能源安全與能源—經濟—環境系統建模文獻綜述

侯丹丹

摘要：國內外有關能源安全和能源模型的相關研究，將能源問題和經濟發展、環境保護、科技創新、人口發展等問題進行鏈接，從多維度考察能源安全問題，3E模型的不斷發展完善為整合多視角的研究提供了強有力的分析工具。盡管如此，現有能源安全指標未能有效體現不同種類能源之間的替代和互補關系、無法解釋不同能源之間的風險表現；而在3E系統建模方面，很少觸及能源安全與經濟發展和環境保護三者之間的互動關系，缺少能源安全問題的自主性探討。

關鍵詞：能源安全；能源-經濟-環境；能源多樣性；能源模型；文獻綜述

一、引言

進入21世紀以來，中國能源資源約束日益加劇，調整結構、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，能源安全問題日益凸顯（Vliet et al.，2012）。2014年底國務院發布的《能源發展戰略行動計劃（2014～2020年）》指出，能源發展戰略堅持“節約、清潔、安全”的戰略方針，加快構建清潔、高效、安全、可持續的現代能源體系。因此，著力優化能源結構，確保國家能源供應安全，成為中國制定能源政策時所面臨的重要課題。

本文首先對能源安全的概念和能源多樣性指標進行評述，然后回顧能源-經濟-環境（3E）系統的有關文獻，總結3E系統建模的主要方法。最后對目前有關能源安全量化評估中的一些問題和3E系統建模方面的不足之處進行總結，并對未來研究進行展望。

二、能源安全的概念與指標構建

能源安全是個難以完整定義的概念，其定義隨時間、地點與目的不同而有所差異（Sovacool & Brown，2010；Ang et al.，2015）。早期文獻認為能源安全首先是能源供應的充足與穩定性。對能源進口國而言，能源安全意味著要降低對外部能源供給的依存度。近年來，能源安全已由最初的能源供給穩定的單一維度概念擴展成為涵蓋能源、經濟與環境等諸方面的多維度的概念。國際能源署（IEA，2007、2011）認為能源安全有長短期不同的內涵。短期能源安全是指能源系統可以對供需平衡的突然變化做出迅速反應；長期能源安全則是指兼顧經濟發展和環境保護的能源系統投資。亞太能源研究中心（APERC，2007）出了四個維度的能源安全概念，即4A（Availability、Accessibility、Affordability、Acceptability）的能源安全框架（Hughes，2012；Sharifuddi，2013）。美國21世紀能源研究所（USCC）認為能源安全應當同時考慮能源供給的可靠性、地緣政治、經濟形勢、可靠性與環境等諸多方面。

有關能源安全的量化評估近十余年來陸續展開。Cherp& Jewell（2014）整理近年來相關研究提出的能源安全指標，用簡易型與復合型分類方式，結合4A能源安全框架，評估能源政策在國家、區域及全球等不同尺度上促進能源安全的政策成效。Yao & Chang（2014）使用4A安全框架，建構20個細類指標考察中國1980～2010年間各個五年計劃期間的能源安全變動，發現新世紀以來中國能源安全形勢有惡化趨勢。Zhang et al.（2013）從進口供應鏈的角度構建石油安全指標，評價中國石油進口的安全，整個指標體系包括四個方面：供應風險、經濟風險、運輸風險以及依存風險，發現自1993年以來中國石油進口風險一直處于上升趨勢，石油對外嚴重依存已成為能源安全的最大挑戰。Xia et al. （2011）運用能源多樣性以及油品自主率指標，分析中國大陸工業部門有關能源安全、效率與碳排放問題。國內，林玨（2014）從政治、經濟、技術、體制等多個維度，建構了12項指標，測度2000～2012年中國與加拿大的能源安全狀況。苗韌等（2013）提出了“中國能源可持續發展綜合評價體系”，量化分析中國2000～2020年能源可持續發展的狀態與合理水平。蘇飛和張平宇（2008）由對外依存度、能源消耗彈性系數、能源儲量比等指標構建脆弱性評估模型，對中國區域能源的安全供給脆弱性進行評價。

