關(guān)于碳減排問(wèn)題解決方案的建模探討

1、關(guān)于碳減排問(wèn)題解決方案的建模探討摘要：關(guān)鍵詞：碳排放；溫室氣體；氣候變暖；燃料需求預(yù)測(cè)1 問(wèn)題的提出1.1問(wèn)題引出 “全球氣候變暖(Global Warming以及“碳減排Carbon emission reduction問(wèn)題，是當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題。 世界沒(méi)有一個(gè)有法律約束力的“碳排放協(xié)議。為了從數(shù)學(xué)角度對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合各國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)開(kāi)展、能源需求、溫室氣體排放的邏輯順序，據(jù)此建立模型預(yù)測(cè)至2030年及2050年前的碳排放情況，驗(yàn)證到達(dá)聯(lián)合國(guó)“使全球變暖不超過(guò)2攝氏度的氣候變化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性，并給出了合理、現(xiàn)實(shí)的解決方案。1.2問(wèn)題重述 “全球氣候變暖Global Warm

2、ing以及“碳減排Carbon emission reduction問(wèn)題，已成為世界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。但是由于各國(guó)環(huán)境條件的巨大差異以及利益間的巨大沖突， 世界各國(guó)卻無(wú)法達(dá)成一個(gè)有法律約束力的“碳排放協(xié)議，為此，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)IPCC特聘請(qǐng)你們提供相關(guān)研究報(bào)告，內(nèi)容應(yīng)包括： 1.在收集相關(guān)信息的根底上，對(duì)當(dāng)前全世界碳排放形勢(shì)作出分析，并據(jù)此建立模型預(yù)測(cè)至2030年及2050年前的碳排放情況。 2 如果要到達(dá)聯(lián)合國(guó)“使全球變暖不超過(guò)2攝氏度的氣候變化目標(biāo)，給出你們認(rèn)為合理、現(xiàn)實(shí)的解決方案，并據(jù)此預(yù)測(cè)全世界2030年及2050年的碳排放情況。聯(lián)合國(guó)的氣候變化目標(biāo)是否可以到達(dá)？ 3

3、.按照你們的解決方案，具體到美國(guó)、日本、俄羅斯、印度、巴西、中國(guó)等國(guó)家，各自應(yīng)承擔(dān)什么義務(wù)？理由是什么？ 4.將你們的研究結(jié)果寫成一份不超過(guò)兩頁(yè)的簡(jiǎn)短報(bào)告，提交給IPCC。要注意所引用數(shù)據(jù)的可靠性。所有引用文獻(xiàn)請(qǐng)注明出處。文中利用附錄中提供的及自己查找到的資料和數(shù)據(jù)建立和全球變暖有關(guān)的因素的的數(shù)學(xué)模型，主要包括以下幾個(gè)局部：1. 影響全球變暖的因素的數(shù)學(xué)模型；2. 煤炭需求量的數(shù)學(xué)模型；3. 碳排放量的數(shù)學(xué)模型；4. 描述碳排放量和溫度升高之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；2附錄表格中局部數(shù)據(jù)添加的說(shuō)明2問(wèn)題分析2.1背景分析能源為人類社會(huì)文明的進(jìn)步提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，但掠奪式開(kāi)發(fā)和瘋狂式利用也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)

4、境問(wèn)題，比方水污染、大氣污染、重金屬污染、自然水位下降、干旱、地表淪陷等問(wèn)題。早在14世紀(jì)初,英國(guó)就注意到了煤煙污染；17世紀(jì)倫敦煤煙污染加重時(shí),有學(xué)者提出過(guò)改善大氣品質(zhì)的方案近年來(lái)，不過(guò)直到這時(shí),污染只在少數(shù)地方存在,污染物也較少,依靠大自然的自凈能力,尚不至于造成重大危害。環(huán)境污染發(fā)生質(zhì)的變化并演變成一種威脅人類生存與開(kāi)展的全球性危機(jī), 那么始于18世紀(jì)末葉興起的工業(yè)革命。國(guó)際上幾個(gè)代表性的國(guó)家生產(chǎn)總值持續(xù)高速猛勁增長(zhǎng)，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)文明，但環(huán)境問(wèn)題同樣不可小覷。現(xiàn)階段世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)之間存在著越來(lái)越鋒利的矛盾，現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程消耗了大量的化石能源，造成碳排放的大幅度增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的

5、溫室效應(yīng)。在不影響經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)的前提下，實(shí)現(xiàn)碳排放的逐漸減少，是國(guó)際社會(huì)目前亟待解決的問(wèn)題。全球氣候變暖Global Warming以及“碳減排Carbon emission reduction問(wèn)題，直接導(dǎo)致兩極冰川融化和海平面的上升，已成為近年來(lái)世界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。碳排放強(qiáng)度單位GDP的碳排放量是衡量經(jīng)濟(jì)開(kāi)展水平與碳排放增長(zhǎng)之間關(guān)系的重要指標(biāo)之一。掌握碳排放強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究其主要影響因素的變化對(duì)其的沖擊效應(yīng)，可以為制定相應(yīng)的節(jié)能減排政策提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。 因此，為全世界碳排放形勢(shì)作出分析，并據(jù)此建立模型預(yù)測(cè)，量化研究全球至2030年及2050年前的碳排放情況，提出合理、現(xiàn)實(shí)的解

6、決方案具有重大而深遠(yuǎn)的意義。2.2影響全球二氧化碳排放的相關(guān)因素 從二氧化碳排放的來(lái)源看，有生產(chǎn)和生活兩局部，從量上可以主要分為四個(gè)方面。一是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP。從全球的情況來(lái)看，二氧化碳的排放量與實(shí)際GDP正相關(guān)，且二氧化碳的增長(zhǎng)速度略小于實(shí)際GDP增速。而從各個(gè)國(guó)家的情況來(lái)看，雖然都符合與GDP正相關(guān)的關(guān)系，但增速與實(shí)際GDP的增速由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)能源結(jié)構(gòu)等因素而各不相同。二是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。一個(gè)經(jīng)濟(jì)體中如果第二產(chǎn)業(yè)所占比例較高，尤其是重工業(yè)中的電力工業(yè)、水泥工業(yè)、冶金工業(yè)或者石油產(chǎn)業(yè)等比例較高，其二氧化碳排放量就會(huì)相對(duì)較高。這實(shí)際上反映了一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)體的能源強(qiáng)度，即生產(chǎn)一單位GDP所需要的能源。觀

7、察世界各國(guó)的能源強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，最高的是俄羅斯和中東地區(qū)國(guó)家，它們以石油生產(chǎn)作為GDP的主要支柱，另外亞洲國(guó)家上升較快，且高于世界平均水平，而北美歐洲等地區(qū)國(guó)家的能源強(qiáng)度那么低于世界平均水平，且趨于下降，這與興旺國(guó)家第三產(chǎn)業(yè)比例升高有關(guān)。三是能源結(jié)構(gòu)及能源效率。眾所周知，各種燃料燃燒排放二氧化碳的強(qiáng)度從高到低依次是：煤、石油、天然氣、水能、核能等新能源。一個(gè)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)及燃料使用效率對(duì)二氧化碳的排放也起到很大作用。從世界各國(guó)的化石燃料使用情況來(lái)看，歐洲各國(guó)的煤使用比例從1980年持續(xù)下降，到2007年，由原來(lái)的30%下降到18%，這局部解釋了歐洲二氧化碳排放量穩(wěn)中有降的狀態(tài)。四是生活排放的污染物和

