能源效率提高能够促进环境质量改善吗？——基于可计算一般均衡的视角

李 刚，黄巍巍

(南京财经大学 经济学院，江苏 南京 210023)

气候变化是人类新世纪面临的重大问题，一般认为，随着技术进步和能源效率的提高，人们在生产相同数目产品时能源消耗总量会减少，因此各国都把提高能源使用效率和减少能源消耗量作为应对气候变化的重要举措之一。[1]1865年Javons最早对能源回弹效应问题进行研究，提出提高能源利用效率，不仅不会减少能源需求量，反而会导致能源需求量的增加。[2]Khazzoom(1980)[3]& Brookers(1990)[4]较早在宏观经济背景下对回弹效应进行研究，美国科学家Saunders(2000)[5]在其理论基础上提出了“K-B假说”，并在新古典经济理论的基础上证实了能源回弹效应的存在性，由此引发了一系列相关争论。Greening(2000)[6]从微观经济学的效用理论和成本理论出发，发现回弹效应对于不同层面经济行为的反映程度不同。在实证研究方面研究结论也存在较大的差异：发达国家存在部分回弹效应，如加拿大、英国、德国、日本、西班牙等，表现为能源效率的提高能够部分降低能源消费量。发展中国家存在回火效应(当回弹效应超过100%时)，如：越南、印度、菲律宾等，表现为能源效率的提高会增加了能源消费量。本文通过计算一般均衡模型(CGE)研究能源综合回弹效应，试图对中国能源利用效率，探讨能源效率提高是否促进了能源消费的减少，进而改善了环境质量。

一、能源效率的回弹效应

(一)回弹效应

经济学家通常将回弹效应分为三种类型：直接回弹效应，建立在局部均衡下的直接价格效应的结果；间接回弹效应，由价格效应引起的，由于经济之间的关联性，被扩散到其他部门的影响；综合回弹效应，基于一般均衡的视角，在国民经济系统中，能源效率提高对能源综合需求的影响，包括直接回弹效应和间接回弹效应[6][7]。K-B假说提出之后，Berkhout[8]从微观经济学和宏观经济学的角度提出了新的定义，即：当技术进步导致能源效率提高，生产相同单位产品的能耗会降低。但不可忽视的是生产者将使用更多的能源来替代其他生产资料，因此会消耗更多的能源。理论上能够节约的能源量会被这些额外的能源消费量所抵消，因此回弹效应被定义为理论节约量与实际节约量之差再与理论节约量的比值。

图1 不同能源强度与经济活动下的回弹效应 图2 生产函数的嵌套结构

能源效率提高所产生的回弹效应可能因为国家或部门的不同而不同。如图1 所示，横轴代表经济发展水平q，纵轴代表能源利用强度e，x表示能源消费水平，能源强度e=x/q，或者x=e×q。能源消费取决于两个因素：能源消费强度和经济水平。也即在两个能源强度相同的经济体中，经济水平越高，能源消费量也就越大。[9]在图1中，能源消费水平可以表示为e×q。假设在t0时，x0=e0×q0，能源消费量位于A。而到t1时，由于技术进步，能源强度由e0下降到e1，能源消费从A移到B，就是零回弹效应。如果能源消费从A移到C’，是部分回弹效应。如果能源消费从A移到C’，属于完全回弹效应，因为能源消费量没有发生变化。还有一种情况是回火效应，能源效率的提高不但没有降低能源的消费量，反而使其增加。

回弹效应与价格弹性有关。如果能源在一些经济体或部门中是缺乏弹性的，意味着能源价格的下降并不会导致能源消费的快速增加，会发生部分或全部的回弹效应。相反，如果能源是富有弹性的，能源价格的下降会导致能源消费的快速增加，也就会发生回火效应。

(二)度量回弹效应的方法

从一般均衡理论出发研究能源效率的回弹效应，将能源利用的技术进步率ρ应用到模型中[10]：

ε=(1+ρ)E(1)

其中，E为能源的实物单位(如：kWh，BTU或PJ)；ε为能源的效率单位。公式(1)表示，能源能够被利用的部分等于能源的含能量与能源利用效率的乘积。能源效率就是自然能源的转化效率，能够被利用的能源，是经过转化后的能源，于是把它称为效率能源。考虑到价格弹性，效率能源pε可以表示为：

如果实物能源的价格保持不变，能源效率的提高就意味着效率能源的价格下降。在一般均衡的状态下会发生替代效应、收入效应和产出效应。因此，从综合的角度来讲，对能源的回弹效应测度需要放在CGE模型框架下进行。

二、CGE模型

本文的CGE模型包括19个生产部门，其中，能源部门包括煤炭、石油和天然气、电力；非能源部门包括农业、煤炭、石油和天然气、采矿业、烟草、纺织、木材家具、燃料加工、化学产品、非金属制品、金属制品、仪器和设备、其他制造业。投入的生产要素包括劳动、资本、能源和非能源物质。机构由住户、政府、投资和国外4个部门组成。

