低碳目標約束下我國能源消費結構優(yōu)化研究

李 爽，曹文敬，陸 彬

(中國礦業(yè)大學 管理學院，江蘇 徐州 221006)

一 引言

能源是一國社會和諧與經濟發(fā)展的物質前提，是人類賴以生存最為本質的一種物質。目前，我們所使用的能源大多數是不可再生的，如石油、煤炭、天然氣等。據世界知名能源企業(yè)英國石油公司(BP)發(fā)布的《2013 世界能源統(tǒng)計年鑒》可知［1］，目前全球已探明的石油儲量為2 358 億噸，以目前的開采速度還能開采50年;煤炭儲量為860 938 百萬噸，以目前的開采速度還可開采100年;天然氣儲量為187.3 萬億立方米，以目前的開采速度還能開采50年。而現(xiàn)如今世界能源的消費量正以每年2%的速度增長，且主要消耗的能源依舊為煤炭和石油等傳統(tǒng)化石能源。此外，這些能源的使用過程中會伴隨著大量二氧化硫、氮氧化合物、二氧化碳以及煙塵等污染物，造成環(huán)境污染。因此，合理利用能源已經受到國際社會的廣泛關注，有關能源問題的研究也逐漸顯現(xiàn)其重要性。就目前形勢而言，能源問題已經不單單是一個國家內部的短暫的問題，而是一個全球化的長期問題。

在人類大力發(fā)展經濟，大量消耗能源的同時所排放的大量二氧化碳等溫室氣體，已使其在大氣中的濃度急劇增加，且遠遠地超出了大自然的吸收能力，使得全球氣候變暖，并逐步發(fā)展成為一個日益嚴峻的環(huán)境問題［2］。2005年，隨著人類首次以法規(guī)形式對溫室氣體排放進行限制的文件《京都議定書》的正式生效，低碳經濟逐步被人們接受，低碳生活以及構建低碳社會也逐漸成了全球共識。目前為了能夠更好地解決能源與環(huán)境問題，我國現(xiàn)已將環(huán)境保護和節(jié)約資源納入我國的基本國策。

“低碳經濟”這一概念最早是由英國首相布萊爾在《我們能源的未來:創(chuàng)建低碳經濟》中提出的［3］。魯賓斯德認為，低碳經濟是一種正在興起的經濟模式，其核心是在市場機制基礎上，通過制度框架和政策措施的制定和創(chuàng)新，推動提高能效技術、節(jié)約能源技術、可再生能源技術和溫室氣體減排技術的開發(fā)和運用，促進整個社會經濟朝向高能效、低能耗和低碳排放的模式轉型［4］。國外學者對于能源結構及其優(yōu)化的研究主要集中于資源經濟學、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展等方面，研究的著眼點主要是石油和電力。一些學者從不同能源之間(包括煤炭、石油、天然氣和電力)的替代關系或者互補關系對能源結構進行了一定的探討。如Nordhaus，Hout hakker 和Solow 的文章首先建立了分部門研究能源消費的框架，隨后的文章都是在這個基礎上發(fā)展而來的［5］。Mar 和Bakken 將經典控制論的思想引入能源—經濟模型，分析了一次能源結構的變化［6］。Symons，Proops 和Gay 模擬了英國不同碳稅和消費者需求下的二氧化碳排放，同時得到不同的能源消費組合［7］。而國內學者對于能源結構及其優(yōu)化的研究主要集中在能源與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展上，研究的著眼點主要是煤炭，這與我國能源生產/消費結構中煤炭占能源總量的百分之七十以上是有必然聯(lián)系的。李瀟(2014)運用多目標決策方法，構建了低碳經濟約束下的能源消費結構多目標優(yōu)化模型，其中多目標為二氧化碳排放目標，能源消費總目標，煤炭、石油、天然氣和非化石能源消費目標［8］。范德成、王韶華、張偉(2012)通過路徑分析測算一次能源消費結構的各影響因素對能源消費結構的總影響、直接影響和間接影響，得出了影響機理。并基于此，通過嶺回歸方法構建了一次能源消費結構的預測模型［9］。劉振元(2011)通過對我國能源結構現(xiàn)狀的分析，建議從能源結構戰(zhàn)略、能源消費結構、能源技術創(chuàng)新、能源產業(yè)結構、能源體質結構、能源管理方式等多方面采取措施來優(yōu)化我國能源結構［10］。徐東、劉清志、王臻(2011)從我國能源結構發(fā)展不平衡、低碳經濟的要求、國際形勢施加的壓力分析了我國能源結構優(yōu)化的必要性，從我國水電發(fā)展空間、核技術發(fā)展水平、能源使用效率的潛力等方面分析了我國能源結構優(yōu)化的可行性［11］。李仁鵬(2015)通過分析我國經濟增長、能源消耗、二氧化碳排放的現(xiàn)狀以及我國一次能源消費結構的優(yōu)化目標及原則，從管理制度、技術、政策三個方面提出了優(yōu)化我國一次能源消費結構的建議［12］。

