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如何实现二氧化碳减排和经济发展的双赢?——能源结构优化视角下的实证分析*

2011-01-04徐盈之董琳琳

关键词:消费结构边际二氧化碳

徐盈之,董琳琳

(东南大学 经济管理学院,江苏 南京210096)

如何实现二氧化碳减排和经济发展的双赢?
——能源结构优化视角下的实证分析*

徐盈之,董琳琳

(东南大学 经济管理学院,江苏 南京210096)

本文主要基于VAR模型,分析了不同类型能源对经济发展的影响,并结合各种能源的二氧化碳排放系数,测算了不同类型能源的二氧化碳排放对经济发展的影响,从而在能源消费结构优化的视角下估计出中国二氧化碳减排政策的减排成本。实证结果表明,能源消费对经济发展有显著影响,且不同类型能源实现同等减排效果的成本存在较大差异,所以对于中国这种节能技术水平较低的发展中国家来说,为实现二氧化碳减排和经济发展的双赢,能源消费结构优化是一个恰当的政策。

二氧化碳减排;能源消费;减排成本;能源消费结构优化

一、引 言

随着全球能源的急剧消费,二氧化碳排放所引起的全球气候变化越来越为人们所重视。因此,如何在确保经济稳定发展的能源消费前提下减少二氧化碳排放量,已成为世界各国共同研究和探讨的焦点。而随着 “后京都时代”的到来,中国作为最大的发展中国家将承担起更大的减排责任。根据世界银行的分析,1990年至2003年间,中国二氧化碳排放量增加了18亿吨,增幅超过77%。美国能源信息管理局 (EIA)发布的 《世界能源展望2008》称,2004年至2030年间,中国的煤炭消费将每年上涨3.2%。而以煤为主的能源消费结构带来了严重的环境污染问题,据统计2008年我国的二氧化碳排放总量为6 896百万吨,二氧化硫排放量为2 321.2万吨,烟尘排放量为901.6万吨,工业粉尘排放量为484.9万吨。我国的能源消费以煤炭为主,虽然煤炭在我国能源消费总量中的比重由最高峰时的76%下降到了2008年的68.7%,但仍然占据了绝对地位,而且这一比重在近年还有上升的趋势。从国际比较来看,目前,世界大多数国家的能源消费都以石油和天然气为主,对环境污染压力相对较小,而煤炭对环境的污染要严重得多。我国油气能源,尤其是天然气的比重与发达国家相比相差很大,并且我国能源技术和能源加工与利用效率均低于OECD国家,能源强度和单位能耗的大气污染物排放量相对较高,因此能源消费结构优化对中国的节能减排具有重要理论和现实意义。

本文将基于VAR的分析框架,通过测算不同类型能源的减排成本来实现能源结构优化,以期为制定二氧化碳减排政策提供相应的理论指导。

二、文献综述

近年来国内外关于能源消费结构优化的研究文献主要分为两个方面:一是对能源消费结构的不合理性分析以及相应政策建议,多以定性分析和描述性统计分析为主。如王顺庆(2006)从环境污染、生态破坏、能耗高等方面分析了我国以煤炭为主的能源结构的不合理性[1](P63-65)。高鹏飞等(2004)研究了碳减排对中国能源系统的影响,说明了能源消费结构结构优化对能源消费减少有重要影响[2](P1192-1195)。郑新业(2010)研究了影响全球二氧化碳排放的相关因素,指出能源结构与能源效率对二氧化碳排放起了很大作用[3](P55-57)。张爱军(2010)在我国发展低碳经济的政策选择中提出应改变我国的能源结构,大力发展新能源产业[4](P55-56)。王克强等(2009)分析了国际能源的发展趋势,认为能源结构短期变化不大,长期应由化石能源向可再生能源、新能源转换[5](P57-64)。罗裴等(2010)分析了基于协同论的中国能源消费结构优化的问题,并提出对策[6](P21-25)。

