复旦大学林伟教授团队、中国矿业大学周福宝教授、孙永征教授团队等合作从复杂系统科学的视角提出了研究中国煤炭能源供应市场弹性的理论框架，探究了“碳中和”背景下能源脱碳政策对煤炭能源供应网络弹性的影响。该研究成果可为“碳达峰”与“碳中和”背景下制定能源政策提供理论参考。相关成果以“Quantifying the resilience of coal energy supply in China towards carbon neutrality”为题发表在Research上。
Citation:
Sun Y, Wen G, Dai H, Feng Y, Azaele S, Lin W, Zhou F. Quantifying the resilience of coal energy supply in China towards carbon neutrality. Research 2024; 7: Article 0398
https://doi.org/10.34133/research.0398
研究背景
面对全球气候变暖与环境污染挑战，中国作为煤炭消费大国，正积极推动能源供应结构转型，以实现“碳达峰”及“碳中和”目标。中国能源供应长期依赖煤炭，煤炭的稳定供应是中国能源安全的基石。目前的研究更多地关注可再生能源的使用对碳排放的影响，以及外部因素与碳排放之间的关系，缺乏能源脱碳政策对能源市场本身弹性影响的整体认知；同时，现有研究大多将煤炭能源市场视为一个整体，而忽略了煤炭能源企业之间复杂的竞争与合作关系；另外，传统研究通常使用经济学和统计学方法，缺乏从复杂性科学和网络科学视角对煤炭能源市场弹性的系统性研究。
研究进展
近日，复旦大学林伟教授团队联合中国矿业大学周福宝教授、孙永征教授团队等从网络科学视角，提出了煤炭能源网络弹性分析的理论框架，定量研究了“碳中和”背景下能源脱碳政策对中国煤炭供应市场弹性的影响。该研究基于中国各煤炭企业和电厂之间的真实交易数据，将每个煤炭企业抽象为节点，并考虑向同一电厂供煤的煤炭企业之间的竞争关系，构建了中国煤炭能源供应市场网络(见图1)，建立描述煤炭市场网络演化动力学的数学模型。
图1中国主要煤炭产区的煤炭市场网络。
论文利用降维方法，将复杂的高维网络动力系统降维为低维动力系统。对降维后的系统分析能够有效地捕获原始高维系统的弹性变化 (见图2)，从而对能源供应市场的弹性进行量化研究。论文分析了关闭小煤矿的能源供应脱碳政策、煤炭企业和热电厂间煤炭合同取消等真实扰动以及中国煤矿企业分布的模块化等结构特征对煤炭供应市场弹性的影响。
图2原始高维网络系统与一维系统的弹性对比
最后，研究发现关闭小型煤矿不仅能够降低煤炭安全生产事故发生的风险，还能提高煤炭市场弹性，从理论角度验证了我国现有煤炭调控措施的有效性。此外，论文提出了多种政策建议以确保在维持能源供应稳定的前提下，逐渐实现能源脱碳目标，如鼓励电厂与煤炭企业建立长期合同、减少跨省煤炭交易和逐步降低煤炭供应等。
未来展望
本文首次从复杂系统科学的视角研究了碳中和背景下中国煤炭能源供应市场的弹性。利用降维方法和分岔理论量化地研究了中国煤炭供应市场的弹性问题。该研究为理解和分析能源供应市场弹性提供了新的视角。本文提出的方法具有很好的通用性与扩展性，有望应用于其它能源市场，以进一步探索不同能源市场的普遍规律，对未来碳达峰与碳中和目标下能源安全和碳排放调控提供有力的理论支撑。如何基于真实数据改进和提高模型的适应性，进而对煤炭能源供应弹性突变点的预测是未来的一个研究方向。