基于碳排放約束的河北省能源結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化預(yù)測

倪健康 閆海波

◆摘? 要：碳達(dá)峰背景下以碳排放成本最小作為目標(biāo)引導(dǎo)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以河北省為例，綜合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、能源強(qiáng)度、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、碳排放上限等指標(biāo)，構(gòu)建河北省能源發(fā)展多目標(biāo)優(yōu)化決策模型，利用其2006—2017年相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究得到2025年的能源發(fā)展多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果為：河北省煤炭消耗占比降低至66%，石油占比降幅在個位數(shù)以內(nèi)，天然氣和一次電子及其他清潔能源的占比有較大提升，天然氣占比突破到了十個百分點(diǎn)，清潔能源占比達(dá)到了17個百分點(diǎn)。

◆關(guān)鍵詞：多目標(biāo)優(yōu)化決策模型;能源結(jié)構(gòu);碳排放

氣候問題是二十一世紀(jì)以來世界都普遍關(guān)心的問題。從全國的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說，林伯強(qiáng)等指出，中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源需求的階段性特征、節(jié)能減排的基本國策、全球變暖與溫室效應(yīng)的限制，都需要對中國的能源戰(zhàn)略作出相應(yīng)的調(diào)整，在節(jié)能與減排的限制下，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能源結(jié)構(gòu)，范德成等以“十二五”碳排放最低排放指標(biāo)為指導(dǎo)，建立了以經(jīng)濟(jì)增長和節(jié)能減排為目的的線性規(guī)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并對我國能耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。計算了能源結(jié)構(gòu)對碳強(qiáng)度和GDP的貢獻(xiàn)潛力。王彩明等使用馬爾可夫鏈模型，對京、津、冀地區(qū)的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測，并根據(jù)京津冀地區(qū)的不同預(yù)設(shè)情景，對2020年的一次能源消耗進(jìn)行了預(yù)測。

本文以建立數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法構(gòu)建了以碳排放成本最小為目標(biāo)函數(shù)，以萬元gdp能耗、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展約束及碳排放量為約束函數(shù)的預(yù)測2025年河北省能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)模型，得到對河北省2025年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)占比的預(yù)測。

1 研究設(shè)計

1.1目標(biāo)函數(shù)處理

以煤炭、石油、天然氣和清潔能源的消費(fèi)為變量，設(shè)定了最優(yōu)的碳排放成本總量最小。本文采用中國發(fā)改委能源研究所推薦的碳元素排放系數(shù)，整理成表如下。

設(shè)置目標(biāo)函數(shù)如下：

1.2多目標(biāo)約束

1.2.1碳排放約束

2021年河北省政府工作報告指出2025年需要比2020年萬元GDP二氧化碳排放降低19%，由于2020年數(shù)據(jù)空缺，所以結(jié)合《河北省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》提出的：2020年單位GDP二氧化碳排放濃度較 2015 年下降 20.5%。A是2015年單位生產(chǎn)總值的CO2排放濃度，經(jīng)計算為2.560469。[αi]為每種能源的二氧化碳碳排放系數(shù)。

1.2.2萬元GDP能耗約束

2021年河北省政府工作報告指出2025年需要比2020年萬元GDP能耗降低15%，由于2020年數(shù)據(jù)空缺，所以結(jié)合《河北省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》提出的：2020年單位GDP能耗比2015年下降19%。B為2015年單位GDP能耗，經(jīng)計算為0.98622。

1.2.3能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)約束

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。河北能源發(fā)展報告（2020）預(yù)測，我國的煤炭消費(fèi)量每年下降，直到66%左右。天然氣和非化石能源的比例將達(dá)到11%和13%?！笆濉笨稍偕茉窗l(fā)展計劃提出，到2020年我國一次能源消耗的化石能源將達(dá)到20%，2030年達(dá)到15%。

1.2.4經(jīng)濟(jì)約束

本文為了簡化模型并有針對性地分析問題構(gòu)建超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)如下。

使用1980-2017的河北省的數(shù)據(jù)經(jīng)過建立超越對數(shù)模型，t的范圍為1980年至2017年，除此之外，還有非負(fù)約束：[xij]≥0。

2 結(jié)果分析

根據(jù)本文建立的多目標(biāo)決策優(yōu)化模型，得到的優(yōu)化預(yù)測結(jié)果如表所示。

結(jié)果顯示2025年預(yù)測的河北省煤炭消耗占比降低至66%，與2017年全國的水平相當(dāng)。石油占比降幅在個位數(shù)以內(nèi)，天然氣和一次電子及其他清潔能源的占比有較大提升，天然氣突破到了十個百分點(diǎn)，清潔能源達(dá)到了17個百分點(diǎn)是除煤炭外占比最大的能源消耗品種。

煤炭在能源消費(fèi)中所占比例較大，導(dǎo)致能源效率低下，碳排放量大，故能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的空間較大，碳減排潛力較大。基于上述結(jié)果本文提出了以下建議：提高能源使用效率。在大力發(fā)展清潔能源、清潔能源替代技術(shù)的同時，國家要大力支持和支持能源的相關(guān)政策。

參考文獻(xiàn)

[1]林伯強(qiáng)，姚昕，劉希穎.節(jié)能和碳排放約束下的中國能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整[J].中國社會科學(xué)，2010（01）：58-71+222.

[2]范德成，王韶華，張偉.低碳能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建及實(shí)證分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2013，34（07）：939-944.

[3]王彩明，李健.一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整對京津冀碳強(qiáng)度目標(biāo)的貢獻(xiàn)力分析[J].科技管理研究，2017，37（07）：226-233.

作者簡介

倪健康（1997-），男，重慶酉陽人，碩士研究生，主要研究方向大數(shù)據(jù)分析。

閆海波（1997-），男，安徽淮南人，碩士研究生，主要研究方向大數(shù)據(jù)分析。