二是运用计量经济学模型对我国的能源消费结构与二氧化碳排放及经济发展之间关系进行测度,并提出相关建议,多为实证分析。主要分为三类:一是分析能源消费结构与二氧化碳排放之间的关系,如林伯强、蒋竺均 (2009)采用对数平均迪式分解法 (LMDI)和STIRPA模型,分析了影响中国人均二氧化碳排放的主要因素,指出除了人均收入外,能源消费结构会对二氧化碳排放有显著影响[7](P27-36)。帅通等 (2009)采用IPCC 2006 年提出的各类能源排放二氧化碳量的计算方法,探讨了产业结构和能源结构变动对碳排放量的影响[8](P885-889);二是分析能源消费结构与经济发展之间的关系,如Cho等 (2004)使用1981—1997年的季度数据,采用两阶段超对数成本函数对韩国的经济增长与能源间替代关系作出了估计[9](P31-50)。李国章等(2010)使用 ARDL模型方法对能源消费、能源消费结构和经济增长三者之间的关系进行了实证研究,说明节能减排政策的一项重点应该是能源消费结构的优化调整[10](P55-126)。邹璇 (2010)计算中国1990—2007年能源消费弹性系数,指出能源与经济增长之间有相互促进的作用[11](P33-39);三是采用情景预测方法对经济发展、能源结构和二氧化碳排放进行综合分析,如Strachan等 (2008)利用 MARKAL-MACRO模型对英国长期减排方案进行情景预测,提出应当增加天然气、生物能源消费结构等的利用[12](P2947-2963)。王灿 (2004)用一个综合描述中国经济、能源、环境系统的递推动态可计算一般均衡 (CGE)模型,分析了中国实施碳减排政策的经济影响[13](P1621-1624)。

从上述文献中可以看出,以往学者对能源消费结构优化的研究多数集中于从能源消费结构的不合理性分析角度切入,大都只考虑环境因素;且多数文献的定性分析难以反映一个国家能源消费结构优化政策的实际成本,导致得到的结论和相关政策建议不具有较强的可信性和可行性,难以起到指导实践的目的。而基于定量层面对能源消费结构的分析则多数没有全面考虑能源消费、经济发展与二氧化碳减排三者之间的关系,情景预测主要是针对未来的发展进行综合预测,措施较多,难以考虑每种措施的单独影响。所以本文综合考虑能源消费、经济发展和二氧化碳减排的共同作用,通过计量经济学模型考虑能源消费结构优化所带来的影响,从而证明能源消费结构优化政策能够实现二氧化碳减排和经济发展的双赢。

三、能源消费对经济发展影响的测度

(一)VAR模型的建立及数据获取

1.VAR模型的建立。通过构建一个包含产出、就业、资本与总能源消费 (或分类型的总能源消费)的向量自回归 (VAR)模型,可以测算能源消费对总产出的影响。这突出了不同变量之间的动态反馈机制,并且测度了能源消费对总产出的直接效应和间接效应,一方面,能源作为生产投入可以直接影响产出——规模效应;另一方面,投入可以通过影响其他投入 (如资本和劳动)间接影响产出——替代效应。因此,VAR模型是估算能源消费对总产出影响的理想方法[14](P89-95)。

本文总共估计4个VAR模型,每个模型都包含产出、就业和资本变量。此外,每个模型包括一个能源变量——能源消费总量或三种类型能源中的一种。根据VAR的建模原则,本文的VAR模型构建如下:

其中,AE表示总能源消费,E表示就业人数,K表示资本,C表示煤消费,P表示石油消费,G表示天然气消费。Ak为4×4阶参数矩阵,Et为4×1阶随机误差向量,0是4×1阶零向量,Ω是4×4阶协方差矩阵。

2.变量确定及数据说明。基于数据的可得性和实证研究的需要,本文的分析期间确定为1990—2008年。所使用原始数据主要来源于1990—2008年 《中国统计年鉴》、 《中国能源统计年鉴》以及 《新中国五十五年统计资料汇编》。其中,经济发展以产出、就业和资本来衡量。各变量的选择及数据处理如下所示:(1)产出,以各年份的国内生产总值来表示,单位为亿元;(2)就业,以各年份的就业人员总数来表示,单位为万人;(3)资本,以各年份总资本固定形成表示,单位为亿元;(4)能源消费,其中总能源消费直接采用各年份的能源消费总量来表示,统计口径为终端能源消费量、能源加工转换损失量和能源损失量之和,单位为万吨标准煤。煤、石油和天然气的消费量为总能源消费量与各类型能源所占比例相乘计算得出,单位为万吨标准煤。由于电力只包括水电、风电和核电,而水电、风电和核电的排放系数均为0,所以本文不考虑电力。

