碳強(qiáng)度和水資源約束下2030年中國(guó)西北五省能源供給規(guī)劃研究

司起步,邱碩,畢勝山,吳江濤

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

工業(yè)革命以來(lái),人類(lèi)大量使用石油、煤炭等化石燃料,造成了二氧化碳的大規(guī)模排放,全球氣候變暖已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí),由此引發(fā)的碳排放計(jì)劃也陸續(xù)在各發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家公布。2020年習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布,中國(guó)的二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到頂峰,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,中國(guó)面臨著巨大的減排壓力。此外,中國(guó)的能源分布呈現(xiàn)“煤多油氣少”“北多南少”以及“西多東少”的特點(diǎn),開(kāi)展有效的能源規(guī)劃關(guān)乎我國(guó)未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展的方向。

西北地區(qū)是中國(guó)能源富集地區(qū)之一,其中:四大盆地石油總儲(chǔ)量為281億噸,占全國(guó)總儲(chǔ)量的27.6%[1],煤炭資源占全國(guó)的61.9%,天然氣儲(chǔ)量2.32萬(wàn)億立方米;風(fēng)能可采量約占全國(guó)的40%[2];太陽(yáng)能資源也較為豐富,全國(guó)2/3地區(qū)日照小時(shí)數(shù)大于2 200 h,而西北絕大部分地區(qū)日照小時(shí)數(shù)大于3 000 h[3]。因此,西北地區(qū)是中國(guó)重要的能源凈輸出地,布置有諸如西部原油成品油管道,西氣東輸一線、二線、三線管道,準(zhǔn)東—四川±1 100 kV特高壓直流輸電工程,哈密—鄭州±800 kV特高壓直流工程,酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程等的國(guó)家能源大動(dòng)脈工程。西北地區(qū)的能源發(fā)展不僅對(duì)于自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義,也對(duì)中國(guó)未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展以及能源安全具有重要意義。

近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)西北五省能源方面的研究多集中在能源消費(fèi)碳排放的核算和影響因素分析[4-8]、能源消費(fèi)碳排放峰值的預(yù)測(cè)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放量的關(guān)系等,但是鮮有關(guān)于西北五省能源供給側(cè)的規(guī)劃研究。韋良煥等[9]計(jì)算了西北五省2000—2017年的溫室氣體排放清單;董棒棒等[10]運(yùn)用情景分析法對(duì)西北地區(qū)2017—2030年能源消費(fèi)碳排放量進(jìn)行了預(yù)測(cè);鄧小樂(lè)等[11]利用可拓展的隨機(jī)性的環(huán)境影響評(píng)估(STIRPAT)模型對(duì)西北五省2015—2030年碳排放峰值進(jìn)行了預(yù)測(cè);邢強(qiáng)[12]對(duì)西北五省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放量的關(guān)系進(jìn)行了研究;龔新蜀等[13]、郭衛(wèi)香等[14]對(duì)西北五省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與碳排放的關(guān)系進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析。此外,水資源短缺已經(jīng)成為制約西北五省能源工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素,中國(guó)工程院科研人員[15]和孫廷容等[16]對(duì)西北地區(qū)能源(石油天然氣、煤炭)工業(yè)用水現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行了研究,并提出了未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的用水對(duì)策,但是未考慮電力工業(yè);項(xiàng)瀟智等[17]從全國(guó)的層面對(duì)我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的用水現(xiàn)狀和各類(lèi)能源產(chǎn)出的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究,并預(yù)測(cè)了2020和2030年我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的需水情況,但是并未給出各類(lèi)能源具體的發(fā)展規(guī)劃;Qiu等[18]從全國(guó)的層面對(duì)我國(guó)到2060年在碳中和約束下的能源需求和供給規(guī)劃進(jìn)行了研究,但是并未考慮水資源約束的影響。

本文同時(shí)考慮了國(guó)家層面碳減排計(jì)劃和水資源短缺現(xiàn)實(shí)情況對(duì)西北五省能源發(fā)展的影響,在碳排放強(qiáng)度和水資源兩個(gè)約束條件下,從供給側(cè)出發(fā),基于煤、油、氣、電4種能源形式建立非線性規(guī)劃模型。該模型考慮了能源從生產(chǎn)到消耗的所有過(guò)程,進(jìn)而得到在碳排放強(qiáng)度和水資源約束下,西北五省未來(lái)的能源供給規(guī)劃和能源結(jié)構(gòu)的變革。

