李 爽，曹文敬，陸 彬

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 徐州 221006)

一 引言

能源是一國(guó)社會(huì)和諧與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)前提，是人類賴以生存最為本質(zhì)的一種物質(zhì)。目前，我們所使用的能源大多數(shù)是不可再生的，如石油、煤炭、天然氣等。據(jù)世界知名能源企業(yè)英國(guó)石油公司(BP)發(fā)布的《2013 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》可知［1］，目前全球已探明的石油儲(chǔ)量為2 358 億噸，以目前的開采速度還能開采50年;煤炭?jī)?chǔ)量為860 938 百萬(wàn)噸，以目前的開采速度還可開采100年;天然氣儲(chǔ)量為187.3 萬(wàn)億立方米，以目前的開采速度還能開采50年。而現(xiàn)如今世界能源的消費(fèi)量正以每年2%的速度增長(zhǎng)，且主要消耗的能源依舊為煤炭和石油等傳統(tǒng)化石能源。此外，這些能源的使用過(guò)程中會(huì)伴隨著大量二氧化硫、氮氧化合物、二氧化碳以及煙塵等污染物，造成環(huán)境污染。因此，合理利用能源已經(jīng)受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，有關(guān)能源問(wèn)題的研究也逐漸顯現(xiàn)其重要性。就目前形勢(shì)而言，能源問(wèn)題已經(jīng)不單單是一個(gè)國(guó)家內(nèi)部的短暫的問(wèn)題，而是一個(gè)全球化的長(zhǎng)期問(wèn)題。

在人類大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，大量消耗能源的同時(shí)所排放的大量二氧化碳等溫室氣體，已使其在大氣中的濃度急劇增加，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了大自然的吸收能力，使得全球氣候變暖，并逐步發(fā)展成為一個(gè)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題［2］。2005年，隨著人類首次以法規(guī)形式對(duì)溫室氣體排放進(jìn)行限制的文件《京都議定書》的正式生效，低碳經(jīng)濟(jì)逐步被人們接受，低碳生活以及構(gòu)建低碳社會(huì)也逐漸成了全球共識(shí)。目前為了能夠更好地解決能源與環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)現(xiàn)已將環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源納入我國(guó)的基本國(guó)策。

“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念最早是由英國(guó)首相布萊爾在《我們能源的未來(lái):創(chuàng)建低碳經(jīng)濟(jì)》中提出的［3］。魯賓斯德認(rèn)為，低碳經(jīng)濟(jì)是一種正在興起的經(jīng)濟(jì)模式，其核心是在市場(chǎng)機(jī)制基礎(chǔ)上，通過(guò)制度框架和政策措施的制定和創(chuàng)新，推動(dòng)提高能效技術(shù)、節(jié)約能源技術(shù)、可再生能源技術(shù)和溫室氣體減排技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用，促進(jìn)整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)朝向高能效、低能耗和低碳排放的模式轉(zhuǎn)型［4］。國(guó)外學(xué)者對(duì)于能源結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化的研究主要集中于資源經(jīng)濟(jì)學(xué)、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展等方面，研究的著眼點(diǎn)主要是石油和電力。一些學(xué)者從不同能源之間(包括煤炭、石油、天然氣和電力)的替代關(guān)系或者互補(bǔ)關(guān)系對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的探討。如Nordhaus，Hout hakker 和Solow 的文章首先建立了分部門研究能源消費(fèi)的框架，隨后的文章都是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的［5］。Mar 和Bakken 將經(jīng)典控制論的思想引入能源—經(jīng)濟(jì)模型，分析了一次能源結(jié)構(gòu)的變化［6］。Symons，Proops 和Gay 模擬了英國(guó)不同碳稅和消費(fèi)者需求下的二氧化碳排放，同時(shí)得到不同的能源消費(fèi)組合［7］。而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于能源結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化的研究主要集中在能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展上，研究的著眼點(diǎn)主要是煤炭，這與我國(guó)能源生產(chǎn)/消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占能源總量的百分之七十以上是有必然聯(lián)系的。李瀟(2014)運(yùn)用多目標(biāo)決策方法，構(gòu)建了低碳經(jīng)濟(jì)約束下的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型，其中多目標(biāo)為二氧化碳排放目標(biāo)，能源消費(fèi)總目標(biāo)，煤炭、石油、天然氣和非化石能源消費(fèi)目標(biāo)［8］。范德成、王韶華、張偉(2012)通過(guò)路徑分析測(cè)算一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的各影響因素對(duì)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的總影響、直接影響和間接影響，得出了影響機(jī)理。并基于此，通過(guò)嶺回歸方法構(gòu)建了一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)模型［9］。劉振元(2011)通過(guò)對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的分析，建議從能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、能源技術(shù)創(chuàng)新、能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源體質(zhì)結(jié)構(gòu)、能源管理方式等多方面采取措施來(lái)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)［10］。徐東、劉清志、王臻(2011)從我國(guó)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展不平衡、低碳經(jīng)濟(jì)的要求、國(guó)際形勢(shì)施加的壓力分析了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要性，從我國(guó)水電發(fā)展空間、核技術(shù)發(fā)展水平、能源使用效率的潛力等方面分析了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性［11］。李仁鵬(2015)通過(guò)分析我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源消耗、二氧化碳排放的現(xiàn)狀以及我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)及原則，從管理制度、技術(shù)、政策三個(gè)方面提出了優(yōu)化我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的建議［12］。

