能源替代政策能否改善空氣質量

湯韻 梁若冰

摘要 中國城市嚴重的空氣污染與企業(yè)及家庭對燃煤的依賴密切相關。因此，以天然氣等清潔能源替代燃煤被視為治理空氣污染的重要手段。在能源替代政策的推進下，“煤改氣”工程正在眾多大城市如火如荼地進行。在此背景下，本文針對清潔能源替代問題進行經(jīng)濟學討論，并對城市“煤改氣”政策施行效果進行實證檢驗。本文首先利用包括西氣東輸?shù)忍烊粴忾L輸管道項目作為外生沖擊，考察了城市天然氣供應對空氣污染的影響。利用城市面板數(shù)據(jù)回歸的結果發(fā)現(xiàn)，長輸管道的聯(lián)通對城市空氣污染有顯著地遏制作用，而這種作用在煤炭城市更為明顯。在穩(wěn)健性檢驗部分，利用城市液化石油氣代替天然氣進行安慰劑檢驗，發(fā)現(xiàn)天然氣長輸管道對于液化石油氣的供給并沒有顯著促進作用，后者也未影響天然氣替代煤炭對城市空氣污染的減排效應。其次，在考察城市特征對天然氣長輸管道聯(lián)通影響的基礎上，考察途經(jīng)城市是否存在選擇效應，結果發(fā)現(xiàn)空氣污染、煤炭消費等變量對管道聯(lián)通均無顯著影響，表明城市天然氣管道聯(lián)通并不存在明顯的選擇效應。在機制分析部分，進一步分析城市天然氣管道長度、供應量與使用人口對空氣污染的影響，發(fā)現(xiàn)天然氣主要通過替代城市民用燃煤來遏制空氣污染，對工業(yè)燃煤造成的污染則減排作用不明顯。最后，從價格角度討論了天然氣難以通過替代工業(yè)燃煤遏制空氣污染的可能原因，并分析了“煤改氣”政策在現(xiàn)階段的局限性。

關鍵詞 能源替代政策；空氣質量；能源定價機制

中圖分類號 F062.1文獻標識碼 A文章編號 1002-2104（2018）06-0080-13DOI：10.12062/cpre.20171222

近年來，城市空氣污染及其造成的嚴重霧霾引起了社會廣泛關注。相關研究發(fā)現(xiàn)，主要空氣污染物PM2.5、SO2與NOx會嚴重危害人體健康，造成呼吸道及心血管疾病。目前，燃煤是空氣污染物的主要來源之一，以PM2.5為例，燃煤對其年均濃度貢獻率超過40%[1]。其中，冬季北方地區(qū)因燃煤造成的污染更是占了絕對比重，成為嚴重霧霾天氣的罪魁禍首。作為煤炭生產(chǎn)與消費大國，煤炭在中國一次能源消費中的比重一直居高不下，盡管近年來各地因空氣污染而嚴格控制煤炭使用，加之經(jīng)濟增速放緩，對能源需求有所下降，也僅使煤炭消費比重從1996年的75%降至2016年的64%，20年時間僅下降了11個百分點。事實上，從世界范圍看中國煤炭消費遠高于其他國家，不僅在國內(nèi)能源消費中的比重遠高于27%的世界平均水平，而且消費量占世界消費總量的比重也達到了50%，分別為美國和歐盟的4.9與7.4倍[2]。不同于煤炭的絕對重要地位，清潔能源在中國一次能源消費中的比重仍然較低。以天然氣為例，其消費比重在1996—2016年期間僅由1.9%升至5.8%，而且占全球天然氣消費比重也僅為5%。由此可見，盡管上漲趨勢明顯，但天然氣在中國能源消費中的重要性仍不突出。相反地，全球一次能源消費中天然氣比重已經(jīng)達到24%，其中發(fā)達國家多在20%～40%，2012年美、日、英、法等國的天然氣占能源消費比重分別為40%、33%、29%和45%，而新興發(fā)展中國家土耳其、馬來西亞和埃及甚至分別達到41%、48%和63%[3]。從天然氣未來發(fā)展趨勢看，其消費年均增長速度將顯著高于其他主要能源，天然氣在發(fā)達國家取代石油、在中國取代煤炭的趨勢將不可逆轉。因此，我們有必要了解在此過程中天然氣及其對煤炭的替代對城市空氣污染治理的影響。

