(chǎn)出表的16個(gè)部門(mén)；Xi(t)為t年北京市i部門(mén)的產(chǎn)值(內(nèi)生)。模型共作19年的模擬預(yù)測(cè)，t=1為2017年，t=19為2035年。

(4)

式(4)中，TCO2為t年北京市的二氧化碳排放總量(內(nèi)生)，測(cè)算方法參見(jiàn)式(1)。

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和低碳減排的雙重目標(biāo)下的線性優(yōu)化，研究設(shè)置了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投入產(chǎn)出約束、能源供給需求平衡約束和電力系統(tǒng)的平衡約束。從經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)目標(biāo)對(duì)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的發(fā)展要求出發(fā)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型重點(diǎn)考慮產(chǎn)業(yè)部門(mén)的投入產(chǎn)出平衡，探索產(chǎn)業(yè)部門(mén)在相互影響制約下如何進(jìn)行調(diào)整。能源供需平衡分析能源的需求結(jié)構(gòu)和供給結(jié)構(gòu)變化，并由能源的消費(fèi)進(jìn)入對(duì)二氧化碳減排問(wèn)題的探究。電力系統(tǒng)單獨(dú)列出，是考慮北京市電力在能源供給結(jié)構(gòu)中的比例將會(huì)持續(xù)增加，光伏、風(fēng)力等可再生能源發(fā)電取代傳統(tǒng)火力發(fā)電是必然趨勢(shì)，因此，在能源模型中應(yīng)單獨(dú)考慮電力部門(mén)的供需平衡。

(5)

TES(t)≥TED(t)

(6)

TELEC(t)≥Electricitydemand(t)

(7)

TCO2(t-1)≥TCO2(t),t≥15

(8)

2.能源供需平衡模塊

產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和居民生活離不開(kāi)能源保障，同時(shí)能源結(jié)構(gòu)也受到經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化的影響，能源與經(jīng)濟(jì)密不可分。能源模型充分考慮供給側(cè)和需求側(cè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變趨勢(shì)及相互作用，供給側(cè)考慮可再生能源逐漸替代化石能源；需求側(cè)則主要通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控制能源消費(fèi)總量。能源為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供動(dòng)力保障，為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求，能源模型滿足能源供給大于等于能源需求的平衡，即能源供給主要由原煤、汽油、煤油、柴油、天然氣、液化天然氣、電力、熱力和新能源等組成。

(9)

式(9)中，TES(t)為t年北京市的能源標(biāo)準(zhǔn)煤總供給量(內(nèi)生)；SCfe為e種能源的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)(外生，詳見(jiàn)表4)；ESe(t)為t年e種能源的總量(內(nèi)生)，增加e=12，新能源。

表4 各類能源折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)

能源需求主要考慮北京市16個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)以及居民生活對(duì)原煤、汽油、柴油、煤油、天然氣、液化天然氣、熱力和電力的終端消費(fèi)量。

(10)

式(10)中，TED(t)為t年北京市的能源標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)總量(內(nèi)生)； ECI_Standardi為i部門(mén)的能源標(biāo)準(zhǔn)煤消耗系數(shù)(外生)；ECI_Standardresident為居民生活的能源標(biāo)準(zhǔn)煤消耗系數(shù)(外生)，為0.781 8噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人；Xi(t)為t年i部門(mén)的產(chǎn)值(內(nèi)生)；R(t)為t年北京市的常住人口數(shù)量(內(nèi)生);ξ為能源效率提升參數(shù)(外生)。

居民生活是北京市的一大能源消費(fèi)主體，因此，本研究也將居民生活的能源需求及其導(dǎo)致的碳排放納入模型中。常住人口數(shù)量是影響居民用能的重要因素，其計(jì)算可用函數(shù)表示為：

R(t+1)=(1+0.02%)·R(t)

(11)