二 低碳目標約束下我國能源消費結構優(yōu)化模型構建思路

(一)構建思路

目前我國能源生產主要是以煤炭為主，然而要滿足未來經濟增長對能源需求的日益加大，主要有兩種解決方法:(1)繼續(xù)維持我國目前的能源生產消費結構，以煤炭為核心，然而這將使得我們不得不面對煤炭在生產和消費過程中所帶來的一系列附加的環(huán)境及經濟問題;(2)使我國能源消費結構向多樣化、優(yōu)質化的方向發(fā)展，將核能、風能和太陽能等清潔可再生能源作為替代能源，在我國建立一個清潔、高效、可持續(xù)的能源系統(tǒng)。在如今我國技術、經濟現(xiàn)狀的限制下，怎樣在同時實現(xiàn)環(huán)境保護和經濟發(fā)展兩個目標的前提下，對我國能源消費結構進行優(yōu)化成了一個主要問題。

本文對于低碳目標約束下我國能源消費結構優(yōu)化模型構建的主要思路為對碳排放控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及經濟系統(tǒng)各個系統(tǒng)的目標進行分解，確定多目標優(yōu)化模型的目標和約束，并深入分析碳排放系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及經濟系統(tǒng)的約束條件，確定多目標優(yōu)化模型的約束條件，如圖1 所示:

1.碳排放控制系統(tǒng)

碳排放指的是溫室氣體的排放，其中主要為二氧化碳的排放，本文研究的碳排放主要是指由化石燃料的燃燒所產生的二氧化碳的排放。化石燃料燃燒所排放的二氧化碳量的計算，是用具體的能源消費量，包括煤炭、石油等，乘以各自的二氧化碳排放系數，從而得出二氧化碳的排放量。公式表達為:

圖1 我國能源消費結構優(yōu)化及調整的分析模型

2.經濟系統(tǒng)

經濟系統(tǒng)主要考慮經濟的發(fā)展與能源消費之間的相互影響，以經濟的平穩(wěn)發(fā)展狀態(tài)作為能源消費結構優(yōu)化調整提供經濟約束，經濟系統(tǒng)的主要作用是確保優(yōu)化后的能源消費結構的總成本最低，這樣才能使得能源結構的調整更加可行。本文在研究低碳目標約束下我國能源消費結構優(yōu)化時主要考慮兩方面的成本，二氧化碳排放的外部環(huán)境成本和能源消費成本。二氧化碳排放的外部環(huán)境成本主要計算方式是用二氧化碳排放量乘以單位二氧化碳排放量的外部排放成本［13］，公式表達為:

能源消費成本就是消費一單位能源的成本，公示表達為:

3.能源消費系統(tǒng)

與經濟系統(tǒng)類似，能源系統(tǒng)的作用在能源結構優(yōu)化的同時保證能源需求得到滿足。本文依據《中國能源中長期(2030年、2050年)發(fā)展戰(zhàn)略研究》［14］中對2020年、2030年我國能源消費量的預測，改變能源系統(tǒng)約束的閥值，進一步研究低碳目標約束下我國中長期能源消費結構的優(yōu)化。公式表達為:

(二)多目標優(yōu)化模型［15－16］

本文采用多目標規(guī)劃方法建立優(yōu)化模型，依據不同情境假設設定需要實現(xiàn)的經濟體系的目標和該情境假設下的各種約束進行決策方案選擇，注重可行方案的替代性和所需實現(xiàn)目標的選擇性。

多目標決策方法中的決策變量存在離散和連續(xù)兩種情況，需要分別采用離散決策技術和連續(xù)決策技術。本文從控制碳排放的視角研究我國能源消費結構的優(yōu)化，以實現(xiàn)能源、經濟和社會協(xié)調發(fā)展，因此本文所研究的問題是一個決策變量為連續(xù)且具有無限方案的決策問題，所以選用連續(xù)決策技術中的加權法來解決問題。

1.模型基本假設［17］

在依據模型構建思路建立低碳目標約束下我國能源結構優(yōu)化模型時，需要對一些條件進行假設，具體如下:

