我國煤基替代燃料發展的損益分析

陳佳鵬 李冬嵬

(1.中國國際工程咨詢公司，北京市海淀區，100048； 2.北京工業職業技術學院，北京市石景山區，100042)

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我國煤基替代燃料發展的損益分析

陳佳鵬1李冬嵬2

(1.中國國際工程咨詢公司，北京市海淀區，100048； 2.北京工業職業技術學院，北京市石景山區，100042)

首先從能源安全入手，分析其內涵，并歸納提出能源安全體系和框架圖。其次在此基礎上建立能源安全損益分析模型。最后對煤基液體燃料發展的損益進行分析，得出相關結論。

能源安全 煤基液體燃料 損益分析

隨著我國經濟的快速增長，社會生產對于石油的依賴更加強烈。對于我國的石油供應來說，在滿足持續增長的生產需求的同時，還要保障能源安全，將石油進口對外依存度控制在一定的范圍以內，這無疑是一個比較艱巨的任務。目前世界各國應對能源安全通常采用的手段是建立石油戰略儲備，但當前石油價格持續高位運行，因此尋找合適的替代能源(替代燃料)就成為了保障能源安全的研究熱點。

1 能源安全內涵分析

1.1 能源安全綜述

目前的能源安全模式起源于1973年的能源危機，關注點主要集中于如何處理產油國的石油供應中斷。對我國來講，使能源供應不要成為經濟快速發展的瓶頸則是目前主要的能源安全關注點，另外，能源安全的關注點還應包括如何消除未來任何可能的由于中東等地局勢不穩定等原因引發的石油供應中斷問題。

劍橋能源咨詢公司主席Daniel Yergin提到，如今，能源安全的定義需要擴展至對整個能源供應鏈和基礎設施的保護。

布魯金斯學會高級研究員Kenneth Lieberthal認為，中國能源不安全的根源在于中國強勁的經濟增長刺激了能源需求的猛增，并遠超國內能源供應和基礎設施的承受能力。

中國工程院院士徐承恩等專家認為，能源安全實質上是市場需求安全，其核心問題是穩定的供應、合理的價格。他們指出，歷史經驗表明石油供應中斷往往引起油價上漲，但油價上漲并非都與石油供應中斷有關。

綜上所述，能源安全不僅僅是應對產油國的供應中斷，還應擴展至整個供應鏈的保護；能源安全只是短期中斷的問題，且問題的本質是經濟和價格問題。所以對于替代燃料來說，需要從保障能源安全的角度進行嚴格的經濟性分析，通過定量的方法分析替代燃料發展規律。

1.2 能源安全體系

1.2.1 能源安全框架圖

本文基于對上述能源安全文獻的理解，提出了新的國家能源安全觀。新的國家能源安全體系框架圖如圖1所示，圖中箭頭表示來源項決定和影響指向項，能源安全總體包括資源安全和價格安全兩部分。

對一個國家來說，資源安全的要素包括資源擁有量、對資源擁有者的政治影響力、資源的軍事控制能力和資源運輸能力。資源擁有量本質上取決于國家的經濟實力，尤其是對國外資源的擁有。對資源擁有者的政治影響力是指地緣政治能力，該能力背后的本質支撐是經濟實力和軍事能力，外交是實施手段，傳統友誼是優勢和法寶。資源的軍事控制能力是政治的延續和最后解決手段。資源運輸能力包括海上航線和輸油管線的控制，以及造船能力和運輸船隊的擁有。

圖1 能源安全體系框架圖

影響價格安全的要素包括全球供需市場的供需平衡狀況以及國際石油壟斷組織(如歐佩克)對石油價格的操縱能力。全球供需市場受到四方面因素的影響：資源安全性、戰略石油儲備量、能源效率、替代能源的發展數量，這里的資源安全性是指資源儲備和供應能力(包括備用產能)。國際石油壟斷組織毫無疑問要追求其經濟利益最大化，但其控制市場價格的企圖和行為首先受到地緣政治的約束，此外還受到價格過高可能導致需求萎靡、長期經濟利益受損的客觀約束。

1.2.2 石油戰略儲備和替代燃料在能源安全中的作用

在需求確定的條件下，全球供需市場受到四方面因素的影響：資源儲備和供應能力、戰略石油儲備量、能源效率、替代燃料的發展數量。前三者是保證石油市場安全的傳統手段，而石油戰略儲備更是促進石油市場短期平衡的最直接和有效的手段，是現行對付短期石油供應中斷和價格飛升的最重要手段。它不僅能延緩石油供應中斷的影響，也能替代中斷的供應量。

