基于區塊鏈技術的碳排放機制設計

袁莉莉，李東格

[1.賽迪（青島）區塊鏈研究院有限公司，山東青島 266000；2.賽迪研究院網絡安全研究所，北京 100846]

1 引言

碳市場是全球為解決經濟發展所帶來的環境外部性問題而產生的政策性市場。目前，中國碳市場成熟度水平整體較低[5]，我國有七個試點碳市場，試點之間在排放數據報告、第三方核查、配額分配、企業配額交易、履約清算碳排放的五大環節各自獨立運行。在排放數據報告方面，七個交易試點納入了高排放量的產業，且根據各自試點的實際情況，納入了各自的特色產業，使之更適應當地的情況。以廣東省為例，2019年納入碳排放管理和交易的行業是指電力、水泥、鋼鐵、石化、造紙、民航等六個行業，納入碳排放管理和交易的控排企業共242家，還有已建成投產但是未納入管理或計劃2019～2020年建成投產，并達到上述門檻的新建項目企業共37家。在第三方核查方面，配額市場和自愿市場還未完善，各交易試點獨立運行，我國關于碳排放核算和認證的標準還未統一。在配額分配方面，配額分配制度作為碳交易體系中重要制度之一，是碳交易的關鍵前提，也是碳市場價格形成的關鍵影響因素。從當前的情況來看，國內的七個碳排放權交易試點中分配配額方式是上海、重慶、天津為免費分配，而湖北、北京、深圳、廣東四個交易試點的配額方式為混合分配。在企業配額交易方面，當前國內七個碳排放權交易試點陸續開展了碳金融創新，并產生了諸如碳期權、碳債券、碳基金等碳金融工具，但是由于我國碳排放權交易市場仍處于初創期，還不夠完善，各種碳金融工具的發展受到一定限制[8]。在履約清算方面，在全國性的碳排放權交易管理辦法出臺之前，并沒有統一的懲罰制度，而是由地方管理機構分別規定。

目前，我國的碳市場還處在發展階段，需要做好排放數據報告、第三方核查、配額分配、企業配額交易、履約清算等方面的工作，為未來統一碳市場做好準備。本文采用具有公開透明、可追溯、共享的優點的區塊鏈技術，結合共識機制和智能合約，提出建設數據共享平臺，建立碳生態系統的協同和信任機制，實現碳交易的可共享、可追溯，提高交易效率，降低交易成本，為全國范圍內統一碳市場做好準備工作。

2 碳排放機制概述

碳排放機制包括了兩方面的內容，分別是碳排放參與者、碳排放流程。

（1）碳排放參與者

碳市場是一個政策性的市場，由政府部門主導。碳排放體系各環節的參與方包括政府機構、登記機構、交易機構、中介機構、征信機構、評級機構、監管機構、控排企業、減排企業、第三方管理機構。

（2）碳排放流程

碳排放流程包括排放數據報告、第三方核查、政府配額分配、企業配額交易和履約清算五個環節。本文將上述五個環節分為三個階段如圖1所示，分別是企業排放數據報告與第三方核查，政府配額分配，企業配額交易與企業履約清算三個階段。

圖1 碳排放流程的五大環節

第一階段為排放數據報告、第三方核查。碳排放數據報告是流程中的第一環，也是最重要的一環。只有準確的數據支持才能使得減排目標的安全更加合理，所以這一步是非常關鍵也是最基礎的一步。我國排放數據的報告對象是溫室氣體，主要分為二氧化碳、甲烷、一氧化二氮。目前，排放統計的范圍是我國的七個試點碳市場。第三方核查機構要對企業出具的碳排放報告進行核查確保其準確性，并于每年的4月30號之前提交核查報告。目前，北京環境交易所有熊貓標準，兩湖地區自行開發有區域性標準等，而全國范圍內尚無統一的標準。

第二階段為政府配額分配，排放配額是指參與碳排放權交易市場的企業或單位在規定內可合法排放的二氧化碳的限額。目前，我國配額總量的確定是根據“十二五”和“十三五”期間的我國出臺的兩個溫室氣體排放工作方案，各時期內的碳排放量下降目標由各方案確定。配額分配方式在初期是以免費配額分配為主，目前也引入了有償分配并在逐步提高占比。

