提煉能源轉型問(wèn)題的要素，強調應重視政策制定者、能源供應者等不同利益相關(guān)者行為的影響;梳理能源轉型研究的不同目的，即解釋(explanation)、預測(prediction)、推演(projection)及優(yōu)化(optimization)等，研究的要點(diǎn)及面臨的挑戰;歸納能源轉型研究范式的現狀與不足;提出基于技術(shù)-經(jīng)濟-行為統計學(xué)模型-真實(shí)人混合交互仿真及反復推演，協(xié)調優(yōu)化轉型目標與路徑的新范式。其續篇將討論能源轉型研究中的不確定性因素及分析方法。

引言

能源是人類(lèi)經(jīng)濟與社會(huì )發(fā)展的基礎。人類(lèi)對能源的開(kāi)發(fā)與利用經(jīng)歷了傳統生物質(zhì)、煤炭、油氣時(shí)代，氣候變化、環(huán)境安全、能源枯竭、公民健康等問(wèn)題使能源的清潔替代成為全球的共識。2015年第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì )上達成的《巴黎協(xié)定》中，各國同意將全球氣溫相對于工業(yè)化前水平的升幅控制在2℃內，并努力控制在1.5℃內。為了實(shí)現2℃的目標，2011—2050年間全球二氧化碳的累計排放量需控制在11000億t以?xún)?，?050年前全球約82%~88%、49%~52%和33%~35%的煤炭、天然氣和石油探明經(jīng)濟可采儲量將不得開(kāi)采[1]。

能源轉型的根本任務(wù)是構建清潔、低碳的新型能源體系。截至2016年底，全球大部分國家已實(shí)施相關(guān)的可再生能源(RES)支持政策，至少有176個(gè)國家制定了本國的清潔能源發(fā)展目標，丹麥、德國等轉型積極的國家計劃到2050年實(shí)現RES占終端能源比例達到100%和60%[2]。中國已經(jīng)成為全球最大的水能、風(fēng)能與太陽(yáng)能利用國，并正在進(jìn)一步推動(dòng)能源生產(chǎn)與消費革命，基于自身國情計劃在2020年、2030年和2050年分別將一次能源中的非化石能源占比提高到15%、20%和50%[3]。

能源的清潔轉型將伴隨系統中能量資源的來(lái)源(化石能源、RES、核能等一次能源)、能量的載體(煤/油/氣等傳統燃料、電能、熱能等)、能源基礎設施(生產(chǎn)、轉換、儲存、運輸、配送、用能等各個(gè)環(huán)節的設施)、能源市場(chǎng)機制、能源政策、能源供應者與消費者的行為等多種因素的轉變。

電能是連接一次能源與終端能源的橋梁，是當前應用最廣泛的二次能源。電網(wǎng)在綜合能源系統中占據核心地位，是推動(dòng)能源轉型的中心環(huán)節。RES的大規模利用離不開(kāi)電能，電網(wǎng)是在一次能源側實(shí)現清潔替代的關(guān)鍵。以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅強智能電網(wǎng)將支撐煤炭、RES等能源在廣域的快速輸送與配置[4-5]。由于電能的高效、便捷、清潔、友好、應用廣泛等特點(diǎn)，電力在全球終端能源中的比例從1973年的9.4%增長(cháng)至2015年的18.5%[6]。未來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展、電能對煤炭散燒的替代以及工商業(yè)等其他領(lǐng)域的電能替代將持續推進(jìn)全社會(huì )的“再電氣化”。國際能源署(IEA)預計到2040年前，全球40%的終端能源增長(cháng)將來(lái)自電能[7]。

然而，電力系統與一次能源研究長(cháng)期缺乏融合。隨著(zhù)化石能源直接輸送在運力、環(huán)境等方面遭遇的瓶頸[8]，風(fēng)電、光伏等RES發(fā)電大規模發(fā)展遭遇消納困境[9]，打破一次能源與電力系統研究長(cháng)期割裂狀態(tài)的需求更加緊迫。應在電力系統分析中計及化石能源充裕性不足所造成的一次能源阻塞[10];在一次能源清潔轉型研究中考慮高比例RES電力系統的基本特性[11]。

文獻[12]詮釋了在電力系統(powersystem，PS)的研究中逐漸增加對信息系統(cybersystem)、廣義物理環(huán)境(非電能源系統、非能源系統)、人的行為等社會(huì )系統(socialsystem)的考慮，從而依次拓展為智能電網(wǎng)(smartgrid，SG)、信息-物理-能源系統(cyber-physicalsysteminenergy，CPSE)、信息-物理-社會(huì )-能源系統(cyber-physical-socialsysteminenergy，CPSSE)的過(guò)程。能源轉型是一個(gè)典型的CPSSE問(wèn)題，與之相對應的研究不僅涉及與能源技術(shù)、氣候科學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)領(lǐng)域，還涉及與能源經(jīng)濟、政策機制、人的行為等相關(guān)的政治學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等社會(huì )科學(xué)領(lǐng)域。

各類(lèi)不同視角、對象系統以及具體內容的研究均可被歸為“能源轉型”的范疇。例如，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展、煤炭的清潔利用、終端能源結構的長(cháng)期演化(含電能替代)等。目前，仍沒(méi)有一個(gè)被普遍接受的“能源轉型”定義。其中，“一次能源結構的長(cháng)期演化”是被使用最多的定義[13-14]。限于篇幅，本文將集中討論上述定義所限定的范圍。若無(wú)特別說(shuō)明，后文的“能源轉型”均指“一次能源結構的長(cháng)期演化”。

過(guò)去幾十年中，能源轉型問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注與討論，但該問(wèn)題的研究現狀、面臨的挑戰等則未得到清晰的梳理。當前，涉及能源轉型的綜述性文獻大多以能源模型或工具為視角，范圍涉及能源供應與需求、電力市場(chǎng)、電力系統運行與規劃、分布式能源系統等能源領(lǐng)域各個(gè)方面的問(wèn)題，討論了模型的功能、建模方式等方面的分類(lèi)與比較，而未專(zhuān)門(mén)針對能源轉型問(wèn)題進(jìn)行深入的探討[15-20]。文獻[21]針對一類(lèi)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、人的行為的能源轉型模型進(jìn)行了綜述，比較了各模型在應用領(lǐng)域、技術(shù)-經(jīng)濟細節、參與者異質(zhì)行為、轉型路徑動(dòng)態(tài)、模型校正與驗證等方面的異同。該文是為數不多的專(zhuān)門(mén)針對能源轉型模型的綜述，但綜述的范圍較小、討論重點(diǎn)則僅是模型間的比較。

以本文為首的2篇系列論文將討論清潔低碳發(fā)展背景下的能源轉型研究問(wèn)題。本篇分析能源轉型問(wèn)題的要素;闡述能源轉型研究的4類(lèi)主要目的;歸納能源轉型研究范式的現狀及不足，建議基于技術(shù)-經(jīng)濟-行為統計學(xué)模型-真實(shí)人混合仿真研究能源轉型的新范式，討論該范式的基本思路、特點(diǎn)、框架模型以及需應對的問(wèn)題。

以下文章全文

(舒印彪，薛禹勝，蔡斌，韓建國，凌文，陳新宇)