基于LEAP模型在能源环境发展、碳排放建模预测及分析中实践应用

在国家“3060”碳达峰碳中和的政策背景下，如何寻求经济-能源-环境的平衡有效发展是国家、省份、城市及园区等不同级别经济体的重要课题。根据国家政策、当地能源结构、能源技术发展水平以及相关碳排放指标制定合理有效的低碳能源发展规划需要以科学准确的能源环境发展预测模型为支撑，定量预估节能减排等政策效果。

采用部门分析法建立的LEAP（Long Range Energy Alternatives Planning System/ Low emission analysis platform，长期能源可替代规划模型）是一种自下而上的能源-环境核算工具，由斯德哥尔摩环境研究所和美国波士顿大学联合研发。该模型与情景分析法紧密结合，可用于预测不同发展条件下中长期能源供应、能源供应转换、能源终端需求及污染气体排放（温室气体CO2等），综合考虑人口、经济发展、交通运输周转量、技术、价格等因素对能源-环境发展的影响。LEAP模型允许研究者根据研究目的、数据可获取度、研究对象特点等灵活构建模型结构，十分适用于能源数据不全面情况，现已广泛应用于国家、区域、部门、行业的能源战略研究中。掌握该模型不仅有助于高校及科研院所工作人员从事能源系统评价诊断、低碳节能发展技术研判等能源系统工程相关工作，也可为政府决策提供技术支持。特别是可应用于风光储、氢能一体化利用策略在全社会能源供应系统中的作用、电动汽车对终端能源需求及碳排放的影响等热点问题。

本课程旨在帮助科研及相关工作者快速掌握LEAP模型操作及应用，结合实例来全面掌握能源供应转换、能源需求及碳排放预测中的基础数据搜集及处理、能源平衡表核算、模型框架构建、模型操作、情景设计、结果分析、优化、预测结果不确定性分析等。

本课程突出与实例结合，紧密结合国家能源统计制度及《省级温室气体排放编制指南》，深入浅出地介绍针对不同级别研究对象时如何根据数据结构、可获取性、研究目的，构建合适的能源生产、转换、消费、温室气体排放（以碳排放为主）预测模型并设计情景以量化不同低碳化能源发展政策效果，并且采用蒙特卡洛法进行预测结果的不确定性分析。结合软件自带例子，对关键部门及重点关注技术，如能源结构清洁转型、重点领域如工业、交通节能减排降耗、新能源发电系统及发电成本最优化、区域碳达峰碳中和实现路径设计及政策评估等，进行了重点解析示范。涵盖范围广，理论深度强，紧密结合理论与操作，有助于学员快速掌握模型使用并可灵活套用于自身研究中。培训大纲的设置主要围绕下述体系来设计理论知识与上机操作步骤，通过逐一环节的讲解与实际操作，达到本次培训的目的，实现培训的既定目标。

第一章LEAP建模理论基础

1.1能源需求及碳排放预测方法 [☆理论学习]

1.1.1 能源系统工程基础理论及典型研究内容

1.1.2典型能源需求及碳排放预测方法和模型

1.1.3 LEAP模型计算原理

能源需求为活动水平和活动强度之积：

其中是总的能源需求量，是活动水平，是能源强度；i，j 和 k分别代表不同的部门、设备和燃料

温室气体排放量为活动水平和排放因子之积：

其中是总的温室气体排放量，是活动水平（能源消费量或者工业产出），是排放因子；i，j 和 k分别代表不同的部门、设备和燃料

1.2 LEAP软件操作基础 （基础操作）[☆理论学习]

1.2.1 LEAP软件安装与注册

1.2.2 LEAP软件设置、主要模块及基本操作

1.2.3 LEAP软件模型构建基本原理和数据结构

1.3 情景分析法[☆理论学习]

介绍情景分析法原理及其与LEAP模型的结合使用。

1.4 能源统计制度、碳排放清单编制方法及数据获取方式[☆理论学习]

1.4.1 经济、人口、工业产品产量、交通运输周转量：统计年鉴;GDP的不变价、可比价换算；

1.4.2 能源：行业年鉴、统计年鉴能源篇、政府报告、电力消费、发展规划、标准规范等；能源平衡表读取分析、能源平衡流动图绘制；明确能源统计报表，了解我国能源统计制度；