二 低碳目標(biāo)約束下我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建思路

(一)構(gòu)建思路

目前我國(guó)能源生產(chǎn)主要是以煤炭為主，然而要滿足未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)能源需求的日益加大，主要有兩種解決方法:(1)繼續(xù)維持我國(guó)目前的能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)，以煤炭為核心，然而這將使得我們不得不面對(duì)煤炭在生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程中所帶來(lái)的一系列附加的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)問(wèn)題;(2)使我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向多樣化、優(yōu)質(zhì)化的方向發(fā)展，將核能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔可再生能源作為替代能源，在我國(guó)建立一個(gè)清潔、高效、可持續(xù)的能源系統(tǒng)。在如今我國(guó)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀的限制下，怎樣在同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩個(gè)目標(biāo)的前提下，對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化成了一個(gè)主要問(wèn)題。

本文對(duì)于低碳目標(biāo)約束下我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建的主要思路為對(duì)碳排放控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)進(jìn)行分解，確定多目標(biāo)優(yōu)化模型的目標(biāo)和約束，并深入分析碳排放系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的約束條件，確定多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束條件，如圖1 所示:

1.碳排放控制系統(tǒng)

碳排放指的是溫室氣體的排放，其中主要為二氧化碳的排放，本文研究的碳排放主要是指由化石燃料的燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳的排放?；剂先紵欧诺亩趸剂康挠?jì)算，是用具體的能源消費(fèi)量，包括煤炭、石油等，乘以各自的二氧化碳排放系數(shù)，從而得出二氧化碳的排放量。公式表達(dá)為:

圖1 我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及調(diào)整的分析模型

2.經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)主要考慮經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源消費(fèi)之間的相互影響，以經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)作為能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提供經(jīng)濟(jì)約束，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的主要作用是確保優(yōu)化后的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的總成本最低，這樣才能使得能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整更加可行。本文在研究低碳目標(biāo)約束下我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)主要考慮兩方面的成本，二氧化碳排放的外部環(huán)境成本和能源消費(fèi)成本。二氧化碳排放的外部環(huán)境成本主要計(jì)算方式是用二氧化碳排放量乘以單位二氧化碳排放量的外部排放成本［13］，公式表達(dá)為:

能源消費(fèi)成本就是消費(fèi)一單位能源的成本，公示表達(dá)為:

3.能源消費(fèi)系統(tǒng)