(二)实证分析

1.平稳性检验。由于现实中的许多经济变量往往不是平稳的时间序列,采用传统的计量经济学方法进行分析容易产生伪回归问题。因此首先应对变量的平稳性进行检验,确定各序列的单整阶数。单整阶数是序列中单位根的个数,检查序列平稳性的方法是单位根检验。如果含有单位根的非平稳序列通过d次差分成为一个平稳序列,而这个序列差分d-1次时却不平稳,那么称序列为d阶单整序列,记作I(d)。本文采用ADF对样本进行平稳性检验。在5%的显著性水平下,变量lnGDP、lnE、lnK、lnAE、lnC、lnP和lnG的ADF统计值都大于相应的临界值,接受存在单位根的结论,这表明八个序列都是非平稳的。而在其二阶差分中,lnGDP、lnE、lnK、lnAE、lnC、lnP和lnG的ADF统计值都小于相应的临界值,拒绝原假设,表明八个变量的二阶差分序列都不存在单位根,是平稳序列,即这些变量均为二阶单整序列。

2.协整检验。如果各个变量序列是非平稳的单整序列,但它们的某种线性组合是平稳的,则说明变量之间是协整的。由于时间序列具有相同的单整阶数,均为二阶单整序列,因此可以对它们进行协整关系的分析。本文使用Johansen多变量系统极大似然估计法来检验各变量序列之间是否存在协整关系,这是一种基于向量自回归的检验方法,在进行协整检验之前,必须先确定VAR模型的滞后阶数。为了保持合理的自由度使模型参数具有较强的解释能力,同时又要消除误差项的自相关,使用AIC、SC信息准则和LR统计量作为选择最优滞后阶数的检验标准,并用其他各项检验方法来检验模型的统计性能,最后确定用于协整检验的VAR模型滞后阶数为2。对能源消费决定的2阶VAR实施Johansen检验,统计结果显示,经过自由度调整的最大特征值和迹特征值显著地拒绝了不存在协整关系的原假设,并证明至少存在一个协整关系。

3.脉冲响应函数的分析。经过以上协整检验可知,模型中的变量均具有长期的均衡关系,但短期由于会受到随机干扰的影响,这些变量有可能偏离均衡值,但这种偏离是暂时的,最终会回到均衡状态。脉冲响应函数能够比较直观地刻画出变量之间的这种动态交互作用及效应,它是指在随机误差项上施加一个标准差大小的冲击后对内生变量的当期值和未来值所带来的影响,显示任意一个变量的扰动如何通过模型影响其他变量,最终反馈到自身的过程。

在脉冲响应函数分析之前,应对VAR模型的平稳性进行检验。如果VAR模型不稳定,脉冲响应函数分析将不是有效的。为避免数据的剧烈波动并消除时间序列中存在的异方差现象,在不改变原始变量间关系基础上,对变量进行自然对数变换。经检验,4个模型全部根的倒数值都小于1,表明建立的4个VAR模型的结构是稳定的,因而满足脉冲响应函数分析的条件。

其中产出、就业和资本对能源消费单位信息冲击的脉冲响应曲线如图1所示。鉴于篇幅所限,本文只给出总能源消费的脉冲响应曲线,依次类推。图1中,横轴表示滞后期数,纵轴表示内生变量对冲击的响应程度,虚线表示响应函数值两倍标准差范围的置信带。从图1可以看出能源消费与资本、就业、产出之间的动态反馈。

(三)能源消费对经济发展影响的分析

首先对资本、就业和产出等经济发展变量关于不同类型能源的长期弹性进行估计。累积弹性代表当能源消费长期累积变化一个百分点时,考虑到所有动态反馈效应时其他变量长期累积变化的百分率。累积弹性定义为:

相应地,用边际产品来衡量当能源消费增加相当于一顿标煤时资本和产出的变化 (单位:千元)以及长期就业人数的变化,计算公式如下:

将1999—2008年资本、产出、就业与能源消费的平均比率与相应的弹性相乘就可以得到边际产品,考虑过去十年的平均比率是为了消除周期性影响。估计的边际产品如表1所示。

1.总能源消费冲击对经济发展的影响。从图1中可以看出,对总能源消费施加1单位的正的冲击后,产出、就业和资本均有明显的增加,总能源消费的增加对经济发展变量的效应为正。同时表1给出了给予总能源消费1个冲击后产出、就业和资本的具体效应:产出关于总能源消费的弹性为0.86,边际产品为6 764意味着每增加一吨总能源消费,产出增加6 764元;就业关于总能源消费的弹性为0.06,从长期来看,一吨总能源消费的增加会创造出0.027个就业机会,即增加1个就业需要增加37吨总能源消费;长期来看总能源消费对资本有一显著的影响,其弹性为1.50,相应的每吨能源消费的边际产品为5 537元。

图1 产出、就业、资本对总能源消费冲击产生的影响

表1 能源消费的边际产品

同时可以测算出能源消费响应中劳动产出比率的弹性为0.08,因此,长期来看产出的响应大于就业的响应。总能源消费冲击对产出和就业的影响结果表明,能源消费对经济中长期的劳动生产率有积极的影响。

2.不同类型能源消费冲击对经济发展的影响。通过以上分析,可以确定总能源消费对经济发展有较显著的影响。但由于不同类型的能源消费对产出、就业、资本的影响有较大差异,以下分别测算不同类型能源消费对经济发展的影响。

各种类型的能源消费冲击对资本的影响均有较大影响。其中最大为天然气,弹性为0.76,边际产品为96 774元,亦即每增加一吨天然气消费,资本增加96 774元。究其原因,主要是目前天然气广泛用于诸如工业燃烧、化工燃烧等第二产业和家庭、餐饮等第三产业,而且固定资产投资方向主要为第二和第三产业,所以其单位消费引起的资本增加量最大。接下来依次是石油和煤,弹性分别为2.43和1.29,边际产品分别为42 128元和7 043元。能源消费的外生冲击对就业水平也有重要影响,天然气的影响最大,弹性为0.06,边际产品为0.88,接着依次为石油和煤。

鉴于每种类型能源对资本和就业的影响,它们对产出影响的重要性不言而喻。对产出影响最大的是天然气,其边际产品为102 079元,即增加一吨天然气消费,产出增加102 079元。接着依次是石油和煤,其边际产品分别为52 327元和9 125元。煤的边际产品较低和我国能源利用效率较低有关,实证结果也表明天然气为高效能源,单位能源消费的产出明显高于煤和石油。

综合以上分析结果可知,能源消费会对经济发展产生显著影响,并且不同类型的能源对经济发展的影响存在较大差异。通过能源消费结构优化政策实现二氧化碳减排的减排成本取决于调控目标能源的类型。因此,考虑每种类型的能源对经济发展变量的影响在估计能源消费结构优化政策的经济成本时至关重要。

四、不同类型能源二氧化碳减排成本的计算

为了得到能源消费结构优化政策的二氧化碳减排成本,本文接下来通过结合不同能源的二氧化碳排放系数与上述能源消费对经济发展的影响,估计各类能源的二氧化碳边际减排成本,从而探讨能源消费、二氧化碳减排和经济发展三者之间的关系。

(一)不同类型能源的二氧化碳排放系数

本文考虑的二氧化碳排放主要是由化石能源燃烧所引起的,不包括废弃物、林业和土地利用的变化产生的二氧化碳。根据IPCC(2006),当石油燃烧时碳的释放率为99%,天然气与煤燃烧时碳的释放率为94%和98%,碳遇到氧气氧化为二氧化碳,因此可以通过考虑二氧化碳中碳分子的比重计算二氧化碳的排放量。与联合国气候变化小组采取方法相一致,本文运用能源消费量、碳因子、氧化率以及碳因子与二氧化碳的比率来计算不同类型能源的二氧化碳排放量。首先确定不同类型能源的碳排放系数,然后通过氧化率调整不完全燃烧,确定释放到大气中的碳总量,最后将碳总量乘以二氧化碳 (12+16×2)与碳分子 (12)的比重44/12,得到大气中的二氧化碳排放量。不同类型能源的二氧化碳排放系数[15](P227-242)如表2所示。

