1、1,能源系統(tǒng)工程與能源回彈效應(yīng),王兆華 教授 Email:; TEL北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院 2012.10.26,主要內(nèi)容,能源系統(tǒng)工程,能源系統(tǒng)是涉及政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、氣候等多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。 能源系統(tǒng)包括能源勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、加工、轉(zhuǎn)換、運(yùn)編、分配、儲(chǔ)備、使用以及環(huán)境保護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)又由國民經(jīng)濟(jì)的若干部門組成。 能源系統(tǒng)工程的研究對象是能源系統(tǒng)，可以在能源預(yù)測、能源規(guī)劃、能源系統(tǒng)分析等方面發(fā)揮重要作用。,能源的利用過程,能源系統(tǒng)工程的任務(wù),能源系統(tǒng)工程可以對世界、國家、地區(qū)、企業(yè)等能源系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測、分析、規(guī)劃、管理、評價(jià)等。,能源需求預(yù)測 能源

2、供應(yīng)預(yù)測 能源發(fā)展規(guī)劃 能源的合理分配和使用 能流分析 能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的大系統(tǒng)分析 ,5,能源流圖-以2008年中國為例,能流圖：反映一個(gè)系統(tǒng)的輸入能源構(gòu)成、轉(zhuǎn)換情況、消耗及輸出構(gòu)成的圖形,Source: Liao H. et al.,能源系統(tǒng)建模,對能源系統(tǒng)（從能源的開采、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸?shù)阶罱K能源需求）的模擬，通過系統(tǒng)模擬仿真來預(yù)測各部門能源的供應(yīng)能力、能源價(jià)格、需求量以及宏觀經(jīng)濟(jì)參數(shù)，從而為國家制定能源戰(zhàn)略和決策提供政策支持是能源系統(tǒng)工程的首要任務(wù),能源系統(tǒng)建模,能源系統(tǒng)模型：用各種數(shù)學(xué)方法建立的，可在計(jì)算機(jī)上獲得定量結(jié)果的有關(guān)能源系統(tǒng)的各種理論模型。 注：這些模型不但能夠揭示系統(tǒng)內(nèi)部各種因

3、素之間的關(guān)系，而且能夠反映能源系統(tǒng)與外部邊界的關(guān)系（經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、交通等）。由于研究目標(biāo)的不同，于是形成了多種不同的能源模型，如能源需求模型、能源供應(yīng)模型、能源投資模型等。,目前的主流能源系統(tǒng)模型,20世紀(jì)70年代中期，由于能源供應(yīng)安全問題受到各石油進(jìn)口國的高度重視，而誕生了一系列用來研究能源規(guī)劃及預(yù)測能源供應(yīng)和需求的模型，如MARKAL(the Market Allocation of Technologies Model)模型、EFOM (Energy Flow Optimization Model)模型、MEDEE (Model Demand Energy Europe)模型等； 80年代

4、中期，隨著第二次石油危機(jī)的結(jié)束，世界石油市場趨于平穩(wěn)，全球氣候變暖成為決策者關(guān)注的最有意義的問題之一，因此能源環(huán)境模型成為這一時(shí)期能源模型的主流，如AIM (Asian-Pacific Integrated Model)模型、LEAP (Long Range Alternative Model)模型、EFOM-ENV (Energy Flow Optimization Model)模型等,目前的主流能源系統(tǒng)模型,90年代以后，隨著世界各國能源需求量的逐漸增加，能源在世界經(jīng)濟(jì)中扮演的角色越來越重要，各國為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，所關(guān)注的焦點(diǎn)已經(jīng)從單一的能源問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域（能源經(jīng)濟(jì)、能源環(huán)境

5、、能源技術(shù)、能源安全），因此，這一時(shí)期的能源模型多為能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)模型，如CGE (Computable General Equilibrium Model)模型、3Es (Macroeconomic, Energy and Environment Sub-model)模型、MESSAGE (the Model for Energy Supply Systems Alternative Model)模型；以及混合能源模型，如NEMS (the national Energy Modeling Systems)模型、IIASA-WECE3 (the IIASA-WECES Energy Eco