1 計(jì)算模型介紹

本文的整體研究思路如圖1所示。以2017年為基期,以2018—2030年為預(yù)測(cè)期,首先通過(guò)能源需求預(yù)測(cè)模型[19]預(yù)測(cè)出西北五省2018—2030年的終端能源需求量;然后計(jì)算出西北五省在2003—2017年間的碳排放強(qiáng)度;再者采用對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)(LMDI)因素分解法和STIRPAT模型[20]分析西北五省各省區(qū)能源工業(yè)用水量分別與各省區(qū)GDP、技術(shù)水平等因素之間的回歸關(guān)系,并進(jìn)一步預(yù)測(cè)西北五省2018—2030年的能源工業(yè)用水量;在上述的基礎(chǔ)上,最終利用能源供給優(yōu)化模型得到在碳排放約束和水資源約束條件下的西北五省未來(lái)的能源供給規(guī)劃,為西北五省碳達(dá)峰、碳中和政策的制定提供參考。

圖1 整體研究思路流程圖Fig.1 Overall research flow chart

1.1 能源需求預(yù)測(cè)模型

本文利用長(zhǎng)期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(LEAP)模型[21]建立情景分析對(duì)西北五省各省區(qū)的終端能源需求量做預(yù)測(cè)分析,該分析過(guò)程主要考慮三大產(chǎn)業(yè)和生活的八大具體能源消費(fèi)部門(mén),其中工業(yè)部門(mén)細(xì)分成諸如煤炭開(kāi)采洗選業(yè)、石油和天然氣開(kāi)采業(yè)等41項(xiàng)子部門(mén),在調(diào)研歷史年份GDP、人口、城鎮(zhèn)率、各消費(fèi)部門(mén)的終端能源消費(fèi)量以及終端能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)未來(lái)的趨勢(shì)加以預(yù)測(cè),以此得到未來(lái)的終端能源需求量。

各部門(mén)的終端能源需求總量由活動(dòng)水平和能源強(qiáng)度共同決定,其中不同種類(lèi)能源的需求量由各品種能源與終端能源需求總量的占比決定。各類(lèi)一次能源及二次能源的需求量分別為

(1)

(2)

式中:L(i,j)和E(i,j)分別表示i部門(mén)的j子部門(mén)的活動(dòng)水平和能源強(qiáng)度;B(i,j,m)和B(i,j,n)分別表示能源需求i部門(mén)的j子部門(mén)中m品種一次能源和n品種二次能源在終端能源需求總量中的比重。所有部門(mén)的終端能源需求總量為

(3)

1.2 STIRPAT模型

Ehrlich等在20世紀(jì)70年代提出了環(huán)境壓力模型,即IPAT模型[20]。該模型認(rèn)為環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)力因素有人口總量、人均財(cái)富和技術(shù)水平,因此得出等式I=PAT。該模型簡(jiǎn)潔易懂,一經(jīng)提出便得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用,但是隨著研究的深入,IPAT模型各變量間只能同比例變動(dòng)的缺陷也逐漸暴露出來(lái)?；诖?Dietz等在1994年提出擴(kuò)展型IPAT模型,即STIRPAT模型。該模型彌補(bǔ)了IPAT模型的不足,表達(dá)式為

I=aPbAcTde

(4)

式中:I表示對(duì)環(huán)境的影響;P、A、T分別表示人口因素、經(jīng)濟(jì)因素和技術(shù)因素;a為該模型系數(shù);P、A、T的指數(shù)b、c、d均可通過(guò)模型估算出來(lái);e為殘差項(xiàng)。為降低分析過(guò)程中出現(xiàn)的異方差情況,通常將STIRPAT模型對(duì)數(shù)化,得到如下表達(dá)式

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+lne

(5)

根據(jù)LMDI因素分解,本文所考慮的能源工業(yè)用水量影響因素如表1所示。

表1 能源工業(yè)用水量影響因素

根據(jù)STIRPAT模型的基本公式,構(gòu)建能源工業(yè)用水量預(yù)測(cè)方程為

W=aIλ1Gλ2Rλ3e

(6)

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),得

lnW=lna+λ1lnI+λ2lnG+λ3lnR+lne

(7)

1.3 能源供給優(yōu)化模型

根據(jù)上述能源需求預(yù)測(cè)模型和STIRPAT模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,本文建立西北五省能源供給的非線性規(guī)劃模型,對(duì)能源供給的生產(chǎn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)進(jìn)行布局優(yōu)化[18],能源供給優(yōu)化模型如圖2所示。

圖2 能源供給優(yōu)化模型Fig.2 Energy supply optimization model diagram

1.3.1 優(yōu)化目標(biāo)

本文以西北五省在2017—2030年間煤、油、氣、電4種能源形式的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、運(yùn)輸調(diào)度和進(jìn)口能源4類(lèi)成本之和最低為優(yōu)化目標(biāo)

