碳約束機制下能源轉型路徑和宏觀影響評估
——以粵港澳大灣區為例

任松彥 ，汪 鵬 ，林澤偉，張 聰,，趙黛青

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東廣州 510640；3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國科學技術大學工程科學學院，安徽合肥 230027）

1 研究背景

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC)的《全球升溫1.5 ℃特別報告》提出，為實現1.5 ℃的全球溫度控制目標，各國需要迅速完成全方位的能源轉型：在2030 年前，全球煤炭消費需至少減少2/3；2050 年前煤炭發電比例需降到0%，同時可再生能源供電比例提高到85%［1］。盡管近10 年風電和光伏的成本不斷下降，但能源轉型無法完全自我驅動和自我實現，可再生能源的正外部性尚未得到體現，其在市場中競爭的化石能源的負外部性——對環境和人體健康的損害，也未內部化到其價格當中，因此，在維持煤電現有價格的情況下，平價的可再生能源在市場中的競爭力依然不足，仍需要外部的碳定價機制將化石能源的外部性成本進行內部化，以從更廣闊的市場機制層面推動能源轉型。我國碳市場于2021 年7 月16 日正式啟動上線交易，首期將全國火電企業納入到碳市場中。廣東省在2012 年以來，已將電力、鋼鐵、水泥、石化、造紙、航空納入到碳市場進行配額管理，通過碳價格來引導行業節能減碳。未來納入碳交易市場的行業范圍將進一步擴大，對各行業的碳減排帶來約束和激勵效應。

粵港澳大灣區處在全球經濟變局的前沿陣地及轉型發展的關鍵時期，在向清潔低碳、安全高效的能源體系轉型過程中，政府和產業部門面臨著政策設計、機制創新、路徑重塑的緊迫問題及嚴峻挑戰。粵港澳大灣區的單位生產總值能耗是日本東京灣區的2 倍，化石能源消費仍然是能源結構中的主力，其全部的煤炭、1/3 的石油、2/3 的天然氣主要依靠外區調入及國際進口，一次能源自給率低［2］。未來在能源結構調整下，粵港澳大灣區的天然氣等清潔能源比例將大幅提高，仍以制造業等傳統產業為主的產業對清潔能源價格的可承受性有可能將對經濟產生較大影響。

粵港澳大灣區正在探索構建區域碳交易市場，依靠香港和澳門的金融科技優勢以及珠三角九市的深度融合推動減碳的市場化方式不斷深入，未來對大灣區內各行業的碳排放約束是實現大灣區碳排放達峰的重要手段，因此，在不同的碳約束下，粵港澳大灣區的能源結構及碳排放變化，對宏觀經濟社會產生的經濟、就業、部門競爭力影響等問題需要通過構建粵港澳大灣區宏觀能源-經濟模型進行評估。為此，本研究力圖增進對碳市場機制與各部門政策實施著力點的理解與邊界劃分，為更好地推進政策目標措施的落實與調整改進、實現減排與發展的雙贏提供參考。

2 文獻回顧

吳偉杰等［3］分析了珠三角九市經濟社會現狀、能源供需現狀，提出珠三角九市能源發展應以能源轉型和能源技術創新作為主要驅動力，推動粵港澳大灣區能源生產和消費革命。鄭敏嘉等［4］基于粵港澳大灣區能源發展現狀，借鑒東京、舊金山和紐約三大灣區能源轉型成功經驗，提出粵港澳大灣區能源發展路徑。吳凡［5］根據不同的經濟轉型目標設置具有不同投資結構、消費模式、貿易格局、技術水平的情景組合，并結合碳稅、碳交易等應對氣候變化政策研究發現，在經濟社會發展的剛性需求推動下，2030 年之前CO2排放將維持較快增長，經濟轉型的順利實現將促進中國的低碳發展、顯著降低減排成本。徐曉亮等［6］通過構建動態可計算的一般均衡（computable general equilibrium，CGE））模型研究發現，能源補貼政策對宏觀經濟具有積極的促進作用，但在一定程度上會提高能源消費，不同類型的能源補貼政策方案影響的差異性較大，化石能源在促進經濟增長的同時對環境改善和碳排放目標實現產生不利影響。相關研究成果中，多數學者，如張希良等［7］、安祺等［8］、張靜等［9］、王勇等［10］、許鴻偉等［11］，利用宏觀經濟模型、技術模型評估了實現能源轉型和碳目標的最優技術路徑及政策措施，而世界銀行［12］、Oshiro 等［13］、歐洲聯盟委員會［14］和王勇等［15］，則探討了碳約束對能源轉型“雙碳”目標的影響。目前這些研究認為實現碳達峰碳中和需要通過碳定價的政策手段，但缺少考慮碳限制對經濟社會的影響，沒有綜合考慮經濟發展與碳減排之間的關系及其傳導到對宏觀經濟社會的影響。

