云南省2015年碳排放约束下的能源结构研究

于雪娇，姜华德

（云南财经大学，昆明 650221）

云南省2015年碳排放约束下的能源结构研究

于雪娇，姜华德

（云南财经大学，昆明 650221）

利用灰色系统预测模型，预测云南省2015年能源需求总量约为13813.53万吨标准煤，地区生产总值大概在15482.0979亿元；再利用云南有碳与无碳能源发展作为约束条件，以碳排放量最小化为目标函数建立L.P.模型，计算出2015年云南省大概排放256.76百万公吨二氧化碳，相当于1.66公吨二氧化碳/亿元地区生产总值，比2010年每亿元地区生产总值二氧化碳排放量为2.33公吨，降低28.76%，成功实现减排目标与能源结构优化。

能源；二氧化碳排放；灰色系统预测模型；能源结构优化

引 言

全球气候变暖问题是人类迄今面临的最重大环境问题，也是21世纪人类面临的最复杂挑战之一。据预计，到 2030 年世界能源消耗将增加 70%，按照2006年国际能源展望观点，全世界使用的主要燃料仍然是石化燃料，其中主要是石油，这将导致二氧化碳排放的大幅增加。大气中二氧化碳浓度的增加将导致大气温度上升，如果一直使用目前的技术，到 2100 年全球的气温将上升6摄氏度，对生态系统造成巨大影响。人类活动导致的以二氧化碳为主的温室气体的排放是全球变暖的主要原因。作为世界的一份子，中国的气候也发生了明显变化，并影响到了中国的水资源、农业、陆地生态系统、海岸带和近海生态系统。为了进一步应对气候变化，中国决定到2020年把单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年降低40%—45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。自这个碳强度目标被提出以来，云南省也相应的提出降低单位地区生产总值二氧化碳排放：“十一五”规划中要求2010年单位地区生产总值二氧化碳排放比2005年降低17%，“十二五”规划中更是要求2015年单位地区生产总值二氧化碳排放比2010年降低20%，前一个目标云南省已经顺利完成，而后一个目标能不能实现，实现这个目标需要怎么调整能源结构，这是本文主要的研究目的。

国内外已经做了很多关于能源结构的研究。Azar、Lindgren和Andersson［1］基于单个交通部门讨论了二氧化碳约束下的燃料替代。ToL［2］建立了一个宏观模型，讨论IPCC各种情形下美国的碳排放以及相应的电源结构。李洁［3］分析了内蒙古自治区的能源生产和消费结构，一直以煤炭为主的能源结构导致了低效高耗的能源利用方式和突出的生态环境问题，发现目前内蒙古能源结构不合理，对内蒙古可持续发展的不利，通过建立模型为未来内蒙古能源结构的优化调整提出具体的量化目标，以目标为基础研究提出了内蒙古能源结构优化调整的战略构想及政策措施。李延明、张传平［4］运用时间序列与线性规划分析2020年中国的能源结构，预测中国2020年能源需求量，再利用中国有碳与物探能源发展作为约束条件，以碳排放最小化为目标函数，建立L.P.模型，计算出中国2020年的二氧化碳排放量，以及届时的各种能源需求。赵柳榕、田立新［5］对西部能源结构调整提出了能源结构的Logistic模型，对模型中的经济增长系数及煤的需求最大缺口量进行了预测估计，定量分析了未来 年能源结构的发展趋势。云南省作为一个旅游大省，气候的好坏与其发展息息相关，因此有必要对其进行单独的研究。

一　模型建立与预测

（一）灰色系统模型

灰色理论通过数的不同生成方式、数据的不同取舍、不同级别的残差GM模型，来调整、修正、提高精度。对高阶系统建模灰色理论是通过GM（1，m）模型群解决。GM模型群即由一阶微分方程组组成的灰色模型。GM模型所得数据必须经过逆生成即累减生成做还原后才能应用。而此文主要介绍GM（1，1），字母G与M分别表示表示Grey与Model，前一个“1”表示一阶，后一个“1”表示一个变量，GM（1， 1）则表示为一阶单变量的微分方程模型。给定等时间间隔的数据列，且设数据列单调：

