可再生能源替代系统优化模型及其实证研究

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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 课题来源及意义
一、问题的提出
当今社会面临许多新的重大挑战，如经济的发展与环境和能源的关系及其
复杂的相互作用和影响，已日渐成为全球关注的热门课题。这个宏观的能源经
济问题通常被简称为 3E（ECONOMY, ENERGY & ENVIRONMENT）问题。为
此，人们从系统工程的视角自省：人类在追求经济发展和生活水平极大提高的
同时，如何有效地保护地球所独有的自然资产，做到既持久地支持当今经济的
平稳发展，又兼顾保护环境和后代人的利益，避免不可逆的、毁灭性的灾难。
自人类进入工业社会以来，化石燃料、特别是石油已经日益成为现代经济
生活中不可代替的核心要素。与此同时，化石燃料的大量开挖使用，并持续地向
大气中排放温室气体等污染物，打破了自然界千万年形成的地球环境系统平衡，
造成全球气温上升和重大自然灾害的大量增加。发达国家的工业化历史证明，没
有节制的使用化石能源，其后果就是严重的环境污染以及随后的巨额环境治理成
本。这种在现在和将来均是不可估量的代价必将极大地抵消我们经济发展中的努
力和成就。
旧有的“生产－污染－治理”发展模式，已不能适应现在和将来的全球经
济环境。我们必须发展和探讨新的、可持续发展的循环经济模式，这种理想模式
被称为第三范式，即“资源－产品－再生资源”模式[1]。该模式要求尽量用可
再生的清洁资源代替不可再生资源，在满足我们极力追求发展愿望的同时，不再
增加甚至减少地球的环境负担和贻福子孙后代。
众所周知，地球储存可供开采的化石燃料，特别是石油正极急剧减少。一
般的估计，照现在的开采速度，至 40－50 年后全球地下将无油可采；如果没有
重大变化，200 年后人们将耗尽地球数亿年形成的所有化石燃料。所以，经济的
长期发展必将受到能源问题的极大约束，其中包括各种供给（储量）和价格。
综上所述，大规模发展清洁的可再生能源，并逐步用它替代化石燃料，应
作为各国能源安全战略选择的重要组成部分——基于可再生能源替代的可持续
发展模式代表着世界能源经济的发展方向，应成为世界各国能源经济发展的新模
式，并使它成为各国加快解决经济发展、能源消耗和排放问题的一条必由之路。
中国政府已于 2007 年8月颁布《可再生能源中长期发展规划》[2]，为中国可再
生能源产业的大发展指明了方向，明确了目标。
因此，在环境保护和有限的化石燃料使用的约束条件下，当今新能源经济
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模式的特点和系统特性如何？是否存在一种优化路径能使人们逐步从旧模式转
移到新模式？能否结合实证分析将研究成果加以运用？这些均是本文致力于研
究的一些十分有价值的问题（本文的研究是上海市科委资助的重大软课题项目
“从工程微藻中提取生物柴油技术应用的可行性研究（编号：051612042）”的重
要组成和后续研究部分）。
二、研究的目的
本课题的主要目的是针对 3E 问题提出可再生能源替代的解决方案，即要运
用系统工程理论方法来研究如何从对化石燃料的高消耗旧模式转变成使用可再
生能源的新模式，并运用此模式对中国进行实证分析和为政府的宏观决策提供参
考。
本文研究及其成果具有如下的实际意义：
1、发展替代能源事关国家能源安全；
2、通过发展替代燃料，能缓解未来燃料供应紧张状况；
3、开发替代燃料具有巨大的社会效益，即可减少二氧化碳排放，改善生态
环境；
4、通过建立中国化石燃料替代发展模式，促进中国经济的可持续发展；
5、提出新能源产业发展模式促进能源循环经济的发展。
总之，由于作为推动国民经济发展关键动力的能源重要性是众所周知的，
以及随着最重要的化石燃料——石油资源的日益枯竭，中国必须大力发展石油等
化石燃料的清洁替代产品，以保障经济发展需求与加快建设和谐的循环经济系统
的步伐。
§1.2 该领域目前的研究概况
世界环境和发展委员会对可持续发展的定义是: Development that meets the
needs of the present without compromising the ability of future generations to meet
