區塊鏈技術在碳交易體系中的應用研究

唐金環，吳宛亭，陳曦*

（沈陽航空航天大學經濟與管理學院，遼寧沈陽 110136）

引言

在綠色發展理念的指引下，降碳已成為我國應對氣候變化挑戰、推進生態文明建設的重要戰略方向[1]。碳排放權交易（以下簡稱“碳交易”）作為一項緩和生態文明建設和社會經濟發展矛盾的關鍵治理手段，被證明是實現降碳目標的有效方式[2,3]。2021 年10 月，中共中央、國務院印發的《關于完整準確全面貫徹新發展理念 做好碳達峰碳中和工作的實施意見》中也提出要依托公共資源交易平臺，加快建設完善全國碳排放權交易市場。面向“雙碳”目標，建設有序高效的碳交易市場不僅為國民經濟綠色發展轉型增添動力，更對我國履行“雙碳”承諾具有重要意義。

碳交易是綠色經濟發展的新現象，也是市場經濟面臨的新問題。我國碳交易先后歷經了試點探索、全國市場建立等實踐階段[4]，碳交易隨之呈現出一些機制方面的問題，主要體現在市場和監管兩個方面。首先，市場方面的核心問題在于交易規則混亂和交易定價能力薄弱[5,6]。現行法規《碳排放權交易管理辦法（試行）》回避了對碳排放權法律屬性的定性及對碳市場交易主體權利義務的明確，這種模糊的處理方法使得碳交易市場陷入了有價無市的尷尬境地。同時頂層設計和法律配套的缺失，限制了碳交易和碳稅這兩種政策工具的市場定價能力[7]。而碳排放權中心化的交易模式又會引發數據造假、虛假交易、安全性差等弊端。其次，從監管方面來看，政府部門與企業信息的不對稱性導致碳交易的靜態權利結構與配套監管機制配置不合理，引發交易標的權利屬性不明確[8]、交易程序繁瑣低效[9]、交易主體行為不規范等機制性障礙[10]，并演化為制約碳資源市場化配置的關鍵根源問題[11]，而僅依靠目前的交易機制和治理手段明顯難以應對此類挑戰，新的技術和治理思路亟須引入。

區塊鏈技術為完善當下碳交易機制、構建創新碳交易體系提供了新的思路與解決方案。區塊鏈的最初應用場景主要是以比特幣為代表的加密貨幣行業，之后隨著以太坊的興起逐步發展成利用智能合約構建業務邏輯的底層架構與分布式計算范式，其應用場景也拓展到了環境治理[12,13]和社會治理層面[14,15]。在碳排放權交易領域，已有部分學者針對區塊鏈的契合性和可能的應用場景進行了初步探索。鄭榮等[16]和周莉等[17]對區塊鏈在碳交易領域的應用進行了設想，考慮利用區塊鏈技術來實現碳交易的自動化、保障數據的真實性，這些設想為此后的研究提供了理論依據。嚴振亞等[18]從數據鏈的完整性和真實性角度提出了一套基于區塊鏈+大數據采集技術的數據監控機制，以解決交易數據真實性問題。張藝等[19]利用量子區塊鏈技術構建碳配額分配和交易模型，以實現初始碳配額的公平分配和高效交易。Patel 等[20]探索了區塊鏈代幣在碳排放許可證發放和追蹤中的應用，以促進碳排放權交易的透明化和去中心化。葉強等[21]利用側鏈擴容技術，將個人級碳交易納入現有的碳交易市場，完善了我國碳交易體系。

總體而言，目前針對碳交易的研究主要聚焦于解決上文提及的市場和監管兩個機制層面的痛點問題，但是囿于我國傳統的、中心化的碳交易模式下固有的信息不對稱、安全性差、監管困難等弊端而進展有限[22]，區塊鏈對于解決上述問題有著天然的技術優勢，但目前的研究仍局限于適用性分析、應用場景闡述或是簡單的技術應用探討，未能利用區塊鏈技術從整體的交易體系層面實現碳交易的創新突破。基于此，本文的邊際貢獻主要體現在以下幾個方面：首先從宏觀視角出發厘清碳交易的業務流程并借此分析區塊鏈技術的契合性與適用性，然后根據實際業務場景提出一套基于Fabric 超級賬本的碳交易區塊鏈架構的設計方案，最后從交易框架、交易方法、交易監管、激勵與懲罰四個細分維度探討區塊鏈分布共識、智能合約、數據溯源、代幣發行等技術的具體應用方法，從而構建出一套基于區塊鏈技術的完整的創新碳交易體系。