相對傳統手段而言，替代燃料是保證全球和某一國家石油安全的新手段、新事物。它的作用主要是降低本國石油消費強度，在石油危機來臨時可少受干擾，減輕高油價給國家經濟帶來的損失。但由于替代燃料的投資大、成本高、發展周期長，因此其活動水平低，對世界石油市場只有長期和緩慢的作用效果。

圖1實際上也對石油戰略儲備、替代燃料和其他維護石油安全措施的相互關系進行了一定程度的表述。圖1中，右下角標注“圈點”的條目表示需要花費經濟成本的措施，石油戰略儲備和替代燃料是其中的兩種。顯然，有限的財力花在哪里是需要系統性思考和綜合權衡利弊的問題，對于怎樣建立戰略儲備或發展替代燃料來說，就存在利益權衡的問題。對于如何從收益和成本平衡的角度去定量地確定各自適宜的發展規模，需要建立能源安全損益模型進行分析。

2 能源安全損益分析

2.1 能源安全損益分析原理

本文借鑒美國橡樹嶺國家實驗室對石油戰略儲備最優模型分析方法，擴展到計算石油戰略儲備和替代燃料發展的最優規模。模型的原理在于通過這兩種手段保障能源安全過程中所損失的經濟成本和獲得的經濟收益，在損失和收益之間尋找一個平衡的優化結果。本文將此模型稱為能源安全損益分析模型。

2.2 能源安全損益計算原理

對于建立石油戰略儲備(SPR)或發展煤基替代燃料(ALF)，經濟成本主要包括基礎設施建設成本、運行維護成本和購買資源或燃料的相關成本。對于煤基替代燃料來說，還應包括相關的CO2處理成本。建立石油戰略儲備或發展煤基替代燃料能得到收益，只有在石油供應中斷的時候才能顯現出來，其原理如圖2所示。

圖2 SPR和ALF的收益計算原理示意圖

國際石油市場供給量一旦明顯低于其正常或預期的需求量，即發生石油供應中斷，將影響國際石油市場的供需平衡，造成油價的上漲，從而會造成本國石油進口額外成本的損失。另外，由于石油短缺和油價上漲將造成本國GDP的損失，主要包括三部分：部門間調整，表現為人力和資本等生產資料通過市場在各生產部門間重新分配；遲滯效應，表現為由于對未來市場持觀望態度而引起的投資和生產下降；消費形式變化引起生產資料再分配，如新建節能生產線、停用老生產線。

建立石油戰略儲備或發展煤基替代燃料，就是為了盡可能地避免這部分損失。替代燃料損益分析計算原理如圖3所示，描述了發展煤基替代燃料的收益和代價，是否存在“最佳點”、以及如何尋找“最佳點”是替代燃料損益分析中的關鍵問題。

圖3 替代燃料損益分析計算原理示意圖

3 發展煤基替代燃料損益分析

本文選取煤直接制油為研究對象，計算發展煤基替代燃料的成本和收益，并通過計算其凈收益，分析是否應該發展煤基替代燃料，應該發展多大規模的替代燃料。本文選取2010-2030年的時間段進行分析，并進行石油戰略儲備損益分析、煤基替代燃料損益分析、組合損益分析。

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3.1 模型相關參數的基本假設

我們對基準油價、單位基礎設施投資等參數進行合理假設如下。基準油價P0(SPR購進油價)按70美元/桶，SPR單位基礎設施投資為1000元/t，煤變油單位基礎設施投資為7260元/t，年運行維護費用系數為7%，資本回收系數為12%，2030年石油國內需求量為7.4億t，2030年煤炭國內需求量為39億t，2010-2030年石油國內生產量為1.8億t/a，2006-2010年GDP年均增長率為10%，2011-2025年GDP年均增長率為8.5%，2026-2030年GDP年均增長率為7%，CO2排放因子(煤)為2.72 t CO2/tce，CO2排放因子(石油)為2.08 t CO2/tce，單位CO2處理費用150元/t，煤制油效率為43%。