8、農(nóng)業(yè)、林業(yè)的影響。如取暖，高緯度地區(qū)由于天氣寒冷，由取暖而燃燒化石燃料排放的二氧化碳相對(duì)較多，經(jīng)濟(jì)水平接近的歐洲與美國(guó)相比，居民取暖排放的二氧化碳在全部二氧化碳排放中所占的比例分別為10.8%與5.8%；再如交通方式，歐洲國(guó)家較小，地鐵系統(tǒng)興旺，人均汽車擁有量較美國(guó)少，因而，歐洲道路交通二氧化碳排放量占全部二氧化碳排放量的22%，美國(guó)占27%；歐洲人均交通二氧化碳排放量為1.81 噸/人，而美國(guó)這一指標(biāo)達(dá)4.07噸/人。因此，改善交通結(jié)構(gòu)，減少生活用電量等都可以減少生活二氧化碳排放量，這對(duì)以生活排放為主的美國(guó)尤為重要，對(duì)中國(guó)也有一定的借鑒意義。2.3全球二氧化碳減排的有效路徑 根據(jù)從能源到二氧

9、化碳的產(chǎn)生過(guò)程，減排有兩個(gè)切入點(diǎn)，其一是從能源市場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，改善能源結(jié)構(gòu)或者提高能源的使用效率，主要方法有使用稅收等手段改變不同能源物質(zhì)的價(jià)格、政府管制限額、推廣可以提高化石燃燒效率的新技術(shù)等；其二是從電力市場(chǎng)入手進(jìn)行干預(yù)，改變電力的需求供應(yīng)關(guān)系來(lái)影響能源的使用，使用稅收等手段抬高電價(jià)或倡導(dǎo)全社會(huì)節(jié)約用電，減少電的需求，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及資本密度，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)υO(shè)備實(shí)行精細(xì)化管理、按期保養(yǎng)、維護(hù)設(shè)備，利用新技術(shù)提高各種生產(chǎn)設(shè)備的用電效率等。但是，在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)對(duì)這兩個(gè)市場(chǎng)的供應(yīng)方或需求方產(chǎn)生一定的影響，即出現(xiàn)減排本錢。首先影響能源大國(guó)的經(jīng)濟(jì)；其次，會(huì)導(dǎo)致電價(jià)以及其他材料生產(chǎn)本錢提高，影響經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇

10、；第三，汽車等產(chǎn)品的消費(fèi)會(huì)由于能源價(jià)格上漲而下降。大氣中二氧化碳含量碳存量也是一個(gè)非常重要的概念。二氧化碳存量治理有其必要性。以減排為主要手段的低碳經(jīng)濟(jì)不是一蹴而就的，碳捕獲和存儲(chǔ)被科學(xué)界認(rèn)為是減少二氧化碳?xì)怏w最具時(shí)效的手段。地球最主要的二氧化碳吸納處是海洋，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海洋在1800年到1994年間吸收了4760億噸二氧化碳，接近于排放總量的一半；僅2021年一年，海洋就吸收了23億噸的碳，是人類全年釋放二氧化碳總量的四分之一。海洋對(duì)二氧化碳的吸收受溫度、海水酸堿度以及其他因素的影響，因此，治理海洋環(huán)境，改善污水排放所引起的海洋污染，通過(guò)科學(xué)研究增強(qiáng)海洋吸碳能力都是減少碳存量的方法。另一個(gè)碳吸

11、收者為森林。數(shù)據(jù)顯示，20002005年間，全世界有731.7萬(wàn)公頃的森林從地球上消失。從地區(qū)看，非洲全域森林減少率相對(duì)較高，20002005年每年減少0.6%，森林面積每年減少404萬(wàn)公頃。大洋洲地區(qū)的森林面積也同樣在減少，年減少率為0.2%。亞洲的森林面積雖然整體上有所增加，但個(gè)別國(guó)家森林持續(xù)減少的局面沒(méi)有多大改觀。歐洲地區(qū)的森林面積那么繼續(xù)增加。因此，投入資金進(jìn)行植樹(shù)造林、森林維護(hù)，以及控制東南亞、南非國(guó)家的森林砍伐和林業(yè)開(kāi)展，都是有效解決碳存量的方法。 除此之外，投資研發(fā)資金生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)人工吸收技術(shù)也是解決碳存量的有效方法。2.4碳排放量計(jì)算主要是以IPCC的國(guó)家溫室氣體排放清單為代表的

12、全面測(cè)算碳排放,IPCC2006年國(guó)家溫室氣體排放中,碳排放的全面測(cè)算包括能源、工業(yè)過(guò)程和產(chǎn)品使用、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地利用、廢棄物四個(gè)方面。其中，工業(yè)工程和產(chǎn)品使用的動(dòng)力是電力或煤炭石油天然氣，而電力又由煤炭石油天然氣燃燒發(fā)電產(chǎn)生的考慮到現(xiàn)今社會(huì)下，水電、新能源發(fā)電所占的比例較小，不予考慮，所以不考慮工業(yè)生產(chǎn)對(duì)碳排放量的影響，農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)中，綠色植物的生長(zhǎng)過(guò)程中光合作用需要吸收CO2，保守計(jì)算情況下，考慮光合作用所消耗的CO2來(lái)源于廢棄物所產(chǎn)生，所以在計(jì)算中，只考慮能源消耗量對(duì)碳排放量的影響。因?yàn)槲覈?guó)現(xiàn)在還沒(méi)有碳排放量的直接監(jiān)測(cè)資料,所以本文對(duì)碳排放量的研究是通過(guò)對(duì)能源消費(fèi)量的測(cè)算得來(lái)的,

13、能源消費(fèi)量就是統(tǒng)計(jì)年鑒中終端能源消費(fèi)量。  計(jì)算公式釆用?IPCC2006溫室氣體排放清單?所推薦的公式,即: C總排放量=E能源終端消耗量×c排放系數(shù) 具體數(shù)學(xué)公式如下: 2-1國(guó)家發(fā)改委能源所C02排放系數(shù)推薦值0.67(t-C/tce)2.4567(t-C02/tce)其中C為碳排放量,單位為104t；C為碳排放系數(shù)(t-C/tce)；E為能源終端消耗量,單位為104t.tce。當(dāng)E為能源消耗總量時(shí),根據(jù)國(guó)家開(kāi)展與改革委員會(huì)能源研究所推薦數(shù)值C即碳排放系數(shù)為0.67,C02的排放系數(shù)為2.4567, 表1. 碳排放系數(shù)2.5具體問(wèn)題分析 此題要求我們建立一個(gè)預(yù)測(cè)未來(lái)三

