“双碳”目标下能源安全定量评价方法.化工进展.pdf
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化 工 进 Chemical Industry and Engineering Progress · 1622 · 展 特约评述 2022 年第 41 卷第 3 期 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2255 “双碳”目标下能源安全定量评价方法 梁金强 1，2，刘丹竹 2，3，徐庶亮 2，叶茂 1，2，刘中民 1，2，3 （1 中国科学技术大学化学与材料科学学院，安徽 合肥 230026；2 中国科学院大连化学物理研究所， 辽宁 大连 116023；3 中国科学院大学，北京 100049） 摘要：为应对全球气候变化，中国提出了“2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和”的“双碳”目标。在 “双碳”目标下，中国的能源消费结构由传统化石能源为主向可再生能源为主转变，能源结构的转变导致能源安 全的内涵发生了改变，能源安全评价方法也将随之发生变化。本文主要总结了各类能源安全的定量评价方法，对 比和分析了这些方法的优缺点以及适用范围，详细阐述了基于能源供应安全评价和基于国家或区域能源安全评价 方法。在“双碳”目标下，能源安全指标参数与以往化石能源供应安全的评价指标不同，在参数选择上更加关注 二氧化碳、二氧化硫、颗粒物的排放等环境指标，以及与之相关的水、粮食等也作为重要的评价指标纳入到能源 安全定量评价体系中。在“双碳”目标下，特别是能源结构转型的过渡期，建立合理的能源安全定量评价体系具 有重要的现实意义。 关键词： “双碳”目标；能源；安全；环境；可再生能源；安全评价 中图分类号：TE3；TK01 文献标志码：A 文章编号：1000-6613 （2022） 03-1622-12 Quantitative evaluation method of energy security under dual carbon target LIANG Jinqiang1，2，LIU Danzhu2，3，XU Shuliang2，YE Mao1，2，LIU Zhongmin1，2，3 (1 School of Chemistry and Materials Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China; 2 Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116021, Liaoning, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: China has put forward the ambitious goal of “carbon peak by 2030 and carbon neutral by 2060” in order to cope with global climate change. Under the dual carbon target, China’s energy structure will transform from the traditional fossil energy to the renewable energy. The transformation of energy structure changes the connotation and evaluation methodology of energy security. The quantitative evaluation methods of energy security are summarized. The advantages and disadvantages of these quantitative methods are analyzed and the scope of their application is marked. The evaluation methods based on energy supply security and national and regional energy security are elaborated. Under the dual carbon target, the parameter of energy security index is different from the previous evaluation index of fossil energy supply security. In parameter selection, more attention is paid to environmental indicators such as emissions of carbon dioxide, sulfur dioxide and particulate matter, and related water and food are also included in the quantitative evaluation system of energy security as important evaluation indicators. 收稿日期：2021-11-03；修改稿日期：2021-12-14。 第一作者：梁金强 （1983—），男，高级工程师，博士研究生，主要从事能源安全模型及量化研究工作。E-mail：ljq@dicp.ac.cn。 通信作者：徐庶亮，副研究员，硕士生导师，研究方向为化工流体力学和能源安全。E-mail：shlxu@dicp.ac.cn。叶茂，研究员，博士生导师，研究 方向为催化反应工程、多相流模拟与测量和人工智能与机器学习。