中國21世紀初開始大規(guī)模興建天然氣長輸管道工程，其中以2001年開始的西氣東輸項目最為著名和重要，我們可以將其以及其后興建的其他長輸管道視為外生的自然實驗，來處理中國城市天然氣使用內(nèi)生增長的問題。本文以天然氣對煤炭的替代作為主要切入點，分別討論天然氣對工業(yè)燃煤與民用燃煤在空氣污染治理上的替代作用及其差異，并從天然氣定價機制角度分析產(chǎn)生這種差異的原因。本文的創(chuàng)新主要包括三個部分：①利用天然氣長輸管道構建了城市天然氣供應的自然實驗；②分析了天然氣對工業(yè)與民用燃煤的異質性替代效應；③從價格機制方面分析了天然氣對煤炭替代效應的差異。由此可見，文章一方面為城市天然氣的使用尋找了外生沖擊，另一方面對目前亟待解決卻罕有討論的清潔能源替代問題進行了經(jīng)濟學討論。此外，本文在實踐層面對于理解供給側改革的重要組成部分——“去產(chǎn)能”有重要的意義，并對目前進行得如火如荼的城市“煤改氣”進行了實證檢驗。

1 西氣東輸工程與能源替代的污染減排效應

1.1 西氣東輸工程及其影響

就目前而言，燃煤仍是導致中國城市空氣污染的主要來源。根據(jù)GBD MAPS工作組估算的中國城市燃煤造成的污染損失，2013年因燃煤產(chǎn)生的PM2.5造成約36.6萬人死亡，其中因民用生物質與煤炭燃燒導致的死亡人數(shù)為17.7萬人，高于來自工業(yè)用煤的15.5萬人與燃煤電廠的8.65萬人[1]。因此，在未來能源發(fā)展與空氣質量管理戰(zhàn)略中，應以減少工業(yè)與民用燃煤造成的排放作為主要目標。同時，因后者還可通過污染室內(nèi)空氣而產(chǎn)生更嚴重的疾病負擔，因此應作為重點進行治理。在此過程中，除環(huán)境管制與相關經(jīng)濟政策外，以清潔能源替代煤炭是另一可行途徑。目前，中國使用的清潔能源主要包括天然氣、水能、核能、風能與太陽能等，其中天然氣是大力發(fā)展的重點能源，而且從供氣來源與利用技術方面看，也是相對較為穩(wěn)定與成熟的替代性清潔能源。

中國西部地區(qū)蘊藏著大量的油氣資源，但有效需求不足；而東部地區(qū)對能源有巨大需求，但資源極為匱乏。西氣東輸項目的主要目的，就是將西部地區(qū)豐富的天然氣資源，通過長輸管道等基礎設施輸送到東部沿海發(fā)達地區(qū)，以緩解后者快速經(jīng)濟發(fā)展中面臨的能源瓶頸。2004年建成通氣的西氣東輸一線工程是新世紀的第一條天然氣長輸管道，全長3 836 km，年供氣量170億 m3。2011年建成通氣的西氣東輸二線工程是目前最長的輸氣管道，包括支線總長度達到9 242 km，年供氣量300億 m3。西三線長度也達到7 378 km，年輸氣量300億 m3。作為中國迄今為止輸送距離最長、通氣量最大的天然氣管道工程，西氣東輸項目截至2015年已開通并運營了三期，第四、五期也正在建設與規(guī)劃當中，目前聯(lián)通了14個省、市、區(qū)，年供氣量達到720億 m3[3]。

