我国煤基替代燃料发展的损益分析

陈佳鹏 李冬嵬

(1.中国国际工程咨询公司，北京市海淀区，100048； 2.北京工业职业技术学院，北京市石景山区，100042)



我国煤基替代燃料发展的损益分析

陈佳鹏1李冬嵬2

(1.中国国际工程咨询公司，北京市海淀区，100048； 2.北京工业职业技术学院，北京市石景山区，100042)

首先从能源安全入手，分析其内涵，并归纳提出能源安全体系和框架图。其次在此基础上建立能源安全损益分析模型。最后对煤基液体燃料发展的损益进行分析，得出相关结论。

能源安全 煤基液体燃料 损益分析

随着我国经济的快速增长，社会生产对于石油的依赖更加强烈。对于我国的石油供应来说，在满足持续增长的生产需求的同时，还要保障能源安全，将石油进口对外依存度控制在一定的范围以内，这无疑是一个比较艰巨的任务。目前世界各国应对能源安全通常采用的手段是建立石油战略储备，但当前石油价格持续高位运行，因此寻找合适的替代能源(替代燃料)就成为了保障能源安全的研究热点。

1 能源安全内涵分析

1.1 能源安全综述

目前的能源安全模式起源于1973年的能源危机，关注点主要集中于如何处理产油国的石油供应中断。对我国来讲，使能源供应不要成为经济快速发展的瓶颈则是目前主要的能源安全关注点，另外，能源安全的关注点还应包括如何消除未来任何可能的由于中东等地局势不稳定等原因引发的石油供应中断问题。

剑桥能源咨询公司主席Daniel Yergin提到，如今，能源安全的定义需要扩展至对整个能源供应链和基础设施的保护。

布鲁金斯学会高级研究员Kenneth Lieberthal认为，中国能源不安全的根源在于中国强劲的经济增长刺激了能源需求的猛增，并远超国内能源供应和基础设施的承受能力。

中国工程院院士徐承恩等专家认为，能源安全实质上是市场需求安全，其核心问题是稳定的供应、合理的价格。他们指出，历史经验表明石油供应中断往往引起油价上涨，但油价上涨并非都与石油供应中断有关。

综上所述，能源安全不仅仅是应对产油国的供应中断，还应扩展至整个供应链的保护；能源安全只是短期中断的问题，且问题的本质是经济和价格问题。所以对于替代燃料来说，需要从保障能源安全的角度进行严格的经济性分析，通过定量的方法分析替代燃料发展规律。

1.2 能源安全体系

1.2.1 能源安全框架图

本文基于对上述能源安全文献的理解，提出了新的国家能源安全观。新的国家能源安全体系框架图如图1所示，图中箭头表示来源项决定和影响指向项，能源安全总体包括资源安全和价格安全两部分。

对一个国家来说，资源安全的要素包括资源拥有量、对资源拥有者的政治影响力、资源的军事控制能力和资源运输能力。资源拥有量本质上取决于国家的经济实力，尤其是对国外资源的拥有。对资源拥有者的政治影响力是指地缘政治能力，该能力背后的本质支撑是经济实力和军事能力，外交是实施手段，传统友谊是优势和法宝。资源的军事控制能力是政治的延续和最后解决手段。资源运输能力包括海上航线和输油管线的控制，以及造船能力和运输船队的拥有。

图1 能源安全体系框架图

影响价格安全的要素包括全球供需市场的供需平衡状况以及国际石油垄断组织(如欧佩克)对石油价格的操纵能力。全球供需市场受到四方面因素的影响：资源安全性、战略石油储备量、能源效率、替代能源的发展数量，这里的资源安全性是指资源储备和供应能力(包括备用产能)。国际石油垄断组织毫无疑问要追求其经济利益最大化，但其控制市场价格的企图和行为首先受到地缘政治的约束，此外还受到价格过高可能导致需求萎靡、长期经济利益受损的客观约束。

1.2.2 石油战略储备和替代燃料在能源安全中的作用

在需求确定的条件下，全球供需市场受到四方面因素的影响：资源储备和供应能力、战略石油储备量、能源效率、替代燃料的发展数量。前三者是保证石油市场安全的传统手段，而石油战略储备更是促进石油市场短期平衡的最直接和有效的手段，是现行对付短期石油供应中断和价格飞升的最重要手段。它不仅能延缓石油供应中断的影响，也能替代中断的供应量。

