能源安全测度的新维度：能源多样性

王小琴， 余　敬

(1.中国地质大学 经济管理学院，湖北 武汉 430074；2.达尔豪斯大学 工程学院，加拿大 哈利法克斯 B3J1Z1)



能源安全测度的新维度：能源多样性

王小琴1，2， 余敬1

(1.中国地质大学 经济管理学院，湖北 武汉 430074；2.达尔豪斯大学 工程学院，加拿大 哈利法克斯 B3J1Z1)

摘要：作为经济发展的源动力，能源及其安全测度问题一直是政府和学者研究的热门话题。将多样性引入到能源系统和能源安全研究中，探讨了能源安全和多样性之间的关系；界定了能源多样性的内容，包括国内能源供应的多样性和能源进口的多样性；利用香农-威纳多样性指数和Pielou均衡度指数，计算和分析了美国和中国近5年来的能源供应及进口情况，进而对其能源安全进行了对比研究。在2009—2013年，美国的能源多样性水平比中国高。结果表明能源多样性在一定程度上可以作为衡量能源安全的维度，中国能源多样性水平表明应致力于改变煤炭的主导局面，改善能源供应结构，拓宽和均衡能源进口渠道。

关键词：能源安全；能源系统；多样性；能源进口；能源供应

能源是经济发展的源动力，是人类赖以生存的基础。据BP世界能源统计，2013年新兴经济体的能源消费增长了3.1%，增长动力主要来自中国。而经合组织成熟经济体的消费量增长1.2%，超出了历史平均水平，这一增长完全来自于美国的强劲增长[1]。2013年，中国能源消费占全世界能源消费的22.4%，美国占世界能源消费的17.8%[1]，所以中美两国作为世界上最大的两个能源大国，一直是能源领域的热门话题，对两国对比性的研究也具有一定意义和代表性。

学者对于能源安全的概念，最基础的是从能源供给的连续性上来界定的，将能源安全定义为“能源供给连续、不中断” 或“能源供给连续地保障能源需求的能力”[2-4]。随着社会和经济的发展，学者赋予了能源安全更多的含义，包括经济、社会、环境、政治等维度。而对于能源安全的测度，亚太能源研究中心APERC[5]从地质存在(可用性Availability)、地缘政治元素(可获性Accessibility)、经济因素(可购性Affordability)、环境及社会因素(可接受性Acceptability)4个维度构建了能源安全评价指标体系，从而奠定了能源安全评价体系的基石。何斯征等[6]基于经济、社会和环境3个维度，构建了包含17个具体指标能源安全的指标体系。Vivoda[7]基于前人的研究，建立了一套包含11个维度、44个指标的能源安全的评价体系，用来评价某个国家或地区的能源安全。Sovacool[8]通过对包括国际能源署在内的许多国际权威的能源机构进行调研，开展了64个半结构化的研究访谈，提出了一套包括20个维度，200个评价指标的新的能源安全评价体系。可以看出，学者从经济、社会、环境等各个方面构建了能源安全的测度体系，少则上十个指标，多则上百个指标，这既加大了实际测度能源安全的难度，又降低了实证研究的可行性。事实上，任何能源系统，不管其大小或发展状态，都致力于满足不同的能源服务对能源的需求[9]。能源政策和技术通常被作为保持和提升能源系统安全的途径[10]，而大多数的利益相关者，包括决策者、能源专家都认为多样性对于能源系统中的能源安全是必不可缺的[11]，多样性也逐渐成为能源安全的代名词[12-13]。

多样性指数已经被各个领域开发用来测量其多样性水平，包括生物、生态科学、信息理论、统计学和经济学。对于多样性对能源系统影响的研究，大多数考虑采用的是香农多样性指数，有的也采用了香农-威纳指数[12，14]，该指数被广泛应用于计算生态系统的多样性。而国内学者对能源多样性的研究停留在国内能源供应多样性上[15]。因此，本文将多样性引入到能源安全的测度中，旨在探讨能源安全和多样性之间的关系，界定能源多样性的内容，利用香农-威纳多样性指数和Pielou均衡度指数计算来分析美国与中国能源多样性情况。

1能源系统、能源安全与多样性

1.1能源系统与能源安全

能源系统可以被描述成由外部和内部实体共同组成的层级结构。外部实体要么是一个为系统提供一次和二次能源的供应商，要么是一个消耗三级能源的消费端[9]。在内部，该系统由各个负责能源链的实体组成，实现一级和二级能源从能源供应商到能源消耗端的转换和运输[16]。

