中国能源安全分析基于最优消费路径视角

中国能源安全分析：基于最优消费路径视角

2013年05月20日09:00 来源：《中国人口·资源与环境》2012年10期作者：张生玲郝宇字号

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摘要：进入新世纪以来，中国能源生产不能满足能源需求的强劲增长，导致能源对外依赖性较大，能源进口和海外开发又面临较多挑战。国内能源开发粗放，能源利用效率低下，新能源和可再生能源发展较晚，能源战略储备不完善等问题也很突出。本文在中国具体实际的基础上，通过建立一个简单的两时期消费最优化模型，并综合考虑本国能源与能源进口和海外开发之间、传统能源与新能源和可再生能源的开发与利用之间这两个关键的替代关系及提高能源利用效率的可能影响，得出了中国能源消费的最优跨期消费路径。当前能源消费中的很多问题，包括日益增大的“能源缺口”，都源于实际能源消费量严重偏离了这一“最优路径”所规定的消费水平。因此，为了有效缓解乃至从根本上消除中国的“能源缺口”，中国能源消费应严格按照此最优跨期消费路径进行，同时尽可能地增加能源进口、加快发展可再生能源和新能源并提高能源使用效率。

关键词：能源缺口能源安全新能源能源供求

作者简介：张生玲，北京师范大学经济与资源管理研究院，北京师范大学中国能源与战略资源研究中心，博士，副教授，主要研究方向为宏观经济、能源经济等（北京 100875）；郝宇，德国汉堡大学经济学院（汉堡 20146）。

能源最优利用问题的研究始于自然资源经济学的创始人霍特林(Hotelling)于1931年提出的“霍特林法则(Hotelling's Rule)”：为了确保不可再生能源利用的效用最大化，能源价格增长的速度应该等于社会贴现率[1]。1970年代的石油危机引发了西方学者对这一问题的新一轮研究热潮，主要的成果体现在理论方面，许多学者利用动态最优化理论和不确定性等理论工具，将霍特林所开创的研究领域的广度和深度都进行了拓展[3-9]。但是，霍特林所得出的确保能源最优消费的核心结论并没有被动摇，而是得以发展为各种不同的表现形式，同时也得到了更多的实证检验[2，10]。进入21世纪以来，随着中国经济的快速发展，不断增长的能源消费需求与较低水平的能源占有量之间的矛盾已成为制约国民经济快速发展的一个重要问题。“有水快流”式的粗放开发模式、较高的石油对外依存度以及相对较低的新能源和可再生能源的利用水平是当前中国能源利用中的三大问题。虽然国内学者也就能源紧缺问题做了大量研究，但目前的研究主要集中在对国内能源供需水平的数值测算和预测[13-14]以及政策分析等层面[11，14]而针对当前能源利用中的主要矛盾从理论高度分析能源开发利用问题的研究还比较缺乏。本文通过建立严谨的数理模型框架，针对前述能源利用中的主要问题，阐明中国“能源缺口”的成因，并从理论上分析两种根本上消除中国“能源缺口”的可行办法：发展新能源，以及提高能源利用效率。本文的理论分析可以帮助我们加深对中国能源问题的理解，同时也为今后进一步的实证分析提供了相应的理论依据。

1 理论分析：基本模型的建立

“能源安全”是一个综合概念，包括能源生产安全、消费安全、运输安全等等方面。本文着重从能源消费安全方面进行分析，即能否在经济体可承受的合理价格之下，持续、足量地满足经济体的能源需求。近年来，对能源安全的探讨扩展到使用安全方面，即能源使用不能对人们赖以生存的环境造成破坏。对于世界上多数能源消费大国来说，保障能源持续、及时和足量地满足国民经济和社会发展的需要，并且保持价格的可接受性，成为了一项重要的政治和经济任务。

为了从经济层面更好地量化“能源安全”这一指标，本文用“能源最优消费路径缺口”的大小来表现“能源安全”的严重程度。在下面的分析中，“能源最优消费路径缺口”(以下简称“能源缺口”)的定义为，在至少满足每一时期最基本能源消费需求的前提下，为了保证能源消费的社会福利最大化，由能源最优消费路径所决定的能源消费量与维持一定产出所必需的最低能源消费量之间的差距。建模过程中未涉及开采成本因素。具体地，我们可以用以下公式来表示“能源缺口”的大小：