通过近似可得到最后的预测模型：

通过创建GM模型，可以得到未来的预测值，但是，这个模型是否能进行预测还需要进行检验。只有通过检验的模型才能进行预测。灰色模型的建模优劣精度通常用后验差检验方法进行分析。一般情况下，常用的是残差检验，最常用的是相对误差检验指标。

（二）模型预测

本文选取云南省2000-2011十一年的云南能源需求总量、煤炭、石油、天然气以及地区生产总值数据，基于以上GM（1， 1）理论，运用MATLAB 软件建模分析进而得到预测值。

根据云南统计局数据，2011年云南一次能源消费总量为9540.28万吨标准煤，其中煤炭占55.97%，石油占14.88%，天然气占0.53%，一次电占27.72%［6］。2011年的能源效率为69.98%，其中发电的效率为36.62%［7］。云南省2015年能源需求总量、煤炭、石油、天然气以及地区生产总值预测是能源结构优化设计的数据基础，本文将采用运用GM（1，1）模型（灰色系统模型）进行预测。

表1　云南省能源需求总量实际值、预测值、绝对误差、相对误差表

预测到2015年云南能源需求量约为13813.53万吨标准煤。

继续对云南省煤炭需求量、石油需求、天然气需求、地区生产总值进行预测，结果如下表：见表2

表2　2015年云南能源、煤炭、石油、天然气需求量以及地区生产总值预测值

从以上各种预测可知，云南省“十二五”规划年均地区生产总值增速均为16%，抛开通货膨胀率，其地区生产总值增速在12%左右，因此，基于灰色系统预测模型预测云南省2015年能源需求量约为13813.53万吨标准煤是可以接受的。

二　云南省能源结构现状与建模优化

（一）能源现状分析

1、碳能源分析

云南省煤炭资源较丰富，在南方十四个省（区）中居第二位，煤炭资源总量约为691亿吨， 其中探明储量252187亿吨 ， 2000年末保有储量246149亿吨。2011年云南煤炭生产和消费占一次能源总量70%以上。

云南省石油、天然气资源匮乏，基本需从外省引入。2011年云南省石油消费总量大概为1419.59万吨标准煤，占能源消费总量的14.88%。云南生产的石油只有0.04万吨标准煤，其余均需从外引入。云南天然气和石油的情况相似，2011年消费天然气大概为50.56万吨标准煤，占能源消费总量的0.53%，而2011年生产的天然气约为0.06亿立方米，合计0.80万吨标准煤。

2、清洁能源分析

云南省水能资源丰富，水能资源理论蕴藏量为10364万千瓦，约占全国总蕴藏量15.3%，低于西藏、四川，居全国第三位。截至2011年末，云南省水电总装机2953.82万千瓦，完成1007.41亿千瓦时，占发电总量的64.78%，同比增长23.79%。根据目前规划，到2015年，全省装机规模将达到8826万千瓦，其中水电6462万千瓦，根据目前的水力发电效率，至2015年云南省水电发电量将达2900亿千瓦时。

云南拥有全国优质的太阳光能资源。云南全省太阳能资源量异常丰富，可以开发的太阳能储量达到75.75%，相当于555.88亿吨标准煤燃烧释放的能量，云南太阳能发电装机可达到1.5亿千瓦以上，超过水电可装机容量的50%。到2010年底，云南太阳能装机容量为2万千瓦。根据目前掌握的情况，2011年—2015年期间，预计新增光伏电站装机21.89万千瓦，年发电量达到7.82亿千瓦时。

