石油峰值、能源投資回報值與經濟增長關系研究

單勝召，黎斌林 ，肖榮閣

(1.中國地質大學(北京)，北京 100083；2.云南農業大學經管學院，云南 昆明 650201)

石油峰值、能源投資回報值與經濟增長關系研究

單勝召1，黎斌林2，肖榮閣1

(1.中國地質大學(北京)，北京 100083；2.云南農業大學經管學院，云南 昆明 650201)

在能源消費對經濟增長顯著影響的背景下，本文引入能源投資回報值(EROI)來探討石油與經濟增長的關系，通過研究表明，石油的EROI值與油價呈反向關指數系，而當EROI值下降至10∶1以下，兩者為非線性關系，且EROI值與石油公司的利潤率之間存在可比關系。全球的石油EROI值已降至16∶1左右的低水平，對于石油供應短缺的我國而言，EROI值更低至安全警戒線10∶1的水平，隨著全球石油峰值的臨近，中國的經濟增長面臨著低石油EROI值，石油企業的高成本，國際油價上漲對中國經濟增長的沖擊作用，對本土石油企業利潤的負面影響也會顯著擴大。

石油峰值；能源投資回報值；凈能源；經濟增長

在學術領域和主流機構的石油預測研究中，主流的預測均認為石油峰值會來臨，但由于全球過去所謂的非常規石油逐步轉變為經濟可采石油，導致全球的石油峰值大大延遲。(Shell,2013[1]；黎斌林,2014[2])。石油峰值的逐漸來臨，會對全球的經濟發展產生重大的影響，受石油峰值的影響，國際油價持續上漲，直至全球的石油消費量與石油供給量相等。國際石油市場中石油的短缺首先會對交通部門產生負面影響，然后通過間接效應對全球供應鏈產生影響(Ulrike Lehr et al.，2011[3])。Cleveland et al.(2000)[4]在分析了石油消費與經濟發展之間的因果關系中考慮到能源質量與能源替代，認為能源是經濟增長的限制性的因素，經濟增長的50%左右的變化可以通過石油消費來解釋。 Murphy 和Hall (2014)[5]認為當能源價格特別是石油價格上漲時，相應的能源方面支出增加額會從社會中其他領域轉移至GDP，能源支出額的大幅增加，也就是當能源價格更高時，相應的社會財富會向能源支出轉移。本文在當前經濟發展對石油消費的嚴重依賴的背景下，探討石油峰值，能源投資回報值(EROI)和經濟增長之間的關系。

1 EROI與凈能源的定義

在許多能源與經濟發展的關系的模型中，如MESSAGE模型，MARKAL模型以及IEA的WEM模型，在能源的部分僅計算能源的整體產出，而不考慮投入，如圖1所示，能源對于經濟有著重要影響還在于扣除投入的那部分的產出。也就是凈能源(Net Energy)，其定義是指除去獲取能源成本等能源投入后所能得到的能源回報的凈剩余值。如果投入大量的能源以發展某種資源，卻不能獲取最終的資源產量，則：凈能源值為零。凈能源值較高意味著該能源具有更大的經濟性，非傳統能源(如頁巖氣、油砂、重油等)以及可再生能源如太陽能，風能等的凈能源值，遠低于石油、天然氣、煤炭等傳統化石燃料。凈能源衡量的是社會的有效能源，凈能源供給的增長會對經濟發展有這很大的促進作用，而凈能源供給的減少會對經濟發展有制約作用。

圖1 EROI簡要示意圖

能源投資回報值(Energy Return On Investment，EROI)是Cleveland與Hall于1984年首次提出，其定義為在某種能源在其生產的過程中產出與投入的比值。EROI與凈能源最大的區別在于：EROI是一個無單位的產出與投入的比值；而凈能源只是有單位的產出與投入之差。EROI是非常有效的物理指標，如在某一石油簡化的生產體系中，總產出為100MJ，在石油的開采過程中消耗的能源為10MJ，在石油的提煉及副產品的加工過程中消耗27MJ，在從產地到終端的運輸過程中消耗了5MJ(運輸1)，所產出的石油又需要從產地運輸到使用地(運輸2)，所消耗的能源為37.5MJ，最終對于經濟發展有用的能源僅僅為20.5MJ,這部分凈能源才是具有最大經濟性的能源 (圖1)。