與西氣東輸同時進行的長度超過1 000 km的長輸管道還有川氣東送、忠武線、陜京線等工程，分別將四川普光氣田、陜西長慶油田以及中亞進口的天然氣送往東部地區(qū)。截至2015年初，中國已建成通氣的天然氣干線管網(wǎng)總長度超過了8.5萬 km，年供氣量超過2 000億 m3。這些天然氣長輸管道的聯(lián)通，為東部城市實施“煤改氣”提供了條件。據(jù)專家測算，煤炭和天然氣在相同能耗下，排放灰粉污染物的比例為148∶1、SO2比為700∶1、NOx比為29∶1。僅以西氣東輸一、二線工程每年輸送的天然氣量計算，就可以替代燃煤1.2億 t，減少CO2排放2億 t、減少SO2排放226萬 t[4]，對改善中國能源結構和環(huán)境質量發(fā)揮舉足輕重的作用。

1.2 能源替代的污染減排效應

不過，盡管目前的“煤改氣”工程正在眾多大城市如火如荼地進行，但對于如何利用清潔能源進行能源替代、能源替代是否能夠遏制空氣污染及其是否存在技術經(jīng)濟性等問題，經(jīng)濟學家與政策制定者討論得并不充分。經(jīng)濟學家對空氣污染治理的研究多集中于分析財稅政策對石油、煤炭與機動車使用的影響[5-9]，而關于能源替代的實證研究相對較少，其主要原因是難以找到合適的外生沖擊。為解決變量外生性問題，Cesur等[10]利用土耳其各地區(qū)通天然氣管道的時間差異構建了準實驗，來捕獲因使用天然氣而改善的空氣質量對嬰兒死亡率的影響，發(fā)現(xiàn)天然氣使用密度每增加一個百分點，嬰兒死亡率下降4%，即挽救348個嬰兒的生命。Barreca等[11]考察了美國歷史上天然氣替代煙煤對人口死亡率的影響，發(fā)現(xiàn)1945—1960年間冬季煙煤使用量的減少導致人口死亡率下降1.25%，嬰兒死亡率下降3.27%。

事實上，我們目前關注的問題不僅僅是天然氣替代燃煤的污染減排效應，更應重視在能源替代過程中能否通過市場力量順利實現(xiàn)技術替代，既能達到治理污染的目的，又可去除落后產(chǎn)能，這才是保證“煤改氣”政策能持續(xù)并產(chǎn)生長期效果的關鍵問題。對于前一個問題，在現(xiàn)有的技術手段下“煤改氣”完全可以達到污染減排目標。例如，薛亦峰等[12]、歐春華等[13]與趙麗莉等[14]分別評估了北京、重慶以及烏魯木齊“煤改氣”項目的污染減排效果，都發(fā)現(xiàn)其顯著地降低了空氣污染物的排放水平，尤其是對于那些與煤炭燃燒密切相關的污染物，如CO2、SO2、PM及NOx等，減排效果尤其顯著。

不過，從技術經(jīng)濟性考慮，這種減排效果可能因能源替代較高的成本而大打折扣。根據(jù)巫永平等[15]的測算，由于中國較高的單位GDP能耗，導致天然氣相對價格不僅遠高于美國，而且也高于完全依賴進口的德國、日本，盡管后兩國的名義價格分別為中國的3倍和2倍，因此在評估“煤改氣”的環(huán)境收益時，應當考慮這種高能耗的影響以及價格提升帶來的成本。劉虹[16]對北京實施“煤改氣”政策進行的調查，也顯示該政策將導致北京新增200億m3的天然氣需求，在不考慮固定資產(chǎn)和改造投資的情況下，光是能源成本就將增加420億元，相當于2012年北京市財政收入的近10%。除了價格因素，被替代燃煤所在行業(yè)的減排水平也決定著天然氣替代的環(huán)境收益。對于采用超低排放技術的煤電企業(yè)而言，天然氣替代不但難以獲得顯著的環(huán)境收益，而且經(jīng)濟效益更是無從談起[17]。

