碳排放約束下區域能源分配的Pinch分析

姚漫，汪傳旭

(上海海事大學經濟管理學院，上海 201306)

0 引言

隨著全球氣候問題的日益嚴重，世界各國對環境保護的意識不斷加強，各國政府在發展經濟的同時要求以保護環境為前提，實現經濟的可持續發展和進步.在歐盟的推動下，1992年聯合國通過《聯合國氣候變化框架公約》，并于1997年進一步變成可操作的法律文件《京都議定書》.在這些法律文件中，環境問題轉化為氣候問題進而在技術上轉化為CO2的排放，從而在法律上產生各國圍繞“碳排放權”展開的全球政治博弈，由此形成全新的“碳政治”［1］.為了成為“低碳革命”的領跑者，“低耗能、低污染、低排放”成為各國經濟發展的必然趨勢.

目前，國內外學者對能源分配的問題已進行相關研究:尚慶琛［2］從綠色供應鏈的概念出發，通過對其評價指標研究現狀的考察，以環境經濟學思想為基礎建立一套綠色供應鏈評價指標，并對成功案例進行簡單分析驗證其實用性;張式軍［3］對發達國家實施的能源配額制進行比較分析，提出我國可再生能源配額制的設計路徑;FOO等［4］利用瀑布模型分析基于碳排放約束限制的能量計劃和能量配置問題;張君瑛等［5］為研究清潔發展機制在我國的應用，針對大學校區建設燃氣輪機三聯供供能系統存在的政策、技術、資金障礙問題，進行CDM項目分析，提出實行碳排放管理可實現CO2減排、提高項目收益并降低項目風險;SCHROOTEN等［6］以歐洲為參照系統研究基于船只因素、運輸因素和排放因素的海上運輸模型.LAM等［7］利用P圖研究最優的供應鏈合成模型，構建碳排放最少的系統;PETAR等［8］首次提出采用區域能源族(regional energy cluster)的方法探討研究能源分配的對象和劃分能量簇的方法，并且提出在區域內實行最優的能源配置;李琦等［9］分析能源的空間分布差異，利用2005年中國能源消費截面數據，測算出我國30個省、市、自治區的能源消費足跡，通過多元非線性回歸分析等方法，構建出能源足跡與其影響因素的計量模型.陳軍［10］以能源效率的區域差異為基本依據，通過對非可再生能源區域優化配置問題進行分析，探討中國非可再生能源區域優化配置的內在規律和現實可能性，同時結合中國非可再生能源區域優化配置的要求提出相應的政策建議;陳曉紅等［11］以歐洲碳排放權交易體系為對象，研究交易價格的形成機制，分析2個階段EUA價格的走勢和成因，建立碳排放權交易價格EGARCH和EUETS模型;張穎菁等［12］將制定稅收政策的政府部門和物流活動中發生環境污染的企業作為博弈雙方，建立采用基于不完美信息條件下的價格策略博弈模型，得出影響均衡的稅率和企業產品的價格水平，政府可通過分析影響企業行為的均衡因素提高制定合理稅率的決策水平.

上述文獻主要考慮碳排放最小的供應鏈網絡和能源優化配置這2個目標中的一個，卻沒有將兩者結合從區域能源需求的角度分析燃料供應鏈均衡網絡的研究.本文以區域為研究對象，考慮不同碳排放約束對象下的模型，建立地域性更廣的能源供應網絡.另外，上述文獻對模型都利用軟件或傳統的規劃求解方法，而Pinch分析方法把模型約束條件轉化為合成曲線清晰地展現在圖表中，使模型更易于理解.Pinch分析方法輸入能量供給需求和碳排放約束，輸出供給需求平衡后的能量分配，畫出能量供給合成曲線(Supply Composite Curve，SCC)和能量需求合成曲線(Demand Composite Curve，DCC)，曲線斜率反應不同研究對象的特性.以能量DCC為基準通過平移能量SCC找到兩者交點，該點滿足最小目標函數和約束條件.該方法經過進一步發展已應用到許多能源分配領域，包括質量交換網絡［13］、氫能源分配利用［14］、水資源優化配置［15－16］等方面.本文選取10個地區的煤、石油、天然氣和零碳排放燃料為研究對象，以其中一個地區位置作為原點建立坐標系，利用Pinch分析方法研究區域能源分配問題，能量SCC和能量DCC的斜率分別代表不同燃料的碳排放釋放因子和碳排放承受因子，以實現碳排放約束條件下使用零碳排放燃料最少，建立總碳排放約束和各自碳排放約束的能源分配模型.

