新常態下中國能源需求預測預警研究

(1.武漢大學 經濟與管理學院,湖北 武漢 400072;2.中國水電建設集團新能源公司,北京 100160)

新常態下中國能源需求預測預警研究

方德斌1,時珊珊1,楊建鵬2

(1.武漢大學 經濟與管理學院,湖北 武漢 400072;2.中國水電建設集團新能源公司,北京 100160)

考慮能源—經濟—環境大系統的協調作用,構建中國能源需求預測預警的系統動力學模型,運用情景模擬方法模擬新常態下經濟增速、產業結構、能源政策不同的三種情景,分別預測“十三五”期間中國能源需求量、需求結構、CO2排放量和能源預警指標。研究發現:新常態下,能源需求總量增速由高速增長變為中高速增長;當經濟增速為6.5%時,加快產業結構轉型,加大能源調控力度,到2020年時我國能源需求量達到50.78億t標準煤,非化石能源需求比例為16.1%,CO2排放量將達到103億t,能源自給率為82.7%，該指標處于預警區域。本研究為新常態下中國能源規劃提供理論依據與決策支持。

3E系統;新常態;能源需求;預測預警;系統動力學模型

1 引言

目前我國經濟步入新常態,經濟增速減緩,經濟增長方式改變,相應的能源需求總量增速也放緩,能源結構調整加速,能源發展進入新常態。我國“十三五”規劃綱要提出：要深入推進能源革命,大力發展低碳清潔能源,優化能源結構;推動科技創新,提高能源效率,構建全面安全的能源供應體系,維護國家能源安全,這不僅是社會和經濟發展的必要條件,更是能源新常態發展的內在需求。同時,“十三五”時期是我國能源實現低碳轉型的關鍵時期,因此必須保證充足有效、優質清潔的能源需求是適應新常態、發展低碳經濟的根本基礎。從新常態的背景出發,我國無論是發展低碳經濟還是保障能源安全,開展能源需求預測預警都是非常必要的。

能源需求預測方法主要有彈性系數法[1]、回歸法[2,3]、灰色預測法[4,5]、神經網絡法[6]、支持向量機[7]等,但這些預測方法的運用較單一,不能同時考慮能源與經濟、環境的系統聯系,且預測結果缺乏穩定性。一些學者使用組合預測方法,但組合方式不盡相同。盧奇、顧培亮、邱世明等[8]采用標準差法對單一預測模型的單項預測結果分配權重,建立了橫向組合預測模型;周揚、吳文祿、胡瑩等[9]首先建立了4種灰色預測模型,再將其結果作為BP模型的輸入,由此創立縱向組合模型來進行能源需求預測。這些研究提高了預測的精度和預測值的準確性,但在權重分配上仍然沒有定論,且計算復雜,對能源趨勢的變化反應不夠迅速。另外一些學者開始借助于宏觀模型如LEAP模型[10]、MARKAL模型[11]、TIMES模型[12]、投入—產出模型[13,14]、系統動力學模型[15-17]等,這些研究方法基本上解決了能源趨勢實時變化的問題,能較好地反映能源系統的開放性、復雜性、非線性等特點,但這些模型仍存在變量較多、關系復雜、參數不好確定的缺點。情景分析彌補了參數不易確定、無法準確進行唯一預測的缺陷,部分學者將情景分析法與系統動力學模型相結合進行了一些研究,如Chen L、Yang Z、Chen B等[18]采用系統動力學模型預測了未來天然氣在我國主要能源消費中成為煤炭的重要替代能源趨勢,并用情景分析法來評估結果的正確性;Liu X、Mao CJ、Ren J等[19]利用系統動力學方法對2020年的目標約束下我國能源消費和二氧化碳排放進行了情景模擬分析,探討了2020年我國排放控制目標的實現路徑。但目前系統動力學與情景分析方法相結合的研究還處于初級階段,系統動力學模型作為政策實驗室的功能發揮還不完全,多數情景分析沒有考慮能源政策的調節作用,不能很好地模擬新常態下的政策變化。同時,低碳經濟是新常態背景下開展能源需求預測必須考慮的條件,已有部分學者考慮低碳經濟的背景,開展了能源預測研究。范德成、王韶華、張偉[20]考慮到了低碳經濟,利用路徑分析方法研究了我國能源結構的主要影響因素;Liu J、Chen W、Liu D等[21]對低碳轉型情勢下我國的能源消費和二氧化碳的排放情況進行了分析,指出經濟低速發展、低碳技術快速更新的發展模式是最合適我國選擇的路徑。但在新常態下,我國能源需求將表現出一些新的特征[22],因此新常態背景下我國的能源需求預測研究有待深入。

