能源安全與能源—經(jīng)濟—環(huán)境系統(tǒng)建模文獻綜述

侯丹丹

摘要：國內(nèi)外有關(guān)能源安全和能源模型的相關(guān)研究，將能源問題和經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護、科技創(chuàng)新、人口發(fā)展等問題進行鏈接，從多維度考察能源安全問題，3E模型的不斷發(fā)展完善為整合多視角的研究提供了強有力的分析工具。盡管如此，現(xiàn)有能源安全指標未能有效體現(xiàn)不同種類能源之間的替代和互補關(guān)系、無法解釋不同能源之間的風險表現(xiàn)；而在3E系統(tǒng)建模方面，很少觸及能源安全與經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護三者之間的互動關(guān)系，缺少能源安全問題的自主性探討。

關(guān)鍵詞：能源安全；能源-經(jīng)濟-環(huán)境；能源多樣性；能源模型；文獻綜述

一、引言

進入21世紀以來，中國能源資源約束日益加劇，調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，能源安全問題日益凸顯（Vliet et al.，2012）。2014年底國務(wù)院發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014～2020年）》指出，能源發(fā)展戰(zhàn)略堅持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系。因此，著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，確保國家能源供應(yīng)安全，成為中國制定能源政策時所面臨的重要課題。

本文首先對能源安全的概念和能源多樣性指標進行評述，然后回顧能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）系統(tǒng)的有關(guān)文獻，總結(jié)3E系統(tǒng)建模的主要方法。最后對目前有關(guān)能源安全量化評估中的一些問題和3E系統(tǒng)建模方面的不足之處進行總結(jié)，并對未來研究進行展望。

二、能源安全的概念與指標構(gòu)建

能源安全是個難以完整定義的概念，其定義隨時間、地點與目的不同而有所差異（Sovacool & Brown，2010；Ang et al.，2015）。早期文獻認為能源安全首先是能源供應(yīng)的充足與穩(wěn)定性。對能源進口國而言，能源安全意味著要降低對外部能源供給的依存度。近年來，能源安全已由最初的能源供給穩(wěn)定的單一維度概念擴展成為涵蓋能源、經(jīng)濟與環(huán)境等諸方面的多維度的概念。國際能源署（IEA，2007、2011）認為能源安全有長短期不同的內(nèi)涵。短期能源安全是指能源系統(tǒng)可以對供需平衡的突然變化做出迅速反應(yīng)；長期能源安全則是指兼顧經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的能源系統(tǒng)投資。亞太能源研究中心（APERC，2007）出了四個維度的能源安全概念，即4A（Availability、Accessibility、Affordability、Acceptability）的能源安全框架（Hughes，2012；Sharifuddi，2013）。美國21世紀能源研究所（USCC）認為能源安全應(yīng)當同時考慮能源供給的可靠性、地緣政治、經(jīng)濟形勢、可靠性與環(huán)境等諸多方面。

有關(guān)能源安全的量化評估近十余年來陸續(xù)展開。Cherp& Jewell（2014）整理近年來相關(guān)研究提出的能源安全指標，用簡易型與復合型分類方式，結(jié)合4A能源安全框架，評估能源政策在國家、區(qū)域及全球等不同尺度上促進能源安全的政策成效。Yao & Chang（2014）使用4A安全框架，建構(gòu)20個細類指標考察中國1980～2010年間各個五年計劃期間的能源安全變動，發(fā)現(xiàn)新世紀以來中國能源安全形勢有惡化趨勢。Zhang et al.（2013）從進口供應(yīng)鏈的角度構(gòu)建石油安全指標，評價中國石油進口的安全，整個指標體系包括四個方面：供應(yīng)風險、經(jīng)濟風險、運輸風險以及依存風險，發(fā)現(xiàn)自1993年以來中國石油進口風險一直處于上升趨勢，石油對外嚴重依存已成為能源安全的最大挑戰(zhàn)。Xia et al. （2011）運用能源多樣性以及油品自主率指標，分析中國大陸工業(yè)部門有關(guān)能源安全、效率與碳排放問題。國內(nèi)，林玨（2014）從政治、經(jīng)濟、技術(shù)、體制等多個維度，建構(gòu)了12項指標，測度2000～2012年中國與加拿大的能源安全狀況。苗韌等（2013）提出了“中國能源可持續(xù)發(fā)展綜合評價體系”，量化分析中國2000～2020年能源可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)與合理水平。蘇飛和張平宇（2008）由對外依存度、能源消耗彈性系數(shù)、能源儲量比等指標構(gòu)建脆弱性評估模型，對中國區(qū)域能源的安全供給脆弱性進行評價。

