低碳能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建及實(shí)證分析

范德成，王韶華，2，張偉

(1.哈爾濱工程大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.燕山大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北秦皇島066004;3.東北大學(xué)秦皇島分校經(jīng)貿(mào)學(xué)院，河北秦皇島066004)

我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不僅對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，而且是能源利用效率低下，經(jīng)濟(jì)效益差的主要原因，不合理的能源結(jié)構(gòu)抑制了低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.低碳經(jīng)濟(jì)是以低消耗、低排放、低污染為特征的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，其實(shí)質(zhì)就是利用技術(shù)進(jìn)步和制度創(chuàng)新轉(zhuǎn)變能源利用方式，提高能源效率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)［1-2］.

低碳經(jīng)濟(jì)的影響因素眾多.一般認(rèn)為，碳排放增長的主要成因是能源消耗而非經(jīng)濟(jì)增長［3-4］.我國的能源發(fā)展存在著嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性污染問題，文獻(xiàn)［5-8］主要通過構(gòu)建碳排放分解模型，文獻(xiàn)［9］通過計(jì)算二氧化碳排放量與碳排放彈性系數(shù)等均證實(shí)了能源結(jié)構(gòu)對碳排放的影響.因此，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)在于調(diào)整能源消耗結(jié)構(gòu)，降低煤炭比例.

能源結(jié)構(gòu)調(diào)整不僅受到經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的制約，包括人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源效率、能源總量等［10-14］，在低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下，還受到節(jié)能和碳排放的約束，文獻(xiàn)［15］構(gòu)建了能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整模型，認(rèn)為最優(yōu)一次能源結(jié)構(gòu)應(yīng)該考慮節(jié)能和碳排放約束以及由此造成的經(jīng)濟(jì)成本對宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng).

國內(nèi)外學(xué)者對于能源結(jié)構(gòu)是否合理主要通過估算其變動對宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、環(huán)境等造成的影響進(jìn)行評價(jià)，但并沒有對能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的貢獻(xiàn)，以及能否在滿足經(jīng)濟(jì)增長的前提下完成減排目標(biāo)等問題做出回答.因此本文利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，構(gòu)建了能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對我國能源消耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化模擬，以期為我國能源發(fā)展規(guī)劃的制定以及減排承諾的兌現(xiàn)提供指導(dǎo).

1 能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建

1.1 基本假設(shè)

1)模型以碳強(qiáng)度最小化為目標(biāo)，通過能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化加以實(shí)現(xiàn);

2)受技術(shù)進(jìn)步約束，假定各能源品種的來源方式不變，單位品種能源的碳排放系數(shù)固定不變;

3)能源消耗結(jié)構(gòu)調(diào)整是在滿足研究期內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長和能源消費(fèi)需求的基礎(chǔ)上，以降低碳強(qiáng)度為根本驅(qū)動力;

4)經(jīng)濟(jì)增長取決于勞動、資本、能源、技術(shù)進(jìn)步等，用滯后一期的經(jīng)濟(jì)總量反映當(dāng)年經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的勞動、資本、自主技術(shù)進(jìn)步等解釋變量;

5)能源替代技術(shù)可行，各種能源可以相互替代.

1.2 目標(biāo)函數(shù)

能源市場消費(fèi)模式直接影響著能源結(jié)構(gòu)，而終端能源是能源市場的直接消費(fèi)形式.因此，本文對研究期內(nèi)我國能耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化所考慮的決策變量為第t期分品種的能耗量xit，包括煤炭(去除發(fā)電用煤)、石油、天然氣和電力，其相應(yīng)的碳排放系數(shù)，即單位品種能源的碳排放量為 βi，i=1，2，3，4.則第 t期能源的碳排放總量Tct為

式(1)兩邊同時(shí)除以Gt，得到第t期碳強(qiáng)度表達(dá)式:

則模型的目標(biāo)函數(shù)為

1.3 約束條件

1)經(jīng)濟(jì)增長約束.