本文在經濟和能源新常態的背景下,考慮3E(能源、經濟、環境)宏觀系統,構建我國能源需求預測預警的系統動力學模型,設置政策調控系數因子,運用情景分析法模擬新常態下我國經濟增速、產業結構、能源政策不同的三種情景,分別預測“十三五”期間我國能源需求量、需求結構、CO2排放量和能源預警指標,分析“十三五”期間我國能源消費和CO2排放的發展趨勢,以及2020年我國能源預警指標狀態,并針對研究結果提出政策建議,為我國政府制定能源發展規劃提供決策參考。

2 我國能源消費現狀與需求態勢

在能源新常態下,我國能源革命持續推進,表現出能源消費增速放緩,能源效率提高,能源結構向低碳化、清潔化轉變的特征。根據國家統計數據庫的數據(表1),2014年我國能源消費量達到42.6億t標準煤(tce),總量巨大。“十二五”期間我國政府出臺了一系列節能減排和保護生態環境的政策,能源消費增速持續下降,尤其是2012年以來能源消費增速遠低于經濟增長速度,2012—2014年能源消費總量增長5.93%,三年增速未超2010—2011年的增速。可以看出,我國能源消費已從高速增長向中高速增長轉變。能源新常態下,經濟增長降速,產業結構轉型升級,資源重新配置,創新驅動助力技術進步,能源利用效率將提高,能源發展將從高消耗、高污染、高排放的發展模式向高效、清潔、集約的利用模式轉變,能源需求增速將持續放緩。

表1 中國能源消費情況

煤炭在我國能源消費總量中的比例一直保持在60%以上,但近十年來煤炭消費占比持續下降,非化石能源消費占比持續提高,能源結構表現出積極的變化。盡管如此,相較于法國等發達國家,我國的可再生能源消費比例仍然較低。根據2015年《BP世界能源統計》資料,2014年我國水力發電占世界水力發電總量的27.4%,居世界第一,但在國內水力發電僅占一次能源消費的8.1%,與挪威66.2%的水電比重相比,差距甚遠。我國資源環境約束趨緊、節能減排要求更高的新常態,需要降低高碳化石能源消費,加快發展我國低碳清潔能源。我國清潔能源面臨著良好的發展環境,在能源消費結構中的比例將保持上行態勢,但在一段時期內能源消費主體仍然是煤炭,煤炭的清潔利用是我國能源革命的重點。

3 能源需求預測預警的系統動力學模型

3.1 系統動力學模型構建

能源、經濟、環境是同一系統內動態變化的各個部分,他們相互作用、相互影響,因此必須納入大系統分析[22]。本文以經濟發展作為驅動能源需求的主要因素,CO2排放量作為經濟發展和能源消耗對環境的影響結果,綜合考慮能源—經濟—環境之間的促進、制約、反饋關系,設定能源政策調控系數因子,采用Vensim建模軟件作為工具,基于3E系統建立我國能源需求預測預警的系統動力學仿真模型,將能源消費總量、分品種能源消費量、CO2排放量以及若干能源預警指標作為模型的輸出結果,以便更直觀、及時地反饋和控制我國的能源需求量。我國能源需求預測的系統動力學流圖見圖1。

圖1 我國能源需求預測的系統動力學流圖

3.2 參數確定和精度檢驗

系統模擬參數確定:①狀態變量。模型設定三個狀態變量,即GDP、人口總數和非化石能源消費量,表示系統中經濟、人口、非化石能源的狀況。狀態變量初始值取自國家統計局網站,取2005年GDP、平均人口數和非化石能源消費量。②速率變量。GDP增長率、人口增長率、非化石能源消費量增長率作為速率變量,分別控制著三個狀態變量的變化速度和強度。GDP增長率為實際GDP環比增長率,人口增長率為年平均人口計算的環比增長率,非化石能源消費量增長率為歷年環比增長率。③輔助變量。三次產業增加值比重,三次產業增加值對各種能源的消耗系數均是輔助變量。由于表函數可用來反映兩個變量之間不確定的非線性關系,符合模型對輔助變量的設計需求,本文由表函數確定輔助變量的方程。④常數變量。常數變量有各類能源的二氧化碳排放系數,取自《省級溫室氣體清單編制指南》(發改辦氣候[2011]1041號)。在同一種情景下,各品種能源的政策調節系數也是常數變量。

