四川省天然气产业安全—经济—环保耦合协调度研究——基于能源“不可能三角”视角

李乔楚 张鹏 陈军华

（1.西南石油大学经济管理学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学土木工程与测绘学院，四川 成都 610500）

0 引言

破解能源“不可能三角”（可及、廉价、清洁不可兼得）难题是新发展格局下我国能源管理必须解决的基础性问题，需要通过几年、几十年的努力，实现能源发展的“可能三角”［1］。自2020年以来，在新冠肺炎疫情全球暴发流行、大国政治博弈加剧、绿色低碳转型推进等因素影响下，国际能源市场剧烈震荡，现阶段我国天然气对外依存度超过40%，能源安全问题日益突出［2］。天然气具备“清洁低碳”和“灵活易储”特性，成为保障国家能源供给安全和实现“碳达峰”“碳中和”目标（以下简称“双碳”目标）的重要过渡能源［3］。在此背景下，天然气产业被赋予重大使命，而四川省作为“国家清洁能源示范省”，常规、非常规天然气资源禀赋得天独厚，2022年天然气产量达到554.10 × 108m3、排名全国第一，在探索天然气产业“安全—经济—环保”三角平衡最优解上亟需起到模范带头作用［4］。基于此，通过引入能源“不可能三角”理论，构建天然气产业“安全—经济—环保”三维因素综合评估体系，结合四川省2006—2021 年的实际数据实证分析天然气产业短期安全稳定、中期经济可行和长期低碳环保水平，并进一步探讨双因素与三因素间的耦合协调程度，以期明确多元主体的最优平衡点和实现可能性，通过“能源三角可能论”推动破解天然气产业高质量发展的“卡脖子”瓶颈问题，为中国“双碳”目标贡献“四川天然气方案”。

1 研究方法

1.1 指标体系构建

基于能源“不可能三角”理论的科学内涵［5-10］，构建一套科学合理的评估指标体系，是准确测度天然气产业“安全—经济—环保”耦合协调度的逻辑起点。综合考虑指标的科学性、全面性、目标性和可获得性原则，构建天然气产业“安全— 经济—环保”综合评估体系（表1）。

表1 天然气产业“安全—经济—环保”综合评估体系

本次研究对象选取“清洁能源示范省”四川，研究期限选为2006—2021 年。安全稳定、经济可行和低碳环保各项指标的基础数据来源于2007—2022年的《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《全国矿产资源储量统计表》《四川统计年鉴》以及国家统计局数据库的相关数据，天然气产业燃料燃烧和系统溢散CO2排放量的核算参照《2006 IPCC 国家温室气体清单指南2019 修订版》和《省级温室气体清单编制指南（试行）》［11-18］提出的推荐方法，对经济指标数据统一换算为2006 年的不变价格以避免价格波动对数据分析的影响。

1.2 耦合协调度模型

在物理学上，耦合协调通常是指大于或等于两个的物体彼此依赖程度的度量。在系统学视角中，自然界的万事万物总会存在千丝万缕的联系，耦合协调则可被定义为系统之间交互作用、彼此影响的现象。能源领域“三角可能”的实现，重点在于短期安全稳定、中期经济可行和长期低碳环保水平是否处于相互依存、相辅相成的状态。为了评估三维因素间的交互作用和协同效应，构建天然气产业“安全—经济—环保”耦合协调度模型如式（1）～式（3）所示。

式中，STSSn为第n年天然气产业的短期安全稳定水平；MTEFn为第n年天然气产业的中期经济可行水平；LTLEn为第n年天然气产业的长期低碳环保水平；CDn为第n年天然气产业“安全— 经济— 环保”耦合度；CEIn为第n年天然气产业“安全—经济—环保”综合评价指数；CCDn为第n年天然气产业“安全—经济—环保”耦合协调度；η、λ、μ为各子系统权重，且η＋λ＋μ＝1。