能源缺口(t)=维持一定产出所必需的最低能源消费量-能源最优消费量(1)

这里括号中的t意为第t个时期。能源缺口的数值越大，说明按照最优路径求出的能源最优消费量较能源最低要求消费量之间的差距越大，因而能源供给的形势越严峻，“能源安全”的程度也就越低。式中的能源最优消费量很可能与能源实际消费量并不相同，因而此处我们定义的“能源最优消费缺口”与国内学者分析时常用的“能源缺口”(能源的实际需求量高出实际供给量之间的差额)的概念并不相同。

基本模型的思路来源于Weinstein和Zeckhauser[3]的原始模型。主要是从能源市场的供给和需求端入手来考察能源最优消费问题，并同时考虑供给和需求两个方面的不确定性。设国内总能源存量为Q，并且假设没有能源储备，也不考虑可再生能源的开发利用。为了使模型尽量简化并不失一般性，仅考虑两个时期：当前时期(t=0期)和未来时期(t=1期)。假设在未来时期能源供给和需求两方面都存在不确定性。在需求方面，假设两个时期能源社会需求函数分别为分别是两个时期的能源消费量，z为影响未来能源需求的不确定性因子。为了简单起见，且不失一般性，两个时期的需求函数都设为线性形式：

这样的需求函数形式与一些学者的实证结果相符合。如Cooper(2003)和滕泰等(2006)的实证结果表明，包括中国在内的主要经济体的石油价格弹性都非常低，因此可以设定两个时期的线性能源消费需求函数的斜率不变[12-15]。此外，根据Cooper的测算，石油需求的长期需求弹性要高于短期需求弹性。较高的长期需求弹性可能反映了化石能源利用效率的提高和新能源得以更广泛地利用后对化石能源依赖性的降低。当未来时期的需求不确定性z＞0时，根据我们的需求函数得出的长期需求价格弹性就会比短期需求价格弹性更高。

(10)和(11)两式构成了跨期能源消费最优路径。这里有几点值得注意的地方。首先，最优消费路径只与两个不确定性因子的期望值有关，而与其分布函数的具体形式无关。这是由我们所设的需求函数的特点所决定的：需求端的不确定性因子z以线性形式进入需求函数，使得其对需求的影响与其他影响需求的因素相对独立。另外，不确定性主要是通过对当期最优能源消费量的影响来决定最优能源消费路径的。其基本原理是，当期能源消费需要考虑未来能源供给双方的不确定性，从而为未来可能更高的能源需求预留一定的空间。

接下来，可以就不确定性对最优消费路径的影响进行一些定性分析。对(10)和(11)两式进行简单分析可以得知，其他条件不变时，若未来时期的能源消费需求的不确定性z的期望值越高，当期最优能源消费越低而未来时期的最优能源消费量越高。而对于供给端而言，更高的不确定性(更低的未来能源进口期望值)会同时降低当前和未来两个时期的最优能源消费量。

进一步地，如果把能源视为产出的必要投入的话，生产函数可以表示为：

最后一种情况在两个时期都没有能源缺口，是最理想的状态，而其他三种情况都至少在某一个时期存在能源缺口。情况a)中能源缺口存在于未来时期，而当前时期并无能源短缺的状况，这可能是由于未来能源需求不确定性因子高于期望值(相应地经济增长率高于期望值)，或者是未来能源进口量低于期望值所造成的。情况b)与a)正好相反，能源缺口仅存在于当前时期，这一现象的可能原因也与情况a)相反。情况c)中两个时期内都存在能源缺口。

实际上，由于该模型假设具有一般性，这一理论模型可适用于分析任何一个经济体对不可替代且总存量一定的某种资源性商品的最优消费路径。该模型具体的解与未来能源需求量的不确定性因子z的具体分布函数以及生产函数(12)式的具体形式有关。

