王科、Xunpeng Shi、Kuishuang Feng、Klaus Hubacek和魏一鸣教授等的合作研究论文Optimizing the rolling out plan of China’s carbon market于2023年1月正式发表于iScience（Cell Press），该研究指出当前中国全国碳市场的行业覆盖计划和行业纳入顺序还有进一步优化的空间。

原文链接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)02096-X#%20

文章摘要

   尽管中国已经启动了全球规模最大的碳排放权交易市场（ETS），但没有官方文件解释目前的行业覆盖计划是如何确定的，以及首选的行业纳入顺序。在此，我们通过建议在ETS中优先纳入的行业名单，为全国碳市场的政策发展做出贡献。本研究利用一个包含200多万家企业的数据库来估计边际减排成本曲线，该数据库涵盖了占工业排放总量97%以上的500多个四位数代码行业，我们选取火力发电、13个计划内行业以及另外50个高排放或被其他碳市场覆盖的行业展开情景模拟。分析表明，水泥行业应该是下一个被纳入全国碳市场的行业。我们修订的行业纳入名单与基准情景相比，平均减排成本可以降低39.5~78.3%。

图示摘要

研究背景

   碳排放权交易市场是全球各国实现二氧化碳减排目标的重要工具，中国作为发展中国家，也长期致力于减少温室气体排放，将建立全国统一的碳排放权交易市场作为应对气候变化的一项重要措施。2021年7月，全国碳市场正式上线交易，发电行业成为首个被纳入的行业。根据建设方案，全国碳市场预计在“十四五”期间逐步纳入石化、钢铁、有色、造纸、电力、化工、建材这七大重点排放工业部门的13个重点子行业（以下简称计划内行业，如下表Table 2所示）。作为全球规模最大的碳市场，模拟评估行业覆盖范围与纳入顺序对碳市场减排效益的影响是有效推动全国碳市场下一阶段建设的重要一环。本研究在同时考虑行业优先级和建设阶段的情况下对63个行业（13个计划内行业和另外选择的50个高排放计划外行业）下一阶段的覆盖范围和纳入顺序展开量化分析。

Table 2全国碳排放权交易覆盖行业及代码

模型介绍

   边际减排成本曲线构造模型：边际减排成本曲线（MACC）可以反映出边际减排成本（MAC）随着减排量的增加而变化的趋势，一个行业的边际减排成本曲线反映了该行业内不同企业之间的边际减排成本差异。类似地，全国碳市场将来所纳入的企业可以视为一个混合行业，拥有一条无形的边际减排成本曲线，所有纳入企业的边际减排成本存在差异，这也是开展碳排放权交易的必要条件。

   边际减排成本测算模型：为了在企业MAC的基础上构造行业或者碳市场的MACC，本文基于方向距离函数和理性经济人假设计算了企业每个百分比排放量尺度下的MAC，然后采用自上而下的经济学方法和自下而上的工程方法相结合的混合方法构造MACC。具体来说，企业年排放量在每个百分比尺度下的边际减排成本是不同的，例如当减排百分比的步长为1%时，减排20%是在减排19%的基础上完成额外1%的减排任务，此时减少第20个百分点的排放量对应的MAC相比减排第19个百分点一般会更高。

   碳市场行业纳入顺序优化模型：本文通过结合现有的碳市场行业覆盖方案和企业纳入门槛，设置了3种碳市场纳入门槛和4种减排目标的12种交叉情景。根据各种行业组合纳入碳市场前后所节约的减排成本占相应行业总产出的比重来确定行业纳入顺序，应用企业边际减排成本数据开发了碳市场行业纳入顺序优化模型ACSAIC（abatement cost savings-oriented approach for determining industry coverage），其中包括多行业组合快速获得最优解的模拟算法。

情景设置

   在碳市场纳入门槛方面，全国碳市场首批已纳入年二氧化碳排放量超过26,000吨门槛值的2162家火力发电行业（4411）重点排放单位，并且中国政府计划将碳市场扩大到其他七个工业部门，包括13个四位数代码重点行业（以下简称计划内行业）。本研究基于中国各试点碳市场的发展经验，考虑到未来全国碳市场可能会下调纳入门槛，设置了3种不同的纳入门槛情景，分别为5,000吨，10,000吨和26,000吨，三种门槛情景也有利于检验模拟结果的稳健性。

   在碳市场减排目标方面，现有研究结果显示，中国非电力部门的二氧化碳减排潜力为18%-50%，因此本文设置了5%，10%，15%和20%共4种减排目标，与3种纳入门槛组合形成12种情景。本研究将纳入门槛为26,000吨且减排目标为20%的情景作为基准情景，并主要汇报基准情景的模拟结果。