14、十年內(nèi)的碳排放量的的數(shù)學(xué)模型，其中包括搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，分析當(dāng)前全世界碳排放形勢(shì)，就旨在到達(dá)聯(lián)合國(guó)“使全球變暖不超過(guò)2攝氏度的氣候變化目標(biāo)，給出合理、現(xiàn)實(shí)的解決方案，并據(jù)此預(yù)測(cè)全世界2030年及2050年的碳排放情況，并予以驗(yàn)證該目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，最后還要在提出的方案合理的根底上，給出方案中幾個(gè)主要的能源消耗大國(guó)美國(guó)、日本、俄羅斯、印度、巴西、中國(guó)等國(guó)家，各自應(yīng)承擔(dān)的義務(wù)。 以下圖所示為解題過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。 圖1. 問(wèn)題解決流程簡(jiǎn)圖 對(duì)于問(wèn)題一，在獲取的數(shù)據(jù)資料的根底上對(duì)當(dāng)前全世界碳排放形勢(shì)作出分析，建立預(yù)測(cè)模型。本文依托中國(guó)煤炭資源網(wǎng) :/ sxcoal /gjms/33200/0/li

15、stnew.html等網(wǎng)站提供的世界煤炭年消費(fèi)量數(shù)據(jù)、世界石油年消費(fèi)量數(shù)據(jù)、世界天然氣年消費(fèi)量數(shù)據(jù)，應(yīng)建立模型的需要，將數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的技術(shù)處理，統(tǒng)一折算到標(biāo)準(zhǔn)煤，進(jìn)而利用改造過(guò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法即灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)未來(lái)三十年時(shí)間內(nèi)世界年煤炭、石油、天然氣的消耗量。 針對(duì)問(wèn)題二,在從美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站上獲取的數(shù)據(jù)資料的根底上，以1880-2007年全球CO2排放量的數(shù)據(jù)作為輸入變量，與1880-2007年全球年平均氣溫建立LREG-FARIMA模型，利用FARIMA模型對(duì) LREG 模型的殘差進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，探究CO2排放量增加對(duì)全球溫度上升的影響，進(jìn)而從數(shù)學(xué)角度建立二氧化碳排放量與溫

16、度升高的關(guān)系，為后文計(jì)算碳排量對(duì)溫度變化的影響做下前期準(zhǔn)備工作。 針對(duì)問(wèn)題三，在問(wèn)題二建立的模型的根底上，利用問(wèn)題一預(yù)測(cè)的未來(lái)三十年時(shí)間內(nèi)碳排量的數(shù)據(jù)計(jì)算溫度升高的范圍。 針對(duì)問(wèn)題四，從矛盾的特殊方面考慮，通過(guò)分析各個(gè)國(guó)家現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的根底上，結(jié)合未來(lái)社會(huì)可持續(xù)開(kāi)展的要求，從合理開(kāi)發(fā)利用能源的角度，提出世界上幾個(gè)主要的大國(guó)的減排措施；從矛盾的普遍性方面考慮，對(duì)世界上各個(gè)國(guó)家提出一些節(jié)能減排的措施。 3.模型假設(shè)l 假設(shè)世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)近幾年不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)，能源供應(yīng)不出現(xiàn)劇烈變動(dòng)； l 假設(shè)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、中國(guó)煤炭資源網(wǎng)所提供的數(shù)據(jù)都是可信的的； l 假設(shè)全球碳排放以煤炭、石油、天然氣燃燒后碳元素均以

17、二氧化碳?xì)怏w形式進(jìn)入大氣；l 假設(shè)忽略農(nóng)林產(chǎn)業(yè)(如樹(shù)木、花草)進(jìn)行光合作用所消耗的CO2和人類活動(dòng)所產(chǎn)生的廢棄物的碳排放從效果上看大致相等； l 假設(shè)化石能源主要是煤炭、石油、天然氣在本世紀(jì)中葉前不受到各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的地方保護(hù)性儲(chǔ)藏，即大規(guī)模減少能源供應(yīng)的可能性忽略。l 假設(shè)全球新能源技術(shù)在短時(shí)期內(nèi)無(wú)法取得技術(shù)性能源革命，清潔能源在本世紀(jì)中葉無(wú)法取代化石燃料在世界能源格局中主要占比的地位，并且忽略新能源發(fā)電和水力發(fā)電中的碳排放。4.符號(hào)說(shuō)明Y1-n x1-n5.模型的建立及求解5.1 模型建立的依據(jù) 以下圖所示為生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡示意圖。正常情況下，植物光合作用消耗CO2而植物的呼吸作用和人類、

18、動(dòng)物的活動(dòng)等產(chǎn)生CO2，實(shí)現(xiàn)自然界中C的動(dòng)態(tài)平衡，使得自然界溫度不會(huì)有明顯的上升。工業(yè)革命以來(lái)，人類行為大量開(kāi)采利用的煤炭、石油、天然氣，使得億萬(wàn)年來(lái)的C的動(dòng)態(tài)平衡受到破壞，導(dǎo)致了溫度的上升。可以認(rèn)為正是由于煤炭、石油、天然氣的過(guò)度開(kāi)采、利用導(dǎo)致了碳排量的增加和溫度的上升。 借鑒河南師范大學(xué)校長(zhǎng)焦留成教授的1998年在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)期間的博士論文?基于稀土永磁直線電機(jī)的四層線性分析理論?中忽略電機(jī)的種類交流電機(jī)或者是直流電機(jī)，并不考慮電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子相互之間的復(fù)雜耦合，從整體上考慮電機(jī)的輸入因素和輸出效能如轉(zhuǎn)矩的科學(xué)的分析方法，認(rèn)為自然界作為一個(gè)極其復(fù)雜的、內(nèi)部諸多元素之間強(qiáng)耦合的大系

19、統(tǒng)，考慮到假設(shè)沒(méi)有人類對(duì)化石燃料的開(kāi)采、利用，自然界作為一個(gè)系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部諸多元素的相互耦合、相互作用，從較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)看，其C元素是動(dòng)態(tài)平衡的，所以可以把自然界作為一個(gè)系統(tǒng)考慮，其輸入因素是化石燃料煤炭、石油、天然氣的燃燒，輸出是碳排量，且輸出通過(guò)以上建立的CO2和溫度升高的關(guān)系直接影響溫度的升高。 圖2. 自然界碳元素平衡示意圖 圖3. 借鑒電機(jī)模型后的輸入、輸出關(guān)系示意圖5.2 預(yù)測(cè)方法常規(guī)的預(yù)測(cè)方法包括時(shí)間序列法、概率算法、人工智能算法等。其中人工智能算法包括灰色預(yù)測(cè)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法、支持向量機(jī)預(yù)測(cè)算法等。本文選擇用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型即灰色預(yù)測(cè)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，以期兩者可

