东北亚清洁能源利用与能源消费结构关系的实证研究——基于状态空间模型的变参数分析

李治国 ,郭景刚

中国的崛起,日本、韩国的振兴,俄罗斯的复苏,使东北亚地区成为了目前世界上经济最为活跃的地区之一。对于东北亚各国而言,加强新能源的开发利用以减轻能源供应不足对经济发展的约束显得极为迫切。相比起传统化石能源,清洁能源具有可再生、分布广、低污染等优点,大力发展清洁能源不仅能够调整能源消费结构,更有助于防范国际能源价格波动所造成的不确定性风险,增强本国的能源安全。有鉴于此,通过对东北亚各国的清洁能源利用现状的比较,分析各国发展清洁能源的经验和不足,无疑能为我国清洁能源的发展提供有益的借鉴。

学术界对能源与清洁能源的研究颇为广泛,大致经历了以下几个重要阶段:20世纪70年代为起步阶段,此时的研究主要围绕能源消费与经济增长的互动关系展开。Kraft J和 KraftA(1978)[1](401-403),Akarca和Long(1980)[2](326-331),Yu 和Hwang(1984)[3](168-190),Yu和Choi(1985)[4](249-272)分别以不同的国家研究,发现能源消费对经济增长确实产生了影响。90年代初期,随着能源消耗的迅速增长,能源消费强度和效率问题逐渐成为人们关注的焦点。Birol和Keppler(2000)[5](457-479)证实,提高能源价格对于提高能源使用效率、降低能源强度具有积极作用。Chien和Hu (2007)[6](3606-6315)利用数据包络分析法发现,增加清洁能源的使用能够提高经济的技术效率。Sari et al.(2008)[7](2302-2313)利用美国数据也得出类似的结论。在经济全球化的背景下,更多的学者开始对能源区域合作问题进行探索。对于东北亚地区的清洁能源问题,国内如佟新华(2009)[8](74-78)基于清洁能源发展机制对于东北亚地区的清洁能源的合作进行分析,并提出通过开发高效的技能技术和利用碳基金降低潜在风险的对策。徐海燕、鲍建军(2011)[9](81-87)从合作意义的层面分析了东北亚地区能源合作的重要性。景跃军、杜鹏(2011)[10](35-40)以中日两国为例研究发现,在低碳技术领域里,中日两国的合作空间巨大。

基于以上分析,本文拟从以下几个方面进行改进和拓展:首先对东北亚各国的能源结构和清洁能源利用现状进行总体分析;在此基础上建立状态空间模型,从实证的角度考察区域内各国清洁能源利用对能源消费结构的影响;最后通过卡尔曼滤波结果作为时期划分依据,研究不同时期各国能源消费弹性的变化规律,为我国清洁能源的利用提供参考。

一、东北亚各国能源消费结构及清洁能源利用比较分析

(一)单位GDP能耗的比较

单位GDP能耗是衡量经济发展对能源依赖程度、反映能源消费水平与节能降耗状况的主要指标,通常以该指标作为评价经济结构和能源利用效率变化的依据。表1为各国单位GDP能耗统计,可看出相比起日本、韩国,我国的能源利用效率水平较低,下降幅度不明显,单位GDP能耗的居高不下与我国粗放型的经济增长方式有着很大关联。与韩国和日本的0.182和0.123(2008年)相比,我国能源效率为0.278,还有很大的提升空间,发展清洁能源的潜力巨大。