2 实证结果分析

2.1 天然气产业“安全—经济—环保”发展水平分析

依据研究结果可得（图1），2006—2021年四川省天然气产业“安全—经济—环保”发展水平整体呈波动上升趋势，2021年安全稳定水平、经济可行水平和低碳环保水平分别为0.9 626、0.6 967、0.7 312，由此表明四川省天然气产业目前发展态势良好、提升潜力较大。同时，由于四川省是重要的天然气产地，区内天然气自给水平、资源禀赋水平、能源运输能力等具有优势，故安全稳定水平评分较高，已接近1。形成上述现象的主要原因为人类社会正在经历以油气化石能源向清洁低碳能源转变为代表的第三次能源转型，而天然气在安全层面稳定无毒、密度轻于空气且不易爆炸，在环保层面单位热值的CO2缺省排放因子仅为56 100 kg／TJ 显著低于煤品的平均排放数量级90 000 kg／TJ 和油品的平均排放数量级70 000 kg／TJ，能够在满足用能需求的同时缓解能源领域的“温室效应”贡献，在经济层面其在供给同等热值时的花费成本低于其他大部分化石燃料，且价格具有稳定性优势［23］，在上述因素综合影响下天然气成为低碳发展新格局的重要过渡能源。与此同时，西部主要油气盆地是我国天然气发展的主战场，2022 年产量在全国占比超过80%，其中四川省2022 年常规和非常规天然气总探明储量达到20 324.15 × 108m3，排名全国第一，天然气产量为554.10×108m3也位居全国首位，中国“气大庆”资源禀赋优势造就四川省天然气产业发展优势。

图1 四川省天然气产业“安全—经济—环保”发展水平

具体来看，目前四川省天然气产业安全稳定水平较高，经济可行水平相对较低，低碳环保水平有待进一步提升。针对安全稳定水平，四川省是我国重要的天然气产地，资源储量独具地域优势，强大的供应能力助力省域天然气自给水平富足有余，能源支柱型产业的加速发展有效支撑了地区生产总值的稳定增长，与此同时，四川省是我国天然气管网最为发达的省份，形成以南、北输气干线为主线，以贯穿各采气区的环形输送管网为依托，且高压输送、低压配送系统完整的多层次管网体系，并与西气东输、川气东送、忠武管道等国家级骨干管网互联互通，能源运输保障能力较强，在上述因素综合作用下保障产业发展的安全稳定。值得注意的是，2009 年和2018 年天然气产业安全稳定水平呈显著下降趋势，这主要由于2009 年四川省天然气产量结束了自2006 年以来的连续增长之势，奠定了后续油气体制“放开两头，管住中间”改革方向的现实需求基础；与此同时，2009 年11 月以来，我国出现长时间大范围的雨雪天气，突发自然灾害造成全国天然气使用量增长迅速并普遍超出供应计划，能源供需矛盾上升，2017 年底全国再次爆发大范围“气荒”现象，并进一步诱发2018 年上半年的供需紧张状况，在此背景下四川省天然气自给率由上一年的179.17%下降至2018 年的156.05%，最终造成上述年份天然气产业安全稳定水平相对较低。随着国内经济的调整，下一阶段中西部地区加工制造业仍是发展重点，四川省天然气外输量应适度压缩，“就地消纳”成为产业区域分工变化后的必然趋势。

针对经济可行水平，由于过于迅猛的市场开发，大储量气田的相继发现也难以抵御后方能源消费量的日益激增，且天然气在单位热值上相比于其他能源的价格竞争力也将进一步激励消费需求，国内天然气短缺局面在短期内难以根本缓解，从而限制天然气产业对区域经济发展的支撑作用，与此同时，四川省各市（州）经济发展水平差异显著，西部高原、山地等自然地貌对农村地区天然气市场的扩张产生一定阻碍，较为分散的居民分布也将增加建设成本、降低经济效益，均会影响省域内天然气的普及水平，2021 年城市天然气用气人口总数与年末常住人口总数的比值仅为0.349∶1，在上述因素综合作用下经济可行水平相对较低。值得注意的是，2009 年和2016 年天然气产业经济可行水平分别出现显著下降和上升趋势，这主要由于2009 年的“气荒”现象造成国内天然气价格涨幅达到两成，燃气生产和供应业出厂价格指数比居民消费价格指数高出1.20，单位天然气消费量支撑的地区生产总值水平也由2008年的92.13元／m3陡降至2009年的76.79元／m3，生产端和消费端的双重价格提升造成天然气产业经济可行水平降低；2016年《油气管网设施公平开放监管办法》与《天然气管道运输价格管理办法（试行）》相继发布（以下简称“两个办法”），助力明确管输定价成本依据、理顺价格机制，同时激励多元投资主体进入天然气产业，而四川省作为重要的生产供应源头也成为政策的获利主体，与此同时，2016年四川省城市天然气用气人口由上一年的1 703万人陡增至1 910万人，增长率达到十年以来的最高值12.16%，省域内天然气市场繁荣发展，从而带动产业经济可行性水平显著提高。