與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)類似，能源系統(tǒng)的作用在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)保證能源需求得到滿足。本文依據(jù)《中國(guó)能源中長(zhǎng)期(2030年、2050年)發(fā)展戰(zhàn)略研究》［14］中對(duì)2020年、2030年我國(guó)能源消費(fèi)量的預(yù)測(cè)，改變能源系統(tǒng)約束的閥值，進(jìn)一步研究低碳目標(biāo)約束下我國(guó)中長(zhǎng)期能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。公式表達(dá)為:

(二)多目標(biāo)優(yōu)化模型［15－16］

本文采用多目標(biāo)規(guī)劃方法建立優(yōu)化模型，依據(jù)不同情境假設(shè)設(shè)定需要實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)體系的目標(biāo)和該情境假設(shè)下的各種約束進(jìn)行決策方案選擇，注重可行方案的替代性和所需實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的選擇性。

多目標(biāo)決策方法中的決策變量存在離散和連續(xù)兩種情況，需要分別采用離散決策技術(shù)和連續(xù)決策技術(shù)。本文從控制碳排放的視角研究我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，因此本文所研究的問(wèn)題是一個(gè)決策變量為連續(xù)且具有無(wú)限方案的決策問(wèn)題，所以選用連續(xù)決策技術(shù)中的加權(quán)法來(lái)解決問(wèn)題。

1.模型基本假設(shè)［17］

在依據(jù)模型構(gòu)建思路建立低碳目標(biāo)約束下我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型時(shí)，需要對(duì)一些條件進(jìn)行假設(shè)，具體如下:

(1)假設(shè)模型以能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為手段以實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(2)假設(shè)我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持持續(xù)增長(zhǎng)，且能源消費(fèi)量隨之增長(zhǎng)，技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及管理水平提升對(duì)能源消費(fèi)無(wú)影響。

(3)假設(shè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的根本動(dòng)力是實(shí)現(xiàn)成本最小化，即能源消費(fèi)成本和二氧化碳排放成本的最小化。

(4)假設(shè)二氧化碳排放僅來(lái)自于化石燃料的燃燒，在本文的研究中，包括煤、石油、天然氣和電力四種。

2.模型構(gòu)建

本文設(shè)定的決策變量為煤(x1)、石油(x2)、天然氣(x3)、電力(包括水電、核電、風(fēng)電及其他)(x4)四種一次能源的消費(fèi)量。

基于加權(quán)法的多目標(biāo)優(yōu)化模型的形式為:

其中Rn→R，p≥2

若目標(biāo)函數(shù)Zk(X)(k=1，2，…，p)和約束gi(X)(i=1，2，…，m)均為線性函數(shù)，那么經(jīng)過(guò)加權(quán)后將轉(zhuǎn)換成一個(gè)線性規(guī)劃問(wèn)題，可以用單純形法求最優(yōu)解，且該解為該線性規(guī)劃的非劣解。

若Zk(X)(k=1，2，…，p)和gi(X)(i=1，2，…，m)中存在非線性函數(shù)，那么該多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題為一個(gè)非線性問(wèn)題，可以用K－T 方法等求最優(yōu)解，該解也為非劣解。

權(quán)數(shù)ω 是依據(jù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)Z1(X)，Z2(X)，…，Zp(X)的重要程度的評(píng)估所確定的，其取值滿足且ωk取不同的值，加權(quán)后的目標(biāo)函數(shù)就不同，得到的最優(yōu)解就不同，則可以得到不同的非劣解。

本文設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)是能源消費(fèi)成本和二氧化碳排放的外部環(huán)境成本最小，則目標(biāo)函數(shù)為:

其加權(quán)形式為:

根據(jù)上文的模型框架，可以設(shè)置目標(biāo)函數(shù)的約束條件為:

(3)我國(guó)未來(lái)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化區(qū)間為:

則預(yù)計(jì)各地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化范圍如表1所示

(4)非負(fù)約束:xi≥o

表1 2020年我國(guó)各種能源消費(fèi)變動(dòng)范圍

(三)模型數(shù)據(jù)處理

(1)能源需求預(yù)測(cè)