相对传统手段而言，替代燃料是保证全球和某一国家石油安全的新手段、新事物。它的作用主要是降低本国石油消费强度，在石油危机来临时可少受干扰，减轻高油价给国家经济带来的损失。但由于替代燃料的投资大、成本高、发展周期长，因此其活动水平低，对世界石油市场只有长期和缓慢的作用效果。

图1实际上也对石油战略储备、替代燃料和其他维护石油安全措施的相互关系进行了一定程度的表述。图1中，右下角标注“圈点”的条目表示需要花费经济成本的措施，石油战略储备和替代燃料是其中的两种。显然，有限的财力花在哪里是需要系统性思考和综合权衡利弊的问题，对于怎样建立战略储备或发展替代燃料来说，就存在利益权衡的问题。对于如何从收益和成本平衡的角度去定量地确定各自适宜的发展规模，需要建立能源安全损益模型进行分析。

2 能源安全损益分析

2.1 能源安全损益分析原理

本文借鉴美国橡树岭国家实验室对石油战略储备最优模型分析方法，扩展到计算石油战略储备和替代燃料发展的最优规模。模型的原理在于通过这两种手段保障能源安全过程中所损失的经济成本和获得的经济收益，在损失和收益之间寻找一个平衡的优化结果。本文将此模型称为能源安全损益分析模型。

2.2 能源安全损益计算原理

对于建立石油战略储备(SPR)或发展煤基替代燃料(ALF)，经济成本主要包括基础设施建设成本、运行维护成本和购买资源或燃料的相关成本。对于煤基替代燃料来说，还应包括相关的CO2处理成本。建立石油战略储备或发展煤基替代燃料能得到收益，只有在石油供应中断的时候才能显现出来，其原理如图2所示。

图2 SPR和ALF的收益计算原理示意图

国际石油市场供给量一旦明显低于其正常或预期的需求量，即发生石油供应中断，将影响国际石油市场的供需平衡，造成油价的上涨，从而会造成本国石油进口额外成本的损失。另外，由于石油短缺和油价上涨将造成本国GDP的损失，主要包括三部分：部门间调整，表现为人力和资本等生产资料通过市场在各生产部门间重新分配；迟滞效应，表现为由于对未来市场持观望态度而引起的投资和生产下降；消费形式变化引起生产资料再分配，如新建节能生产线、停用老生产线。

建立石油战略储备或发展煤基替代燃料，就是为了尽可能地避免这部分损失。替代燃料损益分析计算原理如图3所示，描述了发展煤基替代燃料的收益和代价，是否存在“最佳点”、以及如何寻找“最佳点”是替代燃料损益分析中的关键问题。

图3 替代燃料损益分析计算原理示意图

3 发展煤基替代燃料损益分析

本文选取煤直接制油为研究对象，计算发展煤基替代燃料的成本和收益，并通过计算其净收益，分析是否应该发展煤基替代燃料，应该发展多大规模的替代燃料。本文选取2010-2030年的时间段进行分析，并进行石油战略储备损益分析、煤基替代燃料损益分析、组合损益分析。

也许，这才是人间烟火气吧。易非想。陈留的脚会臭吗？他看起来那么洁净，都像有洁癖似的，肯定不会。若会，我会强迫他换袜子的，上午换一双，下午再换一双……想到这儿，易非笑了，笑过之后，倒在黑暗中不好意思的红了脸，尽管这黑暗中的胡思乱想没有人能察觉到。

3.1 模型相关参数的基本假设

我们对基准油价、单位基础设施投资等参数进行合理假设如下。基准油价P0(SPR购进油价)按70美元/桶，SPR单位基础设施投资为1000元/t，煤变油单位基础设施投资为7260元/t，年运行维护费用系数为7%，资本回收系数为12%，2030年石油国内需求量为7.4亿t，2030年煤炭国内需求量为39亿t，2010-2030年石油国内生产量为1.8亿t/a，2006-2010年GDP年均增长率为10%，2011-2025年GDP年均增长率为8.5%，2026-2030年GDP年均增长率为7%，CO2排放因子(煤)为2.72 t CO2/tce，CO2排放因子(石油)为2.08 t CO2/tce，单位CO2处理费用150元/t，煤制油效率为43%。

