2017, Vol. 13 
2. 国家发展和改革委员会能源研究所, 北京 100038;
3. 北京市气象局, 北京 100089
2016年11月4日《巴黎协定》正式生效，意味着人类在应对气候变化实现可持续发展的道路上迈出了实质性的一步。国际能源署（IEA）报告分析指出，能源供应安全是成功实现可持续发展的重要组成部分[1]。目前，气候变化和能源供应安全已成为国际焦点议题。气候变化条件下的能源供应安全也成为各国能源战略制定的重要考量，因此分析气候变化条件下能源系统的脆弱性并根据实际发展提升其适应性能力是实现可持续发展至关重要的一步。
现阶段应对气候变化的研究、政策和规划更多地侧重于节能减排以减少温室气体的排放，从而减缓气候变化的趋势。例如，德国波恩设置了明确的碳减排目标，与1990年相比，到2020年CO2排放量减少40%，到2030年减少50%，到2050年减少90%~95%，将长期目标设为将CO2排放量减至人均2.5 t①。同时波恩能源署（BEA）围绕可再生能源以及节能建筑和改造等方面，提供技术和信息咨询服务[2]。此外，对能源领域而言，气候变化也会对能源生产、供给和消费等各个方面产生影响，表 1是气候变化对能源领域不同方面的潜在影响。
近年来，人们开始关注气候变化对能源系统可能造成的影响，Gößling-Reisemann等[4]对不莱梅-奥尔登堡大城市区域能源系统在气候变化条件下的脆弱性进行评价分析，将该大城市区域的能源系统脆弱性分为内部脆弱性（结构脆弱性）和外部脆弱性（气候变化脆弱性）两部分，研究表明基于气候变化的脆弱性加剧了结构脆弱性，即源于管理政策的不明确、混乱的市场、供应链冲突和当前气候缓解效应导致的能源波动。城市能源系统处理紧急、波动和突发事件的能力必须得到提升，这将有助于能源系统在面对不可预知的气候灾害时降低其脆弱性。Garg等[5-6]综述了气候变化下印度的能源基础设施风险，并对印度原油进口港和西部海岸运煤铁路进行案例分析，通过损耗函数计算在RCP4.5和RCP8.0情景下港口和铁路的气候变化脆弱性指数，结果表明，通过提升港口和铁路基础设施的抗风险性能来降低气候变化脆弱性的适应措施的风险较高。降低能源系统在未来气候条件下的脆弱性主要从4个方面入手：(1)强制对能源基础设施的未来气候变化下进行脆弱性风险评价；(2)脆弱性指标中的突出和系统性指标；(3)为缓解气候风险设置适应资金；(4)加强能源基础设施的恢复性。Radinger-Peer等[7]对3个奥地利城市和1个德国城市进行跨学科的能源系统气候变化脆弱性评价，该研究强调区域挑战性和区域关键脆弱性。对区域能源系统脆弱性进行评价时，考虑了利益相关者的多属性、运输方式和社会认知度，最终将能源脆弱性分为高、中、低3个等级。Zhang等[8]分别从国家层面和区域层面分析了中国天然气供应链的安全性，Farid等[9]评价未来电网整体控制的必要性以及O’Malley等[10]分析城市热岛效应减缓政策时均将脆弱性作为评价指标之一。
在北京市气候变化条件下，夏季北京市电力负荷峰值越来越大，电力系统面临的挑战也越来越严峻；采暖季天然气的需求量越来越大，尤其是随着“煤改气”项目的推进，北京市天然气供给系统受气候因素的影响越来越明显。目前国内外关于气候变化脆弱性评价对象多为自然生态系统，如水资源、农业等在气候变化条件下的脆弱性。本研究在分析北京市气候变化特点和北京市目前的能源供应消费的基础上，结合北京市现有的规划和政策，定性和定量分析了2015—2030年北京市气候变化条件下能源系统的脆弱性，并借鉴国际经验，对提升北京市能源系统适应气候变化能力提出了相应的政策建议。
1 北京市能源系统概况北京市能源资源相对匮乏，是一个典型的能源输入型和消费型城市，能源自给率仅占能源消费总量的2%。其煤炭和电力主要从内蒙古、山西和河北周边省份调入，天然气主要由陕西长庆气田和华北油田调入，成品油主要从河北、辽宁、吉林、天津等地调入。可再生能源主要包括太阳能、地热能、生物质能等，品种较全，以太阳能最为丰富，可用于供暖或发电，对传统化石能源的替代性较好，环境优势明显。
2000—2014年北京市能源消费总量变化如图 1所示，2000—2012年能源消费总量明显上升，2013年由于第一产业和第二产业能源消费量显著下降，其能源消费总量有所下降，而2014年能源消费总量为6831万t标煤。
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注：数据来源于北京市统计年鉴。 图 1 2000—2014年北京市能源消费总量 Figure 1 The energy consumption in Beijing during 2000-2014 |
