能源价格波动对能源-环境-经济系统的影响研究

郭正权，张兴平，郑宇花

(1．北方工业大学经济管理学院，北京 100144；2．华北电力大学经济与管理学院，北京 102206；3．北京工商大学商学院，北京 100048)

1 引言

能源作为国民经济基本的生产要素，其价格波动将对整个经济体系产生重要的影响，因此能源价格波动及其对社会经济体系的影响机制一直是国内外学者研究的热点。比如，姬强等[1]提出时变最优Copula模型，并对石油价格、天然气价格与外汇市场汇率间动态相依关系进行了实证分析。曹飞[2]构建了开放经济条件下的真实经济周期模型，通过引入石油价格冲击和技术冲击，探讨了石油价格冲击对中国实际经济波动的作用机制。可计算一般均衡(Computable General Equilibrium，CGE)模型在瓦尔拉斯一般均衡理论基础上，将国民经济各组成部分和经济循环的各个环节纳入到一个统一的框架下进行分析，可以刻画国民经济各部门的相互作用、相互影响和相互制约过程，因而被学者们广泛地应用到能源、环境政策以及能源价格变动对能源-环境-经济系统的影响分析中。李霜等[3]构建了一个包含石油价格冲击的动态随机一般均衡模型，基于经济波动风险的最小化，研究了石油价格冲击对中国货币供应机制的影响。Doroodian与Boyd[4]利用动态CGE模型分析了2000年美国石油价格冲击对经济增长和通货膨胀的影响。Guivarch等[5]通过全球混合CGE模型，检验了2003-2006年期间印度石油价格上涨对经济的影响。Aydn和Acar[6]通过动态CGE模型，分析了土耳其作为小型开放的石油与天然气进口国，石油价格冲击对其宏观经济变量的影响。Maisonnave等[7]探讨了气候政策是否将缓解石油价格上涨对欧洲宏观经济带来的负面影响。Orlov[8]通过静态多部门CGE模型评估了俄罗斯天然气的最优价格。Solaymani等[9]研究了石油价格波动与能源补贴的组合情景对马来西亚交通部门经济与环境变量的影响。Capros等[10]评估了差别能源价格对欧盟和非欧盟国家宏观经济和部门的影响。

许多学者利用CGE模型研究了中国能源价格与能源-环境-经济系统变量之间的关系。在该类研究中，能源部门的分类是一个重要问题。林伯强与牟敦国[11]将能源部门调整为煤炭、原油、石油冶炼与电力4个部门，研究了石油与煤炭价格上涨对宏观经济变量的影响。He等[12]将能源部门调整为煤炭开采、天然气、石油开采与冶炼、焦炭、电力与热力的生产与供应5个部门，分析了煤炭价格上涨对电力价格以及宏观经济变量的影响。Li Jifeng等[13]将能源部门调整为煤炭开采、石油与天然气开采、石油冶炼、炼焦与核燃料加工、电力与热力的生产与供应、燃气生产与供应6个部门，探讨了在不同电力价格机制下，征收100元/吨的碳税对经济系统的影响。Liu Jingyu等[14]将能源部门调整为煤炭、原油、石油冶炼与电力4个部门，研究了石油价格波动与货币政策及目标之间的相互影响与反应。Dong Baomin等[15]将能源部门调整为煤炭、石油、天然气、电力4个部门，探讨了国际石油价格冲击与人民币汇率变动对中国宏观经济的影响。Zhang Wei等[16]将能源部门调整为煤炭、石油、天然气、电力4个部门，分析了天然气价格波动对经济系统的影响。He Yongda与Lin Boqiang[17]将能源部门调整为天然气、原油、煤炭、石油、燃气和电力6个部门，讨论了天然气价格波动对经济系统的影响。

