于雪嬌，姜華德

（云南財(cái)經(jīng)大學(xué)，昆明 650221）

云南省2015年碳排放約束下的能源結(jié)構(gòu)研究

于雪嬌，姜華德

（云南財(cái)經(jīng)大學(xué)，昆明 650221）

利用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)云南省2015年能源需求總量約為13813.53萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，地區(qū)生產(chǎn)總值大概在15482.0979億元；再利用云南有碳與無碳能源發(fā)展作為約束條件，以碳排放量最小化為目標(biāo)函數(shù)建立L.P.模型，計(jì)算出2015年云南省大概排放256.76百萬公噸二氧化碳，相當(dāng)于1.66公噸二氧化碳/億元地區(qū)生產(chǎn)總值，比2010年每億元地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量為2.33公噸，降低28.76%，成功實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

能源；二氧化碳排放；灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型；能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引 言

全球氣候變暖問題是人類迄今面臨的最重大環(huán)境問題，也是21世紀(jì)人類面臨的最復(fù)雜挑戰(zhàn)之一。據(jù)預(yù)計(jì)，到 2030 年世界能源消耗將增加 70%，按照2006年國際能源展望觀點(diǎn)，全世界使用的主要燃料仍然是石化燃料，其中主要是石油，這將導(dǎo)致二氧化碳排放的大幅增加。大氣中二氧化碳濃度的增加將導(dǎo)致大氣溫度上升，如果一直使用目前的技術(shù)，到 2100 年全球的氣溫將上升6攝氏度，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成巨大影響。人類活動(dòng)導(dǎo)致的以二氧化碳為主的溫室氣體的排放是全球變暖的主要原因。作為世界的一份子，中國的氣候也發(fā)生了明顯變化，并影響到了中國的水資源、農(nóng)業(yè)、陸地生態(tài)系統(tǒng)、海岸帶和近海生態(tài)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步應(yīng)對(duì)氣候變化，中國決定到2020年把單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年降低40%—45%，作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長期規(guī)劃。自這個(gè)碳強(qiáng)度目標(biāo)被提出以來，云南省也相應(yīng)的提出降低單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放：“十一五”規(guī)劃中要求2010年單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年降低17%，“十二五”規(guī)劃中更是要求2015年單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2010年降低20%，前一個(gè)目標(biāo)云南省已經(jīng)順利完成，而后一個(gè)目標(biāo)能不能實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要怎么調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，這是本文主要的研究目的。

國內(nèi)外已經(jīng)做了很多關(guān)于能源結(jié)構(gòu)的研究。Azar、Lindgren和Andersson［1］基于單個(gè)交通部門討論了二氧化碳約束下的燃料替代。ToL［2］建立了一個(gè)宏觀模型，討論IPCC各種情形下美國的碳排放以及相應(yīng)的電源結(jié)構(gòu)。李潔［3］分析了內(nèi)蒙古自治區(qū)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，一直以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了低效高耗的能源利用方式和突出的生態(tài)環(huán)境問題，發(fā)現(xiàn)目前內(nèi)蒙古能源結(jié)構(gòu)不合理，對(duì)內(nèi)蒙古可持續(xù)發(fā)展的不利，通過建立模型為未來內(nèi)蒙古能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提出具體的量化目標(biāo)，以目標(biāo)為基礎(chǔ)研究提出了內(nèi)蒙古能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的戰(zhàn)略構(gòu)想及政策措施。李延明、張傳平［4］運(yùn)用時(shí)間序列與線性規(guī)劃分析2020年中國的能源結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)中國2020年能源需求量，再利用中國有碳與物探能源發(fā)展作為約束條件，以碳排放最小化為目標(biāo)函數(shù)，建立L.P.模型，計(jì)算出中國2020年的二氧化碳排放量，以及屆時(shí)的各種能源需求。趙柳榕、田立新［5］對(duì)西部能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提出了能源結(jié)構(gòu)的Logistic模型，對(duì)模型中的經(jīng)濟(jì)增長系數(shù)及煤的需求最大缺口量進(jìn)行了預(yù)測(cè)估計(jì)，定量分析了未來 年能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。云南省作為一個(gè)旅游大省，氣候的好壞與其發(fā)展息息相關(guān)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的研究。

一　模型建立與預(yù)測(cè)

（一）灰色系統(tǒng)模型

灰色理論通過數(shù)的不同生成方式、數(shù)據(jù)的不同取舍、不同級(jí)別的殘差GM模型，來調(diào)整、修正、提高精度。對(duì)高階系統(tǒng)建模灰色理論是通過GM（1，m）模型群解決。GM模型群即由一階微分方程組組成的灰色模型。GM模型所得數(shù)據(jù)必須經(jīng)過逆生成即累減生成做還原后才能應(yīng)用。而此文主要介紹GM（1，1），字母G與M分別表示表示Grey與Model，前一個(gè)“1”表示一階，后一個(gè)“1”表示一個(gè)變量，GM（1， 1）則表示為一階單變量的微分方程模型。給定等時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)列，且設(shè)數(shù)據(jù)列單調(diào)：