式(11)中，R(t)為t年北京市的常住人口總數(shù)(內(nèi)生)；0.02%為北京市2014—2019年的平均常住人口自然增長(zhǎng)率(外生)，模型中假設(shè)未來(lái)15年的人口增長(zhǎng)率保持為0.02%。

3.電力供需平衡模塊

為保障正常的生產(chǎn)和生活用電，電力總供給恒大于等于電力總需求。電力是北京市最重要能源，并且隨著北京市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增大。但是當(dāng)前發(fā)電結(jié)構(gòu)主要以火力發(fā)電為主，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，新能源發(fā)電取代傳統(tǒng)火力發(fā)電是必然趨勢(shì)。

電力供給：北京市的電力結(jié)構(gòu)由北京市發(fā)電和外省調(diào)入電力兩個(gè)部分組成。新能源發(fā)電比例在當(dāng)前北京市發(fā)電和外省調(diào)入電力中占比較低，2017年低于15%。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，火力發(fā)電技術(shù)效率提升和新能源發(fā)電取代傳統(tǒng)火力發(fā)電是必然趨勢(shì)。電力供給公式如下：

TELECS(t)=ELECnew(t)+ELECthermal(t)+(1-α)·ELECim(t)+α·ELECim(t)

(12)

TELECnew(t)=ELECnew(t)+α·ELECim(t)

(13)

式(13)中，TELECS(t)為t年電力供給總量(內(nèi)生)；ELECnew(t)為t年新能源發(fā)電量(內(nèi)生)；ELECthermal(t)為t年傳統(tǒng)火力發(fā)電發(fā)電量(內(nèi)生)；ELECim(t)為t年從外省調(diào)入電量(內(nèi)生)；α為從外省調(diào)入電量中新能源發(fā)電量占比(內(nèi)生)，數(shù)值區(qū)間為(13%，50%)。

(14)

可再生能源電力是未來(lái)電力總供給的一個(gè)核心組成部分，由北京市的自主發(fā)電和外省調(diào)入兩部分構(gòu)成，等于總供電量減去北京市當(dāng)?shù)氐幕鹆Πl(fā)電和外省調(diào)入電量中的火電。

研究基于以上模型公式，依據(jù)北京市經(jīng)濟(jì)能源環(huán)境的現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)(詳見(jiàn)表4～5)，結(jié)合北京市政策文件里的經(jīng)濟(jì)、能源、碳排放目標(biāo)來(lái)設(shè)置不同情景，并利用交互式的線性和通用優(yōu)化求解器(linear interactive and general optimizer， 簡(jiǎn)稱LINGO)來(lái)進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測(cè)北京市2020—2035年的能源供需及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型優(yōu)化發(fā)展情況，探索北京市的碳達(dá)峰路線圖和優(yōu)化路徑。

表5 2017年北京市16部門(mén)產(chǎn)值及產(chǎn)業(yè)能耗、電耗情況

(三)模型敏感度檢驗(yàn)

敏感度檢驗(yàn)是驗(yàn)證模型有效性的手段之一。研究的經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先情景主要是擬合北京市的經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，因此，通過(guò)2017—2019年真實(shí)值和預(yù)測(cè)值的比較，可以驗(yàn)證模型的擬合度和科學(xué)性，以保證模型的合理性(詳見(jiàn)圖6)。

圖6 基準(zhǔn)情景模擬值與實(shí)際值的對(duì)比

圖6是動(dòng)態(tài)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)值的對(duì)比，模擬GDP和實(shí)際GDP在數(shù)值上相差幅度不超過(guò)5%，其中基準(zhǔn)年的GDP和一二三產(chǎn)業(yè)的占比與現(xiàn)實(shí)值幾乎吻合，模型的擬合效果較好。從二氧化碳排放量的模擬值與實(shí)際值比較看，2017年、2018年、2019年誤差率分別為3.39%、1.57%、1.1%，誤差率均小于5%，且誤差率逐年降低(詳見(jiàn)表6)。說(shuō)明本研究使用的動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真模型是合理的，模擬結(jié)果具有準(zhǔn)確性，可以用于預(yù)測(cè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)促進(jìn)北京市碳達(dá)峰的影響和優(yōu)化路徑。