綜上所述，現有相關研究主要聚焦在區域的能源轉型和碳減排路徑，對碳約束下能源轉型對社會經濟的綜合影響關注較少。基于上述考慮，本研究構建粵港澳大灣區綜合評價CGE 模型，從能源轉型路徑出發設置不同的能源轉型路徑情景，綜合考慮不同的能源轉型政策力度對粵港澳大灣區碳排放、能源消費和宏觀經濟的影響。

3 模型構建與研究方法

3.1 模型架構

粵港澳大灣區氣候政策與空氣污染綜合評估模型(Integrated Assessment Model of Climate Policy and Air Pollution for Greater Bay Area: ICAP-GBA)由中國科學院廣州能源研究所開發，是用于分析粵港澳大灣區經濟、能源、氣候的“能源-經濟-環境”模型。該模型以投入產出表（Input-Output Table）為數據基礎，結合能源平衡表和產業統計年鑒數據、粵港澳大灣區發電技術裝機量、發電結構、發電成本等數據，構建粵港澳大灣區混合動態CGE 模型，模型的基準年為2017 年。CGE 模型通常是在一個已經處于均衡態的經濟系統中對某些變量進行一定程度的政策干擾，在該經濟系統再次回到均衡態時，各個經濟變量的變化所產生的影響、政策目標變量的選擇可根據需要進行設定。

本研究構建的粵港澳大灣區兩區域動態CGE模型（以下簡稱“研究模型”）分為粵港澳大灣區（the Greater Bay Area,GBA）和國內其他地區（rest of China,ROC）兩個區域，由生產部門、消費部門、國際貿易和省際貿易4 個模塊組成，可以更細致地考察粵港澳大灣區的能源、經濟和環境的發展情況，粵港澳大灣區與國內其他地區貿易情況，以及粵港澳大灣區的國際貿易情況。研究模型架構如圖1所示。

圖1 粵港澳大灣區兩區域動態CGE 模型架構

3.2 研究方法

研究模型中的消費部門模塊包括居民部門和政府部門，并參考了Wang 等［16］的研究，通過限制行業的碳排放總量上限來實現碳約束目標。

（1）生產模塊。模型中有33 個生產部門，其中包括7 個能源部門（見表1）。所有部門的活動都使用常替代彈性（constant elasticity of substitution,CES）生產函數表示，輸入參數包括中間產品、能源商品、初始勞動力和資本；基于能源平衡表，又將能源商品分為材料使用及燃料使用。

表1 粵港澳大灣區生產部門分類

表1 （續）

參考投入產出表結構、Wang 等［16］和Dai 等［17］的研究，將電力、熱力生產與供應業重新劃分為火電機組、天然氣發電機組、燃油發電機組、風電和太陽能機組、核電機組、水電機組和垃圾、生物質及其他發電機組7 個子部門，子部門單獨參與投入產出計算，然后匯總為電力部門數據，以考察新能源發展對粵港澳大灣區經濟發展和能源消費的影響。

（2）消費模塊。居民部門和政府部門是最終消費部門。其中，居民獲得要素收入及政府轉移支付收入，且居民獲得的所有收入均用于消費或投資；政府部門則獲得稅收收入，為居民提供公共服務。兩個部門均采用柯布-道格拉斯函數計算，投資量假設與2017—2035 年間粵港澳大灣區生產總值增長速度相同。居民部門在收入水平和商品價格的制約下達到消費效用最大化。