通過近似可得到最后的預(yù)測(cè)模型：

通過創(chuàng)建GM模型，可以得到未來的預(yù)測(cè)值，但是，這個(gè)模型是否能進(jìn)行預(yù)測(cè)還需要進(jìn)行檢驗(yàn)。只有通過檢驗(yàn)的模型才能進(jìn)行預(yù)測(cè)?；疑Ｐ偷慕?yōu)劣精度通常用后驗(yàn)差檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析。一般情況下，常用的是殘差檢驗(yàn)，最常用的是相對(duì)誤差檢驗(yàn)指標(biāo)。

（二）模型預(yù)測(cè)

本文選取云南省2000-2011十一年的云南能源需求總量、煤炭、石油、天然氣以及地區(qū)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)，基于以上GM（1， 1）理論，運(yùn)用MATLAB 軟件建模分析進(jìn)而得到預(yù)測(cè)值。

根據(jù)云南統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2011年云南一次能源消費(fèi)總量為9540.28萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭占55.97%，石油占14.88%，天然氣占0.53%，一次電占27.72%［6］。2011年的能源效率為69.98%，其中發(fā)電的效率為36.62%［7］。云南省2015年能源需求總量、煤炭、石油、天然氣以及地區(qū)生產(chǎn)總值預(yù)測(cè)是能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本文將采用運(yùn)用GM（1，1）模型（灰色系統(tǒng)模型）進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表1　云南省能源需求總量實(shí)際值、預(yù)測(cè)值、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差表

預(yù)測(cè)到2015年云南能源需求量約為13813.53萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

繼續(xù)對(duì)云南省煤炭需求量、石油需求、天然氣需求、地區(qū)生產(chǎn)總值進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如下表：見表2

表2　2015年云南能源、煤炭、石油、天然氣需求量以及地區(qū)生產(chǎn)總值預(yù)測(cè)值

從以上各種預(yù)測(cè)可知，云南省“十二五”規(guī)劃年均地區(qū)生產(chǎn)總值增速均為16%，拋開通貨膨脹率，其地區(qū)生產(chǎn)總值增速在12%左右，因此，基于灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)云南省2015年能源需求量約為13813.53萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤是可以接受的。

二　云南省能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與建模優(yōu)化

（一）能源現(xiàn)狀分析

1、碳能源分析

云南省煤炭資源較豐富，在南方十四個(gè)省（區(qū)）中居第二位，煤炭資源總量約為691億噸， 其中探明儲(chǔ)量252187億噸 ， 2000年末保有儲(chǔ)量246149億噸。2011年云南煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)占一次能源總量70%以上。

云南省石油、天然氣資源匱乏，基本需從外省引入。2011年云南省石油消費(fèi)總量大概為1419.59萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消費(fèi)總量的14.88%。云南生產(chǎn)的石油只有0.04萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其余均需從外引入。云南天然氣和石油的情況相似，2011年消費(fèi)天然氣大概為50.56萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消費(fèi)總量的0.53%，而2011年生產(chǎn)的天然氣約為0.06億立方米，合計(jì)0.80萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

2、清潔能源分析

云南省水能資源豐富，水能資源理論蘊(yùn)藏量為10364萬千瓦，約占全國總蘊(yùn)藏量15.3%，低于西藏、四川，居全國第三位。截至2011年末，云南省水電總裝機(jī)2953.82萬千瓦，完成1007.41億千瓦時(shí)，占發(fā)電總量的64.78%，同比增長23.79%。根據(jù)目前規(guī)劃，到2015年，全省裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到8826萬千瓦，其中水電6462萬千瓦，根據(jù)目前的水力發(fā)電效率，至2015年云南省水電發(fā)電量將達(dá)2900億千瓦時(shí)。

云南擁有全國優(yōu)質(zhì)的太陽光能資源。云南全省太陽能資源量異常豐富，可以開發(fā)的太陽能儲(chǔ)量達(dá)到75.75%，相當(dāng)于555.88億噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量，云南太陽能發(fā)電裝機(jī)可達(dá)到1.5億千瓦以上，超過水電可裝機(jī)容量的50%。到2010年底，云南太陽能裝機(jī)容量為2萬千瓦。根據(jù)目前掌握的情況，2011年—2015年期間，預(yù)計(jì)新增光伏電站裝機(jī)21.89萬千瓦，年發(fā)電量達(dá)到7.82億千瓦時(shí)。

