能源系統(tǒng)工程與能源回彈效應(yīng)-王兆華ppt知識分享

能源系統(tǒng)工程與能源回彈效應(yīng)-王兆華ppt能源系統(tǒng)工程能源系統(tǒng)是涉及政治、經(jīng)濟、社會、環(huán)境、氣候等多領(lǐng)域的復雜系統(tǒng)。能源系統(tǒng)包括能源勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、加工、轉(zhuǎn)換、運編、分配、儲備、使用以及環(huán)境保護等多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)又由國民經(jīng)濟的若干部門組成。

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。能源的利用過程能量運輸

可被工藝利用的能量形式

降質(zhì)了的能量

能量回收環(huán)境排放能源生產(chǎn)

能量利用

原

料

產(chǎn)

品

社會生產(chǎn)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)進行預測、分析、規(guī)劃、管理、評價等。能源需求預測能源供應(yīng)預測能源發(fā)展規(guī)劃能源的合理分配和使用能流分析能源、經(jīng)濟和環(huán)境的大系統(tǒng)分析………4能源流圖-以2008年中國為例能流圖：反映一個系統(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:LiaoH.etal.能源系統(tǒng)建模對能源系統(tǒng)（從能源的開采、轉(zhuǎn)化、運輸?shù)阶罱K能源需求）的模擬，通過系統(tǒng)模擬仿真來預測各部門能源的供應(yīng)能力、能源價格、需求量以及宏觀經(jīng)濟參數(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)學方法建立的，可在計算機上獲得定量結(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、環(huán)境、交通等）。由于研究目標的不同，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70年代中期，由于能源供應(yīng)安全問題受到各石油進口國的高度重視，而誕生了一系列用來研究能源規(guī)劃及預測能源供應(yīng)和需求的模型，如MARKAL(theMarketAllocationofTechnologiesModel)模型、EFOM(EnergyFlowOptimizationModel)模型、MEDEE(ModelDemandEnergyEurope)模型等；80年代中期，隨著第二次石油危機的結(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)境模型成為這一時期能源模型的主流，如AIM(Asian-PacificIntegratedModel)模型、LEAP(LongRangeAlternativeModel)模型、EFOM-ENV(EnergyFlowOptimizationModel)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)濟中扮演的角色越來越重要，各國為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，所關(guān)注的焦點已經(jīng)從單一的能源問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€重點領(lǐng)域（能源經(jīng)濟、能源環(huán)境、能源技術(shù)、能源安全），因此，這一時期的能源模型多為能源-環(huán)境-經(jīng)濟模型，如CGE(ComputableGeneralEquilibriumModel)模型、3Es(Macroeconomic,EnergyandEnvironmentSub-model)模型、MESSAGE(theModelforEnergySupplySystemsAlternativeModel)模型；以及混合能源模型，如NEMS(thenationalEnergyModelingSystems)模型、IIASA-WECE3(theIIASA-WECESEnergyEconomicEnvironmentModel)模型等。最具代表性的能源系統(tǒng)模型是NEMS(NationalEnergyModelingSystems)模型美國國家能源建模系統(tǒng)（1993）

NationalEnergyModelingSystem（NEMS)10NEMS能源系統(tǒng)模型NEMS（theNationalEnergyModelingSystem）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)濟的影響。包括4個供應(yīng)模塊、2個轉(zhuǎn)化模塊、4個最終需求模塊、1個宏觀經(jīng)濟模塊、1個世界能源市場模塊和1個集成模塊，共13個模塊，每個模塊之間緊密聯(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、財政因素、世界能源市場、資源可獲得性和成本、行為和技術(shù)選擇標準、能源技術(shù)的成本和運行特性以及人口統(tǒng)計資料，反應(yīng)了能源的生產(chǎn)、進口、轉(zhuǎn)化、消費以及價格的情況，是對現(xiàn)實能源系統(tǒng)進行模擬和仿真的復雜巨系統(tǒng)。能源系統(tǒng)建模的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢：從上世紀70年代才開始出現(xiàn)獨立的能源模型，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展和計算機技術(shù)的進步，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)濟模型的基礎(chǔ)上，一方面以國民經(jīng)濟的發(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)濟的影響，能源模型正在向巨型化和復雜化的方向發(fā)展。在建模方法、數(shù)學方程的求解、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)容能源系統(tǒng)建模2能源回彈效應(yīng)3政策啟示4能源系統(tǒng)工程簡介1節(jié)能

