低碳目标约束下我国能源消费结构优化研究

李 爽，曹文敬，陆 彬

(中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 221006)

一 引言

能源是一国社会和谐与经济发展的物质前提，是人类赖以生存最为本质的一种物质。目前，我们所使用的能源大多数是不可再生的，如石油、煤炭、天然气等。据世界知名能源企业英国石油公司(BP)发布的《2013 世界能源统计年鉴》可知［1］，目前全球已探明的石油储量为2 358 亿吨，以目前的开采速度还能开采50年;煤炭储量为860 938 百万吨，以目前的开采速度还可开采100年;天然气储量为187.3 万亿立方米，以目前的开采速度还能开采50年。而现如今世界能源的消费量正以每年2%的速度增长，且主要消耗的能源依旧为煤炭和石油等传统化石能源。此外，这些能源的使用过程中会伴随着大量二氧化硫、氮氧化合物、二氧化碳以及烟尘等污染物，造成环境污染。因此，合理利用能源已经受到国际社会的广泛关注，有关能源问题的研究也逐渐显现其重要性。就目前形势而言，能源问题已经不单单是一个国家内部的短暂的问题，而是一个全球化的长期问题。

在人类大力发展经济，大量消耗能源的同时所排放的大量二氧化碳等温室气体，已使其在大气中的浓度急剧增加，且远远地超出了大自然的吸收能力，使得全球气候变暖，并逐步发展成为一个日益严峻的环境问题［2］。2005年，随着人类首次以法规形式对温室气体排放进行限制的文件《京都议定书》的正式生效，低碳经济逐步被人们接受，低碳生活以及构建低碳社会也逐渐成了全球共识。目前为了能够更好地解决能源与环境问题，我国现已将环境保护和节约资源纳入我国的基本国策。

“低碳经济”这一概念最早是由英国首相布莱尔在《我们能源的未来:创建低碳经济》中提出的［3］。鲁宾斯德认为，低碳经济是一种正在兴起的经济模式，其核心是在市场机制基础上，通过制度框架和政策措施的制定和创新，推动提高能效技术、节约能源技术、可再生能源技术和温室气体减排技术的开发和运用，促进整个社会经济朝向高能效、低能耗和低碳排放的模式转型［4］。国外学者对于能源结构及其优化的研究主要集中于资源经济学、资源与环境的可持续发展等方面，研究的着眼点主要是石油和电力。一些学者从不同能源之间(包括煤炭、石油、天然气和电力)的替代关系或者互补关系对能源结构进行了一定的探讨。如Nordhaus，Hout hakker 和Solow 的文章首先建立了分部门研究能源消费的框架，随后的文章都是在这个基础上发展而来的［5］。Mar 和Bakken 将经典控制论的思想引入能源—经济模型，分析了一次能源结构的变化［6］。Symons，Proops 和Gay 模拟了英国不同碳税和消费者需求下的二氧化碳排放，同时得到不同的能源消费组合［7］。而国内学者对于能源结构及其优化的研究主要集中在能源与环境的协调发展上，研究的着眼点主要是煤炭，这与我国能源生产/消费结构中煤炭占能源总量的百分之七十以上是有必然联系的。李潇(2014)运用多目标决策方法，构建了低碳经济约束下的能源消费结构多目标优化模型，其中多目标为二氧化碳排放目标，能源消费总目标，煤炭、石油、天然气和非化石能源消费目标［8］。范德成、王韶华、张伟(2012)通过路径分析测算一次能源消费结构的各影响因素对能源消费结构的总影响、直接影响和间接影响，得出了影响机理。并基于此，通过岭回归方法构建了一次能源消费结构的预测模型［9］。刘振元(2011)通过对我国能源结构现状的分析，建议从能源结构战略、能源消费结构、能源技术创新、能源产业结构、能源体质结构、能源管理方式等多方面采取措施来优化我国能源结构［10］。徐东、刘清志、王臻(2011)从我国能源结构发展不平衡、低碳经济的要求、国际形势施加的压力分析了我国能源结构优化的必要性，从我国水电发展空间、核技术发展水平、能源使用效率的潜力等方面分析了我国能源结构优化的可行性［11］。李仁鹏(2015)通过分析我国经济增长、能源消耗、二氧化碳排放的现状以及我国一次能源消费结构的优化目标及原则，从管理制度、技术、政策三个方面提出了优化我国一次能源消费结构的建议［12］。