(一)CGE的基本框架

可计算一般均衡(CGE)是在Walras一般均衡理论的基础上，通过优化的方法建立数学模型，对宏观经济运行进行量化研究。本文设计的CGE模型，由生产模块、企业模块、住户模块、政府模块、国外模块五部分组成。生产模块需要多层嵌套，本文中采用了最常用的KLEM法对能源和非能源投入使用进行合成，中间投入项使用Leontief生产函数，其他均使用CES生产函数。具体形式见图2所示。

住户模块使用线性支付系统(LES)描述家庭的消费。表现为，在商品上的消费支出额和消费收入，商品自身价格和其他商品价格呈现出线性的关系。国际贸易模块包含了进口和出口两部分。在出口方面，使用CET函数来表达国内生产活动的商品在国内销售和出口之间的分配情况。其受国内价格和国际价格相对水平的影响，其关系表现形式为凸集形状，因此参数ρ必须大于1。在进口方面，国内生产国内销售和进口之间可以相互替代，因而采用Armington 函数。经济闭合条件使用凯恩斯闭合。

(二)社会核算矩阵

本文使用国家统计局2015年42部门的投入产出表，合并成19部门的投入产出表。相关数据来源如下：第一中国统计年鉴(2016年)；第二，中国财政统计年鉴(2016年)；第三，中国能源统计年鉴(2016年)；第四，The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC,www.ipcc.ch)。

(三)参数设定

在CES、CET和Armington函数中，均需要使用替代弹性系数，而替代弹性系数通常是外生给定的，本文主要借鉴了娄峰(2015)[11]、Liang, Q. M (2007)[12]的研究(如表1所示)。

三、中国能源回弹效应的测算分析

(一)能源效率提高的经济效应

首先，假定能源效率的增进是外生的，不考虑能源效率提高的经济成本。假定在CGE模型中引入一次性能源效率冲击，将所有生产部门的能源使用效率提高5%。冲击后的结果如表2所示。

由于在能源效率提高之前的经济状态被假定为均衡状态，在短期内资本存量不发生改变，是外生变量；长期则意味着资本存量可以发生改变，属于内生变量。能源效率提高5%，从短期看，GDP增加了0.02%，消费总额减少了0.12%；从长期看GDP增加了0.60%，消费总额增加了0.89 %。长期影响大于短期影响。

值得注意的是，电力部门的产出在短期和长期内均得到了提高，分别为16.15%和16.54%。煤炭部门在短期的产出增加0.54 %，长期的产出增加0.90 %。石油和天然气部门在短期的产出降低4.17 %，长期的产出降低4.24%。这种现象与三个因素有关：第一，能源消费结构。2015年，在中国的能源消费中，煤炭占63.7%，石油占18.3%，天然气占5.9%。而在电力能源中，火电占78.23%，其他清洁能源占21.77%。由于能源之间具有相互替代性，当能源效率提高时，会增加对电力和煤炭的消费，减少对石油和天然气的消费。第二，能源价格弹性。电力和煤炭是富有弹性的能源，能源消耗不仅没有减少，反而增加出现了回火效应，尤其电力更为明显。第三，能源消耗强度。通常认为能源效率提高会降低能源价格，有利于能源密集型企业并促进了它们的竞争力。一方面能源效率的提高能够使得能源密集型企业的产出增加得更多，另一方面能源企业本身就是能源密集型企业，会进一步促进能源价格的下降，所以能源密集型企业的单位成本会下降更多。

能源效率的提高引起商品价格的变化在各部门之间的表现不同(详见图3)。在短期内，最大的价格下降发生在燃料加工和电力等能源密集型行业。同时不同部门在较短的时间内发生能源效率的提高，对行业的冲击力相对于长期来说较大，因此产出价格短期价格降低幅度大于长期。长期看来，虽然真实工资和名义工资是可以变化的，但是资本的价格和总供给却不能改变，无法使用能源来替代资本，所以能源效率对价格的影响短期比长期大。

图3 不同时期能源效率提高5%后各部门产出价格变化情况 图4 能源效率提高5%各部门产量变化情况

图4中既包括能源部门，也包括非能源部门。可以看出有如下三个特征：第一，影响最大的是电力部门；第二，从时间的尺度上看，长期的影响大于短期；第三，石油和天然气部门的产出下降，非能源部门的产出既有上升，也有下降。石油和天然气部门有回弹效应，为16.58%，与大多数发达国家相似。电力与煤炭部门有回火效应，423.04%，与发展中国家的情况接近。这种情况并不完全取决于能源形式本身，还取决于一个国家经济发展水平。发达国家的收入水平高，能源的价格弹性比较小，通常会是部分或者完全的回弹效应。而发展国家的收入水平低，能源的价格弹性比较大，则会出现回火效应。