3.2 石油戰略儲備最優規模分析

本文選擇我國石油戰略儲備(SPR)進行損益分析，重點計算建立SPR的凈收益，并分析是否應該建立SPR，建立多大規模的SPR。不同SPR規模下的損益情況如圖4所示。從圖4中可以看出，總支出與SPR的規模呈線性關系，而避免石油進口損失和避免GDP損失則與SPR規模呈一定的非線性關系。因此可以得出的結論是，截至2030年，我國應該建立一定規模的SPR，并在建立規模1.9億t時將有最大收益約1500億元。1.9億t的規模是總石油需求量7.4億t的約1/4，這與有些國家的石油儲備戰略相似，即以國內3個月的石油需求量為標準建立石油戰略儲備。

圖4 不同SPR規模下的損益情況

3.3 煤基替代燃料最優規模分析

本文選取煤直接制油進行最優規模分析，由于采用煤基替代燃料將會產生額外的CO2排放，這部分CO2的處理成本應該也包括在替代燃料的成本中。

不同煤變油規模下的損益情況如圖5所示。

圖5 不同煤變油規模下的損益情況

為了特別展示由于煤基替代燃料產生的額外CO2的處理成本，圖5中將CO2處理費用提煉出來單獨畫線。從圖5中可以看出，煤變油的生產成本和避免的進口損失是影響最終凈收益的兩個重要因素，CO2處理費用也不容小視，但發展替代燃料對避免GDP損失的作用有限。凈收益曲線有一個最優點，即截至2030年，我國發展規模為1.2億t的煤變油時，此時將獲得最大收益約為300億元。

3.4 石油戰略儲備與煤基替代燃料同時發展最優規模分析

前面分別對單獨建立石油戰略儲備和發展煤基替代燃料進行了案例分析，作為應對能源安全的兩個不同手段，同時在我國建立石油戰略儲備和發展煤基替代燃料，將是必然發展趨勢。本文選取2010-2030年的時間段進行損益分析，計算結果如圖6所示，其中左圖為三維立體圖，右圖為對應的等高線圖。

從圖6可以看出，存在最佳的石油戰略儲備和替代能源規模，使我國在應對石油供應中斷時有最大的收益。計算結果表明，在建立1.7億t石油戰略儲備和發展0.7億t替代燃料時，將有最大收益約1600億元。從等高線圖可以看出，在最佳規模附近，其收益也較大，所以圖中中心圓圈內的點均可以認為是較優規模，即截至2030年，我國建設1.5億～2億t石油戰略儲備，同時發展0.5億～1億t的替代能源，將有較大的收益。

作為應對能源安全的兩種不同手段，石油戰略儲備和替代燃料有一定的相互關系，如圖7所示。

通過圖7可以得出以下幾點結論：

(1)兩種手段有一定的補充作用，即多發展煤基替代燃料，就可以少建設石油戰略儲備規模，反之亦然。

(2)兩種手段對于能源安全的效果不相同，相比而言，石油戰略儲備是保障能源安全最有效的手段，總收益里面的絕大部分來自于石油戰略儲備，而煤基替代燃料只是一個補充手段。

(3)當石油戰略儲備建設到一定的規模(約3億t)時，發展煤基替代燃料并不會產生額外的收益。

本文只以煤直接制油為代表進行了煤基替代燃料的損益分析，且在進行分析時假設不再發展其他煤基替代燃料。但未來可能的煤基替代燃料還包括甲醇、二甲醚、烯烴等，如果考慮上述替代燃料的同時發展，只需將案例分析數據輸入的煤基替代燃料成本、效率等，用同時發展的綜合數據取代，即可計算出各種煤基替代燃料共同發展時的最優規模。

圖6 不同石油戰略儲備和替代能源規模下的凈收益

圖7 石油戰略儲備規模和煤變油規模的相互作用

3.5 煤基替代燃料案例分析中關鍵參數的敏感性分析

近年來，國際石油價格在波動中上揚，為使案例分析的結果更為可信，本文將依據現實的情況，對損益模型中的關鍵參數進行敏感性分析。在影響能源安全的各個因素中，GDP/油價彈性系數和油價是其中最重要的兩個參數，本文將對它們進行敏感性分析。

3.5.1 GDP/油價彈性系數的敏感性分析

石油價格的漲幅將對國民生產總值(GDP)產生一定的影響，這一關系體現在GDP/油價彈性系數上。影響GDP/油價彈性系數主要有三個因素：石油進口依存度、單位GDP的油耗水平和油價水平。本文根據不同文獻的研究，對我國的GDP/油價彈性系數分別取-0.01、-0.02、-0.03進行敏感性分析，結果如圖8所示。