E-mail：maoye@dicp.ac.cn。 引用本文：梁金强, 刘丹竹, 徐庶亮, 等 . “双碳”目标下能源安全定量评价方法[J]. 化工进展, 2022, 41(3): 1622-1633. Citation：LIANG Jinqiang, LIU Danzhu, XU Shuliang, et al. Quantitative evaluation method of energy security under dual carbon target[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(3): 1622-1633. 2022 年 3 月 梁金强等： “双碳”目标下能源安全定量评价方法 · 1623 · Under the dual carbon target, especially during the transition period of energy structure transformation, it is of great practical significance to establish a reasonable quantitative evaluation system of energy security. Keywords: dual carbon target; energy; safety; environment; renewable energy; security evaluation 随着我国提出“2030 年碳达峰、2060 年碳中 和”的目标，以化石资源为主导的能源消费结构亟 需转型，而逐步建立以可再生能源为主导的能源体 系成为能源革命的主要内容。传统化石资源主要包 括煤炭、石油和天然气，我国的资源禀赋是油气资 源不足而煤炭相对丰富。因此，在以化石资源为主 导的能源消费结构中，2020 年煤炭的消费占比高 达 56.8%，导致碳排放急剧上升，随着全球能源绿 色化的推进，碳排放等环境因素必然成为限制我国 发展的重要因素。 能源安全是国家安全系统中的重要组成部分， 在全球气候变化和碳中和的大背景下，新时代的能 源安全已成为世界各国重要关注点之一[1-3]。但是， 能源安全是一个动态变化的概念，在不同的国家地 区、不同的历史时期甚至不同的能源结构下，具有 不同的内涵[4-6]。Yergin[7] 认为，能源消费国与能源 生产国在能源安全的理解上存在差异。对于能源出 口国来说，能源安全是指“需求安全”。相比之 下，对于能源消费国来说，能源安全是“供应安 全” ，能源供应充足可靠，价格合理。 随着全球气候变化及 《巴黎协定》 的签订[8]， 碳排放等环境因素被纳入能源安全的范畴之内。在 中国提出“双碳”目标之后，能源安全在我国的内 涵也将随之发生大的变化，特别是在传统的化石资 源为主的能源结构向以可再生能源为主的能源结构 的转型期，影响能源安全的因素将发生重大变化。 作为能源安全研究的重要方面，“双碳”目标下的 能源安全定量评价也需作出适当的调整。 本文梳理了能源安全研究的历史演变，总结了 关于能源安全定量评价的指标以及方法，希望为 “双碳”大背景下中国能源安全评价提供参考，最 后讨论了“双碳”目标下能源安全定量评价面临的 挑战和机遇。 1 能源安全研究进展 社会发展的进程伴随着技术革命和能源革 命 ，每一次社会的进步和重大变革都离不开技术 的突破，技术的变革带动能源结构的变化[10]。回顾 能源发展的历史，每一次工业化都伴随着能源脱 碳[11]。能源利用方式从早期以木材直接燃烧，发展 [9] 到煤炭、石油和天然气为主。在不久的将来，化石 燃料将最终被新能源所取代，能源利用将进入清 洁、智能化时代 （图 1）。不同的能源结构赋予不 同的能源安全内涵[12-13]。 图 1 世界能源结构中主导能源的演变[9] 能源安全的概念由国际能源署在 1974 年第一 次提出，主要是针对第一次世界石油危机可能引 发的石油供应中断，其核心是“稳定原油供应和 价格”。随后，世界各国不断扩展能源安全定义的 内涵，将其延伸到生产安全、运输安全、消费安 全、经济安全、生态环境安全等多个方面[14]。美国 对能源安全的思考起始于 1973 年的石油危机，时 任美国总统尼克松提出“美国能源独立”口号， 研究可再生能源等替代技术，保障美国能源安全。 2005 年之前，美国的能源消费结构中煤炭和煤电 占比分别维持在 24% 和 50% 以上，2005 年以后， 随着美国页岩气的大规模发展和风电、光伏发电经 济性的不断提高，煤炭和煤电的占比进入快速下降 通道。2019 年，美国煤炭地位发生了历史性的变 化，降至 11.3%，而可再生能源占比提高到 11.4%， 美国首次实现了能源生产量超过能源消费量，由原 来的能源进口国转变为能源出口国，其能源安全 由原来的供应安全向环境安全和需求安全转变。 2011 年中国一次能源消费总量超过美国，成为第 一大能源消费国，大量的石油和天然气进口，形成 极高的油气对外依存度，国家能源安全存在较大风 险。同时，较高的化石能源消费比例伴随着较高的 二氧化碳排放量。因此，中国能源消费结构转型迫 在眉睫，需同时兼顾经济可持续发展和环境友好。 www.hgjz.com.cn · 1624 · 化工进展，2022，41（3） 根据国家可持续发展战略的要求，在 《关于完整 全评价范围从单一国家或地区的能源子系统 （煤 准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作 炭、石油、天然气等） 安全评价延伸到多个国家或 的意见》 中明确提出，到 2025 年，中国非化石能 全球的综合能源安全评价[15]，从单一因素到经济、 源消费比重达到 20% 左右；到 2030 年，非化石能 政治、军事、环境等多因素综合评价分析。随着能 石能源消费比重达到 80% 以上，顺利实现碳中和 评价体系还将会进一步扩展。 源消费比重达到 25% 左右，到 2060 年，绿色非化 目标。