［提要］　西北地区是中国重要的火电基地，该地区火电装机容量最高的为新疆，碳减排压力巨大。基于Leap-Power Generation模型，采用IPCC Tier 2排放清单，并以新疆火电行业为切入点对碳减排路径进行模拟。结果表明：（1）根据碳减排效果从高到低对五种情景排序依次为：综合强化情景＞电力供给侧改革情景＞电力需求侧管理情景＞气候政策情景＞一切如常情景。且只有在发电端、消费端、固碳端“三端发力”综合强化情景下，2030年新疆方可实现非化石能源占比和碳排放强度两大目标，在该情景下，2030年能源消费总量可进一步控制在19，639.59万吨标准煤，对应的非化石能源消费份额将达到30.15%，碳排放强度较2005年下降67.97%，所有终端部门中能源消费结构将进一步优化，其中火电行业碳排放量为101.02TG。（2）火电行业短期内较有效的减排措施主要为小火电机组提前退役以及机组设施的改造扩容，从中长期看，则更多需要依靠技术进步和能源结构转型。综合强化情景下，2020～2040年新疆发电结构进一步调整优化，2030年清洁能源发电占比在35%以上。

关键词：新疆；能源需求；碳排放；LEAP模型；情景分析

中图分类号：F124 文献标识码：A

收录日期：2022年9月19日

中国始终是《巴黎协定》的坚定支持者和碳达峰目标的积极践行者。在“西电东送，北电南供，多能互补”的能源发展新格局下，新疆2020年全区电力装机实现历史性突破。据国网新疆电力有限公司调度口径，新疆电网联网运行发电装机规模达10，252.9万千瓦，装机规模位列全国第五、西北地区第一；同年，“疆电外送”突破1，000亿千瓦时。因此，加强新疆火电行业减排路径的基础性研究迫在眉睫。

在碳减排路径研究中，应用范围较广的是能源优化模型和情景仿真模型。优化模型是基于线性规划的能源系统分析工具，在一定的约束条件下，确定最小成本的能源规划系统，最具代表性的是MARKEL模型和AIM/能源排放模型。情景仿真模型主要聚焦于经济-能源-气候的综合动态评估，根据建模思路和模型框架的不同，主要分为：（1）依托传统主流经济学的自上而下式模型，适用于分析宏观经济政策、温控目标政策和能源规划等作用下的碳达峰路径，侧重于经济系统整体的平衡和动态关联，对能源板块的描述相对简化，不利于展示微观技术进步的减排效应和资源消耗变化情况。（2）基于能源消耗，侧重于能源生产、分配、交换和消费全过程模拟研究的自下而上式模型，主要包括MESSAGE模型、中国能源环境综合政策评价模型（IPAC）和LEAP模型等。LEAP模型全称为长期能源选择计划模型，是由美国波士顿斯德哥尔摩环境研究所开发的计算机软件，中国发改委能源研究所目前已借助该模型进行了2020年中国区域低碳多情景分析、城市交通能源需求和工业污染排放等多项研究。近十年，我国学术界也逐步拓展使用该模型辅助国内能源需求规划和减排路径研究，多采取粗范的IPCC Tier1排放清单，偏重于研究交通、工业、居民、商业建筑等多个电力需求侧领域。

结合对火电行业节能减排的研究需要，选取从技术进步和能源流动出发的LEAP模型，进一步从以下三个方面深入研究：（1）用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）提供的Tier 2排放清单代替缺省因子，以更真实地反映排放源的CO2 排放情况，使研究结果更科学、可信。（2）在高质量发展和供给侧结构性改革的背景下，加强电力供给侧技术细节节能减排贡献度的量化分析，评估电力部门CCUS（碳捕获、利用与封存）、IGCC（整体煤气化联合循环发电系统）等多项技术进步的减排潜力、减排成本和贡献率水平。（3）基于中国国情，在多情景视角下，通过发电端、消费端、固碳端“三端发力”，进一步寻求在“稳增长，促减排”的两难困境下全区社会的减排路径。

一、模型方法、数据说明与情景描述

（一）模型方法。（图1）LEAP-Power Generation模型框架和基本原理是：确定基准年与模拟期末年，通过设定人口规模、家庭数量、城镇化率、地区生产总值、人均GDP及其增长率等参数构建宏观经济子模块。根据居民、工业、交通运输和商业四个终端部门电力需求总量，在考虑二次能源电力省际间调入调出的基础上，设定发电机组的装机规模和发电量以构建微观电力行业子模块，在IPCC Tier 2温室气体排放因子数据库的支持下，计算电力生产和供给过程中的能源需求和碳排放量。系统主要参数计算过程如下：

