我國天然氣供需安全的系統動力學分析

史立軍，周 泓

(北京航空航天大學經濟管理學院，北京100191)

一、引言

能源安全是經濟安全的重要組成部分，安全的能源發展態勢是實現國家經濟可持續發展的關鍵。能源安全不僅包括能源供應安全，也包括對能源生產與使用所造成的環境污染的治理。長期以來，我國一直堅持以煤為主的能源結構，過度依靠煤炭，使煤炭在一次能源消費結構中的比重持續增長，不僅使得能源結構日趨脆弱、抵御風險能力降低，而且導致碳排放和其他各種污染排放與日俱增。據統計，2009年我國二氧化碳排放量比2008年增加6.1億噸，同比增長8.84%，溫室氣體總排放量超過第二名美國38%(來源于中國能源網統計)。快速增長的二氧化碳使中國在國際社會中處于極為不利的境地，且大量燃燒煤炭所造成的其他各種污染也對環境和居民的健康造成了嚴重危害。

我國是一個人口眾多的制造業大國，對能源的需求很大，尤其是清潔能源。目前，盡管風電、太陽能、核能等可作為對我國資源的一定補充，但其所占比重非常有限。而我國天然氣儲量十分豐富，長期以來一直沒有得到足夠的重視和充分的開發利用。使用天然氣可以減少70%的二氧化碳排放，即中國實現氣化能夠比現在減少一半二氧化碳。天然氣的高效性，至少能為我國再節約5億～6億噸標準油能耗;而天然氣的靈活性，能夠使我國承受更多不穩定的可再生能源，從而進一步減少20%的二氧化碳排放(來源于中國能源網統計)。可以預見，天然氣是改變我國過度依靠煤炭、污染排放持續增加這一現狀的關鍵。因此，對我國未來天然氣安全趨勢的研究具有重要意義。

能源安全問題一直受到理論界重視，Munozleos對美國在國際能源新形勢下所面臨的能源內部風險和外部風險進行了研究，并提出了基本應對策略［1］。Veltz研究了“9·11”及其后續事態對于世界能源安全的地緣政治影響，對新能源安全形勢下國家、企業的經營策略進行了規劃和設計［2］;在國內，閻學通等把中國能源安全與整個亞太地區的能源及政治安全相融合，并進行了系統地闡述［3］，張耀從地緣政治的角度分析了中國與中亞國家的能源合作及中國能源安全問題［4］。針對天然氣能源問題，Krichene考察了1918－1999年的世界原油和天然氣市場，分析了產出和價格的時間序列特性，并估計了需求和供給彈性［5］，邱中建等對我國天然氣產量發展趨勢與多元化供應進行了分析［6］，張淑英等綜合分析了影響天然氣供應安全的因素，并對確保天然氣供應安全提出了建議［7］。李連德應用系統動力學的有關理論和方法對包含天然氣在內的不同能源供需缺口進行了較為系統的分析，但對經濟、產業、人口等社會因素的影響考慮較少［9］。以上研究雖取得了一些較為重要的結論，但還不夠完善，如僅從單方面對能源需求或供應進行了研究，或在研究時考慮的影響因素不夠全面等。

能源系統是一個與人口、經濟、社會、環境等各因素密切相關、相互作用的復雜動態系統，因此如何合理預測其供需狀況及變化趨勢具有較高難度。系統動力學是一門通過分析系統中各種因素的相互作用及反饋來研究系統動態性能的科學，能夠有效地揭示復雜系統在各種因果關系作用下所呈現出的動態變化規律，對于長期趨勢預測效果尤為顯著。因此，本文擬運用系統動力學方法，建立天然氣供需的系統動力學模型，對我國未來天然氣供需趨勢進行預測，并據此提出天然氣資源開發利用的相關建議。

二、天然氣供需結構系統動力學建模

(一)模型基本結構

天然氣供需系統是一個復雜的非線性系統，本文從總體上將該系統分為7個主要組成部分，其基本結構如圖1所示。

模型基本結構的7個部分分別為:天然氣供應、天然氣消費、人口、經濟、環境、生產量及進口量。其中天然氣供應包含了天然氣生產量以及天然氣進口量，天然氣生產量受到最終可采儲量的制約，天然氣進口量和消費量決定了我國天然氣的對外依存度;天然氣消費量主要包括居民生活用量以及第二、三產業消費量，人口的自然增長會對居民生活用量造成影響，經濟的發展會影響我國的產業結構以及各產業天然氣需求量;天然氣消費所產生的二氧化碳排放會對環境造成污染。