多樣性為確保能源安全的重要因素。多樣性有助于能源系統(tǒng)應(yīng)對外在環(huán)境的改變與沖擊（Molyneaux et al.，2014）并降低單一來源供應(yīng)中斷的脆弱性（Bhattacharyya，2010）。因此，一個高度依賴進口的能源系統(tǒng)若能有效分散能源來源和種類，未必處于高風險狀態(tài)。目前各國多將促進能源來源的多樣性作為能源安全戰(zhàn)略的重要原則和措施，如何降低化石能源進口來源的集中度成為能源進口國降低能源風險安全的重要政策方向（Lef vre，2010），然而決策者常常將能源安全等同于能源獨立性，因此多將政策重點放在如何促進資產(chǎn)能源的供給，而忽略增加進口能源來源的多樣性的重要性，也未建立起適當?shù)氖袌鰴C制引導投資者以多樣性的能源組合，來增強整體的能源安全。

多樣性指標被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的研究中，指標建構(gòu)方式也較多，參見表1。其中在能源領(lǐng)域以Hirschman-Herfindahl Index（HHI）和Shannon-Weiner Index（SWI）兩種指標應(yīng)用最為廣泛。HHI是評價市場集中度的指標，亦可以用于多樣性分析。在能源系統(tǒng)中，市場份額較大的能源種類或者能源供應(yīng)個體，其對能源安全的影響較大。Blyth &Lefevre（2004）曾使用該指標結(jié)合能源供應(yīng)國的政治風險排名指數(shù)，考察能源供應(yīng)國對市場穩(wěn)定性的影響；Gupta（2008）運用HHI進行油品供應(yīng)風險的分析；Frondel et al.（2008）采用HHI和政治穩(wěn)定度指標考察國內(nèi)能源安全問題；Le &Paltseva（2009）則采用HHI研究歐盟進口能源供應(yīng)的短期風險；Ge&Fan（2013）使用HHI指標的平方根評價中國能源進口來源的多樣性。HHI的缺點也比較明顯，例如，對數(shù)據(jù)要求較高，經(jīng)濟含義不直觀等等。另一最常用的指標SWI由熱力學的概念“熵”（entropy）拓展而來。SWI運用于能源安全領(lǐng)域以及能源多樣性的文獻較多。Costantini et al. （2007）使用SWI指標進行不同情境下能源依賴度與脆弱度分析。Vliet et al.（2012）運用SWI多樣性指標及修正的SWI多樣性指標評估歐洲與亞洲主要國家的能源安全。SWI指標存在一些缺點，如Stirling（2010）認為該指標能較好的反映系統(tǒng)的變異性（variety）以及平衡性（balance），但難以反映差異性（disparity）。雖然HHI和SWI兩種指標在闡述多樣性的意義上尚有不足之處，但由于二者在數(shù)據(jù)取得方面較為容易，計算上相對透明和客觀，可以通過改進加以完善。

目前文獻中建構(gòu)的能源多樣性指標缺點主要有二：一是將各類能源視作獨立能源，而未考慮不同種類能源之間存在的復雜的互補和替代關(guān)系。二是現(xiàn)有多樣性指標假設(shè)各類能源具有相同風險特性，無法解釋各類能源的不同風險表現(xiàn)。如在化石能源價格劇烈變動期間，再生能源的價格卻比較穩(wěn)定。實際上，有文獻指出，再生能源具有的價格穩(wěn)定性通常可以用來作為應(yīng)對傳統(tǒng)能源市場價格變動的避險工具（林伯強和李江龍，2014）。只是目前有關(guān)能源安全的量化研究通常忽略再生能源對能源價格穩(wěn)定所起的作用。