6、nomic Environment Model)模型等。 最具代表性的能源系統(tǒng)模型是NEMS (National Energy Modeling Systems)模型,美國國家能源建模系統(tǒng)（1993）National Energy Modeling System（NEMS),11,NEMS 能源系統(tǒng)模型,NEMS（the National Energy Modeling System）模型是美國能源部1993年開發(fā)的，目的是通過模擬美國市場來分析能源和環(huán)境問題對美國經(jīng)濟(jì)的影響。包括4個(gè)供應(yīng)模塊、2個(gè)轉(zhuǎn)化模塊、4個(gè)最終需求模塊、1個(gè)宏觀經(jīng)濟(jì)模塊、1個(gè)世界能源市場模塊和1個(gè)集成模塊，共13個(gè)模塊，

7、每個(gè)模塊之間緊密聯(lián)系。研究方法主要是線性規(guī)劃理論。 NEMS綜合考慮了宏觀經(jīng)濟(jì)、財(cái)政因素、世界能源市場、資源可獲得性和成本、行為和技術(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)、能源技術(shù)的成本和運(yùn)行特性以及人口統(tǒng)計(jì)資料，反應(yīng)了能源的生產(chǎn)、進(jìn)口、轉(zhuǎn)化、消費(fèi)以及價(jià)格的情況，是對現(xiàn)實(shí)能源系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真的復(fù)雜巨系統(tǒng)。,能源系統(tǒng)建模的發(fā)展趨勢,發(fā)展趨勢：從上世紀(jì)70年代才開始出現(xiàn)獨(dú)立的能源模型，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)發(fā)展為大規(guī)模的能源模型系統(tǒng)。目前的能源模型多從宏觀和戰(zhàn)略的層面上研究能源問題，并將能源供需系統(tǒng)置于國家宏觀經(jīng)濟(jì)模型的基礎(chǔ)上，一方面以國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展來確定對能源的需求，另一方面又分析能源系統(tǒng)對國民經(jīng)濟(jì)的影

8、響，能源模型正在向巨型化和復(fù)雜化的方向發(fā)展。 在建模方法、數(shù)學(xué)方程的求解、全局最優(yōu)化處理方面應(yīng)該考慮能源回彈效應(yīng)的影響,主要內(nèi)容,節(jié)能,節(jié)約能源消費(fèi)，即從能源生產(chǎn)開始，一直到最終消費(fèi)為止，在開采、運(yùn)輸、加工、轉(zhuǎn)換、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)上都要減少損失和浪費(fèi)，提高其有效利用程度。,經(jīng)濟(jì)的角度,節(jié) 能,能源的角度,通過合理利用、科學(xué)管理、技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理化等途徑提高能源利用效率，以最少的能耗取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。,15,能源效率,我國能源利用效率低，節(jié)能潛力巨大。 與發(fā)達(dá)國家相比，我國的能源利用效率很低，每單位能源消耗生產(chǎn)的GDP，僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的1/4左右。例如，2010年，我國能源消費(fèi)占世界能源

9、消費(fèi)總量的20%，但GDP卻不足世界的10%；我國人均能源消費(fèi)與世界平均水平基本相當(dāng)，但人均GDP僅為世界平均水平的50%；我國GDP總量與日本基本相當(dāng)，但能源消費(fèi)是日本的4.7倍；我國能源消費(fèi)總量與美國基本相當(dāng)，但經(jīng)濟(jì)總量僅為美國的37%。 提高能源效率是否真能有效地節(jié)約能源嗎？是否會(huì)出現(xiàn)能源效率提高而能源消費(fèi)卻回彈的情況？,16,中國能源效率規(guī)劃,“十一五”規(guī)劃提出2010年相比 2005年單位GDP能源消耗下降20%， 實(shí)際完成19.06% “十二五”規(guī)劃中再次制定了節(jié)能減排的量化指標(biāo)，即2015 年相比2010 年單位GDP 能耗下降16%,17,中國能源消耗,18,20002010年

