石油峰值、能源投资回报值与经济增长关系研究

单胜召，黎斌林 ，肖荣阁

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.云南农业大学经管学院，云南 昆明 650201)

石油峰值、能源投资回报值与经济增长关系研究

单胜召1，黎斌林2，肖荣阁1

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.云南农业大学经管学院，云南 昆明 650201)

在能源消费对经济增长显著影响的背景下，本文引入能源投资回报值(EROI)来探讨石油与经济增长的关系，通过研究表明，石油的EROI值与油价呈反向关指数系，而当EROI值下降至10∶1以下，两者为非线性关系，且EROI值与石油公司的利润率之间存在可比关系。全球的石油EROI值已降至16∶1左右的低水平，对于石油供应短缺的我国而言，EROI值更低至安全警戒线10∶1的水平，随着全球石油峰值的临近，中国的经济增长面临着低石油EROI值，石油企业的高成本，国际油价上涨对中国经济增长的冲击作用，对本土石油企业利润的负面影响也会显著扩大。

石油峰值；能源投资回报值；净能源；经济增长

在学术领域和主流机构的石油预测研究中，主流的预测均认为石油峰值会来临，但由于全球过去所谓的非常规石油逐步转变为经济可采石油，导致全球的石油峰值大大延迟。(Shell,2013[1]；黎斌林,2014[2])。石油峰值的逐渐来临，会对全球的经济发展产生重大的影响，受石油峰值的影响，国际油价持续上涨，直至全球的石油消费量与石油供给量相等。国际石油市场中石油的短缺首先会对交通部门产生负面影响，然后通过间接效应对全球供应链产生影响(Ulrike Lehr et al.，2011[3])。Cleveland et al.(2000)[4]在分析了石油消费与经济发展之间的因果关系中考虑到能源质量与能源替代，认为能源是经济增长的限制性的因素，经济增长的50%左右的变化可以通过石油消费来解释。 Murphy 和Hall (2014)[5]认为当能源价格特别是石油价格上涨时，相应的能源方面支出增加额会从社会中其他领域转移至GDP，能源支出额的大幅增加，也就是当能源价格更高时，相应的社会财富会向能源支出转移。本文在当前经济发展对石油消费的严重依赖的背景下，探讨石油峰值，能源投资回报值(EROI)和经济增长之间的关系。

1 EROI与净能源的定义

在许多能源与经济发展的关系的模型中，如MESSAGE模型，MARKAL模型以及IEA的WEM模型，在能源的部分仅计算能源的整体产出，而不考虑投入，如图1所示，能源对于经济有着重要影响还在于扣除投入的那部分的产出。也就是净能源(Net Energy)，其定义是指除去获取能源成本等能源投入后所能得到的能源回报的净剩余值。如果投入大量的能源以发展某种资源，却不能获取最终的资源产量，则：净能源值为零。净能源值较高意味着该能源具有更大的经济性，非传统能源(如页岩气、油砂、重油等)以及可再生能源如太阳能，风能等的净能源值，远低于石油、天然气、煤炭等传统化石燃料。净能源衡量的是社会的有效能源，净能源供给的增长会对经济发展有这很大的促进作用，而净能源供给的减少会对经济发展有制约作用。

图1 EROI简要示意图

能源投资回报值(Energy Return On Investment，EROI)是Cleveland与Hall于1984年首次提出，其定义为在某种能源在其生产的过程中产出与投入的比值。EROI与净能源最大的区别在于：EROI是一个无单位的产出与投入的比值；而净能源只是有单位的产出与投入之差。EROI是非常有效的物理指标，如在某一石油简化的生产体系中，总产出为100MJ，在石油的开采过程中消耗的能源为10MJ，在石油的提炼及副产品的加工过程中消耗27MJ，在从产地到终端的运输过程中消耗了5MJ(运输1)，所产出的石油又需要从产地运输到使用地(运输2)，所消耗的能源为37.5MJ，最终对于经济发展有用的能源仅仅为20.5MJ,这部分净能源才是具有最大经济性的能源 (图1)。

