鋼鐵企業(yè)CO₂邊際減排成本估算

尚梅 王剛剛

【摘 要】 參照非參數(shù)方向距離函數(shù)（Directional Distance Function，DDF）與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法，基于上海寶鋼集團(tuán)2011—2016年主要投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，構(gòu)建能夠綜合反映該集團(tuán)碳排放績(jī)效及邊際減排成本的DDF模型，估算了寶鋼2020年CO2的邊際碳減排成本。計(jì)算結(jié)果表明：2011—2014年，該企業(yè)邊際碳減排成本逐年下降，且減排潛力相應(yīng)較大，2015年作為新《環(huán)保法》實(shí)施的第一年，其環(huán)保投入、運(yùn)營(yíng)成本和單位碳減排成本隨之上升，預(yù)計(jì)到“十三五”末，寶鋼集團(tuán)的單位碳減排成本會(huì)一直保持上升趨勢(shì)。研究結(jié)論能為寶鋼集團(tuán)CO2減排的實(shí)施、碳排放權(quán)價(jià)格的確定等提供相應(yīng)的理論支持。

【關(guān)鍵詞】 方向距離函數(shù)； 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析； 邊際碳減排成本

【中圖分類號(hào)】 F205；F810.457 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1004-5937（2018）05-0033-05

一、引言

“十二五”期間，北京、上海、天津、重慶、湖北、廣東、深圳7個(gè)省市已通過(guò)我國(guó)碳排放交易試點(diǎn)的批準(zhǔn)實(shí)施，31個(gè)省（區(qū)、市）的碳排放交易體系將于“十三五”期間實(shí)現(xiàn)全覆蓋。實(shí)施碳排放交易已成為我國(guó)建設(shè)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)文明體制改革的重要任務(wù)。通過(guò)市場(chǎng)分配碳減排總量的配額，可以有效減少碳排放，促進(jìn)綠色技術(shù)創(chuàng)新，節(jié)約監(jiān)管成本，鼓勵(lì)企業(yè)參與減少排放，能更有效地實(shí)現(xiàn)低碳生態(tài)。在實(shí)證研究上，從國(guó)家層面：Marklund[1]和Maradan[2]分別采用參數(shù)和非參數(shù)的方向距離函數(shù)估計(jì)，前者估計(jì)出歐盟各國(guó)的二氧化碳邊際減排成本，后者則估計(jì)了76個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的二氧化碳邊際減排成本。Lee et al.[3]更深層次提出了在技術(shù)方面無(wú)效的情況下，非期望產(chǎn)出邊際減排成本的計(jì)算方法。高鵬飛等[4]應(yīng)用MARKAL-MACRO模型，在經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境耦合的情況下計(jì)算了2010—2050年的影子價(jià)格曲線的函數(shù)形式，以每十年為一周期。省（區(qū)、市）以及行業(yè)層面：涂正革[5]用非參數(shù)方向距離函數(shù)估算了北京、河北和甘肅三個(gè)省市工業(yè)SO2的影子價(jià)格，研究發(fā)現(xiàn)SO2的邊際減排成本取決于各地區(qū)企業(yè)生產(chǎn)率和排放水平。劉明磊等[6]使用非參數(shù)距離函數(shù)以省為單位研究了能耗約束下CO2影子價(jià)格跟碳排放績(jī)效水平。陳詩(shī)一[7]利用參數(shù)化和非參數(shù)化兩種方法計(jì)算了工業(yè)各子行業(yè)的CO2的邊際減排成本。Xie et al.[8]基于參數(shù)二次方向距離函數(shù)估算了1998—2011年間中國(guó)各省（區(qū)、市）工業(yè)SO2排放的影子價(jià)格，發(fā)現(xiàn)東部地區(qū)工業(yè)SO2排放的影子價(jià)格明顯高于中西部地區(qū)。目前，研究成果主要集中在國(guó)家、省區(qū)市以及行業(yè)等宏觀層面，而在微觀層面，對(duì)于如何從定量角度來(lái)研究高碳排放企業(yè)碳減排成本的核算與預(yù)測(cè)問(wèn)題卻尚未給予應(yīng)有的關(guān)注。本文針對(duì)這一問(wèn)題，從微觀層面對(duì)鋼鐵企業(yè)的碳減排成本進(jìn)行研究，以上海寶鋼集團(tuán)2011—2016年的數(shù)據(jù)為支撐，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，估算了2020年的DDF值，并計(jì)算其邊際碳減排成本，為寶鋼集團(tuán)實(shí)施CO2減排、確定碳排放權(quán)價(jià)格等提供理論支持。