1 區塊鏈技術特征與碳交易需求耦合

針對碳交易中心化的交易模式引發的痛點問題，區塊鏈技術通過其獨有的去中心化、多方維護的方式重構集體信任，為我國碳交易提供了新的治理思路。從系統特征來看，區塊鏈技術本身具有的開放性、可編程性、可追溯性、不可篡改性等特性使其適用于多方參與錄入數據且需要建立分布式信任、信息真實性和安全性要求高的系統場景。因此，碳交易場景是適合區塊鏈技術應用的。

從碳交易業務需求和區塊鏈技術特性的契合性來看，碳交易面臨的難題主要來源于交易方法、交易監管和交易激勵等方面，這些問題可以利用區塊鏈網絡的數字智能、協同互信、信息透明、可追溯、難篡改等技術特性優化解決。在交易方法方面，傳統的碳交易具有規則混亂、程序繁瑣低效的弊端。利用區塊鏈智能合約可以優化碳交易流程，降低政府管理成本，釋放公共治理資源，同時嵌入的、自動執行的智能合約代碼能夠充分保證交易的效率和公平，跨鏈技術的發展也為碳排放權的跨區域流動和交易提供了有力的技術支撐，并且碳排放權鏈上交易可以進一步推動碳排放權向數字通證的轉換，以提升碳排放權市場流動性調動企業減排技術創新和生產優化的積極性。在交易監管方面，傳統的碳交易具有主體權利義務不明確、交易主體行為不規范等問題。而區塊鏈技術有助健全碳交易的問責機制，區塊鏈中以數字簽名作為唯一身份標識，可以為問責管理提供精確的身份認證服務，加蓋時間戳的鏈式的數據儲存結構又提供了完整的溯源證據鏈，同時分布式共識機制使得偽造信息的難度和成本變得極高，保障了數據的真實性。在交易激勵方面，信息的不對稱導致政府部門難以對碳交易實施動態監管。利用區塊鏈信用代幣取代行政命令的方式來實現對碳交易的激勵與懲罰可以有效緩解行政強制干預和市場自主調節之間的矛盾，為監管者提供了一種更為有效、更為緩和的治理技術和治理手段，也為“看不見的手”發揮作用創造了更大的空間。區塊鏈技術與碳交易需求耦合過程見圖1。

圖1 區塊鏈技術與碳交易需求耦合過程

2 碳交易聯盟鏈的架構體系設計

按照去中心化程度、節點權限和信息共享程度，可以將區塊鏈分為公鏈、聯盟鏈和私有鏈三種。其中，聯盟鏈由經過注冊認證的成員組織共同管理，數據讀寫只對鏈上成員開放，可以兼顧交易的效率和安全性。碳交易涉及多個主體，且具有一定的準入要求，對比不同的區塊鏈種類，本文認為聯盟鏈最適合作為構建碳交易體系的底層技術架構，具體來講，主要基于以下四點考慮：①聯盟鏈具有的非匿名性、多中心化特性相較于公有鏈的完全匿名性、完全去中心化特性更方便政府部門對碳交易行為進行監管和治理。②聯盟鏈中的身份認證模塊可以基于碳交易中各參與角色的不同職能賦予各節點不同的權限，可以適應不同的碳交易場景。③聯盟鏈共識機制可以提升碳交易驗證效率，縮短共識達成時間，并且交易數據只對鏈上節點開放，保障了交易的安全性，規避了中心化數據存儲模式的弊端。④聯盟鏈主要通過外部激勵的方式促進各個節點達成共識，這一方面有利于降低系統的開發難度和成本，另一方面也通過緩解各主體之間的信息不對稱促進了合作的達成。基于此，本文將選取Hyperledger（超級賬本）中典型的、具有節點許可管理的聯盟鏈系統——Fabric 來構建碳交易體系。Fabric 是一個企業級區塊鏈開源開發平臺，支持包括Java、Go 和Node.js 在內的多種智能合約開發語言。作為一種高度模塊化的超級賬本框架，Fabric允許通過插播方式開啟不同的功能。利用Fabric 構建的碳交易聯盟鏈架構體系共有7 層，具體如圖2所示。