their own needs. 人类如何在保护子孙万代生存必需的自然资源的同时持续地强
化效能和效率以确保技术经济的发展，这是管理科学领域的世纪课题。近十年来，
国内、国外许多学者就如何系统地同时管理自然资源和经济资源问题，大量运用
经济理论和系统工程理论，去定义、分析、解释这个复杂的 21 世纪新课题。可
持续发展与环境和能源系统关系问题就是其中的一个重要分支。
一、经济发展与环境的关系
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该问题长期以来为广大学者所关注，国内外均有大量成熟的研究成果，其中
被广泛引用的有 EKC——环境库兹涅夫原理。持续的经济增长会给一个地区、
国家乃致全球环境造成更大的损害吗？或收入及财富的增长有助于改善生态环
境质量？从世界各国的经济发展史看，大多经历过为促进经济发展而引致环境恶
化的阶段。显然，这些问题的答案对于发展中国家选择合适的发展战略是至关重
要的。
20 世纪 60 年代，许多学者认定，经济系统中产出的增长必然导致环境资源
抽取量的增加，同时向环境排放的各种废弃物的存量也在增加。虽然人类能用非
稀缺资源不断地代替稀缺资源，以避免某种资源稀缺强加于经济增长的极限，但
环境的不堪重负和退化，将使得世界经济的增长不可持续。
1994 年，Grossman 和Krugger 在分析特定的制度变迁——北美自由贸易协
定对环境的可能影响时，提出了著名的环境库兹涅茨（EKC）假说——人均收入
的增长将最终导致环境质量的改善。他们确信，人均 GDP 与环境污染水平呈倒
U型结构：在较低的收入水平上，污染强度随收入的增加而上升；但在较高的收
入水平上，污染强度随收入的增加而递减[3]。
Grossman 和Krugger 的发现意义重大。如果 EKC 假说确实普遍成立，即到
达一定的转折点后，财富的增加有助于改善环境质量，那么人类就找到了解决可
持续发展和环境退化困局的钥匙——经济增长本身。
大量实证研究表明,许多环境指标与人均收入间的确存在倒 U型关系。Bartz
和Kelly[4]采用跨国面板数据和横截面数据，考察了四种重要的空气污染物
（SO2,CO2,NO2,SPM）的排放问题，发现他们都与人均 GDP 存在倒 U型关系。
在国内，陈华文、刘康兵[5]应用上海市环保局 1990－2001 年空气质量指标数据
进行回归模型分析，发现对多数数据而言，EKC 假说成立。
但是，近年来大量最新研究表明，EKC 假说不是普遍适应的原理，它只对
某些特定的污染物和某些国家有效。Peter J. Cook[6]应用奥地利 1960－1999 年
度GDP 与CO2 排放量的时间系列数据，发现对数据拟合度最佳的是三次方型（N
型），而非倒 U型。国内方面，陆虹[7]在分析中国 1976－1996 年人均 GDP 和人
均CO2 排放量的数据后，认为中国的现状与 EKC 所描述的不一致。而范金[8]
发现除氮氧化物浓度外，中国的其余污染物与收入确实存在倒 U关系，但其转
折点处于几乎不可能到达的高水平上。潘文卿[9]提出了一个经济增长与产业结
构调整的优化模型，对中国在 21 世纪前 20 年的经济增长、就业变化、污染控制
以及产业结构转换的“互动关系进行了模拟与展望。
如果对 CO2 等温室气体（GHG）而言，EKC 假说失效，则意味着经济发
展本身不能解决 GHG 等重大环境难题。在现有的经济结构和发展模式下，发展
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和气候环境的矛盾，仍是不可调和的二难困局，人们仍面临着全球变暖引起气候
非线性变化，从而引发重大生态灾难的巨大威胁。
图1－1是一张根据美国能源部网站的公开数据制做的关于美国在 1993－
2003 年期间 CO2 排放与人均 GDP 的关系图。该图指出， KFC 拐点在美国还没
有出现—— 关于消除 CO2 污染的 KFC 假说在美国这样的发达国家里还没有成
立。这一例子表明，在全球气候变暖危机日趋加剧的形势下，经济发展本身已不
能作为解决能源环境与经济发展困局的钥匙，即人类迫切需要用新的思维和另辟
蹊径来解决 GHG 排放和全球变暖问题，为此《京都议定书》以及一系列与此使