云南多數(shù)山區(qū)風(fēng)能分布廣泛， 冬春季極具開發(fā)價(jià)值， 風(fēng)能地形效應(yīng)顯著， 風(fēng)向穩(wěn)定， 風(fēng)力機(jī)安全性高， 為進(jìn)一步開發(fā)利用云南風(fēng)能資源提供了科學(xué)依據(jù)。云南部分地區(qū)不僅年平均風(fēng)速超過3.5m/s，且風(fēng)季（恰逢干季） 風(fēng)速均達(dá)4.5m/s。截至2010年底，云南省風(fēng)能總裝機(jī)容量為34.05萬千瓦，預(yù)計(jì)在2011年—2015年期間，新增風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)422.05萬千瓦，年發(fā)電量達(dá)到155億千瓦時(shí)。云南省預(yù)計(jì)到2015年新增生物質(zhì)能源8萬千瓦，年發(fā)電量約為3億千瓦時(shí)。

3、二氧化碳排放分析

根據(jù)云南日?qǐng)?bào)的數(shù)據(jù)，2010年，全省能源消費(fèi)總量為8674萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比2005年增加42.76%，因能源利用而排放的二氧化碳為168.65百萬公噸，比2005年增加41.8%。云南省“十二五”低碳節(jié)能減排目標(biāo)是 ：到2015年云南省低碳目標(biāo)是單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放要比2010年下降20%。根據(jù)這個(gè)目標(biāo)，2010年排放量為168.65百萬公噸，同年地區(qū)生產(chǎn)總值為7224.18億元，每億元地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量為2.33公噸，按照下降20%計(jì)算，云南省2015年每億元地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量為1.86公噸，而根據(jù)預(yù)測(cè)云南省2015年地區(qū)生產(chǎn)總值約為15482.10億元，二氧化碳排放總量應(yīng)該控制在287.97百萬公噸以下。

（二）能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型及結(jié)果

1、模型設(shè)定

以碳排放量最小化作為目標(biāo)函數(shù)，用上述數(shù)據(jù)作為能源供應(yīng)的約束條件，從而建立線性規(guī)劃模型，得出2015年云南省能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案。

在建立模型時(shí)我們做了以下假設(shè)：

（1）云南省經(jīng)濟(jì)能夠持續(xù)的增長，不會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)；

（2）石油、天然氣能夠滿足云南的需求；

（3）云南省各種清潔能源能夠順利實(shí)現(xiàn)；

（4）預(yù)測(cè)時(shí)采用的是2011年能源的各種消費(fèi)構(gòu)成，假定2015年的消費(fèi)構(gòu)成與2011年相似。

2、模型變量設(shè)定與計(jì)算

模型中的變量都是關(guān)于能源消耗量的，因此設(shè)定如下變量：

煤炭的供應(yīng)量應(yīng)該大于煤炭的消耗量，而且根據(jù)2011年的數(shù)據(jù)，云南省大概有7.01%的煤炭用于煉焦，此部分暫時(shí)沒有替代品，需要保留。

因此可得：

萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤

預(yù)測(cè)到云南2015年石油的需求量是2350.449萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，如果根據(jù)2011年云南石油的使用狀況，用于生產(chǎn)其余二次能源的需求量約為1.34%，這部分主要用于汽油、柴油等的生產(chǎn)，不能替代，需要保留。計(jì)算得到2015年這部分的能源需求為31.496萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，所以得：

預(yù)測(cè)云南2015年天然氣的需求量為54.73萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，根據(jù)2011年云南天然氣消費(fèi)情況：用于工業(yè)原料占91.68%，用于城鎮(zhèn)消費(fèi)占5.3%，因此有：

清潔能源主要用于提供電能，因此其約束條件為2015年云南省所有清潔能源能夠提供的最大電力供應(yīng)量之和，

即：2900+7.82+155+3=3065.82億千瓦時(shí)，得：

有碳能源火力發(fā)電所提供的電能以及清潔能源所提供的電能應(yīng)該滿足2015年電力的總需求。根據(jù)所做的預(yù)測(cè)，云南2015年的能源需求量為13813.53萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中約5525萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤用于發(fā)電。根據(jù)云南省目前36.62%的發(fā)電效率，實(shí)際需要2023.255萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，由每萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤約為0.8141億千瓦時(shí)計(jì)算，得到總需求量約為1647.13億千瓦時(shí)的電量，得：

在2011年的能源需求中，用于制氣以及供熱等生活工業(yè)需求的比例在煤炭和石油中分別是2.5%和0.51%，因此可以得出2015年兩者的需求共為204.78萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而天然氣在2015年的需求量約為2.9萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。得：

2011年云南煤炭和石油的終端消費(fèi)各為能源總消費(fèi)量的38.05%和91.83%，根據(jù)2015年兩者的需求預(yù)測(cè)，分別為2934.26萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤和2158.42萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而其中煤炭和石油用于工業(yè)的需求我們假設(shè)的比例為30.53%和13.33%，即2354.35萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤和313.31萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。天然氣在這個(gè)

F290

A

1008-9128（2015）01-0122-04

2014-04-21

于雪嬌（1988-），女，山東威海人，碩士，研究方向：空間計(jì)量。