二 低碳目标约束下我国能源消费结构优化模型构建思路

(一)构建思路

目前我国能源生产主要是以煤炭为主，然而要满足未来经济增长对能源需求的日益加大，主要有两种解决方法:(1)继续维持我国目前的能源生产消费结构，以煤炭为核心，然而这将使得我们不得不面对煤炭在生产和消费过程中所带来的一系列附加的环境及经济问题;(2)使我国能源消费结构向多样化、优质化的方向发展，将核能、风能和太阳能等清洁可再生能源作为替代能源，在我国建立一个清洁、高效、可持续的能源系统。在如今我国技术、经济现状的限制下，怎样在同时实现环境保护和经济发展两个目标的前提下，对我国能源消费结构进行优化成了一个主要问题。

本文对于低碳目标约束下我国能源消费结构优化模型构建的主要思路为对碳排放控制系统、能源系统以及经济系统各个系统的目标进行分解，确定多目标优化模型的目标和约束，并深入分析碳排放系统、能源系统以及经济系统的约束条件，确定多目标优化模型的约束条件，如图1 所示:

1.碳排放控制系统

碳排放指的是温室气体的排放，其中主要为二氧化碳的排放，本文研究的碳排放主要是指由化石燃料的燃烧所产生的二氧化碳的排放。化石燃料燃烧所排放的二氧化碳量的计算，是用具体的能源消费量，包括煤炭、石油等，乘以各自的二氧化碳排放系数，从而得出二氧化碳的排放量。公式表达为:

图1 我国能源消费结构优化及调整的分析模型

2.经济系统

经济系统主要考虑经济的发展与能源消费之间的相互影响，以经济的平稳发展状态作为能源消费结构优化调整提供经济约束，经济系统的主要作用是确保优化后的能源消费结构的总成本最低，这样才能使得能源结构的调整更加可行。本文在研究低碳目标约束下我国能源消费结构优化时主要考虑两方面的成本，二氧化碳排放的外部环境成本和能源消费成本。二氧化碳排放的外部环境成本主要计算方式是用二氧化碳排放量乘以单位二氧化碳排放量的外部排放成本［13］，公式表达为:

能源消费成本就是消费一单位能源的成本，公示表达为:

3.能源消费系统

与经济系统类似，能源系统的作用在能源结构优化的同时保证能源需求得到满足。本文依据《中国能源中长期(2030年、2050年)发展战略研究》［14］中对2020年、2030年我国能源消费量的预测，改变能源系统约束的阀值，进一步研究低碳目标约束下我国中长期能源消费结构的优化。公式表达为:

(二)多目标优化模型［15－16］

本文采用多目标规划方法建立优化模型，依据不同情境假设设定需要实现的经济体系的目标和该情境假设下的各种约束进行决策方案选择，注重可行方案的替代性和所需实现目标的选择性。

多目标决策方法中的决策变量存在离散和连续两种情况，需要分别采用离散决策技术和连续决策技术。本文从控制碳排放的视角研究我国能源消费结构的优化，以实现能源、经济和社会协调发展，因此本文所研究的问题是一个决策变量为连续且具有无限方案的决策问题，所以选用连续决策技术中的加权法来解决问题。

1.模型基本假设［17］

在依据模型构建思路建立低碳目标约束下我国能源结构优化模型时，需要对一些条件进行假设，具体如下:

(1)假设模型以能源消费结构优化为手段以实现能源、经济和环境的协调发展。

(2)假设我国经济保持持续增长，且能源消费量随之增长，技术创新、经济结构调整以及管理水平提升对能源消费无影响。

(3)假设能源消费结构优化的根本动力是实现成本最小化，即能源消费成本和二氧化碳排放成本的最小化。

(4)假设二氧化碳排放仅来自于化石燃料的燃烧，在本文的研究中，包括煤、石油、天然气和电力四种。

2.模型构建

本文设定的决策变量为煤(x1)、石油(x2)、天然气(x3)、电力(包括水电、核电、风电及其他)(x4)四种一次能源的消费量。

基于加权法的多目标优化模型的形式为:

其中Rn→R，p≥2

若目标函数Zk(X)(k=1，2，…，p)和约束gi(X)(i=1，2，…，m)均为线性函数，那么经过加权后将转换成一个线性规划问题，可以用单纯形法求最优解，且该解为该线性规划的非劣解。

若Zk(X)(k=1，2，…，p)和gi(X)(i=1，2，…，m)中存在非线性函数，那么该多目标规划问题为一个非线性问题，可以用K－T 方法等求最优解，该解也为非劣解。

权数ω 是依据对目标函数Z1(X)，Z2(X)，…，Zp(X)的重要程度的评估所确定的，其取值满足且ωk取不同的值，加权后的目标函数就不同，得到的最优解就不同，则可以得到不同的非劣解。

本文设定的优化目标是能源消费成本和二氧化碳排放的外部环境成本最小，则目标函数为:

其加权形式为:

根据上文的模型框架，可以设置目标函数的约束条件为:

(3)我国未来能源消费结构的变化区间为:

则预计各地区2020年能源消费结构的变化范围如表1所示

(4)非负约束:xi≥o

表1 2020年我国各种能源消费变动范围

(三)模型数据处理

(1)能源需求预测

中国工程院重大咨询项目研究成果《中国能源中长期(2030、2050)发展战略研究》［14］基于我国资源环境的限制及我国能源供应实际状况，对我国未来能源消费需求进行了预测，2020年约为40 亿吨标准煤，2030年约为45 亿吨标准煤，2050年争取将能源消费需求控制在50 亿吨标准煤到55亿吨标准煤之间。本文将依据该研究对我国能源未来消费需求的预测结果对我国能源消费结构进行优化。2020－2050年我国能源消费需求预测如表2，2020年各地区能源消费需求预测如表3 所示。

表2 未来我国能源消费需求预测值单位:百万吨标准煤

表3 各地区能源消费需求预测值单位:百万吨标准煤

(2)二氧化碳排放量控制值

中国工程院重大咨询项目研究成果《中国能源中长期(2030、2050)发展战略研究》［14］中对于2020年、2030年以及2050年我国化石燃料燃烧排放的二氧化碳量进行了预测和控制。2020年为84－88 亿吨，2030年80－86 亿吨，而到2050年我国化石能源燃烧排放的二氧化碳量将为77－83亿吨，如表4 所示。根据以上预测，本文对于未来我国二氧化碳排放量的控制值分别选取2020年85 亿吨，2030年80亿吨，2040年75 亿吨，2050年70 亿吨。此外，根据对我国2020年二氧化碳总体排放的控制并结合各地区情况，对各地区二氧化碳排放进行控制，如表5 所示。

表4 未来我国二氧化碳排放量控制值单位:亿吨

表5 各地区二氧化碳排放量控制值单位:亿吨

(3)能源消费成本

对我国未来能源消费成本进行预测时，主要采用单位能源投资成本而非价格来表示，且不考虑能源的进口，根据《中国能源研究报告－区域篇》［18］预测结果，2020－2050年各种能源单位能源投资费用的预测值如表6 所示。

表6 单位能源投资费用单位:元/每吨标准煤

(4)二氧化碳的外部排放成本

根据专家的研究结果，确定以碳计各种能源碳排放系数分别为煤炭0.656t/tce、石油0.586t/tce、天然气0.442t/tce［19］，而一吨碳在氧气中燃烧后大约能够产生3.67 吨二氧化碳，所以煤炭、石油、天然气排放二氧化碳的系数为2.408t/tce、2.151t/tce、1.622t/tce。此外，根据相关文献的研究，本文对二氧化碳的外部排放成本取50 美元/吨，按目前汇率6.15 折算人民币为307.5 元/吨。因此各种能源的二氧化碳外部排放成本则如表7 中所示。

