基于LEAP模型的中国煤炭需求情景分析
高俊莲;姜克隽;刘嘉;徐向阳
【摘 要】煤炭作为我国的主体能源,是中国经济持续、快速发展的基本保障,然而在大气环境、气候变化的环境目标及经济新常态的大背景下,我国能源体系将面临重大变革,到2050年,我国将实现以低碳为主的能源体系转型,煤炭作为高污染、高排放的化石能源必然面临重大挑战,利用LEAP模型对我国煤炭需求进行情景分析及预测,得出三种不同经济及环境情境下,我国未来的煤炭需求,对于煤炭行业去产能,煤炭行业技术发展方向及煤化工提出了建议,有助于煤炭行业正确认识目前及未来煤炭发展形式,更好地适应及支撑能源系统的转型. 【期刊名称】《中国煤炭》 【年(卷),期】2017(043)004 【总页数】5页(P23-27)
【关键词】煤炭需求;LEAP;情景分析 【作 者】高俊莲;姜克隽;刘嘉;徐向阳
【作者单位】中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083;中国矿业大学 (北京)资源与环境研究中心,北京市海淀区,100083;国家发展和改革委员会能源研究所,北京市西城区,100038;国家发展和改革委员会能源研究所,北京市西城区,100038;中国矿业大学 (北京)管理学院,北京市海淀区,100083;中国矿业大学 (北京)资源与环境研究中心,北京市海淀区,100083 【正文语种】中 文
【中图分类】TD-9
目前我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，2015年我国煤炭生产量占全球煤炭生产总量的47%，消费量占全球煤炭消费总量的50%。据美国能源信息署(EIA)估计，即使在我国提高能源效率以及提高能源与环境可持续发展目标的情景下，到2020年我国煤炭的消费量占总能源消费的比例依然保持63%，到2040年煤炭的消费比例为55%。虽然相对比例有所下降，但是绝对消费量依然将增长50%。我国经济新常态、大气环境以及全球气候变化目标将会替代能源安全成为未来能源转型的主要驱动因素。近期国际模型研究已经启动了针对全球气候变化升温目标控制在1.5℃的研究，全球将在2050-2060年实现零排放，之后进入负排放。到2050年，我国能源系统将实现以低碳能源为主的能源体系。长期以来煤炭作为我们的主体能源，无论从能源消费总量控制，还是能源消费结构调整，煤炭行业都面临着重大转型，同时世界经济环境处于调整期，经济复苏缓慢，由高速增长期进入中低速增长期。在这种大背景下，受产能持续释放、进口增长加快等因素的影响，我国煤炭市场供过于求、煤炭产业面临较大压力。作为煤炭行业，在目前的经济及能源结构转型期，只有正确预测和评价未来煤炭的需求，才能更好地适应煤炭的转型，进而更好地支撑能源系统的转型。 1.1 研究工具
煤炭需求的预测方法有很多，常用的方法包括弹性系数法、回归分析预测法、能源强度法、灰色系统预测法、神经网络模型等，这些方法只考虑了影响煤炭需求的主要因素，缺乏对煤炭供给及需求系统的详细刻画，为了能够详细分析我国未来煤炭需求的发展情景，研究煤炭行业未来的发展方向，我们主要采用能源模型定量分析的方法。LEAP模型(Long-range Energy Alternatives Planning System)是由斯德哥尔摩环境研究所开发的自底向上的能源环境分析工具。作为基于情景分析的能源模型工具，LEAP平台应用范围广泛，作为数据库可提供能源系统综合信息查询
与分析；作为预测工具能够对中长期能源供应与需求做出推测；作为分析工具，能够模拟与分析可替代能源项目、投资等的经济与环境效应。LEAP模型已经被190多个国家的及学术机构用于能源消费、能源生产和资源开发等领域。 LEAP模型采用自下而上的计算方式，按照资源、需求、转换的结构设计不同情景下的能源消费模式，分析不同情景下的环境影响。模型为用户提供了多个模块，包括能源需求分析、能源转换分析、交通部门、成本效益分析、技术清单、环境影响评价等。 1.2 研究框架