20、以取長(zhǎng)補(bǔ)短，取得更好的預(yù)測(cè)效果?；疑碚撟钤缬兄袊?guó)華中理工學(xué)院現(xiàn)為華中科技大學(xué)鄧聚龍于1982年提出?；疑碚撘婚T研究信息局部清楚、局部不清楚并帶有不確定性現(xiàn)象的應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科。傳統(tǒng)的系統(tǒng)理論，大部研究那些信息比較充分的系統(tǒng)。對(duì)一些信息比較貧乏的系統(tǒng)利用黑箱的方法，也取得了較為成功的經(jīng)驗(yàn)。但是，對(duì)一些內(nèi)部信息局部確知、局部信息不確知的系統(tǒng)，卻研究得很不充分。這一空白區(qū)便成為灰色系統(tǒng)理論的誕生地。因此，灰色系統(tǒng)理論主要研究的就是“外延明確，內(nèi)涵不明確的“小樣本，貧信息問(wèn)題。在客觀世界中，大量存在的不是白色系統(tǒng)(信息完全明確)也不是黑色系統(tǒng)(信息完全不明確)，而是灰色系統(tǒng)。因此灰色系統(tǒng)理論以這種大量

21、存在的灰色系統(tǒng)為研究對(duì)象而獲得進(jìn)一步開(kāi)展。5.2.1灰色理論的觀點(diǎn):(1)灰色系統(tǒng)理論認(rèn)為，系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)信息不完全的情況、取決于認(rèn)識(shí)的層次、信息的層次和決策的層次，低層次系統(tǒng)的不確定量是相當(dāng)?shù)母邔哟蜗到y(tǒng)確實(shí)定量，要充分利用的信息去揭示系統(tǒng)的規(guī)律?；疑到y(tǒng)理論在相對(duì)高層次上處理問(wèn)題，其視野較為寬廣；(2)應(yīng)從事物的內(nèi)部，從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)去研究系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)的內(nèi)涵更為明確具體；(3)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)，一般不存在隨機(jī)因素的干擾，這給系統(tǒng)分析帶來(lái)了很大困難，但灰色系統(tǒng)理論把隨機(jī)量看作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色量，盡管存在著無(wú)規(guī)那么的干擾成分經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)處理總能發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性；(4)灰色系統(tǒng)用灰色

22、數(shù)、灰色方程、灰色矩陣、灰色群等來(lái)描述，突破了原有方法的局限更深刻地反映了事物的本質(zhì)；(5)用灰色系統(tǒng)理論研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的意義，在于一反過(guò)去那種純粹定性描述的方法，把問(wèn)題具體化、量化，從變化規(guī)律不明顯的情況中找出規(guī)律，并通過(guò)規(guī)律去分析事物的變化和開(kāi)展5.2.2灰色GM1，1模型的建立設(shè)時(shí)間序列設(shè)時(shí)間序列有n個(gè)觀察值，通過(guò)累加生成新序列 那么GM1，1模型相應(yīng)的微分方程為： 其中: 稱為開(kāi)展灰數(shù)；稱為內(nèi)生控制灰數(shù)。設(shè) 為待估參數(shù)向量 可利用最小二乘法求解。解得： 求解微分方程，即可得預(yù)測(cè)模型： 5.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法5.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡(jiǎn)介 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Artificial Neural Net

23、works，簡(jiǎn)寫為ANNs也簡(jiǎn)稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNs或稱作連接模型Connection Model，它是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系，從而到達(dá)處理信息的目的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用到的算法就是向量乘法，并且廣泛采用符號(hào)函數(shù)及其各種逼近。并行、容錯(cuò)、可以硬件實(shí)現(xiàn)以及自我學(xué)習(xí)特性，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)根本優(yōu)點(diǎn)，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別所在。 5.3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法的步驟： 第一步，根據(jù)實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為預(yù)測(cè)工具，根據(jù)已確定的預(yù)測(cè) 因子和被預(yù)測(cè)量，決定網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，進(jìn)而決定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)

24、構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)各層次的節(jié)點(diǎn)數(shù)) 第二步，準(zhǔn)備樣本數(shù)據(jù)和樣本的標(biāo)準(zhǔn)化處理，樣本分為訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本； 第三步，利用訓(xùn)練樣本是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)； 第四步，利用檢驗(yàn)樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的泛化能力； 第五步，用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際預(yù)測(cè)。 5.4燃料需求量預(yù)測(cè)5.4.1樣本數(shù)據(jù) 樣本數(shù)據(jù)全部來(lái)源于中國(guó)煤炭資源網(wǎng)。 圖4. 煤炭、石油、天然氣年消耗量和年碳排放量的標(biāo)本數(shù)據(jù) 為便于計(jì)算和看圖，上圖采用標(biāo)幺制。其中煤炭年消耗量的基準(zhǔn)值為2074.49百萬(wàn)噸油當(dāng)量，石油的基準(zhǔn)值為3234.6百萬(wàn)噸，天然氣的基準(zhǔn)值24536億立方米，碳排放量的基準(zhǔn)值3.6667百億噸。上述各單位之間從

25、熱值的角度考慮的換算關(guān)系：1噸油當(dāng)量=1.4286噸標(biāo)準(zhǔn)煤；1立方米天然氣=1.33kg標(biāo)準(zhǔn)煤；5.4.2預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果如以下圖所示。圖6. 預(yù)測(cè)所得到的未來(lái)三十年世界年煤炭消耗量基準(zhǔn)2074.49百萬(wàn)噸油當(dāng)量 圖7. 預(yù)測(cè)所得到的未來(lái)三十年世界年石油消耗量基準(zhǔn)3234.6百萬(wàn)噸 圖8. 預(yù)測(cè)所得到的未來(lái)三十年世界年天然氣消耗量基準(zhǔn)24536億立方米 圖9. 預(yù)測(cè)所得到的未來(lái)三十年世界年碳排量基準(zhǔn)3.6667百億頓圖10. 算法進(jìn)化次數(shù)與誤差變化趨勢(shì)示意圖為便于觀察，把20002021年數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)放在一張圖表中，如以下圖所示：圖11. 20002050年煤炭、石油、天然氣年消耗量和年碳

26、排放量變化趨勢(shì)示意圖6.基于分?jǐn)?shù)差分自回歸求和移動(dòng)平均模型的CO2與全球溫度關(guān)系 以1880-2007年全球CO2排放量的數(shù)據(jù)作為輸入變量，與1880-2007年全球年平均氣溫建立了LREG-FARIMA模型，利用FARIMA模型對(duì) LREG 模型的殘差進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，探究CO2排放量增加對(duì)全球溫度上升的影響。 為了取得較好的擬合和預(yù)測(cè)效果，采用分?jǐn)?shù)差分自回歸求和移動(dòng)平均模型LREG-FARIMA(1,0.44,2)模型，即： 上式中，。6.1. CO2 排放量與全球溫度LREG模型建立及協(xié)整關(guān)系的檢驗(yàn)6.1.1CO2 排放量與全球溫度LREG模型建立 CO2 排放量與全球溫度的單位及數(shù)量級(jí)存

27、在差異,故在建模之前,首先對(duì)CO2排放量和全球溫度的時(shí)序數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，分別記為 由CO2排放量與全球氣溫的時(shí)序示意圖可以看出：都隨時(shí)間開(kāi)展而上升，并且上升趨勢(shì)明顯，近乎指數(shù)形式，由此可以推測(cè)：CO2排放量與全球氣溫成正相關(guān)線形關(guān)系，據(jù)此，建立CO2排放量與全球氣溫的一元線性回歸模型記為 LREG。 由于建立LREG 模型要求進(jìn)行相同步數(shù)的差分后序列分別平穩(wěn)，故在建模前分別繪制了的時(shí)序圖，并對(duì)其做了單位根校驗(yàn)，結(jié)果圖12. CO2排放量與全球氣溫的時(shí)序示意圖如以下圖所示，圖形顯示，變化平穩(wěn)，單位根校驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量都位于顯著性水平為0.01的拒絕域，拒絕了序列非平穩(wěn)的原假設(shè)，說(shuō)明1階差分處理后都是平穩(wěn)序

