【资源可持续利用】天然气消费替代效应与中国能源转型安全
作为从传统化石能源向清洁可再生能源过渡的重要桥梁，天然气在降低碳排放和促进人类社会可持续发展过程中起到重要作用，已成为世界各国能源结构优化、低碳化战略选择。近年来，我国政府出台了“大气污染防治行动计划”和“加快推进天然气利用的意见”等一系列政策，有力地推动了天然气消费。天然气消费在一次能源中占比上升到7.8％，但距《能源发展“十三五”规划》天然气占比10％的预期目标仍有较大差距。
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天然气替代传统化石能源带来的供应安全和资产搁浅已成为我国能源转型和结构优化不可忽视的问题。如何寻求天然气对传统化石能源的最优替代路径，优化能源消费结构、保障能源供应的持续与稳定，是我国能源转型安全亟待解决的关键问题。
【文章题目】天然气消费替代效应与中国能源转型安全
【文章作者】王小林1.2 成金华１.２ 陈军２.３ 肖建忠１.２
【作者单位】１.中国地质大学（武汉）经济管理学院；２.中国地质大学（武汉）资源环境中心；３.中国地质大学（武汉）马克思主义学院
【关键词】天然气替代效应；能源转型安全；资本弹性—粘性；设备资产搁浅；系统动力学模型
【基金项目】国家自然科学基金项目“中国天然气管网空间溢出效应与资源配置路径优化研究”（批准号：71874166），“中国天然气市场价格扭曲的关键因素识别与纠偏路径选择研究”（批准号：71673257）；国家自然科学重大基金项目“新时代战略性关键矿产资源供给安全与政策”（批准号：71991482 ）。
【文章来源】《中国人口·资源与环境》2021年31卷第3期，P138-149
现有文献研究主要着眼于能源替代的驱动机制、成效及影响因素等方面。从已有文献来看，能源替代主要侧重于能源结构优化的路径和政策选择，而较少从微观层面分析能源产能设备沉默成本对能源替代的成本约束。
有鉴于此，本研究基于资本弹性—粘性理论，建立能源替代系统动力学模型，揭示天然气消费替代效应引发的能源供应安全和资产搁浅风险的形成机理，从能源结构优化、供应安全和资产搁浅三个维度，分析并综合评价能源转型安全，提出适合我国天然气替代的市场和政策激励优化方案，以期为我国能源结构优化和转型安全提供理论、方法借鉴和政策支持。
用交叉价格需求弹性来度量天然气替代效应，模拟出了2000年、2004年、2008年、2014年和2018年这五年的天然气价格需求曲线，以及天然气对煤炭、石油和电力替代弹性（图2），以此分析天然气价格变化对产能资本弹性—粘性影响，以及由此产生的天然气替代效应引发的供应安全和产能资产搁浅问题。
从天然气需求曲线来看（图2(a)），产能资本存量为衡量能源供应安全提供了参考，存量越大，市场面临供应安全与风险越大。在2000—2018年，我国天然气供应弹性空间逐渐增大，提高了价格调节市场供需能力，而天然气资本存量上升导致市场面临更大供应安全。
天然气对煤炭、石油和电力的替代弹性呈现出先增加后降低的偏态分布，提高天然气价格，加快了对煤炭、石油和电力等能源的替代，但也会刺激天然气产能投资、增大天然气供应压力。随着资源供应增加，天然气对煤炭、石油和电力的替代弹性也逐渐增大，而弹性峰值对应的价格逐渐向右移（图2），这意味着充足的天然气供应推动了市场扩张，也潜在地降低了天然气溢价，减小了替代成本。这表明，在市场机制作用下，天然气可以对这三种能源实现有限替代，增大能源之间的互补性，有利于防范短期内能源供应短缺诱发的能源系统供应安全和风险。
天然气对煤炭、石油天然气替代产生了能源资产搁浅和投资增加的负、正两种效应（图3）。天然气产能资本投资是以其他三种能源资产搁浅为代价的，而过高的市场价格将导致其天然气自身资产搁浅和投资萎缩，反而刺激了煤炭、石油等能源资本投资。我国面临天然气资源供应紧缺的客观现实，市场化改革过快将推高天然气价格，不仅会导致自身资本大幅度搁浅，而且也为传统化石能源投资提供了潜在的逆增长空间。这不仅不利于天然气市场发展和能源结构优化，也会给能源系统供应安全带来冲击。因而，能源替代过程应该遵循产能资本弹性—粘性对能源结构优化的资本成本约束，综合考虑供应安全与资产搁浅之间的平衡，寻求能源结构优化路径。
