亚洲地区能源-经济-环境系统模型研究

康旭东, 穆海林, 桂树森＊, 吴 伟

(1.大连理工大学科学技术研究院,辽宁大连 116023; 2.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连 116023; 3.大连理工大学管理学院,辽宁大连 116023)

亚洲地区能源-经济-环境系统模型研究

康旭东1, 穆海林2, 桂树森2＊, 吴 伟3

(1.大连理工大学科学技术研究院,辽宁大连 116023; 2.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连 116023; 3.大连理工大学管理学院,辽宁大连 116023)

以中国及周边国家日本、印度尼西亚、马来西亚、新加坡、泰国、菲律宾为主要研究对象,将世界其他地区作为一个地域来考虑,建立了时间跨度为1995～2050年的亚洲能源-经济-环境系统综合评价CGE模型。模型通过对各个地域中各个部门能源生产、输送、消耗的平衡关系进行优化分析,得到了未来经济发展情景下的能源需求预测方案及能源系统费用最小的能源供应方案。在考虑环境税引入的3种情景下,考察及对比分析3种环境税情景下我国SO2排放量及未来能源消费结构的情况。模拟结果表明,当环境税为152 USD/t时,对SO2排放的控制效果比较明显,且对整体经济影响不大。

能源模型; 环境排放; CGE; 环境税

随着经济全球化,在考虑世界大环境的前提下,如何科学地制定我国未来中长期经济、能源与环境可持续发展战略,调整产业结构和能源结构,大力度实施节能减排战略,是我国当前面临的主要任务。

国际上比较通用的能源模型主要是由发达国家在市场经济基础上开发的,比较适合于市场经济体系比较完善的国家和地区的能源系统的模拟和预测[1-2]。而我国目前正处在计划经济向市场经济过渡的时期,市场平衡等机制还很不完善,特别是中国加入世界贸易组织后,中国经济体系发生巨大的变化,所以这些模型应用于经济转型中的中国有一定的缺陷,得到的结果可信度也不高[3]。

能源模型的研究,包括自上而下的能源经济模型、自下而上的能源工程模型和混合能源模型。无论是自上而下模型,还是自下而上模型和混合模型,几乎都是根据数理统计中的回归分析方法建立模型,其中社会经济指标和能源统计数据之间的经验关系式尤为重要[4]。理论上采用回归分析的方法建立的模拟-预测经验关系式,需要较大的样本容量,一般不得少于30个,而且要求样本具有一定的规律性。但由于中国的统计系统经历了由物质产品核算体系(M PS)到国民核算体系(SNA)的巨大变化,统计样本过少,不易得到长期连贯的社会经济指标和能源统计数据。这样,对于统计数据不充分的我国能源经济系统来说,基于回归分析方法建立能源模型,其预测结果的可信度也将大打折扣。

目前能源模型中的优化模型都是在假设能源系统的优化问题的解为唯一的条件下进行计算的,但实际上能源系统的优化是一个多目标、多变量、多约束且非解析的庞大系统优化问题,优化变量和目标值之间是通过模型计算相连的。因此,在优化计算时的每一次变量搜索的优化目标值具有一定的随机性,最优解可能非唯一。为了得到全局最优解,有必要对能源模型的优化算法进行研究。随着CDM项目的实施及新能源和可再生能源的使用,现在的能源模型对我国可持续发展的影响不能给予充分反映,这大大降低了模型分析结果的具体实际指导意义[5-7]。

本文基于CGE建模理论,以东南亚七国(中国、日本、印度尼西亚、马来西亚、新加坡、泰国、菲律宾)为主要研究对象,将世界其他地区作为一个地域来考虑,在考虑环境税和CDM项目引入影响的情况下,结合中国目前的经济状况和能源消费结构,建立了时间跨度为1995～2050年的多目标、多变量、多约束且非解析的亚洲经济-能源-环境系统综合评价模型。