表1 历年单位GDP能源消耗统计

(二)能源消费构成比较

能源消费构成是影响单位GDP能耗的主要因素,从表2可以看出,日本、韩国的能源消费结构中石油占较大比重,分别为 40.25%和41.41% ;而我国则更多地依赖煤炭。俄罗斯天然气储量丰富,其消费比例高达53.94%。煤炭的热能值较低,燃烧不充分造成的资源浪费严重,同时燃烧释放的二氧化碳、二氧化硫等气体还会污染大气。煤炭资源主导的能源消费结构是造成我国能源效率低下的关键因素。石油资源能量大、热值高,因此以消费石油为主的日本和韩国能够保持较低的GDP能耗。虽然天然气为俄罗斯的主要供能资源,但由于它的天然气资源过于丰富,会造成节能意识薄弱而导致资源浪费严重;加之科研投入不足,可再生能源利用率不高,导致俄罗斯GDP能耗水平高出世界平均水平近两倍之多。

各国的单位GDP能耗与本国清洁能源的使用也存在很强的关联效应。日本、韩国拥有世界先进的核能技术,核能消费比例保持了较高水平;中国的南方地区水资源丰富,为其利用水能提供了便利条件;俄罗斯核能和水电占比例相当,但技术落后、资源浪费等问题使得清洁能源的消费并没有带来较低的单位GDP能耗。

表2 2010年各国能源消费构成单位:万吨油当量

(三)清洁能源利用比较

虽然各国清洁能源的使用比例不同,但大都呈现稳定增长的趋势(如图1)。不过,我国清洁能源的使用比例和增长幅度均为最低,因此加大对传统能源的替代,完善能源消费结构更为紧迫和必要。

图1 各国历年清洁能源比重变化趋势

二、东北亚四国清洁能源对能源消费结构影响的比较分析

(一)状态空间模型

状态空间模型通过建立可观测变量与系统内部状态之间的关联,利用强有效的递归算法—卡尔曼滤波完成对非观测变量的估计,可以更好地反映系统的真实状态。运用状态空间模型研究国家能源结构,不仅能更好地解读能源结构的动态变化,还能对能源之间的动态替代关系进行模拟。模型通常由以下两个部分构成,一是量测方程,反映可观测变量与不可观测变量之间的关系;二是状态方程,用来描述动态的状态变量。

为研究清洁能源对能源结构的影响作用,本文将状态空间模型的量测方程和状态定义为:

量测方程:

状态方程:

其中i为国家类别,因此gdpi、coali、oili、gasi、cleani分别对应为第i国的国内生产总值、原煤消耗量、原油消耗量、天然气消耗量、清洁能源消耗量①根据研究数据,本文所指的清洁能源主要包括水电、风电和核能。。c(1)为常数项,[var=exp(c(i)]为残差。同时采用最小二乘法对模型初始值进行设定。能源消费弹性是衡量国内生产总值对能源消耗量的变动敏感程度的指标,能够反映能源消耗与经济增长的互动关系。量测方程中sv1、sc2、sv3、sv4代表不同国家原煤、原油、天然气和清洁能源的消费弹性。通过比较sv1、sc2、sv 3、sv4的变动规律,可以研究不同能源之间的替代或协同效应。

(二)变量设定及来源

本文以1990-2010年中国、俄罗斯、日本和韩国历年的原煤、原油、天然气和清洁能源的消耗量为自变量,以国内生产总值作为因变量进行状态空间估计。其中各国国内生产总值的样本数据来源于世界银行数据库,以百亿美元表示;能源数据取自《2011BP世界能源统计年鉴》。为保证序列的可比性,同时消除可能存在的异方差,我们对原始数据进行了对数化处理。数据处理软件为eviews6.0。

(三)数据处理与计算

1.平稳性检验

状态空间模型要求各变量必须是平稳协整的,因此在进行模型估计前,采用ADF单位根检验和Johansen检验分别对各时间序列进行平稳性和协整性检验。检验结果显示各变量序列的一阶差分结果,除GDPc在10%的显著性水平下拒绝单位根存在的原假设外,皆通过了5%显著性水平下检验。即各变量均为一阶单整序列。Johansen检验结果如表3所示,在5%的临界值水平不存在协整假设被拒绝,各变量之间存在长期协整关系。因此,运用状态空间模型对变量的估计是有效的。