针对低碳环保水平，天然气作为公认的清洁化石能源本身即具备低碳发展优势。与此同时，四川是全国“清洁能源示范省”且省会成都获批“低碳试点城市”，天然气为代表的清洁能源成为发展绿色低碳优势产业的主攻方向，从而带动产业低碳环保水平日益上升。但与此同时，天然气在消费比重中的提升又不可避免地导致产业自身碳排放同步增加，即面临单一能源利用的固有局限，因此未来产业发展应致力于探索天然气与新能源的融合发展路径，打造“天然气+风光电、余压发电、伴生资源、氢能、CCS／CCUS”五大业务链，全力推进“气、电、热、氢”深度融合［24］，突破产业低碳环保水平进一步提升的屏障。值得注意的是，2015 年天然气产业低碳环保水平出现显著上升趋势，这主要由于为了确保完成第十二个五年规划纲要提出的节能降碳目标，四川省人民政府办公厅发布《2014—2015年四川省节能减排低碳发展行动方案》，方案具体明确了“煤改气”等能源消费结构优化任务，在政策激励下四川省天然气消费量在化石能源消费总量中的占比由2014年的15.59%陡增至2015年的21.01%，燃气领域环境基础设施建设投资额也由86 883.06 万元增长至117 000.49万元，从而带动产业低碳环保水平显著提升；2019 年开始产业低碳环保水平增速出现减缓趋势，这主要由于2019 年四川省天然气消费占比的增长幅度仅为2.38%，相比于2017 年增幅7.84%和2018 年增幅9.57%显著较低，在技术限制下工业、交通运输业等关键领域能源低碳转型工作的进一步推进存在一定屏障，与此同时，随着国内经济下行压力持续加大，2019 年产业环境基础设施建设投资额显著缩减，并在2020 年开始的新冠肺炎疫情影响下持续保持较低水平。