由前述分析可以知道，市场价格机制只能在弹性供应空间发挥作用，难以在短期内调节传统化石能源产能资本存量，不能有效推动天然气对传统化石能源替代，达到能源结构优化目的。因而，需要制定合适的能源政策驱动天然气对煤炭和石油替代，鉴于投资（PBT）、技术效率（E）并不能有效推动能源替代，主要考虑了市场和政策激励，即碳市场价格和天然气溢价。情景分析到2050年我国天然气替代效应带来的能源结构变化、产能资产搁浅和供应安全，综合评价两种政策对我国能源转型安全的影响。
将2019年作为基准年，考虑能源强度、经济增长和人口变化等因素，借鉴严良等研究方法，预测出2019—2050年我国能源总消费量，采用随机漫步方法生成四种能源市场价格序列。具体情景及方案见表3。
不同情景下2050年我国能源消费结构预测结果见图 4。
从基准情景来看，到2050年我国天然气消费占比在12％左右，煤炭和石油消费占比超过60％，以传统化石能源为主的能源结构未得到根本性改观。这意味着，提高碳价格有利能源消费结构实现从煤炭向电力等清洁能源的跨越式转换，但弱化了天然气作为能源清洁化转型的过渡作用。
从政策激励来看，PRＩ、PRⅡ和PRⅢ方案提高了天然气消费占比，最高达到23.1％；而煤炭和石油消费占比分别下降了约5％和3％，电力消费占比有所下降。这表明，虽然政策性激励能够优化能源消费结构，但是未能推动电力等再生能源消费增长。
从市场和政策激励组合情景来看，CBPⅠ＋PRⅠ、CBPⅡ＋PRⅡ和CBPⅢ＋PRⅢ方案同时提高了天然气和电力消费占比，两者综合最高超过50％，石油消费占比在19％左右，而煤炭消费占比下降到30％。这表明，市场和政策激励共同作用加快煤炭向天然气和电力等清洁能源转换，保持石油消费结构稳定，源循序渐进推动能源结构优化。
观察2019—2050年10种方案下累积资产搁浅结果，发现天然气替代传统化石能源导致了煤炭和石油产能资产搁浅，增加了天然气和电力产能资本投资需求（图5）。这表明，传统化石能源向清洁能源转型必然要承受传统能源资产搁浅的代价，也为低碳和可再生能源提供了潜在的产能资本投资空间。具体而言，相比于BAU方案，碳市场价格提高了煤炭消费环境成本，增强了市场对电力等可再生能源的选择偏好（图4）。
将三种情景对比发现，碳价政策主要强化煤炭设备产能的环境成本，通过电力等清洁能源产能投资对其产能资本产生挤出效应，即碳价政策能对传统化石能源产能资本实施定向调控。政策激励则主要减少天然气溢价，降低天然气替代的成本门槛，能针对性调控自身产能资本投资，不能对其他能源产能资本进行选择性调控。而碳价与天然气溢价政策组合兼具能源产能资本投资和搁浅的选择和定向调控功能。
鉴于资本粘性和弹性对能源供给安全的影响，模拟出2050年三种情景下10种方案对应的能源供应安全临界值、弹性供应空间（图6），以此分析各能源品种供应安全。
从天然气自身供应安全来看（图6(ａ)），在相同安全水平下，渐进式的碳价和天然气溢价政策更能增加天然气供应弹性。政策激励情景虽然提高了天然气消费量，但对供应安全提出了更大的挑战。在市场和政策激励情境下，天然气安全供应临界值与政策激励下的临界值相当，但是显著扩大弹性供应空间。三种情景虽然推动了天然气消费，也抬高了安全供应临界值，即产能资本存量，这意味着天然气供应面临更大的产能资本刚性约束，市场将面临更加严峻的供应安全形势。
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从天然气替代效应来看(图6(b)、(c)和(d))，相对于BAU方案，碳价、溢价以及两者组合政策下煤炭供应安全临界值呈阶梯式下降，影响效果大致相当。不同的是碳价政策缩小了煤炭弹性供应空间，而碳价与溢价政策则扩大了供应弹性。石油供应安全临界值并没有显著降低，增大了石油市场供需的价格调控能力，即天然气替代能够部分缓解我国石油市场供需紧平衡状态。对电力等可再生能源而言，相较于BAU方案，碳价政策推高了供应安全临界值，缩小了弹性供应空间；而溢价政策以及碳价和溢价组合政策在没有过多增加安全临界值的情况下，扩大了其弹性供应空间。这表明，天然气替代提高了电力等可再生能源供应弹性，强化了清洁能源消费的市场导向。