28、列。圖13. 的時(shí)序圖 表2. 單位根檢驗(yàn)結(jié)果時(shí)間序列單位根檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值顯著性水平0.01的拒絕域-4.1507-11.7903 模型的參數(shù)估計(jì)及其顯著性檢驗(yàn)的p-value、模型顯著性檢驗(yàn)F值、Ajusted R square 見(jiàn)下表所示。 表3. LREG模型的參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)差P-valueXS0.858010.04558<2e-6F值354.4<2。2e-16Adjust R square0.7341 Adjusted R square 值為 0.7341，說(shuō)明能夠解釋變動(dòng)趨勢(shì)中的73.41%的因素，其余不能解釋的局部由殘差引起。 對(duì)的一元線性關(guān)系已經(jīng)建立： 6.1.

29、2. CO2 排放量與全球溫度協(xié)整關(guān)系檢驗(yàn) 變量之間的協(xié)整關(guān)系，是指在用擬合了對(duì)的 LREG后，模型的回歸殘差序列為平穩(wěn)序列。當(dāng)殘差序列平穩(wěn)時(shí)，可以防止產(chǎn)生兩個(gè)非平穩(wěn)序列之間的虛假線性回歸，保證模型具有實(shí)際意義。在進(jìn)行下一步對(duì)殘差序列的分析之前，先對(duì)進(jìn)行了平穩(wěn)性檢驗(yàn)。其時(shí)序圖和單位根檢驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖14 和表 4。由此我們得出平穩(wěn)的結(jié)圖14. LREG殘差序列時(shí)序圖 表4. LREG 殘差序列單位根檢驗(yàn)時(shí)間序列單位根檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值顯著性水平0.01的拒絕域-4.24956.2.回歸殘差 FARIMA(1,0.44,2)模型建立 6.2.1.回歸殘差 FARIMA(1,0.44,2)模型建立 在建

30、模前先對(duì)進(jìn)行白噪聲檢驗(yàn)Box.test()，檢驗(yàn) p-value=3.29e-12，在顯著性水平為0.05時(shí)拒絕原假設(shè)，為非白噪聲序列，我們對(duì)其進(jìn)行的以下分析是有意義的。 繪制的序列的 ACF 和 PACF 圖見(jiàn)圖 10，其 ACF 拖尾，考慮可能存在長(zhǎng)記憶性，因此用fracdiff(，arima()確定模型階數(shù)，選取AIC值最小的模型FARIMA(1,0.44,2)，并對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，在0.05的顯著性水平下拒絕原假設(shè)，參數(shù)均顯著。參數(shù)估計(jì)結(jié)果集顯著性檢驗(yàn)p-value 見(jiàn)表5。 圖15. LREG 殘差 ACF 和 PACF 表5. FARIMA 參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì)值P-valu

31、ed4.405e-01 (6.754e-07) <2e-16AR10.9259(0.0455) 1.791351e-41MA1-0.4586 (0.0978)7.130613e-06MA2-0.1626 (0.0816)4.849167e-02AIC128.716.2.2 FARIMA殘差的白噪聲檢驗(yàn) 繪制時(shí)序圖、ACF、PACF見(jiàn)圖11 圖16. FARIMA殘差時(shí)序圖、ACF、PACF 從圖16可以看出，對(duì)擬合FARIMA1，0.44，2后的殘差為白噪聲，且不存在異方差。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，用Box.test()和jarque.bera.test()對(duì)進(jìn)行了隨機(jī)性和正態(tài)性檢驗(yàn)，均在顯著性水

32、平為0.5時(shí)接受了原假設(shè)。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。表6. FARIMA殘差檢驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)p-valueBox.test()0.9957jarque.bera.test()0.4673 至此說(shuō)明，對(duì)建立FARIMA(1,0.44,2)模型可以有效地反響序列的自相關(guān)性和波動(dòng)性。模型的具體形式如下：(1-0.93B)(1-B)=(1+0.46B+0.16B),iiDN(0,0.15) (3)6.3 基于LREG-FARIMA(1,0.44,2)模型的全球溫度的預(yù)測(cè) 為了檢驗(yàn)的LREG-FARIMA(1,0.44,2)模型的好壞，和在對(duì)全球氣溫預(yù)測(cè)時(shí)的做法一樣，選取，t=18801979作為原始數(shù)據(jù)，對(duì)，t=1

33、9802007進(jìn)行樣本內(nèi)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)向前階數(shù)為1階，與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇?，繪制預(yù)測(cè)值的時(shí)序圖及置信區(qū)間(見(jiàn)圖17)。圖17. LREG-FARIMA預(yù)測(cè)結(jié)果 從圖17中可以看出，除1999年外，真實(shí)殘差均落入預(yù)測(cè)值的95%的置信區(qū)間內(nèi)，且預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的擬合程度較好，說(shuō)明用LREG-FARIMA(1,0.44,2)模型擬合可以取得令人滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果。7. 解決方案分析通過(guò)以上所建立的模型的計(jì)算，未來(lái)全球變暖不超過(guò)兩度，不會(huì)實(shí)現(xiàn)，溫度會(huì)升高35攝氏度，為到達(dá)聯(lián)合國(guó)“使全球變暖不超過(guò)2攝氏度的氣候變化目標(biāo)，全球碳排放量需年均減少4.9%。通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)說(shuō)明，全球變暖不超過(guò)2攝氏度，全

34、球碳排放量必須在現(xiàn)在的根底上實(shí)行嚴(yán)格、有效控制到達(dá)每年減少4.9%。 雖然氣候變化問(wèn)題已獲得了越來(lái)越多的國(guó)際關(guān)注，但碳強(qiáng)度的下降速度卻越來(lái)越慢。全球性金融危機(jī)暫緩了各國(guó)降低碳強(qiáng)度的步伐，從金融危機(jī)開(kāi)始到現(xiàn)在的四年里，碳強(qiáng)度只下降了不到1%。因此，全球每年碳排放量目前已超過(guò)聯(lián)合國(guó)公布的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施切實(shí)可行的舉措減少各國(guó)碳排放量已刻不容緩。天然氣是最清潔的化石燃料。頁(yè)巖氣作為新興的能源，將帶來(lái)一次產(chǎn)業(yè)革命。隨著社會(huì)對(duì)清潔能源需求不斷擴(kuò)大，天然氣價(jià)格不斷上漲，人們對(duì)頁(yè)巖氣的認(rèn)識(shí)迅速提高。特別是水平井與壓裂技術(shù)水平不斷進(jìn)步，人類對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)正在形成熱潮。頁(yè)巖氣是從頁(yè)巖層中開(kāi)采出來(lái)的天然氣,成分以甲