表6 2017—2019年二氧化碳排放量與模擬值比較

(四)情景設(shè)計(jì)

為深入分析不同碳減排途徑的作用，研究分別設(shè)置了基準(zhǔn)情景、結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景和綜合發(fā)展情景(詳見(jiàn)表7)?；鶞?zhǔn)情景下采用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施；結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景整合能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，設(shè)置2030年新能源供給比例超過(guò)30%的限制；綜合發(fā)展情景，采取結(jié)構(gòu)與效率雙控的手段，在結(jié)構(gòu)優(yōu)先措施的基礎(chǔ)上，增加能源效率2025年提升10%、2030年提升20%的約束。

表7 碳減排途徑的情景設(shè)定

基于以上3種情景，本文探討了基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)促進(jìn)北京市碳達(dá)峰的影響和優(yōu)化路徑。

四、北京市碳達(dá)峰優(yōu)化路徑仿真模擬分析

(一)碳達(dá)峰時(shí)間和峰值預(yù)測(cè)

不同情景下二氧化碳排放量均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)(詳見(jiàn)圖7)，并有明顯的排放量拐點(diǎn)，說(shuō)明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控以及能源效率提升3種措施對(duì)碳減排有著顯著作用。3種情景下碳達(dá)峰時(shí)間和峰值存在一定差異。

圖7 3種情景下二氧化碳排放量、GDP和碳排放強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

在基準(zhǔn)情景下，2027年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，達(dá)峰值為16 116萬(wàn)噸，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展明顯受到碳減排制約，尤其在碳達(dá)峰后期出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)下行，表明僅通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)不能支撐低碳經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景下，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時(shí)大力推進(jìn)新能源發(fā)電，提升北京市自發(fā)電力以及外部引入電力中的新能源發(fā)電占比，以此優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)“雙結(jié)構(gòu)”調(diào)控措施下，2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，達(dá)峰值為15 884萬(wàn)噸，但達(dá)峰值偏高，達(dá)峰后至2035年GDP年平均增長(zhǎng)率為2.2%，碳達(dá)峰后期“雙結(jié)構(gòu)”優(yōu)化措施對(duì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)水平有所下降。

在實(shí)施優(yōu)化調(diào)控產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)以及提升能源效率3種措施的綜合發(fā)展情景下，2027年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，碳達(dá)峰值較2019年水平相比，沒(méi)有顯著增加，為14 751萬(wàn)噸；碳達(dá)峰后至2035年碳排放量保持穩(wěn)定下降態(tài)勢(shì)，2035年碳排放量下降至12 764萬(wàn)噸；同時(shí)GDP保持穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2035年，基本實(shí)現(xiàn)GDP翻一番的2035愿景目標(biāo)，達(dá)到近70 000億元，年平均增長(zhǎng)率近4%；碳達(dá)峰后可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)脫鉤發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

比較3種情景2035年的GDP和碳排放量，綜合發(fā)展情景下，2035年GDP為69 155億元，與基準(zhǔn)情景52 859億元、結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景59 899億元比較，增加幅度明顯，分別為1.31倍和1.15倍，同樣，綜合發(fā)展情景下，2035年碳排放量最少為12 764萬(wàn)噸，與結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景12 898萬(wàn)噸、15 235噸相比，少了134萬(wàn)噸和2 471萬(wàn)噸。