第三階段為企業配額交易、履約清算。碳排放權交易的初期交易產品為排放配額和國家核證自愿減排量（CCER），交易主體包括重點排放單位及符合交易規則規定的機構和個人。碳排放權交易必須在指定的交易場所進行，我國的碳交易均是在碳交易所完成的，交易雙方在自愿平等的基礎上進行碳配額的買賣。碳交易所均由政府支持，從事的碳交易無論是清潔發展機制（CDM）項目，還是自愿減排交易，目前的數量和規模都還有限。根據各試點交易所情況，交易所負責發布碳排放權交易即時行情、碳排放權交易公開信息，對碳價格的漲跌幅、最大持倉量加以限制，對交易行為實行監督與風險管理，保證碳交易市場的穩定發展。

3 我國碳排放機制運行中的痛點

目前，我國碳排放機制運行呈現多方參與，缺乏協同和信任的局面，其面臨的問題主要為以下幾點。

第一階段中，企業數據報告是由企業根據自身的實際情況核查碳排放數據報告，第三方核查機構對排放報告和第三方核查機構出具的核查報告進行核查，匯總數據后報發改委。在這個過程中，企業與地方政府之間信息不對稱，如果企業與第三方機構合謀進行數據造假，會架空地方政府職能，不利于地方政府掌握真實情況，不利于建立碳信息披露制度。

第二階段中，政府配額分配階段中按照行業、控排企業或新建項目企業、不同的分配方法相結合的方式進行配額分配。一旦政府給企業的配額分配不當，將會在一定程度上造成市場的扭曲，最后導致企業集體不合作或者形成黑市經濟，有悖于碳交易建立的初衷。

第三階段中，碳市場交易缺乏完善的監管懲罰制度，各流程節點都可能存在假冒偽劣、不透明交易等問題。這些都加劇了信任危機，嚴重影響碳市場的管理和整體效益的提升。信任機制缺乏、信息不對稱導致交易雙方要付出更多精力和成本進行考量，拖慢了交易的效率，提高了交易成本。而在交易流程中涉及的項目報批和認證環節，要監管部門指定的機構負責注冊和排放量的核實，結算程序也涉及相關銀行、金融機構，這些都造成交易成本直線上升，究其本質原因是信任機制缺乏、信息不對稱造成的。

另外，目前我國的七個試點碳市場之間獨立運行，造成信息不對稱的現象。不利于全國范圍內統一碳市場協同建立。

本文將通過碳排放流程的五個環節分為三個階段，基于碳市場目前的運行情況，采用聯盟鏈分別提出在排放數據報告與第三方核查、政府配額分配、企業配額交易與履約清算三個階段應用的方案，其中前兩個階段因為其主要應用場景為政府而合并為碳政務進行設計，與第三階段的碳交易分開設計，目的在于構建一個可追溯、可共享的碳排放流程的數據共享平臺及建立信任機制和協同關系，提高交易效率，共同促進碳市場發展。

4 區塊鏈技術在碳排放政務中的方案設計

區塊鏈記錄了交易數據的區塊以時間順序相連組合而成的鏈式結構，其本質上是一個去中心化的分布式數據庫，借助于非對稱加密、默克樹等技術保證信息不會被外部攻擊而篡改，從而保障數據的安全。聯盟鏈是一種需要注冊許可的區塊鏈，僅限于聯盟中具有權限的成員參與，適合于跨機構的交易、結算、協同辦公及存證，這也是本文采用聯盟鏈的原因。

碳排放流程的第一階段，要解決的問題是基于信息不對稱產生的數據造假。區塊鏈作為防篡改的分布式數據庫，集合先進的探測技術核查溫室氣體排放數據，并通過多個傳感器將采集數據直接上鏈，通過共識機制核查數據，達成共識打包成區塊進行存儲可以保證數據真實性。另外，區塊鏈的加密算法和鏈式結構可以實現碳排放數據的安全、可追溯，從而建立起數據共享平臺。基于數據共享平臺，政府部門可以獲取真實的數據，更好的完成監管與核查企業碳排數據的工作。碳排企業的排放數據是第一手的資源，在這些真實基礎數據信息的基礎上，政府可以根據這些歷史排放的信息有效的進行配額分配。