節(jié)約能源消費，即從能源生產(chǎn)開始，一直到最終消費為止，在開采、運輸、加工、轉(zhuǎn)換、使用等各個環(huán)節(jié)上都要減少損失和浪費，提高其有效利用程度。經(jīng)濟的角度節(jié)能能源的角度通過合理利用、科學管理、技術(shù)進步和經(jīng)濟結(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)濟效益。14能源效率

我國能源利用效率低，節(jié)能潛力巨大。與發(fā)達國家相比，我國的能源利用效率很低，每單位能源消耗生產(chǎn)的GDP，僅相當于發(fā)達國家的1/4左右。例如，2010年，我國能源消費占世界能源消費總量的20%，但GDP卻不足世界的10%；我國人均能源消費與世界平均水平基本相當，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，但能源消費是日本的4.7倍；我國能源消費總量與美國基本相當，但經(jīng)濟總量僅為美國的37%。

提高能源效率是否真能有效地節(jié)約能源嗎？是否會出現(xiàn)能源效率提高而能源消費卻回彈的情況？15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，即2015年相比2010年單位GDP能耗下降16%16中國能源消耗172000~2010年：能源消費年均增長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)”(energyreboundeffect)是指能源效率提高所取得的能源節(jié)省部分被擴張性能源消費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告也僅僅注意到大量的文獻開始關(guān)注回彈效應(yīng)；大部分國家的政府都是通過能源消費模型直接預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。非常罕見的一個成功例子：英國政府在21世紀初鼓勵英國家庭安裝隔熱設(shè)施的過程中考慮了回彈效應(yīng)的影響，從而比較準確地預計了隔熱設(shè)施在實際中可能達到的節(jié)能效果交通、生產(chǎn)制造、生活消費、建筑等領(lǐng)域廣泛存在回彈效應(yīng)。18以中國城鎮(zhèn)居民用電為例研究回彈效應(yīng)19能源回彈效應(yīng)？20什么是能源回彈效應(yīng)？

能源效率的提高使得能源服務(wù)的有效價格降低，從而增加了能源服務(wù)的需求，進而部分或全部地抵消了能源效率提高所導致的能源消費的減少（微觀）技術(shù)進步在提高能源使用效率節(jié)約能源的同時也促進了經(jīng)濟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)濟增長所抵消（宏觀）

JevonsParadox杰文斯悖論(Jevons

Paradox)1865年，StanleyJevons在其論文“煤炭問題”中提出：“通過經(jīng)濟地使用燃料而減少消耗的想法是荒謬的，事實恰恰相反，......Khazzoom-BrookesPostulateKhazzoom(1980)首次指出能源效率提高不一定會導致能源需求下降,能源效率提高可能會導致能源服務(wù)的增加,從而使能源消費的實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)認為能源效率提高會導致經(jīng)濟增長,經(jīng)濟增長反過來使能源消費增加。Khazzoom-BrookesPostulate即當真實的能源價格不變時,技術(shù)進步引起的能源效率提升會增加而不是減少能源消費

21杰文斯和他出版的《煤炭問題》22Jevonsparadox23回彈效應(yīng)的經(jīng)濟機制Greening(2000)基于存在一種完善的市場機制尤其是能源市場機制假設(shè)，將回彈效應(yīng)的經(jīng)濟機制分為三大類:

直接回彈效應(yīng):能源使用效率的提高降低能源服務(wù)的有效價格，進而增加此種能源的消費，這將抵消由能源效率提高引致的能源消費的減少量

間接回彈效應(yīng)：能源服務(wù)價格的降低同時將引致其他將能源作為生產(chǎn)要素的產(chǎn)品、服務(wù)價格的降低，進而引致對這些產(chǎn)品需求的增加。

