实现中国的页岩气发展目标：通过系统动力学建模分析政策协同作用以解决产量缺口问题

《Energy Policy》：Achieving China's shale gas targets: Policy synergies resolving production deficits via system dynamics modeling

　　

梁莉|陈书如|刘增文|杜英奇|吴帆|于志强|尤静

环境与气候学院，广东省环境污染与健康重点实验室，济南大学，广州，511443，中国

摘要

页岩气是实现碳达峰和中和目标的关键过渡燃料。然而，其在中国的发展面临显著缺口，这威胁到了碳中和的转型。在此，我们开发了一个系统动力学（SD）模型，整合了环境、经济和社会维度，以识别动态条件下的关键生产驱动因素，并模拟满足生产目标的政策情景。研究结果表明，研发转化效率、井口定价和财政补贴是主要的生产决定因素。因此，我们评估了四种政策情景及其组合，包括技术突破（TB）、市场改革（MR）、经济激励（EI）和碳市场发展（CMD）。结果显示，与“一切照旧”（BAU）相比，TB情景可使2030年的产量增加87%，而MR-EI和MR-EI-CMD组合在没有TB的情况下也能实现目标，展示了政策的协同效应。从环境角度来看，CMD情景可减少4.67亿吨二氧化碳当量的排放，比BAU增加了285%。这证实了深度脱碳需要同时扩大页岩气生产和终端使用减排技术的规模。从经济角度来看，EI使利润提高到每立方米0.16美元，但统一补贴会造成财政压力；碳交易通过将负担转移给重污染企业，使利润比BAU增加8.4%。我们的研究结果表明，协调的技术创新和政策干预可以解决页岩气生产挑战。未来的政策必须全面整合生产增长、经济可行性和环境完整性，以最大化页岩气在能源安全和碳中和中的作用。

引言

天然气已被广泛认为是全球能源系统中的关键过渡燃料，它可以在短期内缓解能源短缺问题，同时推动向碳中和的结构性转变（Tollefson, 2018）。在中国，天然气需求的激增大大加剧了供需缺口，从2007年的12.8亿立方米增加到2022年的154.6亿立方米（Liu et al., 2022）。传统天然气的开发进展过于缓慢，无法满足国家日益增长的能源需求，因此人们对非常规页岩气作为可行替代品产生了浓厚兴趣（Wang et al., 2021）。中国拥有世界上最大的技术可开采页岩气储量，总量约为31.6万亿立方米（美国能源信息署，2015）。重要的是，先前的生命周期评估证实，页岩气每兆焦耳（MJ）产生的温室气体（GHG）排放量比煤炭低30-50%，这巩固了其在增强能源自主性和推进脱碳方面的双重作用（Heath et al., 2014; Thomas et al., 2017; Wang and Li, 2019; Yang and Thompson, 2014）。在中国能源格局中，页岩气的发展与天然气、煤炭、石油、初级电力和其他能源之间的替代和互补机制相互作用。这种功能定位与中国“煤改气”政策特别契合，该政策提倡在终端使用领域用天然气替代煤炭，以减少对煤炭的依赖，改善空气质量并减少碳排放（国家发展改革委，2017）。

认识到这一机会，中国制定了《国家页岩气发展规划（2016-2020）》，目标是在2020年实现每年30亿立方米的产量，并在2030年扩大到80-100亿立方米（NEA, 2016）。然而，实际的2020年产量仅为20亿立方米，比目标低33%（NEA, 2024a）。这种表现不佳限制了国内天然气的供应，削弱了“煤改气”政策的实施，并危及中国的“30·60”碳中和框架。

鉴于当前实际页岩气产量与预测目标之间的差距，明确影响产量的关键因素并建立优化的开发路径是缩小这一差距和推进能源转型目标的重要前提。先前的研究已经确定了一系列可能影响页岩气生产的环境和社会经济参数，包括气候变化（Heath et al., 2014）、水质（Vidic et al., 2013）、水资源短缺（Kondash et al., 2018）、对生态系统和人类健康的影响（Trickey et al., 2023）、就业（Paredes et al., 2015）以及能源定价（Weber, 2012）。具体来说，Wang和Li（2019）认为，中国的页岩气产业受到技术不成熟和运营经验不足的限制，这限制了其满足供需目标的增长潜力。Cooper等人（2016）进一步指出，政治成熟度和公众支持在促进页岩气发展中也起着关键作用。这些研究表明，页岩气的发展受到多种因素的影响，而不仅仅是单一因素。此外，先前的研究显示，这些因素并非孤立作用，而是相互动态互动（Wu et al., 2015）。然而，大多数现有研究仍然依赖于静态框架或关注孤立子系统，难以捕捉多个影响因素之间的相互作用。这种碎片化的视角既妨碍了学术见解的运用，也影响了监管对协同政策设计的理解，可能削弱了其解释能力。

