碳排放約束下的天津市能源區域分配研究—基于碳夾點模型分析

  ＣＯ２是引起全球氣候變化最主要的溫室氣體之一。在哥本哈根氣候變化大會上，中國向世界做出承諾，到２０２０年我國單位國內生產總值ＣＯ２排放比２００５年下降４０％～４５％，并將此作為約束性指標，納入國民經濟和社會發展的中長期規劃中。這就要求我國在滿足經濟快速發展的同時，考慮碳排放限制和能源的供需。為保證同時滿足能源需求和碳排放限制，政府部門通常采用以碳減排政策為核心的一般均衡模型對能源結構以及能源分配進行調整，而在技術研究方面，國內外許多學者對能源的分配問題進行了研究。

 

  利用零碳或低碳能源（統稱為清潔能源，包括再生能源、核能等）替代傳統高碳的化石燃料（煤、石油等）是削減碳排放的主要手段之一。但是，清潔能源的成本和價格比傳統化石燃料要昂貴的多，同時在應用技術上沒有化石燃料成熟，或者在推廣應用上飽受爭議（如核能和大型水力發電）。因此，在能源規劃問題中，既能滿足碳排放限制又能最少的使用清潔能源，使成本最小化顯得很有必要。本研究以天津市為例，采用碳夾點的分析方法利用區域能源供需和碳排放數據建立分析模型，通過對整體和區域的碳排放約束和能源供需情況進行假設，分別確定傳統能源和清潔能源的分配，使在清潔能源使用最少的條件下，既能滿足能源需求又能達到碳排放約束的目的。

 

  １ 文獻述評

 

  國內外對能源的區域分配問題有過不少研究。

 

  其中有些學者對能源區域分配方法進行研究。張式軍［１］對發達國家實施的能源配額制進行比較分析，提出我國可再生能源配額制的設計路徑；ＬＡＭ 等［２］首次提出采用區域能源簇的方法研究能源分配的對象和劃分能源簇，并且提出在區域內實行最優的能源配置；韓強等［３］基于決策者偏好的迭代算法構建了工業領域能源分配雙層規劃模型，該分配方法可以有效倒逼各級地方政府。還有些學者從一些限制條件和區域差異等不同角度出發，研究能源的分配問題，如ＦＯＯ等［４］基于碳排放約束限制利用瀑布模型分析能量計劃和能量配置問題；陳軍［５］以能源效率的區域差異為基本依據，通過探討中國非可再生能源區域優化配置的內在規律和現實可能性，提出相應的政策建議；李琦等［６］通過分析能源的空間分布差異，利用能源消費截面數據，測算出我國３０個省、市、自治區的能源消費足跡，通過多元非線性回歸分析等方法，構建能源足跡與影響因素的計量模型。

 

  上述文獻采用不同的方法模型，從不同的角度對區域的能源分配進行研究，但是目前對能源的區域分配問題還沒有統一的標準和方法，而且前期的研究大部分從整體的角度出發考慮能源分配，沒有考慮區域限制條件下的能源分配。本研究通過建立碳夾點的分析方法，分別考慮整體和區域的能源供需和碳排放約束條件，對能源的分配問題進行研究，利用碳排放限制、能源供給、能源需求數據，通過直觀的曲線圖表，讓模型和結論易于理解。

 