中国的能源安全将从保障化石能源供应逐 源结构的转型、大数据信息技术的发展，能源安全 能源安全评价方法[16]种类繁多，表 1 中列举了 渐过渡到保障可再生能源的稳定大规模供应，结 各种不同情景下能源安全评价指标和方法。这些方 构转型期内能源安全的定量评价具有特别重要的 法大致可分为两大类：基于能源供应的安全评价和 意义。 基于国家或区域的能源安全评价。在能源安全指标 2 评价中，变量的数量和类型的选择对能源安全评价 能源安全评价方法 结果特别重要[17]，同时，还应特别注意评价所包含 能源安全是一个随时间而不断丰富的概念，能 源安全的研究逐步从定性向定量研究转变，能源安 表1 序号 名称 变量之间的相关性，其可能导致能源安全指标[18]的 重复或出现误导性结果。 能源安全评价指标 指标 区域 年份 指标数 方法 1 石油进口风险 指数 ［19］ 石油进口与世界石油进口总量之比、地缘政治石油供应市场集 中、美元指数波动性、油价波动、石油进口价值与国内生产总值之 比、运输风险、石油进口依赖、石油进口来源多样化 中国 1993—2011 8 DEA 2 能源供应安全 指数 ［20］ 能源出口垄断风险指数、能源进口多样化指数、经济脆弱性指 数、原油价格波动风险指数、清洁能源发电比率、能效、准备金与 消费比率 中国 1994—2011 7 标准化、 均方 3 能源安全风险 预测 ［21］ 中国 2020—2029 4 灰色模型 煤炭、石油、天然气、可再生能源 4 能源安全风险 ［22］ 能源生产、能源潜力、能源独立性和能源多样化、能源价格、电 力成本和能源支出、每户平均能耗、室内平均取暖面积、总能源消 耗的电力百分比、有天然气的人口百分比、供电的可靠性、每户家 庭的平均停电时间、输电线路的长度和容量，天然气管道里程、能 源转换效率、电力的利用率、电厂用电量与发电量之比、输配电损 失、能源强度、研究强度、烟尘排放量、二氧化硫排放量、二氧化 氮排放量、能源工业投资、政府效率以及政府节能环保支出占总支 出的百分比 中国 2005—2017 28 AHP 5 能源安全指标 ［23］ 自给率、人均能源生产、人均能源消耗、人均用电量、能量强 度、CO2 人均排放量、碳强度、二氧化硫排放量、环境污染控制投 资、能源行业投资、油价、电价、人均国内生产总值 中国 2004—2017 13 熵权重法 6 能源安全性能 ［24］ 一次能源生产、人均化石燃料储备、自给率、能源消费的多样 性、汽油价格稳定性、燃煤电价、电力在总能耗中所占份额、人均 国内生产总值 （GDP） 购买的汽油数量、能量强度、输配电损失、 每户平均停电时间、发电厂的利用、森林覆盖率、人均废水排放 量、单位 GDP 温室气体排放量、人均二氧化硫排放量、人均二氧化 氮排放量、能源工业投资、研究强度、节能环保 中国 2013 20 AHP 7 能源安全状况 ［25］ 煤炭储备与生产比率、石油进口依存度、天然气储备与消费比 率、传统热电的可用性系数、非热电 （包括核能和可再生能源） 的 可用性系数、能源强度、化石燃料发电厂的总发电效率、原油加工 能力、开采行业的专利、能源行业技术更新改造投资/能源行业国有 单位固定资产投资、中国 CO2 的份额、全球 CO2 排放量排放、中国 的 SO2 排放量、中国烟尘排放量、可再生能源在总发电量中所占份 额、核能在总发电量中所占份额、（煤炭、石油、电力） 出厂价格 指数、煤炭价格波动、人均能源消耗 中国 1980—2010 20 4-AS 框 架分析 能源储备/生产比率、能量强度、人均能源消耗、能源自给率、能 中国能源安全综合 源价格波动比、能源储备率、能源进口多样化比率、能源多样化指 指数 ［26］ 数、能源生产安全指数、碳排放强度、单位能耗碳排放指数、二氧 化硫单位能耗排放、电力在能源最终用途中所占份额、清洁和可再 生能源的份额 中国 1996—2009 14 AHP 8 2022 年 3 月 · 1625 · 梁金强等： “双碳”目标下能源安全定量评价方法 续表1 序号 名称 指标 区域 年份 指标数 方法 能源强度、原油价格、天然气价格居民电价、能源在制造业成本 占比、能源进口依赖度、燃油在总能源中的比例、国内石油消耗量 与炼油厂产量之比、战略石油储备、发电技术多样性、电力负荷系 数、系统平均中断时间指标、系统平均中断频率指标、人均能耗、 发电热效率、人均 GDP 能耗、陆地运输燃料多样性、人均碳排放、 碳强度、碳排放因子、可再生能源比例、公共交通的占比 新加坡 1990—2010 22 指标归 一化乘以 权重 石油进口依赖、天然气进口依赖、对石油运输燃料的依赖、零售 经济合作与发展 1970—2010 电价、汽油价格、客车的公路燃料强度、能源强度、人均用电量、 组织 （简称经合 组织） 二氧化硫排放、二氧化碳排放量 10 标准化 1996—2009 4 标准化 权重 亚洲天然气净进 2006—2008 口国 4 标准化 权重 9 新加坡能源安全 指数 ［27］ 10 能源安全指数 ［28］ 11 天然气供应安全 指数 ［29］ 气体强度、进口依赖、生产与消费比率、地缘政治风险 12 天然气供应安全 指数 ［30］ 气体强度、进口依赖、生产与消费比率、地缘政治风险 13 能源供应安全 指数 ［31］ 亚洲经济体 能源供应多样化、能量强度、单位发电成本、进口电力与总用电 量之间的货币份额、单位发电量 CO2 排放量 泰国 2010—2030 5 权重 东南亚 2012 15 聚类 14 能源依赖指数 ［32］ 净进口占一次能源的份额、进口支出占国内生产总值比例、出口 与生产比率 、出口收入占 GDP 的比重、贸易伙伴市场集中度 、主 要贸易伙伴的政治稳定 、全球能源贸易开放、能源组合的多样性、 国内储备生产、自给自足、贸易伙伴的 SWI 多样性、可能供应商、 合同年期限、战略应急储备、存储容量 15 能源安全指数 ［33］ 能源自给率、能源多样性、电力可用性系数、能量强度、电力和 新加坡、韩国、 