云南多数山区风能分布广泛， 冬春季极具开发价值， 风能地形效应显著， 风向稳定， 风力机安全性高， 为进一步开发利用云南风能资源提供了科学依据。云南部分地区不仅年平均风速超过3.5m/s，且风季（恰逢干季） 风速均达4.5m/s。截至2010年底，云南省风能总装机容量为34.05万千瓦，预计在2011年—2015年期间，新增风电场装机422.05万千瓦，年发电量达到155亿千瓦时。云南省预计到2015年新增生物质能源8万千瓦，年发电量约为3亿千瓦时。

3、二氧化碳排放分析

根据云南日报的数据，2010年，全省能源消费总量为8674万吨标准煤，比2005年增加42.76%，因能源利用而排放的二氧化碳为168.65百万公吨，比2005年增加41.8%。云南省“十二五”低碳节能减排目标是 ：到2015年云南省低碳目标是单位生产总值二氧化碳排放要比2010年下降20%。根据这个目标，2010年排放量为168.65百万公吨，同年地区生产总值为7224.18亿元，每亿元地区生产总值二氧化碳排放量为2.33公吨，按照下降20%计算，云南省2015年每亿元地区生产总值二氧化碳排放量为1.86公吨，而根据预测云南省2015年地区生产总值约为15482.10亿元，二氧化碳排放总量应该控制在287.97百万公吨以下。

（二）能源结构优化模型及结果

1、模型设定

以碳排放量最小化作为目标函数，用上述数据作为能源供应的约束条件，从而建立线性规划模型，得出2015年云南省能源结构优化的方案。

在建立模型时我们做了以下假设：

（1）云南省经济能够持续的增长，不会发生较大的波动；

（2）石油、天然气能够满足云南的需求；

（3）云南省各种清洁能源能够顺利实现；

（4）预测时采用的是2011年能源的各种消费构成，假定2015年的消费构成与2011年相似。

2、模型变量设定与计算

模型中的变量都是关于能源消耗量的，因此设定如下变量：

煤炭的供应量应该大于煤炭的消耗量，而且根据2011年的数据，云南省大概有7.01%的煤炭用于炼焦，此部分暂时没有替代品，需要保留。

因此可得：

万吨标准煤

预测到云南2015年石油的需求量是2350.449万吨标准煤，如果根据2011年云南石油的使用状况，用于生产其余二次能源的需求量约为1.34%，这部分主要用于汽油、柴油等的生产，不能替代，需要保留。计算得到2015年这部分的能源需求为31.496万吨标准煤，所以得：

预测云南2015年天然气的需求量为54.73万吨标准煤，根据2011年云南天然气消费情况：用于工业原料占91.68%，用于城镇消费占5.3%，因此有：

清洁能源主要用于提供电能，因此其约束条件为2015年云南省所有清洁能源能够提供的最大电力供应量之和，

即：2900+7.82+155+3=3065.82亿千瓦时，得：

有碳能源火力发电所提供的电能以及清洁能源所提供的电能应该满足2015年电力的总需求。根据所做的预测，云南2015年的能源需求量为13813.53万吨标准煤，其中约5525万吨标准煤用于发电。根据云南省目前36.62%的发电效率，实际需要2023.255万吨标准煤，由每万吨标准煤约为0.8141亿千瓦时计算，得到总需求量约为1647.13亿千瓦时的电量，得：

在2011年的能源需求中，用于制气以及供热等生活工业需求的比例在煤炭和石油中分别是2.5%和0.51%，因此可以得出2015年两者的需求共为204.78万吨标准煤。而天然气在2015年的需求量约为2.9万吨标准煤。得：

2011年云南煤炭和石油的终端消费各为能源总消费量的38.05%和91.83%，根据2015年两者的需求预测，分别为2934.26万吨标准煤和2158.42万吨标准煤，而其中煤炭和石油用于工业的需求我们假设的比例为30.53%和13.33%，即2354.35万吨标准煤和313.31万吨标准煤。天然气在这个

F290

A

1008-9128（2015）01-0122-04

2014-04-21

于雪娇（1988-），女，山东威海人，硕士，研究方向：空间计量。