ETS视角下的天津机场起降航班节能减排效率评价方法研究

丁 勇，葛 翔

(中国民航大学 经济与管理学院，天津 300300)

一、ETS的定义及背景

ETS即Emissions Trading System，是碳排放交易体系，是针对不同行业的二氧化碳排放量设定上限配额，超过排放上限的企业要购买超过量的二氧化碳配额，低于上限的企业则可以拍卖多余的二氧化碳配额。

2012年1月1日欧盟已经将航空业纳入碳排放交易体系中，以此实现对二氧化碳排放量迅速增长的航空部门实施履约管制。对航空业二氧化碳排放的监管一方面将使得许多航空公司负担更多的成本，同时由于不同航空公司具体情况的不同，如机队结构、机龄、航线网络结构、业务定位、载运率的不同，因此则会造成不同航空公司负担的成本有所差异，部分经营效率高的公司甚至可以从中获益，因此ETS在航空业使用使航空业竞争结构发生变化。

中国航空业发展较晚现处于快速发展阶段，历史排放量小而分到的免费配额少，但未来发展迅速排放量增加，这一矛盾使得我国若是加入欧盟ETS将遭受重大损失。但是从中国航空业的发展趋势来看，未来中国航空业势必要与国际接轨，因此从短期来看，中国可以通过各种谈判、协商放慢中国加入EU-ETS的步伐，但是从长期来看，中国必须制定出自己的一套机制，来监管我国航空业的碳排放，并逐步与世界接轨。

二、ETS运行方式分析以及影响

(一)EU-ETS机制运行框架

1.总排放量的构成

根据欧盟ETS的运行原则，每家航空公司在每个年度将会得到一定的CO2排放的免费配额，2012年分配给航空器运营人的配额总量等于历史航空排放量的97%。这一年的配额总量当中有15%的拍卖配额，所以2012年航空器运营人所得到的免费配额比例为配额总量的85%。从2013年1月1日开始的第三段交易期内，每年分配给航空运营人的配额总量减少为历史航空排放量的95%。这一期的配额总量中仍有15%的拍卖配额。此外，总量中还留出了3%作为特别预留配额，供2010年后首次开通飞往欧盟航班的航空器运营人，或2010年至2014年间吨公里数据年均增长18%的航空器运营人。所以在第三段交易期内，航空器运营人所得免费配额为配额总量的82%。

为了确定每家航空公司得到的免费配额数，欧盟将会确定一个时间范围，将这个时间段内各航空公司CO2排放量进行加总，并将此总量调整成年平均量。总的配额由三个要素决定，公式为：NT=Na+Nr+Nf

NT是一个年度总的排放配额，Na一段时期可以被交易的排放配额，Nr是配额特别储备，Nf是一个年度的免费配额。根据规定，免费配额占总配额的β倍，即Nf= βNT，也就是说总配额中只有β是作为免费额分配给航空公司。而航空公司实际排放的CO2量与相应免费额的差额将成为碳排放交易系统发挥作用的根据。欧盟的标准为β=82%。这里我们根据我国民航业的发展情况我们暂取β=90%。

2.衡量基准R值

在分配免费配额时，欧盟采用的是一个基准比例，这个基准比例是总的免费指标与所统计的行业总运量(吨公里)的比值，这里称这个比值为R，用公式表示为R=Nf/∑Wi

这里Wi指的是某i航空公司的一个年度内的总运量(吨公里)，∑Wi全行业的总运量。

为了更好地理解R值，我们引入一些参数。定义Dj为i航空公司旗下某一航线j的里程数，Qj为航线j的一个年度内运送总旅客的总重量，Uj为这条航线的里程与运量的乘积，用公式表示为Uj=Dj×Qj，cj为对应航线机型的平均油耗(公斤/吨公里)，Cj为这条航线在一个年度内的耗油总量，即Cj=Uj×cj，加总这一航空公司所有航线一个年度内的油耗则得到总量CTi，将总油耗除以总运量则可得到该航空公司平均吨公里油耗cmeani，而欧盟的标准平均油耗是行业总油耗与行业总运量之商，下面为了理解的方便，把所有公式整理如下：