1 模型结构和方法

能源资源是经济发展的一条强有力的纽带,渗透到人们生活和生产的方方面面。本模型基于能源的生产、输送和消费,建立时间跨度大、多地域的线性优化规划模型,在各地域能源系统优化和采取特定的政策措施的情况下,对我国的能源安全、能源供应优化、能源消费结构,以及温室气体排放和环境影响进行评估。

模型的结构包括3部分:宏观经济模型、能源优化模型和环境评价模型,如图1所示。宏观经济模型主要考虑3个影响因素:地域GDP和人口、贸易和货币汇率、地域消费和投资,这些因素通过工业结构和生产状况直接或间接地影响能源的供需平衡。在能源优化模型中,能源供给主要有本地域能源开采和生产、其他国家和地区能源进出口及地域间能源输入/出,此外,模型还分地域、分部门详细考虑了与能源有关的各种技术、工艺流程等,并在能源可持续发展战略的基础上构建能源优化模型。环境评价模型是在能源优化模型的基础上通过不同能源技术的排放因子,以及相关环境政策的约束条件下,计算出设定情景下CO2、CH4、NOx、SO2以及微尘的排放。

Fig.1 Model structure图1 模型结构

2 结果与分析

2.1 模型建立

模型首先建立相关的数据库,分基础数据库和特性数据库。基础数据库主要包括亚洲相关国家和地区的对象地域表、优化时间跨度表、能源载体表、转化储存技术表、能源输送方式表、能源输送途径表、需求部门表、电力负荷带表和环境负荷表。特性数据库由基础数据库引申而得到,包括技术特性数据表、技术储备数据表、资源开采活动数据表、土地利用情况数据表、城市废弃物处理率数据表、电力系统相关数据表、能源输送数据表、需求利用数据表、以及与环境排放有关的共54个数据表[8]。模型对象地域为中国及周边国家日本、印度尼西亚、马来西亚、新加坡、泰国、菲律宾及其他国家与地区(上述国家以外的地域合并为一个整体考虑)。考虑到同一国家不同地区能源资源和能源需求的多样性,把中国和印度尼西亚划分为若干个地域,其中中国划分为6个子地域如表1所示。

印度尼西亚划分为2个子地域:中央群岛(INNER ISLAND)和外围群岛(OU TER ISLAND),其他相关国家和地区(ROWAL)划分为中东(M EAST)、大洋洲(OCEAN)、俄罗斯远东地区(FERUS)、俄罗斯东南地区(ESRUS)、中亚(CENAS)共5个子地域。每个地域自成一个相对独立的地域能源系统,包括能源的生产、输送、消费及与其他地域能源系统之间的输入输出,一个完整的地域能源系统流程图如图2所示。

表1 中国对象地域划分表Table 1 Geographical division for China

Fig.2 Flow chart of regional energy systems图2 地域能源系统流程图

2.2 模型涉及因素

模型将终端需求部门划分为农业、工业、运输业、居民生活、商业和公共设施共5个部门。每个部门对固体燃料、液体燃料、气体燃料和电力等不同能源载体的需求均作为独立的方案来考虑。

根据不同的用电高峰期可将电力需求负荷分为以下3个等级:高峰期、中等期和基本期。电力系统的供需平衡是基于这样的用电负荷级别下,用电高峰期要求额外的电力储备容量来进行补充。最后,为避免容量变化范围较大的可再生能源电力引起电力系统的不稳定,接入电网的风电和太阳能电力限制在15%以下。

能源资源的输送方式主要有道路、铁路、水路、空运、管道、电力输送6种方式。其中煤炭地域间运输有铁路、水路等,石油运输方式有油轮、管道等,天然气则主要通过管道运输,此外还有铀和液氢的运输也考虑在内。地域间的能源运输取决于当前的能源现状,如能源的开采、将来能源的生产、可能的能源输出和可能的运输途径等。

2.3 模型计算

模型优化时间跨度为1995～2050年,可以根据研究的目的进行相应调整,为方便分析,现将其划分为等分的11个时间段,分别是1995～2000,2000～2005,2005～2010,2010～2015,2015～2020,2020～2025,2025～2030,2030～2035,2035～2040,2040～2045,2045～2050。图3是未来GDP的预测情况。本模型主要能源资源储量如表2和3所示,这些能源储量作为整个模型优化过程的边界约束。