   在碳市场行业覆盖方面，本研究首先考虑火电行业与13个计划内行业的所有可能组合（简称基准策略-第一阶段，BAU case Stage 1）。然后假设这13个计划内行业和火电行业已经被确定纳入碳市场，再纳入另外50个计划外行业（简称基准策略-第二阶段，BAU case Stage 2）。此外，为探究计划内行业是否为最佳纳入选择，在计划内外行业之间将不存在优先级的区别，假设所有63个行业都被逐步纳入碳市场（简称整体策略，Alternative case）。通过一次纳入n（n≥1）个行业，为全国碳市场的下一阶段建设找到最具成本效益的行业组合，从中识别行业纳入顺序。

结果分析

Figure 1 基准情景结果

   Figure 1A 基准策略下全国碳市场再纳入1个计划内行业（基准情景）时最具成本效益的前3种行业组合，分别是“火力发电（4411）+水泥制造（3011）”、“火力发电（4411）+炼钢（3120）”和“火力发电（4411）+平板玻璃制造（3041）”。对于每个行业组合，在相同的二氧化碳减排任务下，面临两种减排政策选择：命令控制型政策下的边际减排成本曲线，以及碳排放权交易系统下的边际减排成本曲线，以基准情景举例（假设碳市场的纳入门槛为26,000吨，减排目标为所有纳入企业年度二氧化碳总排放的20%），前者指的是当行业组合中的每个达到纳入门槛（年二氧化碳排放量超过26,000吨）的企业，根据年排放量在一年之内减排相同比例（20%）的成本，后者是指当所有被纳入的企业按照MAC的递增顺序减排，直到完成行业组合的总减排任务（二氧化碳排放量的20%）时的成本，两条MACC之间的阴影面积即为纳入碳市场所节约的减排成本（abatement cost saving）。

   Figure 1B 基准策略下全国碳市场一次性纳入1个计划内行业（基准情景）时所有行业组合的减排成本节约占比与减排量，最优组合为“火力发电（4411）+水泥制造（3011）”。本文将减排成本节约占比（Percentage of Abatement Cost Savings），作为评估一个特定的行业组合纳入碳市场的有效性的重要指标，它是节约的减排成本与所有纳入企业工业总产出的比值，占比更大的行业组合应尽早纳入碳市场，避免其在命令控制型政策下单独减排造成较大比例的工业产出牺牲。

   Figure 1C 基准策略下全国碳市场纳入1~13个计划内行业的最优组合（基准情景），基于各方案的最优行业组合，本文总结出全国碳市场下一阶段13个计划内行业的最优纳入顺序为：1）水泥制造，2）炼钢，3）平板玻璃制造，4）非木竹浆制造，5）木竹浆制造，6）其他基础化学原料制造，7）氮肥制造，8）机制纸及纸板制造，9）电力供应，10）铝冶炼，11）有机化学原料制造，12）铜冶炼，13）原油加工及石油制品制造。

Figure S1基准策略下全国碳市场一次性纳入1~3个计划内行业（12种情景）

Figure S2基准策略下全国碳市场一次性纳入4~13个计划内行业（基准情景）

   根据基准策略-第一阶段的模拟结果（如Figure S1，S2），我们得出结论：在碳市场中纳入n-1个行业时的最优行业组合是纳入n（1≤n≤13）个行业时最优行业组合的子集。同时，提出了一种新的模拟算法来解决多行业纳入的问题，无需遍历计算所有可能的行业组合，通过以下三个步骤可以更快地得出最优的行业顺序：1）每轮多纳入1个行业，所有未纳入行业分别与已被确定纳入的行业组合，计算所有组合的Pacs；2）在每一轮中的所有行业组合里，Pacs最高的行业组合中新增的1个行业在下一轮被确定纳入；3）重复步骤1和2，直至所有的行业都被依次确定纳入。

Figure 2基准策略下全国碳市场纳入50个计划外行业（基准情景）

    Figure 2显示从上到下是50个计划外行业的纳入顺序，行业组合所累计的二氧化碳减排量随着纳入行业数量的增多而增加。并且随着新行业的不断纳入，最优行业组合的减排成本节约占比出现倒U型趋势，前期快速增长达到最高点后进入平台期，随后缓慢持续下降。具体来说，热力生产和供应（4430）位居首位，将其和14个计划内行业共同纳入全国碳市场，累计节约的减排成本占这15个行业工业总产出的16.3%，相应的减排量为1,104.26 Mt二氧化碳，其中1,053.05 Mt来自14个计划内行业。