多樣性為確保能源安全的重要因素。多樣性有助于能源系統應對外在環境的改變與沖擊（Molyneaux et al.，2014）并降低單一來源供應中斷的脆弱性（Bhattacharyya，2010）。因此，一個高度依賴進口的能源系統若能有效分散能源來源和種類，未必處于高風險狀態。目前各國多將促進能源來源的多樣性作為能源安全戰略的重要原則和措施，如何降低化石能源進口來源的集中度成為能源進口國降低能源風險安全的重要政策方向（Lef vre，2010），然而決策者常常將能源安全等同于能源獨立性，因此多將政策重點放在如何促進資產能源的供給，而忽略增加進口能源來源的多樣性的重要性，也未建立起適當的市場機制引導投資者以多樣性的能源組合，來增強整體的能源安全。

多樣性指標被廣泛應用于各種領域的研究中，指標建構方式也較多，參見表1。其中在能源領域以Hirschman-Herfindahl Index（HHI）和Shannon-Weiner Index（SWI）兩種指標應用最為廣泛。HHI是評價市場集中度的指標，亦可以用于多樣性分析。在能源系統中，市場份額較大的能源種類或者能源供應個體，其對能源安全的影響較大。Blyth &Lefevre（2004）曾使用該指標結合能源供應國的政治風險排名指數，考察能源供應國對市場穩定性的影響；Gupta（2008）運用HHI進行油品供應風險的分析；Frondel et al.（2008）采用HHI和政治穩定度指標考察國內能源安全問題；Le &Paltseva（2009）則采用HHI研究歐盟進口能源供應的短期風險；Ge&Fan（2013）使用HHI指標的平方根評價中國能源進口來源的多樣性。HHI的缺點也比較明顯，例如，對數據要求較高，經濟含義不直觀等等。另一最常用的指標SWI由熱力學的概念“熵”（entropy）拓展而來。SWI運用于能源安全領域以及能源多樣性的文獻較多。Costantini et al. （2007）使用SWI指標進行不同情境下能源依賴度與脆弱度分析。Vliet et al.（2012）運用SWI多樣性指標及修正的SWI多樣性指標評估歐洲與亞洲主要國家的能源安全。SWI指標存在一些缺點，如Stirling（2010）認為該指標能較好的反映系統的變異性（variety）以及平衡性（balance），但難以反映差異性（disparity）。雖然HHI和SWI兩種指標在闡述多樣性的意義上尚有不足之處，但由于二者在數據取得方面較為容易，計算上相對透明和客觀，可以通過改進加以完善。

目前文獻中建構的能源多樣性指標缺點主要有二：一是將各類能源視作獨立能源，而未考慮不同種類能源之間存在的復雜的互補和替代關系。二是現有多樣性指標假設各類能源具有相同風險特性，無法解釋各類能源的不同風險表現。如在化石能源價格劇烈變動期間，再生能源的價格卻比較穩定。實際上，有文獻指出，再生能源具有的價格穩定性通?？梢杂脕碜鳛閼獙鹘y能源市場價格變動的避險工具（林伯強和李江龍，2014）。只是目前有關能源安全的量化研究通常忽略再生能源對能源價格穩定所起的作用。

三、能源模型與政策模擬

20世紀70年代世界發生石油危機之前，沖擊分析（impact analysis）模型在國家能源政策的分析與評估上并未占據重要角色。20世紀90年代以來，能源問題日益與環境保護和經濟發展問題密不可分，需要考慮能源與經濟、環境等問題的互動，于是出現了各種能源-經濟-環境（3E）規劃模型。魏一鳴等（2005）對其進行了總結分類。Jebaraj&Iniyan（2006）將能源模型分為能源計劃模型、能源供需模型、能源預測模型、再生能源模型、碳排放減量模型以及最優化模型等幾類。Suganthi& Samuel（2012）則將能源需求預測模型分為：時間序列、計量回歸、結構分解、灰色預測、投入產出、由上而下、模糊理論、整合性等12種類型。Hodge et al.（2011）則將能源模型依據應用領域分為：能源生產與消費模型、能源傳輸模型、能源經濟模型以及能源使用環境沖擊模型。

按照建模方法，能源模型可以分為Top-Down（自上而下）、Bottom-Up（自下而上）模型以及混合型等3種類型（魏一鳴等，2005）。Top-Down與Bottom-Up兩類模型各具特色，功能也有差異，參見下表2。

