（系统工程专业论文）中国能源结构分析和碳排放研究.pdf

学位论文版权使用授权书 川j j j i j 删删删 y 18 9 5 0 9 2 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 姨 2 0 1 1 年参月b 日 坳参承v l z d 1 年莎月f 弓日 ， 中国能源结构分析和碳排放研究 a n a l y s i so fe n e r g ys t r u c t u r ei nc h i n a a n d _ 籼” r e s e a r c ho fc a r b o ne m i s s i o n s 姓 2 0 11 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着世界经济的发展，能源问题日益严峻，能源需求及能源相关 二氧化碳的排放己经成为国内外学术界和各国政府共同关注的热点 话题。中国作为世界上最大的发展中国家、第二大能源消费国以及仅 次于美国的第二大二氧化碳排放国家，理应重视能源的研究。研究能 源问题对于中国的未来具有十分重要的意义，不仅有利于中国的可持 续发展，而且对缓和全球气候变暖问题有突出贡献。 本文主要对我国能源结构进行了分析及预测，其中将l m d i 方法 推广成能源预测模_ 型( l m d i e d ) ，该模型集预测与分析予一身；然后 在非线性动力学环境下，建立了一个能源结构的双组份模型，将定量 分析与定性分析相结合来研究我国的能源结构情况。 第三章中，文章基于能源消费的基本等式，采用l m d i 方法以建 立我国能源消费的因素分解模型，定量分析了能源结构、能源效率和 经济发展等因素的变化对我国能源消费的影响；还在不同经济发展路 线、经济结构和技术水平下采用能源预测模型_ j ( l m d i e d ) 对我国未来 的能源需求进行了情景分析。 第四章中，文章由统计检验估计法，对能源结构的埃农映射模型 中的能源生产与消费的相关系数进行了估计，并定量地分析了我国未 中国能源结构分析和碳排放研究 来几年能源结构的发展趋势；最后利用能源消费总量、结构与碳排放 量之间的关系式单位能耗碳排放系数的表达式，预nt 我国未来 几年的碳排放情况。 关键词：能源结构，二氧化碳排放，因素分解，双组份模型，预测 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ew o r l de c o n o m i cd e v e l o p i n g ，e n e r g yi s s u e sa r ei n c r e a s i n g l y g r i m e n e r g yd e m a n da n dr e l a t e dc a r b o nd i o x i d e se m i s s i o n sh a v eb e e n o n eo ft h eh o t t e s tp r o b l e m sd i s c u s s e db ya c a d e m ea n da l lg o v e m r n e n t si n t h ew o r l d a st h el a r g e s td e v e l o p i n gc o u n t r ya n dt h es e c o n dl a r g e s t e n e r g yc o n s u m i n gc o u n t r i e s ，a sw e l la st h es e c o n d l a r g e s tc a r b o nd i o x i d e e m is s i o n sc o u n t r ya f t e rt h eu n i t e ds t a t e s ，c h i n as h o u l dp a ya t t e n t i o nt o t h ee n e r g yr e s e a r c h t h e r e f o r ei ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oa n a l y z ec h i n a s e n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e l a t e dc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n s f o ri t sf u t u r e ， w h i c hi sn o to n l ya d v a n t a g e o u st oc h i n a ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，b u t a