圖2 碳交易聯盟鏈整體架構體系

數據層主要用于儲存碳交易的相關數據信息，各鏈上節點基于不同的權限和職責對發生的交易進行記錄，一段時間內產生的交易數據在經過特定的哈希運算并加蓋時間戳后會被封存至一個區塊之中，并連接到當前最長的主鏈上，各節點同步更新最長區塊鏈，以此實現區塊鏈世界狀態的更新。

網絡層是區塊鏈系統的網絡通信層，主要實現區塊鏈數據的組網、傳播與校驗功能，這一層的主要內容包括P2P 網絡、數據驗證機制、Gossip 協議以及PKI 公鑰基礎架構，在碳交易中，由政府部門作為身份認證機構對參與交易的各個節點進行認證準入和身份審核。

共識層主要涉及分布式一致性技術和數據驗證機制，依靠封裝在網絡節點的各類共識算法實現，在Fabric 聯盟鏈中，不同的版本對應不同的共識算法，其中，Solo 算法只能實現對單節點的排序功能，穩定性以及安全性較差，可在測試階段使用；Kafka 算法可以集群所有的排序節點來對交易進行排序，是一種高效的信息發布訂閱系統；Raft 算法增設了主導節點，由各個組織中的排序節點投票產生，負責和其他節點配合完成排序任務。在碳交易的Fabric架構設計中，三種共識算法可以適應不同的研發階段，Solo 算法適用于初期演示階段，Kafka 和Raft 算法適用于后期系統成熟時期。

激勵層依靠外部方式實現。

合約層用于智能合約（鏈碼）的管理，涉及智能合約的設計、編譯、布置和運行等操作。合約層封裝了各種智能合約、算法和腳本，主要是為了實現更為復雜的信息交互，發揮區塊鏈在特定應用場景下的功能。碳交易中涉及的智能合約包括碳排放量科學計算智能合約、碳排放交易智能合約、其他溫室氣體轉換智能合約等，智能合約中詳細了記錄交易規程和流程。

服務層用于為整個系統提供基礎的后臺管理服務。主要包括碳排放配額平臺管理、碳排放交易平臺管理、碳排放監管平臺管理，以及各個平臺下的賬號管理、權限管理、會員管理、信息公開化等服務。基礎服務層可以保障碳排放交易的順利進行。

應用層用于碳交易實際應用場景的接入，為各種實際場景配置不同的接入端口，以實現與區塊鏈系統的信息交互。在實際應用中，交易主體基于不同的業務訴求開發相應的應用程序界面。應用程序界面的操作指令會傳達至基礎服務層，由其進行響應，同時基礎服務層也會依據各交易主體的參與資格限制其操作權限。

3 區塊鏈技術賦能碳交易體系重構及應用研究

3.1 區塊鏈技術下的碳交易二級市場框架

目前我國碳交易二級市場的建立和實行還處于初期階段，市場活躍度較低，存在著交易機制滯后、交易流程復雜、交易安全性低及交易成本高等問題，并且政府干預較多，容易導致市場失靈，不利于發揮市場在碳資源配置中的主導作用。利用區塊鏈身份驗證、分布式共識、鏈式結構數據、不可逆加密算法、自執行智能合約等技術可以有效解決上述問題，身份驗證、分布式共識和鏈式數據結構通過改變信息的傳輸和記錄方式重新構建交易主體間的信任基礎，不可逆加密算法可以保障交易數據的真實性和安全性，智能合約可以實現交易的有序進行和智能高效。基于此，本文提出了基于區塊鏈的碳交易框架，如圖3 所示。

