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能源供应安全（ESS）是能源政策和系统规划的关键目标，但在能源系统设计中常被忽视。研究人员构建 ESS 金字塔定量框架，以瑞士为例进行研究。结果显示该框架可评估 ESS，且瑞士向可再生能源转型能提升 ESS。这为相关决策提供了重要依据。
在能源领域，能源供应安全（ESS）可是至关重要的存在，它是能源三难困境（Energy Trilemma）的重要支柱之一。上世纪 70 年代的石油危机，让全球能源系统的脆弱性暴露无遗，各国纷纷将能源安全列为重点关注对象。可后来，石油价格大幅下跌，能源安全的紧迫性逐渐降低，能源公平（Energy Equity，如今用于描述能源供应在人群中的可及性和可负担性 ）和可持续性在能源政策讨论中占据了更突出的位置。
近年来，乌克兰战争等事件又把能源安全重新推到了各国政府议程的顶端。然而，目前的能源系统模型在分析时，常常忽略能源安全这一关键因素，对其的考量远少于能源公平和可持续性。而且，关于能源安全的研究虽然众多，但存在不少问题。一方面，现有的能源安全指标和维度繁杂，缺乏清晰的层级结构，政策制定者难以据此确定工作重点，也很难将研究结果转化为实际可行的策略。另一方面，很多研究把能源安全维度与其他因素混在一起，导致在危机时刻，难以精准聚焦能源供应安全面临的独特挑战。正因如此，开展一项能解决这些问题的研究迫在眉睫。
瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）等机构的研究人员挺身而出，针对这些难题展开研究。他们构建了能源供应安全金字塔（ESS Pyramid）这一定量框架，旨在为能源规划和政策制定提供有力支持。该研究成果发表在《iScience》上，为能源领域的发展带来了新的曙光。
在研究方法上，研究人员首先明确了能源供应安全的不同层级概念，将其分为自我生产（Self-Production）、自主性（Autonomy）、系统充足性（System Adequacy）、自给自足（Self-Sufficiency）和自给自足（Autarky）五个层级。然后，为每个层级制定了相应的定量指标，如自我生产等级（Self-Production Grade，SPG）、自主性等级（Autonomy Grade，AUG）等。在计算这些指标时，运用了如归一化香农 - 维纳多样性指数（normalized Shannon-Wiener Diversity Index）等方法，并基于能源系统平衡方程，结合瑞士的能源统计数据和相关模型预测数据进行分析。
研究结果如下：
- 能源供应安全金字塔层级解析：自我生产是能源系统利用国内供应满足基本能源需求的能力，它是能源供应安全的基础。自主性则体现为能源系统利用国内外供应满足基本和非基本能源需求的能力。系统充足性要求能源系统在任何时刻都能满足所有能源需求，保障供应的稳定性。自给自足意味着在特定时期内仅依靠国内资源满足所有能源需求，减少对进口的依赖。而自给自足是能源供应安全的最高层级，即完全依靠国内资源满足所有能源需求。每个层级对能源系统的可靠性和控制能力要求逐渐提高，较低层级的实现有助于推动高层级目标的达成 。
- 瑞士能源供应现状与未来情景分析：研究人员以瑞士为案例进行深入剖析。目前，瑞士能源供应高度依赖进口，超过 70% 的一次能源消费依赖进口，且在能源自我生产方面面临较大挑战。通过计算，其 2022 年的自我生产等级（SPG）为 0.21 ，自主性等级（AUG）为 0.74，系统充足性等级（SAG）为 0.86，自给自足等级（SSG）为 0.27，自给自足等级（AKG）为 0。到 2050 年，在向可再生能源转型的情景下，瑞士的能源供应安全状况有望显著改善。自我生产等级预计提升至 0.72，这得益于国内可再生能源生产的大幅增加。自主性等级将提高到 0.87 ，主要是因为能源进口量减少。不过，系统充足性等级会略微下降至 0.84，这是由于间歇性可再生能源的大规模接入导致。自给自足等级则会大幅提升至 0.77，这得益于能源系统的转型，如供暖和交通领域的电气化。但自给自足等级仍将维持在 0，表明瑞士难以在 2050 年实现完全的能源自给自足。总体来看，瑞士的能源供应安全指数（ESSI）将从 2022 年的 0.42 提升至 2050 年的 0.64 ，这意味着其能源供应安全性将得到增强。
研究结论和讨论部分指出，能源供应安全金字塔框架为评估能源供应安全提供了一种清晰且可衡量的方法，它综合考虑了能源安全的技术和非技术维度。通过对瑞士能源系统的分析，发现瑞士在向可再生能源转型过程中，虽有提升能源供应安全的潜力，但也面临挑战。例如，为应对可再生能源的间歇性，需部署灵活的氢电厂以维持较高的系统充足性。此外，加强欧洲能源市场一体化等非技术措施，也有助于提升能源供应安全指数（ESSI）。该框架能够与现有的关注成本或可持续性因素的工具相互补充，使决策者能更清晰地权衡能源三难困境中安全、经济和可持续性三者之间的关系。不过，该框架也存在一些局限性，如部分数据获取困难，指标权重的选择可能影响评估结果的准确性和可比性等。未来的研究可进一步拓展该框架在其他国家的应用，开发更精细的指标，完善容量因子（capacity factor，c）的量化方法，并关注网络安全等新问题，从而不断完善能源供应安全的评估体系，为全球能源发展提供更科学、更有效的指导。
