基于碳排放约束的河北省能源结构多目标优化预测

倪健康 闫海波

◆摘  要：碳达峰背景下以碳排放成本最小作为目标引导能源消费结构优化，以河北省为例，综合经济社会发展、能源强度、能源消费结构、碳排放上限等指标，构建河北省能源发展多目标优化决策模型，利用其2006—2017年相关数据进行分析。研究得到2025年的能源发展多目标优化结果为：河北省煤炭消耗占比降低至66%，石油占比降幅在个位数以内，天然气和一次电子及其他清洁能源的占比有较大提升，天然气占比突破到了十个百分点，清洁能源占比达到了17个百分点。

◆关键词：多目标优化决策模型;能源结构;碳排放

气候问题是二十一世纪以来世界都普遍关心的问题。从全国的能源结构优化来说，林伯强等指出，中国的经济发展、能源需求的阶段性特征、节能减排的基本国策、全球变暖与温室效应的限制，都需要对中国的能源战略作出相应的调整，在节能与减排的限制下，实现最优的能源结构，范德成等以“十二五”碳排放最低排放指标为指导，建立了以经济增长和节能减排为目的的线性规划优化数学模型，并对我国能耗结构进行了优化。计算了能源结构对碳强度和GDP的贡献潜力。王彩明等使用马尔可夫链模型，对京、津、冀地区的一次能源消费结构进行了预测，并根据京津冀地区的不同预设情景，对2020年的一次能源消耗进行了预测。

本文以建立数学规划的方法构建了以碳排放成本最小为目标函数，以万元gdp能耗、能源消费结构、经济发展约束及碳排放量为约束函数的预测2025年河北省能源消费结构模型，得到对河北省2025年能源消费结构占比的预测。

1 研究设计

1.1目标函数处理

以煤炭、石油、天然气和清洁能源的消费为变量，设定了最优的碳排放成本总量最小。本文采用中国发改委能源研究所推荐的碳元素排放系数，整理成表如下。

设置目标函数如下：

1.2多目标约束

1.2.1碳排放约束

2021年河北省政府工作报告指出2025年需要比2020年万元GDP二氧化碳排放降低19%，由于2020年数据空缺，所以结合《河北省“十三五”能源发展规划》提出的：2020年单位GDP二氧化碳排放浓度较 2015 年下降 20.5%。A是2015年单位生产总值的CO2排放浓度，经计算为2.560469。[αi]为每种能源的二氧化碳碳排放系数。

1.2.2万元GDP能耗约束

2021年河北省政府工作报告指出2025年需要比2020年万元GDP能耗降低15%，由于2020年数据空缺，所以结合《河北省“十三五”能源发展規划》提出的：2020年单位GDP能耗比2015年下降19%。B为2015年单位GDP能耗，经计算为0.98622。

1.2.3能源消费结构约束

①[ x15]/[i=14xi5≤0.66] 每年煤炭比例不低于0.5 ②[ 0.11≤x35]/[i=14xi5] ③[ 0.13≤x45/i=14xi5≤0.2] 每年都小于0.2。河北能源发展报告（2020）预测，我国的煤炭消费量每年下降，直到66%左右。天然气和非化石能源的比例将达到11%和13%。“十三五”可再生能源发展计划提出，到2020年我国一次能源消耗的化石能源将达到20%，2030年达到15%。

1.2.4经济约束

本文为了简化模型并有针对性地分析问题构建超越对数生产函数如下。

使用1980-2017的河北省的数据经过建立超越对数模型，t的范围为1980年至2017年，除此之外，还有非负约束：[xij]≥0。

2 结果分析

根据本文建立的多目标决策优化模型，得到的优化预测结果如表所示。

结果显示2025年预测的河北省煤炭消耗占比降低至66%，与2017年全国的水平相当。石油占比降幅在个位数以内，天然气和一次电子及其他清洁能源的占比有较大提升，天然气突破到了十个百分点，清洁能源达到了17个百分点是除煤炭外占比最大的能源消耗品种。

煤炭在能源消费中所占比例较大，导致能源效率低下，碳排放量大，故能源结构调整的空间较大，碳减排潜力较大。基于上述结果本文提出了以下建议：提高能源使用效率。在大力发展清洁能源、清洁能源替代技术的同时，国家要大力支持和支持能源的相关政策。

参考文献

[1]林伯强，姚昕，刘希颖.节能和碳排放约束下的中国能源结构战略调整[J].中国社会科学，2010（01）：58-71+222.

[2]范德成，王韶华，张伟.低碳能耗结构优化模型构建及实证分析[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34（07）：939-944.

[3]王彩明，李健.一次能源消费结构调整对京津冀碳强度目标的贡献力分析[J].科技管理研究，2017，37（07）：226-233.

作者简介

倪健康（1997-），男，重庆酉阳人，硕士研究生，主要研究方向大数据分析。

闫海波（1997-），男，安徽淮南人，硕士研究生，主要研究方向大数据分析。