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(huì)上，中國(guó)向世界做出承諾，到２０２０年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值ＣＯ２排放比２００５年下降４０％～４５％，并將此作為約束性指標(biāo)，納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃中。這就要求我國(guó)在滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，考慮碳排放限制和能源的供需。為保證同時(shí)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(duì)能源結(jié)構(gòu)以及能源分配進(jìn)行調(diào)整，而在技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)能源的分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。

 

  利用零碳或低碳能源（統(tǒng)稱為清潔能源，包括再生能源、核能等）替代傳統(tǒng)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(jià)格比傳統(tǒng)化石燃料要昂貴的多，同時(shí)在應(yīng)用技術(shù)上沒(méi)有化石燃料成熟，或者在推廣應(yīng)用上飽受爭(zhēng)議（如核能和大型水力發(fā)電）。因此，在能源規(guī)劃問(wèn)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(diǎn)的分析方法利用區(qū)域能源供需和碳排放數(shù)據(jù)建立分析模型，通過(guò)對(duì)整體和區(qū)域的碳排放約束和能源供需情況進(jìn)行假設(shè)，分別確定傳統(tǒng)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(dá)到碳排放約束的目的。

 

  １ 文獻(xiàn)述評(píng)

 

  國(guó)內(nèi)外對(duì)能源的區(qū)域分配問(wèn)題有過(guò)不少研究。

 

  其中有些學(xué)者對(duì)能源區(qū)域分配方法進(jìn)行研究。張式軍［１］對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)施的能源配額制進(jìn)行比較分析，提出我國(guó)可再生能源配額制的設(shè)計(jì)路徑；ＬＡＭ 等［２］首次提出采用區(qū)域能源簇的方法研究能源分配的對(duì)象和劃分能源簇，并且提出在區(qū)域內(nèi)實(shí)行最優(yōu)的能源配置；韓強(qiáng)等［３］基于決策者偏好的迭代算法構(gòu)建了工業(yè)領(lǐng)域能源分配雙層規(guī)劃模型，該分配方法可以有效倒逼各級(jí)地方政府。還有些學(xué)者從一些限制條件和區(qū)域差異等不同角度出發(fā)，研究能源的分配問(wèn)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(jì)劃和能量配置問(wèn)題；陳軍［５］以能源效率的區(qū)域差異為基本依據(jù)，通過(guò)探討中國(guó)非可再生能源區(qū)域優(yōu)化配置的內(nèi)在規(guī)律和現(xiàn)實(shí)可能性，提出相應(yīng)的政策建議；李琦等［６］通過(guò)分析能源的空間分布差異，利用能源消費(fèi)截面數(shù)據(jù)，測(cè)算出我國(guó)３０個(gè)省、市、自治區(qū)的能源消費(fèi)足跡，通過(guò)多元非線性回歸分析等方法，構(gòu)建能源足跡與影響因素的計(jì)量模型。

 

  上述文獻(xiàn)采用不同的方法模型，從不同的角度對(duì)區(qū)域的能源分配進(jìn)行研究，但是目前對(duì)能源的區(qū)域分配問(wèn)題還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，而且前期的研究大部分從整體的角度出發(fā)考慮能源分配，沒(méi)有考慮區(qū)域限制條件下的能源分配。本研究通過(guò)建立碳夾點(diǎn)的分析方法，分別考慮整體和區(qū)域的能源供需和碳排放約束條件，對(duì)能源的分配問(wèn)題進(jìn)行研究，利用碳排放限制、能源供給、能源需求數(shù)據(jù)，通過(guò)直觀的曲線圖表，讓模型和結(jié)論易于理解。

 

