碳中和背景下新疆新能源替代化石能源的质量研究*

郭 扬 李金叶

2020年，我国提出实现“2030碳达峰”“2060碳中和”目标，如期完成减排目标需要新能源发展支撑经济绿色转型。新疆作为我国重要的化石能源及新能源供应地，拥有“九大煤田”“三大油田”及“九大风区”，能源资源丰富。在此背景下，新疆能源禀赋的路径依赖日益显著，其重工业与轻工业的比例由1990年的1.03∶1增长为2019年的5.79∶1，而能源深加工能力偏弱。2019年能源效率为0.735元/吨标准煤，远低于全国的2.03元/吨标准煤，制约了新疆经济高质量发展进程。

与此同时，随着工业化、城镇化进程的加快，新疆能源需求量由1950年的16.85万吨标准煤上升为2019年的18489.82万吨标准煤，年均增速为10.68%，高耗能、高排放的经济粗放式发展带来较为严重的环境污染和“碳排放”压力。近年来，新疆新能源容量急速增长，2019年，新疆新能源生产量位居全国第十位，占一次能源生产量、消费量的9.4%、13.7%，但新疆弃风、弃光率仍然偏高。研究新疆新能源替代化石能源的质量有助于分析新疆能源低碳转型的深层次问题，推进新疆新能源产业高质量发展。

一、文献综述及理论推演

(一)文献综述

当前学者主要从替代程度、规模及数量视角研究能源替代及要素替代问题。Goeller(1976)研究资源替代问题，他在考察150年间主要金属资源(铁、铜等)和稀有金属资源间相互替代的基础上，分析了未来它们之间相互替代的特点。①此后，学者们从能源间替代(内部替代)与要素间替代(外部替代)两个层面研究能源替代进程。

1.能源间替代研究

Marchetti(1977)作为最早提出能源替代问题的学者，认为在不同阶段、不同生产方式下，人类开发利用的主导能源也是不同的，并随着人类认识利用能源的深入，新的能源形式不断替代旧的能源形式。②学者们认为，化石能源向低碳能源转化是能源低碳转型的必然趋势③，能有效减少温室气体的排放④，并指出可依托低碳技术、政策措施、产品及服务提升低碳竞争力⑤。Nemet(2007)认为，美国对低碳能源技术研发和应用进行补贴，可以消除低碳能源发展的不确定性，扩大市场、鼓励企业参与⑥。Acemoglue et al.(2012)利用环境约束增长模型研究高污染能源部门与清洁能源部门间的技术替代问题，给出政府通过“碳税”和补贴参与能源技术替代的最优条件⑦。Calderon et al.(2016)通过研究哥伦比亚的二氧化碳排放情景及其实施碳税、减排目标对能源系统的影响，发现征收碳税能推进清洁能源进入市场，并减少终端能源消费⑧。

2.要素间替代研究

能源外部替代研究主要集中在能源价格变动导致其他要素(如资本和劳动)对能源替代的影响，研究资本、劳动力和能源之间的替代弹性，分析技术进步的作用，探索生产要素替代对经济增长的影响。早在1932年，Hicks在其著作《工资理论》中提出要素替代弹性，他认为，任意两种要素投入的相对变化率与其对应价格变化率的比值就是要素替代弹性，其反映了任意两种要素相对价格变化对投入比例的影响⑨。McFadden(1963)从成本与价格视角定义要素替代弹性⑩，与Hicks的替代定义比较接近。相较而言，Robinson(1933)提出的要素替代弹性因计算相对简便，故影响力较大。他认为，给定产出不变时，要素替代弹性用边际替代率百分比变化引致的要素比率百分比变化来度量。多要素情形下，两要素之间的自替代弹性，是指其他投入要素不变情况下，要素边际替代率所引致的要素比率的相对变化。此后，学者们利用CES函数、全要素生产率、超越对数函数推导计算要素替代弹性。其中，CES函数在偏向性技术进步层面应用广泛，而超越对数函数则在要素间及能源间的利用较多。

综上所述，当前研究一方面从替代程度、替代规模等“量”的替代视角研究新能源与化石能源间的替代关系，另一方面从政策扶持、技术进步等“质”的替代视角研究二者替代过程中存在的问题及解决路径，而较少从“质”与“量”两个角度研究资源禀赋强、经济欠发达地区新能源替代化石能源的问题。

