能源替代政策能否改善空气质量

汤韵 梁若冰

摘要 中国城市严重的空气污染与企业及家庭对燃煤的依赖密切相关。因此，以天然气等清洁能源替代燃煤被视为治理空气污染的重要手段。在能源替代政策的推进下，“煤改气”工程正在众多大城市如火如荼地进行。在此背景下，本文针对清洁能源替代问题进行经济学讨论，并对城市“煤改气”政策施行效果进行实证检验。本文首先利用包括西气东输等天然气长输管道项目作为外生冲击，考察了城市天然气供应对空气污染的影响。利用城市面板数据回归的结果发现，长输管道的联通对城市空气污染有显著地遏制作用，而这种作用在煤炭城市更为明显。在稳健性检验部分，利用城市液化石油气代替天然气进行安慰剂检验，发现天然气长输管道对于液化石油气的供给并没有显著促进作用，后者也未影响天然气替代煤炭对城市空气污染的减排效应。其次，在考察城市特征对天然气长输管道联通影响的基础上，考察途经城市是否存在选择效应，结果发现空气污染、煤炭消费等变量对管道联通均无显著影响，表明城市天然气管道联通并不存在明显的选择效应。在机制分析部分，进一步分析城市天然气管道长度、供应量与使用人口对空气污染的影响，发现天然气主要通过替代城市民用燃煤来遏制空气污染，对工业燃煤造成的污染则减排作用不明显。最后，从价格角度讨论了天然气难以通过替代工业燃煤遏制空气污染的可能原因，并分析了“煤改气”政策在现阶段的局限性。

关键词 能源替代政策；空气质量；能源定价机制

中图分类号 F062.1文献标识码 A文章编号 1002-2104（2018）06-0080-13DOI：10.12062/cpre.20171222

近年来，城市空气污染及其造成的严重雾霾引起了社会广泛关注。相关研究发现，主要空气污染物PM2.5、SO2与NOx会严重危害人体健康，造成呼吸道及心血管疾病。目前，燃煤是空气污染物的主要来源之一，以PM2.5为例，燃煤对其年均浓度贡献率超过40%[1]。其中，冬季北方地区因燃煤造成的污染更是占了绝对比重，成为严重雾霾天气的罪魁祸首。作为煤炭生产与消费大国，煤炭在中国一次能源消费中的比重一直居高不下，尽管近年来各地因空气污染而严格控制煤炭使用，加之经济增速放缓，对能源需求有所下降，也仅使煤炭消费比重从1996年的75%降至2016年的64%，20年时间仅下降了11个百分点。事实上，从世界范围看中国煤炭消费远高于其他国家，不仅在国内能源消费中的比重远高于27%的世界平均水平，而且消费量占世界消费总量的比重也达到了50%，分别为美国和欧盟的4.9与7.4倍[2]。不同于煤炭的绝对重要地位，清洁能源在中国一次能源消费中的比重仍然较低。以天然气为例，其消费比重在1996—2016年期间仅由1.9%升至5.8%，而且占全球天然气消费比重也仅为5%。由此可见，尽管上涨趋势明显，但天然气在中国能源消费中的重要性仍不突出。相反地，全球一次能源消费中天然气比重已经达到24%，其中发达国家多在20%～40%，2012年美、日、英、法等国的天然气占能源消费比重分别为40%、33%、29%和45%，而新兴发展中国家土耳其、马来西亚和埃及甚至分别达到41%、48%和63%[3]。从天然气未来发展趋势看，其消费年均增长速度将显著高于其他主要能源，天然气在发达国家取代石油、在中国取代煤炭的趋势将不可逆转。因此，我们有必要了解在此过程中天然气及其对煤炭的替代对城市空气污染治理的影响。