由于不同情景的碳達(dá)峰年的二氧化碳排放量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有著較大差異，碳排放強(qiáng)度下降幅度也有顯著差異?；鶞?zhǔn)情景下，碳排放量以較大幅度增長(zhǎng)到高峰值點(diǎn)達(dá)峰，達(dá)峰后勻速下降，下降曲線較平緩，2035年碳排放量較2017年增加1 796萬(wàn)噸，但二氧化碳排放強(qiáng)度較2017年下降40%；結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景下，碳排放量增長(zhǎng)速度較快，達(dá)峰后碳排放量下降幅度較大，曲線坡度較陡，2035年碳排放量較2017年減少540萬(wàn)噸，二氧化碳排放強(qiáng)度較2017年下降50%。

綜合發(fā)展情景下碳達(dá)峰值處在3種情景中的最低點(diǎn)，同時(shí)，碳達(dá)峰后碳排放量持續(xù)穩(wěn)定下降，且經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)保持穩(wěn)定，較2017年下降55%；碳達(dá)峰實(shí)現(xiàn)效果最為顯著。

(二)碳達(dá)峰產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化路徑分析

圖8顯示3種情景的達(dá)峰年、2030年及2035年的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化。3種情景下至2035年，北京市的服務(wù)業(yè)一直保持主導(dǎo)地位，3種情景達(dá)峰年、2030年及2035年的服務(wù)業(yè)占比均超過(guò)了80%；3種情景在2035年的服務(wù)業(yè)占比分別為：基準(zhǔn)情景88.6%、結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景87.4%以及綜合發(fā)展情景86.6%。

從其他行業(yè)發(fā)展看，與2017年各行業(yè)部門(mén)產(chǎn)值相比，在基準(zhǔn)情景下，實(shí)現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)的有醫(yī)藥制造業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)和能源部門(mén)；在結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景下，實(shí)現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)的有醫(yī)藥制造業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)、能源部門(mén)和建筑業(yè)，但上述兩種情景下能耗強(qiáng)度大(如重化工業(yè)、金屬制品、交通運(yùn)輸)或行業(yè)增加值率偏低(如電器機(jī)械和器材、通信電子設(shè)備)的“低產(chǎn)出高排放”行業(yè)發(fā)展受到嚴(yán)重限制，這些行業(yè)產(chǎn)值較2017年水平相比下降幅度為40%～60%。

相比之下，綜合發(fā)展情景除上述醫(yī)藥制造業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)、能源部門(mén)和建筑業(yè)之外，通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備，專用設(shè)備也得到一定發(fā)展，符合“大力發(fā)展現(xiàn)代制造業(yè)，培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)”的北京發(fā)展戰(zhàn)略。綜合情景下建筑業(yè)和能源工業(yè)各占3%，交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比提升至4%以上?？傮w來(lái)說(shuō)，實(shí)施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控、能源效率提升3種措施為發(fā)展現(xiàn)代制造業(yè)提供了發(fā)展空間，能夠在碳減排過(guò)程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。

(三)碳達(dá)峰能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化路徑分析

圖9闡釋3種情景的能源供給結(jié)構(gòu)相對(duì)于2017年水平的變化態(tài)勢(shì)，主要分析了碳達(dá)峰年、2030年和2035年的變化規(guī)律。

3種情景下，電力均是最主要的能源消費(fèi)類型，電力包括傳統(tǒng)火力發(fā)電和新能源發(fā)電兩個(gè)部分。在結(jié)構(gòu)優(yōu)先和綜合發(fā)展情景中，2035年新能源發(fā)電在能源供給結(jié)構(gòu)中的占比超過(guò)了30%。綜合發(fā)展情景下，能源結(jié)構(gòu)變化態(tài)勢(shì)最為穩(wěn)定，達(dá)峰年電力占能源供給的44.8%，且新能源發(fā)電占比達(dá)12.1%；達(dá)峰后期新能源發(fā)電占比逐年提升，至2035年達(dá)到31.4%，電力占能源供給的44.9%。天然氣是除電力之外北京主要使用的清潔能源，達(dá)峰年天然氣在能源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)到17.5%，2035年提升至19.9%。電力和天然氣是未來(lái)發(fā)展過(guò)程中支撐能源供給結(jié)構(gòu)的兩大重要能源。