l s ot om i t i g a t et h eg l o b a lc l i m a t ew a r m i n g i nt h i s p a p e r , t h ee n e r g y s t r u c t u r eo fc h i n ai s a n a l y z e d a n d f o r e c a s t e d l m d im e t h o di se x t e n d e di n t oe n e r g yf o r e c a s t i n gm o d e l ( l m d i e d ) i n t h i sm o d e l ，t h ep r e d i c t i o na n da n a l y s i sa r es e tt oo n e t h e n at w o c o m p o n e n tm o d e lo fe n e r g ys t r u c t u r ei se s t a b l i s h e du n d e rt h e n o n l i n e a rd y n a m i c se n v i r o n m e n t a n dt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n d q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa r ec o m b i n e d t os t u d yt h es i t u a t i o no fc h i n a se n e r g y s t r u c t u r e i nc h a p t e rt h r e e ，b a s e do nt h eb a s i ce q u a t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o n ， l m d im e t h o di sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h ef a c t o rd e c o m p o s i t i o nm o d e l t h ei m p a c to ne n e r g yc o n s u m p t i o nm a d eb yt h ec h a n g e si ne n e r g y e f f i c i e n c y , i n d u s t r ys t r u c t u r e ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n ds oo ni s a n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y t h e nt h ee n e r g yf o r e c a s t i n gm o d e l ( l m d i e d ) i s a d o p t e dt oc o n d u c tt h ee n e r g yd e m a n ds c e n a r i oa n a l y s i su n d e rd i f f e r e n t e c o n o m i cd e v e l o p m e n tr o u t e s ，e c o n o m i cs t r u c t u r e sa n dt e c h n o l o g i c a l l e v e l s i i i 中国能源结构分析和碳排放研究 i n c h a p t e rf o u r , s t a t i s t i c a lt e s tm e t h o di su s e dt oe s t i m a t et h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n e n e r g yp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o ni nt h e h 6 n o nm a pm o d e lo fe n e r g ys t r u c t u r e a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f c h i n a s e n e r g y s t r u c t u r ei nt h en e x ts e v e r a l y e a r s i s a n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n ， s t r u c t u