事實上，對于城市“煤改氣”工程而言，眾多研究發(fā)現(xiàn)以天然氣替代民用散燒煤、工業(yè)燃煤小鍋爐的效果較好，而對于燃煤電廠的替代則減排效果并不理想。薛亦峰等[12]研究了北京實施“煤改氣”的減排效果，發(fā)現(xiàn)對燃煤電廠的替代效果不顯著，其原因在于電廠的污染排放控制比較嚴格，而對小型燃煤鍋爐與民用燃煤的替代，將產(chǎn)生較好的污染減排效果。在毛顯強等[18]對重慶與北京“煤改氣”的研究中，也發(fā)現(xiàn)天然氣替代民用灶、餐飲茶水爐、工業(yè)鍋爐、大型取暖爐燃煤會產(chǎn)生較優(yōu)的環(huán)境效益。龐軍等[19]利用熱值替代方法，估算了中國15個重點供暖城市冬季天然氣替代燃煤對空氣污染的減排效果，發(fā)現(xiàn)天然氣集中供暖替代燃煤集中供暖的污染減排效果最好，優(yōu)于分布式能源以及分戶式燃氣供暖的效果。

無論是基于去除落后產(chǎn)能的當前目標，還是環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的長遠目標，天然氣替代政策都應立足于通過市場機制鼓勵企業(yè)進行環(huán)保創(chuàng)新，從而改善污染減排技術或是進行清潔能源替代。能源依賴企業(yè)的創(chuàng)新受兩種不同效應的影響，即價格效應和市場規(guī)模效應，前者會導向對稀缺資源的創(chuàng)新，后者則誘發(fā)對豐富資源的創(chuàng)新[20]。例如，Aghion等[21]通過考察80個國家汽車產(chǎn)業(yè)的專利申請，發(fā)現(xiàn)油價越高的國家越傾向發(fā)明采用清潔能源（電力或混合動力）的發(fā)動機。無獨有偶，根據(jù)Acemoglu等[6]的分析，在清潔能源與污染能源可以充分替代的情況下，分別對污染排放與環(huán)保創(chuàng)新進行暫時性征稅和補貼，可以實現(xiàn)污染能源向清潔能源的轉換，而且越早實行此類政策，對過渡期經(jīng)濟增長的沖擊越小。同時他們還發(fā)現(xiàn)，在自由放任制度下，如果投入的污染能源是可耗竭資源，那么也會激發(fā)企業(yè)進行環(huán)保創(chuàng)新。在中國，由于煤炭資源蘊藏豐富，因而自由放任制度顯然不利于煤炭使用中的技術創(chuàng)新；同時，天然氣價格管制導致較低的清潔能源價格，也不利于相關的技術創(chuàng)新。

2 計量模型設定與數(shù)據(jù)分析

基于上述討論，本文的實證部分將主要圍繞下面三個問題展開討論：第一，天然氣長輸管道是否通過提高天然氣使用量遏制了空氣污染？第二，天然氣使用是否通過替代煤炭使用來遏制空氣污染？第三，天然氣使用對煤炭使用中的工業(yè)與民用燃煤的替代是否存在差異性，其原因是什么？針對這三個問題，本文將分別采用計量模型進行實證檢驗。首先，本文將考察天然氣長輸管道對城市天然氣管道長度、供氣量與使用人口的影響，并分別分析各變量及其與煤炭城市交叉項對空氣污染的影響，可寫作如下固定效應回歸方程：

公式（3）中，我們分別加入了天然氣長輸管道供氣能力變量與城市天然氣管道變量及其它們與煤炭城市變量的交叉項，目的是考察天然氣長輸管道是否通過影響城市天然氣供應來遏制煤炭城市的空氣污染。該回歸中，我們關心的主要估計參數(shù)是γ3和γ5，若后者顯著而前者變得不顯著，說明可能存在所謂的中介效應（Baron & Kenny）[22]，公式（4）中的pcindcoaliy為i城市在y年度的人均工業(yè)燃煤使用量，交叉項估計參數(shù)θ6表示天然氣是否通過對工業(yè)燃煤的替代來遏制空氣污染。除了工業(yè)燃煤使用量，本文還對民用燃煤使用進行了估計。公式（5）中的lnindso2emiiy為工業(yè)SO2排放量，交叉項估計參數(shù)π6表示天然氣是否通過對遏制工業(yè)SO2的排放來實現(xiàn)污染減排。除此之外，本文還采用了工業(yè)NO排放、工業(yè)煙塵排放、民用工業(yè)SO2排放、民用NO排放、民用煙塵排放進行估計。公式（3）-（5）中，Z為日度控制變量向量，固定效應λi、ηy、ρm、φd以及隨機擾動項μiymd的含義同公式（2）。

