在次优条件下逐步淘汰煤炭：来自中国煤改气项目的证据

《Journal of Environmental Economics and Management》：Coal phase-out in a second-best setting: Evidence from China’s coal-to-gas transition

　　### 摘要
随着各国逐步淘汰煤炭，天然气通常被推广为过渡燃料，但不完整的政策和价格扭曲可能导致排放泄漏，从而削弱了煤炭减排的努力。本文研究了中国的2017年煤改气政策，该政策禁止了28个北方城市的集中供暖使用煤炭，导致天然气价格上升了70%，而由于价格扭曲，煤炭价格保持稳定。利用来自1563个监测点的每小时污染数据集以及涵盖中国约50%煤炭消费量的企业级数据，我们发现这一政策并未减少煤炭消费，反而导致了大量的泄漏。基准行业构成、环境法规的严格程度以及污染企业间执法不均都是泄漏的原因。粗略计算表明，每减少一吨供暖用煤，目标城市的煤炭使用量反而增加了0.19吨，非目标北方城市增加了2.18吨，南方城市增加了2.32吨。我们估计，如果煤炭价格能够像欧洲市场那样随天然气价格波动，那么42.9%的煤炭消费反弹本可以避免。或者，每吨二氧化碳征收16.61元人民币（约合2.4美元）的碳价格，可以在防止泄漏的同时实现同等程度的煤炭使用减少。这些发现强调了纠正市场扭曲对于提高煤炭淘汰政策效果的重要性。

### 引言
为了在世纪中叶实现碳中和，许多国家承诺逐步淘汰煤炭。在可再生能源的挑战解决之前，天然气可以作为一种过渡燃料。然而，从煤炭向天然气的转型并非没有困难。不完整的行业政策可能导致排放泄漏（Fowlie, 2009）。当能源市场中存在预先存在的价格扭曲和重叠的环境法规时，泄漏会进一步加剧。本文揭示了能源市场中预先存在的价格扭曲和对煤炭淘汰政策的不完整实施方式所加剧的泄漏的实际幅度。中国提供了一个理想的背景，涵盖了影响能源转型动态的各种常见因素。2017年3月，中国政府启动了煤改气政策，禁止北京周边“2+26”试点城市的集中供暖系统使用煤炭，并推动向天然气的转变。这一需求冲击导致2017年供暖季节天然气价格上涨了70%。这一禁令并不全面，仅适用于28个目标城市的供暖行业。此外，中国的煤炭价格受到煤炭生产过度产能、隐性补贴和显性价格稳定政策的影响，因此即使在天然气价格飙升的情况下，煤炭价格也相对稳定（见图1）。自2014年起，随着工厂级连续排放监测系统（CEMS）的安装，环境法规的执行得到了加强（Greenstone et al., 2022），尽管不同企业的执行力度存在差异（Li et al., 2024; Yang et al., 2024）。这些特点使我们能够研究不完整的环境政策和预先存在的价格市场扭曲以及重叠的环境法规之间的相互作用，以及这些因素如何共同延缓能源转型。

我们的核心发现是，由于供暖行业禁止使用煤炭，由于煤炭泄漏到其他未受监管的行业和地区，煤炭消费实际上增加了。我们发现了一系列结果支持这样的假设：随着天然气和煤炭相对价格的变化，煤炭消费从相对清洁的燃气发电厂转移到了更污染的燃煤发电厂。这种泄漏在环境法规较宽松的地区以及排放监测较弱的企業中更为明显。重要的是，如果煤炭价格不加以扭曲，而是像其他自由化的煤炭市场那样波动，那么42.9%的煤炭消费增加本可以避免。此外，每吨二氧化碳征收16.61元人民币（约合2.4美元）的碳价格可以在防止泄漏的同时实现同等程度的煤炭使用减少。