Uj=Qj×Dj

Wi=∑Uj

Cj=Uj×cj

CTi=∑Cj=∑Uj×cj

CTotal=∑CTi

cmeami=CTi/Wi

cEU=CTotal/∑wi

根据上面的公式则可以对R值进行推导：

R=Nf/∑Wi=β∑T/∑Wi=βλCTotal/∑Wi=βλcEU×∑Wi=βλcEU

这里λ为将燃油消耗，换算成CO2重量的换算值是一个常数，λ=3.15×10-3吨/升。

(二) ETS运行规则及对市场个体的影响

1.ETS运行规则简析

定义航空公司的总的CO2的排放量与对应免费额之差为J，则对于航空公司i来说：

Ji=λcmeaniWi=RWi=λ(cmeani-βcEU)Wi

Ji>0时，表明i航空公司需要购买排放配额；Ji<0时，表明i航空公司可以出售多余配额。

2.ETS对于行业个体的影响分析

在对碳排放交易体系做了一般说明后，我们分析对于不同市场结构下航空公司的不同应对策略。

对于垄断市场而言，市场只有一个航空公司，它平均燃油消耗水平就是行业平均燃油消耗水平，它的J值始终大于0，那么它始终有降低碳排放的激励。

对于寡头市场，每一家航空公司的行为都会对市场产生重大影响，若是有一个寡头提高了其平均燃油消耗水平，那么由于其所占的市场份额较大，由上述公式表明它的行为也会同时降低全行业燃油消耗水平，这样J值就会比在行业标准不变时降低，由此说明，在寡头市场中任何一个寡头进行节能减排的激励都是衰减的。

下面考虑一个市场结构，这个市场有几家大型寡头航空公司和几家小型航空公司，小型航空公司所占市场份额非常小，这个结构类似于当前中国航空业的市场结构。由上面所述，寡头航空公司节能减排的激励是衰减的(这并不是说明它们没有激励去节能减排)，而对于小型航空公司而言，它们的行为对市场格局影响极小，则它们降低总油耗，提高运量也就是降低cmeani对于行业平均油耗影响可以忽略不计，在ETS的框架下，它们将极大降低J值，使得排放量小于配额上限进而拍卖剩余配额。

三、ETS视角下的航空公司节能减排效率评价模型

(一)模型思想

我们提出的效率评价模型是建立在ETS运行的视角下，由于对于每个航空公司存在一个J值，那么由于J值会影响航空公司的成本函数，对于每条航线都有对应的J′值，J′越小说明节能效率越高，J′越大说明节能效率越低。同时用J′值与对应总成本的比值来比较不同航空公司同一航线的节能效率，加总各航空公司各航线的比值则可以比较各航空公司多航线的节能效率，这样我们的评价模型就可以从微观层面(即具体航线)和宏观层面(多航线或全航线)分析航空公司的节能效率。同时应该注意，这个值只是一个相对值，只有通过全行业各个公司的对比才有意义。

(二)模型假设

由于现实中各种参数种类过于繁复，如果把它们全部纳入到模型分析中，将会造成模型中存在的变量过多。同时为方便统计的需要，我们要对数据的筛选进行简化。笔者在尽可能保证分析准确性的前提下提出如下假设：

(1)各个航空公司相同型号的飞机参数相同。这包括座位数相同，不考虑飞机的机龄而假定飞机的吨公里油耗相同。

(2)同类型飞机飞行长途和短途的平均吨公里油耗相同，不考虑飞机爬升、巡航、降落等阶段吨公里油耗的区别，只考虑一个平均值。

(3)只考虑无风的天气状况，不考虑天气状况对飞机运行的影响。对于一次飞行，我们提出这一假设是不合理的，但是我们考虑的是某一航空公司一年的运转情况，因此某一次的天气状况对于飞机的影响对于整体来说实际上是可以忽略的，同时我们考虑的是所有航空公司的情况，因此从总体来看，这个假定是合理的。

(4)航空公司某一航线的总成本只考虑燃油的消耗与J′值不考虑固定成本。由于我们讨论的是节能减排的效率，那么只考虑燃油消耗的成本与J′是有意义的。

(5)我国一般旅客(含随身携带的行李)平均重量按90公斤计算。

(6)油价按照每吨7 407元计算。

(三) 航空公司的成本函数

首先给出任一航空公司任意航线的成本函数，然后再解释各个变量的意义。

TC(q)=CF(q)+J′(q)