本文采用的數(shù)據(jù)包括兩種類型，即日度數(shù)據(jù)與年度數(shù)據(jù)。首先，日度數(shù)據(jù)主要包括污染、氣候與管道聯(lián)通變量。具體而言，本文采用的被解釋變量為全國120個城市在2002—2013年的日度API指數(shù)，來源于國家環(huán)保部網(wǎng)站；主要解釋變量天然氣管道聯(lián)通數(shù)據(jù)，主要由作者根據(jù)國務院發(fā)展研究中心、殼牌國際有限公司聯(lián)合出版的《中國天然氣發(fā)展戰(zhàn)略研究》[3]與中國燃氣行業(yè)年鑒編輯部出版的《中國天然氣管道分布圖2013》等材料繪制而成；主要控制變量包括日平均氣溫、降水量和風速，來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)；工業(yè)與民用天然氣價格數(shù)據(jù)來源于鋼聯(lián)數(shù)據(jù)網(wǎng)站。其次，年度數(shù)據(jù)主要包括城市燃氣數(shù)據(jù)，包括天然氣與液化石油氣（LPG）的管道、供應量、使用人口等，來源于各年度《城市建設統(tǒng)計年鑒》；城市主要空氣污染物與工業(yè)及民用能源使用數(shù)據(jù)，來源于各年度《中國環(huán)境年鑒》；與城市相關的控制變量，包括人口、人均收入等，來源于各年度《城市統(tǒng)計年鑒》。具體的變量描述性統(tǒng)計及其數(shù)據(jù)來源列于表1中。

3 回歸結果分析

3.1 基準回歸結果分析

本文首先利用公式（1）回歸分析天然氣長輸管道的聯(lián)通對城市天然氣供應變量的影響，此處的解釋變量分別為城市是否聯(lián)通管道的虛擬變量（pipe）以及聯(lián)通管道的每公里通氣能力（lncapkm）的對數(shù)值，被解釋變量分別為城市天然氣管道長度（ngpipe）、天然氣供應量（ngsupply）以及天然氣用氣人口數(shù)量（nguser）的對數(shù)值。此處，本文主要利用城市年度數(shù)據(jù)考察天然氣長輸管道聯(lián)通后是否對城市內(nèi)部天然氣相關變量有顯著影響，其原因主要在于城市內(nèi)部天然氣供應不僅僅來源于長輸管道，另一重要來源是液化天然氣（LNG），可以通過公路或鐵路進行罐裝運輸，并利用儲氣罐進行儲存。因此，天然氣長輸管道的聯(lián)通并不必然導致城市天然氣管道及使用出現(xiàn)顯著增加。

表2為本文對公式（2）進行估計的結果，其中第（1）～（3）與（4）～（6）列分別為管道虛擬變量與管道輸氣能力對城市天然氣供應的影響，從中可知城市聯(lián)通天然氣長輸管道與市內(nèi)管線鋪設長度、天然氣供應量以及用氣人口均有顯著正向影響，表明天然氣長輸管道的聯(lián)通的確可以顯著促進城市內(nèi)部天然氣供應的增長。那么天然氣管道聯(lián)通以及城市天然氣供應的增長是否能夠顯著降低城市空氣污染呢？這就需要我們進一步利用日度數(shù)據(jù)考察管道聯(lián)通后，城市空氣污染的變化情況。為節(jié)省篇幅，下文的實證分析均采用每公里管道輸氣能力作為解釋變量。

