基于区块链技术的碳排放机制设计

袁莉莉，李东格

[1.赛迪（青岛）区块链研究院有限公司，山东青岛 266000；2.赛迪研究院网络安全研究所，北京 100846]

1 引言

碳市场是全球为解决经济发展所带来的环境外部性问题而产生的政策性市场。目前，中国碳市场成熟度水平整体较低[5]，我国有七个试点碳市场，试点之间在排放数据报告、第三方核查、配额分配、企业配额交易、履约清算碳排放的五大环节各自独立运行。在排放数据报告方面，七个交易试点纳入了高排放量的产业，且根据各自试点的实际情况，纳入了各自的特色产业，使之更适应当地的情况。以广东省为例，2019年纳入碳排放管理和交易的行业是指电力、水泥、钢铁、石化、造纸、民航等六个行业，纳入碳排放管理和交易的控排企业共242家，还有已建成投产但是未纳入管理或计划2019～2020年建成投产，并达到上述门槛的新建项目企业共37家。在第三方核查方面，配额市场和自愿市场还未完善，各交易试点独立运行，我国关于碳排放核算和认证的标准还未统一。在配额分配方面，配额分配制度作为碳交易体系中重要制度之一，是碳交易的关键前提，也是碳市场价格形成的关键影响因素。从当前的情况来看，国内的七个碳排放权交易试点中分配配额方式是上海、重庆、天津为免费分配，而湖北、北京、深圳、广东四个交易试点的配额方式为混合分配。在企业配额交易方面，当前国内七个碳排放权交易试点陆续开展了碳金融创新，并产生了诸如碳期权、碳债券、碳基金等碳金融工具，但是由于我国碳排放权交易市场仍处于初创期，还不够完善，各种碳金融工具的发展受到一定限制[8]。在履约清算方面，在全国性的碳排放权交易管理办法出台之前，并没有统一的惩罚制度，而是由地方管理机构分别规定。

目前，我国的碳市场还处在发展阶段，需要做好排放数据报告、第三方核查、配额分配、企业配额交易、履约清算等方面的工作，为未来统一碳市场做好准备。本文采用具有公开透明、可追溯、共享的优点的区块链技术，结合共识机制和智能合约，提出建设数据共享平台，建立碳生态系统的协同和信任机制，实现碳交易的可共享、可追溯，提高交易效率，降低交易成本，为全国范围内统一碳市场做好准备工作。

2 碳排放机制概述

碳排放机制包括了两方面的内容，分别是碳排放参与者、碳排放流程。

（1）碳排放参与者

碳市场是一个政策性的市场，由政府部门主导。碳排放体系各环节的参与方包括政府机构、登记机构、交易机构、中介机构、征信机构、评级机构、监管机构、控排企业、减排企业、第三方管理机构。

（2）碳排放流程

碳排放流程包括排放数据报告、第三方核查、政府配额分配、企业配额交易和履约清算五个环节。本文将上述五个环节分为三个阶段如图1所示，分别是企业排放数据报告与第三方核查，政府配额分配，企业配额交易与企业履约清算三个阶段。

图1 碳排放流程的五大环节

第一阶段为排放数据报告、第三方核查。碳排放数据报告是流程中的第一环，也是最重要的一环。只有准确的数据支持才能使得减排目标的安全更加合理，所以这一步是非常关键也是最基础的一步。我国排放数据的报告对象是温室气体，主要分为二氧化碳、甲烷、一氧化二氮。目前，排放统计的范围是我国的七个试点碳市场。第三方核查机构要对企业出具的碳排放报告进行核查确保其准确性，并于每年的4月30号之前提交核查报告。目前，北京环境交易所有熊猫标准，两湖地区自行开发有区域性标准等，而全国范围内尚无统一的标准。