表7 二氧化碳排放系数及其外部排放成本

(5)ω1和ω2的取值

在对ω1和ω2进行取值时，需要注意以下几点:

a.改变权重ωi值，寻找非劣解时，不能够太快，否则有可能会越过某个极点，漏掉一些真正的非劣解。

b.权重ωi值不能为负数，对于目标函数Z(x)来说，权重ωi值为负就意味着极大化问题被转化成了极小化问题，这样通过多目标规划找的解就很可能是劣解。

c.对目标函数多且约束多得多目标规划问题进行求解是一项工作量大且复杂的工作，而且还不一定能够求出全部非劣解，然而虽然存在这一问题，但运用多目标规划法依旧能够找到问题的部分非劣解。

本文在模型运算中对两个目标取相同的权数，即(ω1，ω2)=(1，1)。

三 低碳目标约束下我国各地区能源消费结构优化结果

本文将我国各地区划分为以下六个区域:华北地区、华东地区、东北地区、中南地区、西南地区、西北地区。并根据上述建模思路构建如下多目标优化模型，并将各地区参数代入计算，获得各地区2020年低碳目标约束下能源消费结构优化结果。

(一)华北地区

以京津唐为核心的华北地区，工业基础较好，经济发展过程中对于能源的消耗主要集中在煤炭，然而随着经济和社会的不断发展，人们低碳意识逐渐加强，以煤为主的能源消费结构正在逐步发生改变，从表8 中看出，只有山西和内蒙古两个煤炭生产基地达到79.13%和77.10%，北京、天津和河北的煤炭消费占地区能源消费总量比重在2020年基本在40%到60%，石油消费基本占了20%到25%，在天然气消费方面，2020年北京地区天然气消费量占到了北京地区能源消费总量的25.4%，而在电力消费方面，由于技术及成本的问题，电力的发展还是比较缓慢，基本维持在10%。

(二)东北地区

东北地区是我国的老工业基地，工业发展较好，对于能源的需求也比较大，由于东北三省的经济发展相当，对于能源的需求也基本相似，能源消费结构差别也不大，从表9 中可以看出，2020年东北地区能源消费依旧以煤炭为主，其次为石油，而东北地区在2020年对于天然气和电力的消费量依旧较低。

(三)华东地区

以长三角为中心的华东地区是我国经济最为发达的地区，对于能源的需求也相对比较大，而华东地区由于经济发展较为平均，各地区的能源消费结构也大致相似。如表10所示，到2020年华东地区的能源消费依旧主要以煤炭为主，而由于各地区经济结构的不同导致其对各种能源消费的需求不同，华东地区各地煤炭消费占比从43.91%到69.72%不等，石油消费除安徽外基本在20%到30%之间，天然气消费占比基本为10%，电力由于受到整体行业的制约，占比不是很大。

表8 华北地区2020年能源消费结构优化结果 单位:百万吨标准煤

表9 东北地区2020年能源消费结构优化结果 单位:百万吨标准煤

(四)中南地区

中南地区由于经济发展差异比较大，对于各种能源的需求也大相径庭，如表11 所示，广东和海南两省的能源消费主要以石油为主，分别占到了51.53%和44.92%，而煤炭消费仅占29.97%和32.23%，其他地区能源消费结构依旧以煤炭为主，其中河南的能源消费占到了河南能源消费总量的80.9%。

表10 华东地区2020年能源消费结构优化结果 单位:百万吨标准煤

表11 中南地区2020年能源消费结构优化结果 单位:百万吨标准煤

(五)西南地区

西南地区由于地理位置、气候和交通等原因，经济发展比较缓慢，工业基础也相对较为薄弱，对能源的需求量也并不是很大，如表12 所示，各地区能源消费在2020年依旧以煤炭为主，其次是石油占20%左右。此外，从表中可以看出，四川地区电力消费在2020年将达到31.88%。