2.2 天然气产业“安全—经济—环保”耦合协调度分析

基于前文构建的计算模型，研究得到2006—2021 年四川省天然气产业“安全— 经济— 环保”耦合协调度，具体汇总于表2。

表2 四川省天然气产业“安全—经济—环保”耦合协调度

依据研究结果可得，四川省天然气产业“安全—经济—环保”三维耦合协调度呈显著上升趋势，由2006年的0.330 2不断提升至2021年的0.893 2，这表明在“十一五”和“十二五”时期四川省天然气产业短期安全稳定、中期经济可行和长期低碳环保三大目标的同步实现存在难度，产业发展面临一定的能源“不可能三角”问题；“十三五”以来天然气产业进入快速发展上半程的重要时期，产业发展实现了消费比重增加、用能范围扩大的质量变革，供给效率提高、管网互联互通和调峰储备设施运行效率提升的效率变革，以及体制机制改革、核心技术突破的动力变革，同时在低碳发展新格局下天然气作为重要清洁过渡能源的主体地位日益显现，“安全—经济—环保”耦合协调度持续提升。天然气产业高质量发展成为破解四川省乃至中国能源“不可能三角”问题的关键抓手，有助于通过产业示范发展“先立后破”，规避“双碳”目标迈进过程中的“碳冲锋”和“一刀切”做法。2021年，“安全—经济”、“安全—环保”和“经济—环保”二维耦合协调度分别为0.913 0、0.924 0 和0.844 8，“安全—环保”耦合协调度最优并略微高于“安全—经济”数值，“经济—环保”耦合协调度相对较低，即为破解能源“不可能三角”问题的重点领域。造成上述现象的主要原因为中国“双碳”目标的实现以统筹发展与安全作为前提，能源清洁低碳转型举措需要在保障能源供应安全稳定的基础上开展，在政策助推层面两者伴生共存、相互促进，与此同时“安全”维度的天然气自给水平、资源禀赋水平、能源运输能力等的提升将自发带动“环保”维度的低碳化石能源消费占比增加，控制天然气开采、处理、加工和输送过程中的CO2排放，供给更多的富裕资源并通过“西气东输”、“川气东送”工程满足中原、华东、长江三角洲地区的用能需求，在保障能源供应安全的同时助力全国低碳发展新格局形成，“安全— 环保”二者具有相同内核故呈现同步变化趋势，因此耦合协调度显著较优。“安全”是“经济”的重要前提和有效助力，只有具备稳定的供应能力才能为天然气市场扩张提供充足的资源支撑，促进供求关系平衡从而稳定市场价格水平，最终促进天然气市场的高水平人均消费，与此同时，繁荣市场带动的需求增加又将激励天然气勘探开发工作、推动管网等基础设施建设延伸，因此“安全—经济”耦合协调度也具有较高水平。“经济”与“环保”在一定程度上是相互矛盾的两个主体，一方面能源活动贯穿于经济社会发展的方方面面，能源价格越低、更易获取则必将带动需求量显著提升，即使含碳量较低的天然气仍属于化石能源，在终端消费过程中CO2将通过氧化反应迅速排放，同时在气井压裂、地下注水等开采作业过程中将消耗大量水资源，其产生的废水含有较高浓度的甲烷、苯酚、挥发有机物等污染物，对水生态环境造成污染，上述因素均通过规模效应影响低碳环保水平；另一方面，在环境规制下为了满足减污降碳要求，天然气产业污染治理投资额度相应提升，这部分投入将作为成本增加带动出厂价格同步提高，并最终分摊至下游消费者，从而影响经济可行水平；但与此同时，从能源系统视角上看，经济优势带动的天然气普及发展必将推动四川省化石能源整体低碳消费水平的提升，降低天然气外输成本从而助力提升区域乃至国家层面的清洁能源利用水平，两者的激励和阻碍作用同时存在、相互抵消，最终导致耦合协调度有待进一步提升。

值得注意的是，四川省天然气产业“安全—经济—环保”两两之间和三者之间的耦合协调度均在2009 年出现显著下降趋势，这主要由于国内油气生产企业“先有资源，后找市场”的传统气田开发模式，正在承受突然“爆棚”需求造成的倒逼，气田开发周期延长、老气源衰减严重等问题导致增产艰难，与此同时，相对于能够带来直接利益的终端消费市场开发，用于公共应急保障服务的全局性储气调峰设施建设因投入花费巨大而乏人关切，工业生产、居民生活用气的季节性特征加剧供需不平衡问题，诸多潜在矛盾骤然变成区域突发性“气荒”等现实问题，在“供不应求”情景下2009 年天然气批发价格出现显著涨幅。与此同时，此阶段我国仍处于经济发展上升期，在利益最大化驱使下工业等重点用能部门倾向于转用成本较低、供应充足的煤炭等高碳化石能源，能源利用技术水平较低导致天然气供能部门总体较少，用于碳捕捉和储存、工业废水处理等减污降碳关键技术的研发资金投入受到挤压，四川省部分欠发达地区还通过主动降低环境规制力度以应对产业发展的欠景气阶段，在一定程度上加剧了能源勘探开发、加工转化领域的“污染避难所”现象，在上述因素综合影响下造成“安全—经济— 环保”耦合协调度的联动陡降趋势。2015年，“安全— 环保”耦合协调度出现显著上升趋势，这主要得益于“十二五”末期四川省能源发展规划中天然气新增探明储量、产能建设和供气量、消费结构调整、节能减排降污等安全、环保相关目标的同步加快推进，由此从侧面凸显了天然气产业发展在国家战略与区域节能降碳成效之间的关键媒介作用，为国家五年规划的持续推行提供有效支撑。2016 年，“安全—经济”耦合协调度出现显著上升趋势，这主要由于2006—2013 年在供应和价格双重驱动下中国天然气市场经历黄金发展期；2014—2015 年的经济结构转型带动工业、发电等行业的用气需求增速放缓，煤炭、油品等替代能源成本下降导致天然气经济性优势减弱，同时我国天然气价格调整周期较长，计划经济模式下的价格机制无法实现天然气与替代能源价格的及时联动；2016年，随着“两个办法”相继发布，价格、供应和垄断三大长期制约产业发展的关键瓶颈逐步打破，天然气市场涅槃重生，具体来看：（1）天然气价格进入下行通道，比价关系出现改善；（2）随着进口气增加，天然气市场从供不应求向供需宽松转换，经济可行难题解决带动安全稳定水平提升；（3）随着市场化改革的推进，四川省天然气勘查开采等上游产业有序放开，带动市场化程度同步提升，多元化主体良性竞争助力产业持续健康发展，从而体现出“安全—经济”耦合协调的良好成效。2018年，“经济—环保”耦合协调度出现显著上升趋势，这主要得益于当年度《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等文件的相继发布，在此背景下天然气等清洁能源利用日益得到关注，从而带动四川省天然气普及水平提升8个百分点，与此同时，2018年四川省地区生产总值达到42 902.10 亿元，相比上一年增长13.18%，经济保持稳中有进，上述两者共同带动省域天然气消费量陡增至237×108m3，化石能源消费低碳水平提升9.57%，在天然气产业良好的经济效益态势下环境基础设施建设投资额也达到历史最高值126 784.92 万元，最终实现“经济—环保”的良好耦合协调。