圖8 GDP/油價彈性系數對能源安全收益的影響

彈性系數的大小，表明油價對我國經濟所引起的沖擊的大小。彈性系數的絕對值越大，表明我國經濟受油價影響就越大，反之亦然。從圖8可以看出，GDP/油價彈性系數對于石油戰略儲備最優規模影響較大，而對替代燃料規模的影響較小。彈性系數從-0.01變到-0.02和-0.03時，石油戰略儲備的最優規模由1.1億t，變到1.7億t和2.2億t，而煤變油規模由0.5億t，變到0.7億t和0.9億t。

結果顯示，隨著GDP/油價彈性系數絕對值的增加，我國需要建立的石油戰略儲備規模也將增加，發展更多的替代燃料所獲得的保障能源安全的凈收益也將增大。

3.5.2 油價的敏感性分析

為了研究油價對替代燃料最優規模的影響，本文對油價的小幅變動對替代燃料規模的影響進行了敏感性分析，結果如圖9所示。需要說明的是，這里的油價并不表示當前值，而是表示對從現在到2030年油價的平均期望值。

從圖9可以看出，油價小幅波動對于替代燃料最優規模影響巨大，而對石油戰略儲備規模的影響較小。結果顯示，當油價低于65美元/桶時，不應該發展替代燃料，而當油價大于75美元/桶時，應該大力發展替代燃料。另外，隨著油價的增長，保障能源安全的凈收益也將增大。

從上面的結果可以看出，油價對于石油戰略儲備和替代燃料最優規模影響巨大。在不同的油價下，不一定存在最優規模，在較多的情形下，要么可以大力發展替代燃料，要么不必要發展替代燃料。一般來說，在油價偏高的情況下，應該大力發展替代燃料，反之，則不應該發展替代燃料。

4 結語

通過以上分析可以看出，能源安全問題的本質是經濟和價格問題而不是供應短缺問題。石油戰略儲備和發展煤基替代燃料是保障能源安全的兩種不同手段，其收益主要來源于在石油供應發生中斷時，所避免的進口損失和GDP損失。通過對能源安全的成本與收益建模分析表明，在保障能源安全的過程中，石油戰略儲備和煤基替代燃料均有一定的最優規模，在基準情景假設下，同時建立1.5億～2億t石油戰略儲備和0.5億～1億t替代燃料時，對于保障能源安全有最大的收益。建立石油戰略儲備和發展替代燃料對于保障能源安全有一定的補充作用，在保障能源安全的過程中，GDP/油價彈性系數是影響石油戰略儲備的最主要的參數。在進行替代燃料發展決策時，要充分考慮到未來油價的走勢，并進行相應的損益分析。

[1] 徐承恩，劉克雨，趙伏等.石油安全和儲備戰略專題報告[R].中國工程院，2004

[2] 魏一鳴，范英，焦建玲等.國際油價波動對中國經濟的影響預測[R].中國科學院預測研究中心，2006

[3] 王慶一.中國可持續能源項目——2007年能源數據[R].能源基金會，2007

[4] 李政，張希良，麻林巍等.中國替代能源發展戰略研究[R].清華大學，2007

(責任編輯 宋瀟瀟)

Cost-benefit analysis of development on coal-based alternative fuel in China

Chen Jiapeng1, Li Dongwei2

(1. China International Engineering Consulting Corporation, Haidian, Beijing 100048, China; 2. Beijing Polytechnic College, Shijingshan, Beijing 100042, China)

Firstly, from aspect of energy safety, the authors analyzed connotation and provided energy safety system and frame diagram. Secondly, the energy safety cost-benefit analysis was built basing upon the system and frame diagram. Finally, according to analyzing cost-benefit on development of coal-based alternative liquid fuel, the authors got correlated conclusion.

energy safety, coal-based alternative liquid fuel, cost-benefit analysis

陳佳鵬，李冬嵬. 我國煤基替代燃料發展的損益分析[J].中國煤炭，2017，43(3)：21-26. Chen Jiapeng, Li Dongwei. Cost-benefit analysis of development on coal-based alternative fuel in China[J].China Coal，2017，43(3): 21-26.

TD-9

A

陳佳鵬(1980-)，男，博士研究生，專業：管理科學與工程，研究方向：煤炭工程管理。