中国能源综合运输体系及其宏观影响

姚昕孔庆宝（厦门大学中国能源经济研究中心，厦门361005)

JEL分类号：L94文献标识码：A文章编号：1002-7246（2010）04-0029-11

一、引言

2010年随着经济开始走出金融危机的阴霾，电煤运输又开始一年一度的全面紧张，这暴露出2009年的缓解只是暂时现象。中国的煤炭消费占一次能源的七成左右，运力的短缺决定了能源运输特别是煤炭运输仍是中国经济中一个比较脆弱的环节，构建新的能源运输体系成为当务之急。中国的大型水电基地多在西南，煤炭基地主要分布在山西、内蒙，而主要能源需求集中在东部和中部经济发达地区，这种结构决定了实施煤电布局和运输优化是我国中长期能源输送的首要目标与核心任务。各省区环境影响的单位经济差异提供了环境资源在全国范围内合理配置的可能和必要性。因此，在同样满足电力需求的前提下，通过合理规划电力布局，可以达到降低全国电力和运输排放经济总损失的效果。现代综合能源运输体系除了要求能源输送做到低成本、高效率、对环境损害不大，还要兼顾能源、环境资源配置的功能。

中国各地人口密集程度和收入水平不同，因而各地环境成本差异显著。世界银行和全球环境基金（2006）估算了各地区火力发电污染排放的环境成本。结果表明，在经济发展水平较为落后、人口分布又较为稀少的省份，污染造成的单位经济损失远低于在经济发展水平高、人口分布稠密的省份。通过环境资源优化配置，可以使整体环境污染成本最小。在中国进行能源和环境资源优化配置有其可能性和必要性。一方面，统一的政治体制为中国能源和环境资源的优化配置提供了可能性。与中国统一的各省行政政策有所不同，美国各州环保标准不一，把电厂建在一个州而把电力输送到另外一个州，所带来的环保问题由哪个州负担、按什么标准负担，很难算清楚，法律上也很难协调。然而，中国各省都执行国家统一的环保标准，只要环保达标，省区之间的电力输送只需解决市场问题，何况市场问题也往往能通过行政协调得以解决。另一方面，污染排放的经济损失与人口密度、收人水平正相关，人口集中、收人高的地区受环境污染的负面影响更大。由于中国各省区在自然条件和经济发展水平上有着较大差异，同样的污染在各地造成的经济损失也有较大差异。这种差异性为在全国范围内合理配置环境资源提供了可能性和必要性。通过合理规划电源布局和电力传输，可以使各地边际环境成本趋同，从而实现能源和环境整体成本最小化。此外，由于中国的能源资源大多分布在人口稀少、收人较低因而环境成本也比较低的中西部不发达地区，在这些地区发电后再送到人口集中的高收入地区，所对应的能源资源配置和环境资源配置，方向是一致的。无论是输煤还是输电，能源环境资源的优化配置是必须的，应该以哪一种方式来满足能源需求？如果能源运输不可避免，那么什么运输方式成本最低？如果环境污染不可避免，如何配置污染源使得整体污染成本最低？国外文献关注煤电资源配置问题相关研究不是很多。Manners（1962）通过输煤输电的财务成本比较给出了英国火电站的布局规则；LeBlanc等（1978）建立了一个区域框架下的多期模型，将美国划分为煤炭送端和受端来分析未来美国煤炭流动问题；Ash和Wa-ters（1991）给出了从加拿大西部煤矿输送能量到3000千米外东部的各种策略。Gil等(2003）结合电力，天然气，煤，水等子系统组成综合运输体系。该模型使用取决于每个子系统的综合，捕捉强耦合内部及相互之间的不同能量子系统。其数学框架使用网络流量优化模型，算法使用网络单纯形法。Wang和Ouyang（2006）提出应该发展水力，将其转换成电能输送出来。Sun等（2009）分析了不同能源运输模式的能源消费特征。与美、加相似，中国也是一个地域辽阔的大国，加之能源消费结构和电力装机结构中对煤炭的依赖，这个问题就显得更加重要。刘海滨和王立杰（2004）首先从煤炭开发运输的角度对布局进行了分析。国务院发展研究中心（2005）和国家电网公司北京经济技术研究院（2006）都从不同角度对中国输煤输电的经济性进行了比较。其后舒印彪和张运洲（2007）、白建华等（2007）都从电网建设的角度出发，论证了通过输电输送能源的可能性。但上述研究大都存在两个问题：一是拘泥于点与点、线与线的比较，很少从全局角度考虑问题；二是没有将环境成本纳人比较的范围，没有考虑能源输送与环境资源配置之间的关系。本文下面结构安排如下：第二部分建立多指数运输模型，确定最合理的综合能源运输体系。第三部分，根据第二部分模型结果，利用可算一般均衡模型，进行宏观经济影响模拟。最后是本文结论和政策建议。