系统动力学（SD）建模已被证明在评估系统及其影响因素之间的动态相互作用以及探索累积效应和反馈机制方面非常有效（Forrester, 1995）。它已被广泛应用于解决社会、管理、经济和生态系统的动态挑战，包括能源、农业、医疗保健和供应链管理等领域（Wang et al., 2023; Yang et al., 2021; Zhai et al., 2022; Zhang et al., 2022）。在页岩气发展的背景下，现有研究已经初步开发了具有明确目标的SD模型。例如，Chen等人（2021）专注于环境影响，构建了一个全面的页岩气-水供应链建模框架。该框架将SD建模与两阶段随机风险规避编程相结合，以反映页岩气开采地区的区域水资源承载能力。相比之下，Wu等人（2015）强调了市场竞争，建立了一个SD模型，该模型结合了技术、政策、成本和竞争因素，模拟了中国页岩气行业在不同情景下的市场竞争趋势。然而，仍然缺乏专门针对评估中国页岩气行业中期或未来生产路径的SD研究。先前的研究表明，利润和政策激励可以影响企业的投资决策和项目价值，从而影响未来的生产（Li, 2017; Wu et al., 2015）。同样，与温室气体相关的政策也可能通过碳定价和交易机制间接影响生产，从而改变企业的成本和盈利能力（Liu et al., 2022）。因此，需要一个综合的SD框架，以统一的方式将页岩气生产与经济、环境和社会因素联系起来（Tajvidi Asr et al., 2019）。

本研究的目的是通过结合技术、经济和环境因素来评估中国页岩气行业的中期生产路径。为了实现这一目标，我们开发了一个页岩气系统的SD模型，该模型综合考虑了这三个维度的综合效应。该模型旨在识别动态条件下影响未来页岩气生产的关键驱动因素，划定能够满足生产目标的政策情景，并提出中国页岩气产业发展的可行策略。利用该模型，我们使用Weng模型和自回归积分移动平均（ARIMA）模型预测了未来的页岩气产量。随后，该SD模型被用来预测不同政策情景下的天然气供需动态、开采利润和温室气体减排。我们的研究可以进一步提高决策能力，支持制定结合供需、经济和环境考虑的政策，并促进页岩气产业的可持续发展。

章节摘录

方法论

本研究的工作流程如图1所示。为了提高方法论的清晰度和可重复性，研究分为三个连续阶段进行。首先，使用调整后的Weng模型和ARIMA模型预测了“一切照旧”（BAU）情景下的页岩气产量，以建立基线轨迹。其次，基于识别出的生产驱动因素及其动态相互作用，构建了一个综合SD模型，包括多能源需求等。

页岩气产量预测

综合预测表明，到2030年中国页岩气产量将大幅增加。调整后的Weng模型预测产量将从2023年的250亿立方米增加到2030年的490亿立方米，年均增长率约为7%（表S19和图3）。相比之下，ARIMA模型预测的产量略高，达到510亿立方米，比Weng模型的预测高出约4.1%。在整个预测期内

结论

本研究开发了一个SD模型，从技术、经济和环境角度探讨了中国的页岩气发展。通过情景模拟，它研究了不同政策路径如何影响生产增长、供需平衡、经济表现和温室气体减排。结果可以从三个方面总结。

首先，在BAU情景下，预计到2030年页岩气产量将达到49-51亿立方米，但仍远低于国家目标的80亿立方米。

CRediT作者贡献声明

梁莉：概念化、正式分析、撰写——初稿。陈书如：数据整理、正式分析、撰写——初稿。刘增文：数据整理。杜英奇：数据整理。吴帆：概念化、资金获取、监督、撰写——初稿。于志强：概念化、监督。尤静：资金获取、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42477284和42377270）、国家重点研发计划（2019YFC1805501）以及广东省教育厅创新研究团队（2020KCXTD005）的财政支持。