为了评估煤改气政策对当地污染和各行业及地区潜在排放泄漏的影响，我们编制了一个广泛的数据集。该数据集包括来自中国367个城市中1563个监测点的每小时污染指标（如空气质量指数（AQI）、PM2.5、CO和NO2）。此外，还包括来自连续排放监测系统（CEMS）的设施级排放记录，涵盖了15,000家污染企业和中国约50%的煤炭消费量。为了验证从“清洁”电厂向“污染”电厂生产转变导致的煤炭消费泄漏的规模和机制，我们还收集了中国环境调查中的煤炭和天然气消耗的设施级数据。由于一个城市的供暖季节开始时间由温度变化决定，我们首先采用事件研究分析来估计供暖季节开始和煤炭禁令后的污染波动。我们的发现显示，目标城市的平均AQI最初有所下降，一个月后再次上升。这与Wang等人（2020年）使用工程模型研究的不完整煤改气政策的影响基本一致。平均而言，如表2所示，2017年冬季目标城市的污染没有显著变化。然而，在未受监管的城市中，北方非目标城市的PM2.5和CO显著增加（分别增加了5.3%和5.5%），南方城市的所有污染物污染也显著上升（例如，AQI上升了6.4%，PM2.5上升了9.4%）。此外，我们还发现了每月煤炭消费的一致模式。在目标城市内，未能减少污染主要是由于没有CEMS的企业的排放所致。总之，这些结果表明，观察到的污染变化至少部分可以归因于行业动态。

为了验证污染反弹的机制，我们研究了天然气和煤炭相对价格的变化如何影响工厂级排放和煤炭消费。利用共同相关效应均值组估计器（Pesaran, 2006），我们观察到天然气密集型工厂的排放量减少，而同一行业内煤炭密集型工厂的排放量显著增加。具体来说，我们估计了具有CEMS的企业中工厂级排放量对天然气和煤炭相对价格的弹性。这种模式表明，随着天然气和煤炭相对价格的变化，生产从“清洁”电厂向“污染”电厂发生了显著转移。结合对工厂级排放量对天然气和煤炭相对价格的弹性估计以及工厂级的能效估计，我们能够计算出目标城市中从供暖行业泄漏到其他行业和地区的煤炭量。粗略计算表明，供暖行业每减少一吨煤炭消费，目标城市的总煤炭消费量会增加0.19吨。然而，这也导致北方非目标城市的煤炭消费量增加了2.18吨，南方城市增加了2.32吨。这揭示了一个悖论：减少供暖行业煤炭消费的努力通过泄漏反而放大了总体煤炭消费。

然而，仅具有CEMS的企业的排放变化并不能完全解释总体污染增加和煤炭消费总量的增加。为了更好地了解没有CEMS的企业的行为，我们进行了一系列分析。需要注意的是，对于这些企业，只有年度而非每日排放和能源投入数据可用。因此，我们无法像对具有CEMS的企业那样直接估计工厂级排放量对天然气和煤炭相对价格的弹性。相反，我们首先使用中国环境调查中没有CEMS的企业的年度煤炭和排放数据来估计工厂级排放量对煤炭消费的弹性。假设污染与排放成正比，我们利用这些估计值以及污染变化的估计值来推断由于天然气和煤炭相对价格变化导致的没有CEMS的企业的煤炭消费变化。一旦将这些企业纳入分析，估计的排放增加与观察到的总体煤炭消费增加一致。

通过一系列粗略计算，我们发现由于煤炭市场中的价格扭曲，减少煤炭消费的努力受到了严重损害。我们的估计表明，如果煤炭价格能够像欧洲市场那样随天然气波动，那么观察到的煤炭消费反弹的42.9%本可以避免。这一结果强调了纠正煤炭市场现有扭曲的关键重要性，这是减少排放泄漏和加速能源转型过程的关键步骤。作为比较，我们的结果表明，每吨二氧化碳征收16.61元人民币（约合2.4美元）的碳价格可以在防止泄漏的同时实现相当的煤炭消费减少。此外，针对特定行业的碳泄漏估计有助于确定哪些行业应纳入以减少泄漏问题，当全面碳定价不可行时。