二、多指数运输模型

最优化模型具体设定与结果如下①：

1．目标函数设定

其中，i=1，2，分别表示火电送端和水电送端②；j=1,2,3,4,5，分别表示受端东北、华北、华中、华东和华南；r=l,2,3,4，分别表示铁路、电力、公路和海运。Ci,j,r为采用r方式从送端i到受端j能量运输的社会总成本，Xi,j,r为采用r方式从送端i到受端j的能源运输量。2．模型参数确定成本Ci,j,r包括了能源输送中的经济成本、外部成本以及送、受端火力、水力发电的外部成本③。考虑的是能源运输体系对整个社会的全面影响。输电方式社会总成本=（输电经济成本＋输电外部成本）/(1-损耗比）+送端发电外部成本输煤方式社会总成本=（输煤经济成本＋输煤外部成本）/(1-损耗比）＋受端发电外部成本3．约束设定本文考虑了2006年的情形进行分析，每种情形均需考虑交通运力约束、供给约束和需求约束。交通运力约束包括铁路和铁路＋海运运力约束④。需求约束主要考虑了能源受端地区需要输入的能源量及受端地区最小煤炭消费量⑤。供给约束则综合考虑了火电基地的煤炭供给、火电基地经水资源约束后的火力发电供给、水电基地的水力发电供给、未来受端各地区新增核能发电供给①。

4．模型求解算法求解算法与林伯强和姚昕（2009）文章类似。步骤1：初始化根据现状设定输电占整个能源输送的比例α的初始值②。步骤2：最小化计算目标函数Z1，的最小值，即求出运输问题社会支付最小化的值和此时的α。步骤3：调整α求解从α现值向α最优变动，求的每个α对应的目标函数Z1的最小值，及此时的状态。实际求解时使用gams22.1先求出目标函数Z1的最小值，及此时的α值。然后将α从目前值开始，设为0.1,0.15,0.2，…逐步逼近Z1，时的α进行计算，得到各种结果。

5．结果与分析仅考虑Z1的情况下，采用2006年约束，根据单目标最优结果，我们可以整理出最优能源流动路径如下表：

表1 最小化社会总成本的能源流动方式
 

最小化的社会总成本：Z1=3877.754 亿元
与下表能源流动现状进行对比：

表2 能源流动现状

数据来源：2007 年全国能源统计年鉴

能源流动现状的社会总成本：Z1=6927.6146 亿元

从上表可以看出，如果将电网的纳人能源传输体系，通过电网传输能量替代部分输煤，在仅考虑单目标Z1的情况下，得到成本最小的能源运输体系可以使得社会总成本较现状下降44 % ，能源流动现状与成本最小方案还有较六距离。通过对比现状和最优运输体系，不难发现逐步在合理的范围内提高输电方式比重将有利于能源运输体系的社会总成本下降。
 

三、逐步提高输电在能源输送中的比例的宏观影响

一般均衡是与局部均衡相对应的概念。将一种商品市场与其他商品市场隔离单独考虑的研究方法称为局部均衡分析方法，单个市场中商品供给等于商品需求的状态称为局部均衡状态；而将整个经济中所有市场联合起来考虑的研究方法称为一般均衡分析方法，当市场价格充分调整，使得所有商品市场的供给与需求相等时的状态，称为一般均衡状态。

20世纪60年代以后，随着数据可得性和计算机技术的发展，一般均衡分析方法向可计算化方向发展。第一个CGE模型来源于Johansen(1960）的著作。70年代以后，CGE模型的开发得到突飞猛进的发展，逐渐成为经济学家们进行政策分析的标准工具之一，被广泛地应用于税收、国际贸易、收人分配和发展战略的研究上，成为政策模拟与分析的重要工具。到80年代后期，CGE模型开始被运用到环境分析上。此后，CCE模型在能源环境问题上的运用越来越广泛。在CGE模型的研究上，中国的能源环境CGE建模分析开始于上世纪90年代。国务院发展研究中心的翟凡和李善同（1997）与OECD发展中心合作，以OECD发展中心贸易与环境项目的CGE模型为基础，构建了中国的动态递推经济环境CGE模型，用于分析贸易政策、能源政策、环境政策等方面。张友国和郑玉歆（2005)建立了一个排污收费标准改革的CGE模型并进行模拟分析。王德发（2006）以上海为例构建地区性CGE模型并用于分析征收能源税的影响。樊明太和郑玉歆（2006）建立了一个动态CGE模型分析贸易自由化及其对环境的影响。林伯强和何晓萍（2008）运用CGE模型定量分析了征收油气资源开采税对宏观经济的影响，提出了对油气开采行业征收20％以下的资源税的政策建议。林伯强和牟敦国（2008）则利用CCE模型分析了能源价格上涨对宏观经济的影响。上节根据现状和最优方式之间的差距，我们将电力占整个能源传输的比例逐步递增，即α分别设为0.15，0.25，…，0.45逐步逼近仅最小化Z1时的α=0.46进行计算，逐步提高α值分步模拟，可以得到一系列的输电方案。以下通过构建中国电力环境可算一般均衡模型（CGE）就在计算出的相应结果，对提高输电能力的节能减排和宏观经济影响效果进行了分析。1．模型构建本文CGE模型主要由五个模块构成；分别为生产与贸易，价格，机构、污染及系统约束。