國內的一些學者把EROI翻譯成為能源回報率，但實際上EROI并不是回報率的概念，而是一個比值，因此本論文認為EROI應為能源回報值。一般的EROI公式，是將能源投入量與能源產出量根據該能源的性質換算成熱當量值，一般使用J或者BTU來表示。能源質量在經濟學的意義就是關于某種燃料的效用(utility)，綜合了其自身的物流，儲藏，能源密度等。最終其效用通過價格的形式來反映，這就是為什么煤炭的單位能源價格與電力的單位能源價格相比更低的原因。高能源質量的資源(如電力)對低能源質量的資源(如煤炭)具有可替代性。經測算，石油的能源質量與煤炭的能源質量相比，是其1.6～2.7倍，電力與煤炭相比，是其能源質量的2.7～14.2倍。

從燃料的能源質量來看，煤炭的能源質量依據其品種的不同，具有很大的不同，大約在4882～29107MJ/t，石油的能源質量較為穩定，大約在5455～6521MJ/桶，天然氣的能源質量僅是石油質量為945～1372MJ/cf，一些可再生的燃料資源為5702MJ/t,一次能源的能源質量平均值大約可換算為3.6MJ/kW(表1)。

表1 不同燃料的能源質量

注：修改于J.G.Lambert et al.2014[6]。

引入能源質量對EROI公式修正之后，可以表示為式(1)，凈能源可以表示為式(2)。

(1)

(2)

對于石油的EROI值而言，石油的生產過程中，包括了直接投入Edirect,i，間接投入Eindirect，勞動力投入QL，以及生產過程中外部性所需要的支出En。直接投入包括了勘探以及鉆井等活動的能源投入量，如對于汽油，電力等的消耗。間接投入包括了原材料，設備等的投入所產生的能源投入。勞動力的投入主要是單位時間的工作量。式(3)中，a和b分別為勞動力與石油開發外部性對能源的轉換系數(胡艷，2011[7])。

(3)

2 石油EROI值的歷史現狀及趨勢

EROI是我們從環境中使用能源以獲取能源的效率(efficiency)的衡量手段，可使用EROI值來衡量某種能源的成本的高低。例如油砂的EROI值為3∶1，常規石油的EROI值為16∶1。從成本角度來看，油砂的生產成本大約在85美元/桶，而阿拉伯的原油的平均成本在20美元/桶左右，這意味著低EROI的資源的成本要遠大于高EROI的資源的成本。

大量的文獻證實全球石油生產的EROI值趨于下降的趨勢。Gagnon et al.(2009)[6]認為全球的石油開采的EROI值從20世紀90年代的34∶1下降至2008年的18∶1。Mason Inman(2013)在對全球石油成本的評估中，認為EROI值已經下降至16∶1。依照線性圖來看，擬合程度最高的EROI值的R平方值為0.46。與全球總體趨勢類似的是，美國的石油開采的EROI值從20世紀90年代的34∶1下降至2011年的10∶1(Megan C.2011)。中國石油的EROI值從90年代最高時的14∶1下降至2010年的10∶1。(Yan Hu et al.,2013[8])(圖2)。

從全球范圍來看，常規石油EROI值的下降主要原因有兩個。首先，石油供應的增加伴隨著生產石油時能源強度的增加，主要是因為石油公司優先發展開采容易的石油資源。例如在1990年僅僅有2%的石油發現量位于超深水區，但到2005年，這一數字增加至60%。其次，EOR技術等先進技術在全球傳統大油田的采用。盡管EOR技術在短期來看能夠提高產量，但是這些技術也同時也增加了能源投入，意味著能源投入的增加一定程度上抵消了能源的產出。

圖2 世界、美國和中國的EROI值

EROI值的下降意味著需要更多的能源以獲取能源，因此能夠從油田中提供給社會的凈能源也在下降。例如：圖3和圖4所示為兩個假設情境，A社會的能源EROI為18，B社會的EROI為1.2，假設兩個社會同時開采100單位的能源，但是由于不同的EROI值，提供給社會的凈能源是截然不同的。A社會必須要投資6個單位的能源以獲取100單位的能源，而B社會必須要投入80個單位的能源才能獲得100個單位的能源。同時也意味著，A社會提供了94個單位的凈能源，而B社會提供了20個單位的凈能源。

圖3 EROI假設情境1

圖4 EROI假設情境2

另外一個檢驗相關情境的是為了維持一個固定的凈能源的供應，需要開采多少能源總量。為了供應社會100個單位的凈能源，A社會需要開采106個單位的能源總量，6個單位的能源用于能源開采。B社會需要開采600個單位的能源總量。絕大多數的能源都用于能源開采。