三、能源模型與政策模擬

20世紀70年代世界發(fā)生石油危機之前，沖擊分析（impact analysis）模型在國家能源政策的分析與評估上并未占據(jù)重要角色。20世紀90年代以來，能源問題日益與環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展問題密不可分，需要考慮能源與經(jīng)濟、環(huán)境等問題的互動，于是出現(xiàn)了各種能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）規(guī)劃模型。魏一鳴等（2005）對其進行了總結(jié)分類。Jebaraj&Iniyan（2006）將能源模型分為能源計劃模型、能源供需模型、能源預測模型、再生能源模型、碳排放減量模型以及最優(yōu)化模型等幾類。Suganthi& Samuel（2012）則將能源需求預測模型分為：時間序列、計量回歸、結(jié)構(gòu)分解、灰色預測、投入產(chǎn)出、由上而下、模糊理論、整合性等12種類型。Hodge et al.（2011）則將能源模型依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域分為：能源生產(chǎn)與消費模型、能源傳輸模型、能源經(jīng)濟模型以及能源使用環(huán)境沖擊模型。

按照建模方法，能源模型可以分為Top-Down（自上而下）、Bottom-Up（自下而上）模型以及混合型等3種類型（魏一鳴等，2005）。Top-Down與Bottom-Up兩類模型各具特色，功能也有差異，參見下表2。

就研究方法而言，3E模型大致可分為：經(jīng)濟計量模型、數(shù)理規(guī)劃模型、投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動力學模型以及可計算一般均衡（CGE）模型等5大類型。

（一）經(jīng)濟計量模型

該模型是1960～1980年代應(yīng)用較為廣泛的模型，從小規(guī)模的部門計算到大規(guī)模的宏觀計量模型，在諸多領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。早期有AR模型、MV模型、ARMA模型、ARIMA模型、聯(lián)立方程模型等。近年來，隨著時間序列方法的發(fā)展，傾向于運用向量自回歸（VAR）模型（Hamilton，1983；崔和瑞和王娣，2010；陸旸，2011；李姝和田露露，2014等）、協(xié)整（CI）與誤差修正（ECM）模型（林伯強，2006）、SVAR模型（林伯強等，2014）進行研究。就3E議題而言，目前一般作為其他模型（如CGE模型）的輔助模型，推估一些必要的參數(shù)，或者僅作為對照基礎(chǔ)。不過，該模型也可以用來分析特定的技術(shù)性問題，如能源生產(chǎn)力、技術(shù)效率等。

（二）數(shù)理規(guī)劃模型

該模型分為單目標規(guī)劃法和多目標規(guī)劃法。單目標規(guī)劃化法用于3E系統(tǒng)，是以整個3E系統(tǒng)的成本最小化為規(guī)劃目標，通過動態(tài)線性規(guī)劃求解最優(yōu)結(jié)果，如IEA于1976年開發(fā)的MARKAL模型；陳文穎等（2004a；2004b）在MARKAL模型的基礎(chǔ)上，建構(gòu)的能源-經(jīng)濟-環(huán)境耦合的MARKAL-MACRO模型，均屬于單目標規(guī)劃模型。多目標規(guī)劃法是在決策過程中同時考慮多個決策目標的數(shù)理規(guī)劃法。如Cai et al.（2009）、Oliveira &Antunes（2011）等。國內(nèi)，魏一鳴等（2002）、宋杰鯤等（2013）分別以北京市和山東省統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，建構(gòu)了3E多目標規(guī)劃模型。臺灣學者張四立（2010）建構(gòu)了針對臺灣能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）系統(tǒng)的多目標規(guī)劃模型。

