基于性能的工业废热预热与内部加热转化化学能策略评估

《Energy》：Performance-oriented evaluation of regeneration strategies from industrial waste heat to chemical energy with preheating and internal heating

　　余晨|王美强 中国贵州贵阳550025，贵州大学管理学院 摘要：为解决中国各省非水可再生能源电力产能与消费需求之间的不匹配问题，本研究基于供需匹配原则，提出了一种整合发电侧潜力与消费侧韧性的配额分配框架。在发电侧，构建了一个旨在最大化国家电力生产中可再生能源比例的分配模型，以探索提升可再生能源发电能力以满足现有能源政策要求的潜力。在消费侧，则通过构建一个综合韧性指数来为各省系统分配消费配额，该指数用于应对可再生能源配额制政策下的各种压力和潜在风险。基于该框架，本研究提出了2026年各省非水可再生能源电力的生产与消费计划。主要结论如下：（1）通过挖掘提升潜力，国家非水可再生能源发电量及其占比分别提升至26133.75亿千瓦时和23.57%。内蒙古和河北的规划发电量最高，而青海的规划占比最高。（2）全国可再生能源配额制执行力度处于中等水平，各省份在应对政策压力和风险方面具备较强的技术和能源韧性。可再生能源配额制执行力度较高的省份承担更高的消费配额，而执行力度较低的省份则承担较低的配额。（3）为实现各省非水可再生能源电力供需匹配，需在各省之间输送7319.74亿千瓦时的电力，占总量的28.01%。最后，本研究提出了促进非水可再生能源电力发展与有效利用的政策建议。引言：随着全球化石燃料消耗的增加，能源短缺和气候变化问题日益严重。发展可再生能源以推动清洁、可持续的能源转型已成为国际社会的共同责任和紧迫任务。作为世界上最大的能源消费国和碳排放国，中国在能源转型方面肩负着重大责任和压力[1]。燃煤发电是中国化石能源消费的主要方式，也是碳排放的重要来源[2]。因此，加快从以煤炭为主的发电结构向以可再生能源为主的结构转型，是中国推进能源转型的关键路径[3]。近年来，中国积极推动可再生能源发电的大规模发展，其装机容量现已位居世界首位[4]。具体而言，如图1所示，自2016年以来，中国的可再生能源装机容量和发电量持续快速增长，尤其是风能和太阳能的发展尤为显著。然而，随着可再生能源发电能力的不断扩张，财政补贴负担过重、电力需求增长乏力以及风能和太阳能发电量被削减的比例过高等问题日益突出。为应对这些挑战，中国国家能源局于2018年实施了可再生能源配额制政策，要求各省在规定的时间内达到可再生能源电力和非水可再生能源电力的最低消费目标。在中国，非水可再生能源资源与需求中心呈现出地理上倒置且分布相距较远的格局，导致各省之间的产能与需求之间存在不匹配现象[5]。因此，大量非水可再生能源电力未能得到有效利用。根据中国新能源消费监测预警中心的数据，2024年风能和太阳能的平均发电量削减率分别为4.1%和3.2%。到2025年6月，这一比率进一步上升至5.7%和6.6%。对供需双方的分析表明，非水可再生能源的电力生产和消费存在明显的地区差异，如图2和图3所示。华北、西北和东北地区拥有丰富的风能和太阳能资源、广阔的土地以及较少的人口，因此成为非水可再生能源发电的主要基地。然而，这些地区的大部分省份经济发展水平相对较低，本地电力需求有限，从而导致风能和太阳能发电量被大幅削减。相比之下，华东和中部的多数省份经济发展水平较高，人口较多，对非水可再生能源的需求较大，且发电量被削减的比例较低。不过，这些地区往往因本地非水可再生能源资源匮乏而面临供应短缺的问题。为满足可再生能源配额制政策规定的非水可再生能源电力消费目标，电力富余的省份需要大规模输出电力，而电力不足的省份则需要大量进口电力。因此，有必要实现各省非水可再生能源电力产能与消费需求的匹配，以确保可再生能源配额制政策的有效实施。基于供需匹配原则，本研究构建了一个整合发电与消费双方的配额分配框架，进而设计了各省的发电与消费配额分配方案。在该框架下，科学设定发电与消费侧的配额是确保政策效果的关键步骤。过高的配额可能会超出省份的实际生产或消费能力，从而导致实施困难；反之，过低的配额则可能无法有效推动可再生能源发电的规模化发展，从而削弱政策的实施效果[6]。因此，有必要根据各省份的实际情况设定具有挑战性且可实现的配额。在发电侧，为实现提高电力生产中可再生能源比例的同时确保电力供应安全的能源政策目标，应如何设计分配方案？数据包络分析是一种无需预先定义函数形式即可处理多输入多输出问题的分析方法。由于其灵活性和适应性，能够满足不同的分配需求，数据包络分析已被广泛应用于各种复杂的配额分配问题中。因此，本研究基于数据包络分析模型，提出了一种旨在最大化国家电力生产中可再生能源比例的分配模型。在确保国家电力总产量不下降的约束条件下，该模型探索了提升可再生能源发电比例的潜力。在根据上述分配模型确定非水可再生能源电力生产计划后，接下来需要制定与之相匹配的消费责任分配计划。这样才能确保非水可再生能源电力的有效利用，从而激励对可再生能源的投资和利用，形成良性发展循环。在消费侧，各省面临着满足可再生能源配额制目标的持续压力，同时还面临着诸如电价异常波动、对可再生能源投资的积极性下降以及可再生能源配额制政策下风能和太阳能发电量被削减比例上升等风险[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而，目前的可再生能源配额制设计主要基于实现配额的基本条件，如资源禀赋、本地电力供需状况以及省际间电力传输能力[13]。