(二)能源效率提高的环境效应

图5 能源效率提高5%各部门二氧化碳排放的变化情况

二氧化碳排放量的测算借鉴了IPCC提供的方法和数据，经过计算，2015年的基准情景下的碳排放量为109.25亿吨。如图5所示在能源效率提高5%的情景下，在短期，二氧化碳排放为109.35亿吨，增加0.09%；在长期，二氧化碳排放为109.72亿吨，增加0.43%。可以看出，能源效率的提高不能降低二氧化碳的排放，反而会有小幅度的增加。二氧化碳排放量上升与回火效应有关，也就是说，能源效率的提高引起能源价格的下降，由于中国对能源的需求有比较大的弹性，导致电力和煤炭的需求增加。虽然石油和天然气价格弹性较小，产出有所下降，但是煤炭的碳排放系数比较大，最终导致二氧化碳排放量的增加。

四、敏感度分析

(一)替代弹性的敏感性分析

表3 能源效率提高5%的长期敏感性分析(相对于基准年份变化)

续表3

注：投资总额被定义为外生变量，所以没有发生改变。

通过改变生产部门的替代弹性来进行敏感性分析，这些生产部门的弹性包括能源部门与非能源部门的替代弹性，中间投入与产出增加值的替代弹性，进出口的替代弹性。首先改变模型中的关键参数值，通过扩大或者缩小相应的值，观察替换前后发生的变化。表3中第1列是基准场景的结果，B列和C列是能源部门与非能源部门数值缩小0.8倍和扩大1.2倍后所得的结果，GDP从0.8倍时的0.00%变化到1.2倍时的0.01%。D列和E列是增加值与中间投入缩小0.8倍和扩大1.2倍后的变化情况，在短期和长期内各项没有发生太大变化。F列和G列是出口需求弹性分别变化0.8倍和1.2倍后的结果，此情况下大部分项均发生了变化，其中出口和进口在0.8倍的情境下，分别降低了0.01%和-0.01%。在1.2倍的情况下减少的比例分别为-0.01%和0.01%。综合来看，参数的改变对模型计算结果的影响较小。

(二)有成本的能源效率增进

上述讨论中能源效率的提高都是无成本的结果。如果能源效率的提高将伴随着其他成本的产生，这种成本可以通过多种方式引入，但是在目前所有的CGE模型中，通过降低劳动生产率来增加劳动力成本是最直接有效的引入方式。[11]每一个部门引入的劳动生产效率下降所带来的损失足以抵消由于能源效率提高对总体生产成本的影响，劳动生产效率的下降可以被看作提高能源生产效率的额外成本。

表4 不同闭合劳动力市场结果

在外生经济干扰情况下，不同的劳动力市场假设条件会对宏观经济产生不同的影响。在迄今为止的所有假设条件下，均认为供给方的劳动力市场可以通过实际工资函数来刻画，其中实际消费工资与工人议价能力紧密相关，与失业率成反比。在敏感性分析中，我们考虑劳动力市场两种闭合条件。第一种情况下，使用外生劳动供给函数，所以总劳动力可以被有效地固定。第二种情况下，引入抑制实际工资的闭合，其中实际工资根据现行实际工资设定，同时通过调整就业保证均衡条件。这些闭合可以看作劳动力供给在零和无限弹性的限制性条件下的实际消费工资。

如表4所示，在劳动供给为外生变量的情况下，GDP在短期和长期内都有显著性的增长，相对于基准年份分别增加了1.01%和3.55%。消费价格指数在短期内上升0.97%，在长期内下降0.90%。在工资刚性的条件下，GDP在短期内增加1.82%，在长期中增加了2.90%。消费价格指数在短期内上升0.97%，在长期内下降0.90%。在回弹效应方面，与无成本能源效率增进相比，电力、煤炭和石油的回弹效应变化较小。综合来看，通过替代弹性的敏感性分析和有成本的能源效率增进分析，在改变技术替弹性和生产成本对冲击结果的影响是很小的，可以认为模型是比较稳定的。

五、结论和讨论

本文使用CGE模型对我国能源效率提升的经济和环境效应进行模拟分析，研究表明能源效率的提高会导致能源价格的下降。其中，电力价格下降最为明显，其次是煤炭，最后是石油和天然气。能源效率的提高会导电力和煤炭的产出增加，石油和天然气的产出减少。能源效率的提高不会降低二氧化碳的排放量，不能改善环境质量。过去的十年间，中国能源利用效率不断提升，但能源消费却并未因此降低。由于能源消费的增加不完全是因为能源效率的提高，技术进步表现在许多方面，能源效率的提高仅是其中的一个方面。碳排放总量的大小取决于能源的消费总量，尤其是化石能源的消费量。如果能源效率的提高不能降低能源消费量，当然也就无法降低碳排放量。但这并不意味能源效率的提高对中国经济是无意义的。首先，能源效率的提高促进了国民经济的发展；其次，能源效率的提高降低了企业的生产成本，提升了企业的竞争力；最后，能源效率的提高促进了居民对能源的利用，增进了居民的福利水平。要想实现碳减排的目标，需要改变中国的能源消费结构。另外需要说明的是，由于中国能源需求价格弹性比较大，能源的需求量对价格比较敏感，建立动态的能源税，以保证能源价格位于合理的区间是十分必要的。