二、研究方法

（一）投入產(chǎn)出指標(biāo)

從微觀層面企業(yè)角度來(lái)講，各單位的正常生產(chǎn)需要?jiǎng)趧?dòng)、資本存量和以此能源的消耗來(lái)作為生產(chǎn)投入，在獲取利潤(rùn)的同時(shí)，溫室氣體CO2也會(huì)隨之產(chǎn)生。所以本文的基本投入要素為資本、能源和勞動(dòng)力消耗，期望產(chǎn)出為工業(yè)增加值，非期望產(chǎn)出為溫室氣體CO2。詳細(xì)投入—產(chǎn)出見(jiàn)表1。

（二）方向距離函數(shù)

利用方向距離函數(shù)計(jì)算投入—產(chǎn)出，第一步確定環(huán)境技術(shù)，即所需的資源設(shè)置，以使得期望產(chǎn)出集合最大、非期望產(chǎn)出集合最小，接著是距離函數(shù)值的計(jì)算，表示各個(gè)決策單元（Decision Making Units，DMU）到生產(chǎn)前沿的距離。

首先，對(duì)非期望產(chǎn)出進(jìn)行弱處置假定，如圖1所示，從A點(diǎn)到B點(diǎn)方向是標(biāo)準(zhǔn)方向性距離函數(shù)的映射，可以看到隨著期望產(chǎn)出增加非期望產(chǎn)出在一直減少，用β表示方向性距離函數(shù)的值，表示在投入數(shù)量確定的情況下，好壞產(chǎn)出的同時(shí)放大或者縮小的最大可能性比例，即可能在好產(chǎn)出y基礎(chǔ)上增加βy，而從壞產(chǎn)出b數(shù)量中減掉βb，用g=（y，-b）表示方向向量。標(biāo)準(zhǔn)DDF與GB=βy和GA=βb相對(duì)應(yīng)，而固定情形的非期望產(chǎn)出水平則與AC=GF=β1y對(duì)應(yīng)。差額BF=（β1-β）y說(shuō)明放棄減排βb水平后帶來(lái)附加產(chǎn)出的增加，（β1-β）y/βb說(shuō)明，減排一個(gè)單位CO2要有相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)值大小來(lái)作為代價(jià)，所以，可以用它來(lái)衡量CO2減排的邊際減排成本。

方向距離函數(shù)求解方法分兩種：參數(shù)和非參數(shù)。前者的求解過(guò)程需要用超越對(duì)數(shù)函數(shù)[9]和二次函數(shù)[10]，因?yàn)槲恢孟禂?shù)被估計(jì)較多，所以計(jì)算過(guò)程比較繁瑣。本文應(yīng)用后者即非參數(shù)性方法來(lái)計(jì)算其值，不用事先設(shè)置函數(shù)形式和對(duì)應(yīng)的位置系數(shù)[11]。本文選取寶鋼2011—2016年的面板數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，即DMU，用i=1，2，3，4，5表示；分別用xk，xl，xe來(lái)表示投入指標(biāo)資本存量、從業(yè)人員人數(shù)和能源消費(fèi)量（包括煤炭、天然氣和外購(gòu)電力這三者的消費(fèi)量）；用y表示期望產(chǎn)出指標(biāo)即為該企業(yè)工業(yè)增加值；用b表示非期望產(chǎn)出即為CO2排放量[12]，則所有DMU的生產(chǎn)可能集為：