不同类能源在生产过程存在异质性，在产品使用过程中存在替代关系，有些一次能源是二次能源生产过程中的主要原料投入，这些因素都将影响能源价格波动对能源-环境-经济系统的影响机制。尤其是近年来我国清洁可再生电力发展迅速，使得在研究过程中需考虑不同电力能源之间的替代关系。基于此，本文实现了对电力部门的细分，将其细分为火电、水电、核电、风电和太阳能及其它电力五个部门。另外，本文对石油和天然气开采产品部门进行了拆分。石油开采产品与天然气开采产品是完全异质性能源，其生产过程的投入结构与产品的分配结构差异是非常大的，本文克服了按能源产量等比例拆分的缺陷，通过双比例平衡法实现了石油开采业与天然气开采业的拆分，体现了两类能源各自的生产技术特点与产品需求结构特征。本文最终将能源部门细分为11个部门，可以进一步提高能源价格波动政策情景分析的科学性，同时也可以对清洁可再生电力相关的政策进行分析。

本文在政策情景设置中充分考虑到目前影响中国各类能源价格波动的重要因素，主要包括：(1)化石能源价格下跌并持续维持低位。中国煤炭价格指数由2011年11月份的200左右持续走低，2016年底虽有所回升，但目前基本维持在150-160之间。国际石油价格从2014年7月以来也一路下跌并长期维持低价位区间。(2)风电与太阳能发电成本持续下降。“十二五”期间，光伏发电成本总体降幅超过60%，风力开发利用成本下降了约30%。可以预期，随着风光发电技术进步及累计装机的增加，其发电成本将持续降低。(3)环境税，或碳税的实施将导致化石能源使用成本提高。2016年通过的《中华人民共和国环境保护税法》将于2018年1月1日实施。未来我国有可能实施单独的碳税政策或将碳税纳入环境税中。(4)电力市场化改革将影响电力价格及其在经济系统的传导作用。2015年3月中共中央、国务院发布了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》，电力体制改革重要内容之一就是推进电力交易市场化。

基于以前学者的研究以及我国能源价格波动的客观现实，本文将构建基于能源部门细分的能源价格波动CGE模型，系统分析在化石能源价格下降，风电和太阳能发电技术进步，碳税以及电力市场化改革等不同的政策情景组合下，能源价格波动对我国能源-环境-经济系统的影响机制。

2 模型主要结构

本文构建的CGE模型主要包含生产函数、贸易函数(产品需求与分配函数)、机构函数、均衡与闭合函数、碳排放与居民福利函数等模块。

生产函数模块中，本文将生产函数分为6层套嵌，第六层为资本-能源-劳动要素合成与中间投入的合成。第五层为资本-能源要素与劳动要素的合成。第四层为能源要素与资本要素的合成。最下边的三层是体现能源部门细分的不同能源要素投入的合成。其中，第三层能源要素的合成，即化石能源要素与电力能源要素的合成。第二层为化石能源要素的合成；电力能源要素的合成。其中，化石能源要素煤焦能源-石油能源-气体能源的合成，根据能源之间的可替代性，合成顺序：石油能源与气体能源合成；油气能源要素与煤焦能源要素合成。电力能源要素是清洁电力能源与火电能源要素的合成。第一层是10种一次与二次能源要素投入的合成。具体包括：煤炭开采与焦碳能源要素投入的合成；石油开采与石油加工要素投入的合成；天然气开采与燃气要素投入的合成；水电、核电、风电、太阳能及其它发电四种清洁电力能源要素投入的合成。生产函数中要素与相关产品投入结构详见图1，且各层投入的合成采用常替代弹性(Constant Eleasticity of Substitution，CES)生产函数形式。

图1 生产函数结构示意图

贸易函数模块中，国内产品分配采用常弹性转换(Constant Elasticity of Transformation，CET)函数形式，生产者在一定的生产技术约束下，确定产品在不同的市场之间分配的最优策略。国内产品需求采用“阿明顿(Armington)假设”函数形式，消费者在进口品与国内产品之间进行优化组合，以实现成本最小化。机构函数模块包括居民的收入与支出函数，企业的收入与支出函数，政府的收入与支出函数。其中居民的消费函数采用斯通-盖利(Stone-Geary)效用函数，其余函数都为等比例线性函数。均衡函数模块包括劳动力市场均衡、资本市场均衡、商品市场均衡；闭合函数模块包含储蓄-投资平衡、政府收支平衡、国际收支平衡。碳排放模块函数主要计算煤炭、焦炭、原油、石油加工品、天然气、燃气等化石能源在需求过程中排放的二氧化碳。居民福利函数，本文通过希克斯等价变动来衡量实施外部政策冲击后对居民福利的影响，以政策实施前的商品价格为基础，测算居民在政策实施后效用水平的变化情况。

