能源效率视角下中国能源结构的灰色关联及通径分析

周德田，郭景刚

(中国石油大学经济管理学院，山东青岛266580)

能源作为维系人类生存和发展的纽带，对国民经济的繁荣具有极大的推动作用。日益攀升的能源需求同有限供给之间的矛盾使得能源问题成为世界各国面临的共同挑战。据BP的数据称，2010年中国一次能源消费总量已超越美国，位居世界第一。今后，中国作为能源消费大国，供给不足的窘境会更加突出，且有不断拉大之趋势，见图1。随着经济的快速发展，中国的能源结构不合理、能源效率低下等问题也会更趋尖锐，从而严重制约了经济的可持续发展。

图1 1980—2010年能源生产与消费总量

能源结构失衡是造成中国粗放型经济增长方式的主要原因。以煤炭为主的能源结构为国民经济迅速发展提供了强有力的支撑，但伴随而来的高投入、高排放等问题也给中国经济增长方式向集约高效型转变造成了巨大障碍。同时，不合理的能源结构也严重影响了中国的能源效率。2010年中国能源消费量占世界能源消费总量的20.3%，但国内生产总值仅为世界经济总量的9.38%，而同期美国的这两个数字分别为19%和23.1%。尽管近年来中国政府加大了节能减排的工作力度，能源效率有了一定程度的提高，但单位GDP能耗与美国等发达国家相比仍然存在很大差异。

一、文献综述

国内外对于能源结构的研究较为广泛，按照其研究视角的不同可以归结为以下两类：

第一类研究主要是从定量角度考察不同类型能源之间的替代或者互补效应。Pindyck以10个发达国家为样本考察了不同国家能源消费弹性的大小，结果显示：煤炭的需求弹性最高，石油次之，而电力需求的弹性最小，煤炭与石油、电力之间存在普遍的替代效应[1]。Andrikopoulos通过对加拿大的工业行业分析后证实了Pindyck的结论，即煤炭、石油和电力在能源结构下可以相互替代[2]。Renou-Maissant对美国、加拿大、日本等7个OECD国家1960—1993年的工业部门能源间的替代效应进行了比较研究。实证结果表明，在研究区间内各国能源间的替代性不明显[3]。Cho et al.对韩国1981—1997年的季度数据研究后却得出相异结论：相比于电力，石油的价格消费弹性最小，且煤炭与石油之间存在替代效应，而与电力之间则呈现出互补关系[4]。杭雷鸣、屠梅曾采用1985—2003年的时间序列数据建立超对数成本函数量化模型对中国制造业能源价格对能源强度的影响进行了定量检验，并依据交叉价格弹性结果得出煤炭与电力互为替代，而石油与电力存在互补效应的结论[5]。

第二类研究更多的是从能源效率的层面分析不同能源结构下能源效率的变化。Bossanyi et al.对英国、意大利等国的能源强度进行对比分析，发现能源之间的相互替代以及新技术的应用能够在一定程度上解释能源强度下降问题[6]。周德群描述了中国能源结构变迁过程，并在此基础上论证了中国原煤比重在能源结构中降低的必要性与可能性，认为优化能源结构是中国可持续发展的必然要求[7]。Fisher-Vanden et al.基于微观层面对中国1997—1999年约2500个能源密集型工业部门的能源效率研究后指出，煤炭在工业部门能源消费中比重的降低是降低中国能源强度的关键因素[8]。倪斌通过比较美国、澳大利亚和南非等国的能源结构，认为中国能源结构的优化须充分利用资源优势，确立煤炭在能源消费结构中的基础性地位，同时大力推广洁净煤技术，实现能源效率的提升[9]。赵娅选取科研投入、重工业产值比重、煤炭消费比重等指标作为研究变量建立多元线性回归模型，以此来测度不同因素对能源效率的影响程度，标准化系数显示，科研投入对能源效率提升的作用效果最为明显，能源消费结构优化调整的影响次之[10]。刘畅等对中国29个工业行业的能源强度变动及影响因素进行了实证分析后，得出电力、石油消费比例的增加能够降低能源消耗强度的结论[11]。伍亚等认为中国的资源禀赋以及煤炭价格的相对低廉共同导致了工业生产中很难实现有效的能源替代，提高煤炭的高效清洁利用水平对改善能源利用效率、降低能源强度意义重大[12]。