3.2 石油战略储备最优规模分析

本文选择我国石油战略储备(SPR)进行损益分析，重点计算建立SPR的净收益，并分析是否应该建立SPR，建立多大规模的SPR。不同SPR规模下的损益情况如图4所示。从图4中可以看出，总支出与SPR的规模呈线性关系，而避免石油进口损失和避免GDP损失则与SPR规模呈一定的非线性关系。因此可以得出的结论是，截至2030年，我国应该建立一定规模的SPR，并在建立规模1.9亿t时将有最大收益约1500亿元。1.9亿t的规模是总石油需求量7.4亿t的约1/4，这与有些国家的石油储备战略相似，即以国内3个月的石油需求量为标准建立石油战略储备。

图4 不同SPR规模下的损益情况

3.3 煤基替代燃料最优规模分析

本文选取煤直接制油进行最优规模分析，由于采用煤基替代燃料将会产生额外的CO2排放，这部分CO2的处理成本应该也包括在替代燃料的成本中。

不同煤变油规模下的损益情况如图5所示。

图5 不同煤变油规模下的损益情况

为了特别展示由于煤基替代燃料产生的额外CO2的处理成本，图5中将CO2处理费用提炼出来单独画线。从图5中可以看出，煤变油的生产成本和避免的进口损失是影响最终净收益的两个重要因素，CO2处理费用也不容小视，但发展替代燃料对避免GDP损失的作用有限。净收益曲线有一个最优点，即截至2030年，我国发展规模为1.2亿t的煤变油时，此时将获得最大收益约为300亿元。

3.4 石油战略储备与煤基替代燃料同时发展最优规模分析

前面分别对单独建立石油战略储备和发展煤基替代燃料进行了案例分析，作为应对能源安全的两个不同手段，同时在我国建立石油战略储备和发展煤基替代燃料，将是必然发展趋势。本文选取2010-2030年的时间段进行损益分析，计算结果如图6所示，其中左图为三维立体图，右图为对应的等高线图。

从图6可以看出，存在最佳的石油战略储备和替代能源规模，使我国在应对石油供应中断时有最大的收益。计算结果表明，在建立1.7亿t石油战略储备和发展0.7亿t替代燃料时，将有最大收益约1600亿元。从等高线图可以看出，在最佳规模附近，其收益也较大，所以图中中心圆圈内的点均可以认为是较优规模，即截至2030年，我国建设1.5亿～2亿t石油战略储备，同时发展0.5亿～1亿t的替代能源，将有较大的收益。

作为应对能源安全的两种不同手段，石油战略储备和替代燃料有一定的相互关系，如图7所示。

通过图7可以得出以下几点结论：

(1)两种手段有一定的补充作用，即多发展煤基替代燃料，就可以少建设石油战略储备规模，反之亦然。

(2)两种手段对于能源安全的效果不相同，相比而言，石油战略储备是保障能源安全最有效的手段，总收益里面的绝大部分来自于石油战略储备，而煤基替代燃料只是一个补充手段。

(3)当石油战略储备建设到一定的规模(约3亿t)时，发展煤基替代燃料并不会产生额外的收益。

本文只以煤直接制油为代表进行了煤基替代燃料的损益分析，且在进行分析时假设不再发展其他煤基替代燃料。但未来可能的煤基替代燃料还包括甲醇、二甲醚、烯烃等，如果考虑上述替代燃料的同时发展，只需将案例分析数据输入的煤基替代燃料成本、效率等，用同时发展的综合数据取代，即可计算出各种煤基替代燃料共同发展时的最优规模。

图6 不同石油战略储备和替代能源规模下的净收益

图7 石油战略储备规模和煤变油规模的相互作用

3.5 煤基替代燃料案例分析中关键参数的敏感性分析

近年来，国际石油价格在波动中上扬，为使案例分析的结果更为可信，本文将依据现实的情况，对损益模型中的关键参数进行敏感性分析。在影响能源安全的各个因素中，GDP/油价弹性系数和油价是其中最重要的两个参数，本文将对它们进行敏感性分析。

3.5.1 GDP/油价弹性系数的敏感性分析

石油价格的涨幅将对国民生产总值(GDP)产生一定的影响，这一关系体现在GDP/油价弹性系数上。影响GDP/油价弹性系数主要有三个因素：石油进口依存度、单位GDP的油耗水平和油价水平。本文根据不同文献的研究，对我国的GDP/油价弹性系数分别取-0.01、-0.02、-0.03进行敏感性分析，结果如图8所示。

