西部可持续能源开发利用模型解读，本文主要内容关键词为：可持续论文,开发利用论文,模型论文,能源论文,西部论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修回日期：2007-02-10
中图分类号：F206；F061.3文献标识码：A文章编号：1002-9753(2007)03-0069-07
西部地区拥有我国大部分的能源资源，如何合理地开发利用这一优势资源是西部大开发的重要课题，也是我国进入21世纪实现可持续发展必须解决的重大问题。针对这个问题，需要考虑到能源环境经济可持续发展的方方面面。为综合考虑西部能源开发、西部能源需求、“西能东送”、环境保护以及水资源利用等问题，本文利用系统工程原理建立了西部可持续能源开发利用模型[1]，对西部能源可持续开发利用战略进行了系统研究，提出了中国西部地区可持续的能源开发利用战略设想以及相应的政策措施建议，为决策者提供科学的决策依据。
一、西部可持续能源开发利用模型概述
西部可持续能源开发利用模型以能源系统优化模型——MARKAL[2-3] 模型为内核，耦合了能源服务需求预测模块、水资源需求模块、污染物排放模块以及内生技术学习模块。图1显示了模型的框架结构。
图1 西部可持续能源开发利用模型结构图
(一)MARKAL模型
MARKAL是美国布鲁海文国家实验室与德国于利希核研究中心历经数年开发成功的能源系统多周期动态规划模型。它采用线性规划的方式，对各种能源开采、加工、转换、分配和终端消费所涉及的技术进行详细描述，给定这些技术的技术和经济参数，由模型选择成本最有效的能源与技术组合以满足整个规划期内的能源需求，目标函数是规划期内系统总贴现成本最小。模型的约束主要包括：能载体平衡、工艺容量和生产加工限制、电和低温热特有的约束、能源资源累积量方程、需求方程、自定义方程等等。
(二)耦合模块简介
能源服务需求预测模块综合了多种预测方法，在给定西部未来经济社会发展基本情景的条件下，得出农业、工业、服务业、交通和居民等五个部门的有用能需求。水资源需求模块设定了每种能源开采、能源加工和转换技术的水资源需求参数，系统优化模块完成技术选择的同时得出相应技术容量所需要的水资源需求量。同时，该模块提供了添加水资源约束的功能，这对研究西北地区水资源短缺情况下能源开发利用问题具有较大作用。污染物排放模块设定了每种能源开采、加工、转换以及需求技术的污染物排放因子，模型可以得出优化求解后各种被选择技术所造成的污染物排放量，也可以通过设定污染物排放约束得出环境更加友好的能源系统。内生技术学习模块采用整数规划方法耦合了技术学习曲线，在这种模式下模型给效率更高更具环境友好性而成本较高的新技术进入能源系统提供了可能。
(三)模型运行机理
模型以2000年为基年，5年为一个周期，规划期直至2050年。模型的参考能源系统详细描述了西部能源系统开采、加工、转换以及终端能源使用的各个技术环节。图2是西部参考能源系统简图。
图2 西部参考能源系统简图
在运行过程中，首先给定一个合理的西部经济与社会发展情景，模型通过能源服务需求预测模块得出需求部门的能源服务需求参数，将该参数作为MARKAL模型的驱动变量。MARKAL模型将在整个规划期内寻求能源系统的总成本最优，从而得出满足未来西部能源服务需求的终端能源需求、能源加工与转换、一次能源供应等环节最优的燃料和技术组合。同时由耦合模块得出西北地区能源开发利用产生的水资源需求、西部能源系统的污染物排放量。通过模拟不同政策而设置不同的约束可以分析研究生态环境更为友好的西部能源系统。另外，还可以通过内生技术学习模块考察引入技术学习对西部能源系统的影响。总之，在西部可持续能源开发利用模型框架下，通过拟定西部地区未来不同的能源开发利用模式，可以在系统分析的基础上提出可持续开发利用西部能源的战略思路。
二、模型的情景设置