εk、εI、εe為三種投入的各自變化率。根據(jù)“十三五”期間上海市鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)總值年均增長(zhǎng)率，可以估算出2020年寶鋼生產(chǎn)總值增長(zhǎng)率。以《國(guó)家“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》、“十三五”期間各地區(qū)單位生產(chǎn)總值CO2排放下降指標(biāo)和單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗下降指標(biāo)為依據(jù)，可以估算出“十三五“末即2020年寶鋼能耗增長(zhǎng)率和CO2的排放增長(zhǎng)率。從業(yè)人員和資本存量與“十二五”期間的變化率基本保持一致。因此，“十三五”期末寶鋼集團(tuán)的方向距離函數(shù)計(jì)算模型為：

（三）估算邊際碳減排成本

邊際碳減排成本的計(jì)算，F(xiàn)are et al.[13]指出，若要得到期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的影子價(jià)格，可以對(duì)收入函數(shù)與方向距離函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并應(yīng)用包絡(luò)定理，這樣可以得出，兩者的影子價(jià)格比率即生產(chǎn)前沿面上二者的邊際替代率。Jeong-Dong Lee et al.[11]在研究用非參數(shù)方法求解方向距離函數(shù)時(shí)得到一種需要計(jì)算期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的無(wú)效率因子的非參數(shù)方法表示的計(jì)算過(guò)程。陳詩(shī)一[7]研究得出，對(duì)非參數(shù)化影子價(jià)格的度量要先構(gòu)建拉格朗日函數(shù)，然后計(jì)算出期望與非期望產(chǎn)出限制條件下的拉格朗日乘子，最后計(jì)算非期望產(chǎn)出的影子價(jià)格，此種方法不需要計(jì)算無(wú)效率因子。本文參考陳詩(shī)一研究的此種算法，得出CO2的影子價(jià)格即邊際減排成本如下：

三、寶鋼集團(tuán)邊際減排成本估算

（一）數(shù)據(jù)來(lái)源

寶鋼作為大型鋼鐵企業(yè)，隨著粗鋼產(chǎn)量的增加，總的能耗和CO2排放量不斷增加。本文以寶鋼集團(tuán)為研究對(duì)象，以2011—2016年的截面數(shù)據(jù)作為基期數(shù)據(jù)，估算2020年寶鋼集團(tuán)的邊際碳減排成本，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2中的數(shù)據(jù)來(lái)自《寶鋼集團(tuán)年度報(bào)告》《寶鋼集團(tuán)可持續(xù)發(fā)展報(bào)告》，各類能源消耗量通過(guò)《綜合能耗計(jì)算通則》中的能源折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量并進(jìn)行加總得到能源消耗量，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。本文選擇煤炭、石油類能源（主要包括對(duì)原油、柴油、汽油以及液化石油氣的消費(fèi)量，表中已轉(zhuǎn)化為標(biāo)煤使用量）、天然氣和外購(gòu)電力四類含碳量較高能源表示寶鋼的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。非期望產(chǎn)出指標(biāo)CO2排放量是根據(jù)IPCC報(bào)告中的計(jì)算方法、碳排放因子和《綜合能耗計(jì)算通則》計(jì)算而來(lái)。工業(yè)增加值由生產(chǎn)法和收入法計(jì)算得到，因?yàn)楣I(yè)增加值即期望產(chǎn)出數(shù)據(jù)部分缺失不能直接獲取，沒(méi)有辦法用公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。本文以《寶鋼集團(tuán)十三五規(guī)劃報(bào)告》計(jì)算而來(lái)。

（二）估算結(jié)果及分析

從表4中可以看出，期望產(chǎn)出：工業(yè)總產(chǎn)值的符號(hào)為正，這是因?yàn)殇撹F企業(yè)生產(chǎn)的最終目標(biāo)就是為了追求利潤(rùn)與產(chǎn)值最大化；投入向量：資本存量、從業(yè)人數(shù)和能源消耗量都為負(fù)號(hào)，這說(shuō)明對(duì)于生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，它們是一種必然消耗即為負(fù)號(hào)；非期望產(chǎn)出：CO2的符號(hào)為負(fù)，因?yàn)樽鳛樯a(chǎn)的附屬品它不是所期望產(chǎn)出的，它是一種溫室氣體，對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)是負(fù)效應(yīng)，這與之前在模型設(shè)計(jì)與結(jié)果估算上的符號(hào)是總體一致的[15]。