表2 各种化石能源消费结构的二氧化碳排放系数

表2 表明不同类型能源的二氧化碳排放存在较大差异,从而证明了能源消费结构优化政策的可行性。从表2可以得出:

1.煤的含碳量最高,每吨煤燃烧产生4.04吨二氧化碳。为减少煤燃烧导致的二氧化碳排放,可以通过大力发展煤炭的清洁利用技术和先进燃煤发电技术,提高煤炭转化效率;推进热电、热电冷联供等多联产技术,提高煤炭资源的综合利用效率,从而集约、清洁、高效地利用煤炭,降低煤的二氧化碳排放系数。

2.石油的含碳量居中,每吨石油燃烧产生3.04吨二氧化碳。为减少石油燃烧导致的二氧化碳排放量,同时为适应新形势的需要,应逐步提高成品油的环境标准,发展清洁油品资源,从而降低石油的二氧化碳排放系数。

3.天然气的含碳量最低,所以其排放系数最低,为2.34,即每吨天然气产生2.34吨二氧化碳。总能源由煤、石油、天然气以及风电等组成,且煤炭所占比例较大,所以综合1999—2008年数据,得出总能源消费的二氧化碳排放系数较高,为3.46。

(二)不同类型化石能源消费结构减排的边际成本

表3 列示了煤、石油和天然气的二氧化碳减排的边际成本,反映了不同类型能源的二氧化碳排放量对经济发展的影响。边际成本为边际产品与排放系数的比值,表示各种类型能源每排放一吨二氧化碳对产出、就业和资本的影响。

表3 能源的二氧化碳边际减排成本

从表3可以看出,总能源消费的边际减排成本为1 950元,每减少一吨二氧化碳排放,产出减少1 950元,资本减少1 596元,长期来看工作岗位会减少0.007 8个。但是从总能源消费中不能得出具体某种类型能源的减排成本,而各种类型能源的边际减排成本存在较大差异。下面根据实证结果逐一分析每种类型能源的边际减排成本:

1.煤的边际减排成本最低,为3 002元,意味着减少煤的消费量实现减少一吨二氧化碳排放,会导致产出减少3 022元,资本减少1 596元,长期来看工作岗位会减少0.007 8个。因为煤为高污染能源,二氧化碳排放系数最高,与此同时,我国煤能源利用效率较低导致单位能源消费的边际产品较低,所以其边际减排成本最低。所以在政策制定时,可以降低煤消费占总能源消费的比例,从而实现二氧化碳减排且对经济发展的负面影响最低。

2.石油的边际减排成本居中,通过减少石油的消费减少一吨二氧化碳排放,产出会减少12 978元,资本减少10 448元,同时工作岗位减少0.042 1个。在政策制定时,亦可酌情降低石油消费占总能源消费的比例,降低二氧化碳减排政策的经济成本。

3.天然气的边际减排成本最高,通过减少天然气消费减少一吨二氧化碳排放,产出会减少43 677元,资本减少41 407元,同时工作岗位减少0.376 2个。主要原因是天然气相对煤和石油而言为清洁能源,二氧化碳排放系数较小,且为高效能源,单位能源消费的边际产品较高。所以在保持经济增长的同时实现同样的减排效果,更为合适的将是减少煤与石油的消费而增加天然气的消费,为此可以通过提高国内天然气资源的开发利用以及进口周边国家天然气,增加天然气对煤炭和石油的替代,提高天然气在能源消费中所占比重。

4.由于本文所采用电力统计口径为水电、核电与风电,其排放系数为0,所以没有计算其二氧化碳减排成本。在政策制定时,应更多地考虑提高水电、风电与核电的比例,从而实现二氧化碳减排与经济发展的双赢。

