中国化石能源开采业净能源与环境经济综合评价

崔天航 钟化鑫 冯连勇（哈尔滨工业大学经济与管理学院，哈尔滨 50006）（中国石油大学（北京）经济与管理学院，北京 049）

能源是工业发展的基础。化石能源不但关系国计民生，更对国防安全具有巨大战略意义，2021年习近平总书记视察胜利油田时强调 “能源的饭碗必须端在自己手里”。随着能源转型的推进，清洁能源发展迅速，但短期内化石能源依然是能源系统的重要支柱。伴随工业化、城镇化的不断推进，中国对能源资源的需求总量将持续增加。因此，研究我国化石能源开采行业的综合运行情况，有助于化石能源的高效开发和利用，进而保障国家能源安全。

目前，对化石能源开采业的分析多集中在要素生产率、能源消耗与碳排放等方面，王克强等［1］采用成本函数的对偶测度方法，对中国能源开采业全要素生产率进行研究；Fang等［2］借助数据包络分析法计算了中国的绿色全要素生产率，表明2006～2017年间绿色全要素生产率增长的主要贡献源于规模效应；于立宏和金玉健［3］利用随机前沿模型研究了不同规模和所有制的矿企绿色发展动力特征的演化及其政策含义，发现平均规模效应是公司生产率增长的主要动力；Kong等［4］考虑副产品和间接能源消耗，对煤制油项目分析发现，煤炭在直接液化时能耗占比较大；揭俐等［5］则通过GDIM模型分析了能源开采业碳排放的主要驱动因素。然而，已有研究多基于单一角度，鲜有学者对化石能源开采业的经济效益、环境污染等方面进行全面的测算。

为推动我国能源行业的可持续发展，稳步进行能源结构转型，保障能源安全，需要对化石能源开采业的综合运行情况进行研究。本文将中国化石能源开采业分为油气开采业和煤炭开采业，考虑净能源生产、环境污染和经济效益3个方面建立评价指标体系，对中国化石能源开采业进行综合评价，更全面地评价了中国能源开采业的综合效益，其结果具有重要的政策含义，为未来中国能源开采政策提供相应的参考依据。

本文基于净能源、环境污染、经济效益3个方面，遵守系统性、全面性和可操作性原则［6］，选取以下具有代表性的指标，建立综合评价模型。

表1 中国化石能源开采业综合效益评价指标体系

1.1.1 净能源生产指标

目前能源开发的可行性分析多关注现金流和利润率，对能源开发过程本身的能源消耗考虑不足。本文从净能源的角度出发，衡量中国化石能源开采业的能源效益。净能源产出的概念最早由Cottrell［7］提出，指能源在经生产、加工和转换后的能源盈余，是真正可用于社会和经济发展的能源，可以反映化石能源开采的实际产出情况，已有众多学者采用净能源理论对能源开采效率进行测算［8-11］。

（1） 能源投入回报值（EORI）

EROI代表化石能源的开采效率，其值是资源耗竭和技术进步博弈的结果。本文借鉴胡燕等［12］总结的投入分析方法，在标准EROI的基础上将人力资源投入纳入考虑范围，使用热值法，对中国化石能源开采业及其子行业的EROI进行计算：

式中，Ed为能源开采所需的直接能源投入总量；Eid为间接能源投入总量，如相关的辅助材料、设备投资等；El为劳动力投入。

间接投入对当期与未来的影响并不一致。一般来说，前期的高投资可为化石能源开采业增加部分可采储量，强化生产能力，但会降低当期的开采效率。基于此，为准确地衡量与当期产量有关的投资，本文采用双倍余额递减法对间接投资计提折旧。此外，本文借鉴陈英超等［13］所用方法对劳动力投入进行了计算。

（2）净能源增长率

式中，Enet代表净能源的产出量，Eout代表能源的总产出量，Ein代表总投入量。本文采用热当量法对净能源增长率进行计算，同上文一样，考虑三方面投入，以2004年为基期。

（3） 能源利用率

能源利用率是系统输出能源量和输入能源量之间的比率，能源利用率越高，系统的节能效果相对越好，采用热当量法进行计算：

1.1.2 环境污染评价指标

与经济性指标相比，伴随着能源转型的推进，环境污染成为制约行业发展的因素之一。对于化石能源开采业来说，其污染减排措施主要体现在推进废水、废气处理技术的使用与升级［14］。以煤炭开采业为例，矿产资源开采过程中排放的主要环境污染物包括矿井废矸、废水以及废气［15］。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，其对环境造成的影响范围和程度相比流体污染物较小。因此，本文主要基于流体污染物角度，对我国化石能源开采业的环境污染情况进行评估。