Cmin=Cinf+Cpro+Ctra+Cimp

(8)

式中:Cinf、Cpro、Ctra、Cimp分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)輸調(diào)度成本以及進(jìn)口能源成本。各類(lèi)成本具體包括

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:k表示煤、油、氣、電4種能源形式;Qinf、Qpro、Qtra、Qimp分別表示煤、油、氣、電相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)容量、生產(chǎn)量、運(yùn)輸量以及進(jìn)口量;Pinf、Ppro、Ptra、Pimp分別表示對(duì)應(yīng)于Qinf、Qpro、Qtra、Qimp的單位價(jià)格。

1.3.2 約束條件

本文考慮的約束條件主要包括以下幾種。

(1)終端能源需求總量約束為

(13)

式中:s、y分別表示省份、年份。

(2)供需平衡約束分別為

(14)

(15)

(3)資源儲(chǔ)量約束為

(16)

(4)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)能約束主要包括煤、油、氣、電4種能源形式的產(chǎn)能約束、進(jìn)口容量約束、調(diào)入容量約束和調(diào)出容量約束。

(17)

(18)

(19)

(20)

(5)碳排放和水資源約束分別為

(21)

(22)

2 模型參數(shù)假設(shè)

2.1 終端能源需求預(yù)測(cè)

本文在基準(zhǔn)情景中首先調(diào)研了1978—2017年各省區(qū)GDP、各消費(fèi)部門(mén)GDP占比、人口、城鎮(zhèn)率作為基本假設(shè)條件,然后利用各省區(qū)2010—2017能源平衡表計(jì)算各部門(mén)在2010—2017年的終端能源消費(fèi)總量以及各品種能源在終端能源消費(fèi)總量的比重。在預(yù)測(cè)情景中,本文在參考有關(guān)政府文件和專(zhuān)業(yè)相關(guān)部門(mén)論文[1,7,22-23]、報(bào)告的基礎(chǔ)上,對(duì)未來(lái)各省區(qū)各部門(mén)的活動(dòng)水平和能源強(qiáng)度加以預(yù)測(cè),最終得到西北五省2017—2030年終端能源需求總量的預(yù)測(cè)結(jié)果,如圖3所示。

圖3 西北五省2017—2030年終端能源需求預(yù)測(cè)Fig.3 Forecast of terminal energy demand of the five northwest provinces from 2017 to 2030

2.2 碳排放強(qiáng)度約束

本文首先利用能源平衡表計(jì)算出西北五省2003—2017年的碳排放量,進(jìn)而結(jié)合2003—2017年各省區(qū)的GDP情況,得到了西北五省2003—2017年碳排放強(qiáng)度,如圖4所示。

圖4 西北五省2003—2017年碳排放強(qiáng)度Fig.4 Carbon emission intensity of the five northwest provinces from 2003 to 2017

在2020年12月的氣候雄心峰會(huì)上,習(xí)近平主席對(duì)國(guó)際社會(huì)做出承諾:到2030年,中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上。

根據(jù)《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)2018年度報(bào)告》[24]發(fā)布的內(nèi)容,“2017年中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放(簡(jiǎn)稱(chēng)碳強(qiáng)度)比2005年下降約46%,已超過(guò)2020年碳強(qiáng)度下降40%～45%的目標(biāo),提前3年完成上限目標(biāo),碳排放快速增長(zhǎng)的局面得到初步扭轉(zhuǎn)。”西北五省2005年和2017年碳排放強(qiáng)度的對(duì)比如表2所示,在西北五省中,沒(méi)有一個(gè)省份達(dá)到國(guó)家層面下降46%的水平,只有甘肅省下降44.07%,已經(jīng)達(dá)到了40%～45%的目標(biāo),而寧夏和新疆兩省的碳排放強(qiáng)度不降反升。

表2 西北五省2005、2017年碳排放強(qiáng)度的對(duì)比

基于此,寧夏和新疆兩省要想在2020年達(dá)到碳強(qiáng)度下降40%～45%的目標(biāo)是不現(xiàn)實(shí)的,同樣地,現(xiàn)實(shí)中要想讓寧夏和新疆兩省在2030年達(dá)到碳強(qiáng)度下降65%以上的目標(biāo)也是有極大困難的。

本文最終把西北五省看成一個(gè)整體,將2030年西北五省平均碳排放強(qiáng)度比2005年下降65%作為碳約束指標(biāo),其中碳排放強(qiáng)度下降快的省份可以為碳排放強(qiáng)度下降慢的省份做出一定的補(bǔ)償。