表3 Johansen协整检验

表4 状态空间模型主要参数估计结果

2.状态空间模型主要参数估计

将数据代入到量测方程和状态方程中,使用eviews6.0软件进行操作,并通过卡尔曼滤波一期向前预测法完成能源消费弹性变化趋势的估计。状态空间模型主要参数估计结果如表4所示:

通过表中数据可以发现,中国的能源利用效率较低,即各弹性系数值普遍偏小,过多的能源消耗并没有迅速转变成经济效益,能源浪费现象较为严重。除俄罗斯外,韩国、中国和日本的清洁能源消费弹性系数均为正数,表明清洁能源的消耗确实起到了推动经济增长的作用。韩国清洁能源的利用率最高,中国其次,表明随着一次能源开发空间的逐步缩小,政府加大对清洁能源的开发力度取得了一定的成效。

3.分阶段性能源消费弹性

为更好地描述不同能源之间的动态替代关系,本文通过卡尔曼滤波一期向前预测法测算出SV1、SV2、SV3和SV4的各期参数值。通过对结果汇总,以2000年为分界点,对不同阶段能源替代关系进行研究。详细结果如表5所示:

表5 分阶段性能源消费弹性

(1)1990-1999年:这一阶段,各国能源驱动力更多地呈现出资源导向型特征,即能源消费弹性受本国自身能源储备的影响效果显著。中俄两国煤炭资源丰富,主要依靠煤炭资源提升本国的工业化进程;日本煤炭、石油资源匮乏,较多地以天然气作为支撑;韩国的清洁能源消费对本国经济的推动作用更为明显,这与1988年政府出台《新能源和可再生能源研究与发展长远计划》有密切的关系。中国清洁能源的消费弹性最低,说明中国在清洁能源利用上还处于初级阶段。虽然政府自90年代初逐步加大了对水电、核能、风能等清洁能源的投资,但由于清洁能源的建设进入到商业化成熟期之前周期长、成本高,无法与化石能源相抗衡,因此其对经济增长的贡献并不显著。

(2)2000-2010年:在全球发展低碳经济的浪潮下,东北亚各国的能源消费弹性变化较大:原煤的经济推动作用下降,原油的替代效应开始凸显,对中国经济的支撑效果开始加强。化石能源的过度消耗和能源供求不对称的瓶颈效应,使清洁能源的使用量增大,清洁能源消费弹性提升明显。俄罗斯作为世界天然气资源最为丰富的国家,天然气的消费量在一次能源消费总量中所占比例高达53.9%。以天然气为主的能源消费结构,导致原煤、原油和清洁能源的消费逐渐减少。从上表中可以看出,原煤、原油和清洁能源的消费弹性都出现了不同程度的下降。日本与韩国的能源消费弹性变化情形大致相似,原油的消费弹性都有不同程度的提升。但与日本相比,韩国的清洁能源消费弹性不降反升,表明韩国为降低本国对石油需求的过分依赖,加大对清洁能源使用的做法开始奏效。由于日本一次能源消费构成中石油约占50%,也使短期内能源弹性改变成效并不显著。

三、东北亚四国能源消费弹性的周期变化分析

(一)东北亚国家清洁能源的替代效果比较

在前文分析的基础上,我们对卡尔曼滤波结果中各国清洁能源消费弹性加以分离,进而研究其周期性变化及对化石能源的替代效应(如图2和图3所示)。东北亚地区能源的结构存在较大不同,清洁能源对化石能源的替代效应也不尽相同(图2)。在20世纪90年代,各国清洁能源的消费弹性变化具有一致性,中国和俄罗斯的高消耗、低产出的消费模式使清洁能源的替代效果并不明显,日本、韩国更为集约的发展模式降低了能源的消耗,替代效应开始加强。2000年之后,替代效应发生了较大改变:由于日本、韩国的清洁能源的消费比例趋于稳定,清洁能源的替代效果也基本保持不变,中国政府在可持续发展理念的主导下,更加重视清洁能源的开发利用,替代效应开始表现出上升趋势;俄罗斯过分依赖天然气的状况则没有改善,清洁能源的替代效应不增反降。