根据我国煤炭生产和需求的特点，我们构建了基于LEAP模型的CCDM(China Coal Demand Model) 模型。该模型通过外生需求量的驱动来预测未来煤炭生产和能源消费的变化。模型主要包含需求、转化和资源三个模块。CCDM模型中，资源模块定义了一次能源的储量，一次能源通过转化模块里的开采、加工等技术，转化为可供终端部门利用的二次能源。经过加工转化的能源被需求模块中各个子部门使用，满足工业、农业、服务业、交通运输及居民生活对能源的终端需求。CCDM模型框图如图1所示。
CCDM模型分为需求、转化和资源三个模块。模型包括了55个部门，涵盖了下业的主要部门。
我们将需求划分为五大部门对能源的需求，包括：居民部门、服务业、运输部门、农业部门和工业部门。其中，居民部门分为农村和城镇；服务业分为餐饮、热力和电力；运输部门分为客运和货运；农业部门分为农产品加工、灌溉和其他；工业部门又分为：钢铁、建材、有色、化工和其他工业。其中，钢铁包括炼钢和轧钢；建材分为水泥、砖瓦、玻璃、石灰四个部门；有色金属分为铜、铝和其他有色；化工分为合成氨、电石、煤化工和其他化工；其他工业部门包括造纸、机器制造及其他。每个部门下均考虑各自的生产技术及能耗，原理如公式(1)所示。
Di=Activityi×Technologyik×Intensityik (1) 式中： Di——部门i的能源需求量； Activityi——部门i活动水平；
Technologyik——i部门k种技术占比； Intensityik——i部门k种技术的能源强度。
转换模块包括：电力输配、发电、供热、炼焦、配煤、洗煤(分为无烟煤、烟煤、褐煤)、采煤(分为无烟煤、烟煤、褐煤)部门，每个部门下考虑其对应的技术及能耗。
资源模块包括模型中涉及的所有一次及二次能源。 1.3 模型参数的设定
需求模块参数包括各部门、各技术的活动水平(产量)，各种技术的占比以及各技术的能源强度。转换模块参数包括各种技术的占比及各技术的能源强度。资源模块的参数为各种一次能源的资源储量。数据来源主要是利用IPAC-AIM/技术模型数据，IPAC-AIM/技术模型是IPAC模型组的核心模型，是基于详细工艺过程描述和技术描述的线性规划最小成本优化模型。IPAC-AIM/技术模型已经长期应用于我国的能源和气候变化情景和研究，对我国的“十一五”、“十二五”和“十三五”国家的能源目标和气候变化目标的定量分析提供了研究依据，同时IPAC模型也参与了全球模型研究，保证了参数设定的真实与可靠。 1.4 模型情景的设定
考虑到未来煤炭需求的不确定性，我们在模型中设定三个情景: 高煤炭情景、中煤炭情景、低煤炭情景。三个情景在考虑社会经济发展、实现国家发展目标的情况下，分别考虑了不同的环境、气候变化目标、可再生能源发展、清洁煤炭技术发展、煤化工等因素，给出不同的煤炭需求。各个情景采用同样的社会经济情景，其不同情景的描述如下。
(1)高煤炭情景。考虑清洁煤技术发展快速，能够实现国家的大气环境目标，给煤炭发展提供空间。煤化工发展较为快速，具有竞争力，同时比较弱化气候变化目标，能够实现国家提交的气候变化自主贡献的目标。
(2)中煤炭情景。实现国家的大气控制目标，中等程度能源替代，在散煤使用方面将会由于天然气的使用而大量降低，可再生能源发展较为快速，煤化工竞争力不强。 (3)低煤炭情景。实现进一步的大气控制目标，天然气替代散煤进程快，气候变化实现全球2℃升温目标，我国需要在2020-2022年左右实现CO2排放峰值。在全球低碳发展的情况下，由于油价长期处于低位，煤化工缺乏竞争力，非化石能源发展快速。