1、经济系统。区域内终端部门电力能源真实需求量是指在一定时期内扣除了输送与分配过程中的损失量后部门（或家庭）的电力能源需求总量。根据部门（或家庭）的活动水平及其对应的电力消费强度，可计算并预测区域内部电力需求总量，具体计算过程如下：

PD＝■■ALij×PIij

式中，PD代表电力需求总量，ALij代表部门（或家庭）i利用终端电力设备j参与经济的活动水平，PIij代表部门（或家庭）i利用终端电力使用设备j参与经济活动的能源消费强度。

2、电力能源系统。设区域内部存在n种典型发电终端技术设备，电力生产部门年度发电量按照发电装机规模的正常工况计算，则有：

PG＝■■

PG＝■■

式中，PG代表年度发电量，ICm为m种发电技术设备的装机容量，Hour为正常工况利用小时数，day为实际利用天数，ef为发电设备的能源转化效率。模型中用电力负荷曲线表示电力系统中各类发电技术设备随时间变化的负荷情况。

能源需求量是指在一定时期内各分支末端技术设备用于发电生产的能源需求总量。根据末端技术设备的活动水平及其对应的能源消耗强度，可计算并预测电力生产系统的能源需求总量，具体计算过程如下：

Pi=P×Ri

E＝■■Iij×Pi

式中，P为火电行业的总发电量（kWh）；Pi为技术设备i的发电量（kWh）；Ri为技术设备i的产量占总产量的比例（%）；E为火电行业的能源需求总量（Gtce）；Iij为技术设备i需要的能源品种j的能耗强度（Gtce/kWh）。

3、环境系统

CE＝■■■ALijk×PIijk×EFijk

式中，CE为终端能源消费中的碳排放量；EFijk表示第i种部门（或家庭）使用第k种设备消费单位第j种碳排放因子，该系数来源于IPCC Tier 2温室气体排放因子数据库。

（二）数据说明。基于新疆最新的城市及部门规划覆盖的时间段，本研究以2019年作为基期，以2020～2040年为预测期，基期数据主要来源于《2020年新疆统计年鉴》《2021年自治区政府工作报告》，情景设置参数主要来源于《新疆维吾尔自治区国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《国家能源局关于新疆火电规划建设的指导意见》《新疆维吾尔自治区环境发展规划》等。

（三）情景设置与关键参数取值。节能减排措施主要体现在三个方面：一是通过城镇与居民用户大规模使用国家标识一级能耗电器设备、工业、交通运输和商业部门等电力需求侧管理；二是通过常规燃煤机组引入节能减排技术或提高非化石能源发电比例等电力供给侧改革；三是通过碳排放权交易市场、税收和低息贷款政策支持、行业排放标准规范等相关政策措施影响能源消耗与碳排放总量。基于此，设置一切如常情景（BAU）、电力需求侧管理情景（DSM）、电力供给侧改革情景（SSR）、气候政策情景（CPS）和综合强化情景（CRS）五种情景，情景描述如表1所示。（表1）

二、结果与讨论

（一）能源消费及碳排放演化路径预测。在一切如常情景（BAU）下，新疆的能源消费总量在考察期内持续增加，由 2019年的18，489.82万吨标准煤增加到2040年的 27，095.19万吨标准煤，而电力供给侧改革情景和综合强化情景下的能源消费总量增速明显放缓。电力供给侧改革情景下，2030年新疆能源消费总量达到21，517.01万吨标准煤，较BAU情景下降 8.50%；在综合强化情景下，2030年的能源消费总量可进一步控制在19，639.59万吨标准煤，较BAU情景下降16.49%，且综合强化情景下2030年新疆非化石能源占比为30.15%，较BAU情景上升6.44%。图2 进一步反映了 5类综合情景下新疆能源的CO2排放路径。在一切如常情景和气候政策情景下，2020～2040年新疆的碳排放总量持续攀升，对应的碳排放峰值分别为478.29TGCO2、471.24TGCO2。2030年，电力需求侧管理情景和电力供给侧改革情景的碳排放强度分别为2.50吨/万元、2.12吨/万元，较2005年新疆碳排放强度分别下降37.88%、47.51%。只有在发电端、消费端、固碳端“三端发力”的综合强化情景下，所有终端部门能源消费结构进一步优化，其中火电行业碳排放量为101.02TG，新疆全区碳排放量为252.55TG，对应的碳排放强度为1.39吨/万元，较2005年下降67.97%，方可实现中国在联合国气候变化框架公约中承诺的目标。（图2）