圖3 基于區塊鏈的碳交易二級市場架構

碳交易系統存在不同的組織服務提供者（ORG.MSG），ORG.MSG 會識別自己組織內的節點并根據實際情況為其分配特定角色和配置不同的區塊鏈資源讀寫權限，同時，ORG.MSG 會指定一個身份認證機構（CA），由其給組織內的成員分配數字身份，通常包括一對私鑰、公鑰和一個身份地址。不同組織內的節點可以經由通道（C）進行連接和信息交互，通道C 的內在配置會決定各個節點的身份信息被關聯到對應的ORG.MSG。具體來講，政府部門發布碳配額分配信息和國家核證自愿減排量（CCER）項目審核結果后，重點排放企業把自主監測數據利用私鑰加密后上傳至區塊鏈，第三方核查機構審核無誤后對其進行信用背書并提交區塊鏈備案登記。碳排放企業按照實際交易需求，以賣方或是買方的身份提交交易申請。交易進行依靠預設觸發條件和響應規則的智能合約自動執行，碳交易智能合約的觸發條件包括交易主體身份認證、碳排放權出讓和購入資格認證，保證金交納認證等，響應規則主要依據嵌入合約中的交易協議和交易條款編輯，規定了交易流程以及違約責任。智能合約依據交易時段和交易行為主動判斷、響應和執行，執行過程和執行結果在經過背書節點信任背書和主節點排序后會產生新的區塊附加至原有鏈上，并經由廣播機制更新區塊鏈世界狀態。在區塊鏈環境下，交易主體主要是碳排放企業，智能合約會基于預設的交易條件和規則完成大部分的審核工作，政府部門在其中承擔交易驗證和交易監管的職責，相較傳統模式，政府職責的轉換會極大降低對交易市場的干預性，有助于推動數據要素的市場化配置。

3.2 區塊鏈技術下的碳交易流程

正常情況下，碳交易會存在多個賣方和買方，為實現對碳資源的優化配置并兼顧碳交易的效率和公平，本文設計了雙向拍賣配合個人對個人（P2P）交易的兩階段有序交易機制，如圖4 所示。交易率先進入雙向拍賣階段，碳排放的買方和賣方在雙向拍賣時段結束前給出自己的報價和數量，系統會將賣方的報價按照從低到高排列，再將買方的報價按從高到低排列，對于買方報價高于賣方的部分，由智能合約按照雙向拍賣的規則撮合成交，成交價格定為雙方報價的均值；在經過雙向拍賣市場撮合后仍未出清的碳排放權進入P2P 交 易 階段。P2P 市場啟動時，由于所有的買方報價均低于賣方，因此并無成交量。碳排放權的賣方可以選擇維持原有報價等待報價更高的購買方出現或是采用限價交易、市價交易的方式重新掛單，當然賣方也可以選擇清空掛單信息并退出交易。雙向拍賣配合P2P 的兩階段交易機制確保了碳排放權以公平、高效的方式分配給各交易主體，并利用區塊鏈完成信息傳遞的價值交換。

圖4 碳排放權兩階段交易機制

具體的碳交易流程按照時間的先后順序可以劃分為提交交易請求、雙向拍賣、P2P 交易和交易結算四個階段，如圖5 所示。交易需求提交階段主要內容是完成交易的初始化設置和交易主體的身份驗證，由預設的智能合約確定平臺代幣和實際流通貨幣之間的匯率以及兌換規則，并調用交易主體的公鑰對其身份進行核驗，通過后收取保證金并初始化各主體的交易請求；雙向拍賣階段的主要功能包括報價和匹配：在雙向拍賣截止前，買賣方節點可以調用報價函數提交碳排放權購/售報價，智能合約會將其加入買/賣方的報價列隊并按照報價的高低順序排列，對于買方報價高于賣方報價部分會自動進行雙向匹配，直至賣方報價列隊全部成交清空或是交易完成；P2P 交易階段主要用于碳排放權賣方更改掛單信息，賣方可以通過調用限價交易或是市價交易函數發布掛單信息，或是直接清除掛單信息，退出碳交易；交易結算階段是交易的最后階段，主要內容包括交易對價的支付和交易保證金的退回。碳交易的核心業務邏輯主要依靠智能合約語言實現，具體的算法流程如圖6 所示。