(l）生产与贸易生产和交易模块主要描述国内外产品市场的供需情况①。

方程（l）为国内活动的CES（不变替代弹性）生产函数，该生产函数是一个包括劳动和资本、中间投人以及能源投入三类投人的两层嵌套CES函数，其中σα和δα分别为活动替代弹性参数和份额参数；方程（2）为国内产出的国内供给，即活动产出减去出口；方程（3）给出了国内产出在国内销售和出口两个流向中的分配，这里采用CET（不变转换弹性）函数给出了两种流向之间不完全转换的假设，除了负的替代弹性外，该函数与CES函数相同；在国内市场上，由于进口与国内产出之间的不完全替代性，我们用方程（4)(Armington函数）来刻画复合商品的国内供给，该函数以国内产出和进口作为“投入”。

(2)价格在CCE模型中，价格主要描述实物流和名义流以及各种经济指标之间的价格关系。因为我们假设不同来源和目的的商品质量有别（比如出口，进口以及国内销售的国内产出等商品），因此模型中价格系统的内容是丰富的。在该系统中，内生价格与其他价格（内生或外生）以及模型中的非价格变量联系在一起。方程（5）和（6）分别定义了进口品和出口品的价格，它们是考虑关税并经汇率调整的国际市场价格；方程（7）是国内产出的国内价格，它是经间接税调整后的国内供给价格；方程（8）是复合品价格，即国内市场的综合产品价格；方程（9）是国内总产出价格。

(3）机构这一部分主要定义各经济主体（家庭，政府，企业等）的收入和支出。方程（10）定义了家庭收入是要素收人和政府转移支付的总和；方程（11）定义了家庭支出是消费支出和收人所得税支出之和；方程（12）定义了企业收入是企业要素收入和政府转移支付之和；方程（13）定义了企业支出是企业所得税，其中DERP是企业固定资产折旧；方程（14）定义了政府收入是直接税、企业所得税、间接税、进出口关税以及排污税的总和；方程（15)定义了政府支出是政府消费和政府对其他机构转移支付以及政府对活动出口补贴支出的总和。

(4）排放该模块定义与污染和污染控制活动相关的变量。方程（16）定义了污染排放税，各部门不同污染物所产生的排污费是部门产出、污染排放税率、污染排放密度和污染清理率的函数。方程（17）定义了减排总量，采用实物单位来衡量，从价值量向实物量的转化比例以基期为准，假设不变。方程（18）定义了污染减排率，它由减排总量除以总污染产生量而得。方程（19）定义了污染产生量，它是各部门污染物产生量之和。方程（20）定义了污染排放量，它是污染产生量扣除减排总量。将各种污染物的排放税进行加总就得到总污染排放税，这由方程（21）定义。

(5）系统约束这一部分主要描述CGE模型中的各种均衡关系。等式（22）表示家庭的收支平衡，即家庭收人等于家庭支出与家庭储蓄之和；等式（23）表示政府收支平衡，即政府收入等于政府支出与政府储蓄之和；等式（24）表示储蓄一投资平衡，即总投资等于政府储蓄、家庭储蓄、企业储蓄以及国外储蓄的总和；等式（25）表示国内产品市场的供求平衡；等式（26)表示要素市场平衡，即要素供给等于要素需求；方程（27）为国际收支平衡方程，其左边为国外账户支出，包括出口、国外要素收人和政府对国外的转移支付，右边为国外账户收人，包括进口和国外储蓄。

表3 模型变量表

2．数据来源说明及处理

本研究以中国2002年42部门的投入产出表与2005年延长表为基础，将42个部门合并整理成燃煤发电及传输、燃油燃气发电及传输、水力发电及传输、核能发电及传输、可再生能源电力发电及传输、二氧化硫减排等15个部门，来构建中国电力环境社会核算矩阵。构建社会核算矩阵需要大量的数据基础，除投入产出表外，其他相关数据主要来自《中国统计年鉴2006》、《中国金融年鉴2006》、《中国环境年鉴2006》、《国际收支平衡表2006》、《中国能源统计年鉴2006》等。在编制宏观SAM时，由于很多数据来自不同的统计资料，加上这些统计资料的统计口径不同，因此在编制过程中难免出现一些账户的不平衡（即收人与支出不等），这时我们采用最小交叉熵法使其平衡。运用CCE模型进行政策模拟涉及到一系列重要的模型参数，比如各种生产投人和消费投入之间的替代弹性，产出之间的转换弹性，收人、支出份额，税收税率，以及贸易参数等等。模型中各种投入、产出之间的替代弹性和转换弹性主要运用计量方法进行估计。