命相关的跨国合作组织应运而生。
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图1－1 1993－2003 间美国人均 GDP（不变价）和人均 CO2 排放图
（数据来源：DOE－美国能源部）
二、经济发展和能源的关系
在这方面，当今主流学者的观点比较一致，其主要观点有：
能源是经济发展的先决条件。IEA 的World Energy outlook 2004 报告[10]针
对联合国千年发展目标（The Untied Nation’s Millennium Development Goals）
对此有详细论述。其主要观点是：经济的发展要求更多和更高质量能源供应。许
多国家在改善能源基础设施和经济发展间已形成了良性循环，但对世界上的穷国
来说，这个过程才刚刚起步。
能源的开发和高效应用，特别是替代能源的开发，又取决于经济发展的水平。
两者关系的全面论述著作有：Energy to 2050----Scenarios for a Sustainable Future
(OECD/IEA, 2003)[11]；在国内， 赵丽霞、魏巍贤[12]运用 COBB-DOUGLAS 生
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产函数，得出能源是我国经济发展中不可完全替代的限制性要素的结论；张明慧、
李永峰[13]则论证了能源增长与经济发展的相互影响关系，认为必须正确认识和
处理两者的关系，才会使能源发展和经济增长良性循环，这是保证国民经济持续、
稳定、健康发展的一个重要前提；田立新[14]运用非线性科学、系统工程理论研
究在能源约束下经济可持续增长问题，为实现东西部能源与经济联动发展战略的
制定提供科学参考。
能源作为耗竭性的稀缺资源可能成为经济持续发展的瓶颈。经济学家们认
为，在市场机制的作用下，稀缺资源价格的上涨会引致人们用非稀缺资源进行替
代。但由于石油资源特别稀缺，而且人们对它的使用极其广泛，所以很难有其它
的天然资源进行替代[15]。正因如此，原有的高消耗模式势必成为强加于社会经
济持续发展之上的一个瓶颈。
Christopher A. Simon 认为世界经济建立在石油和其它化石燃料的使用之
上。由于能源对当今世界如此重要且日益缺乏，所以它既不是普通商品，也不是
纯公共产品，它的准确定位应为“市场化公共产品”[16]。
三、经济发展和能源、环境的系统关系问题
一般认为，经济发展和能源、环境的三者之间呈现复杂的相互影响、相互作
用的关系：单纯的经济持续发展必然导致环境退化和能源紧张；环境和能源问题
的最终解决又取决于经济发展后的资金支持和市场支持；但环境和能源问题完全
解决前所出现的负面影响，又始终在干扰经济的持续发展。
在这个问题的研究上，国外学者多采用在实际数据基础上的实证研究。他
们以历史统计数据为依据，分析各国能源经济的特点，并对未来的发展趋势进行
预测，然后给出政策建议。主要文献包括：Economic Growth, Liberalization and the
Environment: A Review of the Economic Evidence[17] ；Carbon Abatement Cost:
Why the Wide Range of Estimates?[18]; Gross world product and consumption in a
global warning model with endogenous technological change[19]; Global long-term
greenhouse gas mitigation emission scenario based on AIM [20]。Uncertain Climate
Thresholds and Optimal Economic Growth [21]. Chinese Academy of Engineering.
Urbanization, Energy, and Air Pollution in China: The Challenges Ahead (The
National Research Council and Chinese Academy of Engineering, 2004)[22].