圖1 天然氣供需系統動力學模型基本結構

(二)模型因果關系分析

天然氣供應、天然氣消費、人口增長、經濟發展、環境保護等各因素是相互影響、緊密聯系的。人口增長是決定能源需求的傳統因素，我國目前保持著較為穩定的人口自然增長率，生活用天然氣消費量將隨著人口增長而逐漸上升。經濟發展是影響能源需求的另一個重要因素，“十二五”時期我國的經濟工作將以結構調整為方向，在堅持走中國特色新型工業化道路的同時，第三產業將得到全面發展，各大產業的結構調整和持續發展將使天然氣需求量進一步提高。能源消費將不可避免的造成環境污染，但天然氣作為清潔能源，其二氧化碳排放量將遠小于煤炭，從而極大的降低能源消費對環境造成的影響。天然氣的生產受到可采儲量的限制，當生產量不能滿足需求量時，進口量就要增長，而過大的進口量將使天然氣對國外的依賴程度增加，不利于我國的能源安全形勢。除常規天然氣外，我國仍有頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣、深海天然氣、可燃冰、生物制甲烷等非常規天然氣資源，其總量約是常規天然氣的5倍，因此總體上我國具有豐富的天然氣可采儲量，是我國能源安全的重要保障。

根據以上分析，本文借鑒了Meadows針對商品生產動態所建立的系統動力學模型中商品流通庫存部分的設計［8］，并在現有研究基礎上引入產業結構與人口等影響要素，得出天然氣供需系統各因素的因果關系如圖2所示。

因果關系圖中主要包含以下5條反饋回路:

(1)天然氣供應量→庫存量→天然氣消費量→預期消費量→預期供應量→天然氣供應量

(2)天然氣消費量→進口量→天然氣供應量→庫存量→天然氣消費量

(3)天然氣供應量→庫存量→天然氣消費量→預期消費量→預期庫存量→庫存差→庫存修正量→預期供應量→天然氣供應量

(4)天然氣供應量→庫存量→庫存差→庫存修正量→預期供應量→天然氣供應量

(5)天然氣消費量→二氧化碳排放→天然氣消費量

圖2中左邊的回路主要體現了自然因素對天然氣供需的影響，如可采儲量的增加使天然氣生產量增加，從而使第一條回路中的天然氣供應量增加，庫存量增加，天然氣消費量增加，預期消費量和預期供應量增加，最終導致天然氣供應量進一步增加。右邊的回路主要體現了社會因素對天然氣供需的影響，如總人口的增加使生活用氣增加，從而使第二條回路中的天然氣消費量增加，進口量增加，天然氣供應量增加，庫存量增加，最終導致天然氣消費量進一步增加。

圖2 天然氣供需系統因果關系圖

圖3 天然氣供需系統動力學流圖

(三)模型構建

在構建系統動力學模型時，根據圖2所得出的因果關系結構，運用Vensim軟件繪制了天然氣供需關系的系統動力學流圖，如圖3所示。

模型中水平變量包括總人口、GDP、累計產量、庫存量、預期消費量;速率變量有年人口變化量、GDP變化量、國內供應量、國內消費量、預期消費變化量、生產量。其中，國內消費量由第二產業消費量、第三產業消費量、生活用消費量組成，分別反映了經濟增長和人口增長對天然氣消費的影響;國內供應量由生產量和預期供應量決定，當生產量小于預期供應量時，國內供應量由生產量和凈進口量組成;當生產量大于預期供應量時，國內供應量則由預期供應量和凈進口量組成。由于天然氣是清潔能源，主要排放物為二氧化碳，因此模型中還考慮了由于天然氣消費產生的二氧化碳排放。

三、我國天然氣供需預測與結果分析

(一)模型參數的確定及有效性檢驗

系統動力學模型中對預測結果的準確性具有直接影響的參數較多，在本文建立的模型中，國內生產總值、總人口數量、能源強度、各產業比重等均是預測天然氣供需的重要參數。本文對我國未來人口數量增長趨勢的預測數據取自國家人口和計劃生育委員會所作的《國家人口發展戰略研究報告》［10］，對未來國內生產總值、能源強度、各產業比重的預測數據取自國務院發展研究中心研究員李善同所作的《“十二五”時期至2030年我國經濟增長前景展望》［11］，其他數據均來自《中國統計年鑒 2010》［12］及《中國能源統計年鑒 2008》［13］。