3 部门设置与数据来源

3.1 部门设置和能源部门细分方法与过程

本文以2012年全国投入产出表为基础，根据产业结构特点以及研究的需要，将投入产出表调整为31个部门。其中能源部门包括：煤炭采选业、炼焦业、石油开采业、精炼石油加工业、天然气开采业、燃气生产和供应业、火电生产与供应业、水电生产与供应业、核电生产与供应业、风电生产与供应业、太阳能及其它电力生产与供应业。其中石油与天然气开采业拆分采用双比例平衡法，详见Guo Zhengquan等[18]。电力生产与供应业部门的具体拆分步骤为：(1)根据《中国2012年投入产出表编制方法》[19]编制方法，2012年各类电力生产、电力传输与供应相关企业调研的成本明细表、其它成本明细表、利润表等基础数据，编制各类电力部门中间投入比例结构与增加值比例结构；(2)在各类电力部门的生产投入过程中，化石能源全部投入到火电部门，核燃料产品投入到核电部门；(3)根据2012年各类电力的发电量与平均上网电价，将电力生产与供应业部门拆分为火电、水电、核电、风电、太阳能及其他电力生产与供应业，以及电力传输与供应业部门；(4)根据火电、水电、核电、风电、太阳能及其他电力的发电量，分割电力传输与供应业部门，由此将电力生产与供应业部门，拆分为火电生产与供应业、水电生产与供应业、核电生产与供应业、风电生产与供应业、太阳能及其他电力生产与供应业5个部门；(5)根据各部门的产出价值按比例拆分电力生产与供应业部门产品在中间投入与最终需求环节的分配；(6)火电、水电、核电、风电、太阳能及其它电力各个部门对电力的投入需求来自于本部门。

3.2 数据来源

基础数据来自于国家统计局-2012年中国投入产出表、国家统计局年度统计数据，《2013-中国电力年鉴》[20]、《中国能源统计年鉴-2013》[21]、中国电力企业联合会年度统计数据，火电、水电、核电、风电、太阳能发电、电网公司等相关企业财务报表数据。

模型中需要标定与设置的参数主要包括生产函数与贸易函数的替代弹性系数、碳排放系数。本文替代弹性系数标定主要参考了文献[22-26]的相关研究。碳排放系数主要涉及煤炭开采和洗选业、炼焦业、石油开采业、石油炼制与加工业、天然气开采业、燃气生产和供应业6种一次、二次化石能源最终需求导致的碳排放。其中，设定炼焦、燃气制造的原煤投入不产生碳排放；碳排放发生在焦炭与燃气消费需求环节；用于石油炼制与加工业的原油投入不产生碳排放，碳排放主要发生在石油产品的消费需求环节。六种化石能源的碳排放系数来自《2006年IPCC国家温室气体清单指南》。

4 情景设置与模拟分析

4.1 情景设置

根据目前影响中国能源价格波动的主要因素及趋势，本文在以下几方面设置价格波动情景：(1)化石能源价格下降。由于清洁能源对化石能源替代作用，以及供求关系等因素，化石能源价格一定时期内将处于低价位运行状态。(2)风电与太阳能发电部门全要素生产率提高。(3)电力价格管制方式。中国政府正在积极推进电力市场化改革，电力价格的管制机制将由政府管理转变为市场供需关系决定，管制方式的改变将影响电价在经济系统的传导机制与作用效果。(4)环境税的实施将影响化石能源的使用成本。环境税是对大气污染物、水污染物、固体废物和噪声等多种污染源征的税，并且每一种污染物又涉及多种税目。环境税税目复杂，数据来源困难，且不是单独针对化石能源使用的外部性而征收的税。同时，中国将来有可能实施单独的碳税政策，或将碳税纳入到环境税中。因此本文在环境成本方面依然考虑碳税政策。具体政策情境设置如下：

