掌握能源系统建模核心利器：基于LEAP模型的供需预测、情景分析及成本效益评估

在国家“3060”碳达峰、碳中和目标的宏大叙事下如何科学量化能源、经济与环境的复杂耦合关系精准预判不同发展路径下的碳排放轨迹已成为各级政府决策与科研工作者面临的重大课题。作为全球公认的自下而上能源-环境核算工具LEAPLong-range Energy Alternatives Planning system模型凭借其灵活的模块化架构、对数据稀缺环境的强适应性以及对“活动水平×强度”机理的深刻洞察成为了破解区域能源战略规划、行业低碳转型路径及电力系统优化难题的“金钥匙”。然而从繁杂的能源统计年鉴到精准的模型参数从单一的情景设定到多维度的蒙特卡洛不确定性分析研究者往往受困于数据核算口径不一、部门边界划分模糊及政策效果量化困难等技术壁垒。这个教程将摒弃枯燥的理论堆砌聚焦“理论基础→模型构建→情景设计→成本效益→优化分析”的实战闭环结合工业、交通、建筑及电力等关键部门的真实案例手把手带您打通从基年能源平衡表绘制到未来低碳政策效果评估的全流程助您掌握一套严谨、高效且可复现的能源环境建模技术体系为绿色发展规划提供坚实的科学支撑。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ij 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ij 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LEA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图1 预测年各部门能源需求左及各能源品种需求右示意图第三章基于LEAP模型的能源供应预测模型建模构建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各能源品种能源系统转化图左及能源平衡表右第四章基于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图3 与基础情景沼气发电情景全球变暖潜力值第五章基于LEAP模型的能源需求及碳排放预测实例示范5.1 基于LEAP的典型能源输入型城市能源需求预测实例操作5.1.1数据搜集及模型结构划分- 根据数据可获得性基于经济和能源统计表将模型划分如下综合考虑宏观经济社会发展、能源环境政策及能源技术水平的影响。图4 某市LEAP模型结构划分5.1.2 基年能流图绘制图5 某市基年能源流动图5.1.3 情景设置- 结合平均增长率法、计量经济学模型ARIMA模型等、人口预测模型Leslie模型等方法考虑不同政策设置多种情景- 基础情景能源需求在过去的基础上自然发展(BS)- 不同经济增速情景高、低经济增长速度(HGDP、LGDP)- 不同产业结构情景高、低第二产业占比(HIS、LIS)- 节能情景技术进步及设备升级引起的能源强度降低(ES)- 综合情景综合考察GDP增速、第二产业占比及能源强度变化(MBS、MSS)5.1.4 结果对比- 定量分析GDP增速、产业结构及节能目标对该市能源需求的影响- 重点部门节能政策效果量化- 能源发展情况研判及政策建议图6 不同GDP增速情景左及不同产业结构右能源消费总量及能源强度图7 节能情景左及综合情景右能源消费及能源强度5.1.5 预测结果不确定性分析- 基于蒙特卡洛法采用与EXCEL链接的水晶球软件操作简单- 构建函数确定估计变量和需求参数- 确定参数的概率分布包括正态分布、对数正态分布等- 分析指定情景、指定年份下的能源需求总量分布曲线及不确定性敏感性分析图8 蒙特卡洛不确定性分析原理图图9 典型年能源需求预测结果概率分布图左及各参数对需求预测结果方差贡献率5.2基于GREAT模型的省市一级能源政策分析和排放评估示例5.2.1 基于GREAT模型的能源需求模块构建- 生活用能城市、农村电力、天然气等照明、家电用电- 商业用- 交通用能- 工业用能钢铁、水泥、铝工业、造纸业、玻璃工业等- 农业用能5.2.2 基于GREAT模型的能源转换模块构建- 输配电- 