图 2显示了北京市2000—2014年各领域能源消费量变化情况，可以看出，2014年北京市第一、二、三产业能源消费量占能源消费总量的78.0%，而2013年为78.6%。其中，2014年第一产业能源消费量为91.7万t标煤，比2013年下降5.8%，占北京市能源消费总量的1.3%。2014年第二产业能源消费量为1998.4万t标煤，比2013年下降3.9%，占北京市能源消费总量的29.2%。2014年第三产业能源消费量为3236.5万t标煤，比2013年下降4.1%，占北京市能源消费总量的47.4%。2014年居民生活能源消费量为1504.6万t标煤，比2013年增长4.6%，占北京市比重为22.0%。由图 2可以看出从2008年开始第三产业能耗（2610.5万t标煤）超过第二产业（2550.5万t标煤)，成为能源消费的第一大部门；而居民生活能源消费量也逐年稳步上升，反映出人民生活水平提高对能源消耗的影响。随着居民消费结构升级，住房、汽车等耐用消费品需求的增加，也将进一步推动能源消费量增长。
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注：数据来源于北京市统计年鉴。 图 2 2000—2014年各领域能源消费量 Figure 2 The energy consumption of industrial sectors in Beijing during 2000-2014 |
图 3为北京市2000—2014年能源消费结构的变化，北京市的能源结构一直在优化，2014年优质能源（对环境污染相对较小或者没有污染的能源[11]）占比高达79.6%，各能源组分占比趋于平衡。2014年，北京市煤炭消费占比下降至15.7%，电力消费占比16.8%，天然气消费占比21.2%。然而北京市的煤炭和焦炭主要消耗在第二产业，主要用于电力生产、供暖以及工业生产，随着热电联产项目的进行，煤炭和焦炭将逐渐被天然气取代，天然气的占比大幅度提升。电力、天然气、汽油、柴油明显上升，且电力的占比增长最明显。北京市的汽油消费70%以上集中在第三产业，而第一产业不到5%，其余部分集中在第二产业。而第三产业已超过第二产业能耗，成为主要能源消费产业。
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注：数据来源于北京市统计年鉴。 图 3 2000—2014年北京市能源消费结构 Figure 3 The energy consumption structure in Beijing during 2000-2014 |
北京市能源的供应主要来自外供，其天然气等能源的供应主要是铺设输入管道，建立能源供应环线；为应对天然气用气峰谷差，在北京市内建立了储存设施。同时，借助物联网等现代信息手段，围绕道路、水库、地下管线等基础设施，完善监测预警网络，进行智能化升级改造，提升精细智能管理水平。但由于北京市面临的气候变化和极端天气风险，现有的能源供应设施和储存是否能保证城市的能源安全还有待进一步研究。
2 北京市气候变化趋势和特点1871 —2014年，北京的年平均气温明显上升（图 4)，1951—2014年平均气温的增温幅度为0.37℃/10a，如此显著的升温趋势有全球气候变暖大背景的影响，也有北京快速的城市化发展对局部气温造成的影响。
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注：数据来源于北京市气象局。 图 4 1871—2014年北京市平均气温距平演变 Figure 4 The changes of temperature in Beijing during 1871-2014 |
北京市四季的平均最高气温、平均最低气温均呈上升趋势，但上升幅度不同，冬季上升最明显、春季次之（表 2)。最低气温的升温速度高于最高气温，气温日较差呈减小趋势，使得寒冷期变暖、温暖期延长。
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表 2 1951—2014年北京市各季升温趋势 Table 2 The seasonal warming trends in Beijing during 1951-2014 |
1841—2014年，北京平原地区年降水量呈减少趋势，减少速率为14.34 mm/10a（图 5)。北京市1951—2014年年降水日数呈明显减少趋势，减少速率为1.92 d/10a。