（1） 碳减排率

产品生产过程的总碳排放包括直接产生的碳排放与其中间投入的隐含碳排放［16］。本文使用投入产出法对中国化石能源开采业及其子行业的隐含碳进行计算：

式中，DCIi为i部门的直接碳排放强度，DCi为i部门的直接碳排放量，Fik为i部门的直接能源消费量，EFik为第k种化石能源的碳排放系数。为避免能源加工转换部门的二次计算，本文在测算直接碳排放强度时，剔除了化石能源加工转换部门的石油和煤炭消耗量。

i部门的完全碳排放系数指i部门单位产出所需的直接碳排放量和隐含碳排放量之和，通过式（5） 获得。

本文利用全国投入产出表对各年中国化石能源开采业的完全碳排放量进行核算。计算发现在化石能源开采业的直接碳排放量中，短期内细分行业的占比变化幅度较小。因此，其余年份子行业的碳排放按照当年直接碳排放增长比率进行递增，碳减排率以2004年为基期计算。

（2）气体环境污染效应递减率

除碳排放外，化石能源开采业在运行时还会排放其他气体，对大气环境造成污染。本文考虑全球变暖、酸雨和呼吸影响［17，18］，对化石能源开采业的气体污染物影响进行评估。参考Jing等［19］的研究，设定环境污染效应模型如下所示：

式中，GWP表示气体污染物排放带来的温室效应；AP表示气体污染物排放带来的酸化效应；REP表示气体污染物排放带来的呼吸效应；w1、w2、w3是3种效应的权重值，在此模型中，设定w1＝w2＝w3＝1／3。

本文在计算气体环境污染效应时，首先对化石能源开采业的各类污染物排放量进行测算：

式中，i表示污染物种类，包括 SO2、CO2、NOx、 PM2.5、 CO、 CH4、 N2O； n表示消耗的能源类别，包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油和天然气，因电力使用不排放气体污染物，故本文不加考虑。γi，n表示第n种能源的第i种污染物的排放系数；Fn表示各类能源的消耗量。各类污染效应计算如下：

式中，σi，CO2-equiv表示各类污染物的全球升温潜能因子；σi，SO2-equiv表示各类污染物的酸化潜能因子；σi，PM2.5-equiv表示各类污染物的呼吸潜能因子。其中，GWP描述了与CO2相关的排放气体对温室效应的贡献，这意味着任何排放量都转换为CO2当量［20］；AP以SO2当量表示，它被描述为某些物质构建和释放Hp质子的能力［20］；REP被描述为单位气体排放引起的呼吸效应，转换为参考PM2.5产生的呼吸效应值［21］。递减率以2004年为基期计算。

（3）水污染减排贡献率

化石能源开采业水污染治理的情况用水污染减排贡献率表示。以往对水污染的研究多直接使用废水排放总量，该指标没有反映废水的污染程度。废水排放化学需氧量（COD）代表水体中可被氧化的 “还原性物质”的含量，COD越高，说明水体污染越严重。本文使用COD代替废水排放量，以2004年为基期进行计算水污染减排贡献率：

式中，ϑi为i行业在t年的水污染减排贡献率；CODi，t为 i行业在t年水污染排放化学需氧量；CODt为全行业总计水污染排放化学需氧量。所得结果为正表示子行业对全行业的水污染减排存在正驱动效应。

1.1.3 经济效益评价指标

（1）资本存量增长率

资本存量一般指企业现有的各类资本资源之和，行业资本存量能反映行业的现有生产经营规模和技术水平。目前，尚未有学者对我国化石能源开采细分行业的资本存量进行测算。本文使用永续盘存法对中国化石能源开采业的资本存量进行计算，基本公式如下：