經(jīng)濟系統(tǒng)層面回彈效應(yīng)：能源使用效率提高對整體經(jīng)濟的回彈效應(yīng)24Summaryofcharacteristicsandresultsfrommacrosidereboundeffect(Dimitropoulos2007)Author/yearCountryProductionRebound%CommentsSemboja(1994)KenyaCD-L170-350SimulationsforenergyproductionanduseDufournaudetal.(1994)SudanCES54-59Householdsonly,wellstructured,extensivesensitivityanalysisVanEsetal.(1998)HollandCES15Bottom-upfeeddatabase,explicitrepresentationofefficiencyimprovementsGrepperudandRasmussen(2004)NorwayCES<100DynamicsimulationswithcounterfactualscenariosWashida(2004)JapanCES35-70SensitivityanalysisrevealspositiverelationofreboundwithESUBGlomsrodandWei(2005)ChinaCD-L,CES>100FocusedonlimitingemissionswithataxoncoaluseHanleyetal.(2005)ScotlandCES120OpenregionapproachwithmajorenergyexportsAllanetal.(2007)UKCES30-50ExtensivesensitivityanalysisAbbreviations:CD:Cobb–Douglas,L:Leontief,ESUB:elasticityofsubstitution(s),CES:constantESUB25OECD國家基于計量模型估計的居民能源消費長期直接回彈效應(yīng)統(tǒng)計(Sorrell2009)End-useRangeofvaluesinevidencebase(%)‘Bestguess’(%)No.ofstudiesDegreeofconfidencePersonalautomotivetransport3-8710-3017HighSpaceheating0.6-6010-309MediumSpacecooling1-261-262LowOtherconsumerenergyservices0-41<203Low26國內(nèi)關(guān)于回彈效應(yīng)研究的文獻匯總研究文獻Paper數(shù)據(jù)Data研究方法Mothod回彈效應(yīng)%Reboundeffect%趨勢Trend周勇，林源源全國1978－2004直接測算僅考慮技術(shù)效應(yīng)30－80下降王群偉、周德群全國1981－2004直接測算包括技術(shù)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)62．8下降劉源遠，劉鳳朝省際面板數(shù)據(jù)1985－2005直接測算新古典生產(chǎn)函數(shù)53．68地區(qū)差異明顯下降陽攀登，等浙江省1990－2008基于IPAT方程的分解9個年份:逆反效應(yīng)2個年份:完全回彈效應(yīng)5個年份:部分回彈效應(yīng)2個年份:零回彈效應(yīng)波動查冬蘭，周德群SAM基于2002年的相關(guān)數(shù)據(jù)CGE煤炭32．17;石油33．06;電力32．28陳燕湖北省1980－2007直接測算123．7下降王輝,周鵬等省際面板數(shù)據(jù)1994－2008AIDS模型城市客運交通2－218下降27直接回彈效應(yīng)是針對一種能源服務(wù)或一個部門而言的直接回彈效應(yīng)0e1e預期節(jié)約實際節(jié)約回彈消費A0服務(wù)需求能源消費S0S1E2E1假如：10%的回彈效應(yīng)(RE)意味著10%的預期的能源節(jié)約被增長的能源消費抵銷了。28直接回彈效應(yīng)的三種定義：1、Khazzoom,1980；Berkhoutetal.2000；DimitropoulosandSorrell,2006；Sorrell,2007)基于能源服務(wù)提出回彈效應(yīng)的最普遍的定義。

其中為能源消費的效率彈性，為某個能源服務(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292、Berkhoutetal（2000)Khazzoom(1980),Binswanger(2001)和Greeneetal.(1999)用能源服務(wù)價格彈性的負值

來估算能源的直接回彈效應(yīng)

若能源價格對效率是外生的，則有

此時：直接回彈效應(yīng)的定義303、(Dimitropoulos

andSorrell,2006;Sorrell,2007)將回彈效應(yīng)定義能源消費的價格彈性的負值

當且僅當和

此時：

則直接回彈效應(yīng)的定義31回彈效應(yīng)的大小如果RE>1，稱為回火效應(yīng)(Backfireeffects)如果RE=l，稱為完全回彈效應(yīng)(Fullreboundeffects)如果RE<1，稱為部分回彈效應(yīng)(Partialreboundeffects)如果RE=0，稱為零回彈效應(yīng)(Zeroreboundeffects)如果RE<0，稱為過度儲存效應(yīng)（Super—conservationeffects)