10、：能源消費(fèi)年均增長8.4%。其中前五年年均增長10.2%，后五年年均增長6.6%。,能源回彈效應(yīng),能源“回彈效應(yīng)”( energy rebound effect) 是指能源效率提高所取得的能源節(jié)省部分被擴(kuò)張性能源消費(fèi)的行為部分或全部抵消。 能源回彈效應(yīng)廣泛存在，但未引起足夠的重視。如，斯特恩報(bào)告基本忽略了回彈效應(yīng)的存在； IPCC在2007 年發(fā)布的第四次氣候評估報(bào)告也僅僅注意到大量的文獻(xiàn)開始關(guān)注回彈效應(yīng)；大部分國家的政府都是通過能源消費(fèi)模型直接預(yù)測能源效率和能源節(jié)省之間的關(guān)系，回彈效應(yīng)未能納入政策視野。 非常罕見的一個(gè)成功例子：英國政府在21 世紀(jì)初鼓勵(lì)英國家庭安裝隔熱設(shè)施的過程中考慮了回彈

11、效應(yīng)的影響，從而比較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)了隔熱設(shè)施在實(shí)際中可能達(dá)到的節(jié)能效果 交通、生產(chǎn)制造、生活消費(fèi)、建筑等領(lǐng)域廣泛存在回彈效應(yīng)。,19,以中國城鎮(zhèn)居民用電為例研究回彈效應(yīng),20,能源回彈效應(yīng)？,21,什么是能源回彈效應(yīng)？ 能源效率的提高使得能源服務(wù)的有效價(jià)格降低，從而增加了能源服務(wù)的需求，進(jìn)而部分或全部地抵消了能源效率提高所導(dǎo)致的能源消費(fèi)的減少（微觀） 技術(shù)進(jìn)步在提高能源使用效率節(jié)約能源的同時(shí)也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長反過來增加了對能源的需求，最終使因效率提高而節(jié)約的能源被經(jīng)濟(jì)增長所抵消（宏觀）,Jevons Paradox,杰文斯悖論(Jevons Paradox) 1865年，Stanley Jevons

12、 在其論文“煤炭問題”中提出：“通過經(jīng)濟(jì)地使用燃料而減少消耗的想法是荒謬的，事實(shí)恰恰相反，. Khazzoom-Brookes Postulate Khazzoom ( 1980) 首次指出能源效率提高不一定會(huì)導(dǎo)致能源需求下降, 能源效率提高可能會(huì)導(dǎo)致能源服務(wù)的增加, 從而使能源消費(fèi)的實(shí)際減少與單位能源服務(wù)所消耗能源的減少并不是同比例變化。 Brookes( 1978) 認(rèn)為能源效率提高會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)增長, 經(jīng)濟(jì)增長反過來使能源消費(fèi)增加。 Khazzoom-Brookes Postulate即當(dāng)真實(shí)的能源價(jià)格不變時(shí), 技術(shù)進(jìn)步引起的能源效率提升會(huì)增加而不是減少能源消費(fèi),22,杰文斯和他出版的煤炭問

13、題,23,Jevons paradox,24,回彈效應(yīng)的經(jīng)濟(jì)機(jī)制,Greening ( 2000)基于存在一種完善的市場機(jī)制尤其是能源市場機(jī)制假設(shè)，將回彈效應(yīng)的經(jīng)濟(jì)機(jī)制分為三大類: 直接回彈效應(yīng):能源使用效率的提高降低能源服務(wù)的有效價(jià)格，進(jìn)而增加此種能源的消費(fèi)，這將抵消由能源效率提高引致的能源消費(fèi)的減少量 間接回彈效應(yīng)：能源服務(wù)價(jià)格的降低同時(shí)將引致其他將能源作為生產(chǎn)要素的產(chǎn)品、服務(wù)價(jià)格的降低，進(jìn)而引致對這些產(chǎn)品需求的增加。 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)層面回彈效應(yīng)：能源使用效率提高對整體經(jīng)濟(jì) 的回彈效應(yīng),25,Summary of characteristics and results from macro si