(1)假設模型以能源消費結構優(yōu)化為手段以實現(xiàn)能源、經濟和環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。

(2)假設我國經濟保持持續(xù)增長，且能源消費量隨之增長，技術創(chuàng)新、經濟結構調整以及管理水平提升對能源消費無影響。

(3)假設能源消費結構優(yōu)化的根本動力是實現(xiàn)成本最小化，即能源消費成本和二氧化碳排放成本的最小化。

(4)假設二氧化碳排放僅來自于化石燃料的燃燒，在本文的研究中，包括煤、石油、天然氣和電力四種。

2.模型構建

本文設定的決策變量為煤(x1)、石油(x2)、天然氣(x3)、電力(包括水電、核電、風電及其他)(x4)四種一次能源的消費量。

基于加權法的多目標優(yōu)化模型的形式為:

其中Rn→R，p≥2

若目標函數Zk(X)(k=1，2，…，p)和約束gi(X)(i=1，2，…，m)均為線性函數，那么經過加權后將轉換成一個線性規(guī)劃問題，可以用單純形法求最優(yōu)解，且該解為該線性規(guī)劃的非劣解。

若Zk(X)(k=1，2，…，p)和gi(X)(i=1，2，…，m)中存在非線性函數，那么該多目標規(guī)劃問題為一個非線性問題，可以用K－T 方法等求最優(yōu)解，該解也為非劣解。

權數ω 是依據對目標函數Z1(X)，Z2(X)，…，Zp(X)的重要程度的評估所確定的，其取值滿足且ωk取不同的值，加權后的目標函數就不同，得到的最優(yōu)解就不同，則可以得到不同的非劣解。

本文設定的優(yōu)化目標是能源消費成本和二氧化碳排放的外部環(huán)境成本最小，則目標函數為:

其加權形式為:

根據上文的模型框架，可以設置目標函數的約束條件為:

(3)我國未來能源消費結構的變化區(qū)間為:

則預計各地區(qū)2020年能源消費結構的變化范圍如表1所示

(4)非負約束:xi≥o

表1 2020年我國各種能源消費變動范圍

(三)模型數據處理

(1)能源需求預測

中國工程院重大咨詢項目研究成果《中國能源中長期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》［14］基于我國資源環(huán)境的限制及我國能源供應實際狀況，對我國未來能源消費需求進行了預測，2020年約為40 億噸標準煤，2030年約為45 億噸標準煤，2050年爭取將能源消費需求控制在50 億噸標準煤到55億噸標準煤之間。本文將依據該研究對我國能源未來消費需求的預測結果對我國能源消費結構進行優(yōu)化。2020－2050年我國能源消費需求預測如表2，2020年各地區(qū)能源消費需求預測如表3 所示。

表2 未來我國能源消費需求預測值單位:百萬噸標準煤

表3 各地區(qū)能源消費需求預測值單位:百萬噸標準煤

(2)二氧化碳排放量控制值

中國工程院重大咨詢項目研究成果《中國能源中長期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》［14］中對于2020年、2030年以及2050年我國化石燃料燃燒排放的二氧化碳量進行了預測和控制。2020年為84－88 億噸，2030年80－86 億噸，而到2050年我國化石能源燃燒排放的二氧化碳量將為77－83億噸，如表4 所示。根據以上預測，本文對于未來我國二氧化碳排放量的控制值分別選取2020年85 億噸，2030年80億噸，2040年75 億噸，2050年70 億噸。此外，根據對我國2020年二氧化碳總體排放的控制并結合各地區(qū)情況，對各地區(qū)二氧化碳排放進行控制，如表5 所示。

表4 未來我國二氧化碳排放量控制值單位:億噸

表5 各地區(qū)二氧化碳排放量控制值單位:億噸

(3)能源消費成本

對我國未來能源消費成本進行預測時，主要采用單位能源投資成本而非價格來表示，且不考慮能源的進口，根據《中國能源研究報告－區(qū)域篇》［18］預測結果，2020－2050年各種能源單位能源投資費用的預測值如表6 所示。

表6 單位能源投資費用單位:元/每噸標準煤

(4)二氧化碳的外部排放成本

根據專家的研究結果，確定以碳計各種能源碳排放系數分別為煤炭0.656t/tce、石油0.586t/tce、天然氣0.442t/tce［19］，而一噸碳在氧氣中燃燒后大約能夠產生3.67 噸二氧化碳，所以煤炭、石油、天然氣排放二氧化碳的系數為2.408t/tce、2.151t/tce、1.622t/tce。此外，根據相關文獻的研究，本文對二氧化碳的外部排放成本取50 美元/噸，按目前匯率6.15 折算人民幣為307.5 元/噸。因此各種能源的二氧化碳外部排放成本則如表7 中所示。