1 碳排放約束的區域能源分配模型

選取典型區域作為研究對象，以其中一個地區位置為原點建立坐標系，描繪其他地區的相對位置.

1.1 模型假設

(1)如果煤、石油、天然氣的自身供給總能量大于需求則屬于集合I，小于需求則屬于集合J;(2)每個地區零碳排放燃料只供給自身，所能供給的零碳排放燃料無限;(3)每個地區都以追求自身碳排放最少為目標，進行地區與地區之間的能源轉運;(4)每個供小于求的地區利用能源的順序依次是天然氣、石油、煤.

1.2 模型參數

EZ，j為地區 j所需的零碳排放能源能量，TJ;Bi，j，k為能源k從地區i運到地區j的總量，t;Ek為所有地區所能提供的能源k總量，t;Vk為能源k的燃燒值，TJ/t;Sj，k為地區 j自身提供的能源 k 的總量，t;Dj為地區j所需要的總能量，TJ;eO，k為能源k燃燒過程中的碳排放釋放因子，t/TJ;eI，j為地區j碳排放承受因子，t/TJ;Lj為地區j調節以后的碳排放限制水平，t.

1.3 模型的建立

使用清潔能源提供能量在技術要求和開發成本上都非常高，所以僅從環境的角度出發不切實際，還需要考慮成本因素.本文結合環境和成本兩個因素，在滿足各地區碳排放約束條件下實現使用的零碳排放燃料最少.

1.4 Pinch分析方法

坐標水平軸和垂直軸分別代表積累碳排放量和積累能量需求量，Pinch分析方法步驟如下:

(1)集合 J 內的地區 j，按照 eO，k和 eI，j升序排列;(2)計算3種燃料碳排放水平EkeO，k，以及地區j利用有排放燃料后調整的碳排放限制水平Lj;(3)以地區j能源總需求Dj為x軸、Lj為y軸畫出DCC曲線上每個點處的斜率就是其碳排放承受因子eI，j;(4)以Ek為x軸、3種燃料碳排放水平EkeO，k為y軸畫出SCC，曲線上每個點處的斜率就是碳排放釋放因子eO，k;(5)把DCC和SCC合成在同一個圖中;(6)把SCC水平向右移動，以保證其與DCC不相交，直到把SCC全部點移到DCC右下方，此時SCC與DCC的交點就是Pinch點;(7)原點到SCC最左端點的距離在滿足約束條件下使用的零碳排放燃料最少.

Pinch點確定系統的瓶頸，Pinch分析方法的“黃金準則”可以用來確立滿足系統特定的碳排放約束條件，位于Pinch點之下時供給零碳排放氣體燃料可以滿足碳排放約束條件，所以Pinch點下方的地區j可以分配零碳排放能源EZ，j，而Pinch點上方的地區不分配零碳排放燃料.

2 算例分析

以10個地區為例，其相對地理位置、能量的供求和碳排放限制的數據見表1.根據世界能源組織的數據，煤、石油、天然氣的碳排放因子分別為105，75，55 t/TJ，燃燒值分別為 20.91，41.82，41.03 GJ/t.如果屬于集合I，計算出各自可供使用的能量、集合I內每種燃料可供給的總能量、燃料燃燒的碳排放量;如果屬于地區J，計算出各自的需求能量、各自允許的碳排放松弛量(即調整以后的碳排放量).每種燃料的能量供給需求數據見表2.

根據表2中的數據，4種燃料能量供給見圖1，3個地區能量DCC和SCC見圖2.以碳排放承受因子eI，j按照升序排列，地區 1，6，10 的碳排放承受因子分別是20，50，100 t/TJ.3個地區總體碳排放承受因子α為總碳排放量限制量與能量總需求之比，α=49 t/TJ.3種燃料的能量SCC見圖1;每個地區的能量DCC如圖2實線所示;如果把這3個地區看成整體，則能量DCC如圖2虛線所示.

表1 算例分析數據

表2 每種燃料的能量供給需求

2.1 Pinch方法下的區域能量分配模型

2.1.1 總碳排放約束條件下的能量分配模型

圖3 總碳排放約束條件下能量供給需求

2.1.2 各自碳排放約束條件下的能源分配模型

圖4 各自碳排放約束條件下的能源供給需求

考慮自身碳排放約束條件，能量DCC如圖1所示實線;利用能量SCC尋找的Pinch點見圖4.