  碳夾點分析方法的由來要追溯到夾點技術，夾點技術是由英國學者ＬＩＮＮＨＯＦＦ等［７］于１９７８年提出的，最初用于研究換熱網絡的熱回收問題。該法在熱動力原則基礎上發展起來，以確定電廠的能源優化利用策略。后來經過發展，夾點理論應用范圍不斷擴大，延伸到很多工程系統及一般的工藝過程設計，后被擴展應用于污染防治領域，如應用于物資回收、廢物減量等方面，并提出了水夾點、氧夾點、氫夾點、能值夾點、碳夾點等概念。ＴＡＮ 等［８］提出基于夾點的碳約束能源規劃方法，并首先將圖形夾點法用于碳約束的能源規劃問題，通過平移能源曲線來確定最小零碳能源用量；ＣＲＩＬＬＹ 等［９］正式提出了碳夾點分析方法，并將該方法應用于愛爾蘭的電力行業，對能源供需狀況進行預測和規劃，為進一步研究區域能源供應和實現碳減排目標提供決策依據。隨后國內學者，如祝一波等［１０］考慮經濟性因素對可再生能源利用的制約，引入邊際成本的概念，在碳夾點分析的數學模型中添加經濟性約束條件。姚漫等［１１］在考慮新能源高額成本和碳排放約束的條件下，提出將夾點分析方法應用于碳排放約束下的能源分配中，并將結果與線性規劃求解模型的結果進行對比，驗證碳夾點方法的可行性和實用性。

 

  基于對前期文獻的研究，本研究以天津市為例，運用碳夾點分析方法對區域能源規劃問題進行系統分析，從而確定在碳排放限制下實現節能減排目標的能源分配。

 

  ２ 碳排放約束下的區域能源分配模型構建

 

  碳夾點應用于有排放限制的區域能源規劃中，主要可以解決以下幾個問題：（１）在某區域內，給定能源總量和碳排放限制目標的條件下，確定清潔能源的最小用量，本研究的清潔能源或低碳能源包含風能、太陽能、核能；（２）確定在清潔能源全部使用的情況下，總體區域的最小碳排放量，即碳排放限制的最小值；（３）對于多個區域，給定每個區域的ＣＯ２排放限制和能源供需，在確定最小清潔能源或低碳能源消耗的基礎上，確定每個區域的能源種類及其用量的分配。

 

  碳夾點分析可以通過構建數學函數模型來實現，為使計算簡便，能源供應量及需求量均以能源中可被利用的能量計。

 

  為滿足能源需求和碳排放限制的同時使得系統中清潔能源使用量最小化，其目標函數模型可表示為ｍｉｎＦ０，具體計算步驟如下：（１）將各類能源以碳排放因子從低到高的順序排列，分別計算供應能源的累積用量、累積碳排放量，繪制基于累積碳排放量下的能源供應曲線；同時繪制碳排放限制下的不同區域能源需求曲線；（２）水平移動能源供應曲線至能源需求曲線的最右點，將此交點視為碳夾點，此時能源供應量即能滿足能源需求，又可達到碳排放量的限制水平，碳夾點以上為可減少使用的煤炭能源供給量，水平移動距離為清潔能源最少使用量；（３）在研究區域供應一定數量的清潔能源的情況下，將能源供給曲線向右平移至清潔能源最大供應量的位置，移動后的曲線即為清潔能源全部使用后的能源供應曲線，在滿足能源需求下的平移曲線縱坐標即為碳排放的最小水平；（４）將能源供應曲線向右平移至與能源需求曲線只有一個交點，此交點為滿足各區碳排放限值的碳夾點，該碳夾點將能源需求曲線分為兩部分，碳夾點之下的能源滿足碳排放限制要求，是清潔能源的主要供應區域，移動的水平距離為清潔能源需求量。

 

  ３ 實例分析與討論

 

  以天津市為例，通過上述模型，對天津市的能源分配進行分析。數據來源：碳排放系數來源于ＩＰＣＣ２００６收錄的各種燃料ＣＯ２排放系數；基礎數據來源于《天津市統計年鑒２０１０》、《天津市統計年鑒２０１１》、《天津市能源年鑒２０１１》。天津市能源供給的基礎數據如表１所示。為簡化分析，將風能、太陽能、生物質能等低碳能源和零碳能源歸為“清潔能源”。

 