国内的一些学者把EROI翻译成为能源回报率，但实际上EROI并不是回报率的概念，而是一个比值，因此本论文认为EROI应为能源回报值。一般的EROI公式，是将能源投入量与能源产出量根据该能源的性质换算成热当量值，一般使用J或者BTU来表示。能源质量在经济学的意义就是关于某种燃料的效用(utility)，综合了其自身的物流，储藏，能源密度等。最终其效用通过价格的形式来反映，这就是为什么煤炭的单位能源价格与电力的单位能源价格相比更低的原因。高能源质量的资源(如电力)对低能源质量的资源(如煤炭)具有可替代性。经测算，石油的能源质量与煤炭的能源质量相比，是其1.6～2.7倍，电力与煤炭相比，是其能源质量的2.7～14.2倍。

从燃料的能源质量来看，煤炭的能源质量依据其品种的不同，具有很大的不同，大约在4882～29107MJ/t，石油的能源质量较为稳定，大约在5455～6521MJ/桶，天然气的能源质量仅是石油质量为945～1372MJ/cf，一些可再生的燃料资源为5702MJ/t,一次能源的能源质量平均值大约可换算为3.6MJ/kW(表1)。

表1 不同燃料的能源质量

注：修改于J.G.Lambert et al.2014[6]。

引入能源质量对EROI公式修正之后，可以表示为式(1)，净能源可以表示为式(2)。

(1)

(2)

对于石油的EROI值而言，石油的生产过程中，包括了直接投入Edirect,i，间接投入Eindirect，劳动力投入QL，以及生产过程中外部性所需要的支出En。直接投入包括了勘探以及钻井等活动的能源投入量，如对于汽油，电力等的消耗。间接投入包括了原材料，设备等的投入所产生的能源投入。劳动力的投入主要是单位时间的工作量。式(3)中，a和b分别为劳动力与石油开发外部性对能源的转换系数(胡艳，2011[7])。

(3)

2 石油EROI值的历史现状及趋势

EROI是我们从环境中使用能源以获取能源的效率(efficiency)的衡量手段，可使用EROI值来衡量某种能源的成本的高低。例如油砂的EROI值为3∶1，常规石油的EROI值为16∶1。从成本角度来看，油砂的生产成本大约在85美元/桶，而阿拉伯的原油的平均成本在20美元/桶左右，这意味着低EROI的资源的成本要远大于高EROI的资源的成本。

大量的文献证实全球石油生产的EROI值趋于下降的趋势。Gagnon et al.(2009)[6]认为全球的石油开采的EROI值从20世纪90年代的34∶1下降至2008年的18∶1。Mason Inman(2013)在对全球石油成本的评估中，认为EROI值已经下降至16∶1。依照线性图来看，拟合程度最高的EROI值的R平方值为0.46。与全球总体趋势类似的是，美国的石油开采的EROI值从20世纪90年代的34∶1下降至2011年的10∶1(Megan C.2011)。中国石油的EROI值从90年代最高时的14∶1下降至2010年的10∶1。(Yan Hu et al.,2013[8])(图2)。

从全球范围来看，常规石油EROI值的下降主要原因有两个。首先，石油供应的增加伴随着生产石油时能源强度的增加，主要是因为石油公司优先发展开采容易的石油资源。例如在1990年仅仅有2%的石油发现量位于超深水区，但到2005年，这一数字增加至60%。其次，EOR技术等先进技术在全球传统大油田的采用。尽管EOR技术在短期来看能够提高产量，但是这些技术也同时也增加了能源投入，意味着能源投入的增加一定程度上抵消了能源的产出。

图2 世界、美国和中国的EROI值

EROI值的下降意味着需要更多的能源以获取能源，因此能够从油田中提供给社会的净能源也在下降。例如：图3和图4所示为两个假设情境，A社会的能源EROI为18，B社会的EROI为1.2，假设两个社会同时开采100单位的能源，但是由于不同的EROI值，提供给社会的净能源是截然不同的。A社会必须要投资6个单位的能源以获取100单位的能源，而B社会必须要投入80个单位的能源才能获得100个单位的能源。同时也意味着，A社会提供了94个单位的净能源，而B社会提供了20个单位的净能源。

图3 EROI假设情境1

图4 EROI假设情境2

另外一个检验相关情境的是为了维持一个固定的净能源的供应，需要开采多少能源总量。为了供应社会100个单位的净能源，A社会需要开采106个单位的能源总量，6个单位的能源用于能源开采。B社会需要开采600个单位的能源总量。绝大多数的能源都用于能源开采。

