能源安全与能源—经济—环境系统建模文献综述
侯丹丹
摘要：国内外有关能源安全和能源模型的相关研究，将能源问题和经济发展、环境保护、科技创新、人口发展等问题进行链接，从多维度考察能源安全问题，3E模型的不断发展完善为整合多视角的研究提供了强有力的分析工具。尽管如此，现有能源安全指标未能有效体现不同种类能源之间的替代和互补关系、无法解释不同能源之间的风险表现；而在3E系统建模方面，很少触及能源安全与经济发展和环境保护三者之间的互动关系，缺少能源安全问题的自主性探讨。
关键词：能源安全；能源-经济-环境；能源多样性；能源模型；文献综述
一、引言
进入21世纪以来，中国能源资源约束日益加剧，调整结构、提高能效和保障能源安全的压力进一步加大，能源安全问题日益凸显（Vliet et al.，2012）。2014年底国务院发布的《能源发展战略行动计划（2014～2020年）》指出，能源发展战略坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系。因此，着力优化能源结构，确保国家能源供应安全，成为中国制定能源政策时所面临的重要课题。
本文首先对能源安全的概念和能源多样性指标进行评述，然后回顾能源-经济-环境（3E）系统的有关文献，总结3E系统建模的主要方法。最后对目前有关能源安全量化评估中的一些问题和3E系统建模方面的不足之处进行总结，并对未来研究进行展望。
二、能源安全的概念与指标构建
能源安全是个难以完整定义的概念，其定义随时间、地点与目的不同而有所差异（Sovacool & Brown，2010；Ang et al.，2015）。早期文献认为能源安全首先是能源供应的充足与稳定性。对能源进口国而言，能源安全意味着要降低对外部能源供给的依存度。近年来，能源安全已由最初的能源供给稳定的单一维度概念扩展成为涵盖能源、经济与环境等诸方面的多维度的概念。国际能源署（IEA，2007、2011）认为能源安全有长短期不同的内涵。短期能源安全是指能源系统可以对供需平衡的突然变化做出迅速反应；长期能源安全则是指兼顾经济发展和环境保护的能源系统投资。亚太能源研究中心（APERC，2007）出了四个维度的能源安全概念，即4A（Availability、Accessibility、Affordability、Acceptability）的能源安全框架（Hughes，2012；Sharifuddi，2013）。美国21世纪能源研究所（USCC）认为能源安全应当同时考虑能源供给的可靠性、地缘政治、经济形势、可靠性与环境等诸多方面。
有关能源安全的量化评估近十余年来陆续展开。Cherp& Jewell（2014）整理近年来相关研究提出的能源安全指标，用简易型与复合型分类方式，结合4A能源安全框架，评估能源政策在国家、区域及全球等不同尺度上促进能源安全的政策成效。Yao & Chang（2014）使用4A安全框架，建构20个细类指标考察中国1980～2010年间各个五年计划期间的能源安全变动，发现新世纪以来中国能源安全形势有恶化趋势。Zhang et al.（2013）从进口供应链的角度构建石油安全指标，评价中国石油进口的安全，整个指标体系包括四个方面：供应风险、经济风险、运输风险以及依存风险，发现自1993年以来中国石油进口风险一直处于上升趋势，石油对外严重依存已成为能源安全的最大挑战。Xia et al. （2011）运用能源多样性以及油品自主率指标，分析中国大陆工业部门有关能源安全、效率与碳排放问题。国内，林珏（2014）从政治、经济、技术、体制等多个维度，建构了12项指标，测度2000～2012年中国与加拿大的能源安全状况。苗韧等（2013）提出了“中国能源可持续发展综合评价体系”，量化分析中国2000～2020年能源可持续发展的状态与合理水平。苏飞和张平宇（2008）由对外依存度、能源消耗弹性系数、能源储量比等指标构建脆弱性评估模型，对中国区域能源的安全供给脆弱性进行评价。