碳排放流程的第二階段，要解決的問題是碳配額的合理分配。目前，全國還沒有總的碳配額的分配方案。政府配額分配的公平與否主要靠機制本身的設計是否合理，是一個動態的發展過程，而分配方案則可以通過區塊鏈的智能合約實現。第一階段通過區塊鏈技術實現了碳排放數據上鏈，創建數據共享平臺，獲得所有碳排企業的有效數據，在第二階段中用第一階段的數據共享平臺結合拍賣機制、歷史排放、基準線法等分配方法，控排企業的行業基線等編入智能合約實現眾多控排企業、減排企業配額的合理分配。在配額分配完成后，各控排企業和減排企業獲得排放配額，在全網廣播寫入區塊，可以自己消耗配額，也可以為碳排放交易做好準備。以廣東省為例，其分配行業涉及電力、水泥、鋼鐵、石化、造紙、民航，如圖2所示。

5 區塊鏈技術在碳交易中的方案設計

碳排放流程的第三階段，要解決的問題是碳配額的交易不透明及履約清算的多方參與使得交易成本高的問題，結合區塊鏈技術分為三個場景，分別是碳交易所、交易過程技術實現、對第三方機構影響進行設計。

圖2 區塊鏈在配額分配中的應用

5.1 區塊鏈技術在碳交易所中的方案設計

我國的碳排放權交易所作為有組織的排放配額流轉場所，參與碳市場的交易主體不僅包括配額的買方和賣方，還包括制定交易規則的市場組織者、負責清結算業務的專業機構、管理和監督配額流轉的核查機構以及專業的中介服務機構，如圖3所示。這些參與主體依照嚴密的交易規則和流程，通過碳市場的交易活動，自發調節所持配額的余缺，在排放總量控制和削減的大背景下，追求自身的經濟效益最大化。

區塊鏈技術應用在碳交易所運行中，分兩部分進行敘述。第一部分為多方參與，第二部分為多方參與的分布式交易，如圖3所示。

第一部分：市場組織者、清結算專業機構、專業中介機構、核查機構、配額賣方和買方加入到區塊鏈中，構成聯盟鏈的多方參與。同時，市場組織者可以審核聯盟會員加入、登記等。

第二部分：多方參與的分布式交易體現在企業配額交易的過程中區塊鏈的分布式節點記錄交易數據，達成共識存入區塊的過程分別為以下幾步。

（1）根據國家配額分配方案，控排企業與減排企業錄入碳排放配額的初始配額，在區塊鏈中廣播實現共識后寫入區塊；

（2）配額買賣雙方參與到配額的交易過程，將配額數量、價格等信息進行上鏈，構成區塊鏈數據層，并且數據上鏈的過程中對交易數據采用加密算法保證數據安全性，以配額買賣雙方A和B的交易為例實現交易數據的存儲，詳細過程如圖4所示。區塊鏈分布式的數據信息，設計好區塊鏈的共識層，在達成共識后則寫入區塊鏈。交易完成后，觸發智能合約，完成交易直接貨款兩清。這是區塊鏈的合約層；

（3）核查機構在交易所中實現的是核查交易數據、合同等的真實性，區塊鏈將交易數據記錄打包成區塊進行記錄，由此建立數據共享平臺。數據共享平臺可以使得鏈上交易公開透明，而基于區塊鏈的鏈式結構，可以實現區塊鏈上交易數據的可追溯，從而輔助核查機構完成工作。

另外，數據共享平臺包含有記錄的碳配額交易的價格、數量的時間序列數據，再結合人工智能、大數據可以進行碳價預測、預警體系的建立，還可以進一步結合其他能源市場的交易數據，分析能源市場之間的溢出風險。