### 相关文献
本文为多个研究领域做出了贡献。首先，它补充了关于在不完整法规下排放泄漏的研究。虽然现有文献主要关注记录和评估特定地点、行业或污染物特定环境法规下的排放泄漏（Fowlie, 2009; Cohen and Keiser, 2017; Ebenstein et al., 2017; Gibson, 2018; Naegele and Zaklan, 2019; Chen et al., 2021; Zhang and Zhao, 2023），以及探讨补充政策（如边境调整和重点制造业部门的产出补贴（Fischer and Fox, 2012）如何减少泄漏，本文通过量化解决能源市场中的现有摩擦如何减少排放泄漏提供了新的视角。其次，本文通过研究能源市场之间的相互作用，为能源转型文献做出了贡献。Baylis等人（2013）提出了一个理论框架，解释了能源投入之间相对价格的变化如何产生排放泄漏。几项实证研究探讨了能源投入之间的相互作用如何影响总体排放（Joskow, 2013; Knittel et al., 2015; Fell and Kaffine, 2018; Gugler et al., 2021; LaPlue, 2022; Scott, 2023; Gowrisankaran et al., 2024）。本文通过模拟政策干预如何改变能源市场之间的相对价格，并利用详细的企業级排放和能源使用数据量化其对各地区和行业的分布影响，进一步扩展了这一文献。

本文的其余部分结构如下：第2节提供了中国煤炭减排计划、煤改气政策、能源市场及其他同时存在的环境法规的背景信息。第3节描述了用于量化煤炭泄漏的数据来源和实证方法。第4节展示了煤改气政策对各地区和行业污染水平和煤炭消费的影响。第5节提出了三种粗略计算方法，以估计在不同情况下减少泄漏的程度。最后，第6节总结了全文。

### 背景
为应对日益严重的空气污染和不断增长的民众投诉，中国政府在2014年发起了“污染防治战争”，大大加强了对环境监测和法规的执行（Greenstone et al., 2021）。本节详细介绍了中国的煤炭淘汰政策，包括煤改气政策以及其他同时存在的环境法规。此外，我们还讨论了煤炭和天然气市场的关键特征，以便更好地理解……主要数据集包括来自330个城市的1119个监测点，提供每小时一次的污染和天气状况测量数据，以及连续排放监测系统（CEMS）在工厂层面的小时排放数据，同时还涵盖了5000家高污染企业的年度能耗数据。表2展示了2017年供暖季节期间，从煤炭向天然气转换对污染变化的估计平均影响，这些影响是通过每日空气质量指数（AQI）、PM2.5、CO和NO2的平均值和最大值来衡量的。该分析基于来自中国目标城市、北部非目标城市和南部城市的监测级污染数据，遵循方程（1）中的主要设定。结果表明，煤炭向天然气的转换并没有减少目标城市的污染。

为了量化通过解决煤炭市场中的现有摩擦如何减轻排放和煤炭泄漏问题，本节提出了三种简单的计算方法。第一个计算如表6所示，通过估计由于煤炭向天然气转换而产生的额外排放和煤炭消耗来建立一个基准。利用第4.2节中从企业层面分析得出的煤炭消费和排放的价格弹性，估计出相关企业的排放量。

本文研究了中国煤炭向天然气转换政策的意外后果，该政策旨在通过用天然气替代煤炭来减少空气污染。利用监测级污染数据，我们发现目标城市的污染并未得到减少，反而观察到北部非目标城市和南部城市的污染显著增加。这些发现表明，排放泄漏是由于天然气相对于煤炭的价格变化所致。

**作者贡献声明：**
Antonio Bento：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目行政、方法论研究、数据分析、数据整理、概念构建。
Ruozi Song：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目行政、方法论研究、数据分析、数据整理、概念构建。
Bing Zhang：写作——审稿与编辑。

**关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明：**
在准备本研究的过程中，作者使用了Claude Code（Anthropic）工具来协助运行统计分析脚本、更新和交叉核对表格及手稿文本中的数值结果，并编辑LaTeX源文件以确保一致性和格式正确性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全部责任。

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