亞洲地區(qū)能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)模型研究

康旭東, 穆海林, 桂樹森＊, 吳 偉

(1.大連理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院,遼寧大連 116023; 2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,遼寧大連 116023; 3.大連理工大學(xué)管理學(xué)院,遼寧大連 116023)

亞洲地區(qū)能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)模型研究

康旭東1, 穆海林2, 桂樹森2＊, 吳 偉3

(1.大連理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院,遼寧大連 116023; 2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,遼寧大連 116023; 3.大連理工大學(xué)管理學(xué)院,遼寧大連 116023)

以中國(guó)及周邊國(guó)家日本、印度尼西亞、馬來(lái)西亞、新加坡、泰國(guó)、菲律賓為主要研究對(duì)象,將世界其他地區(qū)作為一個(gè)地域來(lái)考慮,建立了時(shí)間跨度為1995～2050年的亞洲能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)CGE模型。模型通過(guò)對(duì)各個(gè)地域中各個(gè)部門能源生產(chǎn)、輸送、消耗的平衡關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化分析,得到了未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的能源需求預(yù)測(cè)方案及能源系統(tǒng)費(fèi)用最小的能源供應(yīng)方案。在考慮環(huán)境稅引入的3種情景下,考察及對(duì)比分析3種環(huán)境稅情景下我國(guó)SO2排放量及未來(lái)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的情況。模擬結(jié)果表明,當(dāng)環(huán)境稅為152 USD/t時(shí),對(duì)SO2排放的控制效果比較明顯,且對(duì)整體經(jīng)濟(jì)影響不大。

能源模型; 環(huán)境排放; CGE; 環(huán)境稅

隨著經(jīng)濟(jì)全球化,在考慮世界大環(huán)境的前提下,如何科學(xué)地制定我國(guó)未來(lái)中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu),大力度實(shí)施節(jié)能減排戰(zhàn)略,是我國(guó)當(dāng)前面臨的主要任務(wù)。

國(guó)際上比較通用的能源模型主要是由發(fā)達(dá)國(guó)家在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)的,比較適合于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系比較完善的國(guó)家和地區(qū)的能源系統(tǒng)的模擬和預(yù)測(cè)[1-2]。而我國(guó)目前正處在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)過(guò)渡的時(shí)期,市場(chǎng)平衡等機(jī)制還很不完善,特別是中國(guó)加入世界貿(mào)易組織后,中國(guó)經(jīng)濟(jì)體系發(fā)生巨大的變化,所以這些模型應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型中的中國(guó)有一定的缺陷,得到的結(jié)果可信度也不高[3]。

能源模型的研究,包括自上而下的能源經(jīng)濟(jì)模型、自下而上的能源工程模型和混合能源模型。無(wú)論是自上而下模型,還是自下而上模型和混合模型,幾乎都是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析方法建立模型,其中社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式尤為重要[4]。理論上采用回歸分析的方法建立的模擬-預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,需要較大的樣本容量,一般不得少于30個(gè),而且要求樣本具有一定的規(guī)律性。但由于中國(guó)的統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)經(jīng)歷了由物質(zhì)產(chǎn)品核算體系(M PS)到國(guó)民核算體系(SNA)的巨大變化,統(tǒng)計(jì)樣本過(guò)少,不易得到長(zhǎng)期連貫的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這樣,對(duì)于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不充分的我國(guó)能源經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),基于回歸分析方法建立能源模型,其預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度也將大打折扣。

目前能源模型中的優(yōu)化模型都是在假設(shè)能源系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題的解為唯一的條件下進(jìn)行計(jì)算的,但實(shí)際上能源系統(tǒng)的優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)、多變量、多約束且非解析的龐大系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題,優(yōu)化變量和目標(biāo)值之間是通過(guò)模型計(jì)算相連的。因此,在優(yōu)化計(jì)算時(shí)的每一次變量搜索的優(yōu)化目標(biāo)值具有一定的隨機(jī)性,最優(yōu)解可能非唯一。為了得到全局最優(yōu)解,有必要對(duì)能源模型的優(yōu)化算法進(jìn)行研究。隨著CDM項(xiàng)目的實(shí)施及新能源和可再生能源的使用,現(xiàn)在的能源模型對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的影響不能給予充分反映,這大大降低了模型分析結(jié)果的具體實(shí)際指導(dǎo)意義[5-7]。

