IMED文献 | 碳限额的经济影响分析
合作应对气候变化、着力解决环境污染，已经成为各国的普遍共识，兼具强烈的政治和公众意愿。中国和世界经济都处于转变增长方式的关键时期，全球能源生产和消费正经历深刻革命，地区与国家高质量发展目标不断明晰，世界范围内低碳技术与气候融资方兴未艾，环境污染和气候治理成效与挑战并存。着眼未来，我们需要统筹好“发展”与“减排”的要求，加强能源、环境、经济的协同治理并实现多方共赢。
探索未来发展路径具有高度的不确定性，协同实现环境与发展的多重目标也错综复杂。在面向未来进行科学决策的过程中，系统分析模型可作为有力的支撑工具。模型模拟研究可以通过对社会-经济-环境复杂系统进行抽象化，运用机理公式、核算方法或优化函数，刻画自然环境系统与能源经济系统、社会系统之间的联动和相互作用，基于情景模拟和定量分析辅助决策者提出适当的科学解决方案和政策建议。
由北京大学环境科学与工程学院能源环境经济与政策研究室(LEEEP)、流域科学实验室(PKUWSL)等多个课题组联合自主开发的IMED模型 (Integrated Model of Energy, Environment and Economy for Sustainable Development，能源-环境-经济可持续发展综合评价模型），是一套适用于中国、区域和全球绿色低碳转型研究的模型体系。这一体系聚焦于模拟社会经济和能源环境系统，主要包括宏观经济模型(IMED|CGE)、能源技术优化模型(IMED|TEC)、系统核算模型(IMED|HIO)和人群健康模型(IMED|HEL)等分析模块。
目前，通过与其他地球环境系统模型的集成耦合，这一模型体系已被运用于中国中长期低碳发展路径与政策、气候变化与空气污染及其减缓政策的健康影响、气候-能源-经济-农业-水耦合联系等主题的分析。本系列推送旨在介绍运用IMED模型、针对经济系统绿色低碳转型中关键问题的分析成果，以期抛砖引玉，并鼓励更多的交叉学科研究。读者可在本公众号“IMED研究”栏目中浏览IMED模型及研究的更多相关内容。
本期主题
>>>碳限额的经济影响分析<<<
IPCC第五次评估报告进一步确认人为活动造成的温室气体排放是当前气候变暖的主要原因，为应对全球气候变化，2015年巴黎气候大会达成“在本世纪末实现全球平均温度相比工业革命前上升幅度不超过2℃，并力争将温升控制在1.5℃以内”的共识，各国提出相应的自主减排方案和碳限额目标。中国政府在《中国国家自主贡献》中确定了到2030年的自主行动目标：二氧化碳排放在2030年左右达到峰值并争取尽早达峰；单位国内生产总值的二氧化碳排放比2005年下降60%－65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。如何实现中国碳减排目标、实现碳减排目标对中国经济会产生怎样的影响？都是迫切需要探索的问题，也是本篇介绍的内容。本篇从能源的供给侧（例如，电力和可再生能源供给）、能源消费侧（例如，居民部门）、不同区域等角度介绍如何实现碳减排目标以及实现目标的成本及其经济影响。
基于IMED模型评估碳限额的经济影响
以下为我们在本期推送中甄选的相关已发表文章：
01/ 美国退出巴黎协定对中国和印度碳排放空间和碳减排成本的影响
02/ 美国退出《巴黎协定》对中国、欧盟和日本碳排放空间和减排成本的影响
03/ 我国出口结构调整对国民经济和二氧化碳排放的影响:基于IMED|CGE模型
04/ 家庭消费模式对区域发展的影响：以上海市为例
05/ 低碳发电政策对广东省碳减排的影响
06/ 基于自上而下和自下而上模型评估中国区域能源使用和碳排放
07/ 绿色增长：中国大规模可再生能源发展的经济影响
【全文约7000字，全部读完需约9分钟】
01-美国退出巴黎协定对中国和印度碳排放空间和碳减排成本的影响
原文题目：Effects of the US withdrawal from Paris Agreement on the carbon emission space and cost of China and India
期刊：Frontiers in Energy
发表年份：2018
作者：Hancheng DAI, Yang XIE, Haibin ZHANG, Zhongjue YU, Wentao WANG
关键词：巴黎协定，中国和印度，美国退出巴黎协定，碳排放空间，减排成本