（三）投入產(chǎn)出模型

該模型在3E議題方面應(yīng)用較早，且用途廣泛，特別是在國際貿(mào)易中隱含碳、隱含能的測度和污染排放方面應(yīng)用尤其廣泛。國外文獻有Wiedmann（2009）、Liu et al. （2010）、Kitzes（2013）、Su & Ang（2014）等。國內(nèi)，中國投入產(chǎn)出學會課題組（2007）使用2002年中國投入產(chǎn)出表研究了主要能源部門與國民經(jīng)濟的關(guān)聯(lián)。陳迎等（2008）首次使用投入產(chǎn)出分析法測算了2002～2006年中國進出口產(chǎn)品的隱含能源。席酉民（2009）編制了中國 2004 年能源投入產(chǎn)出延長表，建立了能源投入產(chǎn)出分布式規(guī)劃模型，用來測算單位GDP能耗的變動趨勢。張友國（2009）、彭水軍和劉安平（2010）等采用投入產(chǎn)出模型分析國際貿(mào)易對中國環(huán)境的影響。劉瑞翔和姜彩樓（2011）、謝建國和姜珮珊（2014）等采用投入產(chǎn)出模型測算了中國對外貿(mào)易隱含能和能源消耗。高建剛（2015）采用帶有非期望產(chǎn)出且具有不可分割冗余變量模型（SBM）測算了中國能源效率和排放效率發(fā)現(xiàn)兩種效率均存在東、中、西依次遞減的格局。

（四）系統(tǒng)動力學模型

系統(tǒng)動力學模型源自于1961年MIT教授Forrester對企業(yè)政策與工業(yè)組織隨時間變化的行為討論。此后，該方法在工程、醫(yī)學、管理等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3E議題方面，Wei & Hong（2009）運用系統(tǒng)動力學方法模擬不同部門二氧化碳排放量和不同能源結(jié)構(gòu)的碳減量收益。Feng et al. （2012）使用系統(tǒng)動力學模型仿真北京市2005-2030年能源結(jié)構(gòu)和人口增長變動對能源消耗和碳排放的影響。國內(nèi)，杜慧濱和顧培亮（2005）使用系統(tǒng)動力學方法了建立了3E系統(tǒng)演化模型。李瑋和楊鋼（2010）利用系統(tǒng)動力學方法研究山西省能源消費的可持續(xù)性。宋輝和魏曉平（2013）結(jié)合中國GDP增長目標、化石能源消耗進程安排、二氧化碳減排目標等問題，使用該方法模擬再生能源2011-2045年的替代路徑。李文超等（2014）在分析人口、能源、資本和污染四個子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建構(gòu)了系統(tǒng)動力學模型用于中國3E系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展評價，發(fā)現(xiàn)同時改變技術(shù)創(chuàng)新和消費偏好有利于中國實現(xiàn)3E系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。肖仁俊等（2014）建立了新疆能源可持續(xù)發(fā)展的動力學模型，研究2010-2020年新疆的3E發(fā)展目標。郭玲玲等（2015）運用系統(tǒng)動力學方法構(gòu)建中國能源安全的系統(tǒng)動力學模型，預測能源生產(chǎn)和消耗等情形的動態(tài)變化。

（五）可計算一般均衡（CGE）模型

CGE模型的原理是瓦爾拉斯的一般均衡理論框架，其內(nèi)涵著重分析經(jīng)濟個體的互動與市場績效的相互關(guān)系。在CGE模型中，價格內(nèi)生決定，這與投入產(chǎn)出模型不同；有較為嚴謹?shù)睦碚摽蚣?，但缺乏統(tǒng)計檢驗使其與計量分析和時間序列分析不同。

該模型種類繁多，按照劃分不同依據(jù)，可以分為：1.靜態(tài)模型和動態(tài)模型；2.單區(qū)域模型和多區(qū)域模型；3.單國模型和多國模型。本文針對第三種分類進行介紹。就單國模型而言，國際上代表性的有：ORANI 、 World Bank-Type CGE 、GREEN、DICE、MERGER、WIAGEM、ENTICE、AIM、WITCH、MIT EPPA。國內(nèi)，有國務(wù)院發(fā)展研究中心開發(fā)的多區(qū)域可計算一般均衡模型（DRC-CGE）、國家信息中心開發(fā)的一般均衡模型（SICGE）、中國科學院科技政策與管理科學院與澳大利亞莫納什大學合作開發(fā)的CAS-CGE模型、清華大學開發(fā)的能源-經(jīng)濟-環(huán)境混合評價模型（TH-3EM）、北京理工大學能源與環(huán)境政策研究中心開發(fā)的中國能源與環(huán)境政策分析模型（CEEPA）、王燦等（2005）開發(fā)的中國經(jīng)濟-環(huán)境-能源動態(tài)CGE模型（TED-CGE）、澳大利亞莫納什大學和湖南大學聯(lián)合開發(fā)的MCHUGE模型等。此外，多國模型有GTAP（Global Trade Analysis Project）、GTEM（Global Trade and Environment Model））。關(guān)于單國模型與多國模型的互動與連結(jié)，參見下圖1。