35、烷為主,是一種重要的非常規(guī)天然氣資源。頁(yè)巖氣的形成和富集有著自身獨(dú)特的特點(diǎn),往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布廣的頁(yè)巖烴源巖地層中。較常規(guī)天然氣相比,頁(yè)巖氣藏具有自生自儲(chǔ)特點(diǎn)，大局部產(chǎn)氣頁(yè)巖分布范圍廣、厚度大,且普遍含氣,這使得頁(yè)巖氣井能夠長(zhǎng)期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣,具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。全球頁(yè)巖氣資源非常豐富。據(jù)預(yù)測(cè),世界頁(yè)巖氣資源量為456萬(wàn)億立方米,主要分布在北美、中亞和中國(guó)、中東和北非、拉丁美洲、俄羅斯等地區(qū)。與常規(guī)天然氣相當(dāng),頁(yè)巖氣的資源潛力可能大于常規(guī)天然氣。有資料還就頁(yè)巖氣的使用給出了建議。它預(yù)測(cè)，在目前的消費(fèi)速度下，如果將全球石油和煤炭消費(fèi)量的10%更換為天然氣，那么每年可

36、實(shí)現(xiàn)3%的碳減排。警告說(shuō)，雖然頁(yè)巖氣的使用可以為人們“多爭(zhēng)取一點(diǎn)時(shí)間，但這會(huì)降低低碳技術(shù)，如核能和可再生能源領(lǐng)域的投資，并可能會(huì)讓新興經(jīng)濟(jì)體更依靠于石油。因此，加大開(kāi)采頁(yè)巖氣是減緩溫室效應(yīng)的重要舉措。 雖然頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用可以為全球碳排放做出一定奉獻(xiàn)，但這會(huì)降低低碳技術(shù)，如核能和可再生能源領(lǐng)域的投資，并且，頁(yè)巖氣作為化石能源并非實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)周期內(nèi)碳減排的最正確策略。同時(shí)，通過(guò)加大核能利用，推廣風(fēng)能和光伏太陽(yáng)能等新能源發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)一定程度的碳減排，例如需降低全球2%的碳排放，本方案以風(fēng)能和光伏太陽(yáng)能發(fā)電為代表，通過(guò)計(jì)算，由前節(jié)數(shù)據(jù)可知，2021年全世界碳排放等效煤耗量為14503.95288百萬(wàn)噸，

37、假設(shè)減少2%的碳排放量即減少2% 14503.95288×0.02=290.0790576百萬(wàn)噸等效煤耗量。假設(shè)將等效煤耗量的減少以送出相同電量情況下采用新能源發(fā)電后節(jié)省的火力發(fā)電所用煤量來(lái)表示，可分析如下：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局有關(guān)文件規(guī)定，在火力發(fā)電中，1萬(wàn)千瓦時(shí)電力=1.229噸標(biāo)煤，此處采用這一數(shù)據(jù)，那么減少的等效煤耗量相當(dāng)于29007.90576 ÷1.229=23602.85253億千瓦時(shí)電力。目前，新能源發(fā)電主要以風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電為主，取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年最大利用小時(shí)數(shù)2046h，太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組年最大利用小時(shí)數(shù)1368h，且風(fēng)光發(fā)電互不影響，那么23602.85253億千

38、瓦時(shí)電力相需新能源總裝機(jī)容量為 億千瓦，即69.135萬(wàn)兆瓦。 在生成相同熱值的情況下，假設(shè)煤和石油使用量減少8%，天然氣使用量增加8%，那么碳排放量能減少3%。計(jì)算過(guò)程如下：由前節(jié)計(jì)算數(shù)據(jù)可知13年煤的消耗量為421349.6639萬(wàn)噸;石油的消耗量為420650萬(wàn)噸油當(dāng)量，折合成煤耗量為4206501.4268=600940.6274萬(wàn)噸;天然氣消耗量為33838.579億立方米，折合成煤耗量為33838.5791.33=450053.1012萬(wàn)噸;資源使用優(yōu)化前總等效煤耗量421349.6639+600940.6274+450053.1012=1472343.398萬(wàn)噸。優(yōu)化后，4213

39、49.66390.92+ 600940.62740.92+450053.10121.08=1426564.417萬(wàn)噸，減少消耗量為1472343.398-1426564.417=45778.981萬(wàn)噸；減排效果為45778.9811472343.398=0.03109=3.109%。到2050年，全球電力消耗量將增長(zhǎng)160%。不過(guò)，全球核電力假設(shè)能在目前的根底上增加兩倍，既能滿足電力增長(zhǎng)的需求，又能防止每年10億到20億頓的碳排量、緩解全球氣候變暖。實(shí)施這一方案，就需要新建數(shù)百座發(fā)電本錢低于煤/天然氣發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)型核電站，同時(shí)還須建立妥善處置核廢料、防止核武器擴(kuò)散的有效機(jī)制。核電提供了全球1/

40、6的電力，是除水力之外主要的“無(wú)碳能源。采取以上減排策略后，碳排量的預(yù)測(cè)曲線如以下圖示：圖18. 采取減排措施后，碳排量的預(yù)測(cè)曲線圖8.世界各國(guó)削減碳排量的方法 各國(guó)政府應(yīng)該建立強(qiáng)制性的稅收政策，控制溫室氣體的排放。要在削減排放量上起到真正的杠桿作業(yè)，不僅需要以市場(chǎng)為根底的氣候政策比方碳排放稅和更巧妙的交易體系，還需要有相應(yīng)的規(guī)章制度來(lái)推動(dòng)新技術(shù)的應(yīng)用。 征稅提供清晰、長(zhǎng)期的價(jià)格信號(hào)，促使企業(yè)更明智地投資低碳排放工程。建立限額交易系統(tǒng)，為碳信用額設(shè)立價(jià)格上限，是企業(yè)能夠明確估計(jì)自己要承擔(dān)的本錢。 ?聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約?對(duì)興旺國(guó)家和開(kāi)展中國(guó)家規(guī)定的義務(wù)以及履行義務(wù)的程序有所區(qū)別。公約要求興旺

41、國(guó)家作為溫室氣體的排放大戶，采取具體措施限制溫室氣體的排放，并向開(kāi)展中國(guó)家提供資金以支付他們履行公約義務(wù)所需的費(fèi)用。而開(kāi)展中國(guó)家只承擔(dān)提供溫室氣體源與溫室氣體匯的國(guó)家清單的義務(wù)，制訂并執(zhí)行含有關(guān)于溫室氣體源與匯方面措施的方案，不承擔(dān)有法律約束力的限控義務(wù)。公約建立了一個(gè)向開(kāi)展中國(guó)家提供資金和技術(shù)，使其能夠履行公約義務(wù)的資金機(jī)制。各國(guó)應(yīng)承擔(dān)的義務(wù)應(yīng)根據(jù)各國(guó)的能源結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)開(kāi)展水平所決定的。同時(shí)，國(guó)家的戰(zhàn)略，也毋庸置疑是各國(guó)需要承擔(dān)的義務(wù)。減少碳排放問(wèn)題需要世界各國(guó)責(zé)任共擔(dān)，具體到每一個(gè)國(guó)家，國(guó)家應(yīng)根據(jù)自身資源與產(chǎn)能結(jié)構(gòu)，切實(shí)有效地為減少碳排放付諸行動(dòng)，做負(fù)有世界責(zé)任的聯(lián)合國(guó)成員。履行氣候責(zé)任，是