式中， Ki，t表示 i行业在 t年的资本存量； Ii，t表示i行业在t年的实际新增固定资产；δi，t为i行业在t年的折旧率。

本文选择新增固定资产投资作为投资序列，参考薛俊波和王铮［22］的计算方法，利用折旧额、折旧率以及资本存量之间的关系对化石能源开采子行业的资本存量进行估计，以此规避选取基年造成的估算结果的误差。由于固定资产投资在不同年份的波动较大，因此细分行业的折旧率具有较为明显的时变特征，且在某些年份出现了计算结果不合理的现象。本文参考李晓峰等［23］的方法，对不合理的计算结果进行剔除，采用临近年份代替。同时，以每年新增固定资产为权重，对计算结果进行加权平均，得出细分行业的最终折旧率。根据式 （12）进行迭代得到中间年份的资本存量数据。资本存量增长率以2004年为基期进行计算。

（2）主营业务利润率

主营业务利润率代表每单位主营业务收入所带来的利润，其值越高，说明该行业的主营业务市场竞争力越强，利润水平越高。

式中，PRt表示t年的主营业务利润率；INt表示t年行业的主营业务收入；Ct表示t年行业的主营业务成本。

（3）能源消耗经济性水平

本文对化石能源开采业单位直接能源消费所带来的实际经济效益进行了计算：

式中，At表示t年的能源消耗经济性水平；Et表示t年行业的能源消费总量。

为提升准确性，本文使用因子分析法和主成分分析法计算综合评价得分。主成分分析法通过坐标变换提取主成分，将主成分表示为原始观测变量的线性组合；因子分析法则是建立因子模型，将原始的观测变量分解为因子的线性组合。以上两种方法计算所得结果互为验证补充，取其平均值为最后结果。

考虑到数据的可获得性，本文的研究数据主要来自2007～2021年国家统计局公布的 《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、 《中国劳动统计年鉴》、《国家投入产出表》，部分数据来自文献整理。

根据图1显示：我国化石能源开采业及其子行业的EROI除个别年份发生波动外，整体呈现稳定的上升趋势。EROI的上升意味着能源开采效率的提高，得益于技术的进步，我国化石能源开采业的EROI稳定上升，从2005年的4.94逐步稳定增长至2019年的8.02，年均增长率为3.52%。化石能源的产量不仅受到投入要素的影响，还受到资源储量的制约。随着累计产量的不断增加，化石能源的EROI会先上升后下降［24］。这意味着，虽然目前中国化石能源的EROI呈现上升趋势，但这种趋势不会一直维持下去。此外，对于中国来说，石油与天然气的勘探开发难以区分。事实上，中国油气开采业EROI的增长动力主要来源于天然气的开发利用［25，26］。我国天然气目前总体处于勘探中早期［27，28］，未来的一段时间内，产量会保持上涨。得益于天然气的开发红利，在碳中和的背景下，天然气作为清洁能源，将发挥重要作用，维持油气总产出和EROI的增长。

图1 净能源生产评价结果

2005～2019年间，我国化石能源开采业及其子行业的净能源增长率总体稳定上升。其中，煤炭开采业的净能源增长率在发生跳跃性增长后，在2012～2016年短暂下降。EROI的结果显示，2012～2016年间，煤炭开采业的EROI除2013年下降外其余年份均上升。以上表明，2012～2016年间，虽然我国煤炭开采业的技术水平总体提高，但煤炭的净能源产量却在下降。这主要与煤炭产量变化有关。根据图2，煤炭开采业的净能源增长率与煤炭产量的变化趋势大体相同，而煤炭占能源消费总量的比重处于逐年下降中。在 “碳中和”背景下，煤炭作为高污染的化石能源，其消费需求将率先达峰；石油在工业生产中具有重要作用，其消费比重将保持稳定；天然气作为具有强劲增长动力的清洁能源，将迎来良好的发展契机。这意味着，在未来，煤炭产量增速将逐渐减缓，其净能源增长率将下降，而油气产量和净能源增长率将保持上升。

图2 2005～2019年煤炭生产量及煤炭消费占比

此外，2005～2019年间，油气开采业的能源利用率逐渐提升，从2005年的10.04稳步提升至2019年的26.43，说明该行业的节能效果逐渐变好；煤炭开采业的能源利用率在2005～2013年逐年下降，2013年后开始不断提高。从整体来看，化石能源开采业的能源利用率在2013年后稳步提升，其消耗的能源得以有效利用。