推動(dòng)新能源發(fā)電和擴(kuò)大清潔能源天然氣使用，不僅能確保北京能源供應(yīng)穩(wěn)定，而且能提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間和低碳減排空間，促進(jìn)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型，對(duì)碳達(dá)峰有著顯著作用。

(四)碳達(dá)峰能源效率提升路徑分析

3種情景的能耗消費(fèi)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)“同步性”增長(zhǎng)趨勢(shì)(詳見(jiàn)圖10)?；鶞?zhǔn)情景下，碳達(dá)峰后經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到制約，能源消費(fèi)量未出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)；結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景的能源消費(fèi)量最高，2035年達(dá)到8 637萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增長(zhǎng)率在1%；結(jié)構(gòu)與效率雙控的綜合發(fā)展情景下，2035年能源消費(fèi)量為8 501萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但能源消費(fèi)增長(zhǎng)率顯著低于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率，因此，能耗強(qiáng)度顯著低于其他兩種情景。

基準(zhǔn)情景和結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景能耗強(qiáng)度分別為0.16噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元和0.15噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，較2017年水平降低40%和42%；綜合發(fā)展情景下，2035年能耗強(qiáng)度為0.12噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，較2017年水平下降51%，能耗強(qiáng)度下降幅度最大。

據(jù)此可知，產(chǎn)業(yè)與能源結(jié)構(gòu)調(diào)整在碳達(dá)峰前期對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和控制能耗總量上效果顯著，但碳達(dá)峰后保持二氧化碳排放量持續(xù)下降，邊際減排效果遞減；相對(duì)而言，在實(shí)施能源效率提升措施的綜合發(fā)展情景下，碳達(dá)峰后依然保持較大的減排空間。

五、研究結(jié)論及建議

碳達(dá)峰是碳中和的前提條件，碳達(dá)峰實(shí)現(xiàn)時(shí)間提前、峰值越小，對(duì)碳中和的效益越大。2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)意義深遠(yuǎn)，任務(wù)艱巨，探索碳達(dá)峰時(shí)間表和路線圖是現(xiàn)實(shí)所需。本研究開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與效率提升雙驅(qū)動(dòng)的“北京市碳達(dá)峰模擬器”，對(duì)2020—2035年北京市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源消費(fèi)和二氧化碳排放趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測(cè)，通過(guò)分析模擬結(jié)果得到幾方面的結(jié)論和建議。

(一)結(jié)構(gòu)與效率雙驅(qū)動(dòng)有效降低碳排放峰值

基準(zhǔn)情景和結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景的碳達(dá)峰值偏高，分別為16 116萬(wàn)噸和15 884萬(wàn)噸，且碳達(dá)峰后產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控的碳減排空間有限，經(jīng)濟(jì)發(fā)展將受到限制，基準(zhǔn)情景下呈現(xiàn)經(jīng)濟(jì)下行趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)先情景下年平均增長(zhǎng)速度僅為2%。與其相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與效率提升雙驅(qū)動(dòng)的綜合發(fā)展情景的二氧化碳減排效果顯著，2027年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，碳達(dá)峰值為14 751萬(wàn)噸，碳達(dá)峰后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)保持近4%增長(zhǎng)速度至2035年，2035年GDP將達(dá)到6.92萬(wàn)億元，基本實(shí)現(xiàn)2035年較2020年經(jīng)濟(jì)翻一番的目標(biāo)；碳達(dá)峰后，二氧化碳排放量保持持續(xù)下降，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與二氧化碳排放實(shí)現(xiàn)絕對(duì)脫鉤發(fā)展，二氧化碳排放強(qiáng)度下降與2017年水平相比下降51%。

(二)深入推進(jìn)碳達(dá)峰進(jìn)程中的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)和高精尖制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