（3）貿易模塊。研究模型中的國際貿易采用小國假設，即模型內的經濟體不會對世界經濟產生明顯的影響；省際貿易主要是刻畫粵港澳大灣區與國內其他地區之間的貿易。國際貿易和省際貿易均采用阿明頓（Armington）方程計算，將產品分為區域內生產、國內其他區生產、進口產品3 個子類。具體公式如下：

4 能源轉型情景和參數設置

4.1 基礎數據

（1）2017 年投入產出表。投入產出表是構建CGE 模型中社會核算矩陣（social account matrix,SAM）的主要數據來源，可以通過投入產出表研究各部門之間的生產消費關系。目前廣東省每5 年進行一次全省投入產出表調查核算，迄今為止共發表了5 份投入產出表，本研究采用目前最新發布的《2017 年廣東省投入產出表（142 部門）》［18］。通過對《2017 年廣東省投入產出表（142 部門）》進行拆分合并后，獲得廣東省33 個部門投入產出表，再根據珠三角九市占廣東省經濟的比例拆分成珠三角投入產出表，與香港投入產出表合并后［19］，根據香港、澳門2017 年增加值縮放［20］，然后通過交叉熵法平衡獲得粵港澳大灣區社會核算矩陣。

（2）能源平衡表。由于投入產出表中各個部門的表現形式均為價值量，而實際消費的產品產量和能源消費量是實物量的形式，為了將價值量轉換成實物量，參考廣東省能源平衡表和《廣東統計年鑒（2018）》、澳門《統計年鑒2018》、《香港能源統計2016 年年刊》中各部門的能源消費量［20-22］，計算出每一種能源品種的當年平均價格，然后將社會核算矩陣中各個部門的能源消費量轉換為實物量，并根據33 個部門的能源消費數據進行拆分合并，使能源消費數據與投入產出表中的價值量數據相匹配，以計算能源消費及CO2排放。

4.2 情景設置

參考廣東省統計年鑒中珠三角九市2017—2020年GDP 增長速度和人口增長速度，并根據《廣東省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》《廣東省人口發展規劃（2017—2030年）》的有關內容，設置粵港澳大灣區2020—2035 年GDP平均增長速度為7.5%、人口增速為1%。具體情景設置見表2。

表2 粵港澳大灣區能源轉型情景設置

為了便于比較分析，將33 個部門分為農業、電力、高耗能行業、其他工業、交通、商業、居民7個行業大類。其中，高耗能行業包括石油、煤炭及其他燃料加工業、化學原料和化學制品制造業、非金屬礦物制品業、黑色金屬冶煉和壓延加工業、有色金屬冶煉和壓延加工業。

5 結果與討論

5.1 能源與碳排放轉型路徑

5.1.1 能源消費總量與能源結構

如圖2、圖3 所示，2017 年粵港澳大灣區的一次能源結構中煤炭占30%、油品占33%、天然氣占15%、調入電力及一次電力占22%［18］。與基準情景相比，在轉型情景下，到2035 年煤炭、油品消費量占比均下降，其中煤炭消費占比從18%下降到轉型情景的8%和深度轉型情景的6%；油品消費量控制在30%左右，在2027 年左右達峰；天然氣消費占比從19%上升到22%左右；調入電力及一次電力占比從36%上升到轉型情景的39%和深度轉型情景的45%。

圖2 粵港澳大灣區一次能源結構在能源轉型各情景下的占比

圖3 能源轉型各情景下粵港澳大灣區能源消費總量變化趨勢

5.1.2 電力裝機及電量結構

由表3、表4 可以看出，未來粵港澳大灣區的電力增速仍將快速增長，2020—2035 年電力年均增速在基準情景、轉型情景和深度轉型情景下分別為3.93%、3.75%和3.85%。在轉型情景下，由于部門受到了更嚴格的碳限制，從而減少了生產部門對電力的消費需求；而在深度轉型情景下，生產部門采用更多的電力來代替化石能源消費，因此該情景下對電力消費需求有所回升。從電源結構來看，粵港澳大灣區在轉型情景下會加速淘汰煤電、增加氣電的裝機和規模，并大力發展核電和非水可再生能源，到2025 年，火電發電占全社會電量的比例在基準情景下達到72%、在轉型情景下達到69%；而到2035年，火電占全社會發電量的比例在基準情景下會下降至60%，且在轉型情景下降低至46%，表明更多的電力來自核電和其他可再生能源。