從圖4中可以看到，新的 Pinch點坐標為(5.71，201.50)，使用零碳排放燃料能量為2.60 ZJ，有1.30 ZJ煤和0.02 ZJ石油沒有被利用.碳排放承受因子是eI，10=100 t/TJ，碳排放釋放因子為eO，10=75 t/TJ，在Pinch點的上方能量 SCC的斜率低于能量 DCC 的斜率，因此 eI，j＞ eO，j，該地區的能量需求在不使用零碳排放燃料情況下也可以滿足系統對碳排放的約束條件.這就是Pinch分析方法的“黃金準則”.

圖5 Pinch方法下各個地區的能量供給需求

考慮各自碳排放約束條件下實現整個系統最少碳排放，按照 eO，j的升序使用燃料，即按照使用天然氣、石油和煤的順序來滿足能量需求.按照上述“黃金準則”進行分配，結果見圖5.

從圖5中可以看到有兩個Pinch點，P1(2.80，56.00)滿足區域1的能量需求和碳排放約束條件，P2(5.71，201.50)滿足區域6的能量需求和碳排放約束條件;區域1使用零碳排放燃料能量為1.78 ZJ，區域6中使用零碳排放燃料能量為0.82 ZJ，其具體能量分配見表3.

2.2 MATLAB下的線性規劃模型

設分配到每個地區的燃料能量為xij，地區1，6，10 分別為 i=1，2，3，煤、石油、天然氣、零碳排放燃料分別為j=1，2，3，4，則能源分配模型如下.

利用MATLAB求解上述模型，結果見表4，能量分配見表5.

由此得出min f(x)=2.562 ZJ.

表3 Pinch分析方法中各個地區能量分配

表4 MATLAB求解的各地區的能量需求 ZJ

表5 MATLAB求解的能量分配

2.3 Pinch分析方法與MATLAB線性規劃模型結果比較

表6 兩種方法結果對比

3 結束語

提出一個區域能源分配方法，以實現使用最少零碳排放燃料為目標，對區域能源分配管理進行算例分析，得出在使用最少零碳排放燃料條件下能源的流入量和流出量，充分利用各個地區過剩能源和不足能源，保證能量供給和能量需求平衡.進一步用圖表而非傳統線性規劃求解方式得出能量分配結果，清晰地展示出能量分配過程，為決策者提供更容易、快捷的初始能量分配解決方案.通過合成區域能量供給需求曲線，形成圖示化的能量集群.與整個區域網絡相比，合成曲線能在視覺上顯示能量集群邊界內的供給和需求曲線，建立一個相對簡單的燃料供應鏈，有利于形成有效的能量規劃和能量管理策略.在當今環境政策下，碳排放已成為供應鏈中必不可少的環境成本，使用不同燃料會產生不同的碳排放因子.因此，決策者在決定使用何種燃料時，需要考慮不同燃料碳排放因子對碳排放上限的影響和燃料開發利用成本.研究分析表明:使用零碳排放燃料是解決環境污染限制的有效辦法，但中國現階段處于開發清潔能源的起步階段，應加大對技術開發的投資，以便未來能使用更多的零碳排放燃料;同時，中國現階段仍是以犧牲環境為代價大力發展經濟，與世界發達國家對環境與經濟協調發展的要求還有一段距離，政府應采取相應政策，如法律法規、排污收費、綠色補貼、排污許可等，鼓勵決策者們開發并利用零碳排放燃料.

在不同能源的碳排放因子下建立整個區域的能量合成曲線，使用Pinch分析方法的“黃金準則”分析區域能源分配，研究在不同碳排放約束情況下Pinch分析方法所得出的結論，將最少使用零碳排放燃料目標函數和區域碳排放約束條件用圖表清晰展現，并用MATLAB對模型進行求解，驗證Pinch分析方法的可行性和正確性，保證每個地區在碳排放約束條件下既滿足能源的需求和供給及每個區域的碳排放約束，又使所使用的零碳排放燃料最少.然而，用Pinch分析方法分析能源的配置問題還存在局限性，這種分析方法只能分析在能源消耗中的一種污染排放，各國政府將碳排放作為發展低碳經濟的重要決策，因此本文主要考慮碳排放.Pinch分析方法在能源管理中也可以分析更加復雜的數學模型，尤其在研究初步的能量規劃中非常有效.在能量規劃中，這種方法還可以運用于其他約束條件下，如碳排放因子可以用特定的成本代替，這時Pinch分析方法就成為成本約束下的能量規劃問題.今后可以考慮模型中多種約束條件，不僅考慮碳排放限制約束條件，還可以考慮資金成本、生產制造成本、運輸成本、生產能力等約束條件.

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