第二阶段为政府配额分配，排放配额是指参与碳排放权交易市场的企业或单位在规定内可合法排放的二氧化碳的限额。目前，我国配额总量的确定是根据“十二五”和“十三五”期间的我国出台的两个温室气体排放工作方案，各时期内的碳排放量下降目标由各方案确定。配额分配方式在初期是以免费配额分配为主，目前也引入了有偿分配并在逐步提高占比。

第三阶段为企业配额交易、履约清算。碳排放权交易的初期交易产品为排放配额和国家核证自愿减排量（CCER），交易主体包括重点排放单位及符合交易规则规定的机构和个人。碳排放权交易必须在指定的交易场所进行，我国的碳交易均是在碳交易所完成的，交易双方在自愿平等的基础上进行碳配额的买卖。碳交易所均由政府支持，从事的碳交易无论是清洁发展机制（CDM）项目，还是自愿减排交易，目前的数量和规模都还有限。根据各试点交易所情况，交易所负责发布碳排放权交易即时行情、碳排放权交易公开信息，对碳价格的涨跌幅、最大持仓量加以限制，对交易行为实行监督与风险管理，保证碳交易市场的稳定发展。

3 我国碳排放机制运行中的痛点

目前，我国碳排放机制运行呈现多方参与，缺乏协同和信任的局面，其面临的问题主要为以下几点。

第一阶段中，企业数据报告是由企业根据自身的实际情况核查碳排放数据报告，第三方核查机构对排放报告和第三方核查机构出具的核查报告进行核查，汇总数据后报发改委。在这个过程中，企业与地方政府之间信息不对称，如果企业与第三方机构合谋进行数据造假，会架空地方政府职能，不利于地方政府掌握真实情况，不利于建立碳信息披露制度。

第二阶段中，政府配额分配阶段中按照行业、控排企业或新建项目企业、不同的分配方法相结合的方式进行配额分配。一旦政府给企业的配额分配不当，将会在一定程度上造成市场的扭曲，最后导致企业集体不合作或者形成黑市经济，有悖于碳交易建立的初衷。

第三阶段中，碳市场交易缺乏完善的监管惩罚制度，各流程节点都可能存在假冒伪劣、不透明交易等问题。这些都加剧了信任危机，严重影响碳市场的管理和整体效益的提升。信任机制缺乏、信息不对称导致交易双方要付出更多精力和成本进行考量，拖慢了交易的效率，提高了交易成本。而在交易流程中涉及的项目报批和认证环节，要监管部门指定的机构负责注册和排放量的核实，结算程序也涉及相关银行、金融机构，这些都造成交易成本直线上升，究其本质原因是信任机制缺乏、信息不对称造成的。

另外，目前我国的七个试点碳市场之间独立运行，造成信息不对称的现象。不利于全国范围内统一碳市场协同建立。

本文将通过碳排放流程的五个环节分为三个阶段，基于碳市场目前的运行情况，采用联盟链分别提出在排放数据报告与第三方核查、政府配额分配、企业配额交易与履约清算三个阶段应用的方案，其中前两个阶段因为其主要应用场景为政府而合并为碳政务进行设计，与第三阶段的碳交易分开设计，目的在于构建一个可追溯、可共享的碳排放流程的数据共享平台及建立信任机制和协同关系，提高交易效率，共同促进碳市场发展。

4 区块链技术在碳排放政务中的方案设计

区块链记录了交易数据的区块以时间顺序相连组合而成的链式结构，其本质上是一个去中心化的分布式数据库，借助于非对称加密、默克树等技术保证信息不会被外部攻击而篡改，从而保障数据的安全。联盟链是一种需要注册许可的区块链，仅限于联盟中具有权限的成员参与，适合于跨机构的交易、结算、协同办公及存证，这也是本文采用联盟链的原因。