本文基于CGE建模理論,以東南亞七國(guó)(中國(guó)、日本、印度尼西亞、馬來(lái)西亞、新加坡、泰國(guó)、菲律賓)為主要研究對(duì)象,將世界其他地區(qū)作為一個(gè)地域來(lái)考慮,在考慮環(huán)境稅和CDM項(xiàng)目引入影響的情況下,結(jié)合中國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)狀況和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),建立了時(shí)間跨度為1995～2050年的多目標(biāo)、多變量、多約束且非解析的亞洲經(jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)模型。

1 模型結(jié)構(gòu)和方法

能源資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一條強(qiáng)有力的紐帶,滲透到人們生活和生產(chǎn)的方方面面。本模型基于能源的生產(chǎn)、輸送和消費(fèi),建立時(shí)間跨度大、多地域的線性優(yōu)化規(guī)劃模型,在各地域能源系統(tǒng)優(yōu)化和采取特定的政策措施的情況下,對(duì)我國(guó)的能源安全、能源供應(yīng)優(yōu)化、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),以及溫室氣體排放和環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估。

模型的結(jié)構(gòu)包括3部分:宏觀經(jīng)濟(jì)模型、能源優(yōu)化模型和環(huán)境評(píng)價(jià)模型,如圖1所示。宏觀經(jīng)濟(jì)模型主要考慮3個(gè)影響因素:地域GDP和人口、貿(mào)易和貨幣匯率、地域消費(fèi)和投資,這些因素通過(guò)工業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)狀況直接或間接地影響能源的供需平衡。在能源優(yōu)化模型中,能源供給主要有本地域能源開采和生產(chǎn)、其他國(guó)家和地區(qū)能源進(jìn)出口及地域間能源輸入/出,此外,模型還分地域、分部門詳細(xì)考慮了與能源有關(guān)的各種技術(shù)、工藝流程等,并在能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上構(gòu)建能源優(yōu)化模型。環(huán)境評(píng)價(jià)模型是在能源優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上通過(guò)不同能源技術(shù)的排放因子,以及相關(guān)環(huán)境政策的約束條件下,計(jì)算出設(shè)定情景下CO2、CH4、NOx、SO2以及微塵的排放。

Fig.1 Model structure圖1 模型結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型建立

模型首先建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù),分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和特性數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括亞洲相關(guān)國(guó)家和地區(qū)的對(duì)象地域表、優(yōu)化時(shí)間跨度表、能源載體表、轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存技術(shù)表、能源輸送方式表、能源輸送途徑表、需求部門表、電力負(fù)荷帶表和環(huán)境負(fù)荷表。特性數(shù)據(jù)庫(kù)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)引申而得到,包括技術(shù)特性數(shù)據(jù)表、技術(shù)儲(chǔ)備數(shù)據(jù)表、資源開采活動(dòng)數(shù)據(jù)表、土地利用情況數(shù)據(jù)表、城市廢棄物處理率數(shù)據(jù)表、電力系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)表、能源輸送數(shù)據(jù)表、需求利用數(shù)據(jù)表、以及與環(huán)境排放有關(guān)的共54個(gè)數(shù)據(jù)表[8]。模型對(duì)象地域?yàn)橹袊?guó)及周邊國(guó)家日本、印度尼西亞、馬來(lái)西亞、新加坡、泰國(guó)、菲律賓及其他國(guó)家與地區(qū)(上述國(guó)家以外的地域合并為一個(gè)整體考慮)。考慮到同一國(guó)家不同地區(qū)能源資源和能源需求的多樣性,把中國(guó)和印度尼西亞劃分為若干個(gè)地域,其中中國(guó)劃分為6個(gè)子地域如表1所示。

印度尼西亞劃分為2個(gè)子地域:中央群島(INNER ISLAND)和外圍群島(OU TER ISLAND),其他相關(guān)國(guó)家和地區(qū)(ROWAL)劃分為中東(M EAST)、大洋洲(OCEAN)、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)(FERUS)、俄羅斯東南地區(qū)(ESRUS)、中亞(CENAS)共5個(gè)子地域。每個(gè)地域自成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地域能源系統(tǒng),包括能源的生產(chǎn)、輸送、消費(fèi)及與其他地域能源系統(tǒng)之間的輸入輸出,一個(gè)完整的地域能源系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