精度檢驗:首先把2005—2014年的歷史數據作為訓練樣本,對我國GDP和能源消費總量進行模擬與仿真訓練,選擇合適的表函數表達式,然后將實際值與模擬值進行對比分析,發現相對誤差控制在5%以內,精度較高,說明模型具有較好的推廣能力,能正確反映出未來我國能源需求的發展態勢。

3.3 情景設置

為了體現新常態下經濟和能源增長方式的改變,突出政府對經濟、能源、環境的調控作用,討論政策對3E系統的影響和系統內部動態變化趨勢,本文采取調整產業結構、控制化石能源消費(控制煤炭和石油的消費強度)和發展清潔能源(發展天然氣和可再生能源)為控制因子,忽略其他限制因子的調控作用,擬定三種情景方案。

表2 情景方案關鍵因素描述

新常態下經濟增速放緩,我國“十三五”規劃預期GDP年均增速不低于6.5%。為了參照對比以及考慮全面的可能性,分別以“十三五”期間經濟平均增速為7%、6.5%、6%模擬我國不同情景下的經濟發展狀況。過去幾年內我國人口增長率已降至5‰以下,老齡化問題嚴重,我國政府已制定新的人口政策,預計未來人口增長率保持在5‰左右,且不同情境下人口發展趨勢相同。對應不同的經濟發展速度,產業結構轉型和能源結構調整的力度有區別,假設經濟增長速度越慢,產業結構轉型的速度越快,能源結構調整的力度越大。對各情景的關鍵要素描述見表2。

4 能源需求預測預警結果分析

4.1 能源需求總量預測結果分析

根據圖2可得出新常態下我國能源發展的主要特征是能源需求總量由高速增長轉為中高速增長,體現為對資源的集約利用,能源利用效率將會上升,能源的需求總量增速持續放緩。情景1下,2020年我國能源需求總量將達到52.36億tce,“十三五”期間平均增速為3.49%;情景2下,“十三五”期間能源消費年均增速降低至2.97%,2020年能源需求總量比情景1減少約2億tce,降至50.78億tce;情景3下,經濟增速進一步放緩,對產業結構的調整力度進一步加強,到2020年可實現“三二一”的產業布局,同時加強對高碳化石能源的控制力度和對清潔能源的扶持力度,能源需求總量將大大削減,預計“十三五”能源需求的平均增速為2.48%,2020年能源需求總量為49.33億tce。

圖2 我國能源需求總量發展情況

對比分析發現,經濟增速放緩對我國能源需求總量增速減緩的直接作用并不顯著,更深層的影響在于產業結構和能源結構的調整。根據模擬結果,情景1下2020年第二產業能源消費占比為68.15%;情景2和情景3下,經濟增長速度減緩,產業結構調整加速,能源結構調控加強,第二產業能源消費量和消費比例下降幅度更大;情景3下,第二產業能源消費占比降為65.57%,能源消費和經濟增長均開始向第三產業轉移。因此,控制我國能源消費總量,必須積極促進第三產業成為國民經濟的主力,采取有效手段控制三次產業尤其是第二產業的能源消耗強度。

4.2 能源需求結構預測結果分析

根據預測結果(圖3),能源新常態下我國能源結構優化升級加速,清潔能源利用比例提高。情景1下,到2020年我國煤、油、氣以及非化石能源的消費比例分別為59.43∶16.61∶8.69∶15.28;情景2下,其比例為58.17∶16.68∶9.07∶16.08;情景3下，其比例為56.80∶16.87∶9.43∶16.90,可以看出煤炭消費比例逐步下降,石油消費比例變化不大,優質清潔能源(天然氣和非化石能源)消費比例提高,能源結構向著清潔、安全、低碳的方向逐步優化。