表7 二氧化碳排放系數及其外部排放成本

(5)ω1和ω2的取值

在對ω1和ω2進行取值時，需要注意以下幾點:

a.改變權重ωi值，尋找非劣解時，不能夠太快，否則有可能會越過某個極點，漏掉一些真正的非劣解。

b.權重ωi值不能為負數，對于目標函數Z(x)來說，權重ωi值為負就意味著極大化問題被轉化成了極小化問題，這樣通過多目標規(guī)劃找的解就很可能是劣解。

c.對目標函數多且約束多得多目標規(guī)劃問題進行求解是一項工作量大且復雜的工作，而且還不一定能夠求出全部非劣解，然而雖然存在這一問題，但運用多目標規(guī)劃法依舊能夠找到問題的部分非劣解。

本文在模型運算中對兩個目標取相同的權數，即(ω1，ω2)=(1，1)。

三 低碳目標約束下我國各地區(qū)能源消費結構優(yōu)化結果

本文將我國各地區(qū)劃分為以下六個區(qū)域:華北地區(qū)、華東地區(qū)、東北地區(qū)、中南地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)。并根據上述建模思路構建如下多目標優(yōu)化模型，并將各地區(qū)參數代入計算，獲得各地區(qū)2020年低碳目標約束下能源消費結構優(yōu)化結果。

(一)華北地區(qū)

以京津唐為核心的華北地區(qū)，工業(yè)基礎較好，經濟發(fā)展過程中對于能源的消耗主要集中在煤炭，然而隨著經濟和社會的不斷發(fā)展，人們低碳意識逐漸加強，以煤為主的能源消費結構正在逐步發(fā)生改變，從表8 中看出，只有山西和內蒙古兩個煤炭生產基地達到79.13%和77.10%，北京、天津和河北的煤炭消費占地區(qū)能源消費總量比重在2020年基本在40%到60%，石油消費基本占了20%到25%，在天然氣消費方面，2020年北京地區(qū)天然氣消費量占到了北京地區(qū)能源消費總量的25.4%，而在電力消費方面，由于技術及成本的問題，電力的發(fā)展還是比較緩慢，基本維持在10%。

(二)東北地區(qū)

東北地區(qū)是我國的老工業(yè)基地，工業(yè)發(fā)展較好，對于能源的需求也比較大，由于東北三省的經濟發(fā)展相當，對于能源的需求也基本相似，能源消費結構差別也不大，從表9 中可以看出，2020年東北地區(qū)能源消費依舊以煤炭為主，其次為石油，而東北地區(qū)在2020年對于天然氣和電力的消費量依舊較低。

(三)華東地區(qū)

以長三角為中心的華東地區(qū)是我國經濟最為發(fā)達的地區(qū)，對于能源的需求也相對比較大，而華東地區(qū)由于經濟發(fā)展較為平均，各地區(qū)的能源消費結構也大致相似。如表10所示，到2020年華東地區(qū)的能源消費依舊主要以煤炭為主，而由于各地區(qū)經濟結構的不同導致其對各種能源消費的需求不同，華東地區(qū)各地煤炭消費占比從43.91%到69.72%不等，石油消費除安徽外基本在20%到30%之間，天然氣消費占比基本為10%，電力由于受到整體行業(yè)的制約，占比不是很大。

表8 華北地區(qū)2020年能源消費結構優(yōu)化結果 單位:百萬噸標準煤

表9 東北地區(qū)2020年能源消費結構優(yōu)化結果 單位:百萬噸標準煤

(四)中南地區(qū)

中南地區(qū)由于經濟發(fā)展差異比較大，對于各種能源的需求也大相徑庭，如表11 所示，廣東和海南兩省的能源消費主要以石油為主，分別占到了51.53%和44.92%，而煤炭消費僅占29.97%和32.23%，其他地區(qū)能源消費結構依舊以煤炭為主，其中河南的能源消費占到了河南能源消費總量的80.9%。

表10 華東地區(qū)2020年能源消費結構優(yōu)化結果 單位:百萬噸標準煤

表11 中南地區(qū)2020年能源消費結構優(yōu)化結果 單位:百萬噸標準煤

(五)西南地區(qū)