国内学者较多关注概念的提出和数学模型的建立，如：论循环经济[1]一文
中提出了人类经济发展的第三范式——资源－生产－再生资源模式。认为第三范
式作为一种理想的发展模式，为人类经济发展提供了一种理想化的永续发展之
路；王海建等[23] [24]以污染强度作为状态变量、消费水平作控制变量，建立动
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态系统数学模型；于渤等[25]则提出了考虑能源耗竭、污染治理的经济持续增长
模型，进行了系统的稳定性分析，并指出开发化石燃料的替代产品是经济长期稳
定增长的必然选择。
但从可再生能源替代化石燃料角度来研究如何系统地解决发展与环境和能
源之间的矛盾，并用科学的方法建立数学模型和进行数据分析与对相关对象作实
证研究的文献还所见不多。特别是用于数学处理的困难，大部分学者在建立起经
济、能源和环境的系统优化模型后，仅进行了稳定性分析、讨论了系统稳定的必
要条件，回辟了最优路径的求解问题。
四、可再生能源产品开发状况
近年来，受石油价格上涨和全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日
益受到国际社会的重视，许多国家制定了支持可再生能源发展的法规和政策，科
研资金投入巨大，使可再生能源技术水平不断提高，产业规模逐渐扩大，成为促
进能源多样化和实现可持续发展的重要能源。
1．燃油替代产品
燃油替代产品主要有生物柴油、燃料酒精、沼气、氢燃料电池等。但在近
几十年内，技术稳定成熟、有大规模产业化可能的燃油替代产品仅有生物柴油和
燃料酒精。
a. 生物柴油。生物柴油是一种理想的可再生绿色燃油，其产业化发展对能
源安全、农业经济升级、缓解 CO2 排放等环境问题，具有极其重大的意义。Greg
Pahl 在2005 年初出版了关于生物柴油的专着－Biodiesel: Growing New Energy
Economy[26]。他全面介绍了生物柴油的发展历史和技术特点，从全世界的视角
分析了其环境和经济效益，认定这是建立新的“农业－能源－环保”产业链，并
彻底解决人类石油依赖症的契机。同时，他也列出了新机遇面前我们面临的障碍
和挑战。John Benemann 及其研究小组[27][28]从1989 开始花费近十年时间，在
美国国家可再生能源实验的支持下，研究培育高含油水生微藻生产生物柴油，并
高强度大量吸收 CO2 的解决方案。
Y. Zhang、M. A. Dube、
D. D. McLean [29][30],
以及 Yong Wang、Shiyi Ou [31] 研究了从废餐馆油中制备生物柴油的工艺过程，
并进行了技术和经济性评估分析。Mario Giampietro [32]、Matin Bender [33] 则
对大规模生产生物柴油的可行性作了大量的系统和经济分析。徐福缘教授的课题
组研究了国内外生物柴油的技术发展现状，侧重分析了从工程海藻中提取生物柴
油的技术在中国成功应用的条件[34][35]。所以，总的看来，当今在生物柴油替
代石化柴油的技术和工艺上没有大的障碍，其大规模产业化的关键在于商业化利
益驱动机制的形成，以及政府在此方面的相应的政策导向支持。
第一章 绪论
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b. 燃料酒精。用纯酒精替代部分汽油的新兴产业存在已有较长历史。目前
的理论研究主要着重于：新的廉价原料的寻找和成本效益分析－Christoph Berg
[36]、
Marie Skinner[37]、
Dehua Liu[38]；能源平衡及环保性能分析--Seungdo Kim
[39]； 综合因素的生命周期评估（LCA）－Seungdo Kim[40]、Scol Kohl[41]等。
在中国，用燃料酒精替代部分汽油的产业化实践始于 2001 年。目前， 四个省已
全面强制性使用混有 10％纯酒精的混合汽油，另五个省也已于 2005 年开始大范
围试行。
现有的理论研究成果和产业化实践表明，用以生物柴油和燃料酒精为主的
生物燃油，全面替代化石燃油的产业更新之路，具有极大的技术和经济可行性。
所以，人们应使生物燃油替代化石燃油成为将来用可再生清洁能源全面替代化石
能源，进而使人类经济发展进入新的可持续发展模式的理想范例。
2．水电
水力发电是目前最成熟的可再生能源发电技术，在世界各地得到广泛应用。