下降的EROI值加剧了石油的消耗，意味着为了弥补EROI值的下降，必须要加速开采资源。假如全球EROI值为18∶1，而2008年总能源产量为30.8Gb，其中29.1Gb为净能源，通过公示计算净能源和EROI值，如果假设当前的全球剩余石油资源为925Gb，如果社会需维持当前的石油消费量29.1Gb/a,那么全球石油资源量仅有30年的剩余(925/30.8)。然而，如果EROI将下降一半的话，也就是EROI值为9，那么我们只有27年的剩余(925/34.6)。由于较低的EROI值，整体石油开采量必须要增加以维持净能源的产出。如果EROI将下降至3∶1，那么我们仅有20年的石油剩余量。

总之，在全球石油资源EROI值下降的背景下，若维持当前的净能源输出，需不断提高能源产量，结果是必然加剧石油资源的消耗。当全球逐步进入石油峰值时期，伴随着经济性常规石油资源供给量的下降，而石油EROI值的下降需要更多的能源来弥补能源产量的下降，则供应到终端的单位石油能源的投入增加，最终这一影响将传导至国际石油价格。

3 石油峰值、EROI值与经济发展

经济增长总是会和低油价波动率和日益增长的石油供应量紧密相关的，高油价会导致能源支出在GDP中所占比重升高，从而进一步导致经济的衰退。Nelder和Macdonald(2012)[9]认为当石油支出占GDP的比例在5%的时候，会出现经济衰退，美国在2002年的能源支出上升至6.2%，而在2008年上升至9.8%，在这之后都出现了经济危机。

当前EROI值持续走低与当前全球石油工业通过对非常规石油的开发有关，高成本最终直接导致高油价，削弱了经济增长能力，Murphy和Hall称之为“经济增长悖论”(Economic Growth Paradox),也就是经济增长需要日益增长的石油供应作为支撑，而高油价会使得经济增长能力趋弱(Murphy和Hall，2014[5])。Nelder和Macdonald(2012)[10]论述了油价和经济的增长之间的关系，认为是油价的狭窄边缘(Narrow Ledge)，油价上涨会使石油生产商的利润增加，但并不意味着油价越高，石油公司的利润会无限增大，由于新的石油资源储量需要高油价支撑才能得到有效的勘探和开发，但随着高油价所带来的经济增长的萎缩，使高油价所带来的效应持续，而在低油价时期，石油产业增加石油供应较难，因为大多数新的石油储量都具有低的EROI值，因此，如果增加低EROI值的石油资源的供应，油价需要上涨到石油成本之上。

M.K.Heun et al.(2012)[11]对EROI值与全球的油气生产和油价之间的关系提出了一个模型(式(4))。

(4)

其中CE,prod,t是在t时期油气产量时的石油价格，EROIt是t时期的EROI值，a,b,c均为系数。这一关系模型表明当EROI值下降至10以下，EROI值和油价之间高度非线性关系(图5)。

图5 油价与EROI值关系图(据文献[5]修改)

依据石油生产的历史，依照前述的预测及分析，将全球石油的生产分为3个时期，峰值前(Pre-peak)、峰值期(Pea-period)和峰值后(Post-peak)，而不同的时期，石油的EROI值都就有很大的不同，而EROI值与油价又具有反向相关关系，因此不同时期EROI值，油价与经济发展存在紧密的相关性。(由于探讨峰值后的关系并不具有现实的意义，因此论文并不就峰值后的关系进行论述)

3.1 峰值前(Pre-peak)

全球石油的生产在峰值前的特征：产量呈指数增长，石油的发现量远超过石油的产量，石油的EROI值较高，而且这一时期的油价处于极低的价格，例如在1860～1969年平均的价格在23美元/桶(2008美元)。