在預測天然氣供需趨勢之前，首先對模型的有效性進行檢驗。運用Vensim軟件，以2000年為仿真初始年，通過對2000－2009年系統狀態變量的仿真值與歷史統計數據的比較來對模型的可靠性進行檢驗。模型運行結果與歷史數據的比較如表1所示。

表1 天然氣供需系統動力學模型預測結果與實際值的比較

由表中數據可以看出，除2002年天然氣消費量的預測誤差達到了13.24%以外，其余誤差均在10%以下。由2002年的歷史數據可以看出，該年天然氣消費量增長率僅為6%，而其余年份的年均增長率達到了17.1%，從而造成了誤差較大的情形。因此，本文所建立的模型預測結果與實際值擬合程度較好，滿足系統動力學模型誤差應小于15%的要求，能夠有效地對我國未來天然氣供需趨勢進行預測。

(二)模型預測結果分析

運用Vensim軟件對天然氣供需系統動力學模型進行仿真模擬，得出了我國2010－2030年天然氣供需預測結果，如圖4、圖5、表2所示。

從圖4可以看出，我國天然氣消費需求總量在不斷增長，到 2030年，天然氣需求量將達到3266.16億立方米，比2000年增加了3025.44億立方米，年均增長率9.08%。由圖5可知，我國天然氣供應量在2027年以前持續較快增長，但受到可采儲量的制約，2027年以后增長速度變緩，到2028年達到峰值2968.75億立方米，即國內生產能力的最大值。2030年天然氣供應量達到2923.42億立方米，比2000年增加了2649.26億立方米，年均增長率8.21%。由此可見我國天然氣消費與生產均具有較大的增長潛力，這與我國經濟的飛速發展、經濟結構的調整以及環境保護政策的執行密不可分。

圖4 天然氣消費量趨勢圖

圖5 天然氣供應量趨勢圖

表2 天然氣供需系統動力學模型預測結果

從表2數據可知，從2011年到2016年，我國天然氣消費處于少量進口階段，天然氣供應基本能夠滿足消費需求;2017年到2025年，我國天然氣消費進入部分出口階段，此時國內天然氣供應量充足，能夠完全滿足國內的消費需求;從2026年起，受可采儲量的影響，我國天然氣供應缺口開始逐漸擴大，進口量逐步上升，到 2030年達到342.74億立方米，對外依存度為10.49%。由于天然氣消費量的持續增長，二氧化碳排放量逐年增加，到2030年將達到101519.23萬噸，但與煤炭相比，排放量仍將大大減少。

(三)天然氣消費的參數靈敏度分析

能源消費對我國經濟發展、能源安全、環境保護的影響較大，而經濟增長和能源強度是能源消費量的重要影響因素。本文從GDP增長率和能源強度兩個方面對模型進行了參數靈敏度分析，以進一步研究其對天然氣消費情況的影響，從而對天然氣消費政策提出建議。

從表中數據可知，在其他參數不變的前提下，當GDP增長率提高0.5個百分點時，隨著經濟發展速度的加快，對能源的需求也相應增加。到2030年天然氣消費量達到3523.85億立方米，增加了7.89%。由于天然氣消需求量的增漲，進口量將進一步增加，對外依存度由10.49%提高到了17.04%，這將對我國能源安全造成一定威脅。在GDP增長率提高0.5%的基礎上，對能源強度作出調整，使其降低0.1。由表中數據可知，隨著能源強度的降低，能源利用效率提高，在經濟快速增長的前提下，天然氣消費量反而有所降低。2030年天然氣消費量為3090.38億立方米，減少了5.38%。由于天然氣消費量的減少，對外依存度也從10.49%降低為5.4%。

表3 天然氣消費參數模擬實驗結果(單位:億立方米)

由此可見，經濟的快速發展將使天然氣消費量進一步增加，而通過降低能源強度，提高能源的使用效率，在保持較高經濟增長速度的情況下，仍然能夠減少天然氣消費量。因此，為保證我國經濟的持續、健康增長，提高天然氣的使用效率對于保證我國能源安全至關重要。