模型首先设置了未来西部能源系统正常发展的情景，以下简称BASE情景。模型对BASE情景下西部能源系统的终端能源、一次能源、电力、CO[，2]及污染物排放和水资源需求等进行了深入研究。但是BASE情景远不能揭示出西部能源可持续开发利用涉及到的诸多值得关注的问题，例如西部丰富的能源资源如何在满足自身的同时对东部做出贡献，西部丰富的可再生能源资源如何得到合理发展，西北地区水资源问题将如何影响能源资源的开发利用等等。为此，模型还设置了其它的四个情景：能源东送情景、煤基液体燃料情景、可再生能源加速发展情景、水资源约束情景。
(一)BASE情景基本假设
BASE情景对未来西部地区经济社会发展状况进行了合理假定，并设置了能源资源的开采上限，同时还考虑了西电东送和西气东输。表1是一些相关参数的设置。本研究统计数据主要来源于参考文献[4]-[6]。
(二)其它情景参数设置
其它的四个情景都是在BASE情景基础上有针对性地改变一些参数设置以进行比较研究，下面只是描述其中有别于BASE情景的设置。
能源东送情景(TE情景)在BASE情景基础上增大了西电东送规模，它设置了TE01、TE02和TE03共三个方案。TE01与TE02方案设定2020年后火电东送电量年增长率分别为3％和5％，水电东送电量年增长率分别为1％和1.5％。TE03方案设定2015年后火电东送电量年增长率为6.5％；2020年后，水电东送电量年增长率为2％。
煤基液体燃料情景(CP情景)主要用来考察在油品进口量受到限制的同时不断增大煤基液体燃料到东部的输送量的情景下西部能源系统的特征。它设置了CP01、CP02、CP03、CP04和CP05共五个方案。CP01和CP02方案限制油品进口量分别为BASE情景的60％和30％。CP03、CP04和CP05方案在CP02方案的基础上逐步扩大煤基液体燃料向东部的输送量，分别为50Mtce、100Mtce和200Mtce。
可再生能源加速发展情景(RN情景)主要用来考察加大可再生能源发电技术的发展力度对于西部能源系统的影响，它设置了RN01和RN02两个方案。RN01方案设定到2050年风力发电、光伏发电和生物质能发电分别达到60GW、60GW和20GW，RN02方案设定到2050年风力发电、光伏发电和生物质能发电分别达到150GW、100GW和40GW。两个方案均设定油气进口量与BASE情景相同。
水资源约束情景(WA情景)只设定了WA01方案，主要用来研究水资源受到限制对西部能源系统产生的冲击。该方案限制能源行业各个规划周期需水量为BASE情景的75％，并且设定油气进口量与BASE情景相同。
三、模型结果与讨论
本文对各种情景的各个方案进行了较为详细的比较研究。下面就终端能源消费、一次能源消费、电力消费、环境影响、水资源需求等方面的结果做一个简要的分析。
(一)BASE情景
BASE情景的主要模型结果如表2所示。未来50年西部终端能源消费量以较快速度增长，终端能源分部门的消费结构产生了较大变化。另外，西部未来终端用煤的比重下降了26.2％，而油、气、电、热的消费比重则有不同程度的增加，其中电力消费比重增长了11.3％。气体燃料和电力等优质能源将有效地替代煤炭直接燃烧，这将有助于西部未来大气环境质量的改善。
BASE情景下，“能源东送”(西电东送与西气东输)对西部一次能源消费量的贡献率2020年为19％、2050年为11％。煤仍然是西部未来最主要的一次能源，但比重逐年下降。2000年西部一次能源消费结构中煤占了65.2％，随着天然气和可再生能源开发规模的逐渐增大，一次能源消费中煤的比例逐年下降，到2030年达到53.6％。由于西部能源系统一直担负着西气东输和西电东送的任务，特别是随着西电东送规模的逐渐增大，新的可再生能源又没有得到大规模的开发，2030年之后燃煤发电量增长比较迅速，致使煤炭在一次能源消费中的比例又逐渐升高，到2050年煤的比重上升到57.8％。导致煤的比重过高的另外一个原因则是西部未来不断增长的油气需求量将由一部分煤制液体燃料和煤制气体燃料来满足。另外，随着交通运输周转量的快速增长，油品的消费量将大幅度增长，不断增长的油品需求将主要依靠进口和煤制油品来解决。2050年西部油品消费18.8％来自石油开采、23.1％来自煤制油品，其它的58.1％将依靠石油进口，届时西部石油进口量将达到170Mtce。气体燃料的消费量将有较快增长，2050年达到了263Mtce。西部未来气体来源逐渐由天然气开采向以天然气开采为主兼顾煤层气开采、煤制气体燃料和进口天然气等多种途径的多元化气体来源渠道发展。
