最不发达国家的能源系统模型的建立—以马拉维为例

摘要

能源具有非常重要的地位，且与气候变化及经济发展密切相关。能源在满足人类基本需求，诸如炊事、取暖、照明、烧水和其他生活基本活动的同时，也维持和促进经济的发展，像农业、发电、工业、服务业和交通业。能源促进了人类、经济和社会发展之间的良性循环，这是发展中国家实现可持续发展所必须的。清洁能源的充足供应是提高人类生活水平、人类资本的数量与质量、经济发展和自然环境、政府政策效率的基础。
　　因此，能源消耗应当在人类长期发展过程中，没有破坏生态平衡的前提下，控制在可接受的范围内。这就意味着，能源生产和能源终端使用的技术都应是环境友好且高效的。尽管至少在未来的50年内世界能源供应并没有一个实质性的限值，但是因为环境、经济和地缘政治问题的出现，目前的能源系统依旧是不可持续的。
　　全球能源消耗量在过去200年内以超过20％的速度在增长。这一过程包含了能源从贫瘠到富饶的转型过程。然而这一转变远没有结束，并以持续的空间和短暂的不均匀性为特征。在能源数量上的转变也与能源结构和能源品质上的转变紧密相关。
　　第二个重要的转变就是能源使用结构的转变，它表示能源在哪里被使用和以何种形态被使用。这一转变引起能源从就地采集和在农村地区大量使用的传统能源形式，转变为从外地进口和大量在城市地区使用的现代能源形式。
　　另一个主要的能源转变就是能源消耗强度（或能源产能）的提高，其在总的宏观经济层面以单位GDP的能源使用来计算。总能耗强度，包括非经济能源使用，总体上在全球内随着时间提高。然而，由于存在短期快速增长与短期停滞或短期逆向发展，这一过程并非总是平稳的。
　　能源消耗强度在不同国家的发展方式折射出这些国家不同的国情和发展历史。经济发展是一个不断积累的过程，在不同国家因不同消费方式，收入水平，聚落形式，交通需求，工业结构，工业化的起步时间等而不同。
　　能源转型和/或能源消耗可以通过能源模拟工具对其进行分析、规划和管理，从而预测世界、地区、国家的未来能源情况和能源消耗对人类和自然环境的影响。
　　目前有大量的能源模型和能源模拟方法。然而，大多数能源模型是工业化国家建立并使用的，所以对于发展中国家和欠发达国家能源系统的预测也主要依据这些工业化国家能源系统的模型。因此曾经有人推断发展中国家和欠发达国家的能源系统也将如这些工业化国家一样的发展，并且当今发展中国家和欠发达国家的发展轨迹将于工业化国家历史发展轨迹相似，然而事实并非如此。快速发展中国家的发展过程显示，这一预测并不成立。因此，有必要对现有能源模型进行修正，使其能够正确描述发展中国家，尤其是欠发达国家的未来能源系统情况。
　　由于不同的能源的采集和使用方式，发达国家和欠发达国家的能源规划过程也应是不同。在欠发达国家，能源规划应关注于能源的分散管理，因此应引入供需管理工具，如能源定价和为改良的技术开拓市场等。
　　如许多欠发达国类似，马拉维的能源有几个主要来源，包括电能，薪材，石油，煤炭，太阳能和风能。其中薪材在马拉维城市和农村地区绝大多数人口中是使用最为广泛的。
　　马拉维生活和工业对能源需求在过去十年内有所增长。过去十年，马拉维面对严峻的能源问题，以频繁断电和严峻的燃料短缺为证。这种不稳定的能源供应对经济的影响日益凸显。一些欠发达国家，包括马拉维，都在经历着产能不足，电力缺乏，系统能效低和高成本等问题。受能源问题长期影响的国家在经济增长和生产力方面受到了重创。因此，寻找优化马拉维能源配置的方法，使其满足马拉维对能源日益增长的需求并境地能源对经济和环境的负面影响就显得尤为重要。
　　基于前述内容，本研究首先在如下内容中作出选择：开发马拉维自己的国家能源系统模型或采用其他可用的模拟工具。为与当前世界范围能源系统模拟趋势相符合，本文认为最好的方法是同时进行上述两个过程。因此，本研究的主要目的是提出最不发达国家的能源系统的综合模型。故采用下述三种模拟工具：MAED，AHP和多目标规划。具体来讲，研究目的为：(a)利用MAED对马拉维2008至2030年间的能源数据和能源需求进行模拟；(b)将MAED模拟的数据与AHP和多任务规划相结合对能源策略进行分析；(c)将此系统应用于对马拉维能源系统的研究，并分析可行性；(d)对马拉维能源系统提出可行的能源政策建议。
　　模拟的研究方法包括数据收集、筛选和分析。数据通过对居住和商业建筑的能耗调查获得。这些调查通过对家庭和商业建筑进行分层采样技术来实施。除调查数据之外，文中还使用了统计信息、政府能源数据、公共事业机构的数据等等。
　　为了发展住宅和商业区域现有和未来能源需求，我们将2008年视为能源平衡的基准年。来自于主要经济区域的能源消耗数据也进行了搜集。为了今后能源的需求，对三个源自于重要参数假定的场景进行了建立。这三个假定包括 GDP增长率，GDP结构，人口变动，工业发展，生活方式改变，宏观经济数据，教育机该预测显示总的能源需求将会基于2030年参数增长，加速增长以及平稳增长从48000GWh分别增长到60000GWh，69000GWh，54000GWh。最终各业的能源需求显示当工业和交通业能耗剧增时，全部行业的能源和电力消耗都维持在一个比较正常的增长范围内。工业和交通的能源需求到2030年将会同时有三次增长。然而，家庭仍将掌控能源的需求。人均能源需求基于2030年的参数增长，加速增长以及平稳增长从3700kWh下降到3000kWh，3500kWh，2700kWh。
　　人均电力需求基于2030年参数增长，加速增长以及平稳增长，从100kWh增长到1000kWh，1400kWh，800kWh。剑锋电力需求基于2030年的参数增长，加速增长以及平稳增长预期将达到4274MW，5352MW，3622MW。
　　除了周末，商业和家用电力消耗的季节性差异并未在这两个部分具有显著性差异。基于一个微弱的基础，负载模式几乎同样表明了其所需求的水平不具有显著性差异。然而，周日并未在周六之后获得最低的需求水平，继而在工作日有所增长。这主要基于服务业和工业的工作模式。
　　常规日负荷曲线表明家用消耗与电力消耗具有在整个季节中有相似性。然而，与工作日相比，家用消耗在周日和周六有一个相当明显的下降和延迟。该形式描述了马拉维国内的生活方式和行为模式。两个剑锋分别出现在早晨的7：00至12:00，以及傍晚的17:00带21:00，并且后者更明显。对于服务业，并没有显著性差异。然而，服务业数据显示从白天的06:00至18:00有显著地消耗量。其负荷系数仍然相当高。
　　多目标分析法被用于执行使人员福利最大化这一目标的同时兼顾经济效率，公平和环境质量。7个目标被纳入考虑，同时，个人优化分配的结果包括每年53,000TJ的木材和2,500RTJ的日照。
　　然而，在多目标优化的解决方案中进行行列式化，基于不同技术，经济，环境或个人偏好的重要性进行选择，一些目标比另一些更重要。正因如此，假定有四个不同的场景具有优先权。这些包括（1）与最优经济效益相关的行为（2）与节能和全球能源系统合理化相关的行为（3）最小环境影响的行为（4）对个人行为和工作有利的行为。
　　对于目标函数的权重分析结果表明木材时最受欢迎的方案。然而，太阳能光伏板的使用也同样在单一场景中有促进作用，虽然并不比木材促进作用大。以此可知，为使他得到广为使用，应适当减少它的成本。木炭同样在能源节约和全球合理化场景中得到偏好。当能源节约和全球合理化变得比其它各项更重要的时候，电网电力就得到了青睐。这是因为它几乎适用于所有终端使用。显而易见的是，煤油没有分配到任何一个场景中。显然，这表明煤油不适宜于家庭使用。
　　目标的敏感性分析显示以木材为燃料在马拉维并不稀少，对木材燃料产品的使用其最优化价值并不会改变，同时任何约束都只会有很小的变化。更多的分析显示（a）目标函数显示能源消耗，石油产品使用以及可再生能源使用比烹饪所需的能源，水力发电和煤油供应更敏感（b）用于安全，便捷和舒适的能源比水力发电和煤油供应更敏感。
　　根据该论文中的预测和分析，提出了一些建议。这些包括，针对其它，应推广太阳能热水喝节能住宅；安装节能设备；引入补贴和在能源部门直接融资；森林保护；利用可用的水力资源用于发电。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