CF代表可变成本，上面的模型假设中提到，这里我们为了简单起见只考虑燃油消耗的成本。X(q)代表ETS规则下由于J值的存在，考虑J值的影响，那么这条航线的运营成本则会改变，进而在利润最大化时的均衡运量将会受影响。

下面给出CF(q)和J′(q)的表达式。

根据Estelle Malavolti和Julien Jenvrin的研究我们得到：

CF(q)=C0(1+α)q

这里C0代表飞机在运载率为零时的油耗(吨)，根据上述两人的研究，a是一个常数，值为0.0055。将CF(q)用泰勒展开式展开，化简后有：

CF(q)=C0(1-αq+α2q2/2)

J′(q)=(CF(q)ε-Rdq)px

这里ε是将油耗成本换算成CO2质量的换算量，是一个外生变量；px是每单位CO2在市场上的价格，也是一个外生变量。

(四) 航空公司节能减排效率指数

定义S=100J′/TWi，这里S是航空公司超过配额所要支付的费用与相应航线运量的比值。这个比值的实际意义是指每提供百吨公里运量航空公司所要支付的费用，这个比值越低，说明航空公司在该航线运营效率越高。若S值小于0说明航空公司的运营效率非常优秀以至于可以在ETS框架下获益。

四、天津航空业节能减排效率的实证分析

通过将各航空公司的数据带入模型，我们可以得到各个航空公司的节能减排效率的具体指标，进而在ETS的视角下赋予这些指标更为现实的意义。由于航空公司经营不同的航线所采用的机型也因此不同，如飞行短途航线采用支线机型像新舟60、ERJ145，而飞行长途航线采用干线机型如波音737与320，因此在比较整体航线的同时，还有必要对长短途航线分开比较，这样可以更清晰地得出在运行长短途航线时各航空公司的节能减排效率的差别。此外，在具体的航线上，各个航空公司的客座率与选用的机型不同，进而造成在同一条航线上，不同航空公司的效率有较大差别，因此也有必要对具体航线上不同航空公司的节能减排效率进行比较。

(一)整体航线的比较

通过调查我们发现，在天津经营航空业务的主要航空公司有16家。其中，国航系航空公司包括中国国际航空公司与深圳航空公司；东航系航空公司包括中国东方航空公司与上海航空公司；南航系航空公司包括中国南方航空公司与厦门航空公司；海航系航空公司包括海南航空公司、天津航空有限公司、云南祥鹏航空公司、西部航空公司和首都航空公司。除此之外的航空公司还包括奥凯航空公司、山东航空公司、四川航空公司、上海吉祥航空和春秋航空公司。

我们首先调查了各航空公司在天津的进出港航班情况以及各航线对应的机型与机型的相应参数，然后根据我们提出的模型计算各航空公司在天津的进出港航班的对应指标。天津地区航空公司在天津经营业务的具体情况如表1所示。数据是各航空公司夏秋季一周的数据，由于各航空公司每周具体航段航班安排基本不变，因此我们采用周数据。由于在天津的运量较少，表1中其他航空公司的数据是云南祥鹏航空公司、春秋航空公司、首都航空公司、西部航空公司与上海吉祥航空的数据之和。在比较具体航线时才将这几家航空公司进行单独比较。

表1 各航空公司在天津的经营情况

在表1中，总油耗、运量是指该航空公司在津进出港航班一周内所消耗航空煤油的总吨数和总的吨公里数；平均燃油效率是各航空公司在天津经营时与总油耗、运量对应的指标，这是航空公司在津节能减排效率高低的体现，但是通过这个值的比较我们还是不能理解如何通过这个值来影响航空公司的决策，进而促进航空公司提高燃油效率，减少二氧化碳的排放，因此我们引入了J值和S值。这里J值是某一航空公司在津业务总计需要因超标排放而支付的金额，与单一航线或航段的J′值相对。S在这里指的是该航空公司在天津经营时每提供100吨公里运量需要支付的金额，这个金额越大，说明航空公司对环境污染越大，因而受到更多的惩罚；S值为负说明该航空公司由于较高的平均燃油效率可以获得其他燃油效率较低的航空公司的补贴。