到2005 年底，全世界水电总装机容量约为 8.5 亿千瓦。目前，经济发达国家水
能资源已基本开发完毕，所以水电建设主要集中在发展中国家。
3．风电
风电包括离网运行的小型风力发电机组和大型并网风力发电机组，技术已
基本成熟。近年来，并网风电机组的单机容量不断增大，2005 年新增风电机组
的平均单机容量超过 1000 千瓦，单机容量 4000 千瓦的风电机组已投入运行，风
电场建设已从陆地向海上发展。到 2005 年底，全世界风电装机容量已达 6000
万千瓦，最近 5年来平均年增长率达 30%。随着风电的技术进步和应用规模的
扩大，风电成本持续下降，经济性与常规能源已十分接近。
4．太阳能
太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能热发电，以及太阳能热水器和太
阳房等热利用方式。2005 年，全世界光伏电池产量为 120 万千瓦，累计已安装
了600 万千瓦，但光伏发电系统投资极高，商业成本根本无法与常规发电系统竞
争。太阳能热发电已经历了较长时间的试验运行，性能上可达到商业运行要求，
目前总装机容量约为 40 万千瓦。太阳能热利用技术成熟，经济性好，可大规模
应用，2005 年全世界太阳能热水器的总集热面积已达到约 1.4 亿平方米。
5．地热能
地热能利用包括发电和热利用两种方式，技术均比较成熟。到 2005 年底，
全世界地热发电总装机容量约 900 万千瓦。地热能热利用包括地热水的直接利用
和地源热泵供热、制冷，在发达国家已得到广泛应用，近 5年来全世界地热能热
利用年均增长约 13%。
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6． 海洋能
潮汐发电、波浪发电和洋流发电等海洋能的开发利用也取得了较大进展，
初步形成规模的主要是潮汐发电，全世界潮汐发电总装机容量约 30 万千瓦。
§1.3 本文研究的思路、方法与主要内容
一、研究目标与思路
资源－生产－再生资源模式作为一种理想的发展模式，为人类经济发展提供
了一种理想化的永续发展之路。因此，如何在现有的现状和约束条件下，通过现
实的、合理的、可行的方法与途径逐步向理想状态转移，便成为本文主要的研究
目标。
本研究的思路可概括为：分析问题——提出方案——建立数学模型——数学
推导处理——编程求解模型——实证分析。
为解决 CO2 排放和全球变暖问题，同时不损害经济的常规发展，简单地加
税以限制能源使用和耗资巨大地吸收已经形成的排放，都不是理想的解决方案。
人们应该从改变排放的来源着手，即摆脱现代经济对化石燃料的依赖症、用可再
生的清洁能源逐步替代化石燃料。
为达此目标，论文提出了基于化石能源替代的、能源、环境和发展困局解决
方案，而且通过创新性地建立和运用此方案的系统方法数学模型来进行问题解释
和实证分析。具体的研究思路为：用系统工程方法分析环境、能源和经济发展各
要素间复杂的相互关系，描述传统能源产业向新模式转移的方法和途径，并根据
本文所建立的基于可再生能源替代的 3E 系统动力学模型寻找系统优化解决方
案。然后，结合中国实际规划目标进行实证分析，并按近期和中远期两个方面，
分析中国能源经济未来的发展趋势。最后，则提出相应的对策建议。
二、研究方法
1．主要用定性方法分析世界现有基于化石燃料经济发展模式所固有的问题，
从而提出清洁的可再生能源替代的新模式。
2．以保证经济可持续发展为前提条件，建立系统动力学数学模型－3E 系统模
型，以此来分析用可再生能源替代化石燃料模式的特点。
3．运用最优控制理论和效用理论分析基于可再生能源替代 3E 系统模型的优
化问题。
4．将本模型的最优控制问题经过数学推导，转化为标准常微分方程。
5．运用 Runge-kutta 算法，通过编写和运行 MATLAB 程序、将 3E 模型计算
化，使方案求解及其相关分析成为可能。
第一章 绪论
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6．用计量经济学方法对中国能源经济历史数据作回归分析。
7．借助模型及其运行结果、定性与定量研究相结合对发展我国可再生替代能
源产业提出相应的对策和建议。
三、研究的主要内容
本文的研究涉及对问题的概述、理论讨论、模型方法与应用研究、对策建议
等等，这些内容共分七章展开，它们是：
第一章为绪论，主要论述了经济的发展与环境和能源的关系（3E）问题的