中国21世纪初开始大规模兴建天然气长输管道工程，其中以2001年开始的西气东输项目最为著名和重要，我们可以将其以及其后兴建的其他长输管道视为外生的自然实验，来处理中国城市天然气使用内生增长的问题。本文以天然气对煤炭的替代作为主要切入点，分别讨论天然气对工业燃煤与民用燃煤在空气污染治理上的替代作用及其差异，并从天然气定价机制角度分析产生这种差异的原因。本文的创新主要包括三个部分：①利用天然气长输管道构建了城市天然气供应的自然实验；②分析了天然气对工业与民用燃煤的异质性替代效应；③从价格机制方面分析了天然气对煤炭替代效应的差异。由此可见，文章一方面为城市天然气的使用寻找了外生冲击，另一方面对目前亟待解决却罕有讨论的清洁能源替代问题进行了经济学讨论。此外，本文在实践层面对于理解供给侧改革的重要组成部分——“去产能”有重要的意义，并对目前进行得如火如荼的城市“煤改气”进行了实证检验。

1 西气东输工程与能源替代的污染减排效应

1.1 西气东输工程及其影响

就目前而言，燃煤仍是導致中国城市空气污染的主要来源。根据GBD MAPS工作组估算的中国城市燃煤造成的污染损失，2013年因燃煤产生的PM2.5造成约36.6万人死亡，其中因民用生物质与煤炭燃烧导致的死亡人数为17.7万人，高于来自工业用煤的15.5万人与燃煤电厂的8.65万人[1]。因此，在未来能源发展与空气质量管理战略中，应以减少工业与民用燃煤造成的排放作为主要目标。同时，因后者还可通过污染室内空气而产生更严重的疾病负担，因此应作为重点进行治理。在此过程中，除环境管制与相关经济政策外，以清洁能源替代煤炭是另一可行途径。目前，中国使用的清洁能源主要包括天然气、水能、核能、风能与太阳能等，其中天然气是大力发展的重点能源，而且从供气来源与利用技术方面看，也是相对较为稳定与成熟的替代性清洁能源。

中国西部地区蕴藏着大量的油气资源，但有效需求不足；而东部地区对能源有巨大需求，但资源极为匮乏。西气东输项目的主要目的，就是将西部地区丰富的天然气资源，通过长输管道等基础设施输送到东部沿海发达地区，以缓解后者快速经济发展中面临的能源瓶颈。2004年建成通气的西气东输一线工程是新世纪的第一条天然气长输管道，全长3 836 km，年供气量170亿 m3。2011年建成通气的西气东输二线工程是目前最长的输气管道，包括支线总长度达到9 242 km，年供气量300亿 m3。西三线长度也达到7 378 km，年输气量300亿 m3。作为中国迄今为止输送距离最长、通气量最大的天然气管道工程，西气东输项目截至2015年已开通并运营了三期，第四、五期也正在建设与规划当中，目前联通了14个省、市、区，年供气量达到720亿 m3[3]。

与西气东输同时进行的长度超过1 000 km的长输管道还有川气东送、忠武线、陕京线等工程，分别将四川普光气田、陕西长庆油田以及中亚进口的天然气送往东部地区。截至2015年初，中国已建成通气的天然气干线管网总长度超过了8.5万 km，年供气量超过2 000亿 m3。这些天然气长输管道的联通，为东部城市实施“煤改气”提供了条件。据专家测算，煤炭和天然气在相同能耗下，排放灰粉污染物的比例为148∶1、SO2比为700∶1、NOx比为29∶1。仅以西气东输一、二线工程每年输送的天然气量计算，就可以替代燃煤1.2亿 t，减少CO2排放2亿 t、减少SO2排放226万 t[4]，对改善中国能源结构和环境质量发挥举足轻重的作用。

1.2 能源替代的污染减排效应

不过，尽管目前的“煤改气”工程正在众多大城市如火如荼地进行，但对于如何利用清洁能源进行能源替代、能源替代是否能够遏制空气污染及其是否存在技术经济性等问题，经济学家与政策制定者讨论得并不充分。经济学家对空气污染治理的研究多集中于分析财税政策对石油、煤炭与机动车使用的影响[5-9]，而关于能源替代的实证研究相对较少，其主要原因是难以找到合适的外生冲击。为解决变量外生性问题，Cesur等[10]利用土耳其各地区通天然气管道的时间差异构建了准实验，来捕获因使用天然气而改善的空气质量对婴儿死亡率的影响，发现天然气使用密度每增加一个百分点，婴儿死亡率下降4%，即挽救348个婴儿的生命。Barreca等[11]考察了美国历史上天然气替代烟煤对人口死亡率的影响，发现1945—1960年间冬季烟煤使用量的减少导致人口死亡率下降1.25%，婴儿死亡率下降3.27%。