根据图3和图4，2005～2019年，油气开采业的碳排放总量波动范围不大，2015年后碳减排率稳步上升，说明油气开采业2015年后的碳减排效果良好，未来碳排放量有望继续下降。与油气开采业相比，煤炭开采业的碳排放总量较大，2013年前碳减排率始终为负值且总体保持下降。碳减排率为负意味着当年的碳排放总量大于基期，说明在2005～2013年间，煤炭开采业没能有效地控制碳排放，碳排放总量不断上升。这与我国的能源消费结构有一定关系。中国能源生产和消费以煤为主，经济发展依赖能源，受限于此，为保证经济发展，2013年前中国煤炭的产量保持递增，在2009～2013年间大幅度上涨，这导致了煤炭开采业生产带来的碳排放量居高不下。2013年后，煤炭的产量开始下降，且随着我国能源结构的调整和碳减排技术的发展，煤炭开采业的碳减排效果逐步变好，根据图2中的趋势，煤炭开采业的碳排放总量将有望回落至基年水平。总体来看，由于煤炭开采业的体量较大，中国化石能源开采业与煤炭开采业的碳减排趋势较为接近。2005～2013年间，中国化石能源开采业的碳减排率总体下降，2013年后，碳减排率大幅提高，说明近年来中国化石能源开采业严格执行了碳减排的政策。

图3 环境污染评价结果

图4 2005～2019年化石能源开采行业及其子行业的完全碳排放情况

根据图3，煤炭开采业的气体环境污染效应递减率在2005～2019年间为负，表明其气体环境污染效应始终未能恢复至基年水平。但值得注意的是，煤炭开采业的气体环境污染效应在2013年达峰后开始逐年下降，说明其气体污染减排效果逐渐变好。2005～2019年间，油气开采业的气体环境污染效应变化幅度不大，2013年前该值围绕0波动，2013年后开始上升，说明中国油气开采业的气体污染排放情况较为良好。图5提供了化石能源开采子行业3类气体环境污染效应的具体情况，3类气体环境污染效应的变化趋势大体相同，除个别年份外煤炭开采业大于油气开采业。这主要与能源产量有关。2005～2019年间煤炭产量大于油气产量，产量在一定程度上影响了子行业生产所需的能源投入，进而影响其气体污染物的排放总量，由此造成了煤炭开采业的各类气体环境污染效应大于油气开采业。但是，由于化石能源开采子行业的发展更依赖自身所产出的能源，不同能源的气体污染物排放结构不同，因此3类气体污染物环境效应变化趋势仍存在一定差异。总体来看，2013年前，化石能源开采业的气体环境污染效应递减率总体下降，其值始终低于0；2013年后，得益于行业的环保意识增强，中国化石能源开采业的气体环境污染效应递减率呈现上升趋势，并有望恢复至基年水平。

图5 2005～2019年化石能源开采子行业的GWP、 AP、 REP

2007年煤炭开采业的水污染减排贡献率出现了断崖式下跌，为排除异常年份对总体趋势的影响，本文剔除了2007年的水污染物减排贡献率。根据图3，2005～2019年间，油气开采业水污染贡献率变化幅度较小，除2010年外，其水污染减排贡献率均大于0，说明油气开采业在绝大多数年份对全行业的水污染减排做出了贡献。整体来看，化石能源开采行业的水污染减排率变动趋势与煤炭开采业相近，2016年后保持稳定。

根据图6，化石能源开采业及其子行业的资本存量在2005～2014年处于上升趋势。其中，2005～2011年平滑增长，煤炭开采业的资本存量年均增长率为12.52%，油气开采业的资本存量年均增长率为11.21%。我国1999年出现了严重的通货紧缩，政府为刺激经济重启，加大了各行业的投资力度，因此，此时的资本存量有了稳定的增长。2012～2014年，我国经济在复苏后快速发展，化石能源开采业及其子行业的资本存量进入了高速增长期，煤炭开采业的资本存量年均增长率为23.96%，油气开采业的资本存量年均增长率为23.48%。之后，我国经济进入了新常态，能源结构开始转型，政府改变了固定资产投资结构。故2014年后，油气开采业的资本存量稳中有增，而煤炭开采业却呈现了波动式下降。

图6 经济效益评价结果

主营业务利润率代表行业的经济运行状况。对于化石能源开采业，其值受能源价格的影响较大。由图6可知，油气开采业的主营业务率波动较大，在2005～2009年、2014～2016年大幅下降，其余年份保持增长；煤炭开采业在2005～2016年间的主营业务利润率总体下降；化石能源开采业在2005～2016年间的主营业务率递减，2016年后，煤炭开采业和油气开采业的主营业务利润率开始增加，说明行业的经济运行状况好转。

