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管理评论基于非线性规划的我国省区碳强度减排配额研究
基于非线性规划的我国省区碳强度减排配额研究
李陶1,2陈林菊1,2范英1
(1.中国科学院科技政策与管理科学研究所,北京100190;
2.中国科学院研究生院,北京100049)
本文在前人研究工作的基础上,估计了我国二氧化碳减排的成本曲线,基于碳强度建立摘要:
了各省的减排成本估计模型,提出了基于非线性规划的减排配额分配方法。
在全国减排成本最
小的目标下,得到了各省市的减排配额分配方案。
结果显示在全国最优的前提下,本优化模型
与基于GDP和基于人口的分配方案有很大不同,其减排成本是最低的。
二氧化碳排放;碳强度;配额分配;减排成本关键词:
引言
从《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》,到“巴厘岛路线图”和哥本哈根气候变化峰会,围绕温室气体减排义务分担等问题的国际谈判日趋激烈。
目前,应对全球气候变化已经演变成涉及环境、政治、经济、贸易等方方面面的综合性发展问题。
在哥本哈根气候变化峰会之前我国政府公布了2020年碳强度(单位GDP碳排放量)比2005年下降40%-45%的减排目标,以实际行动表明了应对气候变化的决心。
为了实现该减排目标,我国各省市必然承担一定的减排任务。
由于我国幅员辽阔,不同地区经济发展水平和资源禀赋存在较大差异。
东部沿海各省市经济发展水平明显高于中西部地区,并且拥有大量人口。
各省市的工业化水平的区别也使得不同省区的能源生产和能源消费有所不同,由此产生的二氧化碳排放量也存在较大差异。
这些差异也决定了各省区的二氧化碳减排成本的不同。
因此如何制定一个高效、公平和经济的二氧化碳减排分配方案,是各级政府关心的问题,也是涉及发展全局的重大决策问题。
很多学者针对二氧化碳减排问题中的减排成本和配额分配开展了研究。
一些学者曾对温室气体减排成本研究做过较为全面的概述[1-5]。
大多数研究设定减排目标的时候,是基于不受控制的理论排放量设定一定的减排比例,或者对以往某一年份的排放量做出假定一定的减排量[6]。
研究减排成本的方法大致上可以分为两类,一类为自顶向下的建模方法,主要有:
利用可计算一般均衡(CGE)模型通过施加碳税的方法控制二氧化碳
8]排放,可以得到二氧化碳的边际减排成本曲线[7,(MACC);利用投入产出模型来估计不同国家在给定时间减
排一定目标二氧化碳所需要的结构调整[9];利用宏观经济模型通过价格和供给均衡机制分析碳税和能源税的收稿日期:
2010-03
国家自然科学基金项目(70825001;70941039)。
基金项目:
李陶,中国科学院科技政策与管理科学研究所和中国科学院研究生院硕士研究生;陈林菊,中国科学院科技政策与管作者简介:
理科学研究所和中国科学院研究生院硕士研究生;范英,中国科学院科技政策与管理科学研究所研究员,博士生导师。
致感谢中国科学院政策与管理所与中石油共建能源与环境政策研究中心的朱磊和张晓兵在本文研究过程中的宝贵建议谢:
和无私帮助。
且大多关注技术成本和技术有效性,如利用动态优化模型计算二氧化碳减排成本[11]。
很多这类研究结果显示发实现减排的技术甚至会节约成本。
Zhang[12]对比了中国15种发电厂发电成本和二氧化碳的边际减排成本,现大型煤电厂和水电厂的边际减排成本最低,在实施碳减排的时候应该首先考虑。
对于二氧化碳减排总量的区域分配问题,Bohm和Larsen[13]曾研究过欧盟二氧化碳减排量在欧盟各国的配额分配。
为了体现欧盟碳市场的公平性,并调动各国参与碳市场交易的积极性,公平合理的分配各国的碳排放配额是重要的基础工作之一。
最基本的公平原则是参与碳市场的各个国家二氧化碳减排的边际收益应该等于边际成本。
由于碳市场假设为完全竞争市场,二氧化碳减排的边际收益即为碳价格,意味着每个国家边际收益相等,因此每个国家的边际成本应该相等。
以此作为约束条件可以计算在一定总减排量下,各个国家应该分担的减排量。
他们认为,作为一个综合指标碳强度决定了边际减排成本的大小,并在此假定下估计了欧盟各个国家的边际减排成本函数,进而得到各个国家的减排量。
本文从全局最优的角度,提出一个基于非线性规划的减排配额分配模型,以全国总减排成本最小化为目标,通过估计各省市的边际减排成本,确定各省市的二氧化碳减排量。
针对我国政府提出的碳强度减排目标,提出了减排指标的省区分配方案。
我国碳减排配额分配的非线性规划模型
为了在全国范围内实现减排目标,各省均需要采取一定措施来促进减排,因此各省市必须承担一定的减
由于资源禀赋、工业化程度以及排放水平的不同,各省市的减排潜力和减排成本存在较大差异。