情景1：假设煤炭与原油价格同时下降10%、20%、30%，电力价格实行政府管制，电力价格保持不变。

情景2：假设煤炭与原油价格同时下降10%、20%、30%，电力价格市场化，电价根据市场供需关系自动调整。

情景3：在情景1的基础上，假设风电与太阳能及其它电力全要素生产率提高30%。

情景4：在情景2的基础上，假设风电与太阳能及其它电力全要素生产率提高30%。

情景5：在情景3的基础上，对化石能源使用引起的碳排放实施碳税政策，征收标准为30元/吨二氧化碳。

情景6：在情景4的基础上，对化石能源使用引起的碳排放实施碳税政策，征收标准为30元/吨二氧化碳。

4.2 政策情景组合对能源需求总量及结构的影响分析

不同政策情景对能源需求和结构的影响如表1。情景1中，煤炭与原油价格下降导致煤炭、焦炭、原油、石油和燃气需求量上升。同时由于能源之间相对价格变化与替代作用，导致电力和天然气需求有所下降。情景2中，在市场化电力价格传导机制作用下，火电需求量由于煤炭投入成本下降有所上升。能源间替代作用导致清洁电力需求量下降，而且幅度相比情景1更大。因此当清洁电力成本远高于传统火电成本时，市场化的电价机制将不利于清洁可再生电力的发展，此时需要政策的大力支持。

情景3中，虽然风电与太阳能及其它电力由于技术进步，全要素生产率提高30%，成本明显下降，但由于电力价格管制，生产环节的成本下降难以传导到需求环节，导致各类能源的需求变化情况与情景1基本一致。而情景4中，由于电力价格市场化机制将风光可再生能源电力成本的下降传递到需求环节，清洁可再生能源电力需求有极大的提高。因此当清洁电力效率明显提升，成本与传统火电成本相当时，市场化的电价机制将有利于清洁电力的发展，此时可以考虑可再生能源电力政策的退出机制。火电由于煤炭投入成本的下降，需求也有所提高。

征收碳税导致化石能源使用成本有所提高，情景5和情景6中化石能源的需求都有所下降，而清洁电力需求有所增加。碳税政策可有效地抵消由于化石能源价格下降而导致的化石能源消费和碳排放的增加。因此，当化石能源价格持续走低并低位运行时是推出碳税政策的有利时机。情景6中，当风电与太阳能发电全要素生产率提高30%，也就是当风光可再生能源发电成本大幅度降低时，市场化的电价机制更有利于清洁可再生能源电力的发展。

表1 政策情景组合对能源需求总量及结构的影响单位：%

续表1 政策情景组合对能源需求总量及结构的影响单位：%

4.3 政策情景组合对碳排放总量与强度的影响分析

政策情景组合对碳排放总量与强度的影响结果如表2。总体来看，化石能源价格下降将导致我国碳排放总量与强度有所增加。相对于电价管制情景，电价市场化机制对减少碳排放有更好的效果。特别是在电力价格市场化机制下，风电和太阳能发电技术进步与实施碳税政策等情景组合下(情景6)，可有效地减少碳排放总量和强度，有效对冲由于化石能源价格下降导致的碳排放增加。由于清洁能源占总能源消费比例很低，相对来说，实施碳税政策比风电和太阳能发电技术进步的效果更为明显。

4.4 政策情景组合对宏观经济变量的影响分析

不同政策情景对宏观经济变量的影响如表3。在全部6种政策情景组合下，由于化石能源价格下降，以及风电、太阳能和其它电力全要素生产率的提高，导致能源成本下降，因此整体上实际GDP和社会福利都有不同程度的上升，且随着化石能源价格下降幅度的增加不断提高。即使在征收碳税的情景5与情景6，实际GDP和社会福利仅比不征收碳税的情景3与4有略微的下降。情景2相比情景1、情景4相比情景3、情景6相比情景5，在市场化电价机制条件下，实际GDP和社会福利有更高程度的提高。

