1 绪论
1.1选题背景及意义
能源不仅是人类社会发展的物质基础，更是经济社会持续发展的推动力。随着我国经济的快速发展，对能源的需求也在日益增多。从 2010 年起，我国就已经超过美国，成为世界最大的能源消耗国。在一次能源消耗中，化石能源占比高达 90%，非化石能源为 10%左右。根据世界能源统计，2014 年我国一次能源消费为 29.72 亿吨油当量，占世界一次能源消费的 23%，其中煤炭、石油、天然气消耗量分别占世界能源消耗的 50.6%、12.4%、5.4%。与此同时，三种化石能源的探明储量分别为 1145 亿吨、3.5 万亿立方米、25 亿吨，占世界能源的比例分别为 12.8%、1.1%、1.8%，而产量分别占世界能源产量的 46.9%、5%、3.9%，表明我国化石能源在被快速消耗。此外，据 BP 统计，2014 年我国 CO2排放量高达 97.61亿吨，占世界 CO2排放量的 27.5%[1]。电力行业作为国民经济社会可持续发展的重要保障，在能源消费中扮演越来越重要的角色。当前，我国电力市场正面临严峻挑战：一方面，我国以化石能源为主的能源结构深刻影响着我国电力结构的组成，以煤炭等化石燃料为主要来源的“火电”占比高达 75%以上，而以水能、风能、核能和太阳能等非化石能源为主要来源的“绿电”占比还不足 25%，远低于发达国家，这种以“火电”为主的电力结构产生了大量的 SO2、NOX、粉尘颗粒等对人体有害的污染物，带来了严重环境污染问题。此外，据统计目前全球 41%的 CO2排放量来自于以火力发电行业，进一步加剧了温室效应。另一方面，占比较低的“绿电”在发展过程中又存在着基础设施落后、核心技术缺乏、资源配置效率低下等一系列问题，使我国面临着“绿电”开发速度缓慢，能源、环境、经济三者不能协调发展等诸多问题。虽然我国煤炭储量相对丰富，但也不具有绝对储量优势，面对快速增加的用电需求仍显不足。所以，调整以煤电为主的电力市场结构对于缓解化石能源危机和环境污染都有着举足轻重的意义。中国经济发展进入了转型升级的关键时期，合理的能源结构是促进我国成功转型的关键因素之一。为此，国家从宏观战略层面出发制定了一系列改革措施：2014 年，国务院《能源发展战略行动计划 2014-2020》（简称《行动计划》）中指出，要降低煤炭消费比重，大力发展水能、风能、太阳能、地热能等清洁能源[2]；随后习近平在中央财经小组第六次会议中提出“能源供给革命”，倡导要大力发展清洁能源，着力构建包括水、风、核等清洁能源为主的多元驱动的能源供应体系[3]；2015 年以来，中央领导人多次提到的“供给侧改革”也强调指出要调整能源的结构性失衡，通过大力发展清洁能源来促进能源结构的优化调整[4]；国务院《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》中同样指出，要改革电力供应侧，大力提升清洁电力所占比重，建立多元工业、多轮驱动的电力市场体系[5]。由上可知，国家改革措施的核心与实质都是调整能源供应结构，走清洁电力发展的道路。
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1.2国内外文献综述
目前，世界很多国家的电力生产所使用的能源主要是不可再生的化石能源。随着电力需求的增多，能源资源消耗不断增多，剩余储量的不断减少，电力需求面临化石能源供应瓶颈，因此，各国学者也在积极探索非化石能源对电力资源的可持续开发利用。Irini Maltsoglou 构建了一个包含污染、可再生能源、不可再生能源，和技术进步的模型，来探讨可再生能源能否以及如何在实现经济可持续发展中发挥作用[6]。Isoard and Soria 认为电力市场上存在完善和便宜的常规能源技术（主要是矿物燃料为基础）和资本密集的新兴可再生能源技术的相互竞争。可再生能源技术的投资成本过高，使得大规模的扩散困难，可再生能源在电力市场的竞争处于弱势[7]；Grinaud and Rouge 指出能源系统对经济增长的影响的研究，不能仅仅停留于对石油、煤炭等不可再生能源的探讨，应该将生物质能、太阳能、水电等新型、清洁的可再生能源纳入考察范围[8]；Kerr 定性的从能量密度、运输条件、储能性质、提供电力的质量及持续性、温室气体等方面对化石能源与可再生能源进行了对比，并指出未来只有太阳能可以满足未来能源需求，风力发电也可以作出重大贡献，但其余各水电、生物质、海浪、地热、洋流和海洋热力差异将提供十分之一到一万分之一的能量[9]；Guidolin M, Guseo R 通过建立核电与可再生能源（风能和太阳能）的双寡头经济模型，研究得出以下两点结论：一是可再生能源在能源替代中显示出显著地可衡量的效果；二是可再生能源在能源扩散中具有高口碑的特点，而核电在能源扩散中具有负交叉口碑效应，这说明德国人普遍信仰清洁能源转换[10]；peteh 考察了一个关于能源替代的简单模型，目的在于探寻适合太阳能应用和太阳能转化的经济条件，从而为太阳能等可再生能源的开发提供参考[11]；葛世龙运用动态规划思想，构建了一个后备技术不确定条件下的耗竭性资源动态优化模型以探讨了耗竭资源的最优开采路径，研究认为资源开采速度随替代技术出现的可能性提高而加快，但开采一段时间后，资源的开采速度随着替代技术出现的可能性提高而减慢，而这个转折点取决于资源初始储量，初始储量越大，该转折点越往后延伸[12-13]；唐振华针对我国能源供应的紧张和化石能源储量的不足，对太阳能的发电技术做了综述性介绍，太阳能光电转换可通过太阳能电池和热动力循环实现，并且随着技术的进步，太阳能发电的成本将会降低到与常规化石能源相接近的水平[14]。