从天然气消费占比、传统化石能源设备资产搁浅和能源系统供应安全（四种能源安全供应临界值之和）三个维度，利用三元相图，综合评价市场和政策驱动效应引发的能源转型安全（图7）。图中三个轴的坐标值均表示相对BAU方案的消费占比、资产搁浅和安全供应量的增长或减少百分比。需要说明的是，供应量约接近BAU方案的安全供应临界值，能源系统相对供应安全水平越高，反之越低。
总体而言，在市场和政府激励的情景下，提高天然气消费占比，加快了煤炭石油向电力等再生能源转换，但是，我国将面临化石能源资产搁浅程度加深和能源供应安全水平下降的困境。综合考虑天然气替代下对能源系统安全和传动化石能源资产搁浅的影响，渐进式政策激励（PRⅡ），强政策激励（PRⅢ）以及渐进式的市场和政策激励 （CBPⅡ＋PRⅡ）方案在推动我国能源结构优化的同时，能有效控制传统化石能源搁浅风险、维持较高的能源系统供应安全水平。
本研究建立能源替代系统动力学模型，揭示了产能资本弹性—粘性对能源替代和结构优化的资本成本约束机理，捕获了能源转换过程中各能源品种产能资本投资和资本存量动态演变特征，识别出了天然气替代产生的能源系统供应安全和资产搁浅风险，为能源替代和转型安全研究提供了科学的理论和方法借鉴。主要研究结论与启示如下。
（１）2000—2018年我国煤炭和石油产能资本存量过高，形成了能源市场对传统化石能源消费的路径依赖，成为天然气替代和能源转型的资本阻力，这也决定了天然气替代驱动的能源结构转型将是一个渐进、长期的过程。天然气替代是以整个能源系统供应安全降低和产能资产搁浅为代价的；而市场价格调控仅能推动天然气对煤炭、石油和电力的有限替代，部分缓解能源供应短缺诱发的供应安全和风险。因而，天然气对传统化石能源替代应该遵循产能资本弹性—粘性对能源结构优化路径的资本成本约束，以降低天然气替代对能源系统供应安全的冲击和产能资产搁浅风险。
（２）如果现有碳价和天然气消费溢价不变，到2050年我国天然气消费占比12％左右，我国以煤炭和石油消费为主的能源结构未得到根本性改观。能源消费结构优化和清洁化转型应实施积极的碳价和天然气溢价政策，但是两者激励机理和路径则不同。碳价政策主要强化煤炭设备产能的环境成本，刺激电力等清洁能源产能资本投资，挤压煤炭产能投资，实现了煤炭产能投资转向清洁能源产能投资路径的定向调控，但弱化了天然气作为过渡能源的桥梁作用。天然气溢价政策主要降低天然气替代的成本门槛，增加了天然气消费和产能投资偏好，但不能对煤炭、石油和电力产能资本投资进行选择性调控。而碳价与天然气溢价政策组合兼具能源产能资本投资的选择和定向调控功能，在降低煤炭和石油产能资本存量的同时，也提高了天然气和电力等清洁能源投资，循序渐进地推动了煤炭、石油消费向电力等清洁能源转换。
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（３）碳价和天然气溢价政策能提高天然气消费占比，优化能源结构，但是到2050年我国将面临化石能源资产搁浅程度加深和能源供应安全水平下降的困境。综合考虑政府对能源结构优化预期、能源系统供应安全和传统化石能源产能资产搁浅三个维度，我国应采取三种方案：天然气溢价降低60％；溢价降低从20％逐步增至60％；以及碳价从100元/t逐渐提高到600元/t，溢价降低从20％逐步增至60％。这三种方案既能提高天然气消费占比，达到20％左右，又能有效控制传统化石能源搁浅风险、保障能源系统供应安全，推动传统化石能源向电力等清洁能源渐进转换。
（４）保障能源转型安全需要加大我国碳市场和天然气市场改革和建设力度，充分发挥价格机制对能源消费和产能设备投资的市场调节作用。一方面，通过提高碳税增加企业煤炭和石油消费环境成本，激发更多低碳能源消费企业参与碳市场交易，诱导企业能源消费清洁化转型；另一方面，加大我国天然气资源供应、基础设施建设和市场化改革，降低因供应短缺形成的负消费溢价水平，从而减少天然气替代成本，充分发挥价格对能源替代的市场调节机制。此外，需要发挥政府对能源市场投资的宏观调控作用，逐步减少煤炭和石油产能投资、增加天然气和电力等清洁能源产能投资，降低能源转型过程中的资产搁浅、防范能源系统供应安全风险。
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