事实上，我们目前关注的问题不仅仅是天然气替代燃煤的污染减排效应，更应重视在能源替代过程中能否通过市场力量顺利实现技术替代，既能达到治理污染的目的，又可去除落后产能，这才是保证“煤改气”政策能持续并产生长期效果的关键问题。对于前一个问题，在现有的技术手段下“煤改气”完全可以达到污染减排目标。例如，薛亦峰等[12]、欧春华等[13]与赵丽莉等[14]分别评估了北京、重庆以及乌鲁木齐“煤改气”项目的污染减排效果，都发现其显著地降低了空气污染物的排放水平，尤其是对于那些与煤炭燃烧密切相关的污染物，如CO2、SO2、PM及NOx等，减排效果尤其显著。

不过，从技术经济性考虑，这种减排效果可能因能源替代較高的成本而大打折扣。根据巫永平等[15]的测算，由于中国较高的单位GDP能耗，导致天然气相对价格不仅远高于美国，而且也高于完全依赖进口的德国、日本，尽管后两国的名义价格分别为中国的3倍和2倍，因此在评估“煤改气”的环境收益时，应当考虑这种高能耗的影响以及价格提升带来的成本。刘虹[16]对北京实施“煤改气”政策进行的调查，也显示该政策将导致北京新增200亿m3的天然气需求，在不考虑固定资产和改造投资的情况下，光是能源成本就将增加420亿元，相当于2012年北京市财政收入的近10%。除了价格因素，被替代燃煤所在行业的减排水平也决定着天然气替代的环境收益。对于采用超低排放技术的煤电企业而言，天然气替代不但难以获得显著的环境收益，而且经济效益更是无从谈起[17]。

事实上，对于城市“煤改气”工程而言，众多研究发现以天然气替代民用散烧煤、工业燃煤小锅炉的效果较好，而对于燃煤电厂的替代则减排效果并不理想。薛亦峰等[12]研究了北京实施“煤改气”的减排效果，发现对燃煤电厂的替代效果不显著，其原因在于电厂的污染排放控制比较严格，而对小型燃煤锅炉与民用燃煤的替代，将产生较好的污染减排效果。在毛显强等[18]对重庆与北京“煤改气”的研究中，也发现天然气替代民用灶、餐饮茶水炉、工业锅炉、大型取暖炉燃煤会产生较优的环境效益。庞军等[19]利用热值替代方法，估算了中国15个重点供暖城市冬季天然气替代燃煤对空气污染的减排效果，发现天然气集中供暖替代燃煤集中供暖的污染减排效果最好，优于分布式能源以及分户式燃气供暖的效果。

无论是基于去除落后产能的当前目标，还是环境可持续发展的长远目标，天然气替代政策都应立足于通过市场机制鼓励企业进行环保创新，从而改善污染减排技术或是进行清洁能源替代。能源依赖企业的创新受两种不同效应的影响，即价格效应和市场规模效应，前者会导向对稀缺资源的创新，后者则诱发对丰富资源的创新[20]。例如，Aghion等[21]通过考察80个国家汽车产业的专利申请，发现油价越高的国家越倾向发明采用清洁能源（电力或混合动力）的发动机。无独有偶，根据Acemoglu等[6]的分析，在清洁能源与污染能源可以充分替代的情况下，分别对污染排放与环保创新进行暂时性征税和补贴，可以实现污染能源向清洁能源的转换，而且越早实行此类政策，对过渡期经济增长的冲击越小。同时他们还发现，在自由放任制度下，如果投入的污染能源是可耗竭资源，那么也会激发企业进行环保创新。在中国，由于煤炭资源蕴藏丰富，因而自由放任制度显然不利于煤炭使用中的技术创新；同时，天然气价格管制导致较低的清洁能源价格，也不利于相关的技术创新。