下降的EROI值加劇了石油的消耗，意味著為了彌補EROI值的下降，必須要加速開采資源。假如全球EROI值為18∶1，而2008年總能源產量為30.8Gb，其中29.1Gb為凈能源，通過公示計算凈能源和EROI值，如果假設當前的全球剩余石油資源為925Gb，如果社會需維持當前的石油消費量29.1Gb/a,那么全球石油資源量僅有30年的剩余(925/30.8)。然而，如果EROI將下降一半的話，也就是EROI值為9，那么我們只有27年的剩余(925/34.6)。由于較低的EROI值，整體石油開采量必須要增加以維持凈能源的產出。如果EROI將下降至3∶1，那么我們僅有20年的石油剩余量。

總之，在全球石油資源EROI值下降的背景下，若維持當前的凈能源輸出，需不斷提高能源產量，結果是必然加劇石油資源的消耗。當全球逐步進入石油峰值時期，伴隨著經濟性常規石油資源供給量的下降，而石油EROI值的下降需要更多的能源來彌補能源產量的下降，則供應到終端的單位石油能源的投入增加，最終這一影響將傳導至國際石油價格。

3 石油峰值、EROI值與經濟發展

經濟增長總是會和低油價波動率和日益增長的石油供應量緊密相關的，高油價會導致能源支出在GDP中所占比重升高，從而進一步導致經濟的衰退。Nelder和Macdonald(2012)[9]認為當石油支出占GDP的比例在5%的時候，會出現經濟衰退，美國在2002年的能源支出上升至6.2%，而在2008年上升至9.8%，在這之后都出現了經濟危機。

當前EROI值持續走低與當前全球石油工業通過對非常規石油的開發有關，高成本最終直接導致高油價，削弱了經濟增長能力，Murphy和Hall稱之為“經濟增長悖論”(Economic Growth Paradox),也就是經濟增長需要日益增長的石油供應作為支撐，而高油價會使得經濟增長能力趨弱(Murphy和Hall，2014[5])。Nelder和Macdonald(2012)[10]論述了油價和經濟的增長之間的關系，認為是油價的狹窄邊緣(Narrow Ledge)，油價上漲會使石油生產商的利潤增加，但并不意味著油價越高，石油公司的利潤會無限增大，由于新的石油資源儲量需要高油價支撐才能得到有效的勘探和開發，但隨著高油價所帶來的經濟增長的萎縮，使高油價所帶來的效應持續，而在低油價時期，石油產業增加石油供應較難，因為大多數新的石油儲量都具有低的EROI值，因此，如果增加低EROI值的石油資源的供應，油價需要上漲到石油成本之上。

M.K.Heun et al.(2012)[11]對EROI值與全球的油氣生產和油價之間的關系提出了一個模型(式(4))。

(4)

其中CE,prod,t是在t時期油氣產量時的石油價格，EROIt是t時期的EROI值，a,b,c均為系數。這一關系模型表明當EROI值下降至10以下，EROI值和油價之間高度非線性關系(圖5)。

圖5 油價與EROI值關系圖(據文獻[5]修改)

依據石油生產的歷史，依照前述的預測及分析，將全球石油的生產分為3個時期，峰值前(Pre-peak)、峰值期(Pea-period)和峰值后(Post-peak)，而不同的時期，石油的EROI值都就有很大的不同，而EROI值與油價又具有反向相關關系，因此不同時期EROI值，油價與經濟發展存在緊密的相關性。(由于探討峰值后的關系并不具有現實的意義，因此論文并不就峰值后的關系進行論述)

3.1 峰值前(Pre-peak)

全球石油的生產在峰值前的特征：產量呈指數增長，石油的發現量遠超過石油的產量，石油的EROI值較高，而且這一時期的油價處于極低的價格，例如在1860～1969年平均的價格在23美元/桶(2008美元)。