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2 相关理论介绍
2.1电力产业与可持续发展理论
可持续发展理论是一个综合性概念，是相互联系的多种要素的集合，涉及社会、经济、生态等人类发展的各个方面。它在保护环境的基础上，以科技发展为推动力，以经济发展为核心，谋求当代人与后代人的共同的，持续的发展与繁荣。因此，可持续发展可以被定义为：既能满足当代人的需求，又不危害后代人满足自身需求能力的发展[43]。这一定义包含两层含义，即“需求”和“限制”。“需求”意即要满足目前和未来人类的基本需求；“限制”意即要降低对资源的消耗和对环境的破坏，确保每个人都公平地拥有利用资源和环境的权力。同时，可持续发展定义还强调出其自身发展过程是一个动态的与持续的状态，在其发展过程中，不仅要在资源的开采，技术的研发，资源的投资取向等各方面相互协调，而且要加强当代和未来人来满足自身需求的能力[44]。可持续发展的内涵被认为至少包含以下几点：（1）发展是前提，经济发展为人类的生存进步，社会的持续发展、资源的保护和环境的改善等各方面都提供了基本的物质保障，因此，发展经济是社会可持续发展的前提条件；（2）协调是核心，经济、能源、环境的协调发展才能使社会持续发展，社会经济的发展不能以牺牲环境为代价，能源的开采必须在其承受能力之内，不能超过一定限度，三者协调发展才是人类社会可持续发展的基础[45]；（3）公平是关键，可持续发展不仅要体现当代社会资源在不同地域和不同人群中的分配与利用公平，同时也要体现在后发表展在资源分配权和利用权上的公平上，公平是可持续发展的关键问[46]；（4）科技进步是保证，科学技术的不断发展与进步能够为可持续发展的综合决策提供有效依据，提高资源利用效率，开发新的可利用资源，为自然资源和生态环境的保护做出贡献[47]。
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2.2电力资源的稀缺性理论
人类社会不断向前发展，对资源的需求也越来越多，而资源的有限性越来越难以满足人类无穷无尽的欲望，人类无穷的欲望与资源不断的耗竭问题一直在社会经济发展过程中备受关注，因此，如何利用有限的资源来满足人类无穷的欲望，成为经济学研究的基本问题。在能源供给方面，自然社会提供给我们各种各样的能源资源，正是这些能源推动着人类社会不断向前发展。然而，在各种各样的能源资源中，有些是可以重复利用无限性资源，有些不可以重复利用有限性资源，相对于人类社会的可持续发展而言，自然界中不能够重复利用的资源终将被耗尽，开发利用能够被重复利用的替代性新能源才是人类社会可持续发展的必然选择。能源资源的价值取决于其稀缺性和是否能够被人类重复利用性，这种价值判断有影响着人类对能源的优先选择决定，也就是说，人类选择何种能源主要根据其对人类社会发展过程中的整体贡献能力而言。稀缺性是经济资源的一种基本属性，是指一定时期内指对于人类社会的需要，经济资源的数量是有限的[49]。正是因为能源资源具有稀缺性，所以经济学家们一直致力于研究如何将资源进行更合理配置的问题。社会资源具有稀缺性和稀缺性资源需要进行优化配置也成为经济学家们的普遍共识。电力资源作为能源资源中的重要组成部分，在社会发展过程中也被认为是一种稀缺性经济资源。根据资源在使用过程中是否会随着时间的推移而减少，耗竭性电力资源一般分为不可再生电力资源与可再生电力资源。耗竭性不可再生电力资源的储量有限，能够被消耗殆尽，而且短时间内不能够再次形成，再形成往往需要上万年甚至上亿年的时间，例如煤电、油电、气电等电力资源都属于不可再生电力资源。可再生电力资源指消耗后能够重新形成，能够被重复循环利用的电力资源，但是其总量有限，但可再生电力资源实现自我更替的前提条件是对其开采程度要在能够实现在我再生能力的范围内，只有在此范围内，电力资源才能够被重复循环利用，例如水电、风电、太阳能发电等都属于可再生电力资源。
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3 我国电力工业发展现状 ........12
3.1 电力结构............12
3.2 “火电”............13
3.3 “绿电”............15
4 “绿电”替代“火电”的进程分析 ......21
4.1 模型构建............21