提出， 以及可再生能源替代化石燃料的解决方案，认为它是加快解决经济发展、
能源消耗和排放问题的一条必由之路。在简述世界和中国该领域目前的研究状况
后，介绍了本文研究的思路与方法。
第二章在首先介绍了能源的定义和分类，对化石燃料与人类现代经济发展的
关联做了分析。然后，根据世界能源组织和其它权威机构给出的数据以及按照基
本情形和可选择情形两种不同情况，分析了世界能源需求和经济增长的趋势，以
及全球石油等主要化石燃料的储存和供应状况，从而得出了相关的结论。最后，
用统计数据分析与阐述了中国的能源现状以及它与经济增长的关系。
第三章从化石燃料的使用对经济可持续发展造成威胁的角度出发，论述了化
石燃料在为人类现代社会发展做出巨大贡献的同时，也对人类社会将来的持续发
展所造成的威胁。认为解决了化石燃料的使用问题就基本解决了全球气候变暖问
题，以及能源自然资源的耗竭问题。否则，必然使资源难以支撑，环境难以容纳，
社会难以承受，发展难以持续[42]。接下来，简单介绍了可再生能源产业发展概
况、生物质能技术研发和市场现状，以及世界主要国家发展可再生能源的产业政
策和财政鼓励措施。
第四章基于可再生能源对化石燃料的替代过程，根据经济发展、能源消耗
和环境保护的系统关系，独创性地设立了一个基础的 3E(Economy，Energy，
Environmen)动态优化模型，并求出其优化问题的解析解[43][44]。以此研究可再
生替代能源产业理论上的优化发展策略，即在确保经济持续发展的前提下，全社
会不可再生化石燃料的使用量最少。最后，根据实际数据，求出中国实现 2020
年可再生能源发展规划的动态优化路径，使系统要素配置最优、化石燃料使用量
和GHG 排放最少。
第五章在在改进基础 3E 模型的基础上，建立标准 3E 系统优化模型，突出
可再生能源产业总投资额
)(tI B
在能源经济系统中的双重作用；该模型考虑了可
再生能源产业的折旧，并在系统目标中兼顾了消费福利目标和节能环保目标。标
准3E 系统优化模型较为复杂，无法求出解析解，因此这一章应用 Runge Kutta
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算法，MATLAB 编程求解了该优化模型的常微分方程，以便能结合具体案例，
得出系统优化问题的数值解。
第六章结合国家《可再生能源中长期发展规划》提出的目标，在中国实际历
史数据的基础上，运用本研究建立的 3E 系统优化模型，分近期和中长期分别进
行了可再生能源替代系统优化问题的实证分析。在对中国能源经济历史数据的回
归分析中，为避免历史信息失真，改进了国内现有文献的统计方法。然后，在将
所有数据换算为 1952/1987 年不变价的基础上，求出了中国历年实际资本存量数
据，避免了用固定资产投资额代替的缺陷。最后，结合系统实证分析结果，给出
关于发展中国可再生能源事业的思考和建议，供社会计划工作者参考。
§1.4 本章小结
人类如何协调发展与环境和能源的关系，在追求经济发展和生活水平极大提
高的同时，兼顾资源的保护和后代人的利益，避免不可逆的、毁灭性的灾难，是
当代能源经济研究的新课题。本章介绍了 3E(ECONOMY, ENERGY &
ENVIRONMENT)问题及其目前的研究概况，提出新的能源经济模式——可再生
清洁能源替代模式；指出本文的研究思路，即用系统工程方法分析 3E 问题、建
立系统动力学模型并求解模型；最后，论述了本研究采用的理论与方法，以及本
文的主要内容。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题来源及意义一、问题的提出当今社会面临许多新的重大挑战，如经济的发展与环境和能源的关系及其复杂的相互作用和影响，已日渐成为全球关注的热门课题。这个宏观的能源经济问题通常被简称为3E（ECONOMY,ENERGY&ENVIRONMENT）问题。为此，人们从系统工程的视角自省：人类在追求经济发展和生活水平极大提高的同时，如何有效地保护地球所独有的自然资产，做到既持久地支持当今经济的平稳发展，又兼顾保护环境和后代人的利益，避免不可逆的、毁灭性的灾难。自人类进入工业社会以来，化石燃料、特别是石油已经日益成为现代经济生活中不可代替的核心要素。与此同时，化石燃料的大量开挖使...

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