圖5 碳排放權兩階段交易流程

圖6 碳排放權兩階段交易算法

3.3 區塊鏈技術下的碳交易監管

碳排放核算和監管過程中普遍面臨“信息損耗”問題。傳統模式采用層層遞進的信息傳遞方式，企業的碳排放數據需要經由系統層層上報，滋生了“舞弊”和“尋租”空間。不同地域范圍內的政府和碳排放企業基于緩解減排壓力、擴大生產效益、拉動地方經濟增長等誘因，均可能形成“共謀”，產生“誤報”“虛報”“謊報”“偷排”“泄漏”等現象，致使監管失效。同時，“系統熵”隨著信息的積累而不斷增大，數據失真的責任主體難以明確，即使發現了碳排放數據與實際排放量有出入，現有的監管機制也無法明確責任主體，這使得碳交易的公平性和可信度進一步喪失。因此，確保信息的真實性是保障碳交易市場有效運轉的條件和基礎。圍繞碳排放總量控制目標進行的初始碳排放配額分配和對排放單位履約監督，作為碳交易體系中的重要運轉環節，均離不開真實可靠的碳排放信息作為支撐。區塊鏈技術具有的可追溯、難篡改、公開透明等特性為保障信息真實性、重構陌生主體信任提供了一種新的解決思路，也為智能、實時、高效監管創造了技術條件。

基于聯盟鏈構建的碳交易監管體系可以在源頭、過程和末端中全方位、全流程地維護數據的可靠性并通過數據溯源明確主體責任，實現有效的追責和監管。具體來講，如圖7 所示，政府可以在鏈上直接獲取碳排放企業的基本信息。碳排放信息依靠安裝在排放源頭的在線監測設備收集，各種監測設備可以連接成企業碳排放的動態物聯網網絡，并可以進一步利用HTML5 WebGL 等技術構建可視化模型，方便政府監管部門查驗。在排放企業自主核算數據后，第三方認證機構提交獨立的碳排放監測、報告，并等待政府部門核驗。區塊鏈的數據庫會對區域內的碳排放數據、交易數據、碳排放目標數據、碳排放總量數據、區域環境容量數據等進行匯總，并基于嵌入的智能算法統計數據分布特征，為政府的下一步政策制定和執行提供決策依據。

圖7 碳交易監管聯盟鏈

利用區塊鏈技術構建碳交易監管體系的底層架構可以實現信息上鏈后無法修改，因此，在確保源頭數據真實的情況下，避免了碳排放企業、第三方認證機構以及地方政府部門后期私自篡改排放數據。同時，各種傳感設備采集的數據和各主體上傳的數據都會成為溯源的追責憑證，一旦在監管過程中排查出碳排放不同統計口徑之間存在出入，可通過比對默克爾樹哈希運算結果，查詢到存在問題的數據源，以確定源頭數據的真實性和準確性。在此基礎上，基于時間戳和數字簽名界定責任期間和責任主體，為清晰高效的問責和碳交易仲裁提供完整的證據鏈。此外，考慮到碳交易活動具有跨區域性、跨行業性、專業性和公眾性等特征，區塊鏈技術為碳交易的監管向著專門監管和協同監管相結合的方向演化創造了條件。區塊鏈會保存參與者在所有交易環節的數據信息和行為信息以備查閱。一方面國務院和各省級政府設立的專門碳交易監管機構可以對聯盟鏈運行的全過程進行實時連續的專門監管；另一方面通過授權給包括金融機構、碳交易所、第三方服務機構、社會公眾團體在內的其他利益相關者還可以實現政府層和社會層面的協同監管。

3.4 區塊鏈技術下的碳交易獎懲機制

圍繞碳交易流程設計有效的激勵與懲罰機制是保障交易效率性和公平性的重要手段。激勵機制的主要內容包括對真實上報碳排放數據企業的激勵以及對積極進行減排技術創新消減排放總量企業的激勵，懲罰機制的主要內容是對虛假上報企業和虛假核驗第三方機構的違規行為進行記錄和懲罰。在實踐中，碳交易的激勵及懲罰手段多以行政控制或是行政命令為主，如2020 年末出臺的《碳排放權交易管理辦法（試行）》規定，碳排放優于行業基準線得到獎勵，低于行業基準線受到懲罰。這種依靠行政強制手段來實現對碳交易的市場調節容易造成過度干預，消減企業參與碳交易的積極性，不利于激勵碳資源的市場化配置。