四、促進我國天然氣資源開發利用的政策建議

天然氣是改變我國過度依靠煤炭現狀的希望。要減少污染排放，貫徹落實中央節能減排和低碳經濟的戰略要求，就要加快天然氣資源的開發和利用，以氣代煤實現我國能源長期穩定、健康發展。為此本文提出以下幾點建議。

(1)大幅提高天然氣利用效率。目前我國天然氣利用效率總體水平不高，而且國家正處于工業化、城鎮化加快推進時期，提高天然氣利用效率的任務十分艱巨。我們要深刻認識提高能源利用效率對于轉變經濟發展方式、建設資源節約型和環境友好型社會的重要作用，依靠科技進步與創新來實現天然氣的高效利用，努力提高單位耗氣的產值。

(2)逐步降低煤炭消費比重。煤炭作為我國的基礎能源，在我國能源結構中仍然占有很大比重，能耗損失以及能源不合理利用產生的環境污染極為嚴重。我們必須不斷調整和改進能源消費結構，降低煤炭在能源消耗中的比重，加強天然氣等清潔能源的開發，并使其廣泛地應用于經濟建設與社會生活中。

(3)進一步開放天然氣市場。增加天然氣供應量、保障供氣安全關鍵要大力開發國內天然氣資源。目前我國天然氣資源開采一直壟斷在少數央企手中，導致天然氣資源開發效率低下。開放市場是改變壟斷現狀的唯一途徑，我們應鼓勵更多的中外企業進入天然氣開發、輸送及配售領域，尤其是技術先進、勇于承擔風險的中小企業。

(4)制定和完善相關政策法規。健全的能源安全法律法規體系對于保障天然氣供需安全，促進天然氣資源的開發利用至關重要。目前我國保障能源安全的有關法律法規尚不完善，我們應加強能源安全的立法工作，修改和完善現有法律法規，對當前相關政策法規的空白點進行必要的補充，盡快推動天然氣改革。

五、結論

本文在綜合考慮了人口、經濟、環境等因素的基礎上，運用系統動力學方法建立了我國天然氣供需趨勢預測模型，對我國2010年到2030年的天然氣供應量、消費量、凈進口量、對外依存度、二氧化碳排放量等進行了預測，并通過對天然氣消費主要參數的靈敏度分析深入研究了其對消費狀況的影響。預測結果顯示，未來我國天然氣供應量和消費量均將快速增長，但由于可采儲量的限制，天然氣供應量在2028年達到國內生產能力的最大值后開始逐年下降。由于經濟的快速增長，天然氣需求量持續上升，導致進口量的不斷增加，天然氣資源對外依存度將不斷提高。模擬實驗的結果顯示，優化消費結構、提高天然氣的使用效率能夠在保證經濟快速發展的基礎上，有效降低天然氣消費量，從而保障我國能源安全。

［1］R Munozleos.The Interior and Exterior Energy Risk of the United States of America ［J］.International Security，1999(3):97－131.

［2］J C Valtz.The Common Energy and Security Policy［J］.Foreign Policy，2002，12:108－125.

［3］閻學通，等.中國與亞太安全［M］.北京:時事出版社，1999.

［4］張 耀.中國與中亞國家的能源合作及中國的能源安全［J］.俄羅斯研究，2009(6):116－128.

［5］Noureddine Krichene.World Crude Oil and Nature Gas:A Demand and Supply Model［J］.Energy Economics，2002，24(6):557－576.

［6］邱中建，方 輝.中國天然氣產量發展趨勢與多元化供應分析［J］.天然氣工業，2005，25(8):1－5.

［7］張淑英，萬大中.影響中國天然氣供應安全的因素及對策探討［J］.中國能源，2007，29(11):30－34.

［8］D L Meadows.Dynamics of Commodity Production Cycles［M］.Mass:Wright Allen Press Inc.，1970.

［9］李連德.中國能源供需的系統動力學研究［D］.沈陽:東北大學，2009.

［10］國家人口發展戰略研究課題組.國家人口發展戰略研究報告［R］.北京:人口和計劃生育委員會，2007.

［11］李善同.“十二五”時期至2030年我國經濟增長前景展望［R］.北京:國務院發展研究中心，2010.

［12］國家統計局.中國統計年鑒2010［M］.北京:中國統計出版社，2010.

［13］國家統計局，國家能源局.中國能源統計年鑒2008［M］.北京:中國統計出版社，2008.