就研究方法而言，3E模型大致可分為：經濟計量模型、數理規劃模型、投入產出模型、系統動力學模型以及可計算一般均衡（CGE）模型等5大類型。

（一）經濟計量模型

該模型是1960～1980年代應用較為廣泛的模型，從小規模的部門計算到大規模的宏觀計量模型，在諸多領域均有著廣泛的應用。早期有AR模型、MV模型、ARMA模型、ARIMA模型、聯立方程模型等。近年來，隨著時間序列方法的發展，傾向于運用向量自回歸（VAR）模型（Hamilton，1983；崔和瑞和王娣，2010；陸旸，2011；李姝和田露露，2014等）、協整（CI）與誤差修正（ECM）模型（林伯強，2006）、SVAR模型（林伯強等，2014）進行研究。就3E議題而言，目前一般作為其他模型（如CGE模型）的輔助模型，推估一些必要的參數，或者僅作為對照基礎。不過，該模型也可以用來分析特定的技術性問題，如能源生產力、技術效率等。

（二）數理規劃模型

該模型分為單目標規劃法和多目標規劃法。單目標規劃化法用于3E系統，是以整個3E系統的成本最小化為規劃目標，通過動態線性規劃求解最優結果，如IEA于1976年開發的MARKAL模型；陳文穎等（2004a；2004b）在MARKAL模型的基礎上，建構的能源-經濟-環境耦合的MARKAL-MACRO模型，均屬于單目標規劃模型。多目標規劃法是在決策過程中同時考慮多個決策目標的數理規劃法。如Cai et al.（2009）、Oliveira &Antunes（2011）等。國內，魏一鳴等（2002）、宋杰鯤等（2013）分別以北京市和山東省統計數據為例，建構了3E多目標規劃模型。臺灣學者張四立（2010）建構了針對臺灣能源-經濟-環境（3E）系統的多目標規劃模型。

（三）投入產出模型

該模型在3E議題方面應用較早，且用途廣泛，特別是在國際貿易中隱含碳、隱含能的測度和污染排放方面應用尤其廣泛。國外文獻有Wiedmann（2009）、Liu et al. （2010）、Kitzes（2013）、Su & Ang（2014）等。國內，中國投入產出學會課題組（2007）使用2002年中國投入產出表研究了主要能源部門與國民經濟的關聯。陳迎等（2008）首次使用投入產出分析法測算了2002～2006年中國進出口產品的隱含能源。席酉民（2009）編制了中國 2004 年能源投入產出延長表，建立了能源投入產出分布式規劃模型，用來測算單位GDP能耗的變動趨勢。張友國（2009）、彭水軍和劉安平（2010）等采用投入產出模型分析國際貿易對中國環境的影響。劉瑞翔和姜彩樓（2011）、謝建國和姜珮珊（2014）等采用投入產出模型測算了中國對外貿易隱含能和能源消耗。高建剛（2015）采用帶有非期望產出且具有不可分割冗余變量模型（SBM）測算了中國能源效率和排放效率發現兩種效率均存在東、中、西依次遞減的格局。

（四）系統動力學模型

系統動力學模型源自于1961年MIT教授Forrester對企業政策與工業組織隨時間變化的行為討論。此后，該方法在工程、醫學、管理等多種領域得到廣泛應用。3E議題方面，Wei & Hong（2009）運用系統動力學方法模擬不同部門二氧化碳排放量和不同能源結構的碳減量收益。Feng et al. （2012）使用系統動力學模型仿真北京市2005-2030年能源結構和人口增長變動對能源消耗和碳排放的影響。國內，杜慧濱和顧培亮（2005）使用系統動力學方法了建立了3E系統演化模型。李瑋和楊鋼（2010）利用系統動力學方法研究山西省能源消費的可持續性。宋輝和魏曉平（2013）結合中國GDP增長目標、化石能源消耗進程安排、二氧化碳減排目標等問題，使用該方法模擬再生能源2011-2045年的替代路徑。李文超等（2014）在分析人口、能源、資本和污染四個子系統的基礎上，建構了系統動力學模型用于中國3E系統的可持續發展評價，發現同時改變技術創新和消費偏好有利于中國實現3E系統的可持續發展。肖仁俊等（2014）建立了新疆能源可持續發展的動力學模型，研究2010-2020年新疆的3E發展目標。郭玲玲等（2015）運用系統動力學方法構建中國能源安全的系統動力學模型，預測能源生產和消耗等情形的動態變化。

（五）可計算一般均衡（CGE）模型

CGE模型的原理是瓦爾拉斯的一般均衡理論框架，其內涵著重分析經濟個體的互動與市場績效的相互關系。在CGE模型中，價格內生決定，這與投入產出模型不同；有較為嚴謹的理論框架，但缺乏統計檢驗使其與計量分析和時間序列分析不同。