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注：数据来源于北京市气象局。 图 5 1841—2014年北京市降水量距平百分率演变 Figure 5 The changes of precipitation in Beijing during 1841-2014 |
1951—2014年，北京高温日数以0.2 d/10a的速率增长，最长连续高温日数以0.48 d/10a的速率增长。据统计，2006年和2005年有连续5 d高温天气；2007年有连续7 d高温天气；2015年连续高温日数相对较短，只有4 d。2010年北京高温日数为15 d，2011年为7 d，2012年为8 d，2013年为10 d，2014年为12 d。这其中既有全球气候变化大背景的影响，又有北京城市化发展的影响。同时，北京市气象台观测到，北京市霾日数呈上升趋势。
3 气候变化对北京市能源系统影响及其脆弱性分析按照生产和生活两大用途，能源消费可以分为生活能源消费和生产能源消费。生活能源消费是指用于满足居民生活需求的能源消费；生产能源消费是指用于保障生产进行的能源消费。在以上分类中，气候变化对生活能源消费的影响相对于生产能源消费更加敏感；气候变化对电力消费的影响相对于其他能源形式更加敏感。
目前，已观测到的北京市气候变化趋势包括气温上升、城市热岛效应增强、降水减少、雾霾日数增加等。这些趋势中的大部分经预测还将持续。通过分析气温变化对能源负荷的影响和可再生资源的利用比重快速提高对能源供应的影响，可知气候变化通过强迫现有的能源系统超负荷运转来影响能源安全。
3.1 气候变化下北京能源系统脆弱性分析 3.1.1 气温上升对电力需求的影响气温上升对电力需求的影响主要通过制冷系统的制冷能耗体现。制冷能耗主要受到空调使用频率和制冷季气温两方面因素影响，其他社会经济变量如人口规模、经济总量、生活水平等因素主要通过增加空调使用频率而对制冷耗能量产生影响。
北京市电力负荷高峰易出现在14：00—16：00。此时间段，在高温和城市热岛效应的影响下，将给北京市的电力系统带来严峻考验。
表 3为北京市历年出现电力负荷最高峰时当天的最高气温。从表中可以看出，出现电力负荷最高峰时的气温接近，但是电力负荷峰值却呈现持续增加趋势。如前所述，北京市平均气温和高温日数均呈明显增加趋势，因此电力负荷峰值的持续增加与北京市极端高温天气出现频率和持续天数增加有必然联系。
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表 3 北京市历年最高电力负荷和当日最高气温 Table 3 The maximum power load and temperature in Beijing |
图 6为北京市2000—2020年高温电力负荷最大值变化趋势，从图中可以看出，除2010年北京市电力负荷较高外，其他年份基本遵循线性变化趋势。依据图 6预计到2020年，北京市高温电力负荷最大值将达2287.5万kW。《北京城市总体规划（2004—2020年)》[12]中，预测2020年全市用电量为1100亿~1200亿kW·h，最高供电负荷约2200万kW。从图中可看出，本文中的预测值较《北京城市总体规划（2004—2020年）》[12]中的预测值大，且随着北京市气温的升高和人们对舒适度要求的提高，北京市目前设计的最高供电负荷在出现极端高温天气条件时将面对极大的挑战。
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注：数据来源于北京市统计局。 图 6 2000—2020年北京市高温最大电力负荷变化趋势 Figure 6 The change of anomaly maximum power load in high temperature in Beijing during 2000-2020 |
随着北京市集中供暖面积的增加，北京市采暖季天然气消耗量呈明显增加趋势。图 7为北京市2008—2020年采暖季天然气消耗量变化趋势图，由此预测到2020年北京市采暖季天然气消耗量为120亿m3。《北京城市总体规划（2004—2020年)》[12]中，到2020年，城镇居民燃气气化率达到100%，农村乡镇燃气气化率达到90%。届时全市天然气用量为110亿~120亿m3/年，液化石油气用量为60万~70万t/年。中心城及新城基本实现燃气管道化，重点镇应优先采用管道燃气供应。
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图 7 北京市2008—2020年采暖季天然气消耗量 Figure 7 The natural gas consumption of heating season in Beijing from 2008 to 2020 |