我们排配额。
认为,减排配额的分配原则应该为全国减排成本最小。
1、边际减排成本曲线近年来,边际减排成本曲线已经成为分析二氧化碳减排和碳排放交易的有效方法,可用于研究不同地区的减排成本、区域排放和碳排放交易定价等问题[14]。
二氧化碳的边际减排成本是额外减排一单位二氧化碳所需要的成本,随着减排比例的增加减排的难度也在增加,因此边际减排成本具有递增的特点,而边际减排成本曲线则刻画了不同的减排比例下的边际减排成本。
为了反应边际减排成本递增并且增速不断上升的性质,不同研究者也选取了不同的边际减排成本曲线的函数形式,主要有对数形式[2]、二次曲线形式[7]和指数形式[15]。
本研究选取了著名的经济学家Nordhaus[2]提出的经典的对数形式。
如下所示:
MC(R)=α+β1n(1-R)
其中,MC是边际减排成本,单位为美元(1989年不变价)/吨碳;R是减排比例。
Nordhaus在综合考虑各种研究方法和实证结果的基础上,估算出了美国的边际减排成本曲线:
αusa=-4.12,βusa=-185.2。
麻省理工大学能源与环境政策研究中心用他们开发的排放预测和政策分析(EPPA)模型计算各个国家和地区的边际减排成本,表1列出了EPPA模型计算的中国2020年的边际减排成本[16]。
本文采用Nordhaus[2]的边际减排成本函数形式,
MC(R)=-10.9-1081n(1-R)
(1)
表1我国2020年边际减排成本
单位:
美元(2005年不变价)/吨二氧化碳
减排比例1%5%10%20%30%40%50%
边际减排成本
0.080.140.393.812.939.5777.48
对EPPA的边际减排成本数据进行拟合,得到中国的边际减排成本曲线:
(2)
其中MC为我国的边际减排成本,单位为美元(2005年不变价)/吨二氧化碳;R为减排比例。
本文即基于该成本曲线获得各省份的边际减排成本曲线。
2、我国各省市减排成本的计算在不考虑碳捕获与封存的条件下,二氧化碳减排的有效途径主要是减少能源的使用量和提高非化石能源的比例,即提高能源的利用效率和改善能源结构。
根据著名的Kaya公式:
碳排放=人口×人均GDP×单位GDP
能源消耗量×单位能耗碳排放量。
其中,单位GDP能源消耗量是能源效率指标;单位能耗碳排放量是能源结构的反映,高碳能源比例越大单位能耗碳排放越高。
这两项的积为单位GDP碳排放量,是能源利用效率指标和能源结构指标的综合反映。
因此碳强度指标可以看作决定二氧化碳减排成本的最主要的综合指标。
类似于Bohm和Larsen[13]的设置,假设我国的边际减排成本曲线如图1所示,不影响所研究的问题,可以假设截距为0,横坐标为减排比例,纵坐标为边际减排成
本。
軃=E/GDP,设全国的碳强度为e可以视为各省碳强度的
加权平均。
如果l省份的碳强度el低于全国碳强度,则该省份边
际减排成本应高于全国平均的边际减排成本。
因此,它的
边际成本函数的起点应该在第一象限,可以看出曲线在R
00l比在0点更陡峭,意味着减排同比例二氧化碳从Rl点开
如果h省份碳强度eh比全始边际成本较高。
类似的情况,
国的碳强度高,则它的边际减排成本应该低于全国平均水
平,因此边际减排成本起点应该在第三象限,可以看出曲线
在Rh0比在0点更平坦,意味着减排同比例的二氧化碳从
Rh0点开始边际成本较低。
水平的l省份,R0l的横坐标为r(),那么其碳强度el满足:
lrl>0
e=1-rl軃erl=1-e軃e也就是说,全国的碳强度需要降低rl,才能达到l省份的边际减排成本曲线的倾斜程度。
对于碳强度高于全国平均水平的h省份,R0(),那么其碳强度是全国平均水平的1-r()h的横坐标为rhrh<0h>0倍,满足:
eh=1-rh軃erh=1-e軃eMCi(Ri)=MC(Ri+ri)-MC(ri)=βln(1-Ri)i(5)(6)(3)(4)图1不同省市的边际成本函数Okada[17]对Bohm和Larsen[13]的方法进行了改进,我们的分析框架基于此模型。
对于碳强度低于全国平均则任意省份i减排比例为Ri的边际减排成本可以计算为:
(7)
从上式可以看出,各省份的碳强度差异使得各省份的边际减排曲线发生了变化,表现为边际减排成本的不同,进而体现了减排难度的差异。
写成减排量的形式为:
MCi(Ai)=βln(1-Ai)(8)ii其中Ai为i省的减排量;Ei为i省的总排放量。
对应i省份减排量Ai,i省份的减排成本Ci为:
Ci(Ai)=βln(1-a)乙)-βAda=-β[E(1-r)-A]ln(1-A乙乙Ai
0iiiiii
iii(9)
3、减排配额分配的非线性规划模型
本文在满足全国减排量的约束下,选择合适的各省区减排配额方案,以达到全国减排成本最小的目标。
这