  碳夾點(diǎn)分析方法的由來(lái)要追溯到夾點(diǎn)技術(shù)，夾點(diǎn)技術(shù)是由英國(guó)學(xué)者ＬＩＮＮＨＯＦＦ等［７］于１９７８年提出的，最初用于研究換熱網(wǎng)絡(luò)的熱回收問(wèn)題。該法在熱動(dòng)力原則基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，以確定電廠的能源優(yōu)化利用策略。后來(lái)經(jīng)過(guò)發(fā)展，夾點(diǎn)理論應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，延伸到很多工程系統(tǒng)及一般的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，后被擴(kuò)展應(yīng)用于污染防治領(lǐng)域，如應(yīng)用于物資回收、廢物減量等方面，并提出了水夾點(diǎn)、氧夾點(diǎn)、氫夾點(diǎn)、能值夾點(diǎn)、碳夾點(diǎn)等概念。ＴＡＮ 等［８］提出基于夾點(diǎn)的碳約束能源規(guī)劃方法，并首先將圖形夾點(diǎn)法用于碳約束的能源規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)平移能源曲線來(lái)確定最小零碳能源用量；ＣＲＩＬＬＹ 等［９］正式提出了碳夾點(diǎn)分析方法，并將該方法應(yīng)用于愛(ài)爾蘭的電力行業(yè)，對(duì)能源供需狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和規(guī)劃，為進(jìn)一步研究區(qū)域能源供應(yīng)和實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)提供決策依據(jù)。隨后國(guó)內(nèi)學(xué)者，如祝一波等［１０］考慮經(jīng)濟(jì)性因素對(duì)可再生能源利用的制約，引入邊際成本的概念，在碳夾點(diǎn)分析的數(shù)學(xué)模型中添加經(jīng)濟(jì)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(diǎn)分析方法應(yīng)用于碳排放約束下的能源分配中，并將結(jié)果與線性規(guī)劃求解模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證碳夾點(diǎn)方法的可行性和實(shí)用性。

 

  基于對(duì)前期文獻(xiàn)的研究，本研究以天津市為例，運(yùn)用碳夾點(diǎn)分析方法對(duì)區(qū)域能源規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而確定在碳排放限制下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的能源分配。

 

  ２ 碳排放約束下的區(qū)域能源分配模型構(gòu)建

 

  碳夾點(diǎn)應(yīng)用于有排放限制的區(qū)域能源規(guī)劃中，主要可以解決以下幾個(gè)問(wèn)題：（１）在某區(qū)域內(nèi)，給定能源總量和碳排放限制目標(biāo)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(fēng)能、太陽(yáng)能、核能；（２）確定在清潔能源全部使用的情況下，總體區(qū)域的最小碳排放量，即碳排放限制的最小值；（３）對(duì)于多個(gè)區(qū)域，給定每個(gè)區(qū)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(chǔ)上，確定每個(gè)區(qū)域的能源種類及其用量的分配。

 

  碳夾點(diǎn)分析可以通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)函數(shù)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，為使計(jì)算簡(jiǎn)便，能源供應(yīng)量及需求量均以能源中可被利用的能量計(jì)。

 

  為滿足能源需求和碳排放限制的同時(shí)使得系統(tǒng)中清潔能源使用量最小化，其目標(biāo)函數(shù)模型可表示為ｍｉｎＦ０，具體計(jì)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(jì)算供應(yīng)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(yīng)曲線；同時(shí)繪制碳排放限制下的不同區(qū)域能源需求曲線；（２）水平移動(dòng)能源供應(yīng)曲線至能源需求曲線的最右點(diǎn)，將此交點(diǎn)視為碳夾點(diǎn)，此時(shí)能源供應(yīng)量即能滿足能源需求，又可達(dá)到碳排放量的限制水平，碳夾點(diǎn)以上為可減少使用的煤炭能源供給量，水平移動(dòng)距離為清潔能源最少使用量；（３）在研究區(qū)域供應(yīng)一定數(shù)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(yīng)量的位置，移動(dòng)后的曲線即為清潔能源全部使用后的能源供應(yīng)曲線，在滿足能源需求下的平移曲線縱坐標(biāo)即為碳排放的最小水平；（４）將能源供應(yīng)曲線向右平移至與能源需求曲線只有一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)為滿足各區(qū)碳排放限值的碳夾點(diǎn)，該碳夾點(diǎn)將能源需求曲線分為兩部分，碳夾點(diǎn)之下的能源滿足碳排放限制要求，是清潔能源的主要供應(yīng)區(qū)域，移動(dòng)的水平距離為清潔能源需求量。

 

  ３ 實(shí)例分析與討論

 

  以天津市為例，通過(guò)上述模型，對(duì)天津市的能源分配進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)來(lái)源：碳排放系數(shù)來(lái)源于ＩＰＣＣ２００６收錄的各種燃料ＣＯ２排放系數(shù)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于《天津市統(tǒng)計(jì)年鑒２０１０》、《天津市統(tǒng)計(jì)年鑒２０１１》、《天津市能源年鑒２０１１》。天津市能源供給的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表１所示。為簡(jiǎn)化分析，將風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等低碳能源和零碳能源歸為“清潔能源”。

 