表2 政策情景组合对碳排放总量与强度的影响单位：%

续表2 政策情景组合对碳排放总量与强度的影响单位：%

表3 政策情景组合对宏观经济变量的影响

续表3 政策情景组合对宏观经济变量的影响

续表3 政策情景组合对宏观经济变量的影响

居民收入的波动主要取决于劳动与资本生产要素价格的波动(劳动、资本与能源之间存在替代作用；能源产出增加或减少对要素需求变化引起的要素价格波动)。企业收入的波动一方面取决于资本要素价格的波动，另一方面取决于煤炭、原油价格下降导致的部门损失。政府收入的波动取决于居民收入、企业收入的波动、碳税引发的收入增加，以及社会经济系统各类价格波动引发的税收波动。总体上，在不同政策情景组合下，居民收入、企业收入和政府收入作为名义变量都有不同程度的下降，但不同政策情景组合下的变动幅度有所差异。其中，居民收入在情景4中下降幅度最小。企业收入在所有情境中下降幅度都较大，但六种情景之间的差异不大。政府收入在前4种情景中下降幅度差异不大，而在征收碳税情景中下降幅度明显减小。居民储蓄、企业储蓄、政府储蓄与相应的收入呈现出相同方向、同幅度的变化。相应全社会的名义投资也有所下降，实际投资由于全社会整体价格水平的下降，比名义投资下降幅度较低。居民消费在不同政策情景组合下，比基准情景都有所增加。政府总消费在前4中情景中有所降低，但在征收碳税的情景中有所增加。

总体来说，居民、企业、政府与社会投资等名义与实际变量，由于受到不同政策的作用力度与方向不同，变动方向与幅度差异比较大。但作为宏观经济变量中最为核心变量，实际GDP与社会福利，在6种政策情景组合中都有所增加，且在电价市场化机制下有更高程度的提高。

5 结语

由于不同能源之间的替代与互补性，以及不同能源价格波动方向的差异，能源价格波动对能源-环境-经济系统影响的作用机制是极其复杂的。在化石能源价格下降，风电和太阳能发电技术进步，化石能源环境成本提高，以及电力价格市场化改革等影响能源价格波动因素的政策情景组合作用机制下，得出如下结论及政策建议：

(1)煤炭和石油价格下降会促进化石能源的需求，抑制清洁电力需求。由于煤炭与石油在我国能源消费结构中占据绝对的主导地位，其价格下降将导致能源消费与单位GDP能耗的增加。

(2)化石能源价格下降将导致我国碳排放总量与强度增加。不同能源价格波动的政策情景组合下，电价市场化机制下比政府管制对降低碳排放总量与碳排放强度有更好的效果。电力市场化改革有利于发挥电价在经济系统中传导机制的作用。

(3)碳税对降低化石能源需求和碳排放以及促进清洁电力需求有显著作用，碳税与化石能源价格变动的联动机制有利于提升节能减排效果。也就是说，当化石能源价格明显下降时，要适当提高碳税水平，反之要降低碳税水平。因此政府在化石能源价格低价位长期运行的背景下，有必要而且也有条件采取政策手段，尤其是环境税或更为直接的碳税政策，通过提升化石能源的使用成本来降低其需求增加所导致的环境影响，从而促进能源系统的低碳转型。

(4)当清洁电力的成本与传统火电成本相比具有价格竞争力时，电力价格市场化机制会明显促进清洁电力的需求。反之，政府管制电价有利于清洁电力的发展。因此，促进清洁电力成本的降低，使得其与火电具有价格上的竞争力是促进清洁可再生能源发展的重要政策取向。

(5)在能源价格波动政策情景组合下，作为宏观经济核心变量的实际GDP与社会福利都有所增加，且电价市场化机制比电价政府管制有更高程度的提高。因此在目前条件下，有利于碳税和电价市场化改革等政策的实施。

CGE模型是建立在瓦尔拉斯一般均衡理论基础上，依据新古典经济学理论对现实经济系统的抽象与刻画，在政策评价方面非常具有优势，但CGE模型建模过程复杂、数据要求高。本文所构建的CGE模型，是在基准年的数据基础上，分析能源价格波动多政策情景对能源-环境-经济系统的影响机制，属于比较静态分析。动态CGE模型可以模拟能源价格波动政策的长期累积效应，因此未来有必要研究模型结构更为复杂的动态CGE模型，以此为基础评价能源价格波动对能源-环境-经济系统的冲击效应。