文献阅读 | 能源结构对二氧化碳排放和经济的影响

题目

Economy and carbon dioxide emissions effects of energy structures in the world: Evidence based on SBM-DEA model

作者

Xiaoyong Lin , Xiaopeng Zhu , Yongming Han, Zhiqiang Geng, Lin Liu

期刊

Science of the Total environment

时间

2020年8月

一作

单位

College of Information Science & Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, China

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969720324645

研究背景

如今，由于二氧化碳(CO2)的大量排放导致的全球变暖现象日益严重，对世界经济和社会的可持续发展产生了巨大的影响。二氧化碳排放主要来自化石能源的燃烧，如石油、天然气和煤炭。为此，文章提出了一种基于数据包络分析的经济和二氧化碳排放评价模型(SBM-DEA)，对世界上一些国家和地区的能源结构进行分析和优化。结果表明，发达国家和地区的整体效率高于发展中国家。此外，通过对投入变量和非理想产出变量的优化配置，可以使一些低效的国家和地区的效率值得到较大的提高。此外，无论是2017年还是2018年，欧洲和大洋洲的平均效率值都相对较高，而亚洲这两年的平均效率值在五大洲中都是最低的。

研究方法

SBM-DEA模型

当ρ = 1, s = 0, sg = 0, sb = 0时，说明决策单元（DMU）是有效的。当ρ <1，则意味着DMU是无效的。通过减少输入过剩和输出过剩，增加输出的不足，可以对DMU进行改进。

原始数据分析

分析29个国家和地区的资源消耗情况，2017和2018年的石油，天然气，煤炭消费被当做投入变量，人均GDP被当做期望产出变量，二氧化碳排放量被当做非期望产出变量。

2017年部分国家和地区的数据如图所示。发达国家和地区的人均国内生产总值明显高于发展中国家，同时也有更多的CO2排放和能源消耗。2018年的情况与2017年相似。一般来说，发达国家和地区的能源消耗和CO2排放量高于发展中国家。同样的，发达国家和地区的人均国内生产总值也更高。

图1. 2017年部分国家的数据情况

图2. 2018年部分国家的数据情况

计算过程

文章的整个计算过程如下图所示：

研究结果

 2017年能源结构的分析和优化

文章使用SBM-DEA模型计算2017年29个国家和地区的相关数据，绘制出效率空间分布图。发现许多发达国家和地区的效率高于平均水平，而发展中国家大多低于平均水平，这意味着大多数发达国家和地区的效率值高于发展中国家。

图3. 2017年部分国家和地区的效率分布图

表1. 2017年29个国家的效率值和松弛变量

以两个发达国家为例，法国和英国的效率值分别为1和0.824。法国的人均GDP为39,869美元，英国为39,735美元。英国的二氧化碳排放为403Mt，法国是321 Mt。在天然气消耗量方面，英国达到了67Mtoe，而法国为38.5 Mtoe。这两个国家的石油、煤炭消耗和人均GDP几乎相同。从这两个国家的比较来看，英国的效率值小于1的原因是天然气消耗的过剩，可以通过调整天然气消耗提升英国的效率。

图4. 2017年英国和法国对比图

以两个发展中国家为例，罗马尼亚的效率值为1，而土耳其的效率值为0.093。罗马尼亚和土耳其的人均GDP分别为10,757美元和10,512美元。罗马尼亚的二氧化碳排放为72.6Mt，而土耳其达到了388.5Mt。从煤炭消费来看，土耳其达到了39.5Mtoe而罗马尼亚仅有5.4Mtoe，土耳其的天然气和石油消费同样远高于罗马尼亚。文章计算得到的土耳其的石油，天然气，煤炭，碳排放的松弛变量分别是31Mtoe，28Mtoe，22Mtoe和234Mt。因此，减少各种化石燃料的消费能够提升土耳其的效率值。

图5. 2017年罗马尼亚和土耳其对比图

2018年能源结构的分析和优化

文章使用SBM-DEA模型计算2018年29个国家和地区的相关数据，绘制出效率空间分布图，并计算出相应的松弛变量。从图中可以看出，世界上有六个高效的国家或地区（效率值为1）。许多发达国家和地区都高于平均水平线，许多发展中国家都低于表2中的平均水平线，这说明大多数发达国家和地区的效率值都高于发展中国家。一般来说，各国二氧化碳排放的松弛变量较大，通过表格中的优化配置，可以对几个低效的发达国家和发展中国家的能源结构进行分析和优化。

图6. 2018年部分国家和地区的效率分布图

表2. 2018年29个国家的效率值和松弛变量

从图中可以看出，英国，阿根廷的效率值都为1，松弛变量均为0。英国，阿根廷和中国的人均GDP分别为42,588美元，11,627美元和9608美元。阿根廷的人均GDP总值远低于英国，但两个国家的效率值均为1，原因是阿根廷的能源消耗和二氧化碳排放量都较低。相比之下，中国的效率值非常低，投入值和二氧化碳排放的松弛变量都较大。近年来，中国政府正在通过颁布一系列法律法规来努力减少二氧化碳排放，在不影响经济发展的情况下逐步用清洁能源代替初级能源，但这是一个漫长的过程。英国之所以是相对高效的，原因正是其采用了先进的技术和设备，合理地用清洁能源取代化石能源。

图7. 英国，阿根廷和中国的对比图

综合分析

图8和图9展示了属于不同大洲的29个国家或地区，2017年和2018年各大洲的平均效率值。两年间发达国家的平均效率值有所上升。无论是在2017年还是2018年，欧洲和大洋洲的平均效率值都相对较高，而亚洲这两年的平均效率值都是五大洲中最低的，因为亚洲的大多数国家都是技术不够成熟的发展中国家。综上所述，29个国家或地区的总体情况在两年间保持稳定，没有发生重大变化。

图8. 各大洲2017年的平均效率

图9. 各大洲2018年的平均效率

研究结论

本文提出了基于SBM-DEA模型的经济和二氧化碳排放评价方法，对世界上29个国家和地区的经济效益和二氧化碳排放量进行分析和评价。结果表明，发达国家和地区的整体效率价值均高于发展中国家。同时，通过松弛变量的最优配置，低效的国家或地区可以得到很大的改善。例如，在2017年，英国的效率值可以通过减少20Mtoe天然气消费和62Mtoe二氧化碳排放来提高；中国可以减少425Mtoe石油，161Mtoe天然气，1269Mtoe煤炭和6266Mt二氧化碳排放以提高能源效率。因此，所有效率低下的国家或地区都能通过调整能源结构和二氧化碳排放来实现经济和社会的可持续性发展。此外，无论是2017年还是2018年，欧洲和大洋洲的平均效率都较高，而两年中亚洲的平均效率都是五大洲中最低的。

编辑&排版：马啸天

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