表3 能源基準情景、轉型情景下粵港澳大灣區各類電力發電量測算

表4 能源基準情景、轉型情景下粵港澳大灣區各類電力裝機容量預計 單位：萬kW

5.1.3 CO2排放總量

從圖4 可以看出，在基準情景下，粵港澳大灣區的CO2排放量在2033 年左右達峰，達到4.6 億t，而在轉型情景下和深度轉型情景下的CO2排放量則分別在2025 年和2022 年左右達峰，分別約為4.4 億t 和4.3 億 t；到2035 年，轉型情景下的CO2排放量約為3.6億 t，而深度轉型情景下的CO2排放量約為3.0億 t，較基準情景分別下降0.9 億 t 和1.5 億 t。

圖4 能源轉型各情景下粵港澳大灣區碳排放總量趨勢

5.1.4 部門碳排放的變化趨勢

為了更好地比較各部門的碳達峰時間，將各部門基準年（2017 年）的碳排放進行歸一化處理。如圖5、圖6 所示，其中縱坐標為無量綱量，2018—2035 年的值為各年份碳排放量與基準年的比值。電力部門在2017 年已經實現碳排放達峰；高耗能工業和其他工業在2030 年左右實現碳排放達峰；交通、商業、農業則在2034 年左右實現。

從圖5 可以看出，在轉型情景下，碳減排主要來自電力部門（62.84%）、傳統工業（14.79%）和交通部門（12.57%），共占全部門碳減排的90%。

圖5 能源轉型情景下粵港澳大灣區各部門碳排放變化趨勢

如圖6 所示，在深度轉型情景下，碳減排主要來自電力部門、傳統工業和交通部門。碳約束催生工業、交通、建筑部門投資新技術以減少能源消耗，其中電力部門的碳減排為5 800 萬 t，其他產業促進工業的碳減排為2 858 萬 t，交通部門和建筑部門的碳減排分別為270 萬 t 和334 萬 t。

圖6 能源深度轉型情景下粵港澳大灣區各部門碳排放變化趨勢

5.2 能源轉型對宏觀經濟的影響

5.2.1 能源轉型對GDP 的影響

到2035 年，基準情景、轉型情景、深度轉型情景下的地區生產總值總量分別為3.08 萬億元、3.10萬億元和3.07 萬億元，各情景下的地區生產總值變化幅度如圖7 所示。在能源轉型政策驅動下，轉型情景的年度地區生產總值增量大于基準情景，顯示出能源轉型情景有利于促進粵港澳大灣區經濟總量的增加；在深度轉型情景下，年度經濟量的增長呈現先增加后降低的趨勢，表明深度轉型政策對經濟呈先促進后抑制的作用。

圖7 能源轉型不同情景對粵港澳大灣區生產總值影響趨勢

如圖7 所示，本研究設定了一個中間情景，其在2035 年的地區生產總值總量與基準情景相同，為3.08 萬 t；CO2排放與深度轉型情景相同，在2022年實現碳達峰，但達峰總量相比轉型情景更低、比深度轉型情景更高。在此情景下，地區生產總值與基準情景相比呈現先增加后降低的趨勢，到2035 年與基準情景地區生產總值相同，但是不再產生地區生產總值損失。因此，粵港澳大灣區應在考慮減排目標的基礎上合理設置碳排放總量目標。

5.2.2 能源轉型對行業增加值的影響

如圖8 所示，到2030 年，轉型情景下，商業、其他工業、農業的行業增加值比基準情景分別降低了-0.1%、-0.8%、-3.6%，交通、電力、高耗能工業的增加值分別增長7.3%和11.0%；在深度轉型情景下，到2030 年由于碳限制政策趨緊，導致商業、交通、電力呈現增加增長0.1%、4.1%、8.9%，對高耗能工業的增加值變化為負向影響，相比基準情景降低-0.7%。能源轉型政策對交通部門和電力部門始終有著正向影響，反映出電力和交通部門在能源轉型政策驅動下能夠吸引投資基礎設施改進和更新，從而顯著促進交通和電力部門增加值增長；且隨著轉型政策的約束增加，行業部門增加值的擴張程度受到抑制，如交通部門在深度轉型情景下的增加值要比轉型情景下降3%，電力部門在深度轉型情景下的增加值要比轉型情景下降2%。