西南地區(qū)由于地理位置、氣候和交通等原因，經濟發(fā)展比較緩慢，工業(yè)基礎也相對較為薄弱，對能源的需求量也并不是很大，如表12 所示，各地區(qū)能源消費在2020年依舊以煤炭為主，其次是石油占20%左右。此外，從表中可以看出，四川地區(qū)電力消費在2020年將達到31.88%。

(六)西北地區(qū)

西北地區(qū)地處偏遠，交通不便，導致其經濟發(fā)展大大落后東部地區(qū)，而在2020年西北各地區(qū)能源消費結構差別較大，陜西、甘肅和寧夏煤炭消費占能源消費總量的57.01%、68.64%、60.23%，青海和新疆煤炭占比分別為32.42%和36.91%，在石油消費方面新疆石油消費占比達到34.62%，其他地區(qū)石油消費占比基本在20%左右，2020年西北地區(qū)天然氣消費在其能源消費結構中占據比較重要的地位，新疆和陜西分別占到了22.94%和22.08%，此外青海2020年的電力消費占到了34.61%。

表12 西南地區(qū)2020年能源消費結構優(yōu)化結果 單位:百萬噸標準煤

表13 西北地區(qū)2020年能源消費結構優(yōu)化結果 單位:百萬噸標準煤

四 低碳目標約束下我國中長期能源消費結構優(yōu)化

(一)模型運算結果

根據上述建立的目標函數和約束條件，結合數據，獲得如下我國2020年能源消費結構多目標優(yōu)化模型。

對上述模型運用Matlab7.0 對其進行求解，并通過對閥值進行調整，獲得2030年、2040年以及2050年我國能源消費結構優(yōu)化的結果，所得結果如表14 所示。

(二)模型優(yōu)化結果分析

(1)根據圖2 中模型優(yōu)化后未來我國二氧化碳排放情況與目前二氧化碳排放趨勢的對比下可以看出，將低碳約束引入模型后，碳排放量得到了有效的控制，到2050年我國化石燃料燃燒排放的二氧化碳量大致能控制在80 億噸左右。

(2)從控制碳排放出發(fā)，將碳排放控制系統(tǒng)引入模型中，使得煤炭的消費量在能源總消費量中所占比例逐漸下降，從目前2011年的68.4%下降到2020年的62%，再到2030年的41.63%，最后下降到40%左右，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)相對于煤炭和石油，燃燒天然氣所排放的二氧化碳較少，且天然氣目前價格相對合適，隨著社會經濟的發(fā)展，模型中天然氣的消費量在能源總消費中的比重將逐漸加大，如圖3 所示。

(4)隨著水電、核電、風電等技術的不斷發(fā)展，以及人們對低碳越來越重視，電力作為一種清潔的替代能源的作用越來越明顯，電力在能源消費總量中所占的比重逐漸增加，從2020年的10%增加到2025年的27.31%，其在未來的發(fā)展情況如圖3 所示。

表14 多目標優(yōu)化模型運算結果 單位:百萬噸標準煤

圖2 化石燃料燃燒排放二氧化碳量(單位:億噸)

圖3 未來我國能源消費結構(單位:百萬噸標準煤)

五 結論

(1)煤炭的核心地位逐漸下降

從控制碳排放以及能源、經濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的角度對我國未來能源消費結構的分析看，由于煤炭在燃燒過程中會產生大量二氧化碳，使得其在未來我國能源消費結構中所占的比重逐漸下降。然而，由于我國資源條件特征，煤炭依舊會在我國能源消費結構中占據著比較重要的地位，從圖3中可以看出，在未來煤炭在我國能源消費結構中所占比重基本維持在40%左右。

(2)石油和天然氣的消費逐步增加

隨著未來我國煤炭消費的逐漸下降，我國能源消費結構也逐步由以煤炭為主向以煤炭和油氣為主轉變。然而由于我國石油資源的貧乏，未來我國石油消費在能源消費結構中所占比重基本維持在20%到25%之間。天然氣作為一種相對煤炭和石油較為清潔的能源，排放的二氧化碳更少且價格適宜，在未來將會獲得快速的發(fā)展。

(3)水電、核電及其他能發(fā)電將獲得快速發(fā)展

從模型中設定的低碳角度看，在未來我國能源消費中發(fā)展最快的將是水電、核電及其他能源發(fā)電。水電和核電在電力生產過程中污染物的排放較小，并且我國擁有世界上最豐富的水資源和比較豐富的核能資源，此外，隨著技術的不斷進步，越來越多的新型清潔能源被開發(fā)利用，如風能、太陽能、生物質能等。因此，在未來我國能源消費結構中，電力將發(fā)揮著重要的替代能源作用。

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