通过对以上国内外相关研究汇总，可以看出不同于国外的定量分析，国内学者大多从定性的角度来探讨能源消费结构与能源效率之间的互动关系，且较少涉及对能源生产结构的考量。基于此，本文通过建立灰色关联模型，以不同能源与能源总量之间的综合关联度为切入点，试图找出中国能源结构中存在的不足，并运用通径分析从定量的角度考察其对能源效率的影响程度。

二、中国能源结构及能源效率的现状分析

能源结构是指一定时期、一定区域内各类能源在能源总量中的比例关系，包括能源生产结构和能源消费结构。中国目前仍未完全摆脱粗放型的经济增长方式，需要大量的能源消耗作为经济支撑，而受资源约束力的作用，能源产量增幅明显后劲不足。这种能源总产量与总消费量的非同步增长使得中国的能源结构矛盾日益凸显。不合理的能源结构是造成环境污染、单位GDP能耗居高不下等问题的根本原因。由于中国煤炭基数大，为改善能源效率，必须把调整优化能源结构作为能源战略核心任务。

(一)能源生产结构

受“多煤少油少气”的自然禀赋特征的影响，中国能源生产结构极不均衡：煤炭在一次能源生产结构中所占比重过高，平均超过70%；而石油、天然气等优质能源的产量明显不足。值得注意的是，由于煤炭生产利用技术水平不高，大量的煤炭产出往往伴随着过多的资源浪费。表1可以看出，相比其他国家，中国煤炭的储产比①较低，且下降趋势明显，能源储备不足的困境开始凸显；石油储量相对有限，加之为满足巨大的国内需求而引发的过度开采，石油储产比已下降至9.9，阻碍了石油资源的良性循环；近年来天然气新探明储量不断增加，储产比呈现回升趋势，这也与中国天然气开采技术水平较低、产能不足有着密切关联。

表1 各国一次能源储产比 单位：年

(二)能源消费结构

一直以来，中国能源消费结构失衡问题普遍存在。从宏观上看，消费和供给缺口呈现递增趋势，供求矛盾愈加突出；从微观上看，中国是世界煤炭消费量最大的国家，高出世界平均水平约40个百分点，煤炭长期处于消费结构的主导地位，石油、天然气等优质能源的消费比重远远低于世界平均水平，见表2。在国家低碳经济的背景下，煤炭的消费比重已由1990年的79%下降至2010年的70.5%，但是由于消费基数较大，短期内煤炭主导的能源消费结构很难得到有效改善。作为石油净进口国，石油消费比重的提升意味着更多的石油进口。中国石油对外依存度已超过50%的警戒水平，这对中国的能源安全构成潜在威胁。在清洁能源的利用方面，相比于美国、日本，中国清洁能源的利用仍处于初级阶段，提升空间非常广阔。

表2 2010年各国能源消费结构

(三)能源效率

通过表1可以发现，同属于煤炭驱动型国家，中国与印度的单位GDP能耗值高于美国、日本等石油依赖型国家。由于印度能源消费结构中石油、天然气等优质能源比重相对均匀，其与美国、日本的能耗差距并不明显②。表2和表3的比较结果显示，能源效率的高低与本国能源结构密切相关。由于以煤炭为燃料的转换利用装置效率大大低于液体或气体燃料的转换效率，因此能源效率相对较高的国家，煤炭在消费结构中的比重较小。为摆脱中国当前能源利用水平低下的困境，在不影响经济发展的前提下，必须适度降低煤炭资源在能源消费结构中的比重，加快转变当前“低质型”的能源消费结构。

表3 2001—2009年单位GDP能源消耗统计 美元/千克石油当量

三、基于灰色关联模型的能源结构分析

(一)灰色关联模型

灰色系统理论由邓聚龙在1982年提出，用以量化分析系统中各因素之间关联程度。以各因素变化曲线的相似程度作为判断因素间联系是否紧密(关联度大小)的依据，不用于统计上的相关分析。灰色关联分析侧重于因素间时间序列的动态比较，所需数据量较少，适应性更广。由于一国能源的生产和消费受多种因素的影响，具有典型的灰色特性，因此本文采用广义灰色关联度分析对中国能源生产结构和消费结构进行研究，具体步骤如下所示：