Acronyms and Abbreviations

Definitions

目录

Chapter 1 Energy Use and Energy Resources

1.1 Impact of energy use

1.2 Sustainable development and equity in the climate change

1.3 Energy transitions and energy use

1.4 Energy system modeling

1.5 Modeling approach and requirements for Malawi

1.6 Least developed countries and energy

1.7 Energy resources

1.8 Energy consumption pattern

1.9 Thesis organization

Chapter 2 Problem statement, Research Purpose and Justification

2.1 Problem statement

2.2 Thesis aim and objectives

2.3 Study justification

Chapter 3 Energy System Modeling Tools

3.1 Introduction

3.2 Conceptual Framework of an Integrated Energy System Model

3.3 Characteristics of energy models

3.4 A review of energy modeling tools

3.5 Adoption of an integrated modeling tool for Malawi

Chapter 4 Development of an Energy System Model for Malawi

4.1 Profile of national energy system of Malawi

4.2 Energy needs for Malawi

4.3 Modeling national energy system of Malawi

4.4 Final energy supply-consumption model of Malawi

4.5 Using final energy supply-consumption model as an IEP model

4.6 The integrated energy systems model

4.7 Summary

Chapter 5 Medium and Long–Term Analysis of Energy Demand

5.1 Selection of study time frame and base year

5.2 Energy use in the household sector

5.3 Energy use in the commercial Sector

5.4 Scenario development

5.5 Development of parameters on dwelling pattern and energy use in household sector

5.6 Assumptions on the commercial sector development

5.7 Energy demand projections

5.8 Projection of Electricity Load Patterns in the Household and Commercial Sectors

5.9 Summary

Chapter 6 Multi-objective Analysis and Results

6.1 Energy coefficients

6.2 Objective functions

6.2 Constraints

6.3 Model results and discussions

6.4 Sensitivity analysis

6.5 Summary

Chapter 7 Conclusions and recommendations

7.1 Conclusions

7.2 Recommendations

7.3 Posterior

7.4 Contributions

致谢

参考文献

Appendix A: Residential Energy Consumption Questionnaire

Appendix B: Commercial Buildings Energy Consumption Questionnaire

Appendix C: AHP Energy end users questionnaire on

Appendix D: Determination of AHP Weighting Factors