中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目研究成果《中國(guó)能源中長(zhǎng)期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》［14］基于我國(guó)資源環(huán)境的限制及我國(guó)能源供應(yīng)實(shí)際狀況，對(duì)我國(guó)未來(lái)能源消費(fèi)需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)，2020年約為40 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2030年約為45 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2050年?duì)幦⒛茉聪M(fèi)需求控制在50 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤到55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤之間。本文將依據(jù)該研究對(duì)我國(guó)能源未來(lái)消費(fèi)需求的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。2020－2050年我國(guó)能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)如表2，2020年各地區(qū)能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)如表3 所示。

表2 未來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)值單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

表3 各地區(qū)能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)值單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

(2)二氧化碳排放量控制值

中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目研究成果《中國(guó)能源中長(zhǎng)期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》［14］中對(duì)于2020年、2030年以及2050年我國(guó)化石燃料燃燒排放的二氧化碳量進(jìn)行了預(yù)測(cè)和控制。2020年為84－88 億噸，2030年80－86 億噸，而到2050年我國(guó)化石能源燃燒排放的二氧化碳量將為77－83億噸，如表4 所示。根據(jù)以上預(yù)測(cè)，本文對(duì)于未來(lái)我國(guó)二氧化碳排放量的控制值分別選取2020年85 億噸，2030年80億噸，2040年75 億噸，2050年70 億噸。此外，根據(jù)對(duì)我國(guó)2020年二氧化碳總體排放的控制并結(jié)合各地區(qū)情況，對(duì)各地區(qū)二氧化碳排放進(jìn)行控制，如表5 所示。

表4 未來(lái)我國(guó)二氧化碳排放量控制值單位:億噸

表5 各地區(qū)二氧化碳排放量控制值單位:億噸

(3)能源消費(fèi)成本

對(duì)我國(guó)未來(lái)能源消費(fèi)成本進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，主要采用單位能源投資成本而非價(jià)格來(lái)表示，且不考慮能源的進(jìn)口，根據(jù)《中國(guó)能源研究報(bào)告－區(qū)域篇》［18］預(yù)測(cè)結(jié)果，2020－2050年各種能源單位能源投資費(fèi)用的預(yù)測(cè)值如表6 所示。

表6 單位能源投資費(fèi)用單位:元/每噸標(biāo)準(zhǔn)煤

(4)二氧化碳的外部排放成本

根據(jù)專家的研究結(jié)果，確定以碳計(jì)各種能源碳排放系數(shù)分別為煤炭0.656t/tce、石油0.586t/tce、天然氣0.442t/tce［19］，而一噸碳在氧氣中燃燒后大約能夠產(chǎn)生3.67 噸二氧化碳，所以煤炭、石油、天然氣排放二氧化碳的系數(shù)為2.408t/tce、2.151t/tce、1.622t/tce。此外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，本文對(duì)二氧化碳的外部排放成本取50 美元/噸，按目前匯率6.15 折算人民幣為307.5 元/噸。因此各種能源的二氧化碳外部排放成本則如表7 中所示。

表7 二氧化碳排放系數(shù)及其外部排放成本

(5)ω1和ω2的取值

在對(duì)ω1和ω2進(jìn)行取值時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn):

a.改變權(quán)重ωi值，尋找非劣解時(shí)，不能夠太快，否則有可能會(huì)越過(guò)某個(gè)極點(diǎn)，漏掉一些真正的非劣解。

b.權(quán)重ωi值不能為負(fù)數(shù)，對(duì)于目標(biāo)函數(shù)Z(x)來(lái)說(shuō)，權(quán)重ωi值為負(fù)就意味著極大化問(wèn)題被轉(zhuǎn)化成了極小化問(wèn)題，這樣通過(guò)多目標(biāo)規(guī)劃找的解就很可能是劣解。

c.對(duì)目標(biāo)函數(shù)多且約束多得多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解是一項(xiàng)工作量大且復(fù)雜的工作，而且還不一定能夠求出全部非劣解，然而雖然存在這一問(wèn)題，但運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃法依舊能夠找到問(wèn)題的部分非劣解。