我國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整必須在不影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的前提下進(jìn)行，GDP增長須滿足研究期內(nèi)國家對其的預(yù)期目標(biāo)，有Gt≥G.本文利用超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)反映經(jīng)濟(jì)增長對能源消耗的需求.超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)是一種變彈性生產(chǎn)函數(shù)模型，在結(jié)構(gòu)上屬于平方反應(yīng)面模型，具有易估計(jì)、強(qiáng)包容性等特點(diǎn)，為有效分析生產(chǎn)函數(shù)中各投入要素之間的交互影響、各種投入技術(shù)進(jìn)步的差異等提供了支撐點(diǎn).Ernst R.Berndt等［16-20］利用超越對數(shù)成本函數(shù)模型分析能源與非能源之間的關(guān)系，受時(shí)空因素的影響，學(xué)者們在不同時(shí)期不同地區(qū)得出的結(jié)論不盡相同，但都證實(shí)了超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)在研究能源替代方面的可行性.本文為了簡化模型并有針對性地分析問題，以滯后一期的GDP、煤炭、石油、天然氣、電力為投入要素構(gòu)建超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)［21］:

2)能源供給約束.

由于我國的能源儲量有限，各能源品種的消耗受能源供給的約束，即≤.式中，為第 i種能源在第t期的供給上限.

3)能源技術(shù)進(jìn)步約束.

能源技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在能源利用效率方面，其決定了能耗強(qiáng)度的下限，用第t期能耗強(qiáng)度的規(guī)劃值來表示，即

根據(jù)以上對目標(biāo)函數(shù)以及相應(yīng)約束條件的設(shè)定，建立能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型如下:

2 我國能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)證研究

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃以及模型參數(shù)數(shù)據(jù)的可得性，本文以2009年為基期對我國能源消耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究.

1)超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)中系數(shù)的確定.

根據(jù)方程(3)，令 ln Gt-1=Y0，ln= λi，lnln(i ＜ j)分別為 λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10，(ln)2分別為λ11、λ12、λ13、λ14，其中，i，j=1，2，3，4.通過1981～2010年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》等獲得各變量數(shù)據(jù).經(jīng)過計(jì)算，變量間的相關(guān)系數(shù)均在0.86以上，變量間的多重共線性比較顯著，由OLS估計(jì)的結(jié)果容易失真.為消除所選變量共線性對回歸結(jié)果的影響，本文選取嶺回歸分析方法［22］進(jìn)行擬合.利用SPSS16.0軟件對全部變量做嶺跡分析，回歸參數(shù)的估計(jì)組β(K)的嶺跡圖和不同K值時(shí)決定系數(shù)的變化情況如圖1、2所示.

圖1 各自變量的嶺跡圖Fig.1 Ridge tracemaps of all argum ents

圖2 決定系數(shù)與K值的線圖Fig.2 Change trend of determined coefficient and K

從嶺跡圖上可以看出當(dāng)K值到達(dá)0.2附近，各參數(shù)開始趨于穩(wěn)定，圖2也顯示K值超過0.2后可決系數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢，沒有呈現(xiàn)劇烈的波動.取K=0.2，可決系數(shù)RSQ=0.987 655，根據(jù)1981～2010年時(shí)間序列數(shù)據(jù)，可得嶺回歸估計(jì)結(jié)果如表1所示.

表1 嶺回歸估計(jì)參數(shù)結(jié)果Table 1 Estimation results of ridge regression

調(diào)整后的擬合優(yōu)度達(dá)到了0.974 424，預(yù)測值數(shù)組與實(shí)際值數(shù)組方差比值F=74.667 9，對各參數(shù)的單個(gè)假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)的t統(tǒng)計(jì)量T值顯著，嶺回歸所得結(jié)果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著，方程的擬合效果較好.

2)碳排放系數(shù)的確定.

借鑒2003年國家發(fā)展和改革委員會能源研究所計(jì)算的煤炭、石油、天然氣等的碳排放系數(shù)和廈門節(jié)能中心測算的電煤的碳排放系數(shù)，如表2所示.

表2 各能源品種的碳排放系數(shù)Table 2 The carbon em ission coefficients of all energy consumption varieties 噸碳/噸標(biāo)準(zhǔn)煤

3)GDP規(guī)劃值的確定.