2 发展新能源和可再生能源对降低“能源缺口”的影响

如果把经济体可利用的能源总存量比作一个“蓄水池”，可再生能源的生产就犹如新的水源供给，可以周期性地源源不断流入能源总存量的“蓄水池”中。新能源/可再生能源与传统化石能源相比最突出特点是前期投入成本较高，回报周期长。如太阳能发电所必需的太阳能电池板造价相对较高，而且建设太阳能发电站的单位装机容量成本高，一次性投资大。据估算，在当前技术条件下利用太阳能电池板进行光伏发电的前期投入成本是煤电的10倍以上。但是，太阳能发电厂一旦建成投入运营，其运营成本和维护保养支出相对较低，且无须支付高昂的原料成本。

对于未来时期，供需两方面的不确定性将主要通过新能源产量传导到未来时期能源最优消费量中：高于预期的能源进口量以及需求函数的不确定性因子z(相应地，实际产出增长率g高于其预测值)时，未来时期的能源消费量将升高。除此之外，值得注意的是，虽然发展可再生能源是解决能源短缺最有希望的对策，它仍然有可能在经济上是无效率的。其根本原因在于发展可再生能源的初期投入F往往过高。过高的固定成本不仅可能抵消发展新能源所带来的全部收益，而且可能会使得总净效应为负。

中国幅员辽阔，西部地区风能、太阳能等资源非常丰富，东部沿海地区发展潮汐能的潜力也很大，新能源行业的发展将大有可为。①目前，技术瓶颈，较高的行业初期投资，以及对传统能源和新能源之间协调管理等因素构成了制约中国可再生能源发展的主要障碍。因而，加快科技创新和技术引进，通过对新能源产业采用行政补贴和税费减免等措施降低新能源建设的初期的固定投资成本F，以及采取积极措施协调整合传统能源和可再生能源的发展等措施将会对促进中国新能源行业的发展起到决定性的作用。由于新能源的利用和发展属于“开源”性质增加能源供应总量的举措，且发展可再生能源的收益是长期和稳定的，因而大力发展可再生能源将是缓解中国“能源缺口”并最终实现“能源安全”的战略目标的根本解决之道。

3 提高能源使用效率对降低“能源缺口”的影响

中国当前能源开发与利用中一个突出特点是“有水快流”，也就是能源开发与利用效率低下，浪费严重。虽然根据不同的测算标准，中国的单位GDP能耗差异较大，但各种计算结果都显示中国的单位GDP 能耗远远高于发达国家的平均水平。由于更集约更高效地使用能源意味着利用同样的能源获得更多的产出，实际上等同于增加了能源的供给量，从而有效降低“能源缺口”并提升国家“能源安全”。下文我们进一步将能源利用效率加入包括新能源应用的模型中作为一个考虑因素，分析改善能源使用效率对能源最优消费路径的影响以及对降低“能源缺口”的重大意义。

首先需要说明的是，能源利用效率的改善并不影响最优能源消费路径，这是由于能源利用效率的高低并不影响任何时期的能源需求函数，从而也不会影响能源价格。能源利用效率的提高会通过降低同等产出情况下的能源投入需求来降低乃至消除能源缺口。国际上通用的衡量能源利用效率的一个重要指标是单位GDP能耗，表明生产单位GDP所需要消耗的能源数量。单位GDP能耗越低，经济体的能源利用效率则越高。为了在模型中表述方便且不失一般性，此处采用相对效率的概念。将当前时期的能源效率标准化为一个单位，假设在将来时期的能效可能提高比例θ，那么每一时期降低的能源投入需求为

此式的经济学含义很明显：在能源利用效率提升到最优值时，其边际成本应该等于能源效率提升所带来的边际收益。这一最优解的具体形式取决于成本函数C(·)和生产函数f(·)的具体形式，也取决于经济增长率g的分布函数。只要θ取正值，两个时期的能源消费“阈值”水平都会相应降低，因此使得能源缺口降低乃至消除。