Fig.3 The future GDP of China图3 我国未来GDP增长情况

表2 化石能源储量表Table 2 Reserves of fossil fuel PJ

基于Hubbert模型和固定消耗比率的概念[9],石油和天然气的生产过程用公式(1)表示。

式中,λ-常数;t-评估年份;Output(t)-t年的石油和天然气产量。如果Toutput 0.0;如果Toutput≥Tresrv/2,那么λ<0.0。其中Toutput为累计产量,Tresrv为可采储量。

在该公式中,假设某一个地域的石油和天然气以固定增长比率开采,直至石油和天然气储量的一半;超过开采储量的一半以后,每年石油和天然气的生产以一个固定减少的比率开采,直至石油和天然气耗尽。本文应用Hubbert模型模拟石油未来的生产量。

表3 可再生能源储量表Table 3 Reserves of renewable energy

根据美国能源信息署(Energy Information Administration,EIA)2007的价格预测,国际石油、天然气和煤炭价格假定见表4。由表4可知,石油价格1995年至2002年稍有波动,但大体上呈上升趋势,2003年到2007年增长速度较快,增长率达19.3%,2008年以后开始回落[10]。这其中有发展中国家快速经济增长需求因素的驱动,也有国际政治变化的影响。天然气的价格较石油而言由于将来天然气供应的扩大而适度回落,煤炭价格根据国际能源机构的展望可缓慢上升(EIA 2007)。为简化计算,模型中每个国家进出口燃料均采用这些价格指标。

2.4 环境税对能源结构的影响

基于以上模型,本研究分析预测了了引入SO2排放税对我国能源消费及SO2排放的影响。根据《节能减排综合性工作方案》中SO2排放税由0.63元分三年提高到每千克1.26元,折合成相应的美元价格分别是τ=76 USD/t和152 USD/t。为做比较,另计算τ=0 USD/t和304 USD/t,将设定以能源建设费用最小为目标函数的优化系统模型。以下是利用本模型进行预测分析的计算结果。图4显示了不同环境税下,我国未来SO2的排放量。

表4 能源价格变化Table 4 Changes of energy price USD/GJ

Fig.4 The SO2em issions图4 二氧化硫排放曲线

图5是施加两种环境税情景下2015年我国能源消费量及其结构情景预测,其中τ为折算成相应美元后的税率。在征收SO2环境税情况下,可以改善我国的能源消费结构。征收SO2环境税后我国的能源消费结构最大的变化就是煤炭使用的减少,从65.68%减少到59.67%,同时天然气使用有较大幅度的增加,由3.72%上升至4.85%,石油的使用也从21.44%上升至23.38%。这与我国目前的能源消费结构基本符合,我国是燃煤为主的国家,燃煤硫化物的排放占硫化物排放总量的90%以上,所以在征收SO2环境税后,煤炭的使用有较大减少,可以较好地改善我国的能源消费结构。

Fig.5 Im pact of SO2taxes on the energyconsumption structure(2015)图5 SO2环境税对我国能源消费结构的影响预测(2015年)

4种情景下我国未来能源需求量如表5所示。基于以上模型的计算结果(基础情景1)可知,我国2011年的能源需求量将达到32.22亿吨标准煤,到2020年我国能源需求量将达到47.70亿吨标准煤。从4种情景下未来我国能源消费量的预测情况可知,随着SO2排放税的增加,能源消费量逐渐减少,可见增收SO2排放税可以极大抑制能源消费的增长。

表5 4种SO2排放税情景下我国未来能源需求量Table 5 Future energy demand under four SO2em issions tax scenarios百万tce

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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

康旭东(1973-),男,黑龙江齐齐哈尔市,副教授,博士。

国家自然科学基金项目(70873013);博士点基金项目(200801410024)。

＊通讯联系人。

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