4.2 实证结果............23
4.3 替代进程阶段划分.....24
4.4 替代进程分析....26
5 “绿电”替代“火电”的潜力评估 ......31
5.1 “技术层面”下的替代潜力.......31
5.2 “环境成本”下的替代潜力 .........33
5 “绿电”替代“火电”的潜力评估
5.1“技术层面”下的替代潜力
由于“绿电”发展主要依赖于技术，上一章也主要从技术层面对于各类发电能源参数进行了预测，根据参数预测结果并经过计算得到各发电能源未来各时点的发电量。图 5-1 可以看出，未来一段时间内，各能源发电潜力从大到小依次是煤电、水电、核电、风电、气电、油电。煤电作为电力结构中发电潜力最大的能源，其最大潜在发电量比其他各能源的最大潜在发电量之和还要多。未来几年内气电发电量保持相对稳定，这主要因为我国 30%的天然气都依赖于进口，因此，价格昂贵且保障度低的气电并不适合优先用于发电。油电经历了短暂的发展之后几乎停滞不前，并没有进一步研究开发，说明油电并不能满足我国经济发展需要，现有技术水平下国家并不会对其进行过多的开发利用。水电是电力结构中开发潜力仅次于煤电的发电能源，同时也是“绿电”中发电潜力最大的清洁能源，最大潜在发电量可达 2.5 万亿 kWh 左右，超过风电与核电未来最大发电量之和，但目前开发量还不到最大潜在发电量的一半。此外，未来一段时间内，风电发电量保持相对稳定，上升幅度不大，而核电发电量还会不断上升。风电的最大发电量大约都在 2025 年左右达到，约为 0.22 万亿 kWh，核电最大潜在发电量约为 0.45万亿 kWh，而目前发电量仅为 0.17 万亿 kWh，不到最大发电量的一半。由图 4-1还可以看出，2020 年煤电、气电、油电、水电、核电与风电的潜在发电量依次约是 6.46 万亿 kWh、0.16 万亿 kWh、0.05 万亿 kWh、1.28 万亿 kWh、0.2 万亿kWh、0.2 万亿 kWh，根据“十三五”电力规划要求，2020 年全社会用电量约 6.8-7.2万亿kWh，按照0.2万亿 kWh的预留电能储备，所以 2020年全社会用电量在 7-7.4亿 kWh，因此，我国各类能源发电量在满足“十三五”电力规划需求量的 7.4 万亿 kWh 基础上仍有剩余。
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结论
在国家倡导要大力发展清洁能源，着力构建包括水、风、核等清洁能源为主的多元驱动的能源供应体系背景下，调整以火电为主的电源结构，建立电力系统的替代与优化研究显得尤为重要。因此，本文在借鉴其他学者研究经验的基础上，运用创新扩散模型对各能源发电量及最大潜在发电量进行了理论层面的预测，明确了各类“绿电”扩散过程中的重要时刻点及扩散的时间跨度，结合我国“绿电”发展的现实情况，对各类“绿电”进行了阶段划分划分，确定了各类能源未来发展方向和政策规划重点；在此基础上，本文就不同时刻下“绿电”对“火电”的替代规模进行了评估分析；随后又将对电力替代有重要影响作用的环境污染考虑到研究之中，构建了包含“环境成本”的电力系统社会福利优化模型，从现实层面对电力替代规模做了进一步研究。本文主要得到以下主要结论：
（1）当前，我国各类“绿电”分别处于不同的发展阶段，未来发展的侧重点也不相同。水电已经处于商业化示范阶段，但开发速度相对缓慢，未来应将对水能资源储量丰富但开发利用率较低地区的开发利用作为水电发展重点；风电也已经处于产业化发展阶段，尽管如此，这并不代表风电产业的技术研究和项目示范阶段已经结束，相反，由于缺乏核心技术，许多方面受制于国外，因此，今后一段时间仍需加大风电技术的研发力度；我国二代改进型核电进入了商业化发展阶段，三代核电还处于项目示范阶段，因此政府在资金提供和技术示范方面仍起着重要作用。
（2）未来一段时间内，我国电力结构仍将以“火电”为主，“绿电”作为电力市场的重要补充，在电力供应体系中将发挥越来越重要的作用。“绿电”中发电潜力最大的水电，其次是核电与风电，水电与核电作为“绿电”的最主要来源，目前开发量均不足最大潜在发电量的一半，未来仍有开发潜力巨大。2020、2030、2040、2050 年“绿电”对“火电”的替代量分别为 1.67 亿 kWh、2.46 亿 kWh、2.72 亿 kWh、3.05 万亿 kWh，替代率分别为 22.2%、24.4%、24.7%、22.4%。
（3）不考虑“环境成本”的情况下，各能源单位发电量的社会效益从大到小依次是核电、水电、煤电、风电、气电，说明不考虑“环境成本”时，核电与水电在满发状态下，煤电发电量在总电量中的占比越多，电力系统福利越大。在考虑“环境成本”的情况下，各能源单位发电量的社会效益从大到小依次是核电、水电、风电、气电、煤电，说明考虑“环境成本”后，煤电在总发电量中的占比越少，“绿电”在总发电量中的占比越多，电力系统社会福利越大。
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参考文献（略）