CGE模型用途廣泛，在經(jīng)濟政策分析中具有重要地位。在3E問題上的應(yīng)用研究可以分為三類：第一類是探討能源和環(huán)境政策的社會經(jīng)濟影響。這是數(shù)量最多的一類文獻。如節(jié)能減排效果和福利效應(yīng)研究： Wang等（2009）、Dai et al.（2011）、劉小敏和付加鋒（2011）；能源稅、碳稅的實施效果研究：Bruvoll& Larsen（2004）、Wissema&Dellink（2007）、Matsumoto & Masui（2011）、賀菊煌等（2002）、魏濤遠等（2002）、王燦等（2005）、魏巍賢（2009）、何建武和李善同（2010）、朱永彬等（2010）、梁偉等（2014）、劉宇等（2015）；碳關(guān)稅的經(jīng)濟效果、碳泄漏的跨境效應(yīng)：Bruvoll&Faehn（2006）、沈可挺和李鋼（2009）、朱永彬和王錚（2010）、李繼峰和張亞雄（2012）、溫丹輝（2013）、叢曉男等（2014）等。第二類是：能源消費強度、能源價格與能源消費結(jié)構(gòu)的研究。這類文獻數(shù)量也較多。如Bergman（1988）、林伯強和牟敦國（2008）、胡宗義和劉亦文（2010）、姚云飛等（2012）、郭正權(quán)等（2014）等。第三類是能源效率、回彈效應(yīng)研究。相關(guān)文獻較少。典型的有Dimitropoulos（2007）、查冬蘭和周德群（2010）、胡秋陽（2014）。

四、研究評述和展望

目前，國內(nèi)外有關(guān)能源安全和能源模型的相關(guān)研究文獻已不再局限于能源問題本身，而是將能源問題和經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護、科技創(chuàng)新、人口發(fā)展、國際貿(mào)易甚至國際政治問題進行鏈接，從多維度考察能源安全問題；同時，學者們更加注重理論與實證相結(jié)合，越來越注重建構(gòu)功能更具體、更強大的能源模型，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)來研討實際問題。3E模型的不斷發(fā)展完善為整合多視角的研究提供了強有力的分析工具。盡管如此，能源安全問題以及相關(guān)模型的研究仍然有待深化。

目前文獻中有許多指標用于評估國家、區(qū)域或全球等不同尺度的能源安全，內(nèi)容包括能源系統(tǒng)的獨立性、依存度以及能源結(jié)構(gòu)與供應(yīng)來源的多樣性等，然而僅有少量研究對能源安全進行量化評估，且多數(shù)多樣性指標未能有效體現(xiàn)各類能源的風險特性以及不同種類能源風險的關(guān)聯(lián)性，而使指標的計算結(jié)果與實際的能源安全狀態(tài)偏差較大。因此，建構(gòu)具有風險內(nèi)涵的多維度能源安全指標，以便為政府完善能源安全決策提供建議將是未來能源安全亟需研究的重要問題。

在3E模型的建模方面，僅強調(diào)能源-經(jīng)濟-環(huán)境的關(guān)聯(lián)，其中能源部分多是單向配合經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的要求而進行能源需求預測與供應(yīng)系統(tǒng)規(guī)劃，而很少觸及能源安全與經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護三者之間的互動關(guān)系，缺少能源安全問題的自主性探討。因此，在能源規(guī)劃模型中，探討能源安全約束下能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）之間的互動機制，建構(gòu)考慮能源安全的3E模型即3E-S模型，將是未來能源模型研究應(yīng)當聚焦的方向之一。

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（作者單位：聊城大學商學院）