本文以马克思唯物史观为基础，将新能源、化石能源共同纳入经济增长模型，研究新能源替代化石能源的质量。其可能的边际贡献有二：一是从“质”与“量”两个维度，定性、定量分析新能源对化石能源的经济贡献程度、数量替代程度、政策扶持程度及技术进步程度；二是探索经济欠发达地区如何破解资源禀赋路径依赖、打破经济圈层固化问题。

(二)理论推演

马克思唯物史观认为，经济发展的根本动力是生产力与生产关系的矛盾运动。新时代，我国社会主要矛盾发生转变，以此为基础提出的经济高质量发展理论，是资源配置效率高、生产要素投入少、经济社会效益好、资本环境成本高的发展理论。

以经济高质量发展为基础，研究新能源替代化石能源质量，需要考虑新能源产业发展与当地政策制度、文化惯例的融合程度，即新能源规模扩张与融合发展同样重要，涵盖了“质”与“量”两个层面的内容(见图1)。经济高质量中“量”的替代指的是新能源的绝对量增长及规模性扩张，即其在能源生产及消费结构中占据数量上相对多的优势，并对经济发展具有较大的贡献程度，强调新能源替代的经济贡献程度及数量替代程度。经济高质量中“质”的替代指保持新能源替代规模和速度的稳定性，强调新能源发展与当地发展战略、文化惯例的融合程度，即政策扶持目标与新能源产业的契合性，并通过新能源技术进步，使新能源发展成果更加公平地惠及民众。

图1 新能源替代化石能源质量的理论逻辑图

二、计算公式

(一)超越对数函数

超越对数函数被用来研究多要素替代问题，刻画生产要素之间的关系及其变化特征，用于推导多要素间的替代弹性。具体公式为：

j∑jajjlnxilnxj

(1)

公式(1)中，xi、xj分别为生产要素i与j的投入量，Y代表产出量，ai、aii、ajj、aij为要素一次项、二次项及二次项系数。

(二)要素产出弹性公式

要素产出弹性公式是衡量其他要素投入不变时，一种要素投入比例的变动所引起产量变动的程度，用于评价各要素投入变动对经济的贡献程度。具体公式为：

ηi=ai+2aiilnxi+aijlnxj

(2)

公式(2)中，xi、xj分别为生产要素i与j的投入量，ηi表示生产要素i的产出弹性，ηi越大，代表i要素对经济的贡献程度越大。

(三)要素替代弹性公式

要素替代弹性公式是衡量生产投入要素间相互替代难易程度的核心工具，用于计算新能源与化石能源的替代程度。具体公式为：

(3)

借鉴郝枫(2015)，利用公式(1)推导计算公式(3)，则有：

(4)

公式(4)中，δij代表要素i对要素j的替代弹性。δij处于(0，+∞)，取值越大，表明要素之间替代性越强。通常以δij=0及δij=1为界，当δij>0时，要素之间为替代关系；其中δij>1时，意味着两种要素间呈现强替代关系；当0<δij<1时，则为弱替代关系；而当δij<0时，要素之间为互补关系。

(四)技术进步差异

用边际替代率随时间变动的比例来度量(Ferguson)。具体公式为：

RDij=ai/ηi-aj/ηj

(5)

公式(5)中，RDij表示要素i与要素j的技术进步差异。若RDij>0，表示要素i的技术进步快于要素j；RDij<0，表示要素i的技术进步慢于要素j。用此公式表示新疆资本、劳动、新能源、化石能源两两之间的技术进步差异。

三、变量说明及数据处理

(一)变量说明

本文使用的投入要素为资本、劳动、化石能源与新能源，忽略中间要素投入的影响。变量解释说明见表1，具体如下：

1.生产总产出(Y)

生产总产出(Y)为新疆地区生产总值，考虑通货膨胀因素的影响，获取价格指数，以1978年为基期，在此基础上获得GDP平减指数，用平减后的实际GDP来表示。

2.劳动投入(L)

劳动投入(L)为全社会劳动力总量，即工人劳动时间的总和。因工人劳动技能存在差异，故在统计时应将劳动投入分类计算。但数据搜集困难且来源不够统一，为确保数据的连续性、可获得及一致性，用年末就业人员数来表示劳动投入量。

3.资本(K)

资本(K)采用永续盘存法对新疆资本存量进行估算。具体公式为：Kt=(1-gt)Kt-1+It。其中，Kt表示第t年的资本存量；It表示第t年的实际固定资本形成总额，等于名义固定资本形成总额除以固定资产形成价格指数而得；gt为第t年的资本折旧率，国家规定的名义总折旧率为5%，但学者们认为这一数据过低，张军等(2004)判定为9.6%，单豪杰(2008)判定为10.6%，本文引用较多的是单豪杰的10.6%。采用Hall和Jone类似的方法估算基期资本存量，其公式为：Ki=Ii/(gt+g)，其中i=1978，g为1978～1982年实际固定资本形成总额的年均增长率。