  根據天津市的產業結構、城市功能、能源消費等特征將其分為城市住宅區、商業服務區、工業產業區，３個分區為具有低、中、高不同碳排放系數的模擬地理區域，在分析過程中分別表示為區域１、區域２、區域３。天津市能源需求基本數據見表２。由表２可見，根據每個區域的能源需求、能源結構和ＣＯ２排放限量數據，通過加權平均獲得各區ＣＯ２排放因子分別為２５．０×１０－６、５３．３×１０－６、９７．５×１０－６ ｔ／ｋＪ，區域的劃分依據和劃分的數量標準不是唯一的，在研究中，參考因素越多，劃分的區域越細，個數越多，研究結果就越有說服力，減排的效果也越好。

 

  將表１各能源以排放因子從小到大的順序首尾相連，畫出能源供應曲線，利用表２中的數據匯制能源需求曲線，天津市的能源供應和需求曲線見圖１。

 

  由圖１可見，目前天津市的能源供應基本滿足３個區域的能源需求，但在當前能源結構下的碳排放量（１ ８３２．１×１０５ ｔ）卻遠高于累計碳排放限量（１ ５７０．６×１０５ ｔ），因此需要對天津市當前的能源結構進行調節，以在能滿足能源需求的條件下達到碳排放限量的要求。

 

  ３．１ 僅考慮天津市總體排放限制下的能源分配不考慮單個區域的碳排放限制，只考慮天津市總體碳排放限制，在此情況下，為了滿足能源需求，需將能源供給曲線水平向右移動，直到兩條曲線相交于能源需求曲線的最右點（見圖２），該點為滿足總體碳排放限制的能源需求量，即為碳夾點，夾點坐標為（２２３．０，１ ５７０．６），平移線夾點與右端頂點的橫坐標差為減少的煤能源使用量，曲線平移距離為清潔能源需求量。

 碳排放限制最小值分析充分利用清潔能源是減排的重要規劃措施，假設天津市能供給使用的清潔能源有５０．０×１０１３ ｋＪ，在此情況下，充分利用清潔能源所能達到的最小的碳排放量，是能源部門對天津市的排放量進行規劃、制定天津市的碳排放約束的重要依據。向右平移能源供應曲線５０．０×１０１３ ｋＪ，平移后的能源供應曲線在２２３．０×１０１３ ｋＪ能源供應下的坐標點即為碳夾點（見圖３）。經計算，平移５０．０×１０１３ ｋＪ后碳夾點的坐標為（２２３．０，１ ３７８．５），碳夾點的縱坐標就是所能達到的最小的碳排放量，即天津市所有清潔能源充分使用下，該地區所能達到的最小碳排放量為１ ３７８．５×１０５ ｔ。基于此，在不考慮提高能源利用效率和采用更先進的碳減排措施的情況下，能源部門在規劃天津市的總體碳排放限制時不該低于１ ３７８．５×１０５ ｔ。

 

  ３．３ 考慮區域碳排放限制下的能源分配

 

  一個地區能源的合理利用，要考慮每個區域的能源需求和碳排放限制，并且分析各種能源如何分配。如果一個區域產生限額以上的碳排放，其他區域就被限制產生限額以下的碳排放而變相地為高排放區域買單。為了使能源供應滿足區域能源的需求，將能源供應曲線向右平移至與能源需求曲線只有一個交點時，此交點為碳夾點，移動的水平距離就是清潔能源的需求量（見圖４）。經計算，碳夾點坐標為（１１３．０，４９７．６），水平移動距離為４４．７，此時滿足３個區域的排放限制，同時，還有３７．９×１０１３ ｋＪ碳排放因子最高的煤沒有利用。并且，在滿足了能源需求和排放限制的情況下，達到的總碳排放量為１ ４３４．１×１０５ ｔ，小于總碳排放量的限值１ ５７０．６×１０５ ｔ。

 

  從圖４還可看出，碳夾點將平移曲線分成兩部分，區域１與區域２在夾點的左下方，區域３在夾點右上方。碳夾點以上部分，能源供應平移曲線的斜率小于需求曲線的斜率，這表明能源供應曲線經過平移后（即使用清潔能源后），區域３能源供應的碳排放因子要比相應區域的能源需求的碳排放因子小，因此不必使用清潔能源也能滿足碳排放要求。