minTC=Σ-β[Ei(1-ri)-Ai]ln(1-
iΣAi)-βAiiiΣ
(10)軍Ai>0,i=1,2,3,…,30s.t.ΣAi=A
軍为全国总减排量。
A其中,TC为全国二氧化碳减排的总成本;Ai为第i个省份的减排量,为决策变量;通过解上
述规划模型,可以得到全国减排目标在各个省份的最优分配方案,从而达到全国减排成本的最小化。
数据来源和减排目标
我国政府提出在2020年碳强度比2005年下降40%
到45%的减排目标。
据此目标要求2005年到2020年我国
碳强度年均下降速度不能低于3.3%。
而根据IEA最新发
布的统计数据,2005年到2007年我国碳强度年均下降为
2.5%[18]。
如果按这种趋势发展下去,2020年的碳强度会高
于目标碳强度,无法完成碳强度减排承诺。
本文以2005年到2007年实际碳强度下降速度为参考,图22020
年我国碳减排量计算流程图
并结合2020年的GDP总量计算出2020年我国的预测碳排放量作计算得到在此下降趋势下2020年的碳强度,
为基准排放量。
同时根据碳强度下降40%的目标计算出目标碳排放量,本文以此计算2020年我国的二氧化碳减排量,如图2所示。
[19]2007年各省市的GDP和人口数据来自于《中国统计年鉴2008》;2007年各省市的分品种的能源消费量
[20]来自《中国能源统计年鉴2008》;2007年各种一次能源的排放因子来源于IPCC报告[21];2007年各省市的碳
排放量根据IPCC计算方法自行计算得到;2020年我国GDP总量由基期GDP乘以增长率得到,设定2007年到2020年GDP年均增长率为8%;2020年各省市GDP由总量GDP乘以2007年各省市GDP比重得到;2020我国碳排放总量由GDP乘以碳强度得到;2020年各省市碳排放量由总碳排放量乘以2007年各省市碳排放比重而得。
减排配额分配方案
通过上述模型,本文得出了最优的二氧化碳减排分配方案,即各省市的二氧化碳减排量占全国减排总量的比重。
图3为我国各省市减排量占全国总减排量的最优分配比例。
可以看出,减排量最多的省份依次是山东、河北、山西,而减排量最少的则是北京、青海和海南。
其
中减排量最大的前六个省份减排量约达到总量的50%,可
见在最小化全国减排成本的原则下,少数省份承担了大量
的减排任务。
根据模型的假设,碳强度较高的省份,二氧化碳减排
较容易,相应的边际减排成本较低。
以河北和江苏为例,两
个省份的二氧化碳排放量都比较高,分别居全国第二和第
图3全国减排总量在各省市的最优分配比例三,但河北的碳强度是江苏的两倍多,结果河北的减排量
约为江苏的两倍。
碳强度最高的省份依次为宁夏、山西、贵州和内蒙古,因此在其他条件等同的情况下减排潜力较大,而广东、海南和北京为最低的省份,在其他条件等同的情况下减排潜力较小。
另外,边际减排成本是和减排比例直接相关的,减排相同比例时,排放量大的省份减排量更多。
以山西和贵州为例,两个省份的碳强度非常接近。
但由于山西的二氧化碳排放总量约为贵州的2.3倍,因此山西的减排总量也明显比贵州要多。
另外,山东省排放量最多,占总排放量的比重超过10%,其次是河北、江苏、广东、辽宁、山西和内蒙古。
前六个省份约占总排放量的50%,其中河北、江苏、辽宁、
山西和内蒙古也是减排量最多的
省份,也体现出谁排放谁治理的原则。
总体而言,减排量较多的省市排放量、碳强度也较大。
二氧化碳减排量最多的三个省份为山东、河北和山西。
其中山东省排放量也第一,河北省的排放总量全国第二。
山西的排放总量为第六,其碳强度为第二。
其他分配方案及其对比
为了考察上述分配方案的成本有效性,本文考虑了其他二氧化碳减排的分配方案。
根据kaya公式的定义,影响碳排放的主要因素除了碳强度还有GDP和人口数量。
由于我国不同地区经济发展水平存在较大差异,东部沿海各省市GDP总量明显高于中西部地区。
而且人口分布不均匀,各省市的人口数量差异较大,使得二氧化碳减排潜力也有不同。
因此考虑按GDP总量分配碳减排总量和按人口数量分配碳减排总量的对照方案,考察各省市在不同方案下二氧化碳减排的成本,具体如表2所示。
表2不同方案下各省市的二氧化碳减排量成本对比
2020年二氧化碳排放量
山东河北山西内蒙古辽宁江苏湖北河南贵州湖南陕西浙江安徽广东四川吉林云南黑龙江新疆甘肃宁夏福建重庆江西天津广西上海北京青海海南合计总成本
1276928630610700851455544279417328583365718417303281318237182126279177200190202287172452612127
优化模型分配方案减排量162144116110105735852504948474743434341373728252220191918188611489