2 计量模型设定与数据分析

基于上述讨论，本文的实证部分将主要围绕下面三个问题展开讨论：第一，天然气长输管道是否通过提高天然气使用量遏制了空气污染？第二，天然气使用是否通过替代煤炭使用来遏制空气污染？第三，天然气使用对煤炭使用中的工业与民用燃煤的替代是否存在差异性，其原因是什么？针对这三个问题，本文将分别采用计量模型进行实证检验。首先，本文将考察天然气长输管道对城市天然气管道长度、供气量与使用人口的影响，并分别分析各变量及其与煤炭城市交叉项对空气污染的影响，可写作如下固定效应回归方程：

公式（3）中，我们分别加入了天然气长输管道供气能力变量与城市天然气管道变量及其它们与煤炭城市变量的交叉项，目的是考察天然气长输管道是否通过影响城市天然气供应来遏制煤炭城市的空气污染。该回归中，我们关心的主要估计参数是γ3和γ5，若后者显著而前者变得不显著，说明可能存在所谓的中介效应（Baron & Kenny）[22]，公式（4）中的pcindcoaliy为i城市在y年度的人均工业燃煤使用量，交叉项估计参数θ6表示天然气是否通过对工业燃煤的替代来遏制空气污染。除了工业燃煤使用量，本文还对民用燃煤使用进行了估计。公式（5）中的lnindso2emiiy为工业SO2排放量，交叉项估计参数π6表示天然气是否通过对遏制工业SO2的排放来实现污染减排。除此之外，本文还采用了工业NO排放、工业烟尘排放、民用工业SO2排放、民用NO排放、民用烟尘排放进行估计。公式（3）-（5）中，Z为日度控制变量向量，固定效应λi、ηy、ρm、φd以及随机扰动项μiymd的含义同公式（2）。

本文采用的数据包括两种类型，即日度数据与年度数据。首先，日度数据主要包括污染、气候与管道联通变量。具体而言，本文采用的被解释变量为全国120个城市在2002—2013年的日度API指数，来源于国家环保部网站；主要解释变量天然气管道联通数据，主要由作者根据国务院发展研究中心、壳牌国际有限公司联合出版的《中国天然气发展战略研究》[3]与中国燃气行业年鉴编辑部出版的《中国天然气管道分布图2013》等材料绘制而成；主要控制变量包括日平均气温、降水量和风速，来源于中国气象科学数据共享服务网；工业与民用天然气价格数据来源于钢联数据网站。其次，年度数据主要包括城市燃气数据，包括天然气与液化石油气（LPG）的管道、供应量、使用人口等，来源于各年度《城市建设统计年鉴》；城市主要空气污染物与工业及民用能源使用数据，来源于各年度《中国环境年鉴》；与城市相关的控制变量，包括人口、人均收入等，来源于各年度《城市统计年鉴》。具体的变量描述性统计及其数据来源列于表1中。

3 回归结果分析

3.1 基准回归结果分析

本文首先利用公式（1）回归分析天然气长输管道的联通对城市天然气供应变量的影响，此处的解释变量分别为城市是否联通管道的虚拟变量（pipe）以及联通管道的每公里通气能力（lncapkm）的对数值，被解释变量分别为城市天然气管道长度（ngpipe）、天然气供应量（ngsupply）以及天然气用气人口数量（nguser）的对数值。此处，本文主要利用城市年度数据考察天然气长输管道联通后是否对城市内部天然气相关变量有显著影响，其原因主要在于城市内部天然气供应不仅仅来源于长输管道，另一重要来源是液化天然气（LNG），可以通过公路或铁路进行罐装运输，并利用储气罐进行储存。因此，天然气长输管道的联通并不必然导致城市天然气管道及使用出现显著增加。

表2为本文对公式（2）进行估计的结果，其中第（1）～（3）与（4）～（6）列分别为管道虚拟变量与管道输气能力对城市天然气供应的影响，从中可知城市联通天然气长输管道与市内管线铺设长度、天然气供应量以及用气人口均有显著正向影响，表明天然气长輸管道的联通的确可以显著促进城市内部天然气供应的增长。那么天然气管道联通以及城市天然气供应的增长是否能够显著降低城市空气污染呢？这就需要我们进一步利用日度数据考察管道联通后，城市空气污染的变化情况。为节省篇幅，下文的实证分析均采用每公里管道输气能力作为解释变量。