碳排放流程的第一阶段，要解决的问题是基于信息不对称产生的数据造假。区块链作为防篡改的分布式数据库，集合先进的探测技术核查温室气体排放数据，并通过多个传感器将采集数据直接上链，通过共识机制核查数据，达成共识打包成区块进行存储可以保证数据真实性。另外，区块链的加密算法和链式结构可以实现碳排放数据的安全、可追溯，从而建立起数据共享平台。基于数据共享平台，政府部门可以获取真实的数据，更好的完成监管与核查企业碳排数据的工作。碳排企业的排放数据是第一手的资源，在这些真实基础数据信息的基础上，政府可以根据这些历史排放的信息有效的进行配额分配。

碳排放流程的第二阶段，要解决的问题是碳配额的合理分配。目前，全国还没有总的碳配额的分配方案。政府配额分配的公平与否主要靠机制本身的设计是否合理，是一个动态的发展过程，而分配方案则可以通过区块链的智能合约实现。第一阶段通过区块链技术实现了碳排放数据上链，创建数据共享平台，获得所有碳排企业的有效数据，在第二阶段中用第一阶段的数据共享平台结合拍卖机制、历史排放、基准线法等分配方法，控排企业的行业基线等编入智能合约实现众多控排企业、减排企业配额的合理分配。在配额分配完成后，各控排企业和减排企业获得排放配额，在全网广播写入区块，可以自己消耗配额，也可以为碳排放交易做好准备。以广东省为例，其分配行业涉及电力、水泥、钢铁、石化、造纸、民航，如图2所示。

5 区块链技术在碳交易中的方案设计

碳排放流程的第三阶段，要解决的问题是碳配额的交易不透明及履约清算的多方参与使得交易成本高的问题，结合区块链技术分为三个场景，分别是碳交易所、交易过程技术实现、对第三方机构影响进行设计。

图2 区块链在配额分配中的应用

5.1 区块链技术在碳交易所中的方案设计

我国的碳排放权交易所作为有组织的排放配额流转场所，参与碳市场的交易主体不仅包括配额的买方和卖方，还包括制定交易规则的市场组织者、负责清结算业务的专业机构、管理和监督配额流转的核查机构以及专业的中介服务机构，如图3所示。这些参与主体依照严密的交易规则和流程，通过碳市场的交易活动，自发调节所持配额的余缺，在排放总量控制和削减的大背景下，追求自身的经济效益最大化。

区块链技术应用在碳交易所运行中，分两部分进行叙述。第一部分为多方参与，第二部分为多方参与的分布式交易，如图3所示。

第一部分：市场组织者、清结算专业机构、专业中介机构、核查机构、配额卖方和买方加入到区块链中，构成联盟链的多方参与。同时，市场组织者可以审核联盟会员加入、登记等。

第二部分：多方参与的分布式交易体现在企业配额交易的过程中区块链的分布式节点记录交易数据，达成共识存入区块的过程分别为以下几步。

（1）根据国家配额分配方案，控排企业与减排企业录入碳排放配额的初始配额，在区块链中广播实现共识后写入区块；

（2）配额买卖双方参与到配额的交易过程，将配额数量、价格等信息进行上链，构成区块链数据层，并且数据上链的过程中对交易数据采用加密算法保证数据安全性，以配额买卖双方A和B的交易为例实现交易数据的存储，详细过程如图4所示。区块链分布式的数据信息，设计好区块链的共识层，在达成共识后则写入区块链。交易完成后，触发智能合约，完成交易直接货款两清。这是区块链的合约层；

（3）核查机构在交易所中实现的是核查交易数据、合同等的真实性，区块链将交易数据记录打包成区块进行记录，由此建立数据共享平台。数据共享平台可以使得链上交易公开透明，而基于区块链的链式结构，可以实现区块链上交易数据的可追溯，从而辅助核查机构完成工作。

另外，数据共享平台包含有记录的碳配额交易的价格、数量的时间序列数据，再结合人工智能、大数据可以进行碳价预测、预警体系的建立，还可以进一步结合其他能源市场的交易数据，分析能源市场之间的溢出风险。