根據(jù)大量文獻(xiàn)對我國2001～2020年經(jīng)濟(jì)增速的預(yù)測［23-24］，在將其與2001～2009年實(shí)際經(jīng)濟(jì)增速比較的基礎(chǔ)上，本文依據(jù)我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，參考2012年《政府工作報(bào)告》的指導(dǎo)思想和總體部署以及“十二五規(guī)劃”的目標(biāo)，為提高預(yù)測的可信度與精確度，借鑒文獻(xiàn)［25］的研究思路，將2011～2020年的經(jīng)濟(jì)增速分成2個(gè)階段進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)“十二五規(guī)劃”目標(biāo)設(shè)2011～2015年經(jīng)濟(jì)增速為7%，借鑒文獻(xiàn)［26］的中速情景，設(shè)2016～2020年為6.3%.本文以各階段的GDP預(yù)測值作為相應(yīng)的規(guī)劃值，如表3所示.對于超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)中滯后一期GDP，用相應(yīng)年份的GDP預(yù)測值代替.

表3 2009～2020年我國GDP、能耗強(qiáng)度規(guī)劃值Table 3 Planning values of GDP and energy intensity in 2009～2020

4)能源供給上限的確定.

本文以中國統(tǒng)計(jì)年鑒1990～2009年能源供給總量、煤炭供給量、石油供給、天然氣供給量數(shù)據(jù)為原始數(shù)列，利用Matlab7.0軟件分別建立GM(1，1)模型:

其中，k=0，1，2，… .

據(jù)檢驗(yàn)，各預(yù)測模型均達(dá)到了較為可信的水平，說明所建立的模型能夠客觀反映我國能源供給的動態(tài)變化趨勢，可以用該模型對各能源品種供給量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如表4所示.

表4 各能源品種供給上限Table 4 The supply maximum of all energy varieties萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤

學(xué)者對2020年我國各能源品種的供應(yīng)已做了較深入的研究［26-27］，其結(jié)果也較符合近年來實(shí)際能源供給量.為提高合理性，本文根據(jù)我國的能源資源稟賦，結(jié)合本文構(gòu)建的灰色預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，參考文獻(xiàn)［26］和文獻(xiàn)［27］的研究成果，設(shè)定各階段品種能源的供給上限如表4所示.

5)能耗強(qiáng)度規(guī)劃值的確定.

對于2011～2015年的能耗強(qiáng)度規(guī)劃值的設(shè)定，本文采用“十二五節(jié)能減排目標(biāo)”的有關(guān)規(guī)定.而對于2016～2020年，則根據(jù)國家發(fā)改委公布的《2009中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》，2020年我國低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo):單位GDP能耗比2005年降低40% ～60%.本文以2020年能耗強(qiáng)度降低50%為目標(biāo)，年降低率以十二五節(jié)能減排目標(biāo)為基準(zhǔn)定為6.43%，如表3所示.

2.2 優(yōu)化結(jié)果的分析與討論

根據(jù)本文構(gòu)建的能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型(式(4))，可得到2009～2020年我國能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果如表5所示.

表5 我國能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)Table 5 China’s optim ization results of energy consumption structure %

1)能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化的減排效應(yīng)分析.從優(yōu)化效果來看，2009年GDP為340 901.8億元，與實(shí)際值基本持平，煤炭、石油、天然氣和電力消耗量分別為92 230.62萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、54 889.81萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、9 707.26萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤和126 754萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能源消耗總量為283 582萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相對于實(shí)際值(306 647萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤)降低了23 065萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，碳強(qiáng)度為 0.567 015噸碳/萬元，相對于實(shí)際值(0.58噸碳/萬元)有所降低，可見能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯;從結(jié)構(gòu)變動來說，主要是煤炭(去除發(fā)電用煤)消耗減少了20 813萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其消耗比例降低了約4.34個(gè)百分點(diǎn)，電力消耗比例增長了3.36個(gè)百分點(diǎn).

2015年能源消耗量為387 240.27萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭、石油、天然氣和電力消耗量分別為80 174.57萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、76 378萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、22 850萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤和207 837.7萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤;碳強(qiáng)度為0.449 350 9噸碳/萬元，比2009年降低了 20.75%，在“十一五”基礎(chǔ)上(0.517 176噸碳/萬元)降低了13.11%，與“十二五規(guī)劃”“碳強(qiáng)度降低17%”的目標(biāo)相差3.89個(gè)百分點(diǎn);能耗強(qiáng)度約為0.68噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元，如期完成了“十二五規(guī)劃”“能耗強(qiáng)度降低16%”的目標(biāo).