图1描述了一个通用的一般能源系统，包括7个流量：能源输入(由上游实体所提供的能源)，能源输出(本实体输出的能源)，需求输入(下游实体对能量的需求)，需求输出(本实体对上游的能源需求)，环境输入(环境对实体的非能源输入)，环境输出(实体对环境的排放和损失)，和政策输入(政府对实体制定的规则和责任)[16]。其中能源输入是系统中最基础也是最重要的流量，其输入的数量及种类都会对需求、环境、政策造成影响。

图1　能源系统通用结构

国际能源署将能源安全定义为“在给定价格下，满足能源需求的供给在物理上的可获得性，同时尊重环境问题”[17]。从这个定义中，可以总结归纳出能源安全的3个指标：Availability 可用性(不间断的物理可用性)，Affordability 可购性(价格是可接受的)，以及Acceptability 可接受性(尊重环境问题)。在当今能源匮乏，作为物理存在的可用性维度一直是能源安全的重要方面。但是，如何测度可用性和能源安全是学术研究中的难题。

1.2多样性

多样性这一概念最早出现在生态学，也是一种常见的生态学名词。事实上，在任何环境中的任何事物都会存在多样性。生态环境、社会文化存在多样性，生物种类、商业产品也存在多样性。

那么，对于能源系统的能源输入同样存在多样性。能源系统包括7个流量，其中能源输入是系统中最基础也是最重要的流量，其输入的数量及种类都会对需求、环境、政策造成影响。因此，能源输入的多样性对整个能源系统具有重要的作用。能源安全由可用性、可购性、可接受性3个指标构成，如何测度能源安全也一直是学术研究中的难题。在当今能源匮乏的形势下，作为物理存在的可用性维度一直是能源安全的重要方面。而能源可用性的数量及种类也会对可购性和可接受性造成影响。分析可以看出能源多样性与能源系统及能源安全具有紧密的关系，也对其具有决定性的影响。因此，通过对能源多样性的研究与计算，也可对能源安全水平有大致的把握。

通常，生物多样性的概念包含3个层次，即遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性。那么，能源多样性又包括哪些内容呢？能源系统中的能源输入以及能源安全中的能源可用性都涉及国内能源的供应以及国外能源进口两个渠道。因此，能源多样化包括国内能源供应多样化以及能源进口多样化，其中能源进口多样化又包括进口种类的多样化和进口来源的多样化。

2研究方法

多样性指数是用来描述一个群落的多样性的统计量。在生态学中，它被用来描述生态系统中的生物多样性，在经济学中可以用来描述一个地区中经济活动的分布。多样性指数是反映物种丰富度和均衡度的综合指标。本文采用能源领域最常用的香农-威纳指数，来计算和分析中美近五年来的能源多样性水平，并结合Pielou均衡度指数，大致掌握其能源安全水平。

2.1香农-威纳指数

步骤1：对于一个特定的对象系统R，通过每个个体的数量e，从而确定系统的总量P：

(1)

步骤 2：对于系统的每个个体，计算其相对贡献率pi：

(2)

步骤3：多样性指数是每个个体贡献比例的加权几何平均值(值越高，代表系统的多样性水平越高)

(3)

香农-威纳指数可以被用于确定系统能源输入的多样性，该值取决于能量输入的种类及其均匀度。一个只有一种能源输入的系统，其多样性为0(最小的可能值)。而当系统具有至少一种能源输入时，并且每种输入是均匀或相等时，其多样性指数达到最大。

2.2Pielou均衡度指数

均衡度用来描述系统中的个体的相对丰富度或所占比例，通常用Pielou均衡度指数E表示，其计算如下：

E=D/Dmax

(4)

式中：D为实际观察的实体多样性指数，Dmax为最大多样性指数(即最大均衡条件下的多样性指数)，Dmax=lnR(R为系统中的总实体数)。均衡度是表征能源供应或能源进口中各种能源是否均等的指数。通常用实际的多样性指数和其最大值的比较值来表示。

3中美能源多样性对比研究

3.1国内能源供应多样性

将香农-威纳指数运用到国内能源供应多样性中，公式(3)中的pi则代表第i种能源在国内能源供应总量中所占份额，R则代表能源供应种类的总数，D则是能源供应的多样性指数(其中D大于等于0，无上限)。