r ea n dc a r b o n e m i s s i o n s ，i e ，t h ee x p r e s s i o no f e n e r g y c o n s u m p t i o np e ru n i to fc a r b o ne m i s s i o nf a c t o r s ，i sa d o p t e dt oe s t i m a t e t h ef u t u r ec a r b o ne m i s s i o n si nc h i n a k e yw o r d s ：e n e r g ys t r u c t u r e ，c a r b o nd i o x i d e e m i s s i o n s ，f a c t o rd e c o m p o i v s i t i o n ，t w o - c o m p o n e n tm o d e l ，f o r e c a s t 江苏大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 研究背景。1 1 1 1 中国能源生产现状2 1 1 2 中国能源消费现状4 1 1 3 中国碳排放现状5 1 2 研究现状5 1 2 1 关于指数分解法研究现状6 1 2 2 关于能源模型研究现状。7 1 3 本文的创新之处1 0 1 4 本文的结构安排。1 0 第2 章 基本知识。1 2 2 1 l m d l 分解方法1 2 2 2 埃农映射1 3 2 3 统计检验估计法。1 5 2 4 能源生产预测的h a a v e l m o 模型1 6 2 5 能源消费的l o g i s t i c 模型1 7 第3 章中国能源消费变化的因素分解及情景分析 3 1 弓i 言1 9 3 2 模型的建立。2 0 3 2 1 能源消费的l m d l 分解模型2 0 3 2 2 工m d i e d 能源预测模型2 1 3 3 中国能源消费变化的因素分解2 2 3 4 能源需求情景分析2 3 3 5 本章小结2 7 v 中国能源结构分析和碳排放研究 第4 章中国能源生产与消费趋势预测和碳排放研究2 8 4 1 弓i 言：猖 4 2 模型的建立2 9 4 3 对中国能源生产的实证研究2 9 4 4 对中国能源消费的预测3 2 4 5 与其他模型比较3 3 4 5 1 与h a a v e l m o 模型比较3 3 4 5 2 与l o g i s t i c 模型比较一。3 3 4 6 碳排放的分析3 4 硇h ， 4 7 本章小结3 6 第5 章总结与展望 o ；j 。总结。3 7 5 2 展望3 7 参考文献 j (谢4 l 读研期间发表的论文及参加的项目。4 2 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 能源是人类社会赖以生存的物质基础之一，是经济发展和社会进步的重要资 源，能源需求是否得到满足，直接关系到经济增长和社会发展的实现。安全、可 靠的能源供应和高效、清洁的能源利用是实现社会经济持续发展的根本保证，同 时，能源还是提高人民生活水平的主要物质基础之一n 1 。 1 1 研究背景 纵观改革开放以来我国的能源发展道路，已发现由于对未来的能源形势预测 分析不足而产生了一些问题。按时间段划分，我国改革开放后的能源发展战略大 体经过了三个阶段：。 第一阶段是2 0 世纪9 0 年代以前。中国强调能源自给自足，并采取压缩烧油、 以煤代油等一系列政策，强化了煤炭在中国能源供应体系中的地位。与此同时， 将本国的石油大量出口。整个8 0 年代，中国每年有大概有1 4 的原油用于出口。 这一期间，由于在能源发展战略中忽视了能源效率和能源环境问题，导致了我国 较低的能源利用效率和比较严重的环境问题。 第二阶段是2 0 世纪9 0 年代。这一时期，中国重工业得到了较快发展，重工 业在工业产值中的比重超过了5 0 ，最后达到了6 0 ( n 前则已经接近7 0 ) ， 最终导致了我国在1 9 9 3 年由石油净出口转为净进口。由于没有充分地意识到经 济增长导致的能源消费急剧增加，曾一度导致我国能源供应处于紧张局面。特别 是上世纪八十年代末、九十年代初，国内部分地区出现了严重的缺电现象。鉴于 这种情况，中国开始改变自给自足的战略，有意识地通过国际市场来调节国内市 场供需矛盾，并将以煤为主的能源发展战略，逐步转向多元化的能源发展战略。 第三阶段为进入新千年以后。中国政府开始研究制定能源安全战略和能源可 持续发展的战略。由于能源已经越来越成为全世界的战略问题，围绕着能源的国 际争夺也越来越激烈。另外，中国大陆石油进口的一半以上，都来自中东、非洲、 东南亚地区，美国对中东事务的插手以及8 0 的进口石油要通过世界上最不安 全的马六甲海峡，都对我国的石油安全形成了威胁。