圖5 西北五省2004—2030年能源工業(yè)用水量預(yù)測(cè)Fig.5 Forecast of water consumption of energy industry in the five northwest provinces from 2004 to 2030

2.3 水資源約束

根據(jù)能源平衡表,本文采用用水定額法對(duì)西北五省歷史年份2004—2017年的能源工業(yè)用水量進(jìn)行核算,用水定額數(shù)據(jù)均來(lái)自于各省份用水定額標(biāo)準(zhǔn)文件。其中能源工業(yè)是指采掘、采集和開(kāi)發(fā)自然界能源資源,或?qū)⒆匀毁Y源加工轉(zhuǎn)換為燃料、動(dòng)力的工業(yè)。為與能源平衡表中的數(shù)據(jù)相聯(lián)系,本文選取了煤炭采選業(yè)、天然原油和天然氣開(kāi)采業(yè)、原油加工業(yè)、電力生產(chǎn)業(yè)作為計(jì)算對(duì)象。其中電力生產(chǎn)業(yè)包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電。

利用2004—2017年歷史數(shù)據(jù)對(duì)式(7)進(jìn)行回歸分析,因能源工業(yè)用水量各影響因素存在顯著多重共線性問(wèn)題,故采用SPSS中嶺回歸分析[20]對(duì)式(7)進(jìn)行回歸分析,分析結(jié)果如表3所示。表3中各擬合方程F檢驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的P值均為0.000 0,說(shuō)明回歸方程顯著,即能源工業(yè)用水量與工業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)用水強(qiáng)度以及能源工業(yè)用水占比這3個(gè)因素的關(guān)系具有顯著性,回歸模型顯著成立。此外,R2和調(diào)整R2均接近1,說(shuō)明樣本數(shù)據(jù)全部被回歸方程解釋,回歸模型的擬合優(yōu)度較高,模型設(shè)定合理。圖5中2004—2017年的數(shù)據(jù)分別給出了各省能源工業(yè)用水量的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值,可以看出,預(yù)測(cè)值和實(shí)際值基本重合,這進(jìn)一步說(shuō)明了擬合效果較好,擬合方程的可靠性強(qiáng)。

最終,在綜合考慮工業(yè)發(fā)展、節(jié)水技術(shù)進(jìn)步以及能源工業(yè)用水占比變化的基礎(chǔ)上,對(duì)西北五省2018—2030年工業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)用水強(qiáng)度以及能源工業(yè)用水占比3個(gè)因素進(jìn)行合理預(yù)測(cè),代入各回歸方程,可得西北五省2018—2030年的能源工業(yè)用水量,如圖5中2018—2030年的數(shù)據(jù)所示。

表3 西北五省能源工業(yè)用水量嶺回歸分析

3 能源供給優(yōu)化模型結(jié)果分析

3.1 能源結(jié)構(gòu)分析

能源結(jié)構(gòu)是指一定時(shí)期、一定區(qū)域內(nèi)各類(lèi)能源在能源總量中的比例關(guān)系,是反映一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。本文分析了西北五省的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和終端能源需求結(jié)構(gòu)。

圖6 西北五省2017—2030年一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)Fig.6 Primary energy consumption structure of the five northwest provinces from 2017 to 2030

3.1.1 一次能源結(jié)構(gòu)

圖6表示西北五省一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),圖7表示西北五省一次能源消費(fèi)百分比結(jié)構(gòu)。從圖6中可以看出,2017—2030年期間,西北地區(qū)一次能源消費(fèi)總量呈明顯上升的趨勢(shì),由2017年的13.50 EJ上升到2030年的24.60 EJ。其中,煤炭仍是主要的能源形式,但是由圖7可以看出,其占比在不斷下降,呈現(xiàn)煤炭在逐漸加速被其他能源所取代的趨勢(shì),到2030年煤炭在一次能源消費(fèi)總量中的占比降低至32%;原油的消費(fèi)量將在2028年左右達(dá)峰,呈現(xiàn)先穩(wěn)步增長(zhǎng)后略有回落的趨勢(shì),其占比也穩(wěn)中有降,由2017年的19.21%降至2030年的14.35%;天然氣的消費(fèi)量增速明顯,2030年天然氣消費(fèi)量將達(dá)到4.57 EJ,占一次能源消費(fèi)總量的18.60%,相比于2017年的8.10%提高10.5個(gè)百分點(diǎn);非化石能源的消費(fèi)量增長(zhǎng)迅速,由2017年的0.79 EJ增長(zhǎng)至2030年的8.59 EJ,2030年非化石能源在一次能源消費(fèi)總量中的占比達(dá)到34.91%,已超越煤炭成為第一主力能源。