基于以上分析，結合區塊鏈數據透明度高、智能合約自動化執行的特點，本文構建了區塊鏈技術下的碳交易激勵和懲罰機制（獎懲機制），如圖8 所示。一方面，區塊鏈下的獎懲機制保留了傳統機制下政府行政監管權利的實施空間，允許政府部門在一定期限內，如每個月末、每個季度末或是每個年末對碳排放企業和第三方認證機構進行數據查驗，即通過跨鏈技術讀取碳交易主鏈和碳交易監管側鏈的世界狀態查驗碳排放企業的碳配額數據、實際排放數據、交易數據、清繳數據等，并與第三方認證機構監測、報告、核驗數據比對，基于查驗結果對碳排放企業和第三方認證機構進行減排測評和信用評判并向系統提交獎懲申請，智能合約會基于預設的獎勵和懲罰規定以及不同的觸發條件執行對應的操作。另一方面，為了讓政府可以采用更加緩和的手段來管理碳交易市場、優化治理能力，考慮到數字貨幣作為區塊鏈技術最為成熟的應用領域，本文設計了“碳交易信用幣”作為獎懲媒介來替代原有的行政強制干預。碳交易信用幣作為一種通證貨幣在聯盟鏈之中發行和流通，并按一定比例和法幣進行兌換。所有鏈上的碳排放企業會和第三方認證機構由系統配置一個獎懲信用賬戶和一對與之匹配的公鑰、私鑰，公鑰對應著賬戶的賬號，私鑰對應賬戶的密碼。碳排放信用幣的發行規則和分配規則會在創鏈時就封裝在獎懲智能合約之中。對于機制下誠信上報碳排放數據或是積極進行減排技術創新的企業誠實地進行核驗和報告的第三方機構，智能合約將依據既定的規則和政府部門的申請，向其賬戶內存入一定量的信用幣，而對于受到行政處罰的碳排放企業或是第三方認證機構，將會扣除其賬戶內的信用幣。碳排放信用幣的發行和流通不需要金融機構信用背書，從而一定程度上減少了運行成本，也不會造成額外的財政壓力。進一步地，根據科斯定理關于交易費用與產權界定之間關系的闡述，可以發現區塊鏈技術環境下滿足科斯定理的假設條件：①錢包地址的唯一性以及聯盟鏈認證程序構建了地址和真實身份的雙向錨定確保產權界定的明確性；②聯盟鏈環境下共識機制促使交易低成本運行，證明通過發行和流通碳排放交易信用幣的激勵和懲罰機制是有效的，利用碳交易信用幣來激勵和懲罰的管理措施更有利于市場利用“看不見的手”進行調節，從經濟層面促進企業技術創新消減碳排放量。

圖8 基于區塊鏈的碳交易激勵與懲罰框架

4 結論與建議

在區塊鏈技術不斷推動傳統產業深刻變革的背景下，立足碳資源開放式交易和市場化配置發展受阻的現實情況，本文利用區塊鏈技術從二級市場構建、碳交易方法、碳交易監管、碳交易激勵與懲罰四個維度設計了一套創新碳交易體系，并探討了具體應用方法。此交易體系充分利用了區塊鏈的技術優勢，有效解決了傳統的、中心化的碳交易市場所存在的交易效率低、監管困難、行政過度干預等機制性弊端。首先，區塊鏈推動了碳資源的數字化轉化，碳資源經由認證上鏈后轉變為易分割、易交易的數字資產憑證，為利用智能合約實現碳交易流程的自動化和智能化奠定了基礎，將有效提升碳交易效率。其次，區塊鏈的共識機制和鏈式數據結構保障了鏈上信息對稱性和不可篡改性，各種外接傳感器采集的數據經過運算上鏈后將被密封保存，為監管者在源頭、過程和末端中全方位、全流程地維護數據的可靠性并通過數據溯源明確主體責任，實現有效的追責和監管創造了條件。最后，區塊鏈環境下發行的信用代幣具有明確的產權界定并且交易成本極低，滿足科斯定理的假設條件，證明了以信用代幣取代行政命令和強制干預的方式實現對碳交易的激勵與懲罰的治理方式是有效的，更能發揮“看不見的手”的調節作用。