由于西部自身能源结构调整和西电东送工程，未来西部电力工业将会延续近年来的高速增长势头。西部将优先开发水电，煤电将由于得天独厚的资源优势而得到快速发展，BASE情景中核电与新可再生能源发电的份额并不大。
CO[，2]排放量快速增长，这主要由于BASE情景中仍然存在较高的化石能源消费比重。而不断加大煤炭的洗选率、提高常规煤电的脱硫与脱氮效率以及推广应用先进煤电技术则是西部SO[，2]和NO[，X](排放量增长率相对于目前比较缓慢的主要原因。
BASE情景中西北地区能源开采、加工以及转换部门水资源需求保持了每年3.4％的较高增长率。火力发电、煤炭开采与加工以及石油开采与加工是其中耗水大户。由于坑口电站的建立、煤炭深加工、煤炭的液化与气化、基于煤气化的多联产技术的发展，西北煤炭消费量不断增大。到2050年西北煤炭开采与煤炭加工将耗水21.5亿t，是2000年的9.6倍。西北未来的另一耗水大户就是火电行业，2050年其耗水量将达到21.1亿t，是2000年的8.0倍。
(二)其它情景相对于BASE情景的比较研究
表3列出了其它情景相对于BASE情景的部分比较分析。从情景的对比研究中可以看出，随着西电东送电量的不断增大，装机容量相应地不断增加，由于成本优势煤电成为了新增装机容量的主力。煤炭消费量增大将不利于西部能源结构的优化，随之将产生较大的CO[，2]、SO[，2]和NO[，X]排放量。同时，煤炭的开采和燃煤发电增加也使西北地区能源系统水资源需求产生了较大增长。因此，国家在大力推进西电东送特别是西北煤电东送的同时，必须充分考虑西部的环境承载能力以及水资源保障能力，以免影响西部地区自身的可持续发展。
在煤基液体燃料情景下，一次能源消费构成中油的消费比例由于受到进口约束而下降，而煤的消费量由于煤多联产及煤制油的增长而增大，随之也增加了碳排放量。另外，由于煤炭液化基本没有SO[，2]和NO[，X]排放，而煤炭多联产技术相对于常规燃煤发电技术的SO[，2]和NO[，X]排放量低很多或者是近零排放，因此随着煤炭多联产技术采用的比例不断增大，SO[，2]和NO[，X]排放量不断减小。不过，由于该情景下煤基液体燃料的生产能力增大，从而加大了作为耗水大户的煤炭开采、加工与煤炭多联产的发展，由此增大了水资源的需求。总体来讲，在煤炭资源丰富的西北地区大力发展煤炭多联产与煤制油将是具有重大意义的工程，不过必须首先解决水资源瓶颈问题。
加速可再生能源发展情景中，生物质能、太阳能和风能将有效地替代煤炭，随着加速发展力度增大，煤炭在一次能源消费中的份额也不断减小，而一次能源消费总量变化较小。在此情景下，新增的新可再生能源发电将替代大量的燃煤发电，其生态环境效益非常明显，它可以大规模降低CO[，2]、SO[，2]和NO[，X]排放量以及对水资源的需求。不过大量地扶持新可再生能源，发电导致电力部门的投资成本大幅度增加，在整个规划期内，RN01方案比BASE情景增加了1075亿美元的投资，相当于BASE情景累积电力投资总额的11％，RN02方案比BASE情景增加了2570亿美元的投资，相当于BASE情景累积电力投资总额的26％。西部大力发展可再生能源，尤其是可再生能源发电将是西部能源可持续发展的一个重要途径，不过解决资本和技术的瓶颈将是首要任务。
水资源约束情景中，受水资源约束煤炭开采和燃煤发电等耗水大户将受到制约，随着水资源约束增大，煤炭开采及燃煤发电将迅速减少，而石油和天然气进口将不断增大，气电装机将增加。在石油和天然气进口量受到约束的情况下，电力行业将逐渐向风能、太阳能和生物质能等新可再生能源发电方面发展。与加速可再生能源发展情景类似，设定水资源约束之后能源系统成本特别是电力系统成本将大幅度增加。因此，如果西北地区能源系统的水资源供应问题不能解决好，将极大地抑制煤炭资源的利用以及增大整个能源系统的投资。