本文在模型運(yùn)算中對(duì)兩個(gè)目標(biāo)取相同的權(quán)數(shù)，即(ω1，ω2)=(1，1)。

三 低碳目標(biāo)約束下我國(guó)各地區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

本文將我國(guó)各地區(qū)劃分為以下六個(gè)區(qū)域:華北地區(qū)、華東地區(qū)、東北地區(qū)、中南地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)。并根據(jù)上述建模思路構(gòu)建如下多目標(biāo)優(yōu)化模型，并將各地區(qū)參數(shù)代入計(jì)算，獲得各地區(qū)2020年低碳目標(biāo)約束下能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

(一)華北地區(qū)

以京津唐為核心的華北地區(qū)，工業(yè)基礎(chǔ)較好，經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中對(duì)于能源的消耗主要集中在煤炭，然而隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們低碳意識(shí)逐漸加強(qiáng)，以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在逐步發(fā)生改變，從表8 中看出，只有山西和內(nèi)蒙古兩個(gè)煤炭生產(chǎn)基地達(dá)到79.13%和77.10%，北京、天津和河北的煤炭消費(fèi)占地區(qū)能源消費(fèi)總量比重在2020年基本在40%到60%，石油消費(fèi)基本占了20%到25%，在天然氣消費(fèi)方面，2020年北京地區(qū)天然氣消費(fèi)量占到了北京地區(qū)能源消費(fèi)總量的25.4%，而在電力消費(fèi)方面，由于技術(shù)及成本的問(wèn)題，電力的發(fā)展還是比較緩慢，基本維持在10%。

(二)東北地區(qū)

東北地區(qū)是我國(guó)的老工業(yè)基地，工業(yè)發(fā)展較好，對(duì)于能源的需求也比較大，由于東北三省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相當(dāng)，對(duì)于能源的需求也基本相似，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)差別也不大，從表9 中可以看出，2020年?yáng)|北地區(qū)能源消費(fèi)依舊以煤炭為主，其次為石油，而東北地區(qū)在2020年對(duì)于天然氣和電力的消費(fèi)量依舊較低。

(三)華東地區(qū)

以長(zhǎng)三角為中心的華東地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，對(duì)于能源的需求也相對(duì)比較大，而華東地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為平均，各地區(qū)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也大致相似。如表10所示，到2020年華東地區(qū)的能源消費(fèi)依舊主要以煤炭為主，而由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致其對(duì)各種能源消費(fèi)的需求不同，華東地區(qū)各地煤炭消費(fèi)占比從43.91%到69.72%不等，石油消費(fèi)除安徽外基本在20%到30%之間，天然氣消費(fèi)占比基本為10%，電力由于受到整體行業(yè)的制約，占比不是很大。

表8 華北地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

表9 東北地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

(四)中南地區(qū)

中南地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異比較大，對(duì)于各種能源的需求也大相徑庭，如表11 所示，廣東和海南兩省的能源消費(fèi)主要以石油為主，分別占到了51.53%和44.92%，而煤炭消費(fèi)僅占29.97%和32.23%，其他地區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)依舊以煤炭為主，其中河南的能源消費(fèi)占到了河南能源消費(fèi)總量的80.9%。

表10 華東地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

表11 中南地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

(五)西南地區(qū)

西南地區(qū)由于地理位置、氣候和交通等原因，經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較緩慢，工業(yè)基礎(chǔ)也相對(duì)較為薄弱，對(duì)能源的需求量也并不是很大，如表12 所示，各地區(qū)能源消費(fèi)在2020年依舊以煤炭為主，其次是石油占20%左右。此外，從表中可以看出，四川地區(qū)電力消費(fèi)在2020年將達(dá)到31.88%。

(六)西北地區(qū)

