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我系王戎课题组在能源与气候变化领域取得重要进展
发表时间:2019-08-26 阅读次数:1234次
       近年来,能源与气候变化成为备受关注的国际问题。当前气候减排的途径包括使用碳税,其主要机制是提高化石能源的使用成本,减少化石能源的消耗,目标是实现能源系统整体碳强度(carbon intensity)的下降,但伴随巨大的经济损失和GDP下降。我系青年研究员王戎课题组的研究强调了碳税减排的另外一种机制,即当能源使用成本增加时,会诱导技术创新来提高能源使用效率,不仅可降低碳强度,可同时促进GDP增长,为经济发展提供新的动力。以往研究(以诺贝尔经济学家William D. Nordhaus为代表)假设第二种机制作用较弱,虽然有相关学者对此提出不同看法,但由于缺乏直接观测数据,是否可通过诱导技术创新促进气候减排已成为气候变化领域亟待解决的关键科学问题。
       针对这一问题,王戎课题组与美国斯坦福大学、加拿大滑铁卢大学合作,在经典的经济增长理论中引入技术因子,通过结合历史数据与经济模型,揭示了能源成本的诱导机制如何调节能源效率变化,结合气候模型,证明了诱导性技术创新对气候减排的重要作用,从理论上探索了如何实现从粗放高能耗经济向节能减排低碳经济的转型,该研究对全球及中国能源可持续发展战略的制定有指导意义。北京时间8月23日,研究成果以《诱导性节能技术创新提高气候减排效益》(“Induced energy-saving efficiency improvements amplify effectiveness of climate change mitigation”)为题的Research Article全文发表于Cell出版基团旗下的能源旗舰刊《焦耳》(Joule)杂志。
       复旦大学为该研究第一完成单位,王戎博士为论文第一作者和唯一通讯作者,共同作者包括斯坦福大学Ken Calderia教授和Harry Saunders研究员、加拿大滑铁卢大学Juan Moreno-Cruz教授,该研究得到国家海外高层次引进人才计划和国家自然科学基金(41877506)资助。

 

碳价作用于GDP和碳强度的第二种机制

 

       自然科学与经济学相结合,为国家探索粗放能源消耗型经济向节能低碳经济的转型

       诺贝尔经济学家John Richard Hicks在1932年的《The Theory of Wages》中提出,技术进步会提高相对稀缺要素的生产效率,获取更高的边际效益。能源作为当代全球经济增长的核心动力,其稀缺程度变化会显著影响技术进步速度,如果考虑碳排放导致的气候变化,化石能源的经济成本增加,能源稀缺度升高,会刺激更快的能源相关技术进步,Hicks假设对当前全球关注的气候减排(如巴黎协定)有重要意义,是否可通过技术进步实现气候减排已成为关键问题。而解决该问题需要找到观测证据,或证明技术进步与能源成本的关系,因此有研究分析了能源价格对美国发明专利数的影响,例如发现当能源价格上升1%时,能源相关的技术专利数增加0.35%。更为直接的证据是观测到能源效率,但由于能源效率与宏观经济参数的关系复杂(例如,反弹效应导致能源使用效率上升1%,能源使用量下降往往低于1%,详见Jevons Paradox),缺乏简单有效的方法直接观测能源效率,因此诱导技术进步是否可促进气候减排缺乏直接证据。
       本研究针对这一科学问题,建立一个基于经典经济增长理论、同时考虑技术变化的能源系统一般均衡模型,从宏观经济数据中直接观测能源效率。首先改进了经典索洛(Solow)经济增长模型,将经济生产分为能源与非能源部门,引入三个技术因素:能源生产效率、能源使用效率和非能源效率,考虑了能源与非能源产品(或服务)在一定程度上的可相互替代性,根据经济利润最大化原则,建立基于资产、劳动力、技术水平的新型经济增长模型,模拟了GDP、能源、生产成本中能源所占比例(Omega)、能源价格对技术变化的动态响应过程,解释了能源消耗量在能源使用效率提升时出现的反弹效应,结合观测的反弹效应,对模型中的关键参数 – 能源与非能源的相互替代弹性系数(σ)进行了有效估计和不确定性分析。
       使用新建立的索洛(Solow)经济生产模型,结合1971-2015年间中国、美国、欧洲和世界四个经济体的资产、劳动力、能源价格、Omega、GDP、能源消耗量等数据,使用20年移动时间窗方法,计算了能源生产效率、能源使用效率和非能源效率的变化趋势,观测到能源使用效率的变化与生产成本中能源所占比例(Omega)相关,例如在1980年,由于全球能源价格上涨,刺激了四个地区能源使用效率的加速增长,其机制可被模型中能源使用效率的边际效益与Omega的关系解释,并与观测的80年代美国能源使用技术的专利数据吻合,而非能源效率的增长除中国外,美国、欧洲和世界三个经济体均变化不大,与这三个经济体的生产成本中能源所占比例较低有关。
       基于Omega,建立了能源生产效率、能源使用效率和非能源效率变化的回归方程,其中能源生产效率、能源使用效率的增长与Omega显著正相关,即当Omega提高时,在随后20年内能源生产效率和能源使用效率的增长加快,而非能源效率只在中国与总成本中能源所占比例呈显著负相关,与中国经济体中Omega较高有关。在考虑了数据自相关、能源与非能源因素的相互替代弹性系数及其它参数的不确定性后,结合蒙特卡洛误差分析方法,发现能源使用效率变化与Omega的相关性在统计水平上保持稳定。
       结合William D. Nordhaus的经济-气候耦合模型(DICE),考虑观测得到的碳价对能源使用效率的诱导机制,在福利最大化和全球增温2摄氏度的两种情景下,比较了有、无诱导性技术变化(IEC)对未来100年全球能源消耗量、工业二氧化碳排放量及消费水平的影响。在福利最大化情景下,诱导性技术变化会刺激更高的碳价,减少能源消耗量和二氧化碳排放量,增加人均消费水平;在全球增温2度目标情景下,诱导性技术变化显著降低了减排的成本,更早地实现人均消费水平的提高。在两种气候情景下,诱导性技术变化均提高了气候减排的效益,降低了气候减排的成本,增加了GDP和消费水平,为经济发展提供了新动力。
       作为本研究的主要结论,在未来气候减排中,需要充分考虑能源价格变化对技术创新的影响,如何通过政策调控实现节能型技术创新和经济转型是影响未来气候减排成本的重要因素。

       作为下一步研究重点,希望研究如何将本研究建立的能源经济模型与课题组之前建立的空气污染气候模型结合,依托复旦大学在环境科学、大气化学、气候变化、经济学、大数据科学等学科上的整体优势,实现多学科交叉融合,探索技术创新和能源调整对未来中国空气质量、经济发展和气候变化的综合影响

 

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