1990—2012 热电厂总热效率、配电效率、碳强度、人均能耗、化石在一次能源 日本和中国台湾 消耗总量中所占份额 9 主成分析 泰国 1986—2030 25 主成分析 印度尼西亚 2010—2030 12 主成分析 16 综合能源安全 指标 ［34］ 17 能源安全性 ［35］ 18 能源安全指标 19 马来西亚能源 安全 ［37］ 20 一次能源总和、人均能耗、人均用电量、一次能量强度、最终能 量强度、传输损失、转化损失、储备生产率 （原油、天然气、煤 炭）、工业能源强度、农业能源强度、商业能源强度、人均家庭用 能、人均家庭用电、运输能量强度、可再生能源在总发电量中所占 的份额、可再生能源占总能源的份额、可再生能源占化石能源的份 额、净能源进口依赖性、人均排放量、单位 GDP 排放、家庭用电、 用于电力的收入份额、每户住宅能源 可用性、可负担性、效率、可接受性 15 优化模型 人均一次能源供应、电气化水平、获得现代居民生活燃料水平、 印度尼西亚、马 2002—2008 净进口与消费比率 （煤炭、原油、成品油、天然气、电力）、已探 来西亚、菲律宾、 泰国和越南 明储量与产量比率 （煤炭、原油、天然气）、生产多样性指数 （煤 炭、原油、天然气）、燃料混合多样性指数 （一次能源、发电、运 输部门）、炼油厂产出与产能比率、实际发电量与发电潜力比率、 库存与年消费总量比 （原油、成品油）、电力零售价格与 GDP 之比 （工业、商业、住宅）、液体燃料零售价格与 GDP 之比 （柴油、汽 油）、能源补贴与政府预算比率、能源进口成本与出口总额之比、 居民生活人均能源消耗、运输部门人均公里能源消耗、能源强度 （工业、商业、农业）、单位能源排放量、人均排放量 35 标准 化、加权 1970—2007 10 主成分析 石油供应风险指标、石油进口强度、石油强度、石油份额和石油 斯里兰卡、泰国 1990—2010 和越南 净进口依赖性、天然气供应风险指标、天然气进口强度指标、天然 气强度指标、天然气份额指标、天然气净进口依赖度、燃料份额多 样性、非碳基燃料份额、可再生燃料份额、碳排放强度和人均碳排 放量 ［36］ 能源安全指数 ［38］ 21 能源安全性能 22 能源不安全指数 ［40］ 23 能源安全水平 ［41］ ［39］ 可用性、可负担性、效率、环境管理 经合组织 一次能源供应总量、一次能源燃料 （煤炭、石油和天然气） 的平均 主要经济体和东 1990—2010 盟国家 储备与生产比率、自给率、可再生能源在一次能源供应总量中所占份 额、电价稳定性、拥有高质量电网连接的城乡电力用户比例、依赖传 统燃料的家庭、汽油价格、碳排放强度、能量强度、能源效率、能源 资源和库存、森林覆盖、供水、人均碳排放、人均二氧化硫排放量、 全球治理评级、能源出口、人均能源补贴、能源信息质量理 石油的重要性、依赖进口石油 （特别是从中东进口石油） 从技术性、经济性和社会性三个维度七个大类 （电、气、油、 煤、核、生物、热） 共计 61 个因素，如技术中：电力总装机容量与 最大电力需求之比、电厂最大容量与整个系统装机容量之比等 20 主成分析 亚太地区和 欧洲 1995—2015 3 主成分析 立陶宛 2007—2010 61 权重 www.hgjz.com.cn · 1626 · 化工进展，2022，41（3） 续表1 序号 名称 指标 区域 年份 指标数 方法 从技术性、经济性和社会性三个维度七个大类 （电、气、油、 煤、核、生物、热） 共计 61 个因素，如技术中：电力总装机容量与 最大电力需求之比、电厂最大容量与整个系统装机容量之比等 立陶宛 2007—2010 68 标准 化、权重 能量强度、碳强度 、进口依存度 （煤炭、石油和天然气）、能源 多样性、发电能力、运输能源需求 欧盟 2010—2030 8 加权平 均聚合 意大利 2014 2 情景和 概率分析 碳排放量、能源花费、事故、死亡率、事故频次、最大伤亡、井 喷、恐怖袭击、消费多样性、能源多样性、世界 （石油、天然气、 煤炭） 市场多样性 欧盟 2050 13 MCDA 分析 土耳其 1968—2007 4 主成分析 德国和美国 1980—2004 1 标准化 爱尔兰 2008—2014 39 供需指数 分析 24 能源安全水平 25 能源供应指数 ［43］ 26 国家能源安全指 数 ［44］ 27 能源供应安全 ［45］ 28 石油进口脆弱性 指数 ［46］ 进口依赖、价格、进口多样化、石油在能源进口总额中所占份额 29 能源供应风险指 标 ［47］ 原油、天然气 30 供求指数 ［48］ 31 外部能源供应对 欧盟能源风险的 贡献 ［49］ 煤炭、石油、天然气 欧盟成员国 2006 2 主成分析 32 能源安全价格指数 和物理可用性指数 ［50］ 价格、物理可用性 法国 2004—2030 2 集中度 33 能源安全指数 ［51］ 能源和经济效益、可负担性、可用性、环境管理 欧盟 2005—2014 11 主成分析 能源安全指数 ［52］ 能源供应多样性、内部政治稳定、国内能源效率 中欧和东欧 35 能源安全指数 ［53］ 36 石油脆弱性指数 ［54］ 34 ［42］ 国外能源供应安全 （外部） 和国家能源基础设施 （内部） 需求强度、工业、住宅、服务业、运输、供应、能源转换和传输 （电力、气、热、油）、一次能源供应 （油、气、煤、核、可再生 能源） 2005 欧盟 1990—2012 欧盟 12 主成分析 6 主成分析 1995—2007 6 主成分析 9 DEA 向 加 拿 大 东 部 1998—2008 出口石油的国家 5 主成分析 美国 1970—2040 37 主成分析 主要国家 1990—2008 2 比重 人口密度、人居能耗、人均 GDP、人居可再生能源生产、人均化 石燃料消耗量、可再生发电比例、可再生发热比例、可再生电力/火 电、当地居民与旺季游客的比例 农村社区 2009 9 主成分析 能量强度、消费、依附、国内生产总值、碳强度、可再生能源和 核能份额 