圖3 區塊鏈技術在碳交易所中的設計

5.2 碳交易的區塊鏈技術實現

本文以區塊鏈為底層技術，其單個交易區塊的生成過程分為三步，即交易發生、認證過程和挖礦記賬過程。

如圖4所示，以配額買方A、配額賣方B之間的交易為例，從A和B發生交易開始，產生交易數據，系統通過非對稱加密技術對交易數據明文進行加密，最終生成交易數據密文。參與認證的節點使用A和B公開的公鑰解開密文得到交易數據明文。檢驗交易數據的語法、結構、字節大小、輸入地址、輸出地址、輸入金額與輸出金額等信息，若檢驗通過，則該筆交易數據加入待記賬的交易池中，等待節點確認交易。從上個區塊產生之時，下個區塊的挖礦過程就開始啟動。根據初始設定的難度值，整個挖礦過程大約10分鐘。參與挖礦的節點通過哈希算法找到符合條件的Nounce數，使得區塊頭哈希值小于目標哈希，并將該Nounce值率先全網廣播。所有節點進行驗證，若區塊哈希值的確小于目標哈希且區塊的數據結構、時間戳、字節大小等全部有效，則達成共識，該挖礦節點獲得記賬權且贏得交易費和獎勵。至此，A和B的交易完成，而該區塊分布式存儲在各個節點處。配額買賣雙方達成交易。

5.3 區塊鏈對碳交易的第三方機構的影響

專業中介機構作為碳交易所中一個獨特的機構主要是進行第三方服務的機構，在買賣雙方沒有信任機制的時候，充當可信的第三方，從中賺取中介費，這使得交易成本大大增加了，而且如果企業一方與中介機構合謀會造成另一方企業的巨大損失，而引入區塊鏈技術解決了上述的問題。其一，區塊鏈的的鏈式結構，使得區塊鏈的每筆交易可追溯，造假基本不可能。其二，在區塊鏈上，由于主要參與者在區塊鏈上，交易公開透明，企業數據分布式節點存儲，并通過共識機制建立起可信任的交易機制，第三方想通過信息不對稱牟利是不可能的。除此之外，區塊鏈可以實現智能合約，交易的雙方自動會在鏈上實現貨款兩清，大大提高了交易的效率。

圖4 區塊鏈技術實現碳交易

清結算專業機構是對每年分配的企業配額清繳進行清繳和結算。區塊鏈作為分布式防篡改的數據庫，可以提供安全、可信任的交易數據給這些專業機構進行結算。清結算專業機構也可將對控排企業未達履約目標所產生的懲罰進行明確規定，編入智能合約，完成處罰，大大提高處理效率。

核查機構參與交易核查，準確性的驗證，此時的區塊鏈由于具有鏈式結構，交易可追溯，可以實現核查機構對交易的核查。另一層面核查雙方簽訂的合同，利用區塊鏈上的智能合約編寫代碼，如果符合合同則觸發智能合約。因此核查機構可以利用區塊鏈的這些優勢輔助核查工作高效完成，節省了核查時間與成本。

6 結束語

本文通過對碳排放流程五大環節和三個階段的介紹，總結出目前碳排放流程中的痛點，并利用區塊鏈技術搭建碳排放數據共享平臺，實現信息共享，建立起碳生態系統的協同和信任機制。但基于區塊鏈的碳排放數據共享平臺在發展過程中仍面臨如下挑戰。首先，在法律基礎方面，既缺乏針對全國體系碳交易法規，也缺乏區塊鏈技術國家標準，無法保證全國體系區塊鏈碳交易的有效實施，需要國家層面碳市場法律法規盡快建立。其次，在與其他能源市場的數據共享方面，電力市場改革、碳排放權交易市場等相關領域的改革都在同時進行，直接影響了企業的溫室氣體排放，而目前缺乏覆蓋電力市場、碳市場等多個能源市場區塊鏈數據共享平臺，不利于分析能源市場之間的溢出風險，需要在頂層設計上進行有效的協調。最后，在區塊鏈的技術落地和應用推廣方面，區塊鏈技術落地需要與碳排放各個環節的更多業務場景尋求融合，建立完善的碳排放區塊鏈整體架構。未來區塊鏈技術還將結合物聯網、云計算、人工智能、大數據等技術共同推動碳市場更多應用場景不斷落地。