（二）减排潜力、成本与贡献率评估。为进一步识别各项具体碳减排措施的有效性，整合了五类综合情景下12项节能减排措施的减排潜力、减排成本与贡献率水平，如表2所示。2030年，综合强化情景（CRS）下累计碳减排量达232.06MMT，其中电力需求侧管理（DSM）、电力供给侧改革（SSR）与气候政策支持（CPS）累计减排量分别为83.94MMT、146.07MMT、2.05MMT，相较而言，电力需求侧管理与气候政策支持减排潜力明显不足。各项措施减排贡献率大小排序依次为清洁能源替代发电、工业部门降低能耗、清洁发电技术设备的利用、气候政策支持以及家庭部门能源需求管理，说明新疆火电行业短期内有效的减排动力是关停或对传统火电机组的改造扩容，而长期来看，则更依靠于清洁能源发电和技术进步。值得注意的是，2030年综合强化情景下累计减排成本达1，339.09亿元，是因为各类措施减排成本较高，如新疆油田EOR项目2013年至2019年7月实现60%以上二氧化碳封存，但限于技术与合作机制等因素，碳捕集成本高达600～800元/吨，远远高于市场碳价。（表2）

（三）综合强化情景下新疆发电结构变化。2020年，新疆全区电力装机规模再创新高，全年总发电量4，031.5亿千瓦时，同比增长11.8%，其中火电、风电、太阳能、水电发电量分别为3，257.6亿千瓦时、423.0亿千瓦时、125.5亿千瓦时、225.5亿千瓦时。图3进一步展示综合强化情景下2020～2040年新疆发电结构变化，以反映新疆全区电力行业未来的政策调整和发展趋势。基准年后，小火电机组逐步淘汰，清洁发电技术进一步发展，可再生能源替代发电比例逐步提升。2030年，新疆火电发电占比为62.02%，其中超临界机组和超超临界机组发电占比分别为23.07%、31.80%，燃气发电占比为5.04%，风电与太阳能发电装机规模分别为10，037万千瓦、5，139万千瓦，发电占比分别为17.71%、8.64%。（图3）

三、结论及建议

本文依托Leap软件构建Leap-Power Generation模型，并以新疆为例进行研究分析，以电力行业为突破口，在节能电器的使用推广、关停小火电机组、清洁能源替代发电、IGCC发电技术、碳排放权交易市场等细分政策的基础上，通过设定一切如常情景（BAU）、电力需求侧管理情景（DSM）、电力供给侧改革情景（SSR）、气候政策情景（CPS）和综合强化情景（CRS）五个综合情景，模拟新疆未来的碳排放和能源消费趋势，寻求新疆全区的减排路径。结果表明：（一）根据碳减排效果从高到低对五种情景排序依次为：综合强化情景＞电力供给侧改革情景＞电力需求侧管理情景＞气候政策情景＞一切如常情景。且只有在发电端、消费端、固碳端“三端发力”的综合强化情景下，2030年新疆方可实现非化石能源占比和碳排放强度两大目标，在该情景下，2030年能源消费总量可进一步控制在19，639.59万吨标准煤，对应的非化石能源消费份额将达到30.15%，碳排放强度较2005年下降67.97%，所有终端部门中能源消费结构将进一步优化，其中火电行业碳排放量为101.02TG。（二）火电行业短期内较有效的减排措施主要为小火电机组提前退役以及机组设施的改造扩容，从中长期看，则更多需要依靠技术进步和能源结构转型。从减排成本来看，限于技术与合作机制等问题，2030年综合强化情景下累计减排成本高达1，339.09亿元。（三）综合强化情景下，2020～2040年新疆发电结构进一步调整优化，2030年小火电机组提前退役，清洁发电技术在更大范围内推广，超临界机组和超超临界机组发电占比分别为23.07%、31.80%，风电与太阳能发电装机规模分别为10，037万千瓦、5，139万千瓦，所有清洁能源发电占比在35%以上。