石油消费、市场流动性、多样化、进口依赖、地缘政治风险 37 综合能源安全指 标 ［55］ 38 能源安全指数 ［56］ 39 美国能源安全风险 指数 ［57］ 地缘政治、经济、可靠性、环境等 40 国家/地区特定指 数 ［58］ 原油、天然气 41 能源可持续性指 数 ［59］ 能量强度、碳强度、高消费电子中能量比重、中型工业用户的电 波罗的海国家 价、能源进口依赖性、石油进口来源多样化、能源组合的多样化、 可再生能源在能源组合中所占份额 可用性、时间可访问性、当前可访问性、可负担性、可接受性 2008—2012 42 脆弱性综合指数 ［60］ GDP、能源进口依赖性、CO2 排放与能耗的比率、电力供应脆弱 性、运输燃料的多样性 工业化国家 2003 5 ED 标 准化 43 石油脆弱性指数 ［61］ 石油进口价值与 GDP、单位 GDP 石油消费、人均 GDP 和石油在能 源供应总量中所占份额、国内储备与石油消费之比 石油净进口国 2014 7 主成分析 44 全球燃料、燃料进口、能源支出、价格和市场波动、能源使用强 国际能源安全风险 度、电力部门、运输部门、环境等 指数 ［62］ 能源消费大国 1980—2004 29 主成分析 45 能源架构性能 指数 ［63］ 全球 2015 18 标准 化、聚合 全球 2008—2013 14 主成分析 全球 2000—2008 2 主成分析 46 能源安全指数 ［64］ 47 能源亲和力指数 ［65］ 经济增长和发展、环境可持续性、能源获取和安全 人均能源生产、自足率、储量 （石油、天然气、煤炭） 与生产 比率、SWI 指数、生产充足率、石油产品价格与人均 GDP 之比、 电价与人均 GDP 之比、电气化比率、生物质利用的人口百分比、 千人车辆拥有率、单位能源的排放量、排放强度、能量强度、配 电损失 国际能源关系 （竞争和互补） 2022 年 3 月 · 1627 · 梁金强等： “双碳”目标下能源安全定量评价方法 续表1 序号 名称 48 能源安全指数 49 能源过渡指数 ［67］ 50 51 ［66］ 指标 区域 年份 指标数 方法 能源生产总量与能源消耗总量之比、净燃料进口占能源使用百分 比、已探明储量 （天然气、煤炭、原油）、能源供应的多样性、发电 的多样性、获得永久电力连接的天数、配电损失与净发电量之比、 人均最终能源消耗、有电力供应的人口百分比、获得非固体燃料的 人口百分比、汽油价格、非化石燃料占一次能源供应总量的比重、 可再生能源发电量占总发电量的份额、碳因子、能量强度、政治稳 定、监管质量、政府效力、法治、控制腐败、人均国内生产总值 全球 2014 23 BSM 全球 2013—2018 40 主成分析 系统性能得分、过渡准备分数 能源安全、社会公平、减轻环境影响、政治力量、社会力量、经 济实力 能源可持续性 指数 ［68］ 能源三叶草指数 ［69］ 能源安全、能源权益、环境可持续性 22 主成分析 2017 35 主成分析 18 PCA、 DEA 29 主成分析 全球 2011 全球 52 能源安全指数 ［70］ 能源强度、人均能耗、碳排放强度、研究强度、（石油、天然气、 电力） 价格、人均二氧化碳排放量、（煤炭、石油、天然气、总能 源） 储产比 、能源依存度、人均二氧化硫排放量、二氧化硫排放 量、人均电力供应、自给率、二氧化碳排放量、石油依存度、能源 进口、人均 GDP、转换损失、森林覆盖率、净能源依存度、能源出 口、用水量、人均能源补贴、温室气体排放、政策稳定性、电力效 率、能源信息质量、居民对传统燃料的依赖、市场流动性 全球 1997—2017 53 能源安全指数 ［71］ 自然资源消耗 （化石燃料能耗、可再生能源消耗、电力消耗、人 均能源耗、单位 GDP 能耗、能源进口净额、燃料进口）、枯竭 （能 源消耗、矿物消耗、自然资源枯竭、森林净耗）、有效利用 （一次 能源的能源强度、单位 GDP 能耗、输配电损失、燃料出口）、新能 源 （可再生能源消耗、替代能源和核能、可燃可再生能源和废物、 可再生能源发电量占比、可再生能源发电量）、污染 （颗粒物排放、 二氧化碳排放、人均碳排放）、获得性 （可获得电力比值、农村可 获得电力比值、城市可获得电力比值） 全球 2000—2020 2.1 基于能源供应的能源安全评价 根据不同地区资源禀赋差异，能源安全的定量 评价主要聚焦于主导能源的供应。Iqbal 等[72]针对石 油进口国家的能源石油供应安全，发展了石油供应 脆弱性评估系统，用于定量评估能源安全。该系统 将石油进口费用与 GDP 比率、市场流动性、人均 GDP、地缘政治风险、运输风险、油价波动和美元 波动等作为评价因子，得到石油脆弱性函数 （OVI）。该函数可表示为式(1)。 OVI = 0.21Cost + 0.12GDP per capita + 0.16GOPR + 0.08ML + 0.07ODE + 0.17DIV + 0.05UDVI + 0.12OPVI + 0.04TR + ε (1) 式中，Cost 是指进口原油的费用占 GDP 的比 例；GDP per capita 是人均 GDP；GOPR 为地缘政治 风 险 ； ML 为 市 场 流 动 性 ； ODE 为 石 油 依 赖 性 ； DIV 为美元指数的波动；UDVI 为美元指数波动率； OPVI 为石油价格脆弱指数；TR 为运输风险；ε 为 常数项。 使用该评价方法可以评估进口石油国家的石油 供应风险。研究发现，各国在石油供应脆弱性上存 在相当大的差异，安全性最高的国家是加拿大、新 加坡、英国和法国、意大利、德国和美国。风险最 高的国家是阿富汗、巴基斯坦、尼泊尔、不丹、斯 里兰卡和孟加拉国。中国、比利时、泰国、西班 牙、荷兰、日本、韩国、印度处于风险较低的水 平。基于单一能源子系统的石油供应安全，国内外 众多专家和学者发展了石油供应安全的定量评价方 法[19，46，54，58，73]，考察了石油进口国、欧盟和中国等 国家的能源安全水平。