热力生产和供应- 发电- 石油开采- 焦化- 天然气开采- 煤炭开采5.2.3 控制变量设置- 生活电耗强度指数- 工业电耗强度指数- 农业燃料消耗强度指数等5.2.4 基于GREAT模型的排放模块构建- 电力间接排放或直接排放计算等5.2.5 情景设计及结果分析5.3LEAP用于碳达峰预测注意事项5.3.1 省级温室气体排放编制指南解读5.3.2 省级温室气体排放排放部门划分与能源消费统计的区别5.3.3 排放因子和折标煤系数统一5.3.4 碳排放强度、减排空间、非化石能源占比等指标设定第六章LEAP模型成本效益分析专题6.1基于LEAP模型的成本效益分析简介6.1.1 成本计算方法和分类- 预测年限内需求、转换、一次能源及输入能源、外部环境中所有成本- 能源需求的资本成本、运行和维护成本能源节约的成本- 能源转换资本成本、固定成本、运行及维护成本- 本土资源的成本- 进、出口燃料的成本- 污染物排放的外部成本- 用户自定义成本等6.1.2 成本计算系统边界和经济参数含义- 需求侧、部分能源系统和整体能源系统- 贴现率、燃料成本、设备投资成本、能源效率提升成本等经济参数6.2 示例整体描述6.2.1成本数据参数输入和模型设置- 技术渗透- 技术性能- 技术成本6.2.3 政策情景创建- 高效照明- 节能冰箱- 压缩天然气公交车- 天然气和可再生能源- 工业效率提升6.2.4 成本效益结果分析- 成本效益分析表- 不同情景下节能减排净现值- 边际减排曲线图10 各情景典型年成本效益分析表第七章LEAP模型交通运输及碳排放专题7.1基于库存周转率法的交通部门建模7.1.1 库存周转率法含义及使用- 销售量- 库存量7.1.2 车辆性能随车龄分布曲线设定- 行驶里程数- 能源效率- 排放因子7.2 示例整体描述7.2.1 模型构建及基本设置- 模型架构设置- 轿车、运动多功能车SUV数量分为柴油车、汽油车、混合动力车及电动车图11 交通部门碳排放模型结构树形图7.2.2 基年账户车辆参数输入- 车辆年龄及库存销售量函数关系- 车辆耗油量及耗油量与车辆年龄关系- 车辆行驶里程数7.2.3 基年账户排放因子录入- 二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳及可吸入颗粒- 根据各车型输入其排放因子7.2.4 参考情景设置BAU- 无新政策减少燃料使用及排放- 预测年内各参数变化率7.2.5 政策情景设置- 燃油经济性提高Improved fuel economy- 混合动力电动汽车、电动汽车市场占有率提升(Hybrid)- 柴油轿车和柴油SUV车市场占有率提升Diesel- 新尾气排放标准Tailpipe Emissions Standard- 轿车推广力度高于SUV(Fewer SUVS)- 组合情景Combined7.2.6 结果分析图12 各情景典型预测年碳排放量第八章LEAP模型电力系统优化专题8.1LEAP优化模块基本原理- 优化方法的分类和简介- NEMO和Julia平台的使用和介绍8.2以发电成本最小化为目标的发电模块优化示例- 可用于新能源装机配置和电网调度研究8.2.1多种发电技术特性数据- 成本- 装机容量- 系统负荷曲线- 规划储备余额- 效率- 各技术排放因子8.2.2 导入小时负载数据建立载模型- 时间片段- 每小时的点子表格数据EXCEL- 年度变化- 系统能源负荷曲线8.2.3 情景设置- 仅天然气发电- 仅核能发电- 仅水力发电- 仅风能发电- 仅光伏光热发电- 仅燃煤发电8.2.4 单独发电模式情景结果查看- 社会成本- 规划装机容量- 温室气体排放量等外部价值8.2.5 最小发电成本优化配置情景- 使用NEMO进行优化- 得到优化的发电技术组合和调度分配情况- 选择优化变量及优化情景图13 各情景典型年发电成本左及发电小时数来源右8.3储能模块构建- NEMO框架储能模块的使用- 优化储能模块大小及储放时间8.4约束条件下的最低发电成本优化模型- 建立排放约束- 建立最低可再生能源利用率约束- 寻找在约束条件下最低发电成本情景图14 在不同约束条件下各情景碳排放量左及发电成本右