图8 GDP/油价弹性系数对能源安全收益的影响

弹性系数的大小，表明油价对我国经济所引起的冲击的大小。弹性系数的绝对值越大，表明我国经济受油价影响就越大，反之亦然。从图8可以看出，GDP/油价弹性系数对于石油战略储备最优规模影响较大，而对替代燃料规模的影响较小。弹性系数从-0.01变到-0.02和-0.03时，石油战略储备的最优规模由1.1亿t，变到1.7亿t和2.2亿t，而煤变油规模由0.5亿t，变到0.7亿t和0.9亿t。

结果显示，随着GDP/油价弹性系数绝对值的增加，我国需要建立的石油战略储备规模也将增加，发展更多的替代燃料所获得的保障能源安全的净收益也将增大。

3.5.2 油价的敏感性分析

为了研究油价对替代燃料最优规模的影响，本文对油价的小幅变动对替代燃料规模的影响进行了敏感性分析，结果如图9所示。需要说明的是，这里的油价并不表示当前值，而是表示对从现在到2030年油价的平均期望值。

从图9可以看出，油价小幅波动对于替代燃料最优规模影响巨大，而对石油战略储备规模的影响较小。结果显示，当油价低于65美元/桶时，不应该发展替代燃料，而当油价大于75美元/桶时，应该大力发展替代燃料。另外，随着油价的增长，保障能源安全的净收益也将增大。

从上面的结果可以看出，油价对于石油战略储备和替代燃料最优规模影响巨大。在不同的油价下，不一定存在最优规模，在较多的情形下，要么可以大力发展替代燃料，要么不必要发展替代燃料。一般来说，在油价偏高的情况下，应该大力发展替代燃料，反之，则不应该发展替代燃料。

4 结语

通过以上分析可以看出，能源安全问题的本质是经济和价格问题而不是供应短缺问题。石油战略储备和发展煤基替代燃料是保障能源安全的两种不同手段，其收益主要来源于在石油供应发生中断时，所避免的进口损失和GDP损失。通过对能源安全的成本与收益建模分析表明，在保障能源安全的过程中，石油战略储备和煤基替代燃料均有一定的最优规模，在基准情景假设下，同时建立1.5亿～2亿t石油战略储备和0.5亿～1亿t替代燃料时，对于保障能源安全有最大的收益。建立石油战略储备和发展替代燃料对于保障能源安全有一定的补充作用，在保障能源安全的过程中，GDP/油价弹性系数是影响石油战略储备的最主要的参数。在进行替代燃料发展决策时，要充分考虑到未来油价的走势，并进行相应的损益分析。

[1] 徐承恩，刘克雨，赵伏等.石油安全和储备战略专题报告[R].中国工程院，2004

[2] 魏一鸣，范英，焦建玲等.国际油价波动对中国经济的影响预测[R].中国科学院预测研究中心，2006

[3] 王庆一.中国可持续能源项目——2007年能源数据[R].能源基金会，2007

[4] 李政，张希良，麻林巍等.中国替代能源发展战略研究[R].清华大学，2007

(责任编辑 宋潇潇)

Cost-benefit analysis of development on coal-based alternative fuel in China

Chen Jiapeng1, Li Dongwei2

(1. China International Engineering Consulting Corporation, Haidian, Beijing 100048, China; 2. Beijing Polytechnic College, Shijingshan, Beijing 100042, China)

Firstly, from aspect of energy safety, the authors analyzed connotation and provided energy safety system and frame diagram. Secondly, the energy safety cost-benefit analysis was built basing upon the system and frame diagram. Finally, according to analyzing cost-benefit on development of coal-based alternative liquid fuel, the authors got correlated conclusion.

energy safety, coal-based alternative liquid fuel, cost-benefit analysis

陈佳鹏，李冬嵬. 我国煤基替代燃料发展的损益分析[J].中国煤炭，2017，43(3)：21-26. Chen Jiapeng, Li Dongwei. Cost-benefit analysis of development on coal-based alternative fuel in China[J].China Coal，2017，43(3): 21-26.

TD-9

A

陈佳鹏(1980-)，男，博士研究生，专业：管理科学与工程，研究方向：煤炭工程管理。