基于凈能源視角的中國能源產業投入產出研究

馮敬軒

(中國石油天然氣集團有限公司發展計劃部，北京 100007)

0 引 言

一般而言，能源生產成本是指能源生產過程中資金成本的消耗，但實際上能源生產是一項復雜的系統工程，涉及產業眾多、耗費投入巨大，不僅包括以貨幣為計量單位的各種資本投入，還包括直接能源投入以及機器設備投入。而目前在估計一般能源生產成本時，僅考慮資金投入，容易受到金融波動影響，忽視能源生產的真正價值。能源生產活動的真正價值在于剩余能源產出，這部分能源稱之為“凈能源”，即扣除各種能源投入后剩余能源產出，只有凈能源才是人類社會發展所能真正利用的能源。對于能源生產評價不應該只關注能源價格、產量和消費量，更應關注產出“凈能源”多少及其對于經濟系統的影響[1]。

凈能源的概念經歷了“凈產品→剩余勞動→剩余能源→凈能源”的演變過程，而“凈”的思想最早可以追溯到18世紀法國資產階級古典經濟流派——重農學派，該學派認為一切經濟財富都是自然資源所創造的“凈產品”，而商業只是“凈產品”的流通部門[2]?？枴ゑR克思在《資本論》中引用了重農學派思想，結合對于其他經濟學理論的批判，提出偉大的剩余價值理論[3]，該理論認為勞動者在必要勞動時間里創造了滿足自身需求的“自用價值”，以及在剩余勞動時間里創造了超過自身需要的“剩余價值”，資本家通過剝削無生產資料工人的剩余勞動來實現剩余價值的創造和積累，然后用于擴大再生產，這是資本和財富增長的原因。如果從廣義能源的角度來看，在化石能源沒有大量使用的時代，工人勞動付出的大量體力也是經濟社會發展所需要的一種能源[4-5]，“剩余勞動”實際上也是“剩余能源”。當化石能源大量使用之后，原來依靠大量人力勞動的產業開始被使用化石能源的機器設備替代，工人剩余勞動所創造的價值由機器消耗化石能源所創造的剩余價值所代替，勞動者從繁重的體力勞動中解放出來，去做人類所擅長的腦力勞動，不僅改善了生產關系，更提高了生產力、豐富了生產資料，形成正反饋循環促使經濟不斷增長。通過對比長期能源消費數據和GDP數據后可以發現，GDP快速增長基本與化石能源消費量的快速增長相吻合(圖1)，說明化石能源大規模替代體力勞動后增加了剩余能源供應，對于經濟發展有更大的貢獻。

圖1 1800—2015年全球GDP與化石能源消費趨勢Fig.1 Global GDP and fossil energy consumption trends from 1800 to 2015

1955年，COTTRELL受到“凈量”概念的啟發提出了“剩余能源”的概念，啟發了大批學者不斷豐富“凈能源”相關理論[6]。美國著名生態學者HALL研究發現，第一次石油危機以后，由于能源開采難度越來越大，能源投入快速增加，導致美國石油工業凈能源產出迅速遞減，從20世紀30年代投入1 kcal能源獲得100 kcal能源產出，下降到1980年投入1 kcal能源僅能獲得10～20 kcal能源產出[7]。另有研究顯示，全球石油和天然氣開采階段的凈能源產出占總產出的比重從1930年的99%降低到了1990年的96%，隨后降到了2011年的95%[8-9]，部分地區降至90%和93%[10-11]，如果考慮全生命周期則該比重將會驟降至81%[12]。而目前來自于化石能源的凈能源產出占總能源產出比重為80%左右，意味著化石能源至少在2050年前仍將是主要能源[13]。隨著化石能源開發難度不斷加大，生產加工過程日趨復雜，能源生產的必要投入隨之增加，而非化石能源項目在生命周期初期投入產出比相對較低。未來有可能出現化石能源投入產出比快速下降而非化石能源投入產出比增加緩慢的情況，可供經濟社會使用的凈能源減少。因此，相關研究者越來越關注能源生產的凈能源產出變化。在此背景下，對于中國能源產業投入產出的研究就有了現實意義。

1 計算模型

凈能源指的是總能源產出扣除生產過程中必要能源投入后得到的“剩余能源”，其中“能源產出”指總產出，“能源投入”則是能源生產過程中需要的直接能源投入和間接能源投入，也是能源生產必須付出的能源成本(圖2)。凈能源的表達式為式(1)。

圖2 凈能源概念示意圖Fig.2 Example of net energy

凈能源=能源產出-能源投入

(1)