多样性为确保能源安全的重要因素。多样性有助于能源系统应对外在环境的改变与冲击（Molyneaux et al.，2014）并降低单一来源供应中断的脆弱性（Bhattacharyya，2010）。因此，一个高度依赖进口的能源系统若能有效分散能源来源和种类，未必处于高风险状态。目前各国多将促进能源来源的多样性作为能源安全战略的重要原则和措施，如何降低化石能源进口来源的集中度成为能源进口国降低能源风险安全的重要政策方向（Lef vre，2010），然而决策者常常将能源安全等同于能源独立性，因此多将政策重点放在如何促进资产能源的供给，而忽略增加进口能源来源的多样性的重要性，也未建立起适当的市场机制引导投资者以多样性的能源组合，来增强整体的能源安全。
多样性指标被广泛应用于各种领域的研究中，指标建构方式也较多，参见表1。其中在能源领域以Hirschman-Herfindahl Index（HHI）和Shannon-Weiner Index（SWI）两种指标应用最为广泛。HHI是评价市场集中度的指标，亦可以用于多样性分析。在能源系统中，市场份额较大的能源种类或者能源供应个体，其对能源安全的影响较大。Blyth &Lefevre（2004）曾使用该指标结合能源供应国的政治风险排名指数，考察能源供应国对市场稳定性的影响；Gupta（2008）运用HHI进行油品供应风险的分析；Frondel et al.（2008）采用HHI和政治稳定度指标考察国内能源安全问题；Le &Paltseva（2009）则采用HHI研究欧盟进口能源供应的短期风险；Ge&Fan（2013）使用HHI指标的平方根评价中国能源进口来源的多样性。HHI的缺点也比较明显，例如，对数据要求较高，经济含义不直观等等。另一最常用的指标SWI由热力学的概念“熵”（entropy）拓展而来。SWI运用于能源安全领域以及能源多样性的文献较多。Costantini et al. （2007）使用SWI指标进行不同情境下能源依赖度与脆弱度分析。Vliet et al.（2012）运用SWI多样性指标及修正的SWI多样性指标评估欧洲与亚洲主要国家的能源安全。SWI指标存在一些缺点，如Stirling（2010）认为该指标能较好的反映系统的变异性（variety）以及平衡性（balance），但难以反映差异性（disparity）。虽然HHI和SWI两种指标在阐述多样性的意义上尚有不足之处，但由于二者在数据取得方面较为容易，计算上相对透明和客观，可以通过改进加以完善。
目前文献中建构的能源多样性指标缺点主要有二：一是将各类能源视作独立能源，而未考虑不同种类能源之间存在的复杂的互补和替代关系。二是现有多样性指标假设各类能源具有相同风险特性，无法解释各类能源的不同风险表现。如在化石能源价格剧烈变动期间，再生能源的价格却比较稳定。实际上，有文献指出，再生能源具有的价格稳定性通常可以用来作为应对传统能源市场价格变动的避险工具（林伯强和李江龙，2014）。只是目前有关能源安全的量化研究通常忽略再生能源对能源价格稳定所起的作用。
三、能源模型与政策模拟
20世纪70年代世界发生石油危机之前，冲击分析（impact analysis）模型在国家能源政策的分析与评估上并未占据重要角色。20世纪90年代以来，能源问题日益与环境保护和经济发展问题密不可分，需要考虑能源与经济、环境等问题的互动，于是出现了各种能源-经济-环境（3E）规划模型。魏一鸣等（2005）对其进行了总结分类。Jebaraj&Iniyan（2006）将能源模型分为能源计划模型、能源供需模型、能源预测模型、再生能源模型、碳排放减量模型以及最优化模型等几类。Suganthi& Samuel（2012）则将能源需求预测模型分为：时间序列、计量回归、结构分解、灰色预测、投入产出、由上而下、模糊理论、整合性等12种类型。Hodge et al.（2011）则将能源模型依据应用领域分为：能源生产与消费模型、能源传输模型、能源经济模型以及能源使用环境冲击模型。
按照建模方法，能源模型可以分为Top-Down（自上而下）、Bottom-Up（自下而上）模型以及混合型等3种类型（魏一鸣等，2005）。Top-Down与Bottom-Up两类模型各具特色，功能也有差异，参见下表2。
就研究方法而言，3E模型大致可分为：经济计量模型、数理规划模型、投入产出模型、系统动力学模型以及可计算一般均衡（CGE）模型等5大类型。
（一）经济计量模型