2035年，其產(chǎn)值規(guī)模占比達(dá)到86%以上，與此同時(shí)，服務(wù)業(yè)成為北京市能耗最大的產(chǎn)業(yè)，今后是否控制好服務(wù)業(yè)能耗強(qiáng)度對(duì)二氧化碳排放影響較大。因此，需要通過(guò)節(jié)能等措施進(jìn)一步提升服務(wù)業(yè)能效水平，加快向現(xiàn)代服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

碳達(dá)峰亦需要交通設(shè)備、通信設(shè)備等制造業(yè)部門(mén)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向低耗能低排放的清潔型產(chǎn)業(yè)升級(jí)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和效率提升為北京市推進(jìn)高精尖制造業(yè)提供了新的發(fā)展空間，能夠在碳達(dá)峰過(guò)程中使產(chǎn)值穩(wěn)定增長(zhǎng)，制造業(yè)部門(mén)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。能源工業(yè)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可缺的動(dòng)力保障，亟需推動(dòng)傳統(tǒng)能源工業(yè)向綠色能源工業(yè)升級(jí)，使綜合發(fā)展情景中能源工業(yè)部門(mén)產(chǎn)值穩(wěn)步增長(zhǎng)。

(三)碳達(dá)峰進(jìn)程前期注重結(jié)構(gòu)優(yōu)化、后期強(qiáng)調(diào)效率提升

在不同發(fā)展階段制定針對(duì)性措施，能夠更好地促進(jìn)碳達(dá)峰效果。產(chǎn)業(yè)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控的邊際碳減排效果在碳達(dá)峰前期更為顯著，在碳達(dá)峰后期能源效率提升的邊際碳減排效果更為明顯。因此，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的同時(shí)，大力推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和各部門(mén)能源效率提升，對(duì)有效控制能源消費(fèi)總量具有重要作用。

(四)碳達(dá)峰目標(biāo)倒逼“能源系統(tǒng)去碳化”

碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)需要大幅度提升能源供給結(jié)構(gòu)中新能源占比、擴(kuò)大清潔能源天然氣使用。電力是北京市最重要的能源類型，且北京市外調(diào)電力比例較高，提高北京自發(fā)電中新能源發(fā)電占比的同時(shí)，提高外調(diào)電的綠電占比，也會(huì)對(duì)二氧化碳減排以及低峰值提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰作出較大貢獻(xiàn)。此外，天然氣作為清潔能源是第二大能源類型，供給占比也穩(wěn)步提升，逐步取代高污染高排放化石能源。在各部門(mén)提升能源效率激勵(lì)下，綜合發(fā)展情景的能源效率將實(shí)現(xiàn)跨越式提升，2035年較2017年水平將降低51%。

(五)深化區(qū)域化石能源的消費(fèi)總量強(qiáng)約束

合理控制化石能源的消費(fèi)規(guī)模，遏制高碳能源的使用，從源頭上減少二氧化碳排放量。北京能源結(jié)構(gòu)是以電力為主、清潔能源天然氣為輔，逐漸提升電力中的新能源發(fā)電占比，保持高比例的新能源零碳電源是必然趨勢(shì)，新能源發(fā)電在能源系統(tǒng)中的作用將越來(lái)越突出。

綜上，本研究拓展學(xué)科交叉研究，整合投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)籌規(guī)劃模型，創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)了“北京市碳達(dá)峰模擬器”，基于此，運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的方法，探究碳達(dá)峰背景下北京市的能源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能源效率提升路徑。結(jié)構(gòu)與效率雙管齊下，有效助推北京市經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展且提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。本研究致力于為北京市碳達(dá)峰提供科學(xué)的發(fā)展路線圖，研究方法具有普適性和拓展性，為其他地區(qū)探索2030年前碳達(dá)峰優(yōu)化路徑提供有效的借鑒和參考。