文章链接：
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0574-y
研究内容
基于美国退出《巴黎协定》的事实，本文利用IMED|CGE模型，考虑美国不同程度的退约情景，定量评估美国退出《巴黎协定》对中国和印度在碳排放空间和气候减缓成本方面的影响。研究设定美国不退约情景（27，即减排27%）和三种依次增强退约情景（20；13；00，即分别减排20%、13%和不减排00%），同时分别考虑NDC和2°C减缓目标。
研究发现
美国退出《巴黎协定》将对中国和印度的排放空间产生影响。在全球碳排放空间固定以及按人均分配的前提假设下，美国退出《巴黎协定》，NDC20、NDC13和NDC00情景下，在2030年将增加美国的排放空间分别为14%、28%和54%；然而，与此同时中国和印度将需要减少更多的CO2排放，在NDC20、NDC13和NDC00情景下分别减少0.8%、1.6%和3.2%。与美国完全执行其责任的2℃27情景相比，在2℃目标下美国将会得到更多额外的排放空间，在2℃20、2℃13和2℃00情景下分别增加48%、66%和100%，同时中国增加的额外碳减排率分别为1.7%、2.8%和5.0%，印度增加的额外碳减排率分别为1.7%、2.9%和5.1%。
美国减排力度的大小将直接影响中印实现NDC和2℃目标时的碳价。2030年，美国退约将使其自身的碳价显著下降，在NDC20、NDC13、NDC00这3种情景下，其碳价分别降至 90美元/吨、59美元/吨和20美元/吨。然而，其他地区将承受更高的碳价。如中国的碳价将从NDC 27情景的23美元/吨增长至NDC20、NDC13、NDC00情景的24美元/吨、25美元/吨和28美元/吨。
美国的退约将导致中印更多的GDP损失。以中国为例，在美国实现其减排承诺情景下，2030年中国的GDP损失为1270亿美元（95美元/人）；而在NDC00情景下，这一损失将增长至1460亿美元（相当于人均GDP损失将额外增加15美元）（如图1）。
图1 NDC和2°C目标下与美国完全履行减排义务相比各国的GDP变化（2002年不变价格）（a）2016年-2030年（b）2030年
02-美国退出《巴黎协定》对中国、欧盟和日本碳排放空间和减排成本的影响
原文题目：The impacts of U.S. withdrawal from the Paris Agreement on the carbon emission space and mitigation cost of China, EU, and Japan under the constraints of the global carbon emission space
期刊：Advances in Climate Change Research
发表年份： 2017
作者：DAI Hancheng, ZHANG Hai-Bin, WANG Wen-Tao
关键词：美国推出巴黎协定，碳排放空间，减排成本
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.accre.2017.09.003
研究内容
基于美国退出《巴黎协定》的事实，本文利用IMED|CGE模型，考虑美国不同程度的退约情景，定量评估美国退出《巴黎协定》对中国、欧盟和日本在碳排放空间和气候减缓成本方面的影响。研究设定美国不退约情景（27，即减排27%）和三种依次增强退约情景（20；13；00，即分别减排20%、13%和不减排00%），同时分别考虑NDC和2°C减缓目标。
研究发现
美国退出《巴黎协定》对中国、欧盟、日本碳排放空间的压缩效应非常明显。在NDC20、NDC13和NDC00情景下，2030年美国可分别增加12%、28%和54%的排放，然而，中国的碳排放空间将分别压缩0.8%、1.6%和3.2%，欧盟的碳排放空间将分别压缩1.1%、1.8%和3.3%，日本的碳排放空间将分别压缩0.9%、1.8%和3.7%。2℃目标下，与2℃27情景相比，在2℃20、2℃13和2℃00情景下，中国的碳排放分别被压缩1.7%、2.8%和5.0%，欧洲的碳排放分别被压缩1.7%、2.9%和5.5%，日本的碳排放分别被压缩1.5%、3.0%和4.5%。