(六)西北地区

西北地区地处偏远，交通不便，导致其经济发展大大落后东部地区，而在2020年西北各地区能源消费结构差别较大，陕西、甘肃和宁夏煤炭消费占能源消费总量的57.01%、68.64%、60.23%，青海和新疆煤炭占比分别为32.42%和36.91%，在石油消费方面新疆石油消费占比达到34.62%，其他地区石油消费占比基本在20%左右，2020年西北地区天然气消费在其能源消费结构中占据比较重要的地位，新疆和陕西分别占到了22.94%和22.08%，此外青海2020年的电力消费占到了34.61%。

表12 西南地区2020年能源消费结构优化结果 单位:百万吨标准煤

表13 西北地区2020年能源消费结构优化结果 单位:百万吨标准煤

四 低碳目标约束下我国中长期能源消费结构优化

(一)模型运算结果

根据上述建立的目标函数和约束条件，结合数据，获得如下我国2020年能源消费结构多目标优化模型。

对上述模型运用Matlab7.0 对其进行求解，并通过对阀值进行调整，获得2030年、2040年以及2050年我国能源消费结构优化的结果，所得结果如表14 所示。

(二)模型优化结果分析

(1)根据图2 中模型优化后未来我国二氧化碳排放情况与目前二氧化碳排放趋势的对比下可以看出，将低碳约束引入模型后，碳排放量得到了有效的控制，到2050年我国化石燃料燃烧排放的二氧化碳量大致能控制在80 亿吨左右。

(2)从控制碳排放出发，将碳排放控制系统引入模型中，使得煤炭的消费量在能源总消费量中所占比例逐渐下降，从目前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，处于稳定状态。

(3)相对于煤炭和石油，燃烧天然气所排放的二氧化碳较少，且天然气目前价格相对合适，随着社会经济的发展，模型中天然气的消费量在能源总消费中的比重将逐渐加大，如图3 所示。

(4)随着水电、核电、风电等技术的不断发展，以及人们对低碳越来越重视，电力作为一种清洁的替代能源的作用越来越明显，电力在能源消费总量中所占的比重逐渐增加，从2020年的10%增加到2025年的27.31%，其在未来的发展情况如图3 所示。

表14 多目标优化模型运算结果 单位:百万吨标准煤

图2 化石燃料燃烧排放二氧化碳量(单位:亿吨)

图3 未来我国能源消费结构(单位:百万吨标准煤)

五 结论

(1)煤炭的核心地位逐渐下降

从控制碳排放以及能源、经济和环境可持续发展的角度对我国未来能源消费结构的分析看，由于煤炭在燃烧过程中会产生大量二氧化碳，使得其在未来我国能源消费结构中所占的比重逐渐下降。然而，由于我国资源条件特征，煤炭依旧会在我国能源消费结构中占据着比较重要的地位，从图3中可以看出，在未来煤炭在我国能源消费结构中所占比重基本维持在40%左右。

(2)石油和天然气的消费逐步增加

随着未来我国煤炭消费的逐渐下降，我国能源消费结构也逐步由以煤炭为主向以煤炭和油气为主转变。然而由于我国石油资源的贫乏，未来我国石油消费在能源消费结构中所占比重基本维持在20%到25%之间。天然气作为一种相对煤炭和石油较为清洁的能源，排放的二氧化碳更少且价格适宜，在未来将会获得快速的发展。

(3)水电、核电及其他能发电将获得快速发展

从模型中设定的低碳角度看，在未来我国能源消费中发展最快的将是水电、核电及其他能源发电。水电和核电在电力生产过程中污染物的排放较小，并且我国拥有世界上最丰富的水资源和比较丰富的核能资源，此外，随着技术的不断进步，越来越多的新型清洁能源被开发利用，如风能、太阳能、生物质能等。因此，在未来我国能源消费结构中，电力将发挥着重要的替代能源作用。

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