姚漫，汪傳旭

(上海海事大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隨著全球氣候問題的日益嚴(yán)重，世界各國對環(huán)境保護的意識不斷加強，各國政府在發(fā)展經(jīng)濟的同時要求以保護環(huán)境為前提，實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和進步.在歐盟的推動下，1992年聯(lián)合國通過《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，并于1997年進一步變成可操作的法律文件《京都議定書》.在這些法律文件中，環(huán)境問題轉(zhuǎn)化為氣候問題進而在技術(shù)上轉(zhuǎn)化為CO2的排放，從而在法律上產(chǎn)生各國圍繞“碳排放權(quán)”展開的全球政治博弈，由此形成全新的“碳政治”［1］.為了成為“低碳革命”的領(lǐng)跑者，“低耗能、低污染、低排放”成為各國經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對能源分配的問題已進行相關(guān)研究:尚慶?。?］從綠色供應(yīng)鏈的概念出發(fā)，通過對其評價指標(biāo)研究現(xiàn)狀的考察，以環(huán)境經(jīng)濟學(xué)思想為基礎(chǔ)建立一套綠色供應(yīng)鏈評價指標(biāo)，并對成功案例進行簡單分析驗證其實用性;張式軍［3］對發(fā)達國家實施的能源配額制進行比較分析，提出我國可再生能源配額制的設(shè)計路徑;FOO等［4］利用瀑布模型分析基于碳排放約束限制的能量計劃和能量配置問題;張君瑛等［5］為研究清潔發(fā)展機制在我國的應(yīng)用，針對大學(xué)校區(qū)建設(shè)燃?xì)廨啓C三聯(lián)供供能系統(tǒng)存在的政策、技術(shù)、資金障礙問題，進行CDM項目分析，提出實行碳排放管理可實現(xiàn)CO2減排、提高項目收益并降低項目風(fēng)險;SCHROOTEN等［6］以歐洲為參照系統(tǒng)研究基于船只因素、運輸因素和排放因素的海上運輸模型.LAM等［7］利用P圖研究最優(yōu)的供應(yīng)鏈合成模型，構(gòu)建碳排放最少的系統(tǒng);PETAR等［8］首次提出采用區(qū)域能源族(regional energy cluster)的方法探討研究能源分配的對象和劃分能量簇的方法，并且提出在區(qū)域內(nèi)實行最優(yōu)的能源配置;李琦等［9］分析能源的空間分布差異，利用2005年中國能源消費截面數(shù)據(jù)，測算出我國30個省、市、自治區(qū)的能源消費足跡，通過多元非線性回歸分析等方法，構(gòu)建出能源足跡與其影響因素的計量模型.陳軍［10］以能源效率的區(qū)域差異為基本依據(jù)，通過對非可再生能源區(qū)域優(yōu)化配置問題進行分析，探討中國非可再生能源區(qū)域優(yōu)化配置的內(nèi)在規(guī)律和現(xiàn)實可能性，同時結(jié)合中國非可再生能源區(qū)域優(yōu)化配置的要求提出相應(yīng)的政策建議;陳曉紅等［11］以歐洲碳排放權(quán)交易體系為對象，研究交易價格的形成機制，分析2個階段EUA價格的走勢和成因，建立碳排放權(quán)交易價格EGARCH和EUETS模型;張穎菁等［12］將制定稅收政策的政府部門和物流活動中發(fā)生環(huán)境污染的企業(yè)作為博弈雙方，建立采用基于不完美信息條件下的價格策略博弈模型，得出影響均衡的稅率和企業(yè)產(chǎn)品的價格水平，政府可通過分析影響企業(yè)行為的均衡因素提高制定合理稅率的決策水平.

上述文獻主要考慮碳排放最小的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)和能源優(yōu)化配置這2個目標(biāo)中的一個，卻沒有將兩者結(jié)合從區(qū)域能源需求的角度分析燃料供應(yīng)鏈均衡網(wǎng)絡(luò)的研究.本文以區(qū)域為研究對象，考慮不同碳排放約束對象下的模型，建立地域性更廣的能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò).另外，上述文獻對模型都利用軟件或傳統(tǒng)的規(guī)劃求解方法，而Pinch分析方法把模型約束條件轉(zhuǎn)化為合成曲線清晰地展現(xiàn)在圖表中，使模型更易于理解.Pinch分析方法輸入能量供給需求和碳排放約束，輸出供給需求平衡后的能量分配，畫出能量供給合成曲線(Supply Composite Curve，SCC)和能量需求合成曲線(Demand Composite Curve，DCC)，曲線斜率反應(yīng)不同研究對象的特性.以能量DCC為基準(zhǔn)通過平移能量SCC找到兩者交點，該點滿足最小目標(biāo)函數(shù)和約束條件.該方法經(jīng)過進一步發(fā)展已應(yīng)用到許多能源分配領(lǐng)域，包括質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)［13］、氫能源分配利用［14］、水資源優(yōu)化配置［15－16］等方面.本文選取10個地區(qū)的煤、石油、天然氣和零碳排放燃料為研究對象，以其中一個地區(qū)位置作為原點建立坐標(biāo)系，利用Pinch分析方法研究區(qū)域能源分配問題，能量SCC和能量DCC的斜率分別代表不同燃料的碳排放釋放因子和碳排放承受因子，以實現(xiàn)碳排放約束條件下使用零碳排放燃料最少，建立總碳排放約束和各自碳排放約束的能源分配模型.