美国的退约将导致其自身碳价格大幅下降，而其他地区将承受更高的碳价。与美国不退约相比，在NDC 00情景2030年美国碳价从136.2美元/吨降至20美元/吨，而中国碳价则从23美元/吨升至27.6美元/吨（如图2b）。
美国的退约将导致中国、欧盟、日本承受更多的GDP损失。以中国为例，与BaU情景相比，NDC27情景下，2030年中国的GDP损失为1263亿美元（人均GDP损失94.4美元），占总GDP的1.35%，远高于美国；在NDC00情景下，GDP损失将会上升为1461亿元（人均GDP损失增加14.8美元），占总GDP的1.56%（如图2d）。
图2 NDC和2°C目标下的碳价（2002年不变价格）（a）2016-2030，（b）2030年；NDC和2°C目标下与美国完全履行减排义务相比额外的GDP变化（2002年不变价格）
03-我国出口结构调整对国民经济和二氧化碳排放的影响:基于IMED|CGE模型
原文题目：Impacts of export restructuring on national economy and CO2 emissions: A general equilibrium analysis for China
期刊：Applied Energy
发表年份：2019
作者：Rui Wu, Hancheng Dai, Yong Geng, Yang Xie, Xu Tian
关键词：出口结构调整，IMED|CGE模型，二氧化碳排放，中国，治理
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.024
研究内容
本文将我国与2014年发达国家（德国、日本、美国）的出口结构进行对标，同时考虑NDC目标，基于IMED|CGE模型结合情景分析定量评估了气候政策和出口结构调整对中国经济和碳排放的影响。具体的情景设置如表1。
表1 情景参数设置
研究结果
国家层面。出口结构调整将降低出口量，并造成轻微失业，但同时将降低碳排放量。气候政策能显著降低碳排放。例如，2030年NDC减排目标情景与BaU情景相比，二氧化碳排放总量将减少42-43%，碳强度将减少40-41%。综合两种政策，ndc_usa情景（对标美国）是实施气候政策时最优的出口模式，能以GDP损失最小但就业增长最多的方式实现相同的碳排放强度（如图3a）。
部门层面。出口结构调整将增加交通设备部门和服务业的出口，减少纺织品和其他制造业的出口。大多数部门的产出变化和出口量变化相一致。而气候政策将大幅减少能源密集型产品的出口量，包括原油、金属冶炼和电力部门。如NDC目标情景下，到2030年出口电力将减少近87%，而农业、粮食生产、其他制造业和服务业的出口将显著增加。
全球层面。至2030年，中国的出口结构调整将提高全球GDP和消费水平，其中ndc_usa情景下全球GDP增长（0.2%）最高（如图3b）。
对碳价的影响。在实施气候政策的情况下，将会建立碳市场并且在所有情景下2020-2030年的碳价几乎翻倍。2030年，ndc_jpn 情景下的碳价最高约为173美元/吨， 其次是ndc_ger情景和bau_usa情景，碳价分别为170美元/吨和166美元/吨，ndc_chn情景下的碳价最低为161美元/吨。
图3 （a）不同情景下的经济影响和碳排放变化；
（b）2030年出口结构调整对全球GDP和消费的影响
04-家庭消费模式对区域发展的影响：以上海市为例
原文题目：The effects of household consumption pattern on regional development: A case study of Shanghai
期刊: Energy
发表年份: 2016
作者: Xu Tian, Yong Geng, Hancheng Dai, Tsuyoshi Fujita, Rui Wu, Zhe Liu, Toshihiko Masui, Xie Yang
关键词：上海，居民消费模式，计算一般均衡模型（CGE），能值
文章链接:
http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2016.02.140
研究内容
中国经济结构正由出口投资导向型转为内需增长型，家庭消费模式对能源消耗和碳排放的影响愈发重要。本文基于IMED|CGE模型，定量分析2030年上海市高碳（HC）和低碳（LC）两种家庭消费模式对能源消耗和碳排放的影响。家庭高碳和低碳消费模式的家庭支出份额如表2。