鉴于此，结合新疆本地的能源储备、经济发展等实际情况，提出如下政策建议：（一）协同经济增长、能源消费、碳排放的演进路径，在发电端、消费端、固碳端“三端发力”下尽早达峰并实现碳中和，即在发电端以非碳能源替代化石能源，构建新型绿色电力系统；在消费端实现电力、氢能等清洁能源对化石能源消费的替代；在固碳端推进生态补偿政策，促进新疆环境保护和生态文明建设，通过生态固碳、CCUS等技术去除不得不排放的二氧化碳，积极开展战略环评，促进资源节约和低碳发展，做到“减碳、固碳”，实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标。（二）火电行业短期内应贯彻落实“上大压小”的减排政策，加大淘汰落后产能力度，未来长期要充分利用新疆“三大油田” “九大风区”蕴藏的丰富资源，着力构建“低碳发电”甚至是“零碳发电”体系，即以风电、太阳能光伏发电、燃气发电等清洁能源替代发电为基础，配以应急的火电储备，并对污染物进行回收，对二氧化碳进行捕捉、利用与封存，在保证南疆三地州电源投产和全区稳定发电的同时逐步实现电力行业的近零排放。　（通讯作者：刘盈智）

（作者单位：杭州谱育科技发展有限公司）

主要参考文献：

［1］Yinglin Wang，Peng Cui，Jicai Liu.Analysis of the risk-sharing ratio in PPP projects based on government minimum revenue guarantees［J］.International Journal of Project Management，2018（06）.

［2］Boqiang Lin，Muhammad Yousaf Raza.Analysis of energy security indicators and CO2 emissions：A case from a developing economy［J］.Energy，2020（200）.

［3］陈敏，温宗国，杜鹏飞.基于AIM/enduse模型的水泥行业节能减排途径分析［J］.中国人口·资源与环境，2012.22（S1）.

［4］Bijay B.Pradhan，Ram M.Shrestha，Bundit Limmeechokchai.Achieving the Paris Agreement’s 2 degree target in Nepal：the potential role of a carbon tax［J］.Climate Policy，2020.20（03）.

［5］姜春海，宋志永，冯泽.雾霾治理及其经济社会效应：基于“禁煤区”政策的可计算一般均衡分析［J］.中国工业经济，2017（09）.

［6］Dagnachew Anteneh G，et al.Integrating energy access，efficiency and renewable energy policies in sub-Saharan Africa：a model-based analysis［J］.Environmental Research Letters，2020.15（12）.

［7］Science-Earth Science；Reports Summarize Earth Science Findings from Beijing University of Technology（Energy Transition，CO2 Mitigation，and Air Pollutant Emission Reduction：Scenario Analysis From Ipac Model）［J］.Global Warming Focus，2019.

［8］吴唯，张庭婷，谢晓敏，黄震.基于LEAP模型的区域低碳发展路径研究——以浙江省为例［J］.生态经济，2019.35（12）.

［9］洪竞科，李沅潮，蔡伟光.多情景视角下的中国碳达峰路径模拟——基于RICE-LEAP模型［J］.资源科学，2021.43（04）.

［10］杨顺顺.基于LEAP模型的长江经济带分区域碳排放核算及情景分析［J］.生态经济，2017.33（09）.

［11］杨花，杜斌，吕锋骅，等.基于IPCC排放清单和LEAP模型的山西省CO2排放研究［J］.环境污染与防治，2014.36（03）.

［12］黄莹，郭洪旭，廖翠萍，赵黛青.基于长期能源替代规划系统模型的粤港澳大湾区交通运输能源转型路径研究［J］.科技管理研究，2021.41（12）.

［13］任建兰，徐成龙，陈延斌，张晓青，程钰.黄河三角洲高效生态经济区工业结构调整与碳减排对策研究［J］.中国人口·资源与环境，2015.25（04）.

［14］刘惠，王真，曹丽斌，蔡博峰，庞凌云，伍鹏程，张旭.基于LEAP模型的鹤壁市农村生活碳排放研究［J］.环境科学与技术，2020.43（11）.

［15］田川，冯国会，李帅，李环宇.基于情景分析法的辽东湾新区区域建筑节能减排潜力预测研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2021.37（03）.