(二) 长短途航线分类比较

由于各个航空公司在津业务有所不同，长途航线上航空公司主要采用燃效较高大型飞机，而在短途航线上，航空公司采用的是较低燃效的窄体小飞机。如果将主营业务结构不同的航空公司置于同一框架下比较，这必然会损害短途航线较多的航空公司的利益。同时，由于业务结构的不同，将长短途航线加总比较所得出的结果也相对模糊，不能很准确区分各航空公司的优劣势，因此有必要对长短途航线分别区分。根据规定，将1 100公里以下的航线划分为中短途航线，将超过1 100公里的航线划分为长途航线。

1.长途航线的比较

表2 长途航线

由表2可以看出，奥凯、上航、东航在津长途航线节能减排效率较高，并且在ETS框架下可以获得补贴。而山航在排名中处于末位，并且节能减排效率是倒数第二位天航的近两倍。通过调查发现，山航在飞长途航线时使用的是高油耗的窄体小飞机，因此若是在ETS框架下，山航将面临较大的惩罚，因而有调整执飞机型或者购买低油耗的新型飞机的激励。

2.短途航线的比较

表2是各航空公司在津经营短途航线的汇总信息，由表中数据可知，除了奥凯航空公司S值较低以外，其他航空公司短途航线S值都比较高。在ETS框架下，由于外部成本的上升，航空公司有激励提高各航段的平均燃油效率甚至放弃不挣钱的短途航线。飞机起飞与降落过程中油耗最大，而在巡航的过程中油耗相对较低，因此在飞短途航线时必然会比长途航线对环境的影响更大，相对而言排放更多的二氧化碳。

表3 短途航线

(三)具体航段的比较

无论是从总体的角度还是长短途的角度，各航空公司之间的比较还是相对比较粗略，但落实到具体航段的比较上，可以清楚地比较经营相同航段的航空公司节能减排的效率。这里列举了天津到广州、深圳、大连三条航段。通过S值的比较可以清晰看出各航空公司在各具体航线上对环境的影响程度。

1.天津—广州航段

表4 天津—广州航段

在天津至广州的航段上，东航的S值最低，-0.415意味着东航在天津至广州航段上每提供100吨公里的运量，在ETS的框架下相当于可获得0.415元的补贴；而国航和山航的S值高达5.525，这意味着两家航空公司在该航段上的污染较严重，需要对其高污染进行惩罚，在ETS中两家公司每提供100吨公里的运量相当于支付5.525元的罚款。

2.天津—深圳航段

表5 天津—深圳航段

从表5可知，在天津至深圳的航段上，除南航和厦航两家S值为正以外，其他几家航空公司(奥凯、海航、天航、国航、深航)的S值都为负，也就是说南航与厦航要通过ETS的体系对其他经营该航段的航空公司进行补贴。由于厦航在该行段上相比于南航提供了更多的运量，其所承担的罚款要远远高于南航，因此可以说如厦航不改变机型，则在此航段上提供运量越多，所受惩罚越大，对环境造成的影响相比于其他公司更大。

3.天津—大连航段

表6 天津—大连航段

从表6可知，在天津至大连航段上，只有云南祥鹏航空公司采用燃效较低的波音738机型(油耗0.3公斤/吨公里)，因此其S值为负，而其他几家航空公司在此航段上采用的机型油耗都很高，如海航5个航班中有3个航班采用ERJ190(油耗0.443公斤/吨公里)，天津航7个航班中有5个航班采用ERJ190，南航所有8个航班都采用波音319(油耗0.371公斤/吨公里)。因此在该航段上，祥鹏航空将由于其采用燃效更高的飞机而不断从该航段中获益，其他几家公司则会因为高油耗飞机的使用而面临惩罚。

五、对策建议

通过分析，我们很容易在ETS的视角下比较各航空公司在天津的营运状况。在全球节能减排的大趋势下，中国必然要通过制定一系列措施去减少二氧化碳的排放。随着我国民航事业的发展，即使加入ETS还有较长的时间，我国也有必要建立相应的机制去引导、促进航空公司进行节能减排，降低二氧化碳的排放。