3．模拟结果

按输电比例从10％开始进行模拟，求得能源运输体系状态。根据上述结果进行模拟得到对整个宏观经济的影响如下表：

表4 宏观经济影响模拟   （单位：% )

由表4可以看出加强电网建设，提高电力传输在能源输送中比例对GDP、就业等宏观经济变量都有较大贡献。同时电力传输在能源输送中比例的提高，单位GDP能耗及二氧化碳、二氧化硫排放的出现先上升后下降的过程。达到林伯强和姚昕（2009）文章中计算的2006年最合理的能源运输体系状态将会提高1.672个百分点的GDP，增加1.522％的就业，同时使得单位GDP能耗降低4.201%，二氧化碳排放下降1.859%，二氧化硫下降0.753％。

这说明加快发展建设电力输送体系的发展不仅有利于国民经济的快速发展和就业稳定，而且还能够降低我国的单位GDP能耗、二氧化碳和二氧化硫排放，从而能更好的配合节能减排的目标实现。

四、结论和建议

在“2010年全国煤炭产运需衔接合同汇总会”上，因煤电双方价格分歧过大，五大电企未签一单。究其原因，煤电价格矛盾是主要障碍。由于铁路运力紧张，煤炭运输成本占煤炭成本的比重很大，煤炭运输成为影响煤价的重要因素。缓解当前煤电价格矛盾，需要提高铁路运输运力和效率，但更需要科学规划和设计新的能源运输体系，从而降低整体能源运输的社会成本。中国传统的能源运输体系包括铁路、公路和海运，这一体系已经不能满足日益增长的能源运输要求。构建包含输电网络在内的现代能源综合运输体系，已成为当务之急。对于一个国家，环境不污染最好；如果污染无法避免，就必须通过配置环境资源（或污染空间）将整体污染最小化，将输电纳人运输体系恰恰使得配置环境资源成为可能。对电力布局调整及其相应的环境污染转移问题，应该有一个总体和客观的理解与把握。电力发展是现代化的标志也是中国经济长期增长的必要条件；对于中国来说，以煤为主的电力结构决定了电力污染无法避免。在这个前提下，可选择的仅仅是如何选择能源运输方式，使得整体污染最小。本文研究结果主要说明了以下几个方面的问题：第一，目前主要以输煤为主的能源输送体系并非最优方案。应该考虑将输电纳入能源综合运输体系中，提高输电占整个能源输送的比例，这样才能逐步接近并达到社会总成本最小的最优方案。如果考虑发电的外部成本，在受端地区进行电源建设，其社会总成本远高于在送端地区的煤电基地集中建设电源。第二，从整个国民经济、保护环境宏观全局考虑电力布局，通过CGE模拟我们发现，在输电占整个能源输送25％左右的时候，经济增长和环境达到一个可接受的平衡，从而实现能源和环境资源的有效配置，达到低碳发展的目标。第三，到2020年，电网应该成为中国能源输送体系的重要组成部分，将肩负从火电基地、水电基地和境外向受端地区输送电力的任务。与目前情形比较，届时能源输送体系将发生变化，部分煤炭就地转化为火电同时输出到东南受端地区，西南水电基地成为重要的能源供给基地，值得注意的是如果没有电网参与能源输送，西南的水力资源就无法输送到东部受端地区，这也节省能源输送体系的社会总成本。

参考文献

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【6】林伯强、何晓萍，2008：《中国油气资源耗减成本及政策选择的宏观经济影响》，《经济研究》第5期。

【7】林伯强、牟敦国，2008，《能源价格对宏观经济的影响：基于可计算一般均衡（CGE）的分析》，《经济研究》第11期。

【8】刘海滨、王立杰，2004：《我国煤炭资源综合开发布局与模式研究》，《自然资源学报》第3期，第19卷。

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【15】Ash,L & C. Waters. (1991).Simulating the Transport of Coal across Canada—Strategic Route Planning,The Jour-nal of the Operational Research Society,42(3),pp.195-203.

【16】Esteban M. Gil, Ana M. Quelhas,James D. McCalley, Timothy Van Voorhis.(2003).Modeling integrated energy trans-portation networks for analysis of economic efficiency and network interdependencies, lowa State University working paper.

【17】Hewu Wang, Minggao 0uyang.(2007). Transition strategy of the transportation energy and powertrain in China,Ener-gy Policy 35. pp.2313-2319.

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