该模型是1960～1980年代应用较为广泛的模型，从小规模的部门计算到大规模的宏观计量模型，在诸多领域均有着广泛的应用。早期有AR模型、MV模型、ARMA模型、ARIMA模型、联立方程模型等。近年来，随着时间序列方法的发展，倾向于运用向量自回归（VAR）模型（Hamilton，1983；崔和瑞和王娣，2010；陆旸，2011；李姝和田露露，2014等）、协整（CI）与误差修正（ECM）模型（林伯强，2006）、SVAR模型（林伯强等，2014）进行研究。就3E议题而言，目前一般作为其他模型（如CGE模型）的辅助模型，推估一些必要的参数，或者仅作为对照基础。不过，该模型也可以用来分析特定的技术性问题，如能源生产力、技术效率等。
（二）数理规划模型
该模型分为单目标规划法和多目标规划法。单目标规划化法用于3E系统，是以整个3E系统的成本最小化为规划目标，通过动态线性规划求解最优结果，如IEA于1976年开发的MARKAL模型；陈文颖等（2004a；2004b）在MARKAL模型的基础上，建构的能源-经济-环境耦合的MARKAL-MACRO模型，均属于单目标规划模型。多目标规划法是在决策过程中同时考虑多个决策目标的数理规划法。如Cai et al.（2009）、Oliveira &Antunes（2011）等。国内，魏一鸣等（2002）、宋杰鲲等（2013）分别以北京市和山东省统计数据为例，建构了3E多目标规划模型。台湾学者张四立（2010）建构了针对台湾能源-经济-环境（3E）系统的多目标规划模型。
（三）投入产出模型
该模型在3E议题方面应用较早，且用途广泛，特别是在国际贸易中隐含碳、隐含能的测度和污染排放方面应用尤其广泛。国外文献有Wiedmann（2009）、Liu et al. （2010）、Kitzes（2013）、Su & Ang（2014）等。国内，中国投入产出学会课题组（2007）使用2002年中国投入产出表研究了主要能源部门与国民经济的关联。陈迎等（2008）首次使用投入产出分析法测算了2002～2006年中国进出口产品的隐含能源。席酉民（2009）编制了中国 2004 年能源投入产出延长表，建立了能源投入产出分布式规划模型，用来测算单位GDP能耗的变动趋势。张友国（2009）、彭水军和刘安平（2010）等采用投入产出模型分析国际贸易对中国环境的影响。刘瑞翔和姜彩楼（2011）、谢建国和姜珮珊（2014）等采用投入产出模型测算了中国对外贸易隐含能和能源消耗。高建刚（2015）采用带有非期望产出且具有不可分割冗余变量模型（SBM）测算了中国能源效率和排放效率发现两种效率均存在东、中、西依次递减的格局。
（四）系统动力学模型
系统动力学模型源自于1961年MIT教授Forrester对企业政策与工业组织随时间变化的行为讨论。此后，该方法在工程、医学、管理等多种领域得到广泛应用。3E议题方面，Wei & Hong（2009）运用系统动力学方法模拟不同部门二氧化碳排放量和不同能源结构的碳减量收益。Feng et al. （2012）使用系统动力学模型仿真北京市2005-2030年能源结构和人口增长变动对能源消耗和碳排放的影响。国内，杜慧滨和顾培亮（2005）使用系统动力学方法了建立了3E系统演化模型。李玮和杨钢（2010）利用系统动力学方法研究山西省能源消费的可持续性。宋辉和魏晓平（2013）结合中国GDP增长目标、化石能源消耗进程安排、二氧化碳减排目标等问题，使用该方法模拟再生能源2011-2045年的替代路径。李文超等（2014）在分析人口、能源、资本和污染四个子系统的基础上，建构了系统动力学模型用于中国3E系统的可持续发展评价，发现同时改变技术创新和消费偏好有利于中国实现3E系统的可持续发展。肖仁俊等（2014）建立了新疆能源可持续发展的动力学模型，研究2010-2020年新疆的3E发展目标。郭玲玲等（2015）运用系统动力学方法构建中国能源安全的系统动力学模型，预测能源生产和消耗等情形的动态变化。
（五）可计算一般均衡（CGE）模型
CGE模型的原理是瓦尔拉斯的一般均衡理论框架，其内涵着重分析经济个体的互动与市场绩效的相互关系。在CGE模型中，价格内生决定，这与投入产出模型不同；有较为严谨的理论框架，但缺乏统计检验使其与计量分析和时间序列分析不同。