第二次工业革命后，石油作 为一个重要的战略资源，石油中断带来的能源安全 危机，对世界各国影响很大，尤其是石油进口国。 但是，随着能源多样化和低碳化发展，石油在一次 能源中的地位逐渐下降，石油供需矛盾向能源低碳 化和绿色化利用转变。因此，该评价方法中各指标 权重会随着时间发生变化，石油脆弱性指标在整个 能源安全体系中影响也会降低。 目前，煤炭资源在我国能源消费结构中占主导 地位。Yang 等[74]发展了熵重法和神经网络相结合的 方法，综合考虑了煤炭储备、煤炭工业发展水平、 环境可持续性、煤炭供应、煤炭需求和煤炭进出口 等因素，从国家和省级两个层面分长期和短期制定 不同的评价指标参数，定量评价了中国各个省份的 煤炭资源供应安全。研究发现，东南部沿海省份的 煤炭资源安全水平相当低，西部和北部省份的煤炭 资源安全较高。福建、山东、湖南、广东等地的煤 炭资源安全一直处于较低水平。陶然等[14，75-76]基于 www.hgjz.com.cn · 1628 · 化工进展，2022，41（3） 单一能源 （煤炭） 子系统的供应安全评价方法，分 来了巨大的挑战和不确定性，可再生能源的渗透使 别考察了中国和波兰等国家的能源安全水平。单一 传统电力在调度方面面临更多的竞争[79]。可再生能 能源 （煤炭） 子系统的供应安全评价方法主要用于 源在时间和空间上存在巨大的不均衡性，当光伏发 煤炭消费占比较高的少数几个国家或地区，煤炭区 电在傍晚时分减少，而且没有足够的替代发电能力 域供应安全是研究的一个方向。在“双碳”目标 来满足需求时，就会给能源安全带来负面影响。能 下，煤炭供应安全向煤炭利用的环境安全方向 源安全水平不仅取决于可再生能源份额的增加，还 聚焦。 取决于各国能源资源综合体的结构以及各种可再生 天然气因具有较高的氢碳比，是当下全球着力 能源的发展水平[80]。 基于能源供应的安全评价方法一般用于评价单 发展利用的清洁资源，在实现碳中和的过程中发挥 [29] 着重要的作用。Cablu 等 建立了气体强度、进口 依赖、生产与消费比率、地缘政治风险 4 个因素关 联的天然气脆弱性指数，考察了 2008 年亚洲 7 个天 然气进口国天然气供应中断的相对脆弱性。因为国 一能源子系统，这些安全评价方法针对性较强，能 够准确的评价某单一能源子系统的供应安全水平， 但是用于评价综合能源的安全性还存在很大不足。 2.2 基于国家或区域的能源安全评价 内天然气产量很大，且其在能源结构中所占份额很 能源安全的定量评价一直受到国际社会的广泛 小，印度和中国相对受到天然气供应中断的影响较 关注，世界各国纷纷开发了适合本国特点的能源安 小。此外，Cabalu 和 Glynn 等 发展了基于天然气 [30] [48] 供应，建立了天然气供应安全指数评价体系，天然 气进口多样化和能源结构多样化可以降低天然气进 口中断带来的影响。政府还可以选择通过鼓励研究 和开发提高天然气使用效率的技术，从而减少对天 然气的总体依赖。天然气作为清洁能源，是未来可 全定量评价体系[15]。如世界经济合作组织建立了能 源安全指数评价体系，该体系采用 4 个维度 （可用 性、可承受度、能源效率和环境影响） 来评价经合 组织内各个国家的能源安全水平 （见表 2）。通过 对经合组织内 22 个国家 1970—2010 年期间的数据 分析，发现许多工业化国家在保障安全、可靠和可 以大力发展的重要能源，且天然气在全球能源消费 负担的能源供应以及向低碳能源系统过渡等方面存 中的占比逐年增加，天然气供应安全评价方法将是 在一定的问题，这些问题的发现可为能源政策的制 未来一个重要的能源安全评价方法。同时，天然气 定提供理论依据[38]。 参与供热和供电两大功能将会与可再生能源耦合互 补，弥补可再生能源在时空上的不平衡。 可再生能源作为未来大力发展的主要替代能 [77] 源，在脱碳进程中发挥着重要的作用 。在新的能 源体系下，环境友好也是能源安全的重要因素，因 此，有学者研究了可再生能源对传统电力的冲击和 Wu 等[70] 使用数据封装分析法评价了全球能源 安全，研究数据的时间跨度为 1997—2017 年，研 究对象为全球 125 个国家。结果表明，欧洲国家在 全球能源安全排名中名列前茅，而非洲国家则排在 底层。此外，瑞士在能源安全排名中保持了 21 年 的榜首。澳大利亚、英国和爱尔兰都属于进步的群 挑战[78]。可再生能源的投资成本在持续下降，再加 体和能源安全最高的群体。相比之下，尼泊尔、厄 上众多的激励措施，导致可再生能源在能源消费结 立特里亚、贝宁、刚果民主共和国、津巴布韦和海 构中的比例迅速上升。以上这些变化给电力调控带 表2 地在 21 年间的倒退幅度最大，尼泊尔也是最近几 经合组织国家的能源安全性能评价体系指标 维度 解释 指标 可用性 使用于提供能源服务的燃料多样化，以及使用这些燃料的设施的位置多样化，促进能够迅速从攻击 或中断中恢复过来的能源系统，并尽量减少对外国供应商的依赖 石油进口依存度 天然气进口依存度 对石油运输燃料的依赖 经济性 能源和经济效益 环境管理 为消费者提供负担得起的能源服务，最大限度地减少价格波动 居民电价 汽油价格 提高能源设备性能，改变消费者态度，降低能源价格风险，缓解能源进口依赖 客车的公路燃料强度 单位 GDP 能耗强度 人均用电量 保护自然环境 二氧化硫排放 二氧化碳排放量 2022 年 3 月 梁金强等： “双碳”目标下能源安全定量评价方法 年表现最差的国家之一。该方法应用到全球 125 个 国家，适用范围较广，但由于每个国家能源安全指 标数据的提供有限，能源安全选定的维度和指标必 然受到限制。因此，得到的评价结果或许与客观实 际存在差异。 Gong 等[23] 采用熵权重量法对中国 30 个省份的 能源安全进行了定量评价。该方法克服了过程中指 标权重的主观性，避免了主观权重引起的数据差 异。结果显示，内蒙古、山西和陕西的能源安全水 平在 2017 年位列全国前三。从 2004—2017 年，中 国能源安全经历了变革、衰退、波动、下降和改善 5 个阶段。