圖7 西北五省2017—2030年一次能源消費(fèi)百分比結(jié)構(gòu)Fig.7 Percentage structure of primary energy consumption of the five northwest provinces from 2017 to 2030

圖8 西北五省2017—2030年終端能源需求結(jié)構(gòu)Fig.8 Terminal energy demand structure of the five northwest provinces from 2017 to 2030

3.1.2 終端能源結(jié)構(gòu)

圖8表示終端能源需求結(jié)構(gòu),圖9表示終端能源需求百分比結(jié)構(gòu)。由圖8可知,西北五省在2017—2030年間終端能源需求總量呈平穩(wěn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中,煤炭的終端能源需求量呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì),由2017年的4.52 EJ下降至2030年的1.14 EJ,其在終端能源需求總量中的占比將由2017年的47.42%下降到2030年的11.40%;成品油的終端需求呈緩慢上升的趨勢(shì),由2017年的1.55 EJ增長(zhǎng)至2030年的2.28 EJ;天然氣的終端需求呈明顯上升的趨勢(shì),2030年將達(dá)到2.48 EJ,其在2030年的終端能源需求總量中占比將達(dá)到24.88%,相較于2017年的1.01 EJ和10.62%,提高了1.47 EJ和近15%;電力需求量明顯增加,由2017年的25.71%上升至2030年的40.93%。

圖9 西北五省2017—2030年終端能源需求百分比結(jié)構(gòu)Fig.9 Percentage structure of terminal energy demand of the five northwest provinces from 2017 to 2030

3.2 能源生產(chǎn)布局

本文主要分析了西北五省各省區(qū)原煤、原油、成品油、天然氣和電力5種主要能源形式的生產(chǎn)量,分別如圖10～14所示。

圖10 西北五省2017—2030年原煤生產(chǎn)量Fig.10 Raw coal production of the five northwest provinces from 2017 to 2030

由圖10可以看出,2017—2030年間西北五省原煤生產(chǎn)量呈先穩(wěn)步增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。一方面隨著煤電大基地大通道建設(shè)的推進(jìn),西北五省涵蓋陜北、哈密、準(zhǔn)東、寧東4個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)大型煤電基地將作為西北地區(qū)主要的原煤消費(fèi)地;另一方面,在中國(guó)中東部煤礦區(qū)資源大幅減少的背景下,西北地區(qū)已成為中國(guó)重要的能源接替區(qū),所產(chǎn)原煤將源源不斷地運(yùn)輸至中東部地區(qū)。在西北五省中,陜西原煤生產(chǎn)量在原煤總產(chǎn)量中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),2017—2030年間一直保持著65%以上的占比,這得益于陜西占據(jù)神東、陜北、黃隴3個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地;新疆原煤產(chǎn)量穩(wěn)中有降,到2030年新疆的原煤產(chǎn)量將占到西北五省原煤總產(chǎn)量的13.32%;寧夏原煤產(chǎn)量處于穩(wěn)定增加的狀態(tài),由2017年的0.76億噸增長(zhǎng)至2030年的0.98億噸;青海和甘肅煤炭資源相對(duì)匱乏,原煤生產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定。

由圖11可以看出,2017—2030年,西北五省原油產(chǎn)量主要由陜西和新疆兩省貢獻(xiàn),呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì),在2028年左右達(dá)到頂峰。其中,陜西在未來(lái)的生產(chǎn)中呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),在2024年左右出現(xiàn)峰值;新疆在2017—2030年的原油產(chǎn)量呈現(xiàn)穩(wěn)步遞增的趨勢(shì),并在2025年左右超越陜西成為西北五省第一產(chǎn)油大省,到2030年新疆的原油產(chǎn)量將占到西北五省原油總產(chǎn)量的72.40%。由圖12可以看出,2017—2030年間西北五省成品油產(chǎn)量呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì),成品油產(chǎn)量將進(jìn)一步在陜西和新疆兩省集中,將由2017年的66.84%上升到2030年的84.81%?？傮w而言,石油作為工業(yè)的血液,其不可替代性較高,變化幅度相對(duì)平穩(wěn)。

圖11 西北五省2017—2030年原油生產(chǎn)量Fig.11 Crude oil production of the five northwest provinces from 2017 to 2030

圖12 西北五省2017—2030年成品油生產(chǎn)量Fig.12 Refined oil production of the five northwest provinces from 2017 to 2030