表2 不同情景下2030年上海家庭支出份额
研究结果
能源消费。2007年至2030年间，上海市直接和间接能源消费总量将分别增长2555万吨煤当量和8146万吨煤当量，增长幅度约151%和186%。与低碳情景相比，上海市2030年高碳情景下直接能源消费和间接能源消费分别增加3.96倍和0.33倍，因此低碳情景下可节约3400万吨煤当量的直接能源消耗和3100万吨煤当量的间接能源消耗（如图4a）。
碳排放。2007年至2030年间，直接和间接碳排放总量将分别增长2206万吨和4249万吨，增长幅度约为307%和161%。与低碳情景相比，上海市2030年高碳情景下直接碳排放和间接碳排放分别增加0.1倍和1.1倍，因此低碳情景下可减少310万吨CO2的直接排放和3630万吨CO2的间接排放。（如图4b）。
宏观经济。2007年至2030年间，上海的地区生产总值增长3.4倍，而在高碳和低碳情景下，工业总产值分别为20.10万亿元和19.53万亿元。在部门产出层面，与低碳情景相比，高碳情景中除农业部门产值下降17％和服务业产值下降6％外，其余部门的产出均增加（如图4c）。
图4（a）2030年直接和间接能源消耗总量（单位：百万吨煤当量）；（b）2030年直接和间接碳排放总量（单位：百万吨二氧化碳）；（c）HC和LC情景下不同行业的产出变化
05-低碳发电政策对广东省碳减排的影响
【ESI前1%高被引文章】
原文题目：Impacts of low-carbon power policy on carbon mitigation in Guangdong Province, China
期刊: Energy Policy
发表年份: 2016
作者: Beibei Cheng, Hancheng Dai, Peng Wang, Yang Xie, Li Chen, Daiqing Zhao, Toshihiko Masui
关键词: 低碳电力政策，CGE模型，广东省
文章链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421515301841
研究内容
本研究运用两区域动态CGE模型分析了电力行业低碳政策对广东省节能减排的影响。文章根据是否实施低碳电力政策、设定碳排放限额、允许碳排放交易设置了基准情景和6种政策情景（如表3）。
表3 情景设置与描述
研究结果
如果没有额外的政策干预，广东省乃至我国都无法实现当下设定的碳强度目标。而在实施碳排放限额、碳排放交易和清洁能源鼓励政策的情景下，能源强度和碳强度目标都可以实现（如图5）。
实施碳约束会对GDP产生负面影响，并且GDP损失会随着时间逐渐增加，但总是在1%以内。清洁能源发展和碳交易市场都会减少碳减排的GDP损失，但是前者的效果要大于后者。实施碳交易市场减少的GDP损失约为0.037%，小于发展清洁能源减少的GDP损失0.10%。
政策情景下就业结构由第一、二产业向第三产业转移，其中CAP-RE-NG和ETS-RE-NG情景下效果尤为明显。碳交易和鼓励清洁能源使用都能降低减排成本，但同时实施碳排放交易和使用清洁能源时碳减排成本最低。
图5 碳排放和碳强度
06-基于自上而下和自下而上模型评估中国区域能源使用和碳排放
原文题目：Closing the gap? Top-down versus bottom-up projections of China's regional energy use and CO2 emissions
作者: Hancheng Dai, Peggy Mischke, Xuxuan Xie, Yang Xie, Toshihiko Masui
期刊: Applied Energy
发表年份: 2016
关键词: 能源系统分析，情景分析，中国，TIAM，自上而下和自下而上模型的连接
文章链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915008272
研究内容
本研究采用两种新开发的全球自上而下的中国多区CGE模型（即由作者独立开发的IMED|CGE模型早期版本）和自下而上的TIAM模型，模型软链接框架如图6a所示。其中，自上而下的CGE模型为自下而上的能源系统TIAM模型提供未来能源服务需求相关的驱动因素；TIAM模型计算出不同部门成本最小的技术组合、最终能源需求后，CGE模型中的能效提升参数可以据此作出相应的调整，从而使得自上而下的CGE模型与TIAM模型计算出的能源消费量匹配。
