孙睿等碳交易的“能源一经济一环境”影响及碳价合理区间测算 等的CO 碳税模型 ，构建了一个单国多部门的静态中 国碳交易CGE模型CTCGE模型，包括生产模块，环境 模块，碳交易模块，收入支出模块，对外贸易模块，市场出 清，宏观闭合等模块。该模型反映了中国宏观经济系统中 各行为主体之间的相互作用关系，其创新之处在于引入了 碳交易模块和用于描述产业部门碳排放责任的环境模块， 并用于分析和比较在建立碳交易体系的条件下，外生给定 不同减排目标及碳价水平时，对我国宏观经济、能源消费 和实现碳减排任务的影响。研究采用Math CAD 15和 Excel 2007作为数学建模和估算工具。 1．1模型假设 首先，模型假设在已建立碳限额交易市场机制框架 下，环境管制机构设定总减排目标，该碳减排目标将按照 各产业部门的参考年碳排放量在全国总碳排放中所占比 例，分解到各产业部门，确定各部门的减排责任，制定分部 门的减排目标。我国承诺到2020年单位国内生产总值 CO排放比碳排放强度2005年下降40％一45％，假设 2007年碳排放强度下降40％一45％，换算成总量减排，即 为35％一40％。因此本文将2007年总量减排目标设为 10％，20％，30％三个适中的减排水平。第二，模型假设各 部门当前生产技术不变，即认为各部门在履行碳减排责任 时，未通过提高生产技术来降低减排成本的方式进行减 排。第三，模型假设资本市场在外来冲击下能够达到充分 调整，资本供给外生给定 。并且，在目前以及未来相当 一段时期内劳动力供给相对于需求仍过剩 ，因此模型中 劳动力市场部分不设定市场出清要求。 1．2模型结构和方程设定 CTCGE模型是基于一般均衡理论构建的静态可计 算一般均衡模型，采取自底向上和自顶向下相结合的研究 思路，共分为10个产业部门煤炭、石油、天然气、电力、农 业、轻工业、重工业、建筑业、交通、服务业，且假设每个部 门进行“无联合生产”，即每个部门只对应一种商品或服 务。在本模型中，各产业部门采用能源、资本和劳动力三 种初级要素和中间投入进行生产。由于新能源的比例很 低，对能源结构调整和碳减排的贡献在这里忽略不计，能 源要素仅纳入煤炭、石油、天然气和电力，且能源可供给量 无约束。 1．2．1 生产模块 为了有效描述资本K、劳动L和能源E要素之间的替 代性质，部门生产函数均采用四层嵌套的CES生产函数 形式。在生产函数第1层，各部门总产出置由资本一能 源一劳动合成品KEL 与非能源中间投入品z 生产，生产 函数采用Leontief函数形式。生产函数第2至4层均采用 CES函数形式，其中，在第2层，资本一能源一劳动KEL 由资本一能源合成品KE与劳动L合成。在第3层，资 本一能源合成品KE由资本K投入和能源合成品E 投入组合得到。在第4层，假设能源之间替代弹性or 相 等。考虑碳交易后，部门能源利用成本不只包括该能源购 人价格Pe ，还应包括因消费该单位能源产生的碳排放成 本Pcc0 ．i，并且可知给定碳价水平时，煤炭、石油、天 然气、电力消费的碳排放成本，根据其各自排放系数依次 递减。因此，纳入了碳排放价格的第n种能源单位利用成 本则为 Pc∞ 相应地，纳入碳排放价格，对部 门i，其加总的能源利用成本为 PECf亩‘XXe ‘Pe Pc。 cD 咫 PCi 1 其中，PE ZXe Pe ／E 为部门i的合成能源 价格，PC PCZCO ／E 为部门i单位合成能源的碳 排放成本。同理，宏观层面上的单位能源利用成本，也等于 总合成能源价格与碳排放成本之和，即PECP Pc。 在部门能源需求函数中，应反映实际碳排放∑CO 和能源碳排放系数co ． 与能源消费量的关系，并纳入到 第4层CES生产函数中 。该部门有关能源消费函数如 下 Xe 一l ％ A ～击． 兰 ； 置 杀 2 此处，第i部门第n种能源消费量‰ 对应第n种能 源价格Pe ，各部门间同一种能源价格Pe 相同；E 是第i 部门合成能源消费量，即合成能源价格PE对应的实物 量； 是能源间替代弹性系数；A“是第i部门能源总合成 品下各种能源的转换因子； 是第i部门能源总合成品 下各种能源的份额参数。 1．2．2环境模块 环境模块用以确定每个部门各自碳排放量。碳排放 量依据各种化石能源消费量的排放系数矩阵及碳氧化率 得到，且为避免重复，只考虑一次能源的碳排放量。各部 门碳排放量等于其各种一次能源需求乘以相应能源二氧 化碳排放系数。