  根據(jù)天津市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市功能、能源消費(fèi)等特征將其分為城市住宅區(qū)、商業(yè)服務(wù)區(qū)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)，３個(gè)分區(qū)為具有低、中、高不同碳排放系數(shù)的模擬地理區(qū)域，在分析過(guò)程中分別表示為區(qū)域１、區(qū)域２、區(qū)域３。天津市能源需求基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表２。由表２可見(jiàn)，根據(jù)每個(gè)區(qū)域的能源需求、能源結(jié)構(gòu)和ＣＯ２排放限量數(shù)據(jù)，通過(guò)加權(quán)平均獲得各區(qū)ＣＯ２排放因子分別為２５．０×１０－６、５３．３×１０－６、９７．５×１０－６ ｔ／ｋＪ，區(qū)域的劃分依據(jù)和劃分的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)不是唯一的，在研究中，參考因素越多，劃分的區(qū)域越細(xì)，個(gè)數(shù)越多，研究結(jié)果就越有說(shuō)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(huà)出能源供應(yīng)曲線，利用表２中的數(shù)據(jù)匯制能源需求曲線，天津市的能源供應(yīng)和需求曲線見(jiàn)圖１。

 

  由圖１可見(jiàn)，目前天津市的能源供應(yīng)基本滿足３個(gè)區(qū)域的能源需求，但在當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)下的碳排放量（１ ８３２．１×１０５ ｔ）卻遠(yuǎn)高于累計(jì)碳排放限量（１ ５７０．６×１０５ ｔ），因此需要對(duì)天津市當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以在能滿足能源需求的條件下達(dá)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(gè)區(qū)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(dòng)，直到兩條曲線相交于能源需求曲線的最右點(diǎn)（見(jiàn)圖２），該點(diǎn)為滿足總體碳排放限制的能源需求量，即為碳夾點(diǎn)，夾點(diǎn)坐標(biāo)為（２２３．０，１ ５７０．６），平移線夾點(diǎn)與右端頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)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(guī)劃措施，假設(shè)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(dá)到的最小的碳排放量，是能源部門對(duì)天津市的排放量進(jìn)行規(guī)劃、制定天津市的碳排放約束的重要依據(jù)。向右平移能源供應(yīng)曲線５０．０×１０１３ ｋＪ，平移后的能源供應(yīng)曲線在２２３．０×１０１３ ｋＪ能源供應(yīng)下的坐標(biāo)點(diǎn)即為碳夾點(diǎn)（見(jiàn)圖３）。經(jīng)計(jì)算，平移５０．０×１０１３ ｋＪ后碳夾點(diǎn)的坐標(biāo)為（２２３．０，１ ３７８．５），碳夾點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是所能達(dá)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(qū)所能達(dá)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(jìn)的碳減排措施的情況下，能源部門在規(guī)劃天津市的總體碳排放限制時(shí)不該低于１ ３７８．５×１０５ ｔ。

 

  ３．３ 考慮區(qū)域碳排放限制下的能源分配

 

  一個(gè)地區(qū)能源的合理利用，要考慮每個(gè)區(qū)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(gè)區(qū)域產(chǎn)生限額以上的碳排放，其他區(qū)域就被限制產(chǎn)生限額以下的碳排放而變相地為高排放區(qū)域買單。為了使能源供應(yīng)滿足區(qū)域能源的需求，將能源供應(yīng)曲線向右平移至與能源需求曲線只有一個(gè)交點(diǎn)時(shí)，此交點(diǎn)為碳夾點(diǎn)，移動(dòng)的水平距離就是清潔能源的需求量（見(jiàn)圖４）。經(jīng)計(jì)算，碳夾點(diǎn)坐標(biāo)為（１１３．０，４９７．６），水平移動(dòng)距離為４４．７，此時(shí)滿足３個(gè)區(qū)域的排放限制，同時(shí)，還有３７．９×１０１３ ｋＪ碳排放因子最高的煤沒(méi)有利用。并且，在滿足了能源需求和排放限制的情況下，達(dá)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(diǎn)將平移曲線分成兩部分，區(qū)域１與區(qū)域２在夾點(diǎn)的左下方，區(qū)域３在夾點(diǎn)右上方。碳夾點(diǎn)以上部分，能源供應(yīng)平移曲線的斜率小于需求曲線的斜率，這表明能源供應(yīng)曲線經(jīng)過(guò)平移后（即使用清潔能源后），區(qū)域３能源供應(yīng)的碳排放因子要比相應(yīng)區(qū)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(gè)區(qū)域的能源分配，在圖４的基礎(chǔ)上，碳夾點(diǎn)以上的曲線不動(dòng)，將能源供應(yīng)曲線碳節(jié)點(diǎn)以下段從原點(diǎn)向右平移直至與區(qū)域１的需求曲線最右端相交形成新的碳夾點(diǎn)２（見(jiàn)圖５）。由圖５可知，碳夾點(diǎn)２的坐標(biāo)為（３７．０，９２．５），經(jīng)計(jì)算，下半段平移的距離為２２．７，也就是說(shuō)２２．７×１０１３ ｋＪ的清潔能源必須提供給區(qū)域１，另外，區(qū)域１的能源需求缺口還剩１４．３×１０１３ ｋＪ，可以通過(guò)利用所有的天然氣（７．２×１０１３ ｋＪ）和部分石油（７．１×１０１３ ｋＪ）來(lái)滿足。通過(guò)圖４可知，天津市需要消耗４４．７×１０１３ｋＪ的清潔能源來(lái)滿足全市的能源需求，因此在滿足區(qū)域１以后，余下２２．０×１０１３ ｋＪ的清潔能源可以供給區(qū)域２，區(qū)域２同樣還需要另外５４．０×１０１３ ｋＪ的石油來(lái)滿足其能源需求。區(qū)域３ 可以通過(guò)余下７２．９×１０１３ ｋＪ的石油能源和３７．１×１０１３ ｋＪ的煤能源來(lái)滿足，剩余未消費(fèi)的煤能源３７．９×１０１３ ｋＪ，最終能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果如表４所示。