以中国为研究区域，比较中国到2050年的能源消耗和二氧化碳排放路径。研究采用了共享社会经济路径2（SSP2）的社会经济发展模式，依据是否实施碳税政策设置了基准情景和碳税情景（如表4所示）。
表4 情景设置与描述
研究结果
（1）两个模型初始能源、最终能源消耗和碳排放结果表明，尽管在中国总能源消耗增长、部门能源消耗增长、碳排放增加结果一致，但是自上而下模型预测中国未来会有更高的能源使用增长以及在钢铁化工等部门会有更多的煤炭消耗，并且在短期内相比自下而上模型会有更快更多的碳排放增长，而自下而上模型预测未来部门能源结构方面更加多元化，并且相比自上而下模型中国地区减排潜力更小。
（2）研究发现，当CGE模型中不同能源载体和不同部门的能源效率参数大幅度调整后，软链接的CGE模型和TIAM模型之间的差异会在一定程度上得到减少。尤其是通过软链接这两个模型，部门的电力消耗差异得以显著减小。但是在煤、气、油三个能源载体依然存在差异。例如煤炭，最大的差异在电力部门和非金属生产部门。与TIAM模型相比，CGE模型显示电力生产需要使用更多的煤炭，但是非金属生产需要更少的煤炭（图6（b））。总之，本研究表明，没有在部门水平上更详细的用能调查，完全消除自上而下和自下而上模型之间的差距是非常具有挑战的。各区域能源消费均呈现增长，工业部门是中国主要的耗能部门，中国的能源结构将由煤向天然气和电转型。能源部门和工业部门是主要的排放源。碳税情景下两模型均在2050年之前碳排放达峰；相较基准情景，均有约50%的减排；在长期来看，发电部门是主要的减排部门。
（3）对于本文讨论的大多数定量指标（例如，一次能源、最终能源和二氧化碳排放）而言，软链接模型CGE-TIAM的预测结果处于AME模型预测结果的中等范围内（如图6c）。TIAM的基准情景略低于AME模型预测的全球排放量。2005-2040年CGE模型的基准情景下的一次能源略低于AME模型的预测范围。
图6 （a）模型链接框架；
（b）CGE及其与TIAM模型软链接结果；
（c）基准情景下本研究结果与全球AME模型结果对比
07-中国大规模可再生能源发展的经济影响
【ESI前1%高被引文章】
原文题目：Green growth: The economic impacts of large-scale renewable energy development in China
作者：Hancheng Dai, Xuxuan Xie, Yang Xie, Jian Liu, Toshihiko Masui
期刊：Applied Energy
发表年份：2015
关键词：可再生能源，经济影响，绿色增长，可计算一般均衡模型(CGE)，中国
文章链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915012763
研究内容
本研究采用CGE模型，研究，中国大规模开发可再生能源对经济部门的影响及其产生的环境效益。本文根据可再生能源发展速度构建了两种情景：①新能源以正常、平稳速度发展（基准情景）；新能源高速发展（REmax）。
研究结果
实现可再生能源发展目标需要大量的投资（图7（a））。在基准情景下，发展可再生能源的总投资2040年为3500亿美元，到2050年上升为3000亿美元。大部分的投资用于发展风能和太阳能发电，相对少的投资用于核能和水电。相反，在REmax情景下，可再生能源的投资会更多。2040年，风能和太阳能的投资达到最大值分别为2400亿美元和5300亿美元。这意味着超过9%的总投资用于发展可再生能源。
大规模发展可再生能源不会导致大量的宏观经济成本。相反，会有助于上游行业的生产、重塑能源结构、带来大量环境协同效益。如果在2050年可再生能源在总一次能源中的比例达到56%，非化石能源发电将会成为支柱行业，其增加值占GDP的3.4%，可与其他行业相媲美，包括农业（2.5%）、钢铁（3.3%）、建筑业（2.1%）。