42、各國(guó)的義務(wù)與博弈，需要各國(guó)政府采取適宜政策，通力合作。減少碳排放要生產(chǎn)領(lǐng)域與消費(fèi)領(lǐng)域同時(shí)改善。8.1美國(guó)圖19. 美國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)示意圖從以上數(shù)據(jù)中可以看出：美國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中石油、煤炭、天然氣等常規(guī)能源所占比例較大，作為未來(lái)能源開(kāi)展趨勢(shì)的新能源開(kāi)發(fā)較少，可再生能源也只是在最近幾年才開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)發(fā)，但所占比例較小，能源結(jié)構(gòu)不合理。美國(guó)外鄉(xiāng)油氣生產(chǎn)大幅增加的一個(gè)重要因素是頁(yè)巖油氣、油砂(一種瀝青、沙、富礦黏土和水的高度黏稠混合物)、深海石油等非常規(guī)能源的迅猛開(kāi)發(fā)。其中，頁(yè)巖石油每天的開(kāi)采量已從2000年的20萬(wàn)桶上升到現(xiàn)在的100萬(wàn)桶；頁(yè)巖氣產(chǎn)量也從2000年的122億立方米猛增至2021年的

43、1378億立方米。美國(guó)石油協(xié)會(huì)總裁兼首席執(zhí)行官杰克杰勒德說(shuō)，如果算上頁(yè)巖天然氣資源，美國(guó)到達(dá)開(kāi) 表7. 美國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)百萬(wàn)噸油當(dāng)量/Mtoe 表8. 美國(guó)各種一次能源消費(fèi)的百分率%采標(biāo)準(zhǔn)的油氣資源居世界首位，比沙特多24%，是巴西的7倍多。美國(guó)PFC能源咨詢公司那么預(yù)計(jì)，到2021年，頁(yè)巖油氣資源將占美國(guó)油氣產(chǎn)出約三分之一，屆時(shí)美國(guó)將是全球最大的油氣生產(chǎn)國(guó)，超過(guò)俄羅斯和沙特。美國(guó)1993年已探明的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)4300億噸，石油儲(chǔ)量1.5億桶，合2190萬(wàn)噸，天然氣儲(chǔ)量為5.98萬(wàn)億立方米。作為全球能源消費(fèi)大國(guó)和石油進(jìn)口大國(guó)，根據(jù)世界能源的緊張形勢(shì)，美國(guó)在采取一系列的措施使能源品種多元化和能

44、源來(lái)源多樣化，保證其能源平安的同時(shí)，應(yīng)采取更加有效的策略減少碳排放引起的氣候變化。第一，美國(guó)政府必須采取積極措施，應(yīng)依靠其經(jīng)濟(jì)、科技優(yōu)勢(shì)，研發(fā)并應(yīng)用新技術(shù)，例如更先進(jìn)的燃煤發(fā)電廠，它能將產(chǎn)生的二氧化碳平安地注入地下。在以頁(yè)巖氣新型“水力壓裂法為代表的先進(jìn)開(kāi)采技術(shù)，美國(guó)應(yīng)加強(qiáng)與各國(guó)的合作和支持，使世界范圍內(nèi)頁(yè)巖氣的消費(fèi)比重上升，緩解煤和石油產(chǎn)生的過(guò)量碳排放。第二，在新能源方面，美國(guó)應(yīng)依靠其高水平的科研力量，在光伏、核能、潮汐、地?zé)岬榷鄻有阅茉捶矫孢M(jìn)行更大的資金和技術(shù)研發(fā)支持，突破阻礙新能源推廣的一些技術(shù)難題。美國(guó)還應(yīng)采用更加睿智的策略，參加到新興的市場(chǎng)中，并積極向開(kāi)展中國(guó)家低息提供技術(shù)支持，為全

45、球碳減排奉獻(xiàn)技術(shù)力量。第三，美國(guó)在依靠先進(jìn)的技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)建立強(qiáng)制性的稅收政策，控制溫室氣體的產(chǎn)生，為全球碳減排探索出一條可以借鑒的二氧化碳限額交易等制度，在全球碳交易中做出負(fù)責(zé)任的角色。而非在大國(guó)能源博弈中，為了實(shí)現(xiàn)自身的能源戰(zhàn)略，擴(kuò)張能源勢(shì)力，爭(zhēng)奪能源霸權(quán)。8.2俄羅斯俄羅斯的能源儲(chǔ)量中天然氣居世界第一，煤炭居世界第二，石油居世界第七，是世界上少有的能源種類齊全、儲(chǔ)量豐富的國(guó)家之一。由于俄羅斯雄厚的資源根底，使得俄羅斯的能源產(chǎn)業(yè)興旺而且是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。俄羅斯的能源主要是向歐洲各國(guó)出口，同時(shí)本國(guó)也消費(fèi)大量的能源。第一，俄羅斯雖是能源大國(guó)，但應(yīng)調(diào)整國(guó)內(nèi)能源開(kāi)發(fā)和利用結(jié)構(gòu)，逐步從高能耗結(jié)構(gòu)

46、向節(jié)約型、效益型轉(zhuǎn)變。依靠強(qiáng)大的軍工產(chǎn)業(yè)，加大核能等能源的和平利用，同時(shí)在廣袤的國(guó)上可根據(jù)不同地域的環(huán)境優(yōu)勢(shì)加大風(fēng)能、潮汐能等新能源利用比例。第二，積極開(kāi)展國(guó)際合作，增強(qiáng)能源開(kāi)采和利用率，提高自己能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平。轉(zhuǎn)變單純扮演“能源帝國(guó)的角色，提高能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量和開(kāi)采能力。第三，加強(qiáng)天然氣、頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)，保持在歐洲市場(chǎng)的供應(yīng)，進(jìn)一步開(kāi)拓和開(kāi)展亞洲市場(chǎng)，使歐洲和亞洲更多地區(qū)獲得更多清潔的油氣供應(yīng)。8.3日本 日本是太平洋島嶼國(guó)家，礦產(chǎn)資源貧乏，工業(yè)原料和能源主要依賴進(jìn)口，但作為世界重要的興旺經(jīng)濟(jì)體，日本在科技領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)上圖，日本較少利用一次能源的直接燃燒，而是通過(guò)電氣

47、化提高能源利用率，由于人口等原因城市燃?xì)獾男枨蟊壤草^大，但能源結(jié)構(gòu)整體較為合理。首先，日本應(yīng)在資金實(shí)力和技術(shù)水平上發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)大力開(kāi)展核電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等新能源。通過(guò)大力可再生能源，減少本國(guó)對(duì)石油和天然氣的依賴，減少碳排放。圖20. 日本2005年能源結(jié)構(gòu)第二，日本應(yīng)將在節(jié)能建筑和家電等領(lǐng)域不涉及機(jī)密的技術(shù)對(duì)外輸出，加強(qiáng)國(guó)際交流合作。積極投入研發(fā)人員，在減少世界單位產(chǎn)能碳排放的事業(yè)做出一定技術(shù)革新，為全球節(jié)能科技奉獻(xiàn)智力和技術(shù)力量。第三，大力開(kāi)展節(jié)能活動(dòng)。日本能源戰(zhàn)略的一個(gè)重要局部就是節(jié)約能源。加大節(jié)能建筑物等節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)，從建筑設(shè)計(jì)到材料，以及如何充分利用太