西北地區(qū)地處偏遠(yuǎn)，交通不便，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)發(fā)展大大落后東部地區(qū)，而在2020年西北各地區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)差別較大，陜西、甘肅和寧夏煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的57.01%、68.64%、60.23%，青海和新疆煤炭占比分別為32.42%和36.91%，在石油消費(fèi)方面新疆石油消費(fèi)占比達(dá)到34.62%，其他地區(qū)石油消費(fèi)占比基本在20%左右，2020年西北地區(qū)天然氣消費(fèi)在其能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)比較重要的地位，新疆和陜西分別占到了22.94%和22.08%，此外青海2020年的電力消費(fèi)占到了34.61%。

表12 西南地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

表13 西北地區(qū)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

四 低碳目標(biāo)約束下我國(guó)中長(zhǎng)期能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(一)模型運(yùn)算結(jié)果

根據(jù)上述建立的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，結(jié)合數(shù)據(jù)，獲得如下我國(guó)2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型。

對(duì)上述模型運(yùn)用Matlab7.0 對(duì)其進(jìn)行求解，并通過(guò)對(duì)閥值進(jìn)行調(diào)整，獲得2030年、2040年以及2050年我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，所得結(jié)果如表14 所示。

(二)模型優(yōu)化結(jié)果分析

(1)根據(jù)圖2 中模型優(yōu)化后未來(lái)我國(guó)二氧化碳排放情況與目前二氧化碳排放趨勢(shì)的對(duì)比下可以看出，將低碳約束引入模型后，碳排放量得到了有效的控制，到2050年我國(guó)化石燃料燃燒排放的二氧化碳量大致能控制在80 億噸左右。

(2)從控制碳排放出發(fā)，將碳排放控制系統(tǒng)引入模型中，使得煤炭的消費(fèi)量在能源總消費(fèi)量中所占比例逐漸下降，從目前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，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)相對(duì)于煤炭和石油，燃燒天然氣所排放的二氧化碳較少，且天然氣目前價(jià)格相對(duì)合適，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，模型中天然氣的消費(fèi)量在能源總消費(fèi)中的比重將逐漸加大，如圖3 所示。

(4)隨著水電、核電、風(fēng)電等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)低碳越來(lái)越重視，電力作為一種清潔的替代能源的作用越來(lái)越明顯，電力在能源消費(fèi)總量中所占的比重逐漸增加，從2020年的10%增加到2025年的27.31%，其在未來(lái)的發(fā)展情況如圖3 所示。

表14 多目標(biāo)優(yōu)化模型運(yùn)算結(jié)果 單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤

圖2 化石燃料燃燒排放二氧化碳量(單位:億噸)

圖3 未來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)(單位:百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤)

五 結(jié)論

(1)煤炭的核心地位逐漸下降

從控制碳排放以及能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的角度對(duì)我國(guó)未來(lái)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的分析看，由于煤炭在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，使得其在未來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比重逐漸下降。然而，由于我國(guó)資源條件特征，煤炭依舊會(huì)在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)著比較重要的地位，從圖3中可以看出，在未來(lái)煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重基本維持在40%左右。

(2)石油和天然氣的消費(fèi)逐步增加

隨著未來(lái)我國(guó)煤炭消費(fèi)的逐漸下降，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也逐步由以煤炭為主向以煤炭和油氣為主轉(zhuǎn)變。然而由于我國(guó)石油資源的貧乏，未來(lái)我國(guó)石油消費(fèi)在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重基本維持在20%到25%之間。天然氣作為一種相對(duì)煤炭和石油較為清潔的能源，排放的二氧化碳更少且價(jià)格適宜，在未來(lái)將會(huì)獲得快速的發(fā)展。

(3)水電、核電及其他能發(fā)電將獲得快速發(fā)展

從模型中設(shè)定的低碳角度看，在未來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)中發(fā)展最快的將是水電、核電及其他能源發(fā)電。水電和核電在電力生產(chǎn)過(guò)程中污染物的排放較小，并且我國(guó)擁有世界上最豐富的水資源和比較豐富的核能資源，此外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的新型清潔能源被開發(fā)利用，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等。因此，在未來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，電力將發(fā)揮著重要的替代能源作用。

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