9627百万美元
减排比例13%16%18%18%15%9%13%9%18%12%15%8%13%6%10%14%14%12%15%15%19%8%11%9%10%9%6%5%14%6%12%
基于GDP的分配方案减排量14074313360139508115503010240168572926381915550223027326651471489
减排比例11%8%5%5%9%16%11%15%5%12%9%17%11%23%14%9%9%12%8%8%4%18%13%15%14%16%23%29%10%25%12%
18977百万美元
单位:
百万吨,美元(2005年不变价)
基于人口的分配方案减排量10880392849886510843734358701099331524424307413250135521196101489
减排比例8%9%6%5%7%10%14%20%15%17%13%10%19%15%22%10%18%14%10%17%6%15%18%25%7%27%7%11%14%37%12%
14665百万美元
在基于GDP的分配原则下,单位GDP的减排量应该相等,因此GDP越高的省份分配到的减排任务越多。
如GDP排名前三位的广东、山东、江苏。
这样的分配原则体现了对欠发达的GDP较低的省份的照顾;但是
197%,即优化模型分配方案可以节约成本49%。
在基于人口数量的分配原则下,每人的减排量应该相等,因此人口数量越多的省份需要减排的量越大,照顾了人口较少的省份。
人口数量排名前三位的省份为广东、山东、河南分配到的任务较多。
但是人口数量较多
即但二氧化碳排放又相对较少的省市可能很难接受。
计算得到全国总减排成本约为优化模型方案的152%,
优化模型分配方案节约成本34%。
结语
本文运用基于非线性规划的减排配额分配模型,以全国总减排成本最小化为目标,确定各省市的二氧化碳减排量,并针我国政府提出的碳排放强度下降目标给出了最优的分配方案。
同时,本文还分析了基于GDP和基于人口数量的二氧化碳减排配额分配方案。
结果证实了优化模型的分配方案是成本最优的。
本文的研究结果对于未来分配各省的减排任务有一定的参考意义,但应该指出的是本研究仍然存在一定的局限性和有待进一步研究的内容。
首先,本研究结果很大程度上依赖于各省边际减排成本曲线的估计,而这方面我们参考了国外的研究结果,如果有更准确的边际减排成本的数据,无疑会提高结果的可信度。
其次,未来的GDP和二氧化碳排放数据等存在一定的不确定性,对结果也有一定的影响。
再次,本文提出的分配方案只考虑了全国减排成本最小的原则,并未考虑其公平性和可操作性。
减排成本较低的省份承担了较多的减排任务,但是这些成本如果由这些省份来承担显然是不公平的。
因此,可操作的公平而成本有效的减排配额分配方案是涉及
经济、历史、人文各方面的复杂性问题,需要综合研究。
到政治、
参考文献:
[1]Boero,G.,Clarke,R.,Winters,L.A.TheMacroeconomicConsequencesofControllingGreenhouseGases:
ASurvey[C].UKDepartmentof
theEnvironment,EnvironmentalEconomicsResearchSeries,HMSO,London,1991
[2]NordhausW.D.TheCostofSlowingClimateChange:
ASurvey[J].EnergyJournal,1991,12:
37-65
[3]
[4]Grubb,M.,Edmonds,J.,tenBrink,P.,Morrison,M.TheCostsofLimitingFossil-fuelCO2Emissions:
ASurveyandAnalysis[J].AnnualReviewofEnergyandtheEnvironment,1993,18:
397-478Dean,A.,Hoeller,P.CostsofReducingCO2Emissions:
EvidencefromSixGlobalModels[C].Workingpapers,DepartmentofEco-
nomics,no.122,OECD,1992
[5]Gaskins,D.,Weyant,J.P.(Eds.).ReducingGlobalCarbonEmissions:
CostandPolicyOptions[M].California:
StanfordUniversityPress,
1995
[6]Schelling,T.C.SomeEconomicsofGlobalWarming[J].AmericanEconomicReview,1992,82:
1-14
[7]Ellerman,D.A.,Decaux,A.AnalysisofPost-KyotoCO2EmissionTradingUsingMarginalAbatementCurves[C].MassachusettsInstitute
ofTechnology,JointProgramontheScienceandPolicyofGlobalChange,Report40,1998
[8]
[9]Criqui,P.,Mima,S.,Viguir,L.MarginalAbatementCostofCO2EmissionReductions,GeographicalFlexibilityandConcreteCeil-ings:
AnAssessmentUsingthePOLESModel[J].EnergyPolicy,1999,27:
585-601Proops,J.L.R.,Faber,M.,Wagenhals,G.ReducingCO2Emissions:
AComparativeInput-OutputStudyforGermanyandtheUK
[M].Berlin:
SpringerExpress,1993
[10]Italianer,A.TheHERMESModel:
CompleteSpecificationandFirstEstimationResults[C].CommissionoftheEuropeanCommu-
nities,Brussels,1986
[11]
[12]
[13]Manne,A.S.,Richels,R.G.BuyingGreenhouseInsurance:
TheEconomicCostsofCO2EmissionLimits[M].Massachusetts:
MITPress,1992Zhang,Z.X.Cost-EffectiveAnalysisofCarbonAbatementOptionsinChina’sElectricitySector[J].EnergySources,1996,20:
385-405BohmP,LarsenB.FairnessInATradable-PermitTreatyforCarbonEmissionsReductionsinEuropeandtheFormerSovietU-
nion[J].EnvironmentalandResourceEconomics,1994,4:
219-239
[14]Klepper,G.,Peterson,S.MarginalAbatementCostCurvesinGeneralEquilibrium:
TheInfluenceofWorldEnergyPrices[J].Re-
sourceandEnergyEconomics,2006,28:
1-23
[15]Gruetter,J.,CERT(CarbonEmissionReductionTrading)Model.http:
//www.ghgmarket.info,2000
[16]JenniferM.,SergeyP.,andJohnR.MarginalAbatementCostsandMarginalWelfareCostsforGreenhouseGasEmissionsReduc-
tions:
ResultsfromtheEPPAModel[C].MassachusettsInstituteofTechnology,JointProgramontheScienceandPolicyofGlobalChange,Report164,2008
[17]Okada,A.InternationalNegotiationsonClimateChange:
ANon-cooperativeGameAnalysisoftheKyotoProtocol[M].Berlin:
Springer
Publisher,2007
[18]IEA,CO2EmissionsfromFuelCombustion[M].Pairs:
OECD/IEA,2009
[19]国家统计局.中国统计年鉴2008[M].北京:
中国统计出版社,2008
中国统计出版社,2008[20]国家统计局,国家能源局.中国能源统计年鉴2008[M].北京:
[21]IPCC.2006IPCCGuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories[R].IPCCNationalGreenhouseGasInven
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