1 碳排放約束的區(qū)域能源分配模型

選取典型區(qū)域作為研究對象，以其中一個地區(qū)位置為原點建立坐標(biāo)系，描繪其他地區(qū)的相對位置.

1.1 模型假設(shè)

(1)如果煤、石油、天然氣的自身供給總能量大于需求則屬于集合I，小于需求則屬于集合J;(2)每個地區(qū)零碳排放燃料只供給自身，所能供給的零碳排放燃料無限;(3)每個地區(qū)都以追求自身碳排放最少為目標(biāo)，進行地區(qū)與地區(qū)之間的能源轉(zhuǎn)運;(4)每個供小于求的地區(qū)利用能源的順序依次是天然氣、石油、煤.

1.2 模型參數(shù)

EZ，j為地區(qū) j所需的零碳排放能源能量，TJ;Bi，j，k為能源k從地區(qū)i運到地區(qū)j的總量，t;Ek為所有地區(qū)所能提供的能源k總量，t;Vk為能源k的燃燒值，TJ/t;Sj，k為地區(qū) j自身提供的能源 k 的總量，t;Dj為地區(qū)j所需要的總能量，TJ;eO，k為能源k燃燒過程中的碳排放釋放因子，t/TJ;eI，j為地區(qū)j碳排放承受因子，t/TJ;Lj為地區(qū)j調(diào)節(jié)以后的碳排放限制水平，t.

1.3 模型的建立

使用清潔能源提供能量在技術(shù)要求和開發(fā)成本上都非常高，所以僅從環(huán)境的角度出發(fā)不切實際，還需要考慮成本因素.本文結(jié)合環(huán)境和成本兩個因素，在滿足各地區(qū)碳排放約束條件下實現(xiàn)使用的零碳排放燃料最少.

1.4 Pinch分析方法

坐標(biāo)水平軸和垂直軸分別代表積累碳排放量和積累能量需求量，Pinch分析方法步驟如下:

(1)集合 J 內(nèi)的地區(qū) j，按照 eO，k和 eI，j升序排列;(2)計算3種燃料碳排放水平EkeO，k，以及地區(qū)j利用有排放燃料后調(diào)整的碳排放限制水平Lj;(3)以地區(qū)j能源總需求Dj為x軸、Lj為y軸畫出DCC曲線上每個點處的斜率就是其碳排放承受因子eI，j;(4)以Ek為x軸、3種燃料碳排放水平EkeO，k為y軸畫出SCC，曲線上每個點處的斜率就是碳排放釋放因子eO，k;(5)把DCC和SCC合成在同一個圖中;(6)把SCC水平向右移動，以保證其與DCC不相交，直到把SCC全部點移到DCC右下方，此時SCC與DCC的交點就是Pinch點;(7)原點到SCC最左端點的距離在滿足約束條件下使用的零碳排放燃料最少.

Pinch點確定系統(tǒng)的瓶頸，Pinch分析方法的“黃金準(zhǔn)則”可以用來確立滿足系統(tǒng)特定的碳排放約束條件，位于Pinch點之下時供給零碳排放氣體燃料可以滿足碳排放約束條件，所以Pinch點下方的地區(qū)j可以分配零碳排放能源EZ，j，而Pinch點上方的地區(qū)不分配零碳排放燃料.

2 算例分析

以10個地區(qū)為例，其相對地理位置、能量的供求和碳排放限制的數(shù)據(jù)見表1.根據(jù)世界能源組織的數(shù)據(jù)，煤、石油、天然氣的碳排放因子分別為105，75，55 t/TJ，燃燒值分別為 20.91，41.82，41.03 GJ/t.如果屬于集合I，計算出各自可供使用的能量、集合I內(nèi)每種燃料可供給的總能量、燃料燃燒的碳排放量;如果屬于地區(qū)J，計算出各自的需求能量、各自允許的碳排放松弛量(即調(diào)整以后的碳排放量).每種燃料的能量供給需求數(shù)據(jù)見表2.