目前陕京线平均峰谷差为3：1，北京市最大峰谷差已达10：1，石家庄市最大峰谷差也达7：1，急需利用储气设施进行调峰。目前京津冀地区主要靠天津大港和华北永清地下储气库调峰，但该储气库调峰能力只有23亿m3，无法满足京津冀地区冬季高峰时期调峰需求。一方面，因天然气供应高峰期短，储气设施利用率低，运行维护成本高，一些城镇燃气经营企业自建储气设施积极性不高，已规划建设的储气项目工程进展缓慢。另一方面，由于企业间管网互不联通，一些已建成的储气设施没有得到充分利用。此外，地方出台相关政策不及时，也是天然气储气设施滞后的原因之一。
3.1.3 气候变化条件下能源需求脆弱性分析年平均气温的上升、极端高温天气发生频率的增加等变化趋势单方面或综合影响着北京市的电力生产和输送。这些气候变化同样影响着居民对能源的需求，以及天然气和原油产品的分配、生产和运输能力。北京市能源需求在气候变化条件下的脆弱性主要体现在以下几点。
(1) 极端高温天气条件下，电力负荷峰值超过电网设计最大电力负荷。随着北京市常住人口的增加、气温的上升和极端高温天气出现频率的增大，北京市电力负荷出现峰值的频率将呈增加趋势。然而，在高温天气条件下，本文预测的北京市最大电力需求负荷稍稍超过系统设计最大负荷。因此，在北京市能源系统适应气候变化工作中，应将高温天气条件下，保证北京市电力系统供应安全作为首要任务之一。
(2) 极端低温天气条件下，天然气供应量无法满足需求量。气温的上升对降低北京市采暖季的能耗是有利的，但是随着社会的进步，北京市采暖面积也在扩大，采暖季能耗峰值直逼夏季能耗峰值，且随着北京市能源结构调整，以目前北京市的天然气管道设计和供应额来看，很难满足人们对天然气的需求，且天然气供应系统在极端低温天气条件时，出现的天然气供应空缺将更大。极端天气条件下，基础设施脆弱性直接影响能源供应系统、生产系统和输送系统，且由于极端天气出现频率和强度的不确定性，北京市能源系统的弹性调节能力需要增强。
3.1.4 极端天气下北京市能源系统的脆弱性目前，北京市能源系统受极端高温天气、极端低温天气的影响主要表现在能源需求的加大；受暴雨和大风天气的影响主要体现在基础设施的损毁。上文中已经将采暖季和制冷季可能出现的问题进行了分析，本节将分析雾、霾等天气对北京市能源系统可能产生的影响。
受持续低温天气和大雾天气影响，中石油进口液化天然气运输船暂时无法卸货，导致华北地区天然气供应出现临时短缺。2015年自12月26日起，北京临时采取燃气供热“限量保供”措施，严格控制公共建筑室内温度，暂停供应各工业企业生产用天然气。随着北京市能源结构的转变，对天然气的依赖性越来越强，在未来类似极端天气出现时，北京市天然气供应短缺的现象将愈发严重。
3.1.5 气候变化对可再生能源利用的影响可再生能源作为减少碳排放、缓解气候变化的重要能源，近几年正在快速发展壮大。2013年7月11日，北京市发布《北京市新能源产业专项规划（2013—2015年)》[13]，提出到2015年新能源产业实现产值500亿元，新能源和可再生能源利用量达到550万t标煤。而可再生能源的利用依赖于诸如降水、风速、日照、温度、湿度等气候要素的大小与稳定度。例如，降水量太小，水电站的利用效率低，发电量小，无法大规模进行电力生产；降水量太大，进而造成水灾、洪灾、泥石流等现象，同样不利于水电站的正常运转。
同样，气候变化（如气温、降水、湿度和光照的改变）可能导致风的模式改变。因此，不仅在确定最佳选址地点时要加强监控，且设计的风力发电机也应满足低-中-高的风速。这对风能的开发利用增加了难度。
太阳能是目前开发和利用增速最快的可再生能源之一。太阳能的开发利用除了受到光照的影响外，气温对其转换效率的影响也极其明显，有研究表明，当周围环境温度为25℃时，气温每升高1℃，一个晶体硅光伏电池的转换效率将降低0.08%[14]。在北京市年平均气温上升的情况下，对北京市太阳能的开发利用需加强监测和评估。
3.2 北京市能源系统适应气候变化措施建议如前所述，北京是一个典型的能源消费和能源输入型城市。随着社会经济和城市化发展，北京能源消费总量上升明显，尤其是近年来北京积极展开能源转型，可再生能源消费占比得到大幅提升，能源消费结构发生显著转变。但是随着北京市近年来年平均气温明显上升、城市热岛效应加强、年降水量减少，北京市能源系统的脆弱性愈加凸显，尤其是在极端天气下的电力供应和天然气供应方面。因此，加强能源系统气候变化适应能力建设势在必行。