表1 中國(guó)對(duì)象地域劃分表Table 1 Geographical division for China

Fig.2 Flow chart of regional energy systems圖2 地域能源系統(tǒng)流程圖

2.2 模型涉及因素

模型將終端需求部門劃分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、居民生活、商業(yè)和公共設(shè)施共5個(gè)部門。每個(gè)部門對(duì)固體燃料、液體燃料、氣體燃料和電力等不同能源載體的需求均作為獨(dú)立的方案來(lái)考慮。

根據(jù)不同的用電高峰期可將電力需求負(fù)荷分為以下3個(gè)等級(jí):高峰期、中等期和基本期。電力系統(tǒng)的供需平衡是基于這樣的用電負(fù)荷級(jí)別下,用電高峰期要求額外的電力儲(chǔ)備容量來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。最后,為避免容量變化范圍較大的可再生能源電力引起電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定,接入電網(wǎng)的風(fēng)電和太陽(yáng)能電力限制在15%以下。

能源資源的輸送方式主要有道路、鐵路、水路、空運(yùn)、管道、電力輸送6種方式。其中煤炭地域間運(yùn)輸有鐵路、水路等,石油運(yùn)輸方式有油輪、管道等,天然氣則主要通過(guò)管道運(yùn)輸,此外還有鈾和液氫的運(yùn)輸也考慮在內(nèi)。地域間的能源運(yùn)輸取決于當(dāng)前的能源現(xiàn)狀,如能源的開采、將來(lái)能源的生產(chǎn)、可能的能源輸出和可能的運(yùn)輸途徑等。

2.3 模型計(jì)算

模型優(yōu)化時(shí)間跨度為1995～2050年,可以根據(jù)研究的目的進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,為方便分析,現(xiàn)將其劃分為等分的11個(gè)時(shí)間段,分別是1995～2000,2000～2005,2005～2010,2010～2015,2015～2020,2020～2025,2025～2030,2030～2035,2035～2040,2040～2045,2045～2050。圖3是未來(lái)GDP的預(yù)測(cè)情況。本模型主要能源資源儲(chǔ)量如表2和3所示,這些能源儲(chǔ)量作為整個(gè)模型優(yōu)化過(guò)程的邊界約束。

Fig.3 The future GDP of China圖3 我國(guó)未來(lái)GDP增長(zhǎng)情況

表2 化石能源儲(chǔ)量表Table 2 Reserves of fossil fuel PJ

基于Hubbert模型和固定消耗比率的概念[9],石油和天然氣的生產(chǎn)過(guò)程用公式(1)表示。

式中,λ-常數(shù);t-評(píng)估年份;Output(t)-t年的石油和天然氣產(chǎn)量。如果Toutput 0.0;如果Toutput≥Tresrv/2,那么λ<0.0。其中Toutput為累計(jì)產(chǎn)量,Tresrv為可采儲(chǔ)量。

在該公式中,假設(shè)某一個(gè)地域的石油和天然氣以固定增長(zhǎng)比率開采,直至石油和天然氣儲(chǔ)量的一半;超過(guò)開采儲(chǔ)量的一半以后,每年石油和天然氣的生產(chǎn)以一個(gè)固定減少的比率開采,直至石油和天然氣耗盡。本文應(yīng)用Hubbert模型模擬石油未來(lái)的生產(chǎn)量。

表3 可再生能源儲(chǔ)量表Table 3 Reserves of renewable energy

根據(jù)美國(guó)能源信息署(Energy Information Administration,EIA)2007的價(jià)格預(yù)測(cè),國(guó)際石油、天然氣和煤炭?jī)r(jià)格假定見表4。由表4可知,石油價(jià)格1995年至2002年稍有波動(dòng),但大體上呈上升趨勢(shì),2003年到2007年增長(zhǎng)速度較快,增長(zhǎng)率達(dá)19.3%,2008年以后開始回落[10]。這其中有發(fā)展中國(guó)家快速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)需求因素的驅(qū)動(dòng),也有國(guó)際政治變化的影響。天然氣的價(jià)格較石油而言由于將來(lái)天然氣供應(yīng)的擴(kuò)大而適度回落,煤炭?jī)r(jià)格根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的展望可緩慢上升(EIA 2007)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,模型中每個(gè)國(guó)家進(jìn)出口燃料均采用這些價(jià)格指標(biāo)。