圖3 2020年我國能源需求結構預測結果

預測結果顯示,我國煤炭需求量下降,煤炭消費比重下降,到2020年可實現控制目標,而且政策調控力度越大,煤炭消費量越少,消費比重越低,但煤炭的消費主體地位并沒有改變。我國正處在工業化的關鍵時期,短時間內無法改變這種局面。石油需求量上漲,消費占比波動不大。受我國資源稟賦特點和工業發展特點影響,我國能源消費總量中石油占比較低。天然氣需求上行,消費比重提高。隨著能源政策的有力實施,天然氣在工業和居民生活中的使用比例將大幅提高。我國可再生資源發展潛力巨大,但受并網、上網電價等問題影響,我國可再生能源消費比重仍然較低。不同情景下,非化石能源需求呈上升態勢,且隨著政策調控水平的提高,非化石能源需求的增速也提高。

4.3 CO2排放總量預測結果分析

根據新常態的內在要求,不同情景下CO2排放量的差別較大(圖4)。

圖4 我國CO2排放總量發展情況

情景1下,“十三五”期末我國CO2排放量將達到約107億t。按照該情景下的GDP預測值測算,碳排放強度比2005下降51.07%,可實現2009年的減排承諾;情景2下,2020年CO2排放總量約103億t,這源于對煤炭和石油的調控力度加大,高碳化石能源的消費量減少;情景3下,產業結構轉型和能源結構優化對CO2減排的作用明顯,CO2排放量增長率明顯下降,2020年排放量可控制在100億t以內。因為3E系統的整體性、協調性在不同情景下碳排放強度的變化幅度并不大,但情景3相比情景1和情景2,碳排放強度下降趨勢更明顯。

4.4 能源預警分析

參考能源預警領域的相關研究,選取能源自給率、能源強度、碳排放強度和非化石能源消費比例作為核心預警指標,在系統動力學預測模型中將其作為輸出變量。通過對關鍵指標預警界限的確定與分析,判斷我國能源系統是處于預警狀態還是安全狀態:①能源自給率。2000年以來我國能源自給率呈現下降態勢,基本保持在85%以上(除2014年外)。結合我國能源規劃和節能降耗發展戰略,取85%作為能源自給率的安全界線。②能源強度。經濟增速下降,能源利用效率提高,能源強度加速下降。本文取能源強度五年累計下降率達到15%即能源強度達到0.79tce/萬元(以2005年不變價,下同)為安全界線。③碳排放強度。2015年我國單位GDP二氧化碳排放量比2010年下降了20%,超額完成了“十二五”規劃目標(17%),我國碳減排工作成績顯著。基于污染防治和低碳發展的客觀要求,取碳排放強度五年累計下降20%,即碳排放強度達到1.7t CO2/萬元為安全界線。④非化石能源消費比例。在節能減排發展戰略的指導下,我國非化石能源發展態勢良好,在能源消費中的比重明顯提高,預計未來仍然保持這種趨勢,結合我國能源發展規劃,本文取非化石能源消費比例達到15%為安全界線。

圖5 我國能源預警指標變化趨勢

我國《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》提出,2020年一次能源生產量目標為42億tce,本文借鑒這個數值。由圖5可知,在不同情景下,能源強度、碳排放強度均呈現下降趨勢,非化石能源的消費比例呈現上升趨勢,而能源自給率呈現出小幅波動態勢。

能源預警指標預測結果見表3。根據前文確定的能源安全預警指標的預警界限,情景1下，2020年我國能源自給率和能源強度指標處于預警狀態,而碳排放強度和非化石能源消費比例指標可達到安全狀態。這表明2020年我國承諾的碳減排目標可以實現,規劃的非化石能源消費比例也可以達到。情景2下,到2020年我國能源自給率和能源強度指標仍然處于預警狀態,但能源自給率相比高情景已有所提高,能源強度也有所下降，說明經濟降速和產業結構調整,以及能源政策調節力度加強促進了預警指標的改善,是我國應該采取的積極措施。情景3下,經濟增速較低,產業結構轉型速度較快,對高碳化石能源的控制力度加大,對清潔能源的支持力度也加大,各個預警指標均達到了安全線以上,能源系統可以實現安全、可持續發展。但能源自給率指標剛過安全線,需要特別注意。綜上所述,能源自給率是我國能源預警需要重點關注的指標,應當將能源自給率作為關鍵的能源預警對象,重點進行監測和控制。