另外，由于没能及时准确地 中国能源结构分析和碳排放研究 预测经济重工业化时代的快速到来，使我国再次遭遇能源瓶颈的阻击。2 0 0 5 年， 在政府宏观调控作用下，能源紧张的局面稍为得以缓解，但能源缺口依然存在。 按照中国目前的发展速度，到2 0 2 0 年，中国的能源消费总量将有较大幅度增加， 仅石油的需求量预计将超过5 亿吨，其中的6 0 需要进口。因此，能源安全供 应以及能源消费所带来的环境问题，特别是石油对海外资源的过度依赖和国际市 场极大的不可预测性，都将给中国的经济可持续发展带来巨大阴影。 中国能源发展面临的主要问题是能源短缺日益严重，能源利用强度较高，能 源利用效率与发达国家相比差距明显，能源产品结构及其不合理，能源区域分布 结构不平衡，能源环境问题日趋严重，能源安全问题r 益突显。在上述问题中， 能源结构问题无疑处于核心地位。自上世纪9 0 年代以来，尽管我国一次能源消 费构成中的煤炭比重下降趋势比较明显，但我国能源结构长期存在的过度依赖煤 炭的问题并没有得到根本解决。这是造成当前我国环境严重污染、能源利用效率 低下、能源运输紧张、单位能耗较高等一系列问题的根本原因之所在，能源结构 的调整和优化是当前及未来相当长一段时期内我国能源战略的核心。然而能源结 构问题是一类复杂的综合性社会经济大系统问题，其内部结构要素之间存在复杂 的传递和反馈作用，能源结构系统中任何一个因素的变化，都会使其基本机制发 生变化。常舰的定性分析与定量分析方法不能揭示和把握这种量化关系的变化规 律。因此，如何更好地运用当前快速发展的计量经济学方法和非线性动力学方法， 来研究像能源结构系统这样的复杂系统，研究能源结构的发展趋势和相应的能源 对策，是当前能源研究中广为关注的问题之一。 1 1 1 中国能源生产现状 改革开放以来，中国能源生产取得的巨大发展，进入能源大国行列。如图 1 1 所示，能源总产量从1 9 9 3 年的1 1 1 0 5 9 百万吨标准煤增长到2 0 0 7 年的2 3 5 4 4 5 百万吨标准煤，能源生产总量增加了1 1 2 。中国能源生产整体上稳步增加的， 1 9 9 7 年达到一个峰值，然后逐渐减少，到2 0 0 7 年又达到个峰值从2 0 0 2 年 起，随着经济的迅速发展，以及高能耗产业的急速扩张，中国能源生产进入了 个加速发展阶段。 2 江苏大学硕士学位论文 数据来源：中国能源统计年鉴( 2 0 0 8 ) 图1 11 9 9 3 2 0 0 7 年中国能源生产总量情况 。 f i g 1 1t h et o t a le n e r g yp r o d u c t i o ni nc h i n af r o m1 9 9 3t o2 0 0 7 目前，中国能源工业已经形成了以煤炭为主、多种能源互补的生产体系，能 源生产特点主要表现为： ( 1 ) 煤炭在中国能源生产中一直保持大于7 0 的比重。随着一次能源生产 总量的增加，煤炭的产量保持稳步增长，原煤产量由1 9 8 0 年的6 2 亿吨增长到 2 0 0 7 年的2 3 7 亿吨，年均增长5 2 。 ( 2 ) 原油产量由1 9 8 0 年的1 0 6 亿吨增长到2 0 0 7 年的1 8 4 亿吨，年均增长 2 1 ；原油生产近年来保持相对稳定的小幅增量，由于一次能源生产量的增加， 原油的比重在最近几年有所下降。 ( 3 ) 天然气在次能源生产中的比重一直比较低，但保持了稳定的增长； 天然气产量从1 9 8 0 年的1 4 2 7 亿立方米增长到2 0 0 7 年5 8 6 亿立方米，年均增长 5 5 但是从2 0 0 1 年开始天然气生产突破了3 0 0 亿立方米，一直保持较高的增 长率。 ( 4 ) 中国电力生产增长迅速，其中水电由1 9 8 0 年的5 8 2 1 亿千瓦时增长 到2 0 0 7 年的3 5 7 9 亿千瓦时，年均增长8 ；2 0 0 6 年底全国发电量2 8 6 5 7 3 亿千 瓦时，其中水电和核电4 9 0 6 3 亿千瓦时目前中国电力生产主要依靠常规能源， 火电占总发电量的8 2 6 。 中国的能源总储量居世界第二位，但是由于中国人口基数大( 占世界总人口 的2 0 以上) ，因此人均能源可采储量相对较低，均低于世界平均水平。中国的 3 中国能源结构分析和碳排放研究 人均能源生产量虽然在逐年递增，从1 9 9 0 年7 9 0 k g 标准油提高升到2 0 0 7 年的 1 3 3 7 k g 标准油，增长了6 9 2 ，但是仍远远低于发达国家，仅占到世界平均水 平的一半多一点。 1 1 2 中国能源消费现状 能源是生产和生活中不可缺少的要素，是人类社会发展最强大的动力引 擎中国是世界上最大的发展中国家，自改革开放以来，我国的经济总量和能源 消费都出现了较大的增长，如图1 2 所示。g d p 由1 9 9 3 年的3 5 3 3 4 百亿元增加 到2 0 0 7 年的2 4 9 5 3 0 百亿元1 9 7 8 年不变价格计算、，年均增长率保持在9 6 左 右。