首先，根据研究目的，将能源总量X0作为系统特征序列，即X0=(X0(1)，X0(2)，…，X0(n))；煤炭、石油、天然气和清洁能源作为相关因素序列，即Xi=(Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n))；对起始点进行零向化处理后计算绝对关联度。令。与计算绝对关联度类似，在对数据进行初值像处理后得到相对关联度γ0i。

(二)数据选择及处理

煤炭、石油、天然气和清洁能源的生产和消费共同构成了中国的能源结构，支撑着中国经济的快速发展。各能源变量之间具有显著的灰色特征。为作进一步分析，本文选取2000—2010年各类能源的生产量或消费量作为子序列，能源生产总量或消费总量作为母序列，建立广义灰色关联模型。各指标数据均来自《中国能源统计年鉴2011》，单位为万吨标准煤。

首先计算煤炭产量与能源生产总量的绝对关联度，其中X0为能源生产总量，作为系统特征序列；X1为煤炭产量，作为因素序列。按照上述步骤，将序列始点零化像后可得

同理，可分别求出石油、天然气、清洁能源的生产或消费与能源总量的广义关联度，见表4。

表4 中国各类能源与能源总量的关联度汇总

由表4可知，煤炭与能源总产量的关联性最强，综合关联度为0.9404。表明在过去十多年里，能源生产总量的提升是由煤炭带动的。中国煤炭资源的回采率很低，过量的开采往往导致巨大的浪费；近年来受自身可供开采石油储量增长乏力的影响，原油产量未有较大变化，导致原油产量与能源总量间的关联系数最小；天然气和清洁能源的产量近年来呈稳步增长态势，因此相比石油，其综合关联度略微偏高。煤炭与能源生产总量的综合关联度，与其他三种能源的综合关联度相差较大，这意味着以煤炭为主的能源生产结构短期内很难得到有效改善。

与能源生产结构类似，煤炭作为中国能源消费结构的重要支撑，综合关联度达到0.929 3，与其他能源相比，关联性最强。虽然石油0.7254的综合关联度与煤炭相比仍有差距，但随着政府对内需的拉动，消费比重将不断扩大，石油与能源消费结构的关联效应也会逐步增强。天然气消费还处于初级阶段，市场发育相对不足，民用天然气消费还未广泛普及。受制于消费水平和消费规模，其与能用消费总量的综合关联度仅为0.6471，远低于煤炭和石油的综合关联度。在商业化运营到来之前，清洁能源在能源消费结构中仍然缺乏竞争力。

对比能源生产结构和消费结构关联度可以发现，两者之间并非完全一致。石油生产与消费关联系数的不对称彰显了中国能源结构的不合理问题。由于需求刚性的存在，石油消费量短期内下降的可能性不大，如果中国的石油产量不能有较大的提升，石油供求紧张的矛盾将会加剧。而依靠石油进口来改善供需矛盾会引发能源安全问题。

四、能源结构与能源效率的通径分析

如前所述，能源结构是影响能源效率的主要因素之一。为进一步探究不同能源的消耗对能源效率的作用效果，在前文论述的基础上，笔者采用通径分析的研究方法，定量测度各类能源的变化对能源效率的直接作用效果，以及通过其他能源消费对能源效率的间接作用效果和综合作用效果。通径分析是简单相关分析的扩展，是在多元线性回归的基础上，通过将相关系数分解得到直接通径系数、间接通径系数及总通径系数，以此作为衡量某一自变量对因变量的直接作用效果、间接作用效果以及综合作用效果。设自变量X1、X2、X3、X4分别为煤炭、石油、天然气和清洁能源的消费量，Y为能源效率。通径分析的基本模型如下

其中，rij表示Xi和Xj之间的简单相关系数；riy表示Xi和Y之间的简单相关系数；piy为直接通径，表示各能源对能源效率的直接影响效应；rij、pjy为间接通径，表示某类能源通过其他能源对能源效率的间接影响效应。

单位GDP能耗是指每生产一个单位的国内生产总值所消耗的能源数量，是典型的负向指标。鉴于各能源消费量均为正向指标，本文对单位GDP能耗进行倒数化处理，以每单位能耗产值，即每吨标准煤消耗带来的以万元计的实际GDP作为衡量能源效率高低的标准。将各指标进行同向化处理后，如果能源指标到能源效率的通径系数为正，则表示提高该能源的消费量有助于改善当前的能源效率。反之，则表示阻碍能源效率的提升。为保证结果的精确性，笔者在前文的基础上扩大了样本研究范围，选取1980—2010年的能源消费指标作为自变量，以GDP与能源消耗总量的比值作为因变量(GDP以1978年为基期折算)，运用SPSS19.0求解后得到如表5所示的结果。