此处，GD． 是第i部门实际碳排放量，各 部门对第 种一次能源排放系数co 相同，即 CO2 co Xe ． 3 1．2．3碳交易模块 碳市场是一个零和博弈市场，意味着一个生产单位若 83． 中国人口资源与环境2014年第7期 排放更多的碳，就需要其他生产单位付出更多减排努力。 这里，碳市场是指二级市场，即主要是企业间的交易市场。 ∑CO2 一CO 0 4 c0 是政府规定的第i部门碳排放免费配额。因碳 价格激励作用，各部门碳实际排放总和与免费配额总量可 能不相等，当∑CO ． CO 时，表明该时期内未达到减 排目标，反之，当 CO ． Pc 时，Pc ，Pc帅 为合理碳价区间；Pc 30 tc时，恰恰相反，减排目标较高，相应减 排效果较好。 根据kaya恒等式，总碳减排效应A，可分解为经济规 模效应、宏观能源强度效应 和技术进步效应，。。，，表达 式如下 A ，co j等 等 且有警 E一 GDP， 等一塑E 10 且相 ， 面一一川， 其中， 是能源强度，E是能源消费总量，，。。，是碳排 放系数。据此，依据表2分解测算各效应表3，可知按 Kaya等式分解测算结果，各情景下，总碳减排效应中，能 源强度变动效应贡献约60％其中，能源总量变动是主要 原因，技术进步效应贡献约3438％，且两效应对各碳 价水平相对稳定。同时，以能源清洁化为特征的能源结构 调整具有减排效果，根据表3和各种能源的标准化碳减排 系数，采用基于能源消费结构的加权方法如式11测算能 源结构调整的减排率E 。 ES coefJ 0， co 一1 11 其中，n标识能源品种，k标识不同“减排目标一碳价” 情景，k0表示2007年实际数据。 2．2产业部门层次分析 2．2．1对各部门经济产出的影响 结果显示，各部门经济产出变动情况为 1各情景下，相对实际产出，各产业部门经济产出 均下降，幅度随减排目标提高而减小； 2对经济产出影响最大的部门是一次能源部门，特 表2单位合成能源利用成本及其构成 Tab．2 Unit cost of aggregated energy utilization and its components 注对能源综合利用成本变动效应及其分解采用加法效应分解法得到。 86 孙謇等碳交易的“能源一经济一环境”影响及碳价合理区间测算 别是煤炭和天然气部门，石油部门影响相对较小，电力部 门基本无影响； 3非能源生产部门经济产出下降幅度均小于1％， 对交通运输影响相对最明显，建筑部门次之。对服务业产 出的影响稳定且很小； 4从产业结构即各部门产出在GDP中的占比关 系角度，碳交易的引入，对产业结构影响不大，仅煤炭部 门的占比下降近3％，其它部门的变动基本可忽略。实际 和设定情景下，产出占比最大的3个部门都依次是重工业 约35．4％、服务业约19．3％和轻工业约19．1％，经 济的重工业化特征明显。但是，一次能源生产部门特别 是煤炭的占比下降较明显，伴随的趋势是，电力和非能源 部门皆占比略有升高。 2．2．2对部门能源消费影响 1对部门能源消费及其结构的影响。根据估算得 到的2007年各产业部门能源消费及其结构结果，分析可 知各情景下，引入碳价，各情景下，对能源部门能源消费 总量影响比非能源部门更大； 煤炭消费在各部门占比均大幅下降，煤炭消费占比仍 高的部门主要是煤炭、电力、重工业、轻工业，各部门采用 电力、石油或天然气进行能源替代，其中以电力为主。电 力消费占比基本随减排目标提高而提高。除交通部门外， 各部门电力消费占比均较高，特别在电力、轻工业、天然 气、服务业、农业、重工业部门中占比超过50％。石油在 消费量及其占比各部门受影响不太明显。随减排目标提 高，各部门石油消费呈分化趋势。天然气消费在各能源中 占比最小，影响不大，主要的天然气消费部门依次是重工 业5％一7％、天然气、石油、轻工业部门。 由资源配置优化的基本理论可知，各部门能源投入的 边际产出和能源消费边际成本的差异，应是导致各部门的 能源消费结构调整的原因。同时，能源消费结构的改变， 不仅与一种能源消费量的变动有关，还与该部门加总能源 消费总量的变动有关。不同情境下各产业部门能源消费 总量相对实际的变化是碳价引入，对能源部门的能源消 费总量影响比非能源生产部门更大，按影响大小依次分别 是天然气、煤炭、电力和石油部门。