它尚未考虑各省应对可再生能源配额制带来的压力和潜在风险的综合能力，从而导致可再生能源配额制目标与实际执行能力之间存在失衡。因此，有必要将各省系统应对可再生能源配额制压力及相关风险的综合能力纳入配额制设计框架之中。韧性理论可以为构建这样的配额制设计框架提供理论基础。该理论强调的是，当系统面临持续的压力或突然的灾难性冲击时，其保持稳定、适应变化并实现可持续发展的能力[14]、[15]、[16]。它已被广泛应用于经济、社会和能源等多个领域，以及城市和省级层面[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。从韧性的角度优化可再生能源配额制设计，可以提高政策在复杂环境中的适应性和可操作性。因此，本研究构建了一个用于评估各省系统应对可再生能源配额制压力及相关风险的综合韧性指数——可再生能源配额制韧性指数。该指数通过熵值法进行量化，然后作为分配可再生能源配额的依据。省域系统是由能源、经济、社会、技术、环境以及治理等多个子系统高度耦合而成的有机整体[23]。实现可再生能源配额制目标在根本上依赖于这些子系统之间的协同作用[24]。在此框架下，本研究将可再生能源配额制韧性指数定义为各省能源、经济、社会、技术、环境以及治理等多个子系统在面对可再生能源配额制压力及相关风险时，保持稳定、适应变化并实现可持续发展的综合能力。基于以上分析，本研究的主要贡献如下：（1）基于供需匹配原则，本研究构建了一个整合发电侧潜力与消费侧韧性的配额分配框架，突破了传统单一视角的优化思路。现有的配额分配研究大多从发电或消费某一側进行单视角分析，很少考虑如何匹配省际间的生产能力与消费需求。该框架为提升可再生能源配额制政策的整体效能提供了理论支持。（2）在发电侧，本研究建立了一个在保障电力供应安全的前提下，以最大化国家电力生产中可再生能源比例为目标的配额优化模型。该模型在确保总发电量不减少的情况下，探索了提升可再生能源发电比例的潜力，从而通过全国范围内的共同努力推动电力生产的低碳转型。（3）在消费侧，本研究构建了一个涵盖能源、经济、社会、技术、环境以及治理等多个子系统的省级可再生能源配额制韧性指数评估框架。该框架能够科学地评估各省应对可再生能源配额制压力及相关风险的综合能力。基于该指数制定的差异化消费责任分配方案，可以提高消费配额的实际合理性与政策适应性，为公平、有效地落实可再生能源消费责任提供新的思路。本文的其余部分安排如下：第二节回顾相关文献；第三节介绍配额分配框架与方法；第四节阐述研究主题、指标与数据来源；第五节呈现研究结果与讨论；第六节总结研究发现并提出政策建议。文献综述：近年来，可再生能源配额制政策在全球范围内得到了广泛实施，对推动电力生产与消费结构的转型发挥着重要作用[25]。澳大利亚、日本和韩国采用全国统一的可再生能源配额制，而美国和欧盟则允许各州自行确定可再生能源配额[26]、[27]、[28]。由于这些国家不需要对全国性的可再生能源配额进行拆分，因此关于可再生能源电力配额分配的研究相对较少。在配额分配框架方面：基于供需匹配原则，本研究开发了一种整合发电侧潜力与消费侧韧性的非水可再生能源电力配额分配框架，如图4所示。该框架将国家层面的可再生能源电力发电与消费配额分解到各个省级区域，从而明确并推进各省责任的落实。配额分配模型：本小节将介绍用于发电与消费侧配额分配的模型。研究主题：由于西藏、香港、澳门和台湾地区不适用可再生能源配额制政策，本研究选取了中国大陆的30个地区作为研究对象，用于分配非水可再生能源电力的发电与消费侧配额。为了进一步分析不同地区在可再生能源配额制韧性指数及配额水平方面的差异，本研究对国家统计局划分的七个区域进行了对比研究，这七个区域分别是华北、华东、华南、华中、西北、东北以及……发电侧配额分配结果：根据2026年的预测数据，本小节对全国非水可再生能源电力的省级发电配额进行了分配。在通过GM(1,1)模型预测出各项指标数据后，再运用模型（1）对各省的可再生能源发电量进行最优分配，以实现最大化国家可再生能源发电比例的目标。在本研究中，模型（1）中的参数设置为……该参数意味着可以根据各地的可再生能源发展情况，适当降低可再生能源发电量，降低幅度在0%到20%之间。研究结论：为解决中国各省非水可再生能源电力产能与消费需求之间的不匹配问题，本研究基于供需匹配原则，提出了一种整合发电侧潜力与消费侧韧性的配额分配框架。在发电侧，本研究基于数据包络分析方法建立了省级可再生能源电力配额优化模型，以实现能源政策目标。该模型旨在最大化……作者贡献声明：余晨：撰写——初稿、可视化、验证、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理。王美强：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所述工作的任何已知财务利益或个人关系。数据可用性：数据将应要求提供。利益冲突声明：? 作者声明没有可能影响本文工作的任何已知财务利益或个人关系。致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（编号72261006、71861004）的支持。