云南省2015年碳排放約束下的能源結構研究

于雪嬌，姜華德

（云南財經大學，昆明 650221）

云南省2015年碳排放約束下的能源結構研究

于雪嬌，姜華德

（云南財經大學，昆明 650221）

利用灰色系統預測模型，預測云南省2015年能源需求總量約為13813.53萬噸標準煤，地區生產總值大概在15482.0979億元；再利用云南有碳與無碳能源發展作為約束條件，以碳排放量最小化為目標函數建立L.P.模型，計算出2015年云南省大概排放256.76百萬公噸二氧化碳，相當于1.66公噸二氧化碳/億元地區生產總值，比2010年每億元地區生產總值二氧化碳排放量為2.33公噸，降低28.76%，成功實現減排目標與能源結構優化。

能源；二氧化碳排放；灰色系統預測模型；能源結構優化

引 言

全球氣候變暖問題是人類迄今面臨的最重大環境問題，也是21世紀人類面臨的最復雜挑戰之一。據預計，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，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致大氣溫度上升，如果一直使用目前的技術，到 2100 年全球的氣溫將上升6攝氏度，對生態系統造成巨大影響。人類活動導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，中國的氣候也發生了明顯變化，并影響到了中國的水資源、農業、陸地生態系統、海岸帶和近海生態系統。為了進一步應對氣候變化，中國決定到2020年把單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年降低40%—45%，作為約束性指標納入國民經濟和社會發展中長期規劃。自這個碳強度目標被提出以來，云南省也相應的提出降低單位地區生產總值二氧化碳排放：“十一五”規劃中要求2010年單位地區生產總值二氧化碳排放比2005年降低17%，“十二五”規劃中更是要求2015年單位地區生產總值二氧化碳排放比2010年降低20%，前一個目標云南省已經順利完成，而后一個目標能不能實現，實現這個目標需要怎么調整能源結構，這是本文主要的研究目的。

國內外已經做了很多關于能源結構的研究。Azar、Lindgren和Andersson［1］基于單個交通部門討論了二氧化碳約束下的燃料替代。ToL［2］建立了一個宏觀模型，討論IPCC各種情形下美國的碳排放以及相應的電源結構。李潔［3］分析了內蒙古自治區的能源生產和消費結構，一直以煤炭為主的能源結構導致了低效高耗的能源利用方式和突出的生態環境問題，發現目前內蒙古能源結構不合理，對內蒙古可持續發展的不利，通過建立模型為未來內蒙古能源結構的優化調整提出具體的量化目標，以目標為基礎研究提出了內蒙古能源結構優化調整的戰略構想及政策措施。李延明、張傳平［4］運用時間序列與線性規劃分析2020年中國的能源結構，預測中國2020年能源需求量，再利用中國有碳與物探能源發展作為約束條件，以碳排放最小化為目標函數，建立L.P.模型，計算出中國2020年的二氧化碳排放量，以及屆時的各種能源需求。趙柳榕、田立新［5］對西部能源結構調整提出了能源結構的Logistic模型，對模型中的經濟增長系數及煤的需求最大缺口量進行了預測估計，定量分析了未來 年能源結構的發展趨勢。云南省作為一個旅游大省，氣候的好壞與其發展息息相關，因此有必要對其進行單獨的研究。

一　模型建立與預測

（一）灰色系統模型

灰色理論通過數的不同生成方式、數據的不同取舍、不同級別的殘差GM模型，來調整、修正、提高精度。對高階系統建?；疑碚撌峭ㄟ^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模型所得數據必須經過逆生成即累減生成做還原后才能應用。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“1”表示一階，后一個“1”表示一個變量，GM（1， 1）則表示為一階單變量的微分方程模型。給定等時間間隔的數據列，且設數據列單調：

通過近似可得到最后的預測模型：

通過創建GM模型，可以得到未來的預測值，但是，這個模型是否能進行預測還需要進行檢驗。只有通過檢驗的模型才能進行預測?；疑Ｐ偷慕灹泳韧ǔＳ煤篁灢顧z驗方法進行分析。一般情況下，常用的是殘差檢驗，最常用的是相對誤差檢驗指標。

（二）模型預測

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、天然氣以及地區生產總值數據，基于以上GM（1， 1）理論，運用MATLAB 軟件建模分析進而得到預測值。

根據云南統計局數據，2011年云南一次能源消費總量為9540.28萬噸標準煤，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、天然氣以及地區生產總值預測是能源結構優化設計的數據基礎，本文將采用運用GM（1，1）模型（灰色系統模型）進行預測。

表1　云南省能源需求總量實際值、預測值、絕對誤差、相對誤差表

預測到2015年云南能源需求量約為13813.53萬噸標準煤。

繼續對云南省煤炭需求量、石油需求、天然氣需求、地區生產總值進行預測，結果如下表：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生產總值預測值