表5 中国各类能源的通径分析结构

由表5可以看到，煤炭对能源效率的直接影响系数为-0.6095，这与前文的分析一致，说明过多的煤炭消费会导致能源效率的降低。同时，煤炭通过石油和清洁能源对能源效率的影响显著，表明在煤炭消费比例难以有效降低的情况下，必须大幅度提高石油、清洁能源的使用比率才能使总效应为正，达到提高能源效率的目的。

石油消费对能源效率的正向作用非常明显，直接影响达到了1.4684。这意味着不改变其他变量，只需增加石油的消费，能源效率的提升效果就非常明显。由于总间接影响为负值，故短期内通过间接途径(如降低煤炭使用、大幅度提高天然气利用率等)降低能耗的做法可行性不高。

天然气投入并没有起到提升能源效率的作用，直接影响为-0.828 9，与经验上增加天然气消费对于能源效率的影响效果恰恰相反。这主要是因为中国天然气消费量较低，且主要用于工业部门。受技术水平的限制，加之使用过程中浪费较为严重，进而导致上述结果的出现。天然气对石油和清洁能源的间接影响抵消了直接负面影响，但相比于其他能源，天然气的总影响效应仍最低。加大对天然气产业的技术投入，减少浪费，扭转直接影响系数为负的局面，能源效率将会大幅改善。

清洁能源的使用与能源效率的提升存在正向关联，直接影响系数为0.848 1，这与其本身“低耗高效”的属性有着密切关联。同时，清洁能源较其他能源的总关联效应较小，仅为0.0106。因此在不影响经济发展的前提下，仅提升清洁能源的使用比例仍然能改善中国当前能源利用水平低下的局面。

五、优化能源结构的政策建议

中国的资源禀赋现状决定了短期内以煤炭为主的能源结构难以改变，因此中国应大力发展洁净煤技术、提高煤炭燃烧效率和煤炭清洁化水平。燃煤效率的改善可在相当程度上缓解石油、天然气供应不足的压力，保障国家能源安全。

通过开展国际合作，合理开发石油资源，以保证石油的持续供应。石油对于能源效率的提升效果显著，而国内石油产量已近极限。中国应通过与国外石油公司合作，采取多元化进口的策略来满足国内消费需求，扩大石油消费比重，减轻国际油价波动对石油供给的影响。

鉴于石油资源的特殊性，政府应加大对天然气资源开发的投入力度。中国天然气储产比较高，表明天然气的开采利用仍有很大的提升空间。应鼓励“以气代煤”、“以气代油”，扩大民用天然气的消费比例，以降低对煤炭的依赖，完成对煤炭资源的替代。

从长期来看，提高清洁能源在能源总量中的比重是优化中国能源结构的重要途径。这不仅有助于改善能源的综合利用效率，其对化石燃料的替代还能有效保障能源供应。中国地域广阔，清洁能源储量巨大，加大科研投入，克服技术水平落后、成本难以控制等关键因素的制约，清洁能源的利用前景将会更加广阔。

能源结构失衡严重阻碍了中国能源效率的提高，但对当前能源体系的评价，不能以偏概全，妄下定论，在认清其不足的同时，必须看到其积极意义。在工业化发展初期，以煤炭为支撑，中国经济得以迅速复苏，而现有的工业生产设备大都以煤炭等化石燃料驱动，如果盲目调整，大幅减少煤炭消费，必然会影响到工业化进程，阻碍经济增长。同时，中国清洁能源的发展也面临诸多障碍，如技术不成熟、定价不合理、成本偏高等，这都限制了对化石能源的替代。从国情出发，必须认清能源结构调整过程的长期性，以煤炭为主线，以减小煤炭消费的负面影响为方向，探求煤炭资源的清洁、高效之路；逐步提升天然气和清洁能源的消费比重，分步骤、分阶段地优化能源结构、改善能源效率。

注释：

①储产比表示尚存的可采储量，如按当前实际或计划开采水平继续开采尚可开采多少年。它是反映国家或地区能源后备资源是否充足的重要指标。

②俄罗斯资源浪费严重，其能源消耗与能源结构的关系并不具备参考性。

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