現有的關于凈能源的研究都采用自下而上式的數據統計方式，基礎數據量大、來源復雜、計量單位混亂，極易出現數據重復統計或漏計的情況。因此，宏觀計算“凈能源”產出的關鍵在于能源投入數據的統計。早在法國重農學派著作《經濟表》中，弗朗斯瓦·魁奈通過追蹤貨幣的流向與流量來思考農業生產的方式極有借鑒意義[14]。隨后生態物理經濟學研究者ODUM提出了類似觀點，ODUM認為貨幣的流向和流量背后代表著能源反向流動[15]。ODUM的假設最終被BULLARD和HERENDEEN以及COSTANZA等學者的研究所證實[16-18]，這些學者研究發現商品中隱含的能源與其貨幣價值之間有很強的經驗統計上的關系，首次提出“隱含能”的概念來描述一種商品或服務中隱含的總能源成本，并用以貨幣為計量單位的價值型投入產出表計算隱含能流動，指出“隱含能”是被納入或“被體現”于產品與服務之中直接或間接消耗的能量。隨后大量研究者采用投入產出模型(input-output model)來計算隱含能的消耗。而投入產出模型是由諾貝爾經濟學獎獲得者LEONTIEF于1930年代提出的，主要用于分析經濟系統中存在交換關系的各部門之間投入產出數量關系模型[19]，亦可用于計算經濟系統中各部門相互之間消耗關系(圖3)。結合隱含能計算方法和投入產出模型，中國能源部門凈能源產出的計算公式見式(2)。

圖3 投入產出表示意圖Fig.3 Example of input-output table

(2)

2 計算結果

由圖4可知，1987年中國能源生產部門所消耗的隱含能僅為1.52×108tce，而2017年增加到14.3×108tce，即整個能源產業1987年消耗1 tce隱含能就可以為經濟系統供應5.62 tce一次能源，其中有4.62 tce凈能源產出；而到了2017年，能源產業消耗1 tce隱含能只能供應3.14 tce一次能源，其中只有2.14 tce凈能源產出。另外，圖5中分析了各個能源部門的直接能源投入和間接能源投入的情況，從中可以看出，石油、天然氣和煤炭等能源開采部門消耗的直接能源投入比重較大，而石油、煉焦、燃氣和核燃料加工部門以及電力熱力供應等能源二次加工轉化部門消耗的間接能源投入較多。圖6 進一步分析了上述部門間接能源投入與直接能源投入之比(間接/直接)，該比值如果大于1，說明間接能源投入占比更大，如果這個比例逐漸上升，說明計算期內間接能源投入增長速度快于直接能源投入增長速度。由圖6可知，電力、熱力生產和供應部門以及石油、煉焦、燃氣和核燃料加工部門的比值長期大于1，即間接能源占比超過了50%，說明化石能源被加工成二次能源時需要的間接能源投入更多。

圖4 1987—2017年間中國能源生產部門凈能源供應能力持續下降Fig.4 Net energy productivity of energy industry in Chinakeep declining from 1987 to 2017

圖5 中國能源系統間接能源投入與直接能源投入Fig.5 Indirect and direct energy inputs ofenergy production sectors

圖6 1987—2017年間中國能源系統間接能源投入與直接能源投入之比Fig.6 Ratio of indirect energy inputs to direct energyinputs of energy production sectors

(注：A-農、林、牧、漁、水利；B-煤炭采選產品；C-石油和天然氣開采產品；D-石油、煉焦產品和核燃料加工品；E-電力、熱力的生產和供應；F-建筑業；G-其他制造業；H-交通運輸倉儲郵政；I-批發、零售業和住宿、餐飲業；J-其他行業。)圖7 1987年、1997年、2007年和2017年能源部門能量流動弦圖Fig.7 Energy flows between the energy productionsectors in 1987,1997,2007,and 2017

為了進一步對能源部門和非能源部門之間的隱含能流動情況有直觀的認識，需要對于部門之間的隱含能流動數據進行可視化處理。主要做法是基于投入產出表，利用VB語言繪制1987年、1997年、2007年和2017年的隱含能源流動弦圖。弦圖主要作用是表示部門之間流入流出邏輯關系，各部門之間“弦”的寬度就是流量的大小，也可認為是權重，這些流動的方向表明了隱含能在各部門之間流動方向。本文主要針對4個能源部門之間以及能源與經濟部門之間的隱含能流量和流向，因此弦圖中并沒有涉及到非能源部門之間的隱含能流量和流向，結果如圖7所示。從圖7中可以看出代表化石能源開采的煤炭采選部門和石油天然氣開采部門消耗的隱含能流量占比從1987年到2017年出現明顯下降，而代表能源二次加工過程的能源部門占比有明顯的上升，說明能源的二次加工過程越來越復雜，需要耗費更多隱含能源；4個能源生產部門的最大隱含能流量均來自非能源部門的其他制造業，同時最大隱含能輸出部門也是非能源部門的其他制造業，一方面說明制造業是耗能大戶，另一方面也說明制造業對于能源生產部門的巨大支撐作用，二者關系密不可分。需要特別注意的是能源系統4個部門隱含能自耗問題，能源部門隱含能自耗在弦圖中表示為不指向其他部門的凸起，凸起越寬表示自耗占比越大。在1987年4個能源生產部門中幾乎察覺不到表示隱含能自耗的凸起，到2017年能夠看到石油、煉焦、燃氣產品和核燃料加工部門以及電力、熱力的生產和供應部門中隱含能凸起占比明顯增加，說明自耗問題明顯。