4.化石能源(C)

化石能源(C)为煤炭、石油、天然气的生产投入总量。利用原煤、原油及天然气的消费量，采用统一的标准煤折算方法，通过加总获得化石能源消费量。

5.新能源(N)

新能源(N)为水能、风能、太阳能、核能等的生产投入总量。用水电、风电、太阳能电、核电等的消费量加总，作为新能源的生产投入总量，并按照当年平均发电煤耗计算。

表1 相关变量解释说明统计表

(二)数据来源及处理

本文所应用的超越对数函数，在加入二次项及交互项后，变量达14个，为保证结果的准确性，数据时间跨度越长越好，故根据研究需要及数据的可得性、一致性，数据开始于1978年，直到可以获取最新数据的2019年。所用数据包括名义国民生产总值、价格指数、名义固定资本形成额、固定资产形成价格、原煤、原油及天然气的消费量、水电、风电、太阳能电、核电的消费量等。数据来源于历年新疆统计年鉴、历年能源统计年鉴。

四、新疆新能源“量”的替代程度

(一)经济贡献程度

测算1978～2019年新疆资本、劳动、化石能源、新能源与经济增长之间的关系。结果显示(见表2)，研究区间内化石能源、资本投入与经济增长之间呈先增加后减少的倒U型关系，而新能源、劳动投入与经济增长之间呈先减少后增加再减少的∽型，即由U型过渡到倒U型。说明改革开放初期，新疆经济处于起步阶段，资本及化石能源的投入推动了经济的快速发展，但其产业规模较小，吸纳劳动人员的能力较弱，发展新能源的能力和动力不足，劳动力及新能源发展对新疆经济的贡献程度较弱。随着西部大开发、援疆工程、丝绸之路经济带核心区建设等的不断推进，新疆资本、化石能源投入的边际效应逐渐减小，而劳动、新能源的替代效应逐渐显现，劳动及新能源投入对经济增长的贡献程度逐渐升高，但受限于新疆经济发展体量及新能源发展瓶颈，加之要素投入的边际递减规律，其对经济增长的贡献程度逐渐减弱。

表2 各要素与经济增长关系的实证结果统计表

表2 各要素与经济增长关系的实证结果统计表

变量常数项一次方系数二次方系数三次方系数F检验R2LnN-0.0411.2830-0.0261125.88∗0.983LnC-8.4294.842-0.49303347.46∗0.994LnK-0.6321.369-0.09905649.29∗0.997LnL-54.4727.540-0.9291647.22∗0.988

从数值上看，1978～2019年新疆各要素产出弹性逐年增加(见公式2及图2)，其中，化石能源投入对新疆经济增长的影响程度最深，其余依次为资本、劳动和新能源，研究区间内平均每投入1个单位，经济分别增长1.188、1.104、1.079、0.827个单位，进一步说明改革开放以来，新疆经济主要依靠化石能源拉动，资源禀赋依赖程度较深且随时间推移逐渐提升。新能源虽然对新疆经济的平均贡献程度最低，但其产出弹性的年均增速为1.28%，分别高于资本(1.14%)、化石能源(0.997%)和劳动(0.978%)，且与化石能源经济贡献度之间的差距逐渐缩小，但增长速度逐年放缓。说明随着政府对新能源产业的扶持发展，能源发展动力正在由化石能源增长向新能源增长转变，新能源的经济性和竞争力逐渐提升，但仍面临“弃风”“弃光”等难题。

图2 新疆各要素产出弹性统计图

(二)数量替代程度

1978～2019年，新疆各要素间替代弹性均大于1(见公式4及图3)，两两要素间存在强替代关系。其中新能源与化石能源的替代弹性最大，其次为新能源与资本及劳动，而化石能源与资本及劳动的替代弹性相对较低，说明研究区间内新疆新能源在吸引资金、吸纳劳动力方面优于化石能源。从趋势上看，各要素间的替代程度逐年递减，符合边际替代率递减规律，即在维持产量不变的情况下，随着一种生产要素投入量的增加，每一单位的这种生产要素所能替代的另一种生产要素的数量递减。从递减速度看，新能源与化石能源间替代弹性下降速度最快，年均下降0.101个百分点，其次为新能源与资本、劳动的替代弹性，年均分别下降0.098、0.091个百分点。一般来说，企业生产任何产品，其生产技术必然要求按适当的比例投入各要素，即在没有充分完成技术突破之前，要素之间的替代是有限的；即使实现了技术突破，当某种生产要素投入量增加到相当多、被替代要素投入量减少到相当少的情况下，再用这种要素去替代另外一种要素是很困难的。而技术进步可减缓要素替代弹性下降的趋势，故技术水平相对成熟的资本与劳动、化石能源与资本、化石能源与劳动间的替代弹性下降速度相对较慢，但新能源作为新兴产业，其技术成熟度相对较低，其与其他要素间的替代弹性递减趋势相对明显。