表3中，第（1）和（2）列分別利用空氣污染指數(shù)回歸了天然氣管道每公里輸氣量及其與煤炭城市的交叉項，發(fā)現(xiàn)管道聯(lián)通顯著降低了空氣污染指數(shù)，即每公里輸氣量每增加一個百分點，空氣污染指數(shù)降低0.7個百分點；對于煤炭城市，空氣污染在此基礎上進一步降低0.8個百分點，從而可實現(xiàn)1.5個百分點的污染削減。由于城市空氣污染指數(shù)均值為71.5，管道輸氣量均值為334.7m3/km，可知城市聯(lián)通管道輸氣量每增加1m3/km，污染下降0.15，煤炭城市則下降0.32。第（3）～（5）列分別為城市天然氣供應變量與煤炭城市交叉項的估計結果，從估計參數(shù)的大小可知，城市內(nèi)部的天然氣相關因素影響顯著高于長輸管道的輸氣能力。具體而言，相對于非煤炭城市，煤炭城市市內(nèi)天然氣管道、天然氣供應量以及用氣人數(shù)每增加1%，空氣污染指數(shù)分別下降3.2%、2.5%與5.0%。上述結果表明，天然氣長輸管道可能通過市內(nèi)天然氣管道、供給與使用影響空氣污染。為此，本文進一步將長輸管道與煤炭城市交叉項與其他市內(nèi)天然氣變量與煤炭城市交叉項同時放入模型中，根據(jù)Baron&Kenny[22]的“中介作用”模型，若天然氣長輸管道主要通過城市天然氣變量來影響空氣污染，那么同時加入兩組變量的結果是城市天然氣變量作為中介變量其系數(shù)仍然保持顯著，而長輸管道估計系數(shù)或者顯著變小，或者變得不再顯著。

表4為本文利用公式（3）的中介作用模型進行估計的結果，第（1）列為長輸管道基準結果，同上表3中的第（2）列，第（2）～（4）列為分別加入市內(nèi)天然氣變量與煤炭城市交叉項的估計結果。從估計結果可知，加入市內(nèi)天然氣變量交叉項之后，長輸管道交叉項的估計系數(shù)變得不再顯著，而市內(nèi)天然氣估計結果仍然保持顯著，且系數(shù)值略有提高。這一結果表明，煤炭城市天然氣長輸管道聯(lián)通對于空氣污染的遏制作用，確實是以市內(nèi)天然氣設施建設與天然氣使用為主要途徑的。

3.2 穩(wěn)健性檢驗

由前述分析可知，以西氣東輸為代表的天然氣長輸管道對途經(jīng)城市，尤其是煤炭城市空氣污染存在顯著遏制作用，而這種作用是通過增加了城市天然氣設施、供給與使用實現(xiàn)的。那么，為驗證這一結果的穩(wěn)健性，我們需要討論兩方面問題：一是由于在增加天然氣供給的同時，某些城市也增加了液化石油氣等其他燃氣的供應，那么天然氣長輸管道是否恰好捕獲了此類燃氣對空氣污染的遏制作用？二是天然氣長輸管道的鋪設可能存在內(nèi)生性，即在選擇途經(jīng)城市時考慮到了這些城市的空氣污染、經(jīng)濟發(fā)展水平、對于燃煤使用以及是否煤炭城市等因素，從而使前文估計出的天然氣管道對空氣污染的遏制作用，及其在煤炭城市的額外減排效應都會存在偏誤。具體而言，如果選擇空氣污染較嚴重的城市或（和）煤炭城市聯(lián)通管道，那么估計結果將會存在低估。盡管本文估計出的已經(jīng)是顯著的遏制作用，考慮低估后實際遏制作用只能更強，不會影響本文的結論，不過為準確起見，我們?nèi)砸紤]上述變量對管道鋪設的影響。

從表5估計結果可知，無論是天然氣管道聯(lián)通的虛擬變量還是單位長度的供氣能力對液化石油氣的影響均為負向，而且其中只有市內(nèi)液化石油氣氣管道長度是顯著的，其他變量估計結果均不顯著。這說明，一方面市內(nèi)液化石油氣管道與天然氣管道確實有替代關系，另一方面天然氣管道的聯(lián)通對于液化石油氣的供給與使用沒有顯著影響。盡管如此，我們需要進一步考察天然氣對煤炭城市空氣污染的緩解效應是否捕獲了液化石油氣的影響。為此，本文采用表2與3中的模型設定，將公式（3）中天然氣變量換成液化石油氣變量進行回歸分析，實施相關的安慰劑檢驗。

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