14、de rebound effect (Dimitropoulos 2007),Abbreviations: CD: CobbDouglas, L: Leontief, ESUB: elasticity of substitution (s), CES: constant ESUB,26,OECD國家基于計(jì)量模型估計(jì)的居民能源消費(fèi)長期直接回彈效應(yīng)統(tǒng)計(jì)(Sorrell 2009),27,國內(nèi)關(guān)于回彈效應(yīng)研究的文獻(xiàn)匯總,28,直接回彈效應(yīng)是針對一種能源服務(wù)或一個(gè)部門而言的,直接回彈效應(yīng),假如：10%的回彈效應(yīng)(RE)意味著10%的預(yù)期的能源節(jié)約被增長的能源消費(fèi)抵銷了。,29,直接回彈效應(yīng)的三種定義：

15、 1、Khazzoom, 1980； Berkhout et al. 2000；Dimitropoulos and Sorrell, 2006； Sorrell, 2007)基于能源服務(wù)提出回彈效應(yīng)的最普遍的定義。 其中 為能源消費(fèi)的效率彈性，為某個(gè)能源服務(wù)的有效需求的效率彈性 能源利用效率 : 則,直接回彈效應(yīng)的定義,30,2、 Berkhout et al（2000) Khazzoom (1980), Binswanger (2001) 和Greene et al. (1999)用能源服務(wù)價(jià)格彈性的負(fù)值 來估算能源的直接回彈效應(yīng) 若能源價(jià)格 對效率是外生的，則有 此時(shí)：,直接回彈效應(yīng)的定義

16、,31,3、(Dimitropoulos andSorrell,2006;Sorrell,2007)將回彈 效應(yīng)定義能源消費(fèi)的價(jià)格彈性的負(fù)值 當(dāng)且僅當(dāng) 和 此時(shí)： 則,直接回彈效應(yīng)的定義,32,回彈效應(yīng)的大小,如果RE1，稱為回火效應(yīng) (Backfire effects) 如果RE=l，稱為完全回彈效應(yīng) (Full rebound effects) 如果RE1，稱為部分回彈效應(yīng) (Partial rebound effects) 如果RE=0，稱為零回彈效應(yīng) (Zero rebound effects) 如果RE0，稱為過度儲(chǔ)存效應(yīng) （Superconservation effects),33

17、,城鎮(zhèn)居民生活用電影響因素,城鎮(zhèn)居民生活用電消費(fèi)的影響因素分析 （1）人口增長 （2）居民生活水平 （3）節(jié)能設(shè)備引入及舊設(shè)備的更新?lián)Q代 （4）生活方式及居民節(jié)能態(tài)度 （5）電價(jià) （6）氣溫 本研究選?。?)(2)(5)(6)四個(gè)影響因素作為解釋變量對城鎮(zhèn)居民用電消費(fèi)進(jìn)行建模,34,模型構(gòu)建,35,在Haas和Biermayr(2000)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入人口變量，將計(jì)量模型設(shè)定為： 其中， 為常數(shù)項(xiàng)， 為待估計(jì)的參數(shù)， 為隨機(jī)誤差項(xiàng)。 式中， 表示第省第t年城鎮(zhèn)居民電力消費(fèi)量； 表示第省第t年 城鎮(zhèn)居民人均可支配收入； 表示第省第t年民用電價(jià)格； 表示第省第t年城鎮(zhèn)居民人口數(shù)； 表示第i省第