1.4.3温室气体排放：历年温室气体排放清单、统计年鉴、技术标准、实验数据、文献报告等。

第二章基于LEAP模型的能源需求预测模型构建

2.1 结合情景分析法的基本能源需求预测模型构建

2.1.1 需求模块主要功能和计算方法

2.1.2 案例描述及基本参数设置：标准单位（标吨煤、净现值）、基年、基期、参考情景等

2.1.3 需求侧模型构建

- 需求树形图绘制

- 基年账户数据录入：城镇居民及农村家庭能源消费数据（家庭数及各能源品种消费强度）

2.1.4 参考情景创建及结果分析

- 参考情景创建：预测年内人口结构及能源消费强度变化率

- 以图表方式查看结果

2.1.5 节能政策效果量化：高效照明及冰箱

- 创建节能情景，输入各节能措施下能源强度的预测年内变化率

- 查看结果并与参考情景结果比较

2.2 不同部门、情景下的细化需求侧模型构建

2.2.1 细化需求侧部门模型：工业、交通及商业建筑

2.2.2 工业

- 细化为能源密集型产业（钢铁和制浆造纸）和其他所有行业

- 基年账户数据录入：活动水平（产值或产量）、活动强度（过程热、电力、油气煤等化石能源消耗强度）

- 参考情景创建：使用Time Series Wizard设置各参数预测年变化情况

- 结果查看及分析

2.2.3 交通部门

- 细化为客运交通（小汽车、公共汽车及铁路）及货运交通（公路货运及铁路货运）

- 基年账户数据录入：活动水平（周转量、运输里程）、活动强度（单位里程耗油量、能源强度）

- 参考情景创建：周转量、轿车占比以及人均货运需求增长率、能源效率提高率

- 结果查看及分析

2.2.4 商业建筑

- 细化为多种燃料和技术下的采暖、制冷、供电等有效能源分析

- 基年账户数据录入：活动水平（建筑面积）、活动强度（终端能源消费等价热值、供热技术效率）、燃料消费比例等

- 参考情景创建：建筑面积、能源强度及供热技术效率变化率

- 结果查看及分析

2.2.5 总体能源需求分析

- 分部门、子部门、能源品种、年份、情景下能源需求预测

第三章基于LEAP模型的能源供应预测模型构建

3.1 结合情景分析法的基本能源供应预测模型构建

3.1.1 能源供应转换模块主要功能及计算方法

3.1.2 基础供应侧模型构建及参数设置

- 能源输入、转化模型框架图绘制

- 基年账户数据录入：发电、输配电、天然气输配等模块设置

- 电网供电稳定性、电力调度原则、电网负荷变化、不同发电技术特征等参数设置

3.1.3参考情景创建及结果分析

- 参考情景创建：电厂建设、发电效率、能源运输效率等年度变化情况

- 重点关注各发电形式间的调度原则

- 查看各发电方式电力贡献率等结果

3.1.4 能源流动情况诊断

- 基于能源流动图分析该案例能源供应及消费平衡情况

- 研判参考情景下能源发展态势

3.1.5 能源供应侧节能措施效果量化

- 节能政策：输配电损失减少、电力系统负荷系数改进

3.2 不同能源品种、情景下的细化供应侧模型构建

3.2.1 细化能源转换模型：木炭生产、电力、炼油和煤炭开采

3.2.2 木炭生产

模拟单能源品种输入单能源品种产出的能源转换流程

- 建立标准模块：木炭产量、不同技术转换效率（技术替代）

3.2.3 电力生产

模拟多能源品种输入单能源品种产出的能源转换流程

- 调整发电系统容量以配合电量需求：水电、煤电、燃油发电

- 新能源发电新增容量规划

3.2.4 炼油

模拟单能源品种输入多能源品种产出的能源转换流程

- 炼油厂效率、产品种类及各产品产量

3.2.5 煤炭开采

模拟本地能源开采

- 煤炭开采能力、煤矿厂效率

3.2.6 资源情况

模拟不同能源品种的本地生产、调入调出情况

- 区分生产资源、进口资源

- 区分化石燃料储备、可再生能源产量

3.2.7 逐年、逐情景能源系统图、能源平衡表分析比较

第四章基于LEAP模型的温室气体及其他空气污染物排放预测模型构建

4.1 结合情景分析法的基本排放预测模型构建

4.1.1 排放模块主要功能和计算方法

4.1.2 温室气体及其他空气污染物排放模型构建

- 明确污染物类型和污染物来源：能源及非能源过程（工业过程、碳汇等）

- 污染物排放因子录入及TED数据库使用及编辑

- 基于能源供应及消费模块的构建，链接IPCC排放因子库或者自行添加排放因子，可采用多种方法定义排放因子

4.1.3 参考情景构建及结果分析

- 查看参考情景下各大气污染物预测结果

4.1.4 节能政策情景构建

- 查看节能政策对各大气污染物排放的影响

4.2 结合情景分析法的非能源来源排放预测模型构建

4.2.1 非能源来源排放类型

- 工业流程和产品使用、农业林业其他土地使用、废弃物

4.2.2 案例整体描述及基础参数设置

4.2.3 模型构建及基年账户数据录入

- 制冷空调行业排放HFC

- 与EXCEL链接，直接输入排放因子逐年值

- 粪便管理中产生的甲烷、一氧化二氮

- 设定自定义变量，实现基于不同活动水平的排放因子

4.2.4 基础情景设置

- 非能源来源排放活动水平及排放强度设置

- 全球变暖潜力值等结果比较

4.2.5 沼气发电情景设置

- 发电模块中设置沼气发电技术参数

- 非能源排放部门对应减排量设置