32城鎮(zhèn)居民生活用電影響因素城鎮(zhèn)居民生活用電消費的影響因素分析（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（6）氣溫本研究選?。?)(2)(5)(6)四個影響因素作為解釋變量對城鎮(zhèn)居民用電消費進行建模33模型構(gòu)建34在Haas和Biermayr(2000)的基礎(chǔ)上進一步引入人口變量，將計量模型設(shè)定為：其中，為常數(shù)項，~為待估計的參數(shù)，為隨機誤差項。式中，表示第ｉ省第t年城鎮(zhèn)居民電力消費量；表示第ｉ省第t年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入；表示第ｉ省第t年民用電價格；表示第ｉ省第t年城鎮(zhèn)居民人口數(shù)；表示第i省第t年度日數(shù)對度日的說明：度日分為兩種類型，采暖度日(heatingdegreeday)和降溫度日（coolingdegreeday）（KadiogluM，SenZ．1999）。計算公式如下（SailorJDavid．2001）：

這種方法工作量太大，所需數(shù)據(jù)不容易獲得，對上述方法進行改進得到：

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35本研究以能源消費的價格彈性測算回彈效應(yīng)時，假設(shè)價格是下降的（根據(jù)對稱性假設(shè)），而實際價格是波動的，為解決該問題價格的變化分解成三部分（Dargay1992和Gately1993)：歷史最高價格價格下降價格上升模型構(gòu)建其中：則原計量模型可分解為：測算出的系數(shù)即為長期回彈效應(yīng)36模型構(gòu)建電價分解圖例37誤差修正模型：誤差修正模型（ErrorCorrectionModel,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，短期回彈計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)3839變量含義測度方法I居民生活水平實際人均可支配收入(元)P人口規(guī)模人口數(shù)(萬人)PE價格水平用電實際價格(元)DD氣溫度日E能源消費居民用電量（億千瓦時）表1各變量含義及測度方法變量說明注：采用PPP法計算1996-2010年各省人均可支配收入及電價，引用Brandt和Holz（2006）計算出的2000年中國各地區(qū)的購買力平價，計算出1996-2010年各省的購買力平價，氣溫選取各省會城市氣溫為各省代表中國統(tǒng)計年鑒中國能源統(tǒng)計年鑒中國物價年鑒中國人口統(tǒng)計年鑒BrandtLandHolzCA.2006.SpatialPriceDiffereencesinChina:EstimatesandImplications.EconomicDevelopmentandCulturalChange55(1):43-8640數(shù)據(jù)來源實證分析41用普通最小二乘估計法估計的長期協(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，建立的誤差修正模型如下：實證分析估計的模型形式殘差序列的單位根檢驗變量回歸系數(shù)t檢驗置信概率檢驗方法統(tǒng)計量置信概率0.94775720.409140.0000LLC檢驗-4.74502*0.0000-0.079360-0.8535810.3938IPS檢驗-4.09720*0.0000-0.741594-5.0099170.0000ADF-Fisher檢驗119.251*0.00000.6701633.3466870.0009PP-Fisher檢驗124.998*0.00000.2612634.5745070.00000.1386985.6695050.0000常數(shù)項8.1709939.9774850.0000調(diào)整的0.984765D.W.值1.091550F統(tǒng)計量830.2236注：*表示拒絕“存在面板單位根”的原假設(shè)42價格下降時的彈性大于價格上升時的彈性在5%的顯著水平上殘差項不存在自相關(guān)長期協(xié)整模型估計實證分析VariableCoefficientStd.Errort-StatisticProb.0.8703670.07779411.188080.00000.3387310.1042473.2493130.0013-0.7248890.171297-4.2317710.00000.1613460.2141040.7535870.45160.1876540.0779222.4082410.01650.0800020.0137605.8139430.00000.0313200.0439560.7125310.4766-0.4014460.040157-9.9968330.0000WeightedStatisticsR-squared0.188561Meandependentvar0.170509AdjustedR-squared0.173691S.D.dependentvar0.177143S.E.ofregression0.146741Sumsquaredresid8.225615F-statistic3.673759Durbin-Watsonstat2.349597Prob(F-statistic)0.00000043價格下降時的彈性大于價格上升時的彈性各解釋變量不存在自相關(guān)誤差修正模型估計在5%的水平上大于2.33，表明通過檢驗實