表3中，第（1）和（2）列分别利用空气污染指数回归了天然气管道每公里输气量及其与煤炭城市的交叉项，发现管道联通显著降低了空气污染指数，即每公里输气量每增加一个百分点，空气污染指数降低0.7个百分点；对于煤炭城市，空气污染在此基础上进一步降低0.8个百分点，从而可实现1.5个百分点的污染削减。由于城市空气污染指数均值为71.5，管道输气量均值为334.7m3/km，可知城市联通管道输气量每增加1m3/km，污染下降0.15，煤炭城市则下降0.32。第（3）～（5）列分别为城市天然气供应变量与煤炭城市交叉项的估计结果，从估计参数的大小可知，城市内部的天然气相关因素影响显著高于长输管道的输气能力。具体而言，相对于非煤炭城市，煤炭城市市内天然气管道、天然气供应量以及用气人数每增加1%，空气污染指数分别下降3.2%、2.5%与5.0%。上述结果表明，天然气长输管道可能通过市内天然气管道、供给与使用影响空气污染。为此，本文进一步将长输管道与煤炭城市交叉项与其他市内天然气变量与煤炭城市交叉项同时放入模型中，根据Baron&Kenny[22]的“中介作用”模型，若天然气长输管道主要通过城市天然气变量来影响空气污染，那么同时加入两组变量的结果是城市天然气变量作为中介变量其系数仍然保持显著，而长输管道估计系数或者显著变小，或者变得不再显著。

表4为本文利用公式（3）的中介作用模型进行估计的结果，第（1）列为长输管道基准结果，同上表3中的第（2）列，第（2）～（4）列为分别加入市内天然气变量与煤炭城市交叉项的估计结果。从估计结果可知，加入市内天然气变量交叉项之后，长输管道交叉项的估计系数变得不再显著，而市内天然气估计结果仍然保持显著，且系数值略有提高。这一结果表明，煤炭城市天然气长输管道联通对于空气污染的遏制作用，确实是以市内天然气设施建设与天然气使用为主要途径的。

3.2 稳健性检验

由前述分析可知，以西气东输为代表的天然气长输管道对途经城市，尤其是煤炭城市空气污染存在显著遏制作用，而这种作用是通过增加了城市天然气设施、供给与使用实现的。那么，为验证这一结果的稳健性，我们需要讨论两方面问题：一是由于在增加天然气供给的同时，某些城市也增加了液化石油气等其他燃气的供应，那么天然气长输管道是否恰好捕获了此类燃气对空气污染的遏制作用？二是天然气长输管道的铺设可能存在内生性，即在选择途经城市时考虑到了这些城市的空气污染、经济发展水平、对于燃煤使用以及是否煤炭城市等因素，从而使前文估计出的天然气管道对空气污染的遏制作用，及其在煤炭城市的额外减排效应都会存在偏误。具体而言，如果选择空气污染较严重的城市或（和）煤炭城市联通管道，那么估计结果将会存在低估。尽管本文估计出的已经是显著的遏制作用，考虑低估后实际遏制作用只能更强，不会影响本文的结论，不过为准确起见，我们仍要考虑上述变量对管道铺设的影响。

从表5估计结果可知，无论是天然气管道联通的虚拟变量还是单位长度的供气能力对液化石油气的影响均为负向，而且其中只有市内液化石油气气管道长度是显著的，其他变量估计结果均不显著。这说明，一方面市内液化石油气管道与天然气管道确实有替代关系，另一方面天然气管道的联通对于液化石油气的供给与使用没有显著影响。尽管如此，我们需要进一步考察天然气对煤炭城市空气污染的缓解效应是否捕获了液化石油气的影响。为此，本文采用表2与3中的模型设定，将公式（3）中天然气变量换成液化石油气变量进行回归分析，实施相关的安慰剂检验。

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