(三)总结
经过上述分析和讨论在此提出西部可持续能源开发利用模式：优先开发水电；大力发展可再生能源；逐步改变西煤东运为西电东送和煤基液体东送；加速煤炭多联产的发展；加速低水耗的煤炭开采加工与转换技术的发展；大力发展清洁煤技术。
四、西部能源可持续开发利用的政策建议
(一)大力发展可再生能源，促进能源结构优化
水电是西部地区优势资源，必须优先发展，随着水电的大规模开发，西部一次能源中煤炭的份额将会有所下降，但是2030年之后水电基本开发结束，煤电的装机容量将迅速上升。这一现象也导致了BASE情景下21世纪中叶西部一次能源消费中煤炭仍然占了57.8％。从前面的分析可以看到大量煤炭消费带来巨大的CO[，2]排放以及严峻的大气污染问题，而加速发展可再生能源则可以降低碳排放和大气污染，同时减小对水资源的需求。不过发展可再生能源需要提供大量的资金支持，选择合适的资金支持方式，例如国家贷款、政策补贴以及引进清洁发展机制等，既能实现技术总容量增加，也能促进技术市场化的成熟，使得可再生能源技术的成本不断降低，达到与现有发电技术共同竞争的局面。西部具有丰富的可再生能源资源，在油气资源非常有限的情况下，西部未来能源结构优化的方向就是加快可再生能源的发展。
(二)优化“西能东送”模式
我国的能源资源大部分分布在西部地区，这就决定了西部地区能源的开发利用必须兼顾国家整体的经济利益。目前，西部能源对东部地区的支持主要通过西气东输、西电东送和西煤东运。西部天然气资源虽然在全国具有优势，但其绝对资源并不丰富，受资源量限制，西气东输的容量有限。煤炭直接运输到东部并不是一个经济的作法，从模型结果也可以看出改大量输煤为输电将更有利于西部地区的经济发展，同时还可以缓解交通压力和减少多次转运带来的环境污染。另外，西部丰富的煤炭就地深加工，通过煤炭多联产技术和煤液化技术转化为煤基燃料，通过改大量输煤为输送煤基燃料到东部也将是带动西部经济非常有效的模式。总之，未来“西能东送”将主要通过西电东送(包括煤电与水电)、西气东输和煤基燃料东输三个渠道。
(三)大力发展洁净煤技术
煤炭是西部最主要的化石能源，油气资源相对贫乏。不论采取何种发展路径，西部一次能源消费均主要依靠煤炭。由于大量使用煤炭，西部地区未来SO[，2]和NO[，X]排放量增长较快。从可持续发展的角度考虑，西部必须大力发展洁净煤技术。从模型结果可以看到，采用环境更友好的煤炭多联产技术替代常规燃煤发电技术，不但可以降低环境污染，还可以取得煤炭资源的高效率利用，同时通过电力、煤基液体和气体的多联产实现更大的经济价值。另外，发展先进的硫化床技术也是解决煤电造成大气污染的有效途径。不过从短期来看，常规煤电安装脱硫和脱氮装置势在必行。除了电力行业之外，工业部门燃煤将是另外一个大污染源，解决这一问题一方面需要努力提高洗选动力煤，另外一方面需要发展先进的燃烧技术以及安装脱硫设备。
(四)积极推动低水耗技术的应用，加大西北地区能源用水问题研究
未来西北地区能源系统耗水量不断增长，将对西北地区的水资源安全构成严重威胁。煤炭和石油资源主要分布在水资源匮乏的西北地区，而对其开采和加工均需要消耗大量水资源，这势必造成能源行业同工业、农业以及居民部门争夺水资源的局面，进而给西北地区脆弱的生态造成较大的压力。为此西北地区必须大力发展低水耗技术。在西北的能源系统中，电力部门是第一耗水大户，应该加快空冷机组的发展，同时积极研究开发耗水系数较小的IGCC以及煤炭多联产技术。煤炭开采加工和石油开采加工是另外两个耗水大户，尤其是煤炭开采加工在未来将大规模发展，而水资源紧缺将严重制约这一发展势头。一方面，需要研究节水的开采与加工模式，另外一方面则需要从水利建设角度来考虑，兴修水库或者搞引水工程均是可考虑的办法，从长远角度来看可以把能源基地建设同南水北调西线工程相结合，有专家提出的“海水西调”[7] 构想也很值得深入探讨和研究。
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