当能源供应的种类为1时，pi= 1，D= 0。当能源种类不断增加时，D的值也相应增加。除了和能源种类的多少相关外，每种能源所占的比例也决定了D的大小。因此，作为国内能源供应多样性程度的一种度量，D由能源供应的种类及每种能源所占的比例共同决定。这也就是说当能源供应的种类越多，同时能源供应中的各种能源所占比例越趋于均等时，国内能源供应多样性指数也越高，其多样性水平也就越高，能源安全水平也相应地越高。下面以美国和中国为例，计算近五年各国能源供应的多样性指数及均衡度指数，并对其进行对比分析。

3.1.1美国国内能源供应多样性

图2是美国2009—2013年能源供应构成的变化情况，近5年来，美国能源供应情况基本没有太大的波动，供应以石油、天然气和煤炭为主，但核能、水力发电以及可再生能源也占据了一定的比例。

图2　2009—2013年美国能源供应构成变化

2009—2013年美国国内能源供应结构状况、多样性指数和均衡度指数如表1所示。数据显示：5年间美国能源供应结构状况大体无太大的变化；多样性指数基本维持在1.4左右，均衡度指数大致在0.8左右；多样性指数及均衡度指数轻微的上升主要来源可再生能源比例的上升。

表1　2009—2013年美国能源供应多样化指数D及均衡度指数E

注：表中数据来源于BP世界能源统计年鉴，单位均为百万吨标准油当量。

3.1.2中国国内能源供应多样性

图3是中国2009—2013年能源供应构成的变化情况，近5年来，中国能源供应总量成上升趋势；供应仍以煤炭为主，煤炭的供应总量呈逐年上升的状态，虽然煤炭的占比有逐年降低的趋势，但截止到2013年煤炭仍占据了整个能源体系的67.5%；石油、天然气、水力发电占据了一定比例，但占比不是太高。核能及可再生能源占比微乎其微，虽然在这5年间有发展，但不是很明显。

图3　2009—2013年中国国能源供应构成变化

2009—2013年中国国内能源供应结构状况、多样性指数和均衡度指数如表2所示。数据显示：多样性指数普遍不是很高，在0.8～1.0之间波动，均衡度指数在0.5左右，主要是煤炭的大比例带来的；多样性指数逐年上升，均衡度指数也随之上升，能源供应结构状况有所改善，主要源自于天然气和可再生能源等的发展。

表2　2009—2013年中国能源供应多样化指数D及均衡度指数E

注：表中数据来源于BP世界能源统计年鉴，单位均为百万吨标准油当量。

3.2能源进口的多样性

能源进口多样化包括进口种类的多样化和进口来源的多样化。能源进口种类不外乎煤炭、石油、天然气等，因此进口来源多样化是影响能源进口多样化的主要因素，下面将以中国和美国的石油进口来源多样化为例进行对比分析。

将香农-威纳指数运用到石油进口来源的多样性中，公式(3)中的pi则代表从第i个国家进口的石油在石油进口总量中所占份额，R则代表石油进口渠道的总数(即进口国总数)，D表征石油进口来源多样性指数(其中D大于等于0，无上限)。

当石油进口来源为1时，pi= 1，D= 0。当石油进口来源不断增加时，D的值也相应增加。除了和石油进口来源多少相关外，每种渠道进口石油量所占的比例也决定了D的大小。因此，作为石油进口来源多样性程度的一种度量，D由石油进口来源及每种渠道进口石油量所占的比例共同决定。这也就是说当石油进口来源越多，同时进口石油中每种渠道进口石油量所占的比例越趋于均等时，石油进口来源多样性指数也越高，其多样性水平也就越高。下面以美国和中国为例，计算近五年各国石油进口来源多样性指数及均衡度指数，并对其进行对比分析。

3.2.1美国能源进口种类的多样化

2009—2013年美国石油进口来源状况、多样性指数和均衡度指数如表3所示。数据显示：美国石油进口主要来源于加拿大、墨西哥、中南美洲、中东、西非等，来源相对比较分散；多样性指数在1.8～2.0之间波动，均衡度指数在0.7～0.8之间波动；多样性指数及均衡度指数逐年下降，主要源于大比例的国家的进口量普遍不断增加(如2009年从加拿大进口121.7×106t，2013年增加到154.5×106t)，而小比例国家的进口量普遍在下降(如2009年从北非进口28.2×106t，2013年将为9.0×106t)，石油进口分散化程度逐年降低。