同时也刺激了能源消耗的增加，能源消耗由1 9 9 3 年的1 1 5 9 9 3 百万吨标准 煤增加到2 0 0 7 年的2 6 5 5 8 3 百万吨标准煤，年增长率约为5 3 。目前中国能源 消费总量已经位居世界第二，约占世界能源消费总量的1 1 左右。 数据来源：中国能源统计年鉴( 2 0 0 8 ) 图1 21 9 9 3 - 2 0 0 7 年中国g d p 和能源消费总量情况 f i g 1 2g d pa n dt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni nc h i n af r o m1 9 9 3t o2 0 0 7 2 0 0 7 年世界能源消费总量为8 0 8 4 4 4 百万吨标准油，其中美国能源消费总量 为1 5 7 2 1 6 百万吨标准油，占世界能源消费总量的1 9 4 5 ，居世界第一位；我 国能源消费总量为1 2 0 1 8 5 百万吨标准油，占世界能源消费总量的1 4 8 7 ，居 世界第二位；但是，中国的人均能源消费量一直处于较低水平，2 0 0 6 年人均能 源消费量为9 1 9 k g 标准油，世界人均能源消费量为1 2 4 4 k g 标准油，中国仅相当 于世界水平的7 3 8 ，美国的1 7 4 ，德国的2 9 8 ，日本的3 3 3 ，法国的 3 3 2 ，英国的3 4 9 ，加拿大的1 4 7 ，澳大利亚的2 4 3 ，远远低于发达国 4 江苏大学硕士学位论文 家水平，随着人民生活水平的提高，中国的人均能源消费量必会逐渐上升，与此 同时，能源供求矛盾将愈加突出，能源紧张问题将愈加严重。 1 1 3中国碳排放现状 ( 1 ) 二氧化碳排放总量位居世界前列 2 0 0 8 年我国二氧化碳排放量已经达到6 2 亿吨。预计到2 0 2 0 年，二氧化碳 排放量要在2 0 0 0 年的基础上增加1 5 倍，这个增量要比全世界在1 9 9 0 年到2 0 0 7 年的总排放增量还要大。 ( 2 ) 人均二氧化碳排放量较低 各国人口有多有少，用二氧化碳排放总量指标去测度其温室气体排放量无法 体现公平与公正原则。发展中国家提出的人均二氧化碳排放量指标满足了这一要 求，同时具有可比性，正在被越来越多的人接受和使用。 ( 3 ) 单位g d p 二氧化碳排放量相对较高 由于我国能源结构主要是以煤炭为主，二十年来我国二氧化碳排放结基本没 有变化。与其他国家相比，我国单位国内生产总值排放二氧化碳量相对较高但是， 我国单位g d p 二氧化碳排放的弹性系数小。根据国际能源机构的统计测算1 9 9 0 年到2 0 0 4 年的几年间，单位g d p 每增长1 ，世界平均二氧化碳排放要增长0 6 百分点，但中国仅增长0 3 8 个百分点。同时，随着经济社会的稳步发展，我国 单位国内生产总值的二氧化排放强度总体呈下降趋势。从2 0 世纪8 0 年代后期开 始，我国政府开始注重经济增长方式的转变和经济结构的调整，将降低资源和能 源消耗、推进清洁生产、防治工业污染作为我国产业政策的重要组成部分。中国 作为一个负责任的大国，为保护全球的气候系统作出了自己应有的贡献，是重要 的积极力量。 1 2 研究现状 近年来，随着能源问题成为国际热点问题，对能源问题的研究内容及研究方 式同益丰富，研究领域愈加广泛。 5 中国能源结构分析和碳排放研究 1 2 1关于指数分解法研究现状 指数分解法的基本思想就是把一个目标变量f 比如，能源消耗或二氧化碳排放 量) 的变化分解成若干个影响因素的组合，从而可以辨别各个因素影响程度的大 小，即贡献率，从而客观确定出影响比较大的因素。在可得到数据的情况下，把 这种分解逐层进行下去，最终把各种影响因素对目标变量的影响区分开来。目前 主要有以下一些分解方法：l a s p e y r e s 、d i v i s i a 、结构分解方法、p a a s c h e 、f i s h e r 、 和m a r s h a l l e d g e w o r t h 等1 0 种之多，其 l a s p e y r e s 和d i v i s i a 分解方法是目前最为 常用的2 种方法，但是两者均存在着分解剩余项，而且d i v i s i a 分解方法还有“o ”值 问题，目前专家学者针对这2 个问题进行了大量研究。s u n t 2 】提出了完全分解的 。妨， l a s p e y r e s 方法；u 等1 3 】提出a w d ( a d a p t i v e w e i g h t i n gd e c o m p o s i t i o n ) 分解方法； a n g 等【4 】详细介tl m d i ( l o g m e a nd i v i s i ai n d e x ) 分解方法，该方法有效解决了 一分解中的剩余问题，从而避免了参数估计的主观性和随意性。