表3 2020年能源預警指標預測結果

5 結論與政策建議

在經濟新常態和能源新常態的發展背景下,考慮能源、經濟和環境之間的促進、制約、反饋關系,構建基于“能源—經濟—環境”3E系統的我國能源需求預測系統動力學模型,設置能源政策調控系數因子,模擬不同經濟增長速度、產業結構轉型下的能源政策調控力度,分情景預測未來不同發展模式下“十三五”期間我國能源需求總量、能源需求結構、CO2排放量和能源預警指標,并進行了能源預測預警結果分析。

針對研究結果提出以下建議:①控制能源消費總量。抓好重點領域的節能工作,加大節能減排政策的調控力度,健全節能標準體系。此外,煤炭的清潔高效利用既是削減能耗總量的重要手段也是提高能源質量的關鍵路徑,應當加強對散煤的治理,積極推動新型煤化工產業發展,加大對煤炭清潔利用技術的科研投資和人才培養,提高煤炭利用效率和燃煤發電效率。②優化能源結構。從能源利用的產業結構和消費結構兩方面著手調整能源結構。在能源產業結構方面,要逐漸關停高耗能低產值的小企業,改變重大耗能行業的主要用能方式,大力發展第三產業,新建企業盡量采用清潔能源供應。在能源消費結構中應大力發展水能、核能、風能、太陽能等非化石能源,進一步提高清潔能源的占比,控制煤炭的消費比重。③提高能源消費質量,關鍵是提高能源利用效率和控制溫室氣體排放。能源體制改革是促進能源效率提升的有效途徑,經濟新常態的大背景為推進能源革命提供了便利的條件,要加快能源體制改革,大力推動能源發展模式和商業模式創新,促進第三方治理。控制溫室氣體排放,要積極發展碳交易等減排制度,發展碳捕捉和封存(CCS)等減排技術。④關注能源供給安全。一方面，應提高我國能源生產能力,控制能源消費總量,確保能源自給率在可控范圍;另一方面，在能源自給不能滿足需求時,要拓展國際市場,保障供需平衡。能源、經濟、環境各子系統的協調發展才是保障國家能源安全的長久之路；要根據經濟發展的情勢,合理確定能源、環境政策的調控范圍和調控力度。

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ResearchonChina′sEnergyDemandForecastingandPre-warningUndertheNewNormal

FANG De-bin1,SHI Shan-shan1,YANG Jian-peng2

(1.School of Economics and Management,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.China Hydropower Construction Group New Energy Company,Beijing 100160,China)

Considering the coordination of energy-economy-environment system,a system dynamic model of energy demand forecasting was built,then this paper applied scenario simulation method to simulate the three scenarios of different economic growth,industrial structure and energy policy under the new normal to forecast China′s energy demand,energy mix,CO2emissions and pre-warning indicators in the 13th five-year period.The results demonstrated that:Under the new normal,energy demand growth shifted from rapid to medium-to-high speed,when economic growth rate was 6.5%,speeding up industrial restructuring,intensifying the regulation of energy,energy demand would reach 5.078 billion tons of standard coal,non-fossil energy demand ratio would reach 16.1% and CO2emissions would reach 10.3 billion tons in 2020,the energy self-sufficiency rate was 82.7%,which would be in the warning area.The study provided the theoretical basis and decision support for China′s energy planning under the new normal.

3E system;new normal;energy demand;forecasting and pre-warning;system dynamic model

2016-11-12；

2016-12-27

國家自然科學基金項目“不對稱信息電力市場激勵性監管機制研究”(編號:71673210);國家自然科學基金項目“復雜不確定性多主體多目標合作博弈與協商談判的合作機制與合作模式”(編號:71231007)。

方德斌(1976-),男,安徽省舒城人,博士,教授,博士生導師,研究方向為能源經濟學、決對策理論。

時珊珊(1991-),女,山西省晉城人,碩士研究生,主要研究方向為能源經濟學。

F062.1；F201

A

1005-8141(2017)01-0008-06