中国的单位GDP能耗不仅高于发达国家的平均水平，甚至高于新兴工业化国家的平均水平，说明中国在经济发展过程中的能源浪费现象一直比较严重，在节能方面还有很大潜力可挖。下面用一个实例来说明能源利用效率提升对缓解中国“能源缺口”的重要作用。鉴于中国能源利用效率较低，提升效率的边际成

本也相对较低，在此处计算时暂不考虑这一成本。根据国际能源署的统计，2007年中国单位GDP能耗为0.82 t标准油/千美元(按2000年不变价计算)，而世界平均水平是0.30 t标准油/千美元，美国和日本分别是0.20和0.10 t标准油/千美元。如果中国能将单位GDP能耗提高到世界平均水平的标准，那么中国的能源的实际供给能力将会提高2.73倍，换言之，能源需求将降低63%。2008年中国能源消费的进口依存度为53%，仅提高能源效率一项就能使中国完全摆脱对进口能源的依赖，而且还能节省相对于2008年能源消费总量16%的能源供未来使用或出口创汇，这一数字约为4.6亿t标准煤的能量。虽然将中国能耗水平提升到世界平均水平在短期可能无法实现，但在当前能源利用效率较低的情况下做到稳步提高效率水平是很有可能的。理论上说，只要能源利用效率的增长速度不低于GDP的增长率，就完全能够在经济总量增长的同时保证能源总消耗量不变甚至降低，有助于降低中国的“能源缺口”。

综上，我们通过分析一个跨期离散时间的包含不确定性的最优化模型，从理论上分析了依照能源最优跨期消费路径所决定的能源缺口，并且从新能源的生产和能源利用效率的改善两方面拓展了基本模型的分析，探讨了消除能源缺口，改善能源安全状况的可行方法。至此，可以将能源缺口抽象地表示为：

能源利用率提高水平θ，以及未来时期能源需求函数的不确定因子z有关。而这些变量又与进口能源的风险因子x和经济体的产出增长率g相关。

4 结论：提升国家能源安全的最优路径

本文通过建立两时期理论模型，并结合中国的具体实际，找出了有效缓解乃至消除中国“能源缺口”，改善能源安全状况的最优消费路径。由于这一最优路径是根据跨期消费者效用最大化得出的，按这一路经得出的各个时期的能源消费水平不仅考虑了当前时期能源消费的需求，同时也考虑了未来时期可能的能源消费需求的影响，因此可以避免出现“有水快流”等粗放式、突击式的能源消费模式，使得能源消费尽可能地兼顾当前和将来的能源消费需求，将人为因素造成的不合理的能源紧缺压低到最低水平。当然，根据对第一部分基本模型的分析，仅仅按照这一最优消费路径进行合理能源消费并不一定能完全消除能源缺口并实现能源安全的战略目标，因为能源消费总量是与国民经济发展水平和能源利用效率密切相关的。考虑到中国经济的持续快速发展，以及能源对中国经济发展的重要作用(较高的单位GDP能耗水平)，中国经济在今后一段时期内对能源的需求量仍将维持在较高水平，因而如果没有增加能源供给的“开源”措施，仅仅通过最优化能源跨期消费路径可能并不足以完全消除能源缺口。通过第二和第三部分对基本模型的拓展，我们看到努力增加中国能源进口和海外开发在短期内可以有效缓解“能源缺口”，而新能源和可再生能源的开发与利用以及提高能源利用效率才是长期内消除“能源缺口”，确保中国能源安全的根本解决途径。以下就分别对这几个增进能源安全方面的途径进行简要阐述。

4.1 能源进口与海外开发是保障能源安全的最直接途径

作为增加能源供应量的最简单也是最直接的“开源”办法，从能源富余国进口能源，或与这些国家合作以较低成本开采能源，是短期内迅速降低能源缺口，缓解能源紧张局面的最简便也最有效的办法。进入新世纪，主要能源消费国的能源需求不断增加，能源价格不断攀升，可以预计在全球化石能源总储量下，再加上人为因素、地缘因素和生产成本因素，全球能源生产无法满足持续攀升的能源需求，预期能源价格