由于各航空公司主要的经营动机是利润最大化，因此即使是平均燃油消耗较大的机型，只要有利可图航空公司也会使用。因而航空业存在着较大的负的外部性，也就是污染。由于航空业自身没有自发进行节能减排的动机，因此政府部门有必要发挥作用，去引导、促进航空公司进行节能减排。笔者提出两个比较可行的解决办法，二者本质都是要调整航空公司的目标函数，使得航空公司负的外部性内部化，使其受到环境污染的惩罚，从而主动降低二氧化碳排放，同时鼓励燃效高的航空公司，促进整个民航业和谐发展。

(一)建立中国的碳排放交易体系

为了给各航空公司一个节能减排的激励，对航空器排出的二氧化碳收取一定的惩罚费用势在必行，而碳排放交易体系利用市场规则进行操作，可以最有效地刺激各航空公司进行节能减排。为了促进中国民航产业高速发展，本文采用了90%的免费排放额代替欧盟ETS规定的82%免费排放额，同时我们计算R值时采用的是区域内航空公司的平均燃油消耗水平。这样选择的用意在于，我国若是与欧盟ETS体系接轨，我国民航业必须要依据自己的行业发展情况，制定相应标准，这一方面是因为我国是发展中国家，我国的民航业发展时间较短，和欧洲一些老牌的航空公司相比，用它们较高的标准去要求我国航空公司是不合适也是不合理。因此应当根据我国的行业情况，同时选用90%的免费比率，目的是在促进各航空公司节能减排的基础上减少对航空公司激励的扭曲。

以天津为例，由于航空公司各航线的J值之和就是航空公司总体的J值，因此根据这一计算的总额，针对J值为负的航空公司可以向其他航空公司出售其剩余配额，从而国家相当于是合法的中间人，使得高污染的航空公司去补贴低污染的航空公司。由于碳排放交易体系的影响，各航空公司在机队的规划上便会采用一些能源节约型的飞机，从而达到节能减排的效果。

如第四部分中的长途航线，如果各航空公司所采用的是低燃油消耗的飞机如A320(平均吨公里燃油消耗0.294公斤)，则可节省燃油的消耗，进而减少二氧化碳的排放，如表7。

表7 各航空公司排放量

由表7可见若各航空公司在碳排放交易体系的作用下采用燃油消耗较低的飞机，则在天津从事远程航线的航空公司每周可减排二氧化碳高达14 086吨，每年将减少二氧化碳排放将达73万吨，这仅仅是天津长途航线的数据，若是扩展到全国，减排的效果将更为可观。

我们需要明确建立碳排放交易体系的初衷就是降低各航空公司的二氧化碳排放，而不是国家从中谋利。因此在确定全行业标准时，相关部门应当参考历史数据，在碳排放交易体系初见成效之后在选择行业标准的平均燃油消耗水平上适度放宽条件。

不断减少碳排放，是全球航空业的共同目标。近年来，中国民航大力开展节能减排工作，自2007年以来，全行业投入6亿多元改善相关的设施设备，重点通过机载设备取代APU、优化航路、提高空管效率等方式推动节能减排。2011年，通过航路截弯取直、使用临时航路，全年累计缩短飞行距离1 300万公里，减少二氧化碳排放22万吨，节省燃油成本5.3亿元。但我国航空业的排放量依旧很大，因此我们要运用科技、管理和设施改进等手段实现减排目标，建立我国碳排放交易体系及监管机构，坚定不移地推动行业节能减排工作。

(二)建立非盈利监督机构

由于我国绿色民航建设的最终受益人是我国人民，因此光靠航空公司与政府的努力还是不够的。然而，目前来看绿色民航的意识还没有在航空旅客中推广和普及，因此政府有必要建立一个非盈利的监督机构，一方面监督航空公司各航线的污染情况，如可用上文中提出的S值来定量，另一方面有必要将这一衡量标准向旅客宣传，在某种程度上通过旅客的选择影响航空公司的决策。

具体来说，这个非盈利的监督机构负责宣传航空业进行节能减排的重要性，同时定期在其官方网站上提供各个航线、各航空公司的S值，进而让旅客了解每条航线上，每家航空公司对环境的污染程度。虽然航空旅客在购买机票、选择航空公司更多的是看重票价以及时刻，但是在票价相近、时刻靠近的情况下，通过机构的宣传作用可以影响旅客决策。

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