能源生產過程中需要的能源投入通過當年能源強度(單位GDP能耗的倒數)轉化后，就成為以貨幣為計量單位的能源生產成本。但該成本區別于一般貨幣成本，除了直接成本之外還包括了間接成本，均從能源投入換算而來，因此統稱為能源成本。近年來，由于全球范圍內化石能源在開采、加工和轉化過程中的隱含能投入不斷增加，能源部門的能源成本快速上升，過多占用了非能源部門的投入。目前已有不少學者注意到這一問題：MURPHY等[23]發現當能源價格上漲時，導致能源生產成本過高、經濟失去活力，最終產生債務泡沫危機。HALL等[24]研究顯示1970—2007年之間美國石油生產的能源成本占GDP的比重達5.5%以上時GDP增長就進入滯漲。LAMBERT等[25]發現第一次石油危機至2014年，美國總能源成本占GDP比重超過10%以上時經濟就會出現衰退。FIZAINE等[26]發現美國經濟承受不起超過其GDP的11%的能源成本。BASHMAKOV等[27]研究發現在保證經濟增長的前提下，美國和經合組織國家(OECD)的能源成本占GDP比重最大極限值分別為8%～10%和9%～11%。上述研究針對的都是發達國家的能源生產，那么中國能源產業的能源成本占GDP的比重與GDP增速是否也有相同的關系。按照上述學者的研究方式對比本研究的計算結果表明，能源生產成本在GDP中占比與經濟增長速度的變化趨勢大部分情況下呈現相反趨勢。例如從1987年到2002年期間GDP增速呈下降趨勢，而能源支出占比卻呈上升趨勢，并且這種關系在2002年和2007年出現了兩次反轉。雖然有個別階段并不完全符合，但總的來說絕大部分時間能源成本占GDP比重與GDP增速變化趨勢始終相反。這與目前歐美學者關于能源生產成本理論研究結果相符合(圖8)。由此可以看出，能源生產的成本對于經濟發展有重要影響。

圖8 能源生產成本占比與GDP增速的變化趨勢相反Fig.8 High energy producing costs are associatedwith low economic growth rates

3 結論與建議

雖然中國凈能源供應總量不斷增加，但供應凈能源的能力逐漸下降，這主要是因為能源生產的投入產出效率下降，這個現象背后實質是中國能源產業長期以來以高投入換取高產出，導致大而不強。雖然在2017年左右，凈能源供應效率遞減的趨勢出現了緩和，但是從1987年到2017年較長時間維度來看，能源生產效率的趨勢在持續下降。對于經濟社會發展來說，只有將投入到能源生產活動中的能源投入(即能源生產成本)控制在合理范圍內，才能將更多的凈能源用于發展教育、醫療、藝術和科技創新中。綜上所述，從宏觀層面來說，能源產業能不能供應充足的凈能源才是真正緊要的問題，考慮到中國目前是世界上能源消費量最大的國家，以及經濟發展對于低成本能源的需求，今后中國能源產業的發展方向應該從“大而不強”轉向“高質量、集約化”發展，這就要求能源生產既要注重能源產出，更要控制能源投入，對此提出如下兩條對策建議。

1) 建議對能源類項目進行全生命周期或全產業鏈的凈能源分析，評價能源項目的綜合效益，優先選擇凈能源供應量大且供應效率高的項目。目前對能源項目進行評價主要是采用經濟評價方法，但該方法容易受到主觀因素的影響，考慮的投入因素僅包括資金投入，得到的經濟性評價結果只注重項目本身的經濟利益。相對于經濟和社會系統來說，能源項目的根本任務就是生產凈能源以支持經濟和社會的發展。如果不能產出凈能源反而占用大量有效投入，那么這個能源項目對于經濟和社會來說沒有任何意義，還有可能產生負外部性的影響。因此規劃能源類項目時需要進行凈能源分析，以評價其凈能源產出總量和效率，考察項目的綜合效益。

2) 建議設法降低能源部門生產成本，尤其是以間接能源投入為主的成本，以達到提高凈能源產出的目的。能源系統的投入產出比足夠高，則可以用較少能源投入獲得充足凈能源供應，對于國家來說才能將更多的資源用于發展教育、醫療、藝術和科技創新中，形成正反饋循環的發展模式。根據研究結果顯示，中國能源系統所需的間接能源在整個能源投入中的占比在快速增加，因此對于能源系統來說，降低間接能源投入是最有效的辦法。對于國家來說，能源系統生產相同能源產出所需的能源投入減少意味著國家對于能源生產投入的減少和更充足的凈能源供應。因此整個能源系統需要積極地降低生產成本、提高生產效率等措施以提高能源生產的投入產出比。