在石油峰值前期，EROI值、油价与经济增长的关系可以使用下面的一个简要的循环来描述(图6)。在石油峰值前期，随着经济发展以及人们生活水平的逐步提高，社会对于石油的需求量逐步增加，使石油的产量大幅增长，相应的EROI值极高，例如在1930年左右，石油的EROI值大约在100∶1，2000年之前，这一值也都在20∶1之上。较高的EROI值意味着获取石油所需要的能源投入较低，相应的石油的生产成本较低，成本较低以及相应的石油产量的增长，使得油价保持在较低的范围，经济增长总是会和低油价和日益增长的石油供应紧密相关的，而这种较低的油价与持续增长的石油消费量会使经济增长率进一步提升，然后开始下一个循环，只要EROI值较高，石油的生产成本较低，这一循环会在峰值前期不断继续，直到EROI值开始大幅下降，经济性石油资源的供应量逐渐出现短缺，石油生产进入石油峰值期，这一循环也就结束，进入峰值期循环。

图6 峰值前石油EROI值与经济发展简要模型图

3.2 峰值期(Peak-period)

峰值期的最重要的特征是石油生产的边际收益率日益下降直至为0，除了日益下降的全球石油的发现量，EROI值也越来越低。峰值期的EROI值，油价和经济增长的关系可以用图7所示的回馈模型来反映。

经济发展与GDP规模的不断扩大，石油的需求量随之大幅增长，受石油峰值的影响，石油供给量的增幅与石油消费量的增幅相比变得越来越小，使得在能源消费结构中，低EROI值的石油资源产量在石油供应量中所占比例不断扩大，低EROI值与越来越高的石油成本等因素的协同作用使得油价迅速上涨，高油价使得经济增长开始陷入停滞期，或开始逐步衰退，经济衰退又会使得石油需求量降低，从而油价开始下降，然后开始下一个循环(图7)。

图7 峰值期石油EROI值与经济发展简要模型图

事实上，这一循环机制却存在悖论：经济增长需要不断增长的新的石油发现量，但随着全球逐步进入石油峰值期，低成本的石油发现量急剧减少，低EROI值的石油资源量在整体石油供应量中所占比例越来越少，从而直接导致油价高涨，全球经济增长面临衰退的风险。

4 结论与讨论

石油的EROI值与油价呈现反向指数关系(negative exponential)。EROI值下降至10∶1以下，EROI值和油价之间会存在非线性关系。石油的EROI值与石油公司的利润率之间存在可比关系(comparable relationship)，EROI值与利润率之间的关系，在EROI值下降至10∶1之下时，会变成非线性关系。短期内全球的石油的供应需要较高的国际油价来保证充足的供应量，但这一石油价格水平在过去引起过衰退，反映出全球经济增长对高油价的“容忍力”，应对高油价“冲击影响”远超历史任何时期。当前，全球的石油EROI值已经降至16∶1左右的水平,美国也从20世纪90年代的34∶1降至10∶1。，对于石油供应短缺的我国而言，EROI值持续走低至安全警戒线10∶1的水平，随着全球石油峰值的临近，中国的经济增长面临着低石油EROI值，石油企业的高成本，国际油价上涨对中国经济增长的冲击作用，对本土石油企业利润的负面影响也会显著扩大。

[1] Shell.New Lens Scenarios.[EB/OL].(2013)http://s04.static-shell.com/content/dam/shell-new/local/country/gbr/downloads/pdf/swuk-summer-2013.pdf.

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Research into peak oil，energy return on investment and economic growth

SHAN Sheng-zhao1，LI Bin-lin2，XIAO Rong-ge1

(1.School of the Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083,China；2.College of Economics & Management，Yunnan Agriculture University，Kunming 650201,China)

Under the circumstance of which energy consumption have significant influence on economic growth，the paper provide EROI to confirm the relationship between oil and economic growth.It proves that the relationship between EROI of oil and oil price is negative exponential，and when the EROI decrease to below 10∶1，the relationship turns to nonlinear.EROI of oil have comparable relationship to the profit of oil companies .Global EROI has fallen to a low level of about 16∶1，and the level of EROI of China is lower to the security line 10∶1，along with the global peak oil is approaching，Chinese economic growth facing low oil EROI，high cost of oil enterprises and oil price impact on Chinese economic growth，the negative impact on the local oil company profits will significantly expand.

peak oil；EROI(Energy Return on Investment)；net energy；economic growth

2014-10-20

单胜召(1974-)，男，博士研究生，研究方向为矿产资源经济与管理。E-mail:shanshengzhao@163.com。

黎斌林，男，云南农业大学经管学院讲师，博士，研究方向为资源经济。

F407.22

A

1004-4051(2015)05-0037-05