運(yùn)用方向距離函數(shù)動(dòng)態(tài)分析模型進(jìn)行計(jì)算，得到了2011—2015年寶鋼集團(tuán)的實(shí)際DDF值和邊際碳減排成本，并估算出2020年寶鋼集團(tuán)的DDF值和邊際碳減排成本如表5。

如圖2所示，2011—2016年，寶鋼集團(tuán)的CO2排放量在逐年減少，到2016年減少到3 687.6272萬(wàn)噸，也說(shuō)明了該企業(yè)已經(jīng)全面采取先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和污染控制措施，并加強(qiáng)過(guò)程管理，從而使鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)最低的消耗和最小的排放。如圖3所示，到2014年，寶鋼集團(tuán)碳減排的DDF值最大，為0.66，說(shuō)明離生產(chǎn)前沿面還有比較遠(yuǎn)的距離，此時(shí)邊際碳減排成本相對(duì)比較低，生產(chǎn)效率不高，減排空間最大，實(shí)施CO2減排就較容易些。到2015年，為了全面響應(yīng)長(zhǎng)三角大氣限期治理行動(dòng)，公司加大了減排力度，噸鋼的集中能耗為603千克標(biāo)煤，資源、能源利用率也達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能37萬(wàn)噸標(biāo)煤，余能回收總量188萬(wàn)噸標(biāo)煤，此時(shí)DDF值為0.14，碳減排成本達(dá)到了0.073萬(wàn)元/噸。

如表6所示，到2020年，預(yù)計(jì)寶鋼集團(tuán)的CO2年排放量減少到1 713.7968萬(wàn)噸，DDF值為0，位于生產(chǎn)前沿面上，效率相對(duì)最高，碳減排成本也達(dá)到了0.091萬(wàn)元/噸。

四、結(jié)論

本文以上海寶鋼集團(tuán)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究其溫室氣體CO2的排放現(xiàn)狀以及該企業(yè)CO2減排成本的測(cè)算，得出以下結(jié)論：

1.根據(jù)《上海市工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》和國(guó)務(wù)院《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》規(guī)定的工業(yè)增加值發(fā)展目標(biāo)以及上海市市單位生產(chǎn)總值CO2排放下降指標(biāo)，結(jié)合IPCC報(bào)告中的計(jì)算方法測(cè)算出了寶鋼2011—2016年的CO2排放量并對(duì)其2020年的CO2排放量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示：2011—2016年，寶鋼股份能源系統(tǒng)通過(guò)源頭減排和強(qiáng)化過(guò)程管控，其碳排放量逐年下降，超額完成國(guó)家制定的“十二五”節(jié)能目標(biāo)，預(yù)計(jì)2020年，寶鋼集團(tuán)碳排放量將下降60%左右。

2.運(yùn)用非參數(shù)方向距離函數(shù)動(dòng)態(tài)分析模型，以寶鋼集團(tuán)2011—2016年主要投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)作為基期數(shù)據(jù)，對(duì)寶鋼集團(tuán)2011—2015年的邊際碳減排成本進(jìn)行了測(cè)算并對(duì)其2020年邊際碳減排成本進(jìn)行估算。結(jié)果表明：寶鋼集團(tuán)屬于能源密集型的企業(yè)，2011—2014年，該企業(yè)邊際碳減排成本逐年下降，且減排潛力相應(yīng)較大，2015年作為新《環(huán)保法》實(shí)施的第一年，寶鋼集團(tuán)積極響應(yīng)政府號(hào)召，當(dāng)年碳排放量比上海市額定量減少約410萬(wàn)噸，其環(huán)保投入、運(yùn)營(yíng)成本和單位碳減排成本也隨之上升，預(yù)計(jì)到“十三五”期末，寶鋼集團(tuán)的單位碳減排成本會(huì)一直保持上升趨勢(shì)。●

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