該模型種類繁多，按照劃分不同依據，可以分為：1.靜態模型和動態模型；2.單區域模型和多區域模型；3.單國模型和多國模型。本文針對第三種分類進行介紹。就單國模型而言，國際上代表性的有：ORANI 、 World Bank-Type CGE 、GREEN、DICE、MERGER、WIAGEM、ENTICE、AIM、WITCH、MIT EPPA。國內，有國務院發展研究中心開發的多區域可計算一般均衡模型（DRC-CGE）、國家信息中心開發的一般均衡模型（SICGE）、中國科學院科技政策與管理科學院與澳大利亞莫納什大學合作開發的CAS-CGE模型、清華大學開發的能源-經濟-環境混合評價模型（TH-3EM）、北京理工大學能源與環境政策研究中心開發的中國能源與環境政策分析模型（CEEPA）、王燦等（2005）開發的中國經濟-環境-能源動態CGE模型（TED-CGE）、澳大利亞莫納什大學和湖南大學聯合開發的MCHUGE模型等。此外，多國模型有GTAP（Global Trade Analysis Project）、GTEM（Global Trade and Environment Model））。關于單國模型與多國模型的互動與連結，參見下圖1。

CGE模型用途廣泛，在經濟政策分析中具有重要地位。在3E問題上的應用研究可以分為三類：第一類是探討能源和環境政策的社會經濟影響。這是數量最多的一類文獻。如節能減排效果和福利效應研究： Wang等（2009）、Dai et al.（2011）、劉小敏和付加鋒（2011）；能源稅、碳稅的實施效果研究：Bruvoll& Larsen（2004）、Wissema&Dellink（2007）、Matsumoto & Masui（2011）、賀菊煌等（2002）、魏濤遠等（2002）、王燦等（2005）、魏巍賢（2009）、何建武和李善同（2010）、朱永彬等（2010）、梁偉等（2014）、劉宇等（2015）；碳關稅的經濟效果、碳泄漏的跨境效應：Bruvoll&Faehn（2006）、沈可挺和李鋼（2009）、朱永彬和王錚（2010）、李繼峰和張亞雄（2012）、溫丹輝（2013）、叢曉男等（2014）等。第二類是：能源消費強度、能源價格與能源消費結構的研究。這類文獻數量也較多。如Bergman（1988）、林伯強和牟敦國（2008）、胡宗義和劉亦文（2010）、姚云飛等（2012）、郭正權等（2014）等。第三類是能源效率、回彈效應研究。相關文獻較少。典型的有Dimitropoulos（2007）、查冬蘭和周德群（2010）、胡秋陽（2014）。

四、研究評述和展望

目前，國內外有關能源安全和能源模型的相關研究文獻已不再局限于能源問題本身，而是將能源問題和經濟發展、環境保護、科技創新、人口發展、國際貿易甚至國際政治問題進行鏈接，從多維度考察能源安全問題；同時，學者們更加注重理論與實證相結合，越來越注重建構功能更具體、更強大的能源模型，并結合相關數據來研討實際問題。3E模型的不斷發展完善為整合多視角的研究提供了強有力的分析工具。盡管如此，能源安全問題以及相關模型的研究仍然有待深化。

目前文獻中有許多指標用于評估國家、區域或全球等不同尺度的能源安全，內容包括能源系統的獨立性、依存度以及能源結構與供應來源的多樣性等，然而僅有少量研究對能源安全進行量化評估，且多數多樣性指標未能有效體現各類能源的風險特性以及不同種類能源風險的關聯性，而使指標的計算結果與實際的能源安全狀態偏差較大。因此，建構具有風險內涵的多維度能源安全指標，以便為政府完善能源安全決策提供建議將是未來能源安全亟需研究的重要問題。

在3E模型的建模方面，僅強調能源-經濟-環境的關聯，其中能源部分多是單向配合經濟發展與環境保護的要求而進行能源需求預測與供應系統規劃，而很少觸及能源安全與經濟發展和環境保護三者之間的互動關系，缺少能源安全問題的自主性探討。因此，在能源規劃模型中，探討能源安全約束下能源-經濟-環境（3E）之間的互動機制，建構考慮能源安全的3E模型即3E-S模型，將是未來能源模型研究應當聚焦的方向之一。

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（作者單位：聊城大學商學院）