中国能源系统在长期进口石油短缺情景下的韧性研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Sai Chen（中国矿业大学经济管理学院）和Ming Zhang（中国矿业大学经济管理学院），合作作者包括Yueting Ding（北京理工大学管理与经济学院）、Yan Song（西安电子科技大学经济与管理学院）及Rui Nie（中国矿业大学经济管理学院）。研究发表于2023年2月的期刊《Energy》第270卷，文章编号126831。

学术背景
本研究属于能源安全与系统韧性交叉领域。随着全球百年未有之大变局加速演进，新冠疫情和俄乌冲突等“黑天鹅”事件凸显能源系统的脆弱性。中国作为全球最大石油进口国（对外依存度73%），长期面临地缘政治导致的供应中断风险。传统能源安全研究多聚焦风险评估（如指标体系构建），而本文创新性地引入“韧性（resilience）”理论，通过系统动力学（System Dynamics, SD）模型量化分析中国能源系统（China’s Energy System, CES）在长期石油进口短缺下的动态响应能力，填补了现有文献对“系统在危机中行为机制”研究的空白。

研究流程与方法
1. 理论框架构建
- 定义能源韧性：采用Bruneau等提出的“性能曲线面积比”量化方法（公式1），以能源需求满足率（Energy Demand Satisfaction Rate, DSR）为性能指标，将韧性划分为四个阶段：准备期（S1）、吸收期（S2）、恢复期（S3）和适应期（S4）。
- 系统边界：涵盖石油、煤炭、天然气（NG）、非化石能源（NF）的供需子系统，以及能源替代、效率提升和非常规油技术突破三大恢复措施。

1. 系统动力学模型开发

   • 因果回路图：建立7个子系统的反馈关系（图2），例如石油子系统中“进口短缺→供应下降→需求满足率降低→触发替代措施”的正负反馈链。
     
   • 存量-流量图：通过Vensim软件构建包含148个变量的动态模型（图3a-3b），核心方程包括：
     
     • 石油可用量（AO）= 进口量×（1-短缺率）+ 国内产量（含非常规油）
       
     • 替代能源贡献量（如煤电替代量=过剩产能×煤-油转换系数）
       
   • 数据来源：国家统计局历史数据、NRDC和《中国能源展望2050》预测数据、行业报告（如CTL产能来自中国煤化工协会）。

2. 情景设计与模拟

   • 设置17种情景（表1），包括两类能源转型路径（“先立后破”稳健路径 vs “先破后立”激进路径）和三类恢复措施组合：
     
     • 单一措施情景（情景2-6）：如仅通过煤电（情景2）、煤制油CTL（情景3）或非化石能源发电（情景6）替代石油缺口。
       
     • 综合措施情景（情景7-11）：组合替代措施+效率提升+技术突破。
       
     • 敏感性分析（情景12-15）：考察关键参数（如煤电设备应急利用时间UTCPEE、非常规油技术突破速率UOPGR）对韧性的影响。
       

3. 模型验证

   • 通过蒙特卡洛敏感性测试（图4）验证UTCPEE等参数的显著性，确保模型稳健性。

主要结果
1. 单一措施效果
- 煤电替代（情景2）可快速填补30%石油缺口，但受环保约束后期能力下降（韧性提升1.58%）；
- 非化石能源（情景6）替代潜力最大（60%缺口），但存在3年延迟（韧性提升2.5%）；
- CTL/CTO（情景3-4）因规模有限仅贡献2%缺口（韧性几乎无变化）。

1. 综合措施优化

   • 情景8（调整煤电替代周期为2026-2028年+非化石能源产能提升5%）比情景7减少资源浪费，韧性达0.98。
     
   • 情景11（综合措施+技术突破）使DSR在2031年完全恢复，韧性值0.995（较无措施提升5.17%）。
     

2. 关键参数影响

   • UTCPEE每增加200小时，韧性提升0.4%-0.8%（图18）；
     
   • 非常规油技术突破（情景10）可补充30%缺口，韧性提升3.8%。
     

3. 转型路径对比

   • 激进路径（情景16）因过度削减煤炭导致替代能力不足，韧性较稳健路径低5%；
     
   • 叠加极端天气（情景17）时，非化石能源供应下降30%，韧性再降10%（图24）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次将韧性理论应用于能源系统评估，提出“性能曲线+SD模型”量化框架；
- 揭示不同恢复措施的时序协同机制：煤电短期应急、非化石能源长期主导、非常规油技术根本保障。

1. 政策启示
   
   • 建立“先立后破”的稳健转型路径，避免激进减煤引发的安全风险；
     
   • 制定分级应急预案，优先启动煤电替代并逐步过渡至非化石能源；
     
   • 加大非常规油技术研发投入，争取2035年产量占比达50%。
     

研究亮点
1. 创新性提出能源系统韧性动态评估方法，突破传统静态指标局限；
2. 通过多情景模拟量化不同政策组合效果，为决策提供科学依据；
3. 揭示“双碳”目标下能源安全与转型的平衡点，反驳“一刀切”去煤化观点。

局限与展望
模型未考虑油价波动影响，未来可引入经济模块；建议拓展至天然气等其他能源品种的韧性研究。

（注：全文数据因保密要求未公开，详见作者团队已发表文献[2][33][34]。）