五、政策启示

本研究表明,能源消费对经济发展有显著影响,且不同类型能源实现同等减排效果的成本存在较大差异,对于中国这种节能技术水平较低的发展中国家来说,通过能源消费结构优化可以实现二氧化碳减排和经济发展的双赢。据此提出以下政策建议:

第一,降低煤炭类和石油类能源所占比例。煤炭和石油的消费量最高,对二氧化碳排放的贡献率最大,是名副其实的排碳大户,且其边际减排成本较低,因此应该减少能源消费结构中煤炭类和石油类能源所占份额。与此同时,应大力发展煤炭清洁利用技术和先进燃煤发电技术,提高煤炭转化效率;推进热电、热电冷联供等多联产技术,提高煤炭资源的综合利用效率。对石油类能源应加大投入力度,推广采用新技术、新工艺,逐步提高成品油的环境标准,发展清洁油品。

第二,增加天然气等其他形式能源的消费。相对于煤和石油而言,天然气的边际减排成本最高,所以如果在保持经济增长的同时要实现相同的减排效果,增加天然气消费将更为合适。因此一应加快对塔里木、鄂尔多斯、柴达木和四川盆地等地区的天然气开发,积极开展战略选区工作,扩大国内天然气资源的开发利用;二应加强国际合作,打通国际贸易通道,确保国际市场供应畅通,加大进口周边国家天然气以及LNG的力度;三应大力开发和使用天然气替代、天然气水合物替代等技术,提高天然气替代石油的比重,进一步优化能源消费结构。

第三,大力发展无碳能源和新能源。由于目前电力主要依靠煤炭和热能转换,导致整个电力行业效率较低,所以应该着力提高无碳能源和新能源的比例,实现能源结构的多元化。我国无碳能源和新能源开发利用的重点主要是太阳能、风能、核能、水能和生物质能等,因此,一方面应加大对风电、核电等无碳能源和新能源技术的投入力度,如扩大建设大中型风力发电项目、大力发展核电水电工程等;另一方面应大力推广对太阳能、生物质能等无碳能源和新能源的系统利用,如扩大太阳能热水器、太阳能暖房、太阳能暖棚、太阳能暖圈、太阳能聚焦、聚热等热利用,推广农户沼气池和沼气综合利用,推广农作物秸秆气化,开展生物质能源种植与开发利用等。

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[2]高鹏飞,陈文颖,何建坤.中国的二氧化碳边际减排成本[J].清华大学学报(自然科学版),2004,(9).

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How to Achieve Double Wins of Carbon Dioxide Emissions and Economic Development?—The Positive Analysis under the View of Optimizing the Energy Structure

XU Ying-zhi,DONG Lin-lin
(School of Economics and Management,Southeast University,Nanjing210096,China)

Based on VAR analysis frame,this paper mainly analyzes the influence of different types of energy's carbon dioxide emissions on the economy,and thus estimates the economic cost of carbon emission reduction policies of China under the view of optimizing the energy structure.Empirical results indicate that there is remarkable influence of energy consumption on the macro-economic performance,and there exists a big difference of abatement costs for carbon dioxide among different kinds of energy for the purpose of getting the same effect.Therefore,for a developing country with low level energy-saving technology like China,the optimization of energy structure could be a proper policy to achieve the double wins of carbon dioxide emissions and economic development.

carbon dioxide emission;energy consumption;abatement cost for carbon dioxide;optimization of energy structure

F206

A

1671-0169(2011)06-0031-07

2011-08-30

国家社会科学基金项目 “开放经济条件我国碳减排责任动态研究”(11BJY066);国家重大科技专项子课题 “湖滨缓冲区生态建设综合效益评价”(2009ZX07101-009-01-03);教育部人文社会科学研究一般项目 “空间趋同视角下中国区域节能减排效率差异研究:理论、实证与对策”(10YJA790212);江苏省教育厅高校哲学社会科学研究重大项目 “江苏低碳经济发展战略、思路、模式、途径与政策研究”(2010ZDAXM002)

徐盈之 (1970—),女,浙江杭州市人,教授,博士生导师,博士,研究方向:计量经济学、环境经济学。

董琳琳 (1989—),女,安徽淮北市人,硕士研究生,研究方向:国民经济学。

(责任编辑 朱 蓓)

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