2.4 環(huán)境稅對(duì)能源結(jié)構(gòu)的影響

基于以上模型,本研究分析預(yù)測(cè)了了引入SO2排放稅對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)及SO2排放的影響。根據(jù)《節(jié)能減排綜合性工作方案》中SO2排放稅由0.63元分三年提高到每千克1.26元,折合成相應(yīng)的美元價(jià)格分別是τ=76 USD/t和152 USD/t。為做比較,另計(jì)算τ=0 USD/t和304 USD/t,將設(shè)定以能源建設(shè)費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化系統(tǒng)模型。以下是利用本模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析的計(jì)算結(jié)果。圖4顯示了不同環(huán)境稅下,我國(guó)未來(lái)SO2的排放量。

表4 能源價(jià)格變化Table 4 Changes of energy price USD/GJ

Fig.4 The SO2em issions圖4 二氧化硫排放曲線

圖5是施加兩種環(huán)境稅情景下2015年我國(guó)能源消費(fèi)量及其結(jié)構(gòu)情景預(yù)測(cè),其中τ為折算成相應(yīng)美元后的稅率。在征收SO2環(huán)境稅情況下,可以改善我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。征收SO2環(huán)境稅后我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)最大的變化就是煤炭使用的減少,從65.68%減少到59.67%,同時(shí)天然氣使用有較大幅度的增加,由3.72%上升至4.85%,石油的使用也從21.44%上升至23.38%。這與我國(guó)目前的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)基本符合,我國(guó)是燃煤為主的國(guó)家,燃煤硫化物的排放占硫化物排放總量的90%以上,所以在征收SO2環(huán)境稅后,煤炭的使用有較大減少,可以較好地改善我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

Fig.5 Im pact of SO2taxes on the energyconsumption structure(2015)圖5 SO2環(huán)境稅對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的影響預(yù)測(cè)(2015年)

4種情景下我國(guó)未來(lái)能源需求量如表5所示?；谝陨夏Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果(基礎(chǔ)情景1)可知,我國(guó)2011年的能源需求量將達(dá)到32.22億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,到2020年我國(guó)能源需求量將達(dá)到47.70億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從4種情景下未來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)量的預(yù)測(cè)情況可知,隨著SO2排放稅的增加,能源消費(fèi)量逐漸減少,可見增收SO2排放稅可以極大抑制能源消費(fèi)的增長(zhǎng)。

表5 4種SO2排放稅情景下我國(guó)未來(lái)能源需求量Table 5 Future energy demand under four SO2em issions tax scenarios百萬(wàn)tce

[1] 沈可挺,徐嵩齡,賀菊煌.中國(guó)實(shí)施CDM項(xiàng)目的CO2減排資源:一種經(jīng)濟(jì)-技術(shù)-能源-環(huán)境條件下CGE模型的評(píng)估[J].中國(guó)軟科學(xué),2002,17(7):109-114.

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(Ed.:SGL,Z)

Asian Energy-Environment-Economic System Model

KANG Xu-dong1,MU Hai-lin2,GU IShu-sen2＊,WU Wei3
(1.D ivision of Science&Technology,Dalian University of Technology,Dalian L iaoning 116023,P.R.China; 2.School of Energy and Pow er Engineering,Da lian University of Technology,D alian L iaoning 116023,P.R.China; 3.School of M anagement,Da lian University of Technology,Da lian L iaoning 116023,P.R.China)

18 October 2010;revised 26 October 2010;accepted 2 November 2010

Take the China,Japan,Indonesia,Malaysia,Singapo re,Thailand,Philippines,as the main countries,the rest of the world as an integral region,the study establishes an A sian Energy-Environment-Economy Computable General Equilibrium(CGE)evaluation model.Themodel time span was from 1995 to 2050.The model was developed to analyze and evaluate different countries’energy supp ly and consump tion,greenhouse gas emissions and air pollution under environmental taxes.The energy demand and optimized energy supply p rogram s were p rojected by the model.The results demonstrate that the economy structure and energy structure w ill be p romoted to adjustment in the collection of environmental taxes.It is p roved the effectiveness and feasibility of the introduction of the environmental tax of 0.152×103USD/t.

Energy model;Environmental emissions;CGE;Environmental taxes

N945.12

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.04.022

1006-396X(2010)04-0094-05

2010-10-18

康旭東(1973-),男,黑龍江齊齊哈爾市,副教授,博士。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(70873013);博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(200801410024)。

＊通訊聯(lián)系人。

＊Co rresponding author.Tel.:+86-411-84708095;fax:+86-411-84708095;e-mail:dutgss@hotmail.com