其中，煤炭和天然气部 门用能显著减少，对石油部门的影响基本可忽略不计。 2对部门合成能源价格及综合利用成本分析。实 施碳交易后，各部门能源综合利用成本将变化，既包括变 化后合成能源的价格，也包括单位能源排放的碳补偿成 本。其中，合成能源价格是指基于CGE模型部门划分和 层次结构采用自底向上思路构造的能源价格，与基于总量 层面自顶向下构造的宏观能源价格不同。能源排放的平 均碳补偿成本，与能源碳排放系数单位tCO／tce成线 性关系。 i 设阳。王 ／E 部门i的合成能源价格， PEC 为部门i纳入碳排放价格的合成能源单位利用成本， 为引入碳价前部门i的合成能源价格，则由式1可 推得 PEC 1、 PE 1、PECiPEi PC 面 面 面 篝 c篙 篙 12 即PEC 的变化，可分解为合成能源自身的价格变动效应 部份，以及碳补偿成本的直接贡献磊两部分，测算结果如 表3碳减排效应的分解因素 Tab．3 Factor decomposition of carbon emission reduction effect ％ 87 中国人口资源与环境2014年第7期 表4。必须要指出的是，所谓合成能源自身价格变动效应 中，实际已内含了部分碳成本。该部分碳减排成本根据各 部门的生产和碳减排技术特点有所差异，可以是直接技术 减排成本，也可以是碳补偿成本。 根据测算可知 1两情景下，碳排放成本由高到低的部门排序都 是煤炭、重工业、电力、轻工业、交通、建筑、石油、服务业、 农业和天然气。其中，前4部门边际碳排放成本显著。并 且，引入碳价后，按合成能源单位利用成本PEC 及其变动 pr 幅度，由大到小的部门排序与 一1基本相同。 ， 2在各部门单位能源利用成本变动中，碳排放成本 PE 贡献率均超过80％；能源自身价格变动效应 一1的 ／P-i 贡献很小，其中，情景1下，煤炭、电力、重工业和轻工业的 合成能源价格变动效应为负；情境2下，天然气、农业、轻 工业、服务业的合成能源价格变动效应为负。 2007年，实际合成能源价格水平，由高到低的部门排 序为天然气、农业、建筑、石油、服务、交通、轻工业、电力、 重工业、煤炭。 情景1下，按变动后合成能源价格和单位能源综合利 用成本水平，由高到低的部门排序均为天然气、农业、建 筑、石油、服务、交通、轻工业、电力、重工业、煤炭。情境2 下按各标准部门排序都基本相同。 两种情景下，煤炭、重工业、电力、轻工业、交通部门的 碳排放成本高于基准碳价水平，其他部门则低于该水平。 基于碳交易机制，前者有内在激励购买碳配额，以降低自 身减排成本；后者有内在激励提供多余的碳配额，以从碳 交易中获利。 在实际和给定情景下，引入碳价后，煤炭生产部门的 合成能源平均价格或其单位利用成本都远低于其它部门， 单位碳排放成本远高于其它部门，碳减排效果显著。但 是，仅靠引入碳交易并不能实现煤炭部门的充分减排，仍 有很大的减排潜力。 3根据各产业部门能源结构，以煤炭初始合成能源 价格为1，采用基于生产技术特征的CES合成价格指数计 算方法，也可估算得到各情景下不同部门合成能源比价关 系，可知相对实际比价，情景1下，各部门合成能源价格 差异变大；情景2下，该差异又趋于缩小。在部门层次上， 按各标准排序与基于能源消费结构加权方法得到的价格 部门排序结果一致。 2．2．3各部门碳减排贡献分析 各部门在不同情境下对总减排的贡献率显示各部门 pr 减排率大小与其能源利用的碳排放成本‘l- 基本呈正相关 f／5i 关系。碳排放成本越高的部门，越有激励进行减排，实现 减排率越高。与前述分析结论相结合可知碳交易能有效 促进煤炭、重工业、电力、轻工业部门的碳减排。但对属高 排放部门的交通和建筑业的减排效果不明显，还需要依靠 其它手段促进减排。 3研究结论和展望 给定碳减排目标决定了可分配的碳配额总量，未能完 成减排目标的主体必须购买碳配额进行补偿。以10％和 20％为减排目标，由前述CGE模拟计算结果可得碳价格 会对宏观经济、能源消费和碳减排效果产生直接或间接的 不同程度影响。碳价不仅直接可作为碳排放成本纳入生 产成本，而且通过传导进入能源部门生产成本而间接导致 能源价格变动，两者共同构成单位能源的利用成本，引致 能源消费结构调整和激励各生产部门进行碳减排，影响到 各部门生产活动及其产出，从而也具有宏观经济上的影 响。 