Geng 等[20]针对中国的能源供应安全，从 能源外部供应风险、能源进口可负担性、能源技术 与能效发展、能源资源储备 4 个维度提出了包括 7 个综合评价指标的定量评价体系。该体系中将 7 个 指标归一化处理后，得出了 1 个综合指标 I0 表征中 国能源供应安全形势。上述两种能源安全评价方法 分别从区域和时间上评价了中国能源安全性，对中 国的能源安全和政策的制定具有一定的参考价值。 但是，这两种方法均没有考虑可再生能源消费数 据，没有考虑可持续性对能源安全的影响。因此， 在“双碳”目标下，上述两种能源安全评价方法在 评价和量化当前的能源安全方面具有一定的局 限性。 城市是能源消费中的重要基本单位，Li 等[77]基 于生态网络分析了城市系统能源安全与可持续性， 以唐山市为研究对象，建立城市能源生态网络，分 析了唐山的城市能源系统。在网络中，节点是部 门，路径是部门之间的流动。供热、炼焦、燃气、 煤炭产品等行业是系统整体能源的提供者，工业和 家庭部门是接收者。研究显示，随着系统能源流动 的稳步增加，对干扰的抵抗力也有所增强，该系统 更加稳定。然而，工业部门的整体消费最高，家庭 部门仍然消耗大量热量。通过引入天然气、太阳能 等低碳排放能源，可以增强城市能源系统的稳定 性，提高能源安全性。城市能源安全是未来研究的 重要方向，生态网络模型可以刻画能源在区域或行 业间的流动，与大数据相结合形成智慧能源、智慧 城市、智慧交通对未来的城市集群或区域经济带的 能源互补和产业互通有着非常重要的应用价值。 我国省级能源安全呈现较大差异，Huang 等[81] 采用模糊模型和数据封装混合模型评估了我国区域 能源安全水平，东部和南部沿海省份的能源安全等 级均优于西部和北部地区。中国东南部的能源供应 · 1629 · 最为多样化，甚至实现了能源独立。西北地区也是 主要能源生产地之一，但偏远恶劣的自然条件阻碍 了当地经济发展，导致经济产出低下。尽管东北地 区在计划经济时代拥有雄厚的工业基础设施和显著 的经济成就，但面临着同样的形势。黄河中西部、 东北、中游是三大能源安全等级最差的地区，虽然 该地区具有丰富的化石能源和可再生能源，然而， 地理偏远、工业结构单一和技术落后阻碍了矿物燃 料的有效利用和可再生能源的发展。但是，Li 等[82] 根据能源的可得性和稳定性、能源使用维度的可持 续性和可接受性建立了能源安全评价体系，却得出 截然不同的结果，山西、陕西、四川等自然资源丰 富的西北和东北省份能源安全水平较高，而浙江、 广西、江西等资源短缺地区的能源安全水平较低。 因此，为了加强省级能源安全，建议根据各省不同 能源安全水平发展清洁能源，优化终端能源消费结 构，提高能效。相同的区域，因为选择的模型和参 数的不同，却得出截然不同的结果。模型本身没有 好坏之分，模型和参数的选择应充分考虑区域特 点，选择适合该区域的模型和参数才能得出可靠的 结论。同时，模型和参数也不是适用范围越广就 越好。 Zhang 等[22]引入模糊分析 （AHP）、灰色关系分 析 （GRA） 和排序优选技术 （TOPSIS） 混合模型 来评估能源安全，将能源安全分为可用性和多样 性、可负担性、社会性和平等性、能源基础设施、 技术和效率、环境可持续性和治理 7 个维度 28 个指 标。首先通过绩效分数来评估能源安全，从而确定 国家或区域能源安全绩效状态。为了进一步探究导 致能源安全性好或差的原因，通过连续问为什么进 行定性分析，最终给出根源的解决方案。这两种技 术回答了关于能源安全的不同问题，一种侧重于 如何解决，另一种侧重于原因。应用该模型对 2005—2017 年河南省能源安全进行了评价。结果 表明，这一时期该省能源安全呈上升趋势。2005— 2010 年，该省的能源安全绩效仍然很低，主要原 因是能源结构简单、设备和基础设施陈旧、能源效 率和技术落后、能源产品和服务不足以及对能源 治理和环境可持续性的认识不足。随着国家和地方 经济的发展、科学技术的进步，能源效率不断提 高，促进了河南省能源安全水平的提高。2010— 2015 年，河南省能源消费量逐步上升到 2 亿多吨标 准煤的历史高位，阻碍了能源安全水平的提高，甚 至导致一定程度的下降。随着中国经济增长速度放 · 1630 · www.hgjz.com.cn 缓，政府开始调整产业结构，减少过剩产能，实现 经济转型。这些都解释了能源安全性能在 2010— 2015 年间震荡和小幅下滑后缓慢而稳定的好转。 可以预见，当中国经济进入“新常态”阶段时，河 南省的能源安全性将继续上升。但是，河南省要实 现较高水平的能源安全还有很长的路要走，尽管这 些年取得了持续改善，但发展势头依然不强。 基于国家或区域的能源安全评价是一种综合能 源安全评价方法，评价模型中的各参数是根据国家 或区域的特点选择，类似于区域特征参数。因此， 不同的国家或区域的模型参数不同，同一个模型应 用到不同的国家或区域效果不同；同一国家或区 域，如果特征参数选择不同，得到的结果也不相 同。因此，基于国家或地区的能源安全评价具有地 域特征，该能源安全评价方法的普适性略差。 3 “双碳” 目标下能源安全评价 能源系统是一个综合性的复杂系统，除了考虑 能源本身的属性，越来越多的评价指标中加入了二 氧化碳、人均二氧化碳、森林覆盖率等环境因素。 另外，二氧化硫、大气颗粒物等也作为环境指标用 来评价能源安全。 Shittu 等[83] 认为能源安全与自然资源、生态环 境之间存在紧密的关系，以亚洲 45 个国家为研究 对象，采用 1990—2018 年的相关数据，根据最小 二乘和误差回归法，得到生态足迹消耗、自然资源 指数、环境绩效指数、能源安全、人均 GDP 之间 的函数关系。研究结果显示，能源安全和生态足迹 之间呈现负相关。生态足迹和经济增长之间为非线 性关系，环境绩效指数促进生态足迹，但人口增长 降低了环境可持续性。 人类生存不可或缺的三大物质是水、食物和能 源，有研究人员将这三者关联起来[84-85]。