图3 新疆各要素间替代弹性统计图

五、新疆新能源“质”的替代程度

(一)政策扶持程度

新疆新能源发展战略紧跟国家战略，1989年建成新疆达坂城风电一场，2011年中电投在新疆建成首座光伏电站。我国在2009年的《哥本哈根协定书》及2015年的《巴黎协定》上做出“减排承诺”后，新疆风电装机容量呈现“井喷式”增长，2009年、2015年，新疆风电装机容量分别达到100.3万千瓦、1691万千瓦，均增长至前一年的两倍，说明我国新能源发展战略对新疆具有重要的引领力，但因新能源发展速度与新疆电源结构及市场消纳能力不匹配，引致严重的结构性矛盾。自2014年开始，新疆弃光率、弃风率升至两位数，到2016年弃光率、弃风率分别高达32%、38%，风电场、光伏电站的建设周期短，而输变电项目的建设周期长，制约其并网速度，加之新疆电力市场空间较小，电力消纳困难显现。2015年，新疆推行“疆电外送”项目，随后发布《新疆区域新能源发电企业分别与燃煤自备电厂调峰替代交易实施细则(征求意见稿)》，拓展新能源消纳空间。自2017年起，新疆弃风率、弃光率持续下降，到2019年新疆弃光率、弃风率分别下降至7.3%、13.9%，新能源政策扶持效果逐渐显现。然而，作为新能源电重要生产地的新疆，将新能源产业链的主要污染环节留在当地，而将其绿色消费环节外输出疆，需要考虑其中的生态成本。

(二)技术进步程度

1978～2019年，新疆各要素技术进步的差异不大(见公式5及图4)，均小于0.05。分要素看，新能源技术进步速度依次快于劳动、化石能源和资本，但随着时间的推移，新能源与其他要素间技术进步差距逐渐缩小，其与资本、化石能源、劳动的技术进步差异年均降速依次为2.97%、1.89%、1.77%，均高于其他要素间的技术进步差异下降速度，且逐渐趋近于0值。作为受政策扶持的新兴产业，新能源技术进步速度最快，但其进步程度持续减缓，说明新能源产业进驻壁垒较低，生产前端新能源链的技术可获得性较高，但随着新能源产业的不断发展，行业技术壁垒逐渐显现，技术可得性减弱，其进步速度逐渐减缓，而新疆新能源优先调度机制不健全、电网发展滞后、新能源储电面临的技术难题等，进一步制约其利用及发展进程。在风能和太阳能禀赋和区域政策影响下，新疆依靠政策补贴推动新能源产业规模发展，逐步成为西北新能源项目建设集聚的核心区域之一，但新能源产业政策扶植还没有充分发挥培养技术进步核心竞争力的作用，在新能源产业规模扩展的同时，新能源技术还未发展成熟，反而面临技术发展瓶颈。

图4 新疆各要素间技术进步差异图

六、研究结论与建议

(一)研究结论

1.新能源对经济贡献程度偏低，但替代潜力较大

新疆新能源投入与经济发展之间呈先U型后倒U型的曲线关系，相较而言，新能源产业成熟度偏低，其对经济的贡献程度依次落后于化石能源、资本及劳动，并未大幅度促进经济增长。但随着新能源发展程度的不断加深，其产出弹性提升速度稳步增加，对经济增长的贡献程度逐渐转强。从替代关系看，新疆新能源与化石能源之间的替代弹性大于1，两者之间属于强替代关系，但相较于其他要素，新能源替代弹性的下降速度最快，其边际效应递减规律最为明显。