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，4種燃料能量供給見圖1，3個地區(qū)能量DCC和SCC見圖2.以碳排放承受因子eI，j按照升序排列，地區(qū) 1，6，10 的碳排放承受因子分別是20，50，100 t/TJ.3個地區(qū)總體碳排放承受因子α為總碳排放量限制量與能量總需求之比，α=49 t/TJ.3種燃料的能量SCC見圖1;每個地區(qū)的能量DCC如圖2實線所示;如果把這3個地區(qū)看成整體，則能量DCC如圖2虛線所示.

表1 算例分析數(shù)據(jù)

表2 每種燃料的能量供給需求

2.1 Pinch方法下的區(qū)域能量分配模型

2.1.1 總碳排放約束條件下的能量分配模型

圖3 總碳排放約束條件下能量供給需求

2.1.2 各自碳排放約束條件下的能源分配模型

圖4 各自碳排放約束條件下的能源供給需求

考慮自身碳排放約束條件，能量DCC如圖1所示實線;利用能量SCC尋找的Pinch點見圖4.

從圖4中可以看到，新的 Pinch點坐標(biāo)為(5.71，201.50)，使用零碳排放燃料能量為2.60 ZJ，有1.30 ZJ煤和0.02 ZJ石油沒有被利用.碳排放承受因子是eI，10=100 t/TJ，碳排放釋放因子為eO，10=75 t/TJ，在Pinch點的上方能量 SCC的斜率低于能量 DCC 的斜率，因此 eI，j＞ eO，j，該地區(qū)的能量需求在不使用零碳排放燃料情況下也可以滿足系統(tǒng)對碳排放的約束條件.這就是Pinch分析方法的“黃金準(zhǔn)則”.

圖5 Pinch方法下各個地區(qū)的能量供給需求

考慮各自碳排放約束條件下實現(xiàn)整個系統(tǒng)最少碳排放，按照 eO，j的升序使用燃料，即按照使用天然氣、石油和煤的順序來滿足能量需求.按照上述“黃金準(zhǔn)則”進行分配，結(jié)果見圖5.

從圖5中可以看到有兩個Pinch點，P1(2.80，56.00)滿足區(qū)域1的能量需求和碳排放約束條件，P2(5.71，201.50)滿足區(qū)域6的能量需求和碳排放約束條件;區(qū)域1使用零碳排放燃料能量為1.78 ZJ，區(qū)域6中使用零碳排放燃料能量為0.82 ZJ，其具體能量分配見表3.

2.2 MATLAB下的線性規(guī)劃模型

設(shè)分配到每個地區(qū)的燃料能量為xij，地區(qū)1，6，10 分別為 i=1，2，3，煤、石油、天然氣、零碳排放燃料分別為j=1，2，3，4，則能源分配模型如下.

利用MATLAB求解上述模型，結(jié)果見表4，能量分配見表5.

由此得出min f(x)=2.562 ZJ.

表3 Pinch分析方法中各個地區(qū)能量分配

表4 MATLAB求解的各地區(qū)的能量需求 ZJ

表5 MATLAB求解的能量分配

2.3 Pinch分析方法與MATLAB線性規(guī)劃模型結(jié)果比較

表6 兩種方法結(jié)果對比

3 結(jié)束語

提出一個區(qū)域能源分配方法，以實現(xiàn)使用最少零碳排放燃料為目標(biāo)，對區(qū)域能源分配管理進行算例分析，得出在使用最少零碳排放燃料條件下能源的流入量和流出量，充分利用各個地區(qū)過剩能源和不足能源，保證能量供給和能量需求平衡.進一步用圖表而非傳統(tǒng)線性規(guī)劃求解方式得出能量分配結(jié)果，清晰地展示出能量分配過程，為決策者提供更容易、快捷的初始能量分配解決方案.通過合成區(qū)域能量供給需求曲線，形成圖示化的能量集群.與整個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)相比，合成曲線能在視覺上顯示能量集群邊界內(nèi)的供給和需求曲線，建立一個相對簡單的燃料供應(yīng)鏈，有利于形成有效的能量規(guī)劃和能量管理策略.在當(dāng)今環(huán)境政策下，碳排放已成為供應(yīng)鏈中必不可少的環(huán)境成本，使用不同燃料會產(chǎn)生不同的碳排放因子.因此，決策者在決定使用何種燃料時，需要考慮不同燃料碳排放因子對碳排放上限的影響和燃料開發(fā)利用成本.研究分析表明:使用零碳排放燃料是解決環(huán)境污染限制的有效辦法，但中國現(xiàn)階段處于開發(fā)清潔能源的起步階段，應(yīng)加大對技術(shù)開發(fā)的投資，以便未來能使用更多的零碳排放燃料;同時，中國現(xiàn)階段仍是以犧牲環(huán)境為代價大力發(fā)展經(jīng)濟，與世界發(fā)達國家對環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的要求還有一段距離，政府應(yīng)采取相應(yīng)政策，如法律法規(guī)、排污收費、綠色補貼、排污許可等，鼓勵決策者們開發(fā)并利用零碳排放燃料.