由圖13可以看出,在天然氣生產(chǎn)方面,西北五省在2017—2030年的天然氣產(chǎn)量呈明顯遞增的趨勢(shì)。其中,陜西和新疆兩省是主要貢獻(xiàn)方,兩者天然氣產(chǎn)量占到總產(chǎn)量的90%以上。新疆的天然氣產(chǎn)量呈快速遞增的趨勢(shì),并在2022年左右超過(guò)陜西成為西北五省第一產(chǎn)氣大省;青海將穩(wěn)步開(kāi)發(fā)柴達(dá)木盆地的油氣資源,天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步提升;甘肅和寧夏的天然氣產(chǎn)量相對(duì)匱乏。

圖13 西北五省2017—2030年天然氣生產(chǎn)量Fig.13 Gas production of the five northwest provinces from 2017 to 2030

圖14 西北五省2017—2030年電力生產(chǎn)量Fig.14 Power production of the five northwest provinces from 2017 to 2030

由圖14可以看出,在電力生產(chǎn)方面,西北五省2017—2030年的電力生產(chǎn)量呈冪函數(shù)遞增的趨勢(shì)。其中,隨著“疆電東送”通道的進(jìn)一步打開(kāi),借助哈密—鄭州±800 kV、準(zhǔn)東—四川±1 100 kV以及準(zhǔn)東—華東±1 000 kV的特高壓直流線路,新疆的電力產(chǎn)量呈現(xiàn)大幅上升,到2030年新疆的電力生產(chǎn)量將達(dá)到1 505.98 TW·h,占到西北五省總產(chǎn)量的40%以上,源源不斷地將電力送往中東部地區(qū);寧夏風(fēng)能和煤炭資源豐富,借助寧夏—山東±660 kV直流輸電線路以及寧夏—浙江±800 kV特高壓直流輸電線路,電力產(chǎn)量也呈現(xiàn)不斷攀升的趨勢(shì);陜西、甘肅和青海三省也均有一條自己的特高壓輸電線路,電力產(chǎn)量穩(wěn)步提高。

3.3 能源調(diào)度方案

能源調(diào)度分析反映了西北五省省與省之間能源貿(mào)易往來(lái)的情況,且進(jìn)入新疆的中哈原油管線和中國(guó)—中亞天然氣管線反映了西北地區(qū)能源進(jìn)口的情況。此外,因本文以西北五省為研究對(duì)象,其與我國(guó)其他省份能源互通的關(guān)系亦看作是能源進(jìn)口/出口的關(guān)系,圖15～18分別表示西北五省原油、成品油、天然氣和電力4種能源形式的調(diào)度情況,圖中線條的粗細(xì)表示調(diào)度量的大小。

由圖15和圖16可以看出,2017—2030年間,西北五省原油和成品油的外輸量在逐年提高,原油量從2017年的0.16億噸提高至2030年的0.24億噸,成品油量從2017年的0.21億噸提高至2030年的0.56億噸。在原油外輸方面,起主要貢獻(xiàn)作用的是新疆;在成品油外輸方面,起主要貢獻(xiàn)作用的是陜西。青海的油氣資源主要來(lái)源于柴達(dá)木盆地,主要負(fù)責(zé)供給自身需求和外輸至西藏地區(qū)。寧夏的油氣資源相對(duì)貧乏,主要依賴(lài)于馬惠原油管道的供給。

圖15 西北五省2017—2030年原油調(diào)度Fig.15 Crude oil dispatching diagram of the northwest provinces from 2017 to 2030

圖16 西北五省2017—2030年成品油調(diào)度Fig.16 Refined oil dispatching diagram of the northwest provinces from 2017 to 2030

由圖15可以看出,我國(guó)從中哈管道進(jìn)口的原油量處于一個(gè)基本穩(wěn)定的狀態(tài),隨時(shí)間的變化比較小,這一方面主要是國(guó)家能源安全的限制,盡可能穩(wěn)定我國(guó)原油的對(duì)外依存度;另一方面,隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入以及非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的應(yīng)用,西北地區(qū)油氣資源將得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā),西北五省的原油產(chǎn)量大幅提高,在滿(mǎn)足自身需求的情況下,有能力向我國(guó)中東部地區(qū)輸送更多油量以保障其發(fā)展需求。在2017—2030年期間,新疆向甘肅調(diào)出的原油量在逐年提高,從2017年的0.12億噸增長(zhǎng)至2030年的0.48億噸。

由圖17可以看出,在天然氣調(diào)度方面,我國(guó)由中哈管道進(jìn)口的天然氣量隨年份的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),新疆和陜西兩省的天然氣外輸量隨年份增長(zhǎng)呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。甘肅和寧夏兩省主要通過(guò)西氣東輸管道消耗來(lái)自于上游省份的天然氣,青海借助于柴達(dá)木盆地的氣田主要滿(mǎn)足自身和西藏地區(qū)天然氣的需求,一部分調(diào)至甘肅。