 

  經(jīng)過(guò)能源分配后產(chǎn)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(gè)目標(biāo)區(qū)域。另外需要說(shuō)明的是，圖中區(qū)域的劃分不是唯一的，因此得出的優(yōu)化結(jié)果也不是唯一的，并且通過(guò)分析結(jié)論可知，區(qū)域劃分的越細(xì)，個(gè)數(shù)越多，鄘能源的分配更細(xì)致析結(jié)論可知，區(qū)域劃分的越細(xì)，個(gè)數(shù)越多，能源的分配更細(xì)致，減排效果越好。另外，在最初的數(shù)據(jù)中，３個(gè)地區(qū)的總碳排放限量為１ ５７０．６×１０５ ｔ，通過(guò)能源規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)１ ４３４．１×１０５ ｔ的碳排放，但對(duì)應(yīng)的能源成本卻提高了。如果只要求達(dá)到１ ５７０．６×１０５ｔ的碳排放量，可以用排放因子高的能源（如煤）來(lái)代替一部分高成本的清潔能源，從而實(shí)現(xiàn)用最低的成本達(dá)到碳排放限量的要求。

 

  ４ 結(jié) 論

 

  碳夾點(diǎn)分析可以直觀地用于能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，能源規(guī)劃部門可以用碳夾點(diǎn)分析方法對(duì)地區(qū)的能源進(jìn)行分配，對(duì)碳排放限量進(jìn)行定量規(guī)劃，企業(yè)也可以在一定排放限制量的情況下，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或者能源使用進(jìn)行規(guī)劃，以達(dá)到碳排放限制要求，并且降低能源成本。對(duì)于天津市的實(shí)例分析可以得出，只考慮總體碳排放限量時(shí)需要清潔能源３１．７×１０１３ｋＪ，能源部門在規(guī)劃天津市的碳排放限制時(shí)，如果假定有５０．０×１０１３ ｋＪ的清潔能源，能源部門在規(guī)劃天津市的碳排放限量時(shí)不能低于１ ３７８．５×１０５ ｔ。在考慮各個(gè)區(qū)域的碳排放限量條件下，規(guī)劃得到的碳排放總量為１ ４３４．１×１０５ ｔ，低于最初設(shè)定的排放值，并可以在保持碳排放量限制的同時(shí)盡量降低成本。

 

  本研究采用碳夾點(diǎn)的區(qū)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(biāo)，對(duì)區(qū)域能源分配進(jìn)行實(shí)例分析，實(shí)現(xiàn)能源供給與需求的平衡。決策者在制定能源用量，結(jié)構(gòu)和能源分配的政策時(shí)，需要因地制宜考慮不同燃料的碳排放因子以及燃料的開(kāi)發(fā)利用成本，采取相應(yīng)政策措施，完善排污收費(fèi)、綠色補(bǔ)貼、排污許可等法律法規(guī)，鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)利用清潔能源。中國(guó)現(xiàn)階段仍然以犧牲環(huán)境為代價(jià)大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，清潔能源的開(kāi)發(fā)使用還處于起步階段，應(yīng)加大對(duì)技術(shù)開(kāi)發(fā)的投資力度，為將來(lái)提供更多成本更低的優(yōu)質(zhì)清潔能源。