对于d i v i s i a 分解中 的残差问题已经解决，可是还存在着0 值问题，由于对数运算使其无法计算，a n d 5 l 提出用一个很小的正数代替0 值来解决分解运算中的o 值问题，并研究了d i v i s i a 分解中的负值问题，使得d i v i s i a 分解可以用于任何情形的分析但是取很小的正 数代替。值也存在一些问题，a n g 等【6 1 对此进行了深入研究，文章列举了l m d l 分 解方法中o 值可能出现的8 种组合，并给出了8 种组合下的通用表达式。 指数分解法对分析数据以两种方式分解：时间序列分解( t i m e s e r i e s ) 方式和区 间分解( p e r i o d w i s e ) 方式。时间序列的分解指的是分t 年和t + 1 年进行。目前，有很 多的能源消费研究都是利用另外一种分解方式，即区间分解。这种分解方式是对 两个基准年之间的变化进行的，而中间年份的变化忽略不计。时间序列分解对能 源消费每年的变化轨迹以及决定因素对能源消费的影响变化，更能提供详细的信 息支持；如果有时间序列数据，应该采用时间序列分解方式，因为这种分解方式 得到的分解结果能更好地解释工业能源消费潜在的变化机理，因此时问序列分解 方式优于区间分解。指数分解可以对部门进行分解分析，也可以对不同国家、地 区进行分解分析研究，有助于更好地了解造成对不同国家、地区之间差异的原因， 为进一步制定有效措施提供依据。 指数分解法作为研究事物的变化特征及其作用机理的一种分析框架，近年 6 江苏大学硕士学位论文 来，在社会经济研究中得到越来越多的重视，我国进行了广泛地应用并取得不少 进展。f a n 等 7 1 采用适应性加权迪氏分解法( a d a p l i v ew r e i g h t i n gd i v i s i a ，以下简称 a w d ) 分解了1 9 8 0 - - 2 0 0 3 年碳排放强度( c a r b o ni n t e n s i t y ) 的影响因素，发现尽管中 国的c d l 排放总量在上升，但是碳排放强度在下降；徐国泉等【8 】采用对数平均权 重d i v i s i a 指数分解法分析了1 9 9 5 - - 2 0 0 4 年中国人均碳排放的影响因素，结果显示 经济发展对拉动中国人均碳排放的贡献率呈指数增长，而能源效率和能源结构对 抑制中国人均碳排放的贡献率都呈倒“u ，冯相昭等【9 】利用修改后的k a y 叵等式 对1 9 7 1 - - 2 0 0 5 年中国的c 0 2 排放进行了分解，结果表明经济发展和人口增长是 c a 排放增加的主要驱动因素；w a n g 等【1 0 】采用对数均值迪氏分解法( l m d i ) 对我 国1 9 5 7 - - 2 0 0 0 年的c d l 排放进行了分解，结果表明代表技术因素的能源强度烂减 少碳排放的最重要的因素，而能源结构也起到一定的作用，经济增长带来碳排放 的增加；胡初枝等【1 1 】通过对我国六部门能源消费数据使用简单的碳排放公式计算 得到的1 9 9 0 - - 2 0 0 5 年c q 排放量进行了简单平均的因素分解，指出规模和能源强 度是正负两类最主要的因素，并且指出不同产业碳排放差异较大，产业结构的变 化对碳排放减少有一定影响。 1 2 2 关于能源模型研究现状 关于能源模型的研究最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，特别是第二次石油危 机以后，随着能源供应安全问题受到石油进口国的高度重视，以及能源利用带来 的环境问题越来越严重，全球对能源的关注开始从经济领域转向能源环境领域， 因此而开发了用来研究能源规划及供需预测的能源模型【1 2 1 。 目前为止，国际上已开发的较成熟的各类能源模型很多，如果按照建模方 法可以将它们大体上分为3 种： ( 1 ) 自上而下能源模型( 能源经济模型) 自上而下能源模型主要适用于宏观经济分析和能源政策规划方面的研究。主 要代表模型有：c g e ( c o m p u t a t i o n a lg e n e r a le q u i l i b r i u mm o d e l ) 模型是瑞典经济学 院于2 0 世纪6 0 年代末开发的一般均衡能源模型，后又经过发展完善于2 0 世纪8 0 年代末建立了能源环境经济c g e 模型，它是自上而下模型的代表，主要模拟 7 中国能源结构分析和碳排放研究 和预测能源、环境与经济发展之间的相互影响。该模型适合于能源贸易、能源环 境和税收政策等方面的分析与评价，能较为有效地分析经济政策及环境政策的实 施效果。 在2 0 世纪9 0 年代中期日本开发了计量经济模型，模型从自上而下角度出发， 根据g d p 及部门增加值等宏观经济参数预测国家和地区能源消费，分析能源价格 和能源政策对能源消费的影响。