圖8 兩種能源轉型情景下粵港澳大灣區產業增加值變化比較

到2035 年，碳排放呈現達峰后穩中有降、逐漸下降的趨勢，這得益于碳排放的限制和單位地區生產總值碳排放效率的強力提升。此時，能源轉型政策仍然對商業部門、電力部門的增加值呈現正向影響，但對于高耗能工業和交通和農業呈現明顯的負向影響。

5.2.3 能源轉型對就業的影響

如圖9 所示，在轉型情景下，商業、交通、電力部門的就業人數到2035 年較基準情景分別增長9.7萬人、12.6 萬人和3.0 萬人，而其他工業的就業人數則下降了5.8 萬人；在深度轉型情景下，商業的就業人數較基準情景增長27.3 萬人，交通部門和電力部門的就業人數分別增長5.9 萬人和2.5 萬人，農業的就業人數幾乎保持不變，而其他工業和高耗能工業的就業人數則分別下降0.36 萬人和10.2 萬人。由此可見，在能源轉型的帶動下，就業人口也更多地從第二產業轉向了第三產業。從全社會就業人口來看，到2035 年，轉型情景和深度轉型情景總就業人數較基準情景分別上升了20.9 萬人和22.7 萬人。

圖9 2035 年兩種能源轉型情景下粵港澳大灣區就業人數變化比較

6 結論

（1）粵港澳大灣區的能源轉型情景通過促進產業轉型升級、能效提升、能源結構優化和終端電能替代實現節能減碳。其中，在轉型情景、深度轉型情景下，粵港澳大灣區分別于2030 年、2028 年實現能源消費量達峰，峰值分別為3.0 億 t 和2.8 億 t；能源消費達峰后穩中有降，到2035 年轉型情景和深度轉型情景下能源消費量分別下降到2.9 t 和2.7 t。在轉型情景和深度轉型情景下，粵港澳大灣區的碳排放分別在2025 年和2022 年達峰，峰值分別為4.4 億t 和4.3 億t；同時由于能源結構逐步優化、非化石能源發電比重不斷提高，到2035 年轉型情景和深度轉型情景下碳排放相比峰值量下降0.7 億t 和1.25 億t。

（2）到2025 年，粵港澳大灣區能源轉型的基準情景下，火電占整個電量的比例達到72%，轉型情景下達到69%；而到2035 年，基準情景下火電占全社會發電量的比例下降至60%，轉型情景下降低至46%，更多的電力來自核電和其他可再生能源。可見，實現粵港澳大灣區能源轉型需要大力發展非化石能源，逐步降低煤炭消費、增加天然氣和可再生能源的比例，實現電力供給側的綠色轉型。

（3）粵港澳大灣區能源轉型的轉型情景和深度轉型情景下，碳減排主要來源為電力部門、傳統工業和交通部門，同時碳約束催生工業、交通、建筑部門投資新技術以節約能源消耗。

（4）能源轉型的基準情景下，粵港澳大灣區的經濟增速為6.3%，轉型情景下綠色投資拉動2035年大灣區生產總值增加2 萬億元，其中電力部門增加值新增916 億元、交通增加值新增850 億。由于產業轉型升級、投資結構的優化，2035 年轉型情景下大灣區生產總值比基準情景下增長了0.68%。深度轉型情景下由于碳限制過于嚴格，限制了工業交通部門發展，反而造成0.34%的大灣區生產總值損失。因此未來應合理把握能源轉型的節奏，有序推進能源結構調整，避免由于過度轉型對經濟產業產生較大影響。

（5）粵港澳大灣區的能源轉型對就業影響存在差異，但總體優勢大于劣勢。能源轉型會促使全社會就業總人數增加，到2035 年在轉型情景和深度轉型情景下分別會增加全社會就業人口20.9 萬人和22.7 萬人；同時也會促使就業人口從第二產業轉移向第三產業。因此，對于就業人數顯著下降的高耗能工業，需關注對非技能型勞動力的再就業與補償問題，實現公平轉型。