表3　2009—2013年美国石油进口来源多样化指数与均衡

注：表中数据来源于BP世界能源统计年鉴，单位均为106t。

3.2.2中国能源进口种类的多样化

2009—2013年中国石油进口来源状况、多样性指数和均衡度指数如表4所示。数据显示：中国石油进口主要来源于中东、西非等，来源相对比较集中；多样性指数在1.7～1.9之间波动，均衡度指数在0.6～0.7左右波动；多样性指数及均衡度指数总体呈逐年缓慢下降趋势(其中仅2010年较上一年有上升，源于2010年新增加拿大和墨西哥两个石油进口来源)，主要源于大比例的国家的进口量普遍不断增加(如2009年从中东进口103.2×106t，2013年增加到153.9×106t)，石油进口集中化程度逐年升高。

表4　2009—2013年中国石油进口来源多样化指数与均衡

注：表中数据来源于BP世界能源统计年鉴，单位均为106t。

4结论

本文从能源系统的7个流量和能源安全的3个指标出发，阐述了能源多样性与能源系统及能源安全的紧密联系。通过对能源多样性的研究与计算，可对能源安全水平有大致的把握。能源多样化包括国内能源供应多样化以及能源进口多样化，其中能源进口多样化又包括进口种类的多样化和进口来源的多样化。

在国内能源供应多样性上，中国的多样性水平低于美国。美国的能源供应结构相对比较均等化，供应以石油、天然气和煤炭为主，核能、水力发电以及可再生能源也占据了一定比例；中国国内能源供应主要以煤炭为主，占据了整个能源结构的一半以上，这也是造成中国能源供应多样性水平较低的主要原因，影响了能源安全的能源可用性以及环境可接受性。在进口来源的多样化上，以石油为例，美国石油进口主要来源于加拿大、墨西哥、中南美洲、中东、西非等，来源相对比较分散；中国石油进口主要来源于中东、西非等，来源相对比较集中。从总体来看，中国能源多样化和能源安全水平与美国有一定的差距。当然，中美两国能源多样性存在差距的原因还远不止这些，其内在原因还与两国的社会、经济、政治、文化、甚至与国民用能习惯有关。

虽然中国在开发新能源上不断加大投入，也有一定的效果，国内能源供应多样性逐年呈上升趋势，但是总体情况还不是太乐观，煤炭在能源结构中的占比仍然较高。通过与美国的对比研究分析得出：改善能源供应的多样性和均衡性以及增加能源进口渠道有助于改善和提高中国能源安全水平。主要措施包括：大力发展油气，积极因地制宜地发展核能、水能、风能、地热等清洁的新能源；有效利用国外能源资源，建立稳定供应渠道；坚持进口来源多元化战略，分化能源进口的风险。

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New Perspective for Energy Security Measurement：Energy Diversity

WANGXiao-qin1，2，YUJing1

(1.School of Economics and Management，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.School of Engineering，Dalhousie University，Halifax B3J1Z1，Canada )

Abstract:As a power of economic development，energy and its security measurement have been hot issues for government and scholars.This article introduces the diversity into the study of energy system and energy security，and explores the relationship between energy security and diversity.It defines the content of energy diversity，including the diversity of domestic energy supply and the diversity of energy imports.The Shannon-Wiener Diversity Index (Shannon-Weiner index) and Pielou Balanced Index are employed to calculate and analyze energy supply and imports of US and China of the past five years.And then the paper compares their energy security.The US had higher level of energy diversity than China in 2009-2013.The results show that energy diversity can be used as a dimension for energy security to some extent.China should be committed to changing the dominant coal-driven condition，improving energy supply structure，and broadening and balancing energy import channels.

Key words:energy security；energy system；diversity；energy import；energy supply

中图分类号：F416.2

文献标志码：A

文章编号：1009-4210-(2016)01-024-07

作者简介：王小琴(1985—)，女，博士研究生，从事能源安全、可持续发展研究。

基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金项目(13YJA790143)；教育部哲学社会科学研究重大课题攻关项目(12JZD034)；

收稿日期：2015-04-10；改回日期：2015-12-23

doi:10.3969/j.issn.1009-4210.2016.01.004

中国矿产资源战略与政策研究中心和中国地质大学(武汉)资源环境经济研究中心开放基金重点项目(H2015003A)