從以上各種預測可知，云南省“十二五”規劃年均地區生產總值增速均為16%，拋開通貨膨脹率，其地區生產總值增速在12%左右，因此，基于灰色系統預測模型預測云南省2015年能源需求量約為13813.53萬噸標準煤是可以接受的。

二　云南省能源結構現狀與建模優化

（一）能源現狀分析

1、碳能源分析

云南省煤炭資源較豐富，在南方十四個?。▍^）中居第二位，煤炭資源總量約為691億噸， 其中探明儲量252187億噸 ， 2000年末保有儲量246149億噸。2011年云南煤炭生產和消費占一次能源總量70%以上。

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

2、清潔能源分析

云南省水能資源豐富，水能資源理論蘊藏量為10364萬千瓦，約占全國總蘊藏量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2953.82萬千瓦，完成1007.41億千瓦時，占發電總量的64.78%，同比增長23.79%。根據目前規劃，到2015年，全省裝機規模將達到8826萬千瓦，其中水電6462萬千瓦，根據目前的水力發電效率，至2015年云南省水電發電量將達2900億千瓦時。

云南擁有全國優質的太陽光能資源。云南全省太陽能資源量異常豐富，可以開發的太陽能儲量達到75.75%，相當于555.88億噸標準煤燃燒釋放的能量，云南太陽能發電裝機可達到1.5億千瓦以上，超過水電可裝機容量的50%。到2010年底，云南太陽能裝機容量為2萬千瓦。根據目前掌握的情況，2011年—2015年期間，預計新增光伏電站裝機21.89萬千瓦，年發電量達到7.82億千瓦時。

云南多數山區風能分布廣泛， 冬春季極具開發價值， 風能地形效應顯著， 風向穩定， 風力機安全性高， 為進一步開發利用云南風能資源提供了科學依據。云南部分地區不僅年平均風速超過3.5m/s，且風季（恰逢干季） 風速均達4.5m/s。截至2010年底，云南省風能總裝機容量為34.05萬千瓦，預計在2011年—2015年期間，新增風電場裝機422.05萬千瓦，年發電量達到155億千瓦時。云南省預計到2015年新增生物質能源8萬千瓦，年發電量約為3億千瓦時。

3、二氧化碳排放分析

根據云南日報的數據，2010年，全省能源消費總量為8674萬噸標準煤，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”低碳節能減排目標是 ：到2015年云南省低碳目標是單位生產總值二氧化碳排放要比2010年下降20%。根據這個目標，2010年排放量為168.65百萬公噸，同年地區生產總值為7224.18億元，每億元地區生產總值二氧化碳排放量為2.33公噸，按照下降20%計算，云南省2015年每億元地區生產總值二氧化碳排放量為1.86公噸，而根據預測云南省2015年地區生產總值約為15482.10億元，二氧化碳排放總量應該控制在287.97百萬公噸以下。

（二）能源結構優化模型及結果

1、模型設定

以碳排放量最小化作為目標函數，用上述數據作為能源供應的約束條件，從而建立線性規劃模型，得出2015年云南省能源結構優化的方案。

在建立模型時我們做了以下假設：

（1）云南省經濟能夠持續的增長，不會發生較大的波動；

（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現；

（4）預測時采用的是2011年能源的各種消費構成，假定2015年的消費構成與2011年相似。

2、模型變量設定與計算

模型中的變量都是關于能源消耗量的，因此設定如下變量：

煤炭的供應量應該大于煤炭的消耗量，而且根據2011年的數據，云南省大概有7.01%的煤炭用于煉焦，此部分暫時沒有替代品，需要保留。

因此可得：

萬噸標準煤

預測到云南2015年石油的需求量是2350.449萬噸標準煤，如果根據2011年云南石油的使用狀況，用于生產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，不能替代，需要保留。計算得到2015年這部分的能源需求為31.496萬噸標準煤，所以得：

預測云南2015年天然氣的需求量為54.73萬噸標準煤，根據2011年云南天然氣消費情況：用于工業原料占91.68%，用于城鎮消費占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量之和，

即：2900+7.82+155+3=3065.82億千瓦時，得：

有碳能源火力發電所提供的電能以及清潔能源所提供的電能應該滿足2015年電力的總需求。根據所做的預測，云南2015年的能源需求量為13813.53萬噸標準煤，其中約5525萬噸標準煤用于發電。根據云南省目前36.62%的發電效率，實際需要2023.255萬噸標準煤，由每萬噸標準煤約為0.8141億千瓦時計算，得到總需求量約為1647.13億千瓦時的電量，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204.78萬噸標準煤。而天然氣在2015年的需求量約為2.9萬噸標準煤。得：

2011年云南煤炭和石油的終端消費各為能源總消費量的38.05%和91.83%，根據2015年兩者的需求預測，分別為2934.26萬噸標準煤和2158.42萬噸標準煤，而其中煤炭和石油用于工業的需求我們假設的比例為30.53%和13.33%，即2354.35萬噸標準煤和313.31萬噸標準煤。天然氣在這個

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：空間計量。