在REmax情景中，到2050年，大规模发展可再生能源将刺激与可再生能源相关的行业产出值1.18万亿美元，创造4.12百万个就业机会。除此之外，还能显著减少CO2和空气污染物排放（如SO2和NOx）。2050年，CO2、SO2、NOx和N2O的减排率分别为34%、42%、31%和24%（如图7b）。更重要的是，与基准情景相比，2010-2050年，能够累计减少CO2排放量61Gt，这有助于实现碳减排目标，考虑到2℃目标下，全球碳预算约为960-1500Gt。
大量的投资可再生能源会对就业、产出和其他行业产值产生影响（图7（c））。在基准情景下，2050年风能和天阳能发电的刺激效果大于水电和核电。在REmax情景下，由非化石能源和可再生能源刺激产生的其他行业的总间接产值分别为13320亿美元和1179亿美元。因此，非化石能源和可再生能源分别产生了3420亿美元和3020亿美元的增加值，分别占GDP的0.99%和0.88%，分别创造487万和412万个就业。
为实现可再生能源发展目标，在2010年至2020年的短期内，可再生能源发展的技术和市场将趋于成熟。2020年到2030年将会是可再生能源快速渗透的十年。从2030年到2050年的较长时期来看，中国能源体系将大规模替代化石能源，建立以可再生能源为主导的现代能源体系。
图7 （a）非化石发电的投资和可再生能源在总投；（b）对空气污染和CO2排放的影响;（c）2050年可再生能源发展对就业、产出、其他行业增加值的刺激效果
08-京津冀地区硫税及可再生能源开发对CO2、NOx、SO2排放的影响
原文题目：Impacts of SO2 taxations and renewable energy development on CO2, NOx and SO2 emissions in Jing-Jin-Ji region
期刊：Journal of Cleaner Production
发表年份： 2017
作者：Yang Xie, Hancheng Dai, Huijuan Dong
关键词：碳/空气污染物排放，可再生能源，环境税，可计算一般均衡模型（CGE），京津冀地区
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.10.057
研究内容
本研究采用IMED|CGE模型，选取了我国最大的城市群以及空气污染最严重的地区之一——京津冀地区作为研究对象，探究硫税与可再生能源政策对于该地区的能源、环境和经济影响。本研究设置了六种情景，包括没有任何硫税与可再生能源政策的基准情景（BaU）、单独实施低硫税政策情景（TAX1）、高硫税政策情景（TAX2）和可再生能源政策情景（RE），以及这三种政策的不同组合情景（TAX1RE、TAX2RE）。
研究结果
研究结果表明，在高硫税和可再生能源鼓励政策同时实施的情景下（TAX2RE），碳减排与空气污染物效果最好（图2a）。可再生能源的发展在降低能源强度方面作用有限，但是可以显著降低碳强度，而硫税政策则有助于同时降低能源强度和碳强度（图2b）。在TAX2RE情景下，2020年北京市碳强度下降超过55％，在地区层面可以实现我国的哥本哈根目标，而天津和河北仅分别下降34%、17%，需要更严格有效的政策（图2b）。
在部门层面，征收硫税可以同时降低各部门CO2、NOX和SO2的排放，且硫税越高，减排效果越好（图2c）。其中，电力部门是三个地区二氧化碳和空气污染物贡献最大的部门，同时也是减排潜力最大的部门。
同时需要注意的是，征收环境税是降低空气污染物和碳排放的有效政策，但也会对各省市宏观经济产生一定的负面影响（图2d）。2020年天津的GDP损失最高，其次为北京和河北。当环境税与可再生能源发展相结合时，GDP损失将低于单独实施环境税下的GDP损失，其中河北省TAX1RE情景和TAX2RE情景下GDP甚至还会增加（分别为0.34％和0.22％），可见发展可再生能源有助于京津冀地区的低碳发展。
图9 （a）不同情景下大气污染物及碳排放（b）与2005年相比能源强度和碳强度变化（c）2020年与基准情景相比各部门减排潜力（d）硫税与可再生能源政策的宏观经济影响
系列推送持续更新中: 健康/碳交易与环境税/碳限额/
SDG研究 / 产业竞争力
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编辑：任明 马腾
排版：胡卉然
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