 

  為了更精確地確定每個區域的能源分配，在圖４的基礎上，碳夾點以上的曲線不動，將能源供應曲線碳節點以下段從原點向右平移直至與區域１的需求曲線最右端相交形成新的碳夾點２（見圖５）。由圖５可知，碳夾點２的坐標為（３７．０，９２．５），經計算，下半段平移的距離為２２．７，也就是說２２．７×１０１３ ｋＪ的清潔能源必須提供給區域１，另外，區域１的能源需求缺口還剩１４．３×１０１３ ｋＪ，可以通過利用所有的天然氣（７．２×１０１３ ｋＪ）和部分石油（７．１×１０１３ ｋＪ）來滿足。通過圖４可知，天津市需要消耗４４．７×１０１３ｋＪ的清潔能源來滿足全市的能源需求，因此在滿足區域１以后，余下２２．０×１０１３ ｋＪ的清潔能源可以供給區域２，區域２同樣還需要另外５４．０×１０１３ ｋＪ的石油來滿足其能源需求。區域３ 可以通過余下７２．９×１０１３ ｋＪ的石油能源和３７．１×１０１３ ｋＪ的煤能源來滿足，剩余未消費的煤能源３７．９×１０１３ ｋＪ，最終能源結構優化結果如表４所示。

 

  經過能源分配后產生碳排放量仍為１ ４３４．１×１０５ ｔ，但各種能源可以更合理地分配在各個目標區域。另外需要說明的是，圖中區域的劃分不是唯一的，因此得出的優化結果也不是唯一的，并且通過分析結論可知，區域劃分的越細，個數越多，鄘能源的分配更細致析結論可知，區域劃分的越細，個數越多，能源的分配更細致，減排效果越好。另外，在最初的數據中，３個地區的總碳排放限量為１ ５７０．６×１０５ ｔ，通過能源規劃可以實現１ ４３４．１×１０５ ｔ的碳排放，但對應的能源成本卻提高了。如果只要求達到１ ５７０．６×１０５ｔ的碳排放量，可以用排放因子高的能源（如煤）來代替一部分高成本的清潔能源，從而實現用最低的成本達到碳排放限量的要求。

 

  ４ 結 論

 

  碳夾點分析可以直觀地用于能源消費結構的優化中，能源規劃部門可以用碳夾點分析方法對地區的能源進行分配，對碳排放限量進行定量規劃，企業也可以在一定排放限制量的情況下，對產品結構或者能源使用進行規劃，以達到碳排放限制要求，并且降低能源成本。對于天津市的實例分析可以得出，只考慮總體碳排放限量時需要清潔能源３１．７×１０１３ｋＪ，能源部門在規劃天津市的碳排放限制時，如果假定有５０．０×１０１３ ｋＪ的清潔能源，能源部門在規劃天津市的碳排放限量時不能低于１ ３７８．５×１０５ ｔ。在考慮各個區域的碳排放限量條件下，規劃得到的碳排放總量為１ ４３４．１×１０５ ｔ，低于最初設定的排放值，并可以在保持碳排放量限制的同時盡量降低成本。

 

  本研究采用碳夾點的區域能源分配方法，在碳排放限量和能源需求的雙重約束下，以使用最少的清潔能源為目標，對區域能源分配進行實例分析，實現能源供給與需求的平衡。決策者在制定能源用量，結構和能源分配的政策時，需要因地制宜考慮不同燃料的碳排放因子以及燃料的開發利用成本，采取相應政策措施，完善排污收費、綠色補貼、排污許可等法律法規，鼓勵開發利用清潔能源。中國現階段仍然以犧牲環境為代價大力發展經濟，清潔能源的開發使用還處于起步階段，應加大對技術開發的投資力度，為將來提供更多成本更低的優質清潔能源。