Yang 等[86] 基于云模型、灰色模型 GM(1,1)和相关性分析方法 构建了水资源与能源安全风险评价模型，定量评价 了 30 个省(区、市)2020 年的水资源与能源安全风 险。能源安全风险与水资源短缺风险的空间分布明 显不一致。例如，新疆、甘肃、宁夏、山西、陕 西、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁等地的水资源严 重短缺，但能源相对丰富，属于低风险地区；北 京、河北、青海、河南、江苏、湖北、上海、福 建、浙江、广东、广西、安徽等地的能源行业用水 与能源生产存在紧密的联系，能源生产用水大约是 能源供应用水的三倍，电力和热能的生产和供应对 化工进展，2022，41（3） 能源生产用水和能源供应用水总量的贡献最大[87]。 二氧化碳的排放已成为各国能源政策中的一个 重要决定因素。Lin 等[88]通过应用 MARKAL 模型进行 能源需求、供应和能源安全分析。由于清洁能源的 贡献，能源需求多样化指数显示能源资源的多样化 水平提高，石油净进口依赖性和脆弱性指数呈下降 趋势，有利于能源安全。可再生能源在一次能源结 构中的比例提高，将有利于减少二氧化碳的排放。 经济增长、能源消耗和环境保护对各国能源安 全政策的规划提出了重大挑战。Huang 等[89]分析了 经合组织国家的能源安全和经济增长与 CO2 排放脱 钩的相关性。结果显示，澳大利亚、瑞士、德国、 丹麦和瑞典的能源安全和脱钩表现比经合组织其他 成员国更稳定、更好。因为这些国家已经实现了碳 达峰，即将实现碳中和，其经济发展与二氧化碳排 放之间的相互作用力较弱，实现碳中和的目标更加 容易。 “双碳”目标下的能源安全评价方法是一种综 合能源安全评价方法。该方法充分考虑了环境因 素，尤其将二氧化碳排放量和二氧化碳排放强度纳 入评价体系。因此，相较于前面两种评价方法，该 能源安全评价方法更加全面。但是不同的能源安全 评价模型选择的因素各不相同，各分项指标所占权 重还存在很多争议。能源安全评价参数的选取非常 重要，不同的参数的选择，能源安全评价结果也不 尽相同。 4 能源安全评价方法对比 基于能源供应的能源安全评价一般是单一能源 子系统的安全评价，比如煤炭、石油、天然气等的 供应安全评价，单一能源子系统的安全评价具有更 好的针对性，指标参数更加明确，结果准确性更 高。但是，用于全面评估能源安全存在片面性。 基于国家或区域的能源安全评价是一类包含多 参数的综合评价方法，参数涵盖了能源、经济、政 策、技术、环境等多因素，能够比较全面地反应影 响能源安全的众多因素发挥的作用。但是，这类综 合定量评价方法适用于特定的国家或区域，对于其 他国家或区域可能不具有普适性。 “双碳”目标下的能源安全定量评价是一种综 合评价方法，在“双碳”目标下，影响能源安全的 因素中需突出考虑环境因素的影响。加入二氧化 碳、人均二氧化碳、森林覆盖率、二氧化硫、大气 颗粒物等作为环境中的重要指标，用来评价能源安 2022 年 3 月 梁金强等： “双碳”目标下能源安全定量评价方法 全。二氧化碳排放量与化石能源在能源消费结构中 的占比有很大关系，可再生能源作为环境友好型新 能源，可以有效降低碳排放。因此，可再生能源也 是该方法需要考虑的重要因素。同样的，这类能源 安全定量评价方法也存在一定的地域性。 · 1631 · Review of Economics and Finance, 2002, 42(2): 235-250. 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Energy Policy, 2010, 38(2): 887-895. 能源安全具有时间属性，随着时间变化能源结 构发生变化，能源安全的具体内涵也随之变化。能 源安全不仅仅是能源本身的安全，还与政治、经 济、文化、环境、气候等多种因素相关，能源安全 的定量评价非常重要。 能源安全定量评价系统中，能源结构及相应的 参数选择很重要。在以化石资源为主的能源体系 中，油气煤的供应与利用是能源安全的核心，与此 相关的参数选取是定量评价的基础。在以可再生能 源为主的能源体系中，风电、光伏发电以及生物质 能源等随地区和时间的波动将是影响能源安全的关 键，与此相关的环境、生态、气象等参数将显示出 非常重要的作用。在“双碳”目标下，CO2、水、 粮食等也应作为重要的评价指标纳入能源安全定量 评价体系。 中国作为最大的发展中国家，“双碳”目标下 能源转型已经成为非常重要的任务。国家能源安全 和经济发展、CO2 减排需要协同一致，特别是在能 源安全前提下如何实现能源消费结构平稳转型是一 个重要挑战。开展能源安全定量评价，合理规划能 源结构，实现能源系统平稳转型，避免局部地区出 现“电荒、油荒、气荒”等现象，也是亟需研究的 重要方向。 局部区域能源安全是未来发展的一个方向，每 一个城市或地域在保障经济高质量发展前提下合理 规划能源安全，需要充分考虑本地区资源情况和产 业布局。建立“双碳”目标下，全新的区域能源安 全定量评价体系，对于实现区域与相邻区域多能互 补和产业互补，保障区域能源安全具有重大意义。 对于综合指标的能源安全评价方法来说，确定 指标和指标权重是综合指标能源安全评价的重点。 在“双碳”目标和能源结构转型的过渡期，建立合 理的能源安全评价体系，为区域能源安全和国家政 策的制定提供参考。 参考文献 [1] BIELECKI J. Energy security: Is the wolf at the door?[J]. The Quarterly [5] SOVACOOL B K. The methodological challenges of creating a comprehensive energy security index[J]. Energy Policy, 2012, 48: 835-840. [6] SOVACOOL B K, SAUNDERS H. 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