48、陽(yáng)能方面做統(tǒng)一規(guī)劃。日本對(duì)汽車及家用電器建立的全方位的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)加大推廣。日本民眾的低碳生活方式也應(yīng)繼續(xù)落實(shí)，節(jié)能活動(dòng)和低碳方式應(yīng)在世界范圍內(nèi)推廣。8.4印度 圖 21. 印度能源結(jié)構(gòu)示意圖 表9. 印度的煤炭供求情況19992021單位：萬(wàn)噸油當(dāng)量年份1999200020012002200320042005200620072021產(chǎn)量12650132201336013850144401557016210170201810019430消費(fèi)量13610144201452015180156801723018440195402129023140凈進(jìn)口量9601200116013301240166

49、02630252031903710消費(fèi)量245264264276295319357373401414凈進(jìn)口量00000276180100108 表10. 印度的石油供求情況19992021單位：萬(wàn)噸年份1999200020012002200320042005200620072021產(chǎn)量3470342034103520354036303460358036203610消費(fèi)量9250106101070011130113101202111960120401285013850凈進(jìn)口量57807190729076107770839085008460923010240 表11. 印度的天然氣供求情況1999

50、2021單位：億立方米年份1999200020012002200320042005200620072021產(chǎn)量245264264276295292296293301306 由上圖可以看出，印度作為世界上最大的開(kāi)展中國(guó)家和人口最多的國(guó)家之一，能源結(jié)構(gòu)很不合理：對(duì)煤炭的依賴程度到達(dá)48%，對(duì)石油的依賴程度到達(dá)33%，兩者加起來(lái)就超過(guò)80%，而對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用幾乎為零。印度是全球第7大能源生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也是全球第5大能源消費(fèi)國(guó)，其年能源消費(fèi)量占到全球的4%。從中期來(lái)看，印度能源供應(yīng)的壓力將持續(xù)上升。如果按照現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)開(kāi)展速度、城市化進(jìn)程及中產(chǎn)階級(jí)增速，在未來(lái)20年里，印度對(duì)能源產(chǎn)品的需求將迅速上漲。印

51、度在過(guò)去5年已經(jīng)成為全球快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)體之一，其年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率在8%。印度規(guī)劃委員會(huì)認(rèn)為，如果要大規(guī)模消除貧困、滿足國(guó)內(nèi)開(kāi)展要求，印度未來(lái)需要在25年里內(nèi)保持同樣經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率。為了實(shí)現(xiàn)這一雄偉目標(biāo)，印度有必要在2003年到2004年的根底上，將其一次能源供應(yīng)量提高4到5倍、電力產(chǎn)能提高6到10倍。到2031年，電力產(chǎn)能將從現(xiàn)在的206吉瓦增加到800吉瓦。在未來(lái)的開(kāi)展過(guò)程中，印度對(duì)能源的要求會(huì)更高，假設(shè)不改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，碳排放量會(huì)更大。能源多樣化要求印度開(kāi)展更為可持續(xù)的能源結(jié)構(gòu)。印度電力主要來(lái)源于煤炭、水電，大約分別占到55%和21%。煤炭和水力資源占到主要比重，對(duì)于印度而言也毫無(wú)疑問(wèn)，印度是

52、第五大煤炭?jī)?chǔ)存地，同時(shí)水力發(fā)電潛力巨大，但是，這其中也存在不少問(wèn)題。煤炭是印度消耗量和需求量最大的能源，然而電站缺煤情況在印度并不少見(jiàn)。就上述所描述的客觀現(xiàn)狀而言，印度在能源及低碳開(kāi)展上面臨著諸多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。主要表達(dá)為：1. 能源生產(chǎn)的效率不高，這意味著印度未來(lái)對(duì)能源根底設(shè)施建設(shè)以及能效技術(shù)有著較高的需求潛力；2.能源部門的市場(chǎng)化程度不高，能源定價(jià)機(jī)制缺乏有效性，以及能源的投資和投入缺乏。這一挑戰(zhàn)的主要矛盾在于如何將國(guó)內(nèi)外的私人資本引入到能源市場(chǎng)中，由此，如果政策有所松動(dòng)并積極改善市場(chǎng)環(huán)境，相信印度未來(lái)能源市場(chǎng)將是私人投資的天堂；3.缺乏統(tǒng)一的能源開(kāi)展戰(zhàn)略，印度如能進(jìn)一步更好地平衡能源開(kāi)展在

53、數(shù)量和質(zhì)量上的關(guān)系，尤其是平衡好經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)間的關(guān)系，那么未來(lái)印度將成為太陽(yáng)能等新興能源利用的最大規(guī)?；亍榱擞行p少碳排量，針對(duì)實(shí)際情況，印度在本國(guó)開(kāi)展的同時(shí)，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：第一，利用地域優(yōu)勢(shì)，大力開(kāi)展太陽(yáng)能和潮汐能等可再生能源，積極謀求與周邊國(guó)家互利合作，在能源和電力上到達(dá)最大可能的高效利用。 第二，作為“金磚四國(guó)中開(kāi)展迅速的成員，印度應(yīng)在新能源領(lǐng)域加大投入，利用自身的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大新能源的比例。6.5巴西圖22. 巴西能源結(jié)構(gòu)示意圖 巴西水力資源豐富，金屬礦藏豐富，是一個(gè)得天獨(dú)厚資源豐富的國(guó)家。幅員遼闊，人均面積和人均資源占有量都位居世界前列。根據(jù)巴西官方公布的數(shù)字，2004年巴西能

54、源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)分別是：石油39.1%、水利發(fā)電14.4%、酒精13.8%、木材和木炭13.2%、天然氣8.9%、煤炭6.7%、核能1.5%、其它能源2.4%。特別是在可替代能源方面，巴西更是處于世界領(lǐng)先水平。2004年的可再生能源和不可再生能源的比例為43.9%和56.1%；經(jīng)合組織成員國(guó)的平均比例為6%和94%，世界平均比例是13.6%和96.4%2002年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。巴西的能源多元化已成為當(dāng)今世界各國(guó)學(xué)習(xí)的范例。巴西因其豐厚的鹽下層油氣儲(chǔ)量、豐沛的水電資源以及豐裕的乙醇燃料在能源領(lǐng)域享有盛譽(yù)。近年來(lái)，巴西積極開(kāi)發(fā)水電資源，綜合利用甘蔗渣等生物質(zhì)能，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？傮w上，巴西能源結(jié)構(gòu)較為合理，在此根底上，巴西還需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)新能源，優(yōu)化甘蔗渣的利用方式，提高其利用效率，加大對(duì)水電的開(kāi)發(fā)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)風(fēng)電資源，以減少對(duì)石油的依賴程度，減少碳排量。因此，巴西應(yīng)水力應(yīng)