在不同能源的碳排放因子下建立整個區(qū)域的能量合成曲線，使用Pinch分析方法的“黃金準(zhǔn)則”分析區(qū)域能源分配，研究在不同碳排放約束情況下Pinch分析方法所得出的結(jié)論，將最少使用零碳排放燃料目標(biāo)函數(shù)和區(qū)域碳排放約束條件用圖表清晰展現(xiàn)，并用MATLAB對模型進行求解，驗證Pinch分析方法的可行性和正確性，保證每個地區(qū)在碳排放約束條件下既滿足能源的需求和供給及每個區(qū)域的碳排放約束，又使所使用的零碳排放燃料最少.然而，用Pinch分析方法分析能源的配置問題還存在局限性，這種分析方法只能分析在能源消耗中的一種污染排放，各國政府將碳排放作為發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要決策，因此本文主要考慮碳排放.Pinch分析方法在能源管理中也可以分析更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，尤其在研究初步的能量規(guī)劃中非常有效.在能量規(guī)劃中，這種方法還可以運用于其他約束條件下，如碳排放因子可以用特定的成本代替，這時Pinch分析方法就成為成本約束下的能量規(guī)劃問題.今后可以考慮模型中多種約束條件，不僅考慮碳排放限制約束條件，還可以考慮資金成本、生產(chǎn)制造成本、運輸成本、生產(chǎn)能力等約束條件.

［1］宮輝.低碳風(fēng)暴對航空運輸業(yè)的影響及對策［J］.運輸管理，2010(1):55－58.

［2］尚慶琛.基于環(huán)境經(jīng)濟學(xué)的綠色供應(yīng)鏈評價指標(biāo)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報，2006，27(S1):123－128.

［3］張式軍.可再生能源配額制研究［J］.中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2007，7(2):19－23.

［4］FOO D C Y ，TAN R R，NG D K S.Carbon and footprint－constrained energy planning using cascade analysis technique［J］.Energy，2008，33(10):1480－1488.

［5］張君瑛，吳喜平，沈凱，等.冷熱電三聯(lián)供供能系統(tǒng)的清潔發(fā)展機制項目分析［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報，2008，29(4):60－64.

［6］SCHROOTEN L，DE VLIEGER I，PANIS L I，et al.Emissions of maritime transport:a European reference system［J］.Sci Total Environ，2009，408(2):318－323.

［7］LAM H L，VARBANOV P S，KLEMEA J.Optimisation of regional energy supply chains utilising renewable P－graph approach［J］.Computers ＆Chem Eng，2010，34(5):782－792.

［8］LAM H L，VARBANOV P，KLEME? J.Minimising carbon footprint of regional biomass supply chains［J］.Resource，Conservation ＆ Recycling，2010，54(5):303－309.

［9］李琦，孫根年，韓亞芬.中國能源足跡的區(qū)域差異及影響因素分析［J］.統(tǒng)計與決策，2010(19):111－113.

［10］陳軍.中國非可再生能源的區(qū)域優(yōu)化配置［J］.經(jīng)濟管理，2010，32(6):1－8.

［11］陳曉紅，王涉昀.歐洲碳排放權(quán)交易價格機制的實證研究［J］.科學(xué)進步與對策，2010，27(19):142－146.

［12］張穎菁，劉娟娟.基于博弈模型的綠色物流稅收策略［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報，2010，31(1):52－55.

［13］EBRAHIM M.Pinch technology:an efficient tool for chemical－plant energy and capital－cost saving［J］.Appl Energy，2000(65):40－45.

［14］LEE Sin Cherng，NG Denny Kok Sum ，F(xiàn)OO Dominic Chwan Yee，et al.Extended Pinch targeting techniques for carbon－constrained energy sector planning［J］.Appl Energy，2009，86(1):60－67.

［15］AGRAWAL V，SHENOY U V.Unified conceptual approach to targeting and design of water and hydrogen networks［J］.AIChE，2006，52(3):1071－1082.

［16］TAN Raymond R，F(xiàn)OO Dominic Chwan Yee，AVISO K B，et al.The use of graphical Pinch analysis for visualizing water footprint constraints in biofuel production［J］.Appl Energy，2009，86(5):605－609.