在石油峰值前期，EROI值、油價與經濟增長的關系可以使用下面的一個簡要的循環來描述(圖6)。在石油峰值前期，隨著經濟發展以及人們生活水平的逐步提高，社會對于石油的需求量逐步增加，使石油的產量大幅增長，相應的EROI值極高，例如在1930年左右，石油的EROI值大約在100∶1，2000年之前，這一值也都在20∶1之上。較高的EROI值意味著獲取石油所需要的能源投入較低，相應的石油的生產成本較低，成本較低以及相應的石油產量的增長，使得油價保持在較低的范圍，經濟增長總是會和低油價和日益增長的石油供應緊密相關的，而這種較低的油價與持續增長的石油消費量會使經濟增長率進一步提升，然后開始下一個循環，只要EROI值較高，石油的生產成本較低，這一循環會在峰值前期不斷繼續，直到EROI值開始大幅下降，經濟性石油資源的供應量逐漸出現短缺，石油生產進入石油峰值期，這一循環也就結束，進入峰值期循環。

圖6 峰值前石油EROI值與經濟發展簡要模型圖

3.2 峰值期(Peak-period)

峰值期的最重要的特征是石油生產的邊際收益率日益下降直至為0，除了日益下降的全球石油的發現量，EROI值也越來越低。峰值期的EROI值，油價和經濟增長的關系可以用圖7所示的回饋模型來反映。

經濟發展與GDP規模的不斷擴大，石油的需求量隨之大幅增長，受石油峰值的影響，石油供給量的增幅與石油消費量的增幅相比變得越來越小，使得在能源消費結構中，低EROI值的石油資源產量在石油供應量中所占比例不斷擴大，低EROI值與越來越高的石油成本等因素的協同作用使得油價迅速上漲，高油價使得經濟增長開始陷入停滯期，或開始逐步衰退，經濟衰退又會使得石油需求量降低，從而油價開始下降，然后開始下一個循環(圖7)。

圖7 峰值期石油EROI值與經濟發展簡要模型圖

事實上，這一循環機制卻存在悖論：經濟增長需要不斷增長的新的石油發現量，但隨著全球逐步進入石油峰值期，低成本的石油發現量急劇減少，低EROI值的石油資源量在整體石油供應量中所占比例越來越少，從而直接導致油價高漲，全球經濟增長面臨衰退的風險。

4 結論與討論

石油的EROI值與油價呈現反向指數關系(negative exponential)。EROI值下降至10∶1以下，EROI值和油價之間會存在非線性關系。石油的EROI值與石油公司的利潤率之間存在可比關系(comparable relationship)，EROI值與利潤率之間的關系，在EROI值下降至10∶1之下時，會變成非線性關系。短期內全球的石油的供應需要較高的國際油價來保證充足的供應量，但這一石油價格水平在過去引起過衰退，反映出全球經濟增長對高油價的“容忍力”，應對高油價“沖擊影響”遠超歷史任何時期。當前，全球的石油EROI值已經降至16∶1左右的水平,美國也從20世紀90年代的34∶1降至10∶1。，對于石油供應短缺的我國而言，EROI值持續走低至安全警戒線10∶1的水平，隨著全球石油峰值的臨近，中國的經濟增長面臨著低石油EROI值，石油企業的高成本，國際油價上漲對中國經濟增長的沖擊作用，對本土石油企業利潤的負面影響也會顯著擴大。

[1] Shell.New Lens Scenarios.[EB/OL].(2013)http://s04.static-shell.com/content/dam/shell-new/local/country/gbr/downloads/pdf/swuk-summer-2013.pdf.

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Research into peak oil，energy return on investment and economic growth

SHAN Sheng-zhao1，LI Bin-lin2，XIAO Rong-ge1

(1.School of the Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083,China；2.College of Economics & Management，Yunnan Agriculture University，Kunming 650201,China)

Under the circumstance of which energy consumption have significant influence on economic growth，the paper provide EROI to confirm the relationship between oil and economic growth.It proves that the relationship between EROI of oil and oil price is negative exponential，and when the EROI decrease to below 10∶1，the relationship turns to nonlinear.EROI of oil have comparable relationship to the profit of oil companies .Global EROI has fallen to a low level of about 16∶1，and the level of EROI of China is lower to the security line 10∶1，along with the global peak oil is approaching，Chinese economic growth facing low oil EROI，high cost of oil enterprises and oil price impact on Chinese economic growth，the negative impact on the local oil company profits will significantly expand.

peak oil；EROI(Energy Return on Investment)；net energy；economic growth

2014-10-20

單勝召(1974-)，男，博士研究生，研究方向為礦產資源經濟與管理。E-mail:shanshengzhao@163.com。

黎斌林，男，云南農業大學經管學院講師，博士，研究方向為資源經濟。

F407.22

A

1004-4051(2015)05-0037-05