图3 区块链技术在碳交易所中的设计

5.2 碳交易的区块链技术实现

本文以区块链为底层技术，其单个交易区块的生成过程分为三步，即交易发生、认证过程和挖矿记账过程。

如图4所示，以配额买方A、配额卖方B之间的交易为例，从A和B发生交易开始，产生交易数据，系统通过非对称加密技术对交易数据明文进行加密，最终生成交易数据密文。参与认证的节点使用A和B公开的公钥解开密文得到交易数据明文。检验交易数据的语法、结构、字节大小、输入地址、输出地址、输入金额与输出金额等信息，若检验通过，则该笔交易数据加入待记账的交易池中，等待节点确认交易。从上个区块产生之时，下个区块的挖矿过程就开始启动。根据初始设定的难度值，整个挖矿过程大约10分钟。参与挖矿的节点通过哈希算法找到符合条件的Nounce数，使得区块头哈希值小于目标哈希，并将该Nounce值率先全网广播。所有节点进行验证，若区块哈希值的确小于目标哈希且区块的数据结构、时间戳、字节大小等全部有效，则达成共识，该挖矿节点获得记账权且赢得交易费和奖励。至此，A和B的交易完成，而该区块分布式存储在各个节点处。配额买卖双方达成交易。

5.3 区块链对碳交易的第三方机构的影响

专业中介机构作为碳交易所中一个独特的机构主要是进行第三方服务的机构，在买卖双方没有信任机制的时候，充当可信的第三方，从中赚取中介费，这使得交易成本大大增加了，而且如果企业一方与中介机构合谋会造成另一方企业的巨大损失，而引入区块链技术解决了上述的问题。其一，区块链的的链式结构，使得区块链的每笔交易可追溯，造假基本不可能。其二，在区块链上，由于主要参与者在区块链上，交易公开透明，企业数据分布式节点存储，并通过共识机制建立起可信任的交易机制，第三方想通过信息不对称牟利是不可能的。除此之外，区块链可以实现智能合约，交易的双方自动会在链上实现货款两清，大大提高了交易的效率。

图4 区块链技术实现碳交易

清结算专业机构是对每年分配的企业配额清缴进行清缴和结算。区块链作为分布式防篡改的数据库，可以提供安全、可信任的交易数据给这些专业机构进行结算。清结算专业机构也可将对控排企业未达履约目标所产生的惩罚进行明确规定，编入智能合约，完成处罚，大大提高处理效率。

核查机构参与交易核查，准确性的验证，此时的区块链由于具有链式结构，交易可追溯，可以实现核查机构对交易的核查。另一层面核查双方签订的合同，利用区块链上的智能合约编写代码，如果符合合同则触发智能合约。因此核查机构可以利用区块链的这些优势辅助核查工作高效完成，节省了核查时间与成本。

6 结束语

本文通过对碳排放流程五大环节和三个阶段的介绍，总结出目前碳排放流程中的痛点，并利用区块链技术搭建碳排放数据共享平台，实现信息共享，建立起碳生态系统的协同和信任机制。但基于区块链的碳排放数据共享平台在发展过程中仍面临如下挑战。首先，在法律基础方面，既缺乏针对全国体系碳交易法规，也缺乏区块链技术国家标准，无法保证全国体系区块链碳交易的有效实施，需要国家层面碳市场法律法规尽快建立。其次，在与其他能源市场的数据共享方面，电力市场改革、碳排放权交易市场等相关领域的改革都在同时进行，直接影响了企业的温室气体排放，而目前缺乏覆盖电力市场、碳市场等多个能源市场区块链数据共享平台，不利于分析能源市场之间的溢出风险，需要在顶层设计上进行有效的协调。最后，在区块链的技术落地和应用推广方面，区块链技术落地需要与碳排放各个环节的更多业务场景寻求融合，建立完善的碳排放区块链整体架构。未来区块链技术还将结合物联网、云计算、人工智能、大数据等技术共同推动碳市场更多应用场景不断落地。