3 结论

1）协调发展是产业高质量发展的内生特点和重要衡量标准，高质量发展不仅需要重视发展水平，还应当注重协调程度，即最终实现短期安全稳定、中期经济可行和长期低碳环保三者间的高水平耦合协调发展。天然气产业高质量发展成为破解四川省乃至中国能源“不可能三角”问题的关键抓手，有助于通过产业示范发展“先立后破”，规避“双碳”目标迈进过程中的“碳冲锋”和“一刀切”做法，调节产业高质量发展与生态环境高水平保护之间的矛盾。

2）四川省天然气产业“安全— 经济— 环保”发展水平整体呈波动上升趋势，这得益于天然气具有稳定无毒、清洁低碳、经济高效的自身特性，同时中国“气大庆”资源禀赋优势造就产业发展优势。安全稳定水平显著较高，这由于强大供应能力助力自给水平富足有余，同时省域天然气管网尤为发达、运输保障能力较强，“就地消纳”成为产业区域分工变化后的必然趋势；经济可行水平相对较低，这由于大储量气田相继发现也难以抵御迅猛市场开发和天然气价格竞争力带动的后方消费量日益激增，计划经济模式下的价格机制难以体现市场供求关系及与替代能源的价格联动情况，西部恶劣自然环境、分散居民分布也将限制市场扩张、降低经济效益。低碳环保水平有待进一步提升，这由于天然气作为公认清洁化石能源本身即具备低碳发展优势，但消费比重提升又不可避免地导致产业自身碳排放同步增加，即面临单一能种利用的固有局限，因此未来应积极探索天然气与新能源的融合发展路径。

3）四川省天然气产业“安全— 经济— 环保”三维耦合协调度呈显著上升趋势，这主要由于在研究前期突发性短缺局面和比价关系恶化导致产业发展面临一定的能源“不可能三角”问题，“十三五”以来天然气产业发展实现质量、效率和动力三大变革，价格、供应和垄断三大瓶颈逐步打破。其中，“安全—环保”耦合协调度最优，在统筹发展与安全的战略前提下，能源清洁低碳转型举措需要在保障能源供应安全稳定的基础上开展，在政策助推层面两者伴生共存、相互促进；“安全—经济”耦合协调度较高，只有具备稳定的供应能力才能为市场扩张提供充足的资源支撑，促进供求关系平衡从而稳定市场价格水平，同时繁荣市场带动的需求增大又将激励勘探开发工作、推动管网等基础设施建设延伸，“以产定需”成为未来发展的理想选择；“经济—环保”耦合协调度相对较低，能源价格越低、更易获取则必将带动需求量显著提升，即使含碳量较低天然气仍属于化石能源，在规模效应下通过有意氧化反应迅速排放CO2，但从系统视角上看经济优势带动的天然气普及发展必将推动化石能源整体低碳消费水平提升，两者对耦合协调度的激励和阻碍作用同时存在、相互抵消。