在城市发展和规划中，国内外各政府部门将能源系统和气候变化紧密联系。城市能源系统适应气候变化主要从政策规划、能源利用和基础设施改造3个方面进行。在政策规划方面，政府部门充分发挥其导向作用，建立相关市场机制和制定燃料补贴政策，如纽约为加强节能激励和峰值负荷管理，创建了电力期货市场；伦敦建立负责能源规划协调和监督的专门部门等体制创新。在能源利用方面，建筑能耗作为城市能耗的主要成分，是提升能源系统适应气候变化能力的重要关注点之一，纽约、西雅图以及哥本哈根都从提高建筑能耗效率、增强自然采光、设置热量路线图等方面进行建筑节能改造。在基础设施改造方面，能源基础设施作为输送能源的载体，具备很大的发展和改进空间。为促进基础设施的现代化建设，纽约实施安装智能电表，追踪能源消费状况。
目前，北京市关于城市能源系统适应气候变化的研究才刚刚起步，北京市能源系统适应气候变化能力建设主要有短期政策和长期战略两方面的措施和建议。在短期战略方面，加大可再生能源开发和利用力度，提高能源效率，加速智能电网技术的开发与应用，同时加强培训和学习，使能源设施、设备与能源政策制定者懂得气候变化造成的可能影响，其中潜在的风险以及应对的策略。针对北京市目前的能源消费情况和特点，提出以下措施和政策建议。
(1) 高效空调推广。在提升建筑节能标准的同时，也应加大高效空调系统的推广。北京市建筑能耗中37%~50%的能耗都在空调系统，因此将空调系统作为提升北京市能源系统气候变化适应能力的重要组成部分。
(2) 发展绿色分布式供电取暖。北京拥有较丰富的太阳能、风能资源，符合发展分布式供电取暖的条件。分布式能源的增加，有助于缓解北京市集中供电供暖区域的负荷，减少可能的气候变化对电网的破坏。
(3) 建立北京市供电供暖流向图。随着北京市电力输送设施的发展和“1+4+N+X”供热体系项目进度的完成，借鉴哥本哈根制定热量路线图和伦敦建立供热数据库的经验，建立北京市供电供暖流向图，以便政府决策部门和群众更清晰完整了解供电供热系统的运行以及电力和热量的流失。
(4) 政策系统的更新。北京市目前的气候行动主要体现在节能方面，而且目前的政策制定分布在各个领域中，比较散乱；另外，北京市现有政策主要以鼓励和限制为主，与其他先进城市的政策体系相比，北京市的政策体系普遍缺乏法律强制性。
在长期战略方面，了解气候变化和极端天气对未来能源和技术的影响是非常重要的。虽然气候变化的影响是可以预测的，但是并没有固定的技术解决方案，而且在任何环境条件下，任何能源技术的选择都是通过衡量其气候恢复力而决定的。因此，加强北京市能源系统和气候变化基础数据的监测与积累对未来能源预测与安全评估模型的研究与应用具有重要意义。具体建议如下。
(1) 鼓励能源高效利用。提高能源效率是一个既减缓又适应的战略。降低能源需求可缓解基础设施的额外负担，并有助于避免因高峰负荷导致的能源系统停运。
(2) 加强监管机构、能源资产所有者专业知识教育。监管机构、能源资产所有者和市政公用事业应该了解气候变化对未来基础设施的影响以及积极准备和应对气候变化而产生的收益和成本。
(3) 能源供应多样化。过度依赖于某一个区域的能源供应将会导致能源系统的气候变化脆弱性增加，为了避免这一现象，不同类型的能源供应系统应继续评估其能源投资组合的多样性以及未来气候变化指标。
(4) 在分析预测能源需求趋势时考虑气候变化因素。监管机构、能源资产所有者和市政公共单位应跟踪因气候变化而导致的未来能源规划和战略的变化。
(5) 制定计划以应对消费者期望能源供应类型的变化。目前，公众已经达成气候变化的共识，越来越多的消费者期望能源供应来自清洁能源。因此，需要密切关注和预测消费者对能源供应类型的期望并且积极应对。
4 结论本文通过分析北京市气候变化特点和趋势、北京市能源供应和消费特点，对北京市2015—2030年能源系统气候变化脆弱性进行了定性和定量研究。研究表明，北京市能源系统气候变化脆弱性主要表现在：高温天气条件下，电力需求负荷超过电力供应系统设计最大负荷；低温条件下，天然气供应短缺；极端天气给能源生产、能源供应和能源运输造成威胁。
针对北京市气候变化条件下能源系统的脆弱性，参考国际城市能源系统适应气候变化经验，提出北京市能源系统提升气候变化适应能力的短期战略和长期战略。在短期战略方面，本文从政策、技术和管理方面提出了相应的适应建议。但是，由于能源系统适应气候变化的研究和实践，无论在国际还是国内都是刚刚起步，因此在基础数据、资料的积累和分析，脆弱性的科学评估方法，可恢复能力提升的技术与实践方面都还存在严重不足。在进一步的研究中，应加强对基础数据的积累、统计分析，加强气候变化下可恢复力的研究与实践，建立对实施或即将实施的技术、措施的科学评估方法，为政府的决策以及相关行业的发展提供科学支撑。
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