各个情景的主要技术参数如表1所示。 2.1 模型调试
模型以2014年为基年，时间步长为5年，模拟时间范围为2015-2030年，由于统计制度与LEAP模型计算口径略有区别，需要对模型第一个模拟年结果与实际值进行校正，以保证模型预测结果的可信度。故将第一个模拟年2015年与煤炭生产消费历史数据进行比对，对比数据包括2015年煤炭生产环节(生产总量、进口量、出口量)，消费环节(居民部门、服务部门、交通部门、农业部门及工业部门分部门煤炭消费量)，转化环节(煤炭洗选、发电、供热、炼焦、煤制油、煤制气)。通过模型参数的调试使得模型第一个模拟年值与实际值的绝对误差在5%之内，确保模型的可信度与精度。 2.2 模型结果
基于模型模拟分析，我们得出以下煤炭情景结果，见图2。
(1)高煤炭情景。2020年煤炭需求量为42亿t，比2014年稍微增长一些，基本处于平台期。其中煤化工得到一些发展，2020年可以达到2～4亿t用煤量。但是存在一定风险，因为如果煤化工与油价有一定的联动关系，煤化工的发展迅速，一
定程度上会导致油价变低，进而再次影响煤化工的发展。随着我国能源消费增长缓慢，替代能源的增长，2030年煤炭消费量将下降到35.7亿t。
(2)中煤炭情景。2020年煤炭消费量39.7亿t，2030年33.6亿t。主要考虑煤炭价格维持较低水平，煤炭具有一定的竞争力。同时煤炭消费部门大力推进清洁煤技术，控煤的力度适度同时也能够实现我国的大气雾霾近期目标，电力、热力以及大型工业锅炉大比例推进高标准烟气除尘、脱硫、脱硝。散煤使用开始得到控制。 (3)低煤炭情景。2020年煤炭消费量为37亿t，比2014年下降近4亿t，煤炭占一次能源消费的比重为55%左右。该情景的主要决定因素是可再生能源和核电按照2015年的发展力度到2020年，即2020年水电实现既有目标，光伏达到1.4亿kW装机，风电2.3亿kW，核电5000万kW。这些能源带来的新增能源为量为4.5亿t标煤。2020年天然气4000亿m3，相当于新增能源量2亿t标煤。2030年煤炭需求将下降到29亿t。
作为我国的主体能源，在我国能源系统转型期间，煤炭行业将面临诸多不确定性，通过情景分析的方式，对未来可能出现的需求情景进行分析，有助于煤炭行业做好产业调整。
(1)三种煤炭情景中，煤炭的需求量在未来都会有所下降，2014年底全国登记公告煤炭产能为32.5亿t，已核准规模4亿t，加上超能生产，目前实际产能为44亿t，考虑在建、新增产能及进口，2020年我国煤炭生产能力可以达到47～49亿t，即使是在高煤炭情景下也存在大量过剩产能。煤炭企业应主动适应经济新常态，把去产能作为当前核心任务，积极适应和推动减产、限产及淘汰落后产能。 (2)三种煤炭情景中均考虑了清洁发电技术以及IGCC，在中、低情景中CCS技术也被考虑在内，在大气污染及气候变化的背景下，煤炭行业必须走向清洁和低碳的发展道路。主要是超洁净发电技术、IGCC以及CCS。近期由于我国快速推进大气雾霾行动方案，超洁净发电技术市场的迅速扩大，导致技术的快速发展，成本明显
下降。IGCC可以实现本地污染物和温室气体排放的近零排放，是实现煤炭清洁化利用的重要技术。在气候变化目标及明确的情况下，CCS技术是煤炭行业必须要考虑的技术。
(3)三种煤炭情景中，从长远看，在去产能的大背景下，煤炭企业应延伸产业链，发展煤炭深加工和精细化加工，但因为其受到其他行业的影响，煤化工的发展存在较大不确定性，加之水资源短缺、能耗高、水耗大、环保技术滞后等一系列问题制约了我国煤化工产业的快速发展。鉴于以上原因，今后我国煤化工的发展方向应该集中于提高煤炭利用率和节能降耗技术的研发，有序发展现代煤化工。
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