通过碳交易机制引入碳排放的市场定价机制，应充分 考虑碳减排的宏观经济成本，既要保持合理的碳价水平， 表4宏观和各产业部门PE和PEC 变化率 Tab．4 PEf and PECl change rate of each sector ％ 88 孙睿等碳交易的“能源一经济一环境”影响及碳价合理区间测算 又要保证碳交易的足够流动性和应对价格冲击时的相对 稳定性，并考虑到对产业部门层面能源经济活动的影响， 以充分发挥碳交易对于低成本实现碳减排、引导能源结构 和产业结构调整、促进能源清洁化的作用。这对于碳交易 顺利运行并经济有效地实现减排至关重要。 根据CTCGE模型测算及分析结论，可得到以下对 于碳交易政策设计及实施的建议 1设定10％绝对总量碳减排目标，同时引入碳交易 政策是较好的减排策略。该政策需要基于碳减排目标，遵 循“可测量、可监督和可验证”原则对排放主体进行严格 监管。对采取技术减排或购买碳配额仍不能达到减排目 标的经济主体，应依法采取停止经营和罚款等手段。 2设定碳配额的上下限价政策可按照CTCGE模 型思路确定该碳价上下限，以保证碳价波动不致造成较高 的宏观经济成本，同时保证碳价足够的波动幅度，为碳交 易主体提供较大的套利空间，以提高碳交易的流动性。与 限价政策相配套，建立两级碳价预警机制，第一级有效碳 价区间如1525 tC，通过高于社会平均碳减排成本 的有效碳定价，保证交易足够活跃和流动性，同时最大限 度地降低宏观经济成本；第二级有效碳价区间如6．9 35 tC，目的在于提供更高套利空间，激励更多经济主 体参与碳市场交易，以提高社会总减排率，该区间适于宏 观经济增长态势良好的情况下。 3碳交易引入，对经济结构调整的影响和各非能源 部门的能源结构影响不大。采取促进服务业、轻工业等低 耗能部门发展的政策，不仅有助于跨越重工业化阶段和经 济结构转型，而且具有降低宏观经济消费总量和宏观经济 损失的效果； 4碳价引入对于提高能源价格和总利用成本的影 响有限，为进一步提高节能减排效果，应保证和提高电力 投资，促进煤炭利用的清洁化，采取能源资源税和交通燃 油税等政策，保持必要的能源市场价格水平，同时促进煤 炭和交通领域的减排； 本文研究及其方法，具有一般性，适用于碳交易对宏 观经济、能源消费及碳减排效果影响的评价和分析，以及 对碳价合理性和碳交易可行性进行评价。然而，也存在不 足之处，例如CGE模型需要参考外生参数，外生参数的选 取对模型结果有一定的影响，根据已有文献选取的弹性参 数是否适用于参考年情景，仍需考虑；对碳价引入造成的 能源“纯价格变动”进一步分解，识别因能源供需变动引 起的“价格变动效应”和“间接碳价效应”；根据各行业能 源消费与排放系数进行的测算，与各部门CO 实际排放量 或存在差别；本方法需要基准年数据作为参考，用于预测 目的时，需要准备、转换和校准预测期的GDP、部门产出、 能源消费等数据作为参考基准，使得该方法使用有一定复 杂性和限制；有关研究结论，可以进一步用于碳交易及碳 定价机制的设计。这些问题有待进一步改进和深入研究。 编辑李 琪 参考文献References [1]The Tyndall Centre for Climate Change Research．The Challenge to Keep Global Warming Below 2℃[R]．Natural Climate 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in CES function of the production module，establishes Social Accounting MatrixSAMbased on output table of China 2007，which is used to analyze and uate carbon pricing effects upon economic output，energy consumption and carbon abatement under different scenarios of emission reduction targets，estimates reasonable carbon price intervals，and finally concludes that1At the macro level，higher carbon price causes more carbon abatement， more GDP loss， and less energy consumption． Considering the macFo economic loss and emission effects，the paper identifies the optimal carbon price and reasonable carbon price intervals under different scenarios．It is most reasonable to introduce carbon market under the scenario of 10％carbon abatement target，which can accept heavier price shock6．935 tCwith less economic loss．Referring to decomposition factors of the Kaya equation，the carbon emission reduction effect caused by carbon price is mainly from the macro energy intensity effect and technical progress effect． Introducing carbon price will not only reduce energy consumption but induce a lowcarbon energy consumption structure，especially the coal consumption decreased significantly．2At the industrial sector level，outputs of all sectors，especially energy sector，will drop， while industrial structure stays unchanged to some extent．The main impact on energy consumption is that the introduction of the carbon price has great effects on the energy sector and the transport sector．Each sector’s unit cost of aggregated energy utilization is divided into two parts，the energy own price and cost of carbon emissions．The paper concludes that the unit cost of aggregated energy utilization’s change is mainly caused by the cost of carbon emissions．Further，carbon emissions costs of energy intensive sectors are higher，while the reduction rate is relatively high，but the reduction effect is still not significant．The paper recomands implementing the incentive policy such as energy resources tax and transportation fuel tax which will maintain the necessary level of energy prices， and promoting emission reduction in the fields of coal and transportation． Key words CGE model；carbon trading；energy consumption；carbon abatement；scenario analysis 90