18、t年度日數(shù),對度日的說明：度日分為兩種類型，采暖度日(heating degree day)和降溫度日（cooling degree day）（Kadioglu M，Sen Z1999）。計(jì)算公式如下（Sailor J David2001）： 這種方法工作量太大，所需數(shù)據(jù)不容易獲得 ，對上述方法進(jìn)行改進(jìn)得到： 式中HDD為某一年的采暖度日值；CDD為某一年的降溫度日值； 為月平均溫度； 為采暖度日數(shù)的基礎(chǔ)溫度（5度）； 為降溫度日數(shù)的基礎(chǔ)溫度（26度）；M為每月的天數(shù)；rd，如果月平均溫度高于基礎(chǔ)溫度，則為1，否則為0。某一年年度日值：DD=HDD+CDD,模型構(gòu)建,36,本研究以能源消費(fèi)的價(jià)

19、格彈性測算回彈效應(yīng)時(shí)，假設(shè)價(jià)格是下降的（根據(jù)對稱性假設(shè)），而實(shí)際價(jià)格是波動(dòng)的，為解決該問題價(jià)格的變化分解成三部分（Dargay 1992和Gately 1993)： 歷史最高價(jià)格 價(jià)格下降 價(jià)格上升,模型構(gòu)建,其中：,則原計(jì)量模型可分解為：,測算出的系數(shù) 即為長期回彈效應(yīng),37,模型構(gòu)建,電價(jià)分解圖例,38,誤差修正模型：誤差修正模型（Error Correction Model,ECM)常常被用來估算短期彈性。 在長期協(xié)整模型的基礎(chǔ)上可以得到殘差序列 ，將其作為誤差修正項(xiàng)，,短期回彈計(jì)量模型,可以建立以下面板誤差修正模型：,測算出的系數(shù) 即為短期回彈效應(yīng),39,40,表1 各變量含義及測度方

20、法,變量說明,注：采用PPP法計(jì)算1996-2010年各省人均可支配收入及電價(jià)，引用Brandt 和 Holz（2006）計(jì)算出的2000年中國各地區(qū)的購買力平價(jià)，計(jì)算出1996-2010年各省的購買力平價(jià)，氣溫選取各省會(huì)城市氣溫為各省代表,中國統(tǒng)計(jì)年鑒 中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒 中國物價(jià)年鑒 中國人口統(tǒng)計(jì)年鑒 Brandt L and Holz C A. 2006.Spatial Price Differeences in China:Estimates and Implications. Economic Development and Cultural Change 55(1):43-86,41

21、,數(shù)據(jù)來源,實(shí)證分析,42,用普通最小二乘估計(jì)法估計(jì)的長期協(xié)整面板模型為：,以 、 、 、 、 、 和 的協(xié)整回歸穩(wěn)定殘差誤差序列 作為誤差修正項(xiàng)，建立的誤差修正模型如下：,實(shí)證分析,注：*表示拒絕“存在面板單位根”的原假設(shè),43,價(jià)格下降時(shí)的彈性大于價(jià)格上升時(shí)的彈性,在5%的顯著水平上,殘差項(xiàng)不存在自相關(guān),長期協(xié)整模型估計(jì),實(shí)證分析,44,價(jià)格下降時(shí)的彈性大于價(jià)格上升時(shí)的彈性,各解釋變量不存在自相關(guān),誤差修正模型估計(jì),在5%的水平上大于2.33，表明通過檢驗(yàn),實(shí)證結(jié)果與討論,1、中國城鎮(zhèn)居民用電存在明顯回彈效應(yīng)，長期回彈效應(yīng)為0.74 ，短期回彈效應(yīng)為0.72。從節(jié)約能源的角度來看，單純地提高能源效率的技術(shù)和政策并不像理論上預(yù)期的那么有效，因此不能將提高能源效率作為唯一手段來實(shí)現(xiàn)節(jié)能或解決能源約束問題。 2、無論是長期還是短期，能源消費(fèi)在價(jià)格下降時(shí)的彈性都大于價(jià)格上升時(shí)的彈性 ，這與(Dargay（1992）；Gately（1995）；Haas 和Schipper（1998)）的結(jié)果截然不同。 原因：中國經(jīng)濟(jì)快速