图2 东北亚四国的清洁能源替代系数

(二)中国能源消费弹性的周期变化分析

从中国的清洁能源与煤炭、石油和天然气的消费弹性变化趋势来看(图4),清洁能源与原油的消费对原煤呈现出明显的替代效应。随着1995年《新能源和可再生能源发展纲要》的颁布,新能源的利用逐渐受到人们的重视,原煤的消费弹性开始逐步下降,同时清洁能源与原油的消费弹性开始上升,从一定程度上降低了对原煤的依赖;天然气消费常年保持较低水平,阻碍了其对原煤的替代效应。这说明政府的节能减排措施起到了积极效果,但对于天然气这种优质能源的利用仍待加强,天然气消费仍有较大提升空间。

图3 中国能源消费弹性系数的变化趋势

(三)小结

清洁能源的利用对于改善能源结构、提高能源效率具有积极作用,对分析结果进行归纳后(表6),可以得到以下结论:

1.资源禀赋的不同对于各国能源消费结构具有重要影响,而能源消费结构的合理化程度直接关系到本国能源效率的高低。相比于日本、韩国,中国的能源消费结构仍需改进,要降低煤炭在能源消费总量中的比重,继续提高清洁能源的使用比例。

2.不同的经济发展方式对于本国能源效率的影响同样重要,粗放型的经济发展方式会造成资源的严重浪费,降低能源的利用效率。应该借鉴日本、韩国的发展经验,优化产业结构,加快经济结构调整,提升我国能源效率,降低单位GDP能耗。

3.除俄罗斯外,清洁能源的消费弹性均呈现出上升趋势,表明在全球低碳背景下,各国已采取积极的措施来应对,清洁能源的使用比例逐渐增加,对传统化石能源的替代效应不断增强。

4.中国原油和清洁能源对原煤的替代在一定程度上降低了原煤在能源消费中的比重,但由于我国石油缺口较大,仍需大量依靠进口,为降低由此带来的能源安全风险而加大与俄罗斯的天然气合作就更具可行性。

表6 东北亚四国清洁能源利用比较

[1]Kraft,J.and Kraft,A.On the relationship between energy and GNP,Journal of Energy and Development,Vol.24,Oo.3,1978.

[2]Akarca,A.T.and Long.On the Relationship between Energy and GN P:A re-examination,Journal of Energy and Development,Vol.42,No.5,1980.

[3]Yu,E.S.H.and Hwang,B.K.The Relationship between Energy and GN P:Future Results,Energy Economics,Vol.33,No.6,1984.

[4]Yu,E.S.H.and Choi,J.Y.The causal relationship between electricity and GN P:an international comparison,Journal of Energy and Development,Vol.72,No.10,1985.

[5]Birol,F.and Keppler J.H.Prices,technology development and the rebound effect,Energy Policy,Vol.52,No.28,2000.

[6]Chien,T.and Hu,J.-L.Renewable energy and macroeconomic efficiency of OECD and non-OECD economies,Energy Policy,Vol.32,No.8,2007.

[7]Sari,R.and Ewing,B.T.The relationship between disaggregate energy consumption and ind ustrial production in the United States:an ARDL approach,Energy Economics,Vol.30,No.5,2008.

[8]佟新华:《基于清洁发展机制的东北亚环境合作》,《吉林大学社会科学学报》,2009年第2期。

[9]徐海燕,鲍建军:《后金融危机时期油价走势与东北亚能源战略合作》,《复旦学报(社会科学版)》,2011年第3期。

[10]景跃军,杜鹏:《中日低碳技术合作现状及前景探讨》,《现代日本经济》,2011年第3期。