的上涨速度也会超过霍特林法则所决定的最优消费路径下能源价格的理想上涨速度——社会贴现率。因此，第一，如果汇率不发生大幅波动，国际能源的进口价格预期上涨速度一定会高于社会贴现率，为了降低能源进口成本，中国应该抓紧时机，积极拓展海外市场，抢占市场份额，尽早尽快地多进口不可再生资源；积极拓展海外开发业务，鼓励企业“走出去”获得更多的海外权益能源。第二，尽快健全和完善石油战略储备体系，为增加进口量和加快进口速度做好准备。第三，必须清醒地认识到，由于石油需求国之间的激烈竞争，各国在石油进口方面一定会进行更加激烈的博弈，中国能源进口水平很可能不能完全弥补“能源缺口”，因此需要在单纯的进口之外采取更加多元化的手段，包括大力发展可再生能源和新能源，努力提高能源使用效率，以期尽可能地降低乃至消除“能源缺口”。

4.2 发展新能源和可再生能源是长期保障能源安全最有希望的办法

由于利用新能源和可再生能源的具有回报时间长且收益稳定的特点，发展可再生能源将会在长期内为中国提供稳定可靠的能源供应，如果其供应量高于当前可获得的能源供给与按最优能源消费路径决定的能源消费之和的差额，那么从理论上说可再生能源和新能源的生产就能完全消除国内的“能源缺口”，实现国家能源安全的目标。根据第二部分中对拓展模型的分析，决定可再生能源总产量的最关键因素在于初期投入的单位成本。如果初期投入的单位成本足够低，那么可再生能源总产量可以超过能源缺口，如果初期投入的单位成本过高，不仅可再生能源的产量无法弥补“能源缺口”，发展可再生能源的经济意义也不足以体现。因此，只有在生产单位能源的初期投入成本足够低时，可再生能源的产出才可能弥补“能源缺口”，同时每一时期最低能源消费的“阈值”也有可能得到保证。这就客观上要求：一是加快科技创新，努力降低新能源建设的初期单位投入成本；二是通过政策、法规、资金等方面的扶持降低新能源投资非技术方面的初期投入，促进民间投资的积极性。通过鼓励开发新能源和可再生能源，使得能源供给来源更加合理和多样化，不断优化能源结构，从当前煤炭消费占主导地位的能源消费格局逐步向新能源、清洁能源的消费格局进行转变，有利于缓解中国“能源缺口”并最终实现“能源安全”的战略目标。

4.3 提高能源利用效率是保障能源安全的最有效路径

通过前文分析，如果提升能源利用效率的边际成本很高，说明能源效率方面的潜力已经基本上挖掘完毕，继续提高能源利用效率在经济上已不合算。如果提升能源利用效率的边际成本很低时，效率提升的空间很大，更多能源应留待未来时期能源利用效率更高时使用。中国的实际情况是能源消费粗放，公众节能意识尚未形成，当前单位GDP能耗高于绝大多数发达国家甚至很多发展中国家。因此中国提高能源效率的边际成本低，潜力很大。通过成本较低的节能措施就能压缩大量无效益的能源需求，从总体上降低能源供需之间的紧张局面，从而可以从根本上消除能源缺口，实现国家能源安全。因此，大力培养节能减排意识，通过适当的经济、行政和法律手段，千方百计提高能源利用效率，减少能源浪费；同时，加强环境保护的力度，制定合理可行的减排目标；最重要的是要理顺能源价格，管理好国内的能源需求，让能源价格能正确反映能源的稀缺程度，从而迫使能源消费者改进能源利用效率，压缩不合理的能源需求，中国能源紧缺的局面才有望真正得以缓解，国家能源安全目标才能实现。

注释：

①根据中投顾问公司发布的《2012—2016年中国可再生能源市场投资分析及前景预测报告》的估算，中国太阳能较丰富的区域占国土面积的2/3以上，年辐射量超过6 000 MJ/m[2]，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿tce的能量；风能资源量约为32亿kW，初步估算可开发利用的风能资源约10亿kW，按德国、西班牙等风电发展迅速的国家的经验进行类比分析，中国可供开发的风能资源量可能超过30亿kW。

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