2020年能源消耗量為470 205.97萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭、石油、天然氣和電力消耗量分別為99 724.87萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、85 700萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、40 685萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤和244 096.1萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤;碳強(qiáng)度為0.400 223噸碳/萬元，比2015年降低了10.93%，在2005年碳強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低了49.34%，超額4.34個(gè)百分點(diǎn)完成減排承諾，但并沒有完成國家發(fā)改委公布的《2009中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》中制定的“在2005年基礎(chǔ)上降低50%”的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo).

2)從優(yōu)化過程來看，2009～2015期間，政府以降低GDP為代價(jià)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)思想充分發(fā)揮了作用，煤炭消耗比例大幅下降，由目前的30%以上降低至20%左右，并趨于穩(wěn)定;油氣消耗比例逐步上升，2015年開始超過25%，但受我國資源儲量和勘探開發(fā)的約束，2016年開始，從保障能源安全等方面考慮，石油消耗比例有所降低，天然氣開采技術(shù)的突破，使其在能源消耗中的比例大幅上升;由于我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入工業(yè)化中后期，城市化進(jìn)程加快、城市大規(guī)模建設(shè)以及內(nèi)需結(jié)構(gòu)的升級等因素直接拉動了電力消耗比例持續(xù)增加.

3)根據(jù)以上研究結(jié)果，在節(jié)能減排目標(biāo)下，我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應(yīng)以煤炭為基礎(chǔ)，以電力為中心，積極開發(fā)石油、天然氣，適當(dāng)發(fā)展核電，重視開發(fā)新能源和可再生能源，走優(yōu)質(zhì)、高效、潔凈、低耗的能源可持續(xù)發(fā)展之路.具體來說:①優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)，關(guān)停小火電，提高可再生能源發(fā)電的比例，建設(shè)以電網(wǎng)廣、電廠大、電壓高、自動化高為特征的高效、清潔機(jī)組.②積極開發(fā)油氣，建立油氣供應(yīng)安全保障機(jī)制.國家應(yīng)穩(wěn)定價(jià)格，加強(qiáng)投資，促進(jìn)油氣開采技術(shù)的創(chuàng)新，重視油氣勘探投入，創(chuàng)造油氣勘探投入平臺，為商業(yè)性勘探企業(yè)提供政策性優(yōu)惠鼓勵(lì)其加大勘探投入，為油氣的勘探開采創(chuàng)造良好的環(huán)境保障和資源保障;堅(jiān)持“兩個(gè)市場、兩種資源”的原則，在立足國內(nèi)油氣市場的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)國內(nèi)石油公司實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，積極參與國外石油資源開采，并在外交政策上給予支持.③加強(qiáng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)支撐力度.我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)創(chuàng)新要聚力于關(guān)鍵性的實(shí)用技術(shù)如可再生能源開發(fā)技術(shù)、熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、煤氣化聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等，從而為能源替代的可行性創(chuàng)造基礎(chǔ).

3 結(jié)束語

本文綜合考慮經(jīng)濟(jì)增長、節(jié)能減排等，以降低碳強(qiáng)度為目標(biāo)，對我國2009～2020年能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究結(jié)果表明:

1)在“十二五”能耗強(qiáng)度目標(biāo)水平下，優(yōu)化能耗結(jié)構(gòu)并不能實(shí)現(xiàn)碳強(qiáng)度目標(biāo)，其對碳強(qiáng)度目標(biāo)的貢獻(xiàn)潛力為77.12%.

2)我國能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化在“十二五”期間主要表現(xiàn)為煤炭消耗比例的降低和電力消耗比例的增加，2016年以后天然氣消耗比例將大幅上升，石油消耗比例有所降低.

3)由于本文堅(jiān)持2012年《政府工作報(bào)告》中關(guān)于“2012年工作總體部署”的指導(dǎo)思想，能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并沒有以經(jīng)濟(jì)增長最大化、能源消耗最小化等進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃，而是在滿足經(jīng)濟(jì)增長、節(jié)能減排等目標(biāo)的基礎(chǔ)上，以碳強(qiáng)度為單一目標(biāo).因此，在一系列假設(shè)條件下，本文的研究結(jié)論僅是對能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一些量化的參考情景，如果可以系統(tǒng)的采取一系列有針對性的對策，那么能源消耗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)是完全有可能實(shí)現(xiàn)的，但需要付出巨大的努力.

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