我国的刘勇、汪旭晖以1 9 7 8 2 0 0 5 年的能源消费 总量数据为基础，运用该模型进行能源消费的预测，达到了最小方差意义下的最 优预测的效果。其它较典型的自上而下能源模型有o e c d 于1 9 9 3 年研究开发的 g r e e n 模型、德国斯图加特大学能源经济和能源效率研究所在1 9 9 6 年研究开发的 区域或整体的一般均衡系统应用模型n e w a g e 、欧盟1 9 9 3 年开发的g l o b a l2 1 0 0 模型、日本于本世纪初研究开发的3 e s 模型及欧盟2 0 世纪8 0 年代研究开发的宏观 部门的投入一产出h e r m e s 模型等等【1 3 。2 1 1 。 ( 2 )自下而上能源模型( 能源工程模型) 自下而上模型是在对能源技术( 能源消费和生产过程中所使用的技术) 进行 详细描绘及仿真的基础上，预测能源供需，分析环境影响；在自下而上的能源模 型中，m a r k a l 、k a p 、及a i m 模型较具有代表性。m a x k a l ( m a r k e ta l l o c a t i o n ) 模型 是在国际能源署( i e a ) 领导下，由德国、美国等许多国家共同努力，于1 9 7 6 1 9 8 1 年发展起来的基于工程角度的能源供应技术长期动态线性优化模型。m a r k a l 模型 在使用过程中得到了不断的发展和完善，其交互界面己由原先的m u s s ( m a r k a l u s e rs u p p o r ts y s t e m ) 发展到现在的a n s w e r m a r k a l 。该模型为能源系统模型，已 经广泛地应用于全球许多国家和地区的能源规划和政策分析的研究上。陈文颖等 人利用建立的中国m a r k a i ，眦r o 模型对未来能源发展与碳排放的基准方案 以及碳减排对中国能源系统的可能影响进行了研究。 l e a p 模型是瑞典斯德哥尔摩环境研究所s e i 开发的静态能源经济环境模型。 以能源需求、消费和环境影响为研究对象，通过数学模型来预测各部门的能源需 求、消费及环境影响，并对各种能源方案进行详细的经济效益分析模型实现了 对能源消费系统的仿真，通常称为终端能源消费模型。中国发改委能源研究所戴 彦德等应用l e a p 模型研究了未来中国2 0 2 0 f i 皂源系统的发展情景及能源需求。 灿m 模型是日本国立环境研究所n i e s 于1 9 9 4 年研究开发的能源终端消费模 8 江苏大学硕士学位论文 型。陔模型可对人类活动引起的温室气体排放、大气中温室气体增加引起的气候 变化以及气候变化对自然环境、社会经济的影响进行综合分析，因此，该模型 也常用来评价控制地球温暖化各种对策的实施效果。姜克隽等人应用a i m 模型分 析了哑太地区发展中国家未来中长期温室气体的排放情况。胡秀莲等人利用a i m 模型对我国温室气体减排技术及其效果进行了综合分析与评价，给出了三种情景 的我国温室气体排放的分析预测结果。其它有代表性的自下而上模型还有t 由美 国马萨诸塞技术研究所1 9 9 6 年研究开发的气体污染物排放预测与政策分析模型 e p p am o d e l ，国际应用系统分析研究所研发的m e s s a g e 模型及欧盟1 9 8 2 年开发 的e f o m 模型等【2 2 。2 7 l 。 ( 3 ) 混合能源模型 混合模型对整个能源系统( 从能源开采到终端需求) 进行模拟和预测，它既包 括自l 而下的宏观经济模型，也包括自下而的能源供应及需求模型。目前比较有 代表性的混合能源模型有，美m e i a d o e t ：发的能源经济区域模型( n e m s 模型) ， i i a s a 和w e c 开发的动态线性规划能源经济环境模型( i i a s a w e ce 3 模型) ，欧 盟t e e m 计划j o u u 研究组开发的研究长期能源规划和预测的能源经济模型 ( m i d a s 模型) 。张阿玲等人对我国的能源模型做了较深入研究，构建了中国的能 源、经济、环境系统综合分析与评价模型 2 8 2 1 。 在低碳经济与节能减排研究上，结合相关的能源模型，国内外进行了大量的 工作。国外方面，n e i ls t r a c h a n 等f 3 3 】总结发展了一个针对英国的新的混合 k a i 广m a c r o 能源系统模型，模拟分析了英国强制性的长期的6 0 的二氧 化碳排放量的削减指标是可行的，利用模型灵敏度进一步浼明了一系列的能源系 统的相互作用；d o n a l dh a n s o n 等【3 4 】利用全模块化工业增长评估系统对政策中的 低碳技术进行了综合分析，并对能源投资效益进行了改善；r e y e rg e r l a g h 3 5 】提出 了一种与资本、劳动力和碳能源相关的内源性模型，针对气候变化的政策，在碳 生产与节约方面进行了创新。