圖17 西北五省2017—2030年天然氣調(diào)度 Fig.17 Gas dispatching diagram of the northwest provinces from 2017 to 2030

隨著電氣化程度的不斷提高,由圖18可以看出,在2017—2030年期間,我國(guó)對(duì)電力的需求將保持高速增長(zhǎng),尤其是中東部地區(qū)。我國(guó)先進(jìn)的特高壓輸電技術(shù)使得遠(yuǎn)距離、大容量的輸電成為可能,近幾年我國(guó)陸續(xù)投入諸如哈密—鄭州、酒泉—湖南、寧夏—浙江等一系列的特高壓輸電線路,使得西北地區(qū)能源生產(chǎn)地與東南地區(qū)能源消費(fèi)地聯(lián)系的更加緊密。西北五省的外輸電量將大幅提升,將由2017年的94.97 TW·h提高至2030年的2 386.78 TW·h。其中,新疆和寧夏兩省外輸電量增長(zhǎng)的速度最為明顯,陜西和甘肅次之。青海以清潔能源發(fā)電為主,于2021年左右將通過(guò)青?！幽稀?00 kV特高壓直流工程源源不斷地向中原大地輸送綠色電力。

圖18 西北五省2017—2030年電力調(diào)度Fig.18 Power dispatching diagram of the northwest provinces from 2017 to 2030

3.4 能源生產(chǎn)建設(shè)分析

表4給出了西北五省基準(zhǔn)年2017年和預(yù)測(cè)期末年2030年能源產(chǎn)能的對(duì)比分析,包括原煤產(chǎn)能、原油產(chǎn)能、成品油產(chǎn)能、天然氣產(chǎn)能。表5給出了2030年電力產(chǎn)能在未加水資源約束和加水資源約束兩種情形下的對(duì)比分析。

由表4可以看出,在中國(guó)中東部可開(kāi)采煤炭資源量大幅減少的背景下,煤炭的產(chǎn)能基地有向西移的趨勢(shì),除青海外,西北五省其他各省區(qū)煤炭產(chǎn)能在2017—2030年間均呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中,陜西煤炭產(chǎn)能增長(zhǎng)最快,由2017年5.75億噸增長(zhǎng)至2030年10.26億噸;寧夏次之,煤炭產(chǎn)能由2017年0.78億噸增長(zhǎng)至2030年1.18億噸。甘肅和新疆兩省的煤炭產(chǎn)能相對(duì)增幅不大,維持穩(wěn)定增長(zhǎng)的狀態(tài);青海生態(tài)環(huán)境脆弱,且作為我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)地,維持原有煤炭產(chǎn)能建設(shè)水平。

在原油產(chǎn)能建設(shè)方面,新疆的原油產(chǎn)能隨年份增長(zhǎng)而增長(zhǎng),其他四省基本不變。新疆擁有新疆油田、塔里木油田兩個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)大油田,原油產(chǎn)能將由2017年0.37億噸增長(zhǎng)至2030年的0.82億噸。

在成品油產(chǎn)能建設(shè)方面,西北地區(qū)成品油生產(chǎn)將集中在陜西和新疆兩省,其成品油產(chǎn)能隨年份增加而增加,分別由2017年的0.21億噸、0.38億噸增加至2030年的0.56億噸、0.48億噸。甘肅、青海和寧夏三省基本維持原有成品油產(chǎn)能水平。

西北地區(qū)作為中國(guó)天然氣主產(chǎn)區(qū)之一,在國(guó)家大力支持天然氣發(fā)展的背景下,2017—2030年間天然氣產(chǎn)能建設(shè)將得到大幅提高。其中,新疆天然氣產(chǎn)能提高幅度最大,2030年將達(dá)到236.883 Gm3,是2017年的將近7倍;陜西2030年天然氣產(chǎn)能將達(dá)到187.487 Gm3,是2017年的將近4倍;青海依托柴達(dá)木盆地的油氣資源,2030年天然氣產(chǎn)能將達(dá)到20.118 Gm3,是2017的近3倍。甘肅和寧夏兩省天然氣資源匱乏,產(chǎn)能建設(shè)水平較低。

由表5可知,水資源約束的加入進(jìn)一步限制了西北五省火電的發(fā)展,相比于未加水資源約束火電總產(chǎn)能下降了146.16 TW·h,而可再生能源電力的產(chǎn)能建設(shè)得到進(jìn)一步加強(qiáng),相比于未加水資源約束可再生能源電力總產(chǎn)能上升了46.36 TW·h。