此外，油气开采业的能源消耗经济性水平波动较大，分别在2008～2009年、2011～2016年大幅下降，其余年份保持增长；煤炭开采业在2005～2011年的能源消耗经济性水平维持增长，2011～2015年短暂下降后恢复增长状态；整个化石能源开采业在2005～2019年的能源消耗经济性水平波动不大，2016年后增长势头明显，说明整个行业正处于良性发展之中。能源消耗经济性水平受业务利润总额影响较大，能源价格的波动将直接影响行业利润总额。以油气开采业为例，油气开采业在2016年的利润总额为-567.05亿元，直接导致了当年的能源消耗经济性水平为负值，其消耗的能源并没有为我国的经济增长做出任何贡献。

图7提供了2005～2019年化石能源开采业及其子行业的综合评价结果。在2005～2016年间，化石能源开采业及其子行业的综合评价结果不断波动，但与自身相比波动范围不大。2016年后化石能源开采业及其子行业的综合评价结果保持上升，说明我国化石能源开采业及其子行业综合运行状况良好。

图7 化石能源开采行业及其子行业的综合评价结果

值得注意的是，2005～2019年间，油气开采业的综合评价结果始终优于煤炭开采业。本文认为这与碳减排率和气体污染环境效应递减率有关。从所得出的结果来看，在这两个指标上，煤炭开采业的评价结果与油气开采业的评价结果相差最大。可能的原因如下：（1）我国的能源消费以煤炭为主，而我国的绿色煤炭开采技术尚未得到有效利用；（2）虽然我国石油已探明的剩余可采储量相对不足，但得益于天然气的开发利用，我国油气开采业的能源总产出能够维持增长。油气开采过程需要自耗能源，天然气的清洁能源属性在一定程度上降低了此过程的气体污染物排放和碳排放。

本文基于净能源生产、环境污染和经济效益3个方面，采用两种客观赋权方法对我国化石能源开采业进行综合评价，更为直观地反映了我国化石能源开采业的综合运行情况，主要研究结论如下：

（1）净能源生产评价方面。2005～2019年间，我国化石能源开采业及其子行业的EROI和净能源增长率整体呈现稳定的上升趋势。化石能源开采业及其子行业的能源利用率也在2013年后开始保持稳步提升。

（2）环境污染评价方面。2005～2019年间，油气开采业的碳减排效果和气体污染物减排力度逐渐提高，水污染物减排贡献率在绝大多数年份大于0，水污染治理效果良好；煤炭开采业的以上3种指标在2005～2019年间均呈现先下降后上升的趋势。2013年后，上述3种指标保持上升，说明煤炭开采业的碳排放、气体污染排放稳定下降，水污染治理效果不断提升。

（3）经济效益评价方面。油气开采业的资本存量在2005～2011年增长较为平滑，在2012～2014年进入了高速增长期。煤炭开采业的资本存量在2014年前稳步提升，受国家能源结构转型政策的影响，2014年后煤炭开采业的资本存量出现了波动式的下降。整体上，化石能源开采业的资本存量波动性上升。此外，化石能源开采业及其子行业的主营业务增长率和能源消耗经济性水平受能源的价格影响，在2005～2019年间的波动较大，未能较长时间的维持上升或下降状态。

（4）总体来说，2005～2019年间，化石能源开采业及其子行业的综合评价结果波动范围不大，油气开采业的综合评价结果始终优于煤炭开采业。2016年后，化石能源开采业及其子行业的综合评价结果保持上升，说明我国化石能源开采业及其子行业正处于良性的发展之中。

基于所得结果，本文提出如下建议：（1）在碳中和的背景下，我国应进一步推广化石能源绿色开采技术，加大政府扶持力度，对化石能源开采企业的环境污染排放总量实施管控，尽可能减轻化石能源开采过程对环境的污染；（2）化石能源开采业应根据自身的具体情况，继续加大技术创新的力度，提高化石能源的开采效率；（3）考虑到天然气的清洁能源属性，我国应在能源结构转型的过程中，充分发挥天然气的过渡作用。目前，我国石油产量增速放缓，但天然气产量却呈现快速上升的趋势，且油气总产量的占比不断提高，正处于开发的红利期。我国可充分利用天然气保障能源的供应和能源系统的稳定运行，以应对未来可能出现的能源安全和国际价格冲击等问题。