2.新能源政策扶持精准度不高，面临技术瓶颈

新疆新能源发展战略紧跟国家战略，新能源项目建设与国家战略及“减排承诺”相呼应，市场反应灵敏，但新疆新能源发展战略的区域特色模糊，政策补贴驱动下的新能源虽然呈现规模扩张态势，但缺乏成熟技术作为支撑，资本密集型、技术密集型特征不够明显。新能源技术进步速度虽然普遍快于其他要素，但随着时间的推移，各要素间与新能源技术进步差距快速缩小，渐趋于0，新能源行业技术瓶颈及其产业链高端技术壁垒渐显，经济圈层固化、资源禀赋路径依赖使得新疆实现新能源技术突破的难度较大。

(二)基于研究结论的建议

1.创建有利于新能源发展的环境

理念创新是突破新能源技术瓶颈、打破经济圈层固化的基础和前提。长期跟随战略下，新疆市场主体已经适应了以粗放、资源及政策依赖为特征的发展模式，在短时间内难以适应新的发展模式。解放思想是推进新能源高质量替代化石能源的重要抓手。应立足新疆资源、人才、市场、技术实际情况，摆脱“能源补贴=政府掏钱”理念，强化企业创新主体地位，培育“敢创新、愿创新、能创新”的企业家，防止同类企业无序建设和恶性竞争，着力解决好“为什么要利用新能源，如何利用新能源，怎么样发展新能源”等问题。

2.推进政策激励向高端技术进步倾斜

认真解读国家援疆战略及新时代党的治疆方略，用足用活现有政策。利用好政府补贴、税收政策优惠等激励手段，以“谁引发，谁负责”原则，按照产业链位置、技术水平等因素细化财政资金的补贴范围，并适时调整政策支持的环节和强度，使新能源政策向自主创新及高端技术领域倾斜，激发市场主体的创新活力，破解新疆发展的能源路径依赖。严格市场准入条件和执行标准，强化政策执行效果，防止因环境规制相对偏弱而成为发达地区的“污染避难所”。通过政策引导和舆论宣传，激励市场主体多元参与新能源发展，激活绿色消费市场，实现生产及生活方式绿色转型。

3.完善新能源发展保障机制

正确定位政府在新能源发展中的作用，建立“松弛有度、与市场衔接”的政府保障机制。建立以企业为主体，以市场为导向，产学研用紧密结合的协同创新机制。利用融资机构，支持新能源企业加入“一带一路”建设，鼓励企业联合走出去，提高抵御市场风险的能力。健全新能源产业风险预警防控体系和应急预案机制，并提高机制的运行效率，能够有效反馈和处理新能源发展过程中的问题。重新设定新能源招标项目的标准，减少对新能源重大项目的直接支持，加大对新能源项目的审核力度，完善新能源研发创新体系，鼓励国内外企业及研发机构的联合合作，提高企业自主研发和创新能力。

注 释：

①H. E. Geoller， A. M：《Weinberg， The Age of Substitutability》[J]，《Sceince》1976年第191期，第683页。

②C Marchetti：《Primary energy substitution models： On the interaction between energy and society》[J]，《Technological Forecasting & Social Change》1977年第4期，第345页。

③Chen Wang， Anita Engels， Zhaohua Wang：《Overview of research on China's transition to low-carbon development： The role of cities， technologies， industries and the energy system》[J]，《Renewable and Sustainable Energy Reviews》2018年第81期，第1350页。

④杜祥琬：《“十三五”中国能源低碳转型的关键期》[J]，《中国电力》2017年第2期，第1页。

⑤Lee H， Macgillivray A， Begley P：《Zayakovae. The Climate Competitiveness Index 2010》[J]，《Account Ability》2010年第44期，第7页。

⑥Nemet G：《Policy and Innovation in Low-Carbon Energy Technologies》[D]，USA： University of California， Berkeley，2007年。

⑦Acemoglu D， Aghion P， Sunburst L， Hemous D：《The Environment and Directed Technical Change》[J]，《American Economic Review》2012年第1期，第131页。

⑧Silvia Calderon， Andres Camilo Alvarez，Ana Maria Loboguerrero， Santiago Arango， Katherine Calvin， Tom Kober， Kathryn Daenzer， Karen Fisher-Vanden：《Achieving CO2 Reductions in Colombia： Effects of Carbon Taxes and Abatement Targets》[J]，《Energy Economics》2016年第56期，第575～586页。

⑨Hicks J.R：《Theory of wages》[M]，London：Macrnillan，1932年，第247页。

⑩McFadden D：《Constant elasticity of substitution production functions》[J]，《Review of Economic Studies》1963年第2期，第73～83页。

《Brazilian energy efficiency and energy substitution： a road to cleaner national energy system》[J]，《Journal of Cleaner Production》2017年第162期，第1275～1284页。