此外,水資源在西北五省各省區(qū)的分布也不均衡,其中寧夏和甘肅兩省的水資源最為短缺[25],該兩省在加水資源約束情況下的火電產(chǎn)能相比于未加水資源約束分別減少了249.82 TW·h和70.46 TW·h,而水資源較為豐富的陜西和青海兩省火電產(chǎn)能有所上升,以保障西北五省電力的穩(wěn)定供應(yīng)。

表4 西北五省2017年和2030年能源產(chǎn)能建設(shè)對(duì)比

表5 西北五省2030年加水資源約束前后的電力產(chǎn)能建設(shè)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文以2017年為基期,在對(duì)西北五省2018—2030年終端能源需求總量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析的基礎(chǔ)上,從供給側(cè)出發(fā),探討了西北五省未來(lái)至2030年在碳排放強(qiáng)度約束和水資源約束下煤、油、氣、電4種能源形式的結(jié)構(gòu)變革、生產(chǎn)規(guī)劃、調(diào)度規(guī)劃和生產(chǎn)建設(shè)規(guī)劃,得出以下結(jié)論。

(1)未來(lái)至2030年,西北五省一次能源消費(fèi)總量仍呈明顯增加的趨勢(shì),但是其能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了顛覆性改變,原煤、油氣和非化石能源的比例從2017年的6∶3∶1變?yōu)?030年的3∶3∶4,發(fā)展可再生能源是未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的主攻方向。終端能源需求總量呈緩慢增加的趨勢(shì),煤炭、油氣和電力的比例從2017年的5∶3∶2變?yōu)?030年的1∶5∶4,城鎮(zhèn)化和電氣化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

(2)能源生產(chǎn)方面:煤炭仍是保障能源供應(yīng)的基礎(chǔ)性能源,隨著煤炭基地的進(jìn)一步西移,西北五省煤炭生產(chǎn)量仍呈上升態(tài)勢(shì);西北五省是我國(guó)重要產(chǎn)油區(qū),原油和成品油的生產(chǎn)將低速上升,原油產(chǎn)量將在2028年左右達(dá)到峰值;天然氣產(chǎn)量明顯提升,2030年產(chǎn)量將是2017年的4倍之多,增產(chǎn)潛力大;電力供應(yīng)能力持續(xù)增強(qiáng),2030年產(chǎn)量相比于2017年提高超過(guò)3倍。

(3)能源調(diào)度方面:中哈管道進(jìn)口原油量保持穩(wěn)定,新疆—甘肅—陜西原油和成品油主干管道輸送能力需擴(kuò)展2～3倍,陜西作為西北五省能源外輸?shù)摹皹蝾^堡”,原油和成品油外輸能力需擴(kuò)展1～2倍;中國(guó)—中亞天然氣管線進(jìn)口天然氣量將進(jìn)一步增加,到2027年將達(dá)到管線額定容量85 Gm3,新疆—甘肅—寧夏—陜西天然氣主干管道輸送能力需擴(kuò)展3～4倍,陜西和寧夏的外輸能力需擴(kuò)展2～3倍;提升西北五省電力主產(chǎn)地與中東部地區(qū)電力消費(fèi)地的通達(dá)能力,國(guó)家已開(kāi)始布局西北五省各省區(qū)特高壓外輸線路的建設(shè),未來(lái)有進(jìn)一步加強(qiáng)的趨勢(shì)。

(4)能源生產(chǎn)建設(shè)方面:煤炭2030年產(chǎn)能將是2017年的1.6倍,原油2030年的產(chǎn)能將比2017年增長(zhǎng)47%,均集中于陜西、新疆兩省,兩省的產(chǎn)能之和將占到總產(chǎn)能的85%;成品油2030年產(chǎn)能將比2017年增長(zhǎng)54%,主要集中于陜西和新疆兩省,兩省成品油產(chǎn)能之和占到成品油總產(chǎn)能的81%;天然氣2030年產(chǎn)能將近是2017年的5倍,主要集中于陜西、新疆兩省,兩省天然氣產(chǎn)能之和與天然氣總產(chǎn)能之比超過(guò)95%;到2030年,可再生能源電力產(chǎn)能將超過(guò)火電產(chǎn)能發(fā)揮主要作用,而水資源約束的加入更加遏制了寧夏和甘肅兩省火電的發(fā)展,與此同時(shí)水資源較為豐富的陜西和青海兩省的火電產(chǎn)能有所上升,以保障西北五省電力的穩(wěn)定供應(yīng)。