国内方面，y o u g u oz h a n g l 3 6 】对中国的生产相关的 二氧化碳排放量进行了结构分解分析，优化了供给方面的结构并提出了降低碳排 放的方案，以控制未来的碳排放量；j u nl i 等【3 7 】分析了中国能源效率( b e e ) 对 减轻气候变化的作用，并提出了控制温室气体排放的重要意义；庄贵阳【3 8 1 概述了 “十一五”规划提出节能减排目标的背景，总结了目前节能减排工作取得的成绩和 9 中国能源结构分析和碳排放研究 存在的困难，提出了中国发展低碳经济的政策建议。 用非线性动力学的理论，探讨经济系统复杂性的研究，在国内外已取得不少成 果，但在能源系统工程中研究很少。随着非线性科学理论的飞速发展，将非线性动 力学方法应用于能源系统的研究中将是能源系统研究的重要方法。考虑到能源动 态系统与国民经济增长、能源工业固定资产投资等因素及它们之间的正负反馈机 制的影响及关系，用非线性科学的方法研究能源系统的复杂性，对能源系统进行动 态模拟成为可能。 1 3 本文的创新之处 ( 1 ) 中国能源消费变化的因素分解及情景分析的研究中，本文将l m d i 方 法改进为能源预测模型j ( l m d i e d ) ，该模型集分析和预测予一体，与l m d i 模型 相比更加方便，运用更加灵活，不仅可以量化能源效率影响、结构影响和经济增 长影响对能源消费的贡献率，还可以用来预测能源需求。然后分四种不同情景， 在不同经济发展路线、经济结构和技术水平下采用能源预测模型( l m d i e d ) 对我 国未来的能源需求进行了情景分析。 ( 2 ) 在非线性动力学环境下，建立了关于中国能源生产与消费的双组份模 型埃农映射模型，该模型不仅能够协调能源生产与消费的关系，还可以对中国 的能源生产与消费进行趋势预测，拟合度很高，绝对偏差较小。 ( 3 ) 根据我国政府对我国未来的能源规划，结合改进的碳排放量分解模型， 对我国2 0 1 0 年，2 0 1 5 年和2 0 2 0 年的碳排放情况进行了预测，并提出了相关的 能源对策。 1 4 本文的结构安排 本论文的结构安排如下： 第二章给出了能源预测模型( l m d i e d ) 与埃农映射等的相关理论知识。第三 章主要基于能源消费的基本等式，建立我国能源消费的因素分解模型，定量分析 了能源结构、能源效率和经济发展等因素的变化对我国能源消费的影响。并采用 能源预测模型( l m d i e d ) ，在不同经济发展路线、经济结构和技术水平下对我国 1 0 江苏大学硕士学位论文 未来的能源需求进行了情景分析。第四章主要由统计检验估计法，对能源结构的 埃农映射模型中的能源生产与消费的相关系数进行了估计，并定量地分析了我国 未来几年能源结构的发展趋势。利用能源消费总量、结构与碳排放量之间的关系 式一即单位能耗碳排放系数的表达式，预测了我国来来几年的碳排放情况。 中国能源结构分析和碳排放研究 2 1l m d l 分解方法 第2 章基本知识 当前的文献中对分解方法介绍主要有两种：一种是以投入产出为基础的结构 分解法( s t r u c t u r a ld e c o m p o s i t i o na n a l y s i s ，s d a ) ；另一种是以解聚为基础的指 数因素分解法( i n d e xd e c o m p o s i t i o n a n a l y s i s ，i d a ) 。本文采用指数因素分解法。 指数因素分解法( i d a ) 指将一个总量变化分解为几个影响因素进行分析。其中， i d a 法又分为两类方法：基于l a s p e y r e s 因素分解法的方法和基于d i v i s i a 因素分 解法的方法。a n g ( 2 0 0 4 ) 根据理论基础、适应性、容易使用和容易解释结果这四 个特征对基于l a s p e y r e s 因素分解法和基于d i v i s i a 因素分解法这两大类方法进行 了比较，发现其中最理想的方法为对数平均d i v i s i a 因素分解法( l m d i ) ，仅在 数据为负值的状况下，对数平均d i v i s i a 因素分解法无法使用。另外，l m d i 法 有分为i 法和i i 法，a n g ( 2 0 0 1 ) 对两种方法提出了一致性的比较问题，即在对研 究对象进行分解的过程中，分解的层次越多，采用的分解方法要能够保证分解的 各个层次间的结果的一致性，并对l m d ii 和l m d ii i 法进行了检验，认为只有 l m d ii 法保证了一致性。综上，根据i d a 法已有的研究结论，本文采用l m d ii 法进行分析，其基本思想如下： v 可以表示成m 个部门的和，即y = m 瑚v 。假设在n 维空间中，v 可以分解 成n 个因子的乘积，也就是v = x ux x 2 ，。在时间周期【o , t 】内，v 从 伊= 墨，艺变化到y = 刍艺，若按乘法分解可以表 示为： v d 阳，= 音= d ，1 d