该模型种类繁多，按照划分不同依据，可以分为：1.静态模型和动态模型；2.单区域模型和多区域模型；3.单国模型和多国模型。本文针对第三种分类进行介绍。就单国模型而言，国际上代表性的有：ORANI 、 World Bank-Type CGE 、GREEN、DICE、MERGER、WIAGEM、ENTICE、AIM、WITCH、MIT EPPA。国内，有国务院发展研究中心开发的多区域可计算一般均衡模型（DRC-CGE）、国家信息中心开发的一般均衡模型（SICGE）、中国科学院科技政策与管理科学院与澳大利亚莫纳什大学合作开发的CAS-CGE模型、清华大学开发的能源-经济-环境混合评价模型（TH-3EM）、北京理工大学能源与环境政策研究中心开发的中国能源与环境政策分析模型（CEEPA）、王灿等（2005）开发的中国经济-环境-能源动态CGE模型（TED-CGE）、澳大利亚莫纳什大学和湖南大学联合开发的MCHUGE模型等。此外，多国模型有GTAP（Global Trade Analysis Project）、GTEM（Global Trade and Environment Model））。关于单国模型与多国模型的互动与连结，参见下图1。
CGE模型用途广泛，在经济政策分析中具有重要地位。在3E问题上的应用研究可以分为三类：第一类是探讨能源和环境政策的社会经济影响。这是数量最多的一类文献。如节能减排效果和福利效应研究： Wang等（2009）、Dai et al.（2011）、刘小敏和付加锋（2011）；能源税、碳税的实施效果研究：Bruvoll& Larsen（2004）、Wissema&Dellink（2007）、Matsumoto & Masui（2011）、贺菊煌等（2002）、魏涛远等（2002）、王灿等（2005）、魏巍贤（2009）、何建武和李善同（2010）、朱永彬等（2010）、梁伟等（2014）、刘宇等（2015）；碳关税的经济效果、碳泄漏的跨境效应：Bruvoll&Faehn（2006）、沈可挺和李钢（2009）、朱永彬和王铮（2010）、李继峰和张亚雄（2012）、温丹辉（2013）、丛晓男等（2014）等。第二类是：能源消费强度、能源价格与能源消费结构的研究。这类文献数量也较多。如Bergman（1988）、林伯强和牟敦国（2008）、胡宗义和刘亦文（2010）、姚云飞等（2012）、郭正权等（2014）等。第三类是能源效率、回弹效应研究。相关文献较少。典型的有Dimitropoulos（2007）、查冬兰和周德群（2010）、胡秋阳（2014）。
四、研究评述和展望
目前，国内外有关能源安全和能源模型的相关研究文献已不再局限于能源问题本身，而是将能源问题和经济发展、环境保护、科技创新、人口发展、国际贸易甚至国际政治问题进行链接，从多维度考察能源安全问题；同时，学者们更加注重理论与实证相结合，越来越注重建构功能更具体、更强大的能源模型，并结合相关数据来研讨实际问题。3E模型的不断发展完善为整合多视角的研究提供了强有力的分析工具。尽管如此，能源安全问题以及相关模型的研究仍然有待深化。
目前文献中有许多指标用于评估国家、区域或全球等不同尺度的能源安全，内容包括能源系统的独立性、依存度以及能源结构与供应来源的多样性等，然而仅有少量研究对能源安全进行量化评估，且多数多样性指标未能有效体现各类能源的风险特性以及不同种类能源风险的关联性，而使指标的计算结果与实际的能源安全状态偏差较大。因此，建构具有风险内涵的多维度能源安全指标，以便为政府完善能源安全决策提供建议将是未来能源安全亟需研究的重要问题。
在3E模型的建模方面，仅强调能源-经济-环境的关联，其中能源部分多是单向配合经济发展与环境保护的要求而进行能源需求预测与供应系统规划，而很少触及能源安全与经济发展和环境保护三者之间的互动关系，缺少能源安全问题的自主性探讨。因此，在能源规划模型中，探讨能源安全约束下能源-经济-环境（3E）之间的互动机制，建构考虑能源安全的3E模型即3E-S模型，将是未来能源模型研究应当聚焦的方向之一。
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（作者单位：聊城大学商学院）