Figure 3基准策略下50个计划外行业最优纳入顺序（12种情景）

   为检验50个计划外行业模拟结果的稳健性，我们统计了每个行业在12种情景下的排名。对角线上的实心圆点为基准情景下50个行业的排名，其他11种情景下的排名用空心圆圈表示。每个行业在12种情景下的纳入顺序相对变化较小，特别是纳入顺序在前4的行业：热力生产和供应、铁合金冶炼、其他专用化学产品制造、黑色金属铸造，在12种情景下的纳入顺序最多变动1位；纳入顺序在最后3位的行业：食用植物油加工、钢压延加工、汽车整车制造，在12种情景下的纳入顺序保持不变。从行业排名的整体分布情况来看，我们的模拟结果具有较好的稳健性。

Figure 4整体策略下全国碳市场纳入63个行业（基准情景）

   Figure 4显示从上到下是63个行业的纳入顺序，计划内行业为深绿色，计划外行业为浅绿色，行业组合所累计的二氧化碳减排量随着一次性纳入行业数量的增多而增加。在减排成本节约占比方面，全行业的模拟结果与基准策略中50个计划外行业的变化趋势相似，随着新行业的不断纳入，最优行业组合的减排成本节约占比出现倒U型趋势，说明碳市场的行业纳入数量存在成本效益的帕累托最优状态。具体来说，热力生产和供应（4430）位居首位，将其和火力发电行业共同纳入全国碳市场，累计节约的减排成本占这2个行业工业总产出的25.3%，优于在基准策略下首先纳入水泥制造（3011）时的22.5%减排成本节约占比。

   模拟结果显示，从全行业的最优纳入顺序来看，13个计划内行业（深绿色）可能不是全国碳市场的最佳行业覆盖计划。在全行业的整体策略下，只有2个计划内行业排在前13名，分别是第2名的水泥制造和第13名的非木竹浆制造。另外2个计划内行业，平板玻璃制造和木竹浆制造分别排在第20和22名，其余9个计划内行业在整体策略下都排在第40名以后。此外，有6个计划内行业排在最后10名，这样的结果对于重新规划全国碳市场的行业覆盖计划，扩大行业备选范围具有重要的启示意义。

Figure S3 整体策略下63个行业最优纳入顺序（12种情景）

   为检验全行业模拟结果的稳健性，我们统计了每个行业在12种情景下的排名。对角线上的实心圆点为基准情景下63个行业的排名，其他11种情景下的排名用空心圆圈表示。每个行业在12种情景下的纳入顺序相对变化较小，特别是纳入顺序在前6的行业：热力生产和供应、水泥制造、铁合金冶炼、其他专用化学产品制造、黑色金属铸造、其他水泥类似制品制造，除了铁合金冶炼行业会上下浮动1~3名，其他5个行业在12种情景下的纳入顺序最多变动1位；纳入顺序在最后4位的行业：铜冶炼、钢压延加工、原油加工及石油制品制造、汽车整车制造，在12种情景下的纳入顺序也最多变动1位。由于电力供应（4420）减排潜力有限采取了特殊的减排成本计算方式，导致其纳入顺序波动较大。从行业排名的整体分布情况来看，我们的模拟结果具有较好的稳健性。

Table 1整体策略实现与基准策略相同减排量时的纳入行业数量与分布

   根据全行业的纳入顺序优化结果，我们发现碳市场的计划内覆盖行业是可以被其他计划外行业所替代的。为了量化整体策略的成本优势，在12种减排情景下，我们假设在13个计划内行业和可替代行业之间将实现等量的减排任务，并将整体策略与基准策略的成本节约进行比较。由于基准策略和整体策略都默认将火力发电行业纳入全国碳市场，我们发现，为了实现与基准策略（13个计划内行业）相同的减排量，整体策略将需要在12种情景下纳入22~43个行业，这是因为计划内行业的排放规模相对较大。需纳入行业的数量主要受纳入门槛的影响，随着纳入门槛的提高而增加，这是因为与13个计划内行业相比，50个计划外行业的企业平均规模较小，因此需要更多的行业才能实现相近的减排量。减排目标对纳入行业数量影响不大，同一纳入门槛情景下基本稳定，这突出了合理设置纳入门槛的重要性。在等量减排假设下，低纳入门槛情景所需的行业数量显著减少，有利于整体策略的推广。同时，由于碳市场履约成本的出现，越来越多的行业和企业会在某种程度上失去成本节约的优势：规模较小的企业可能会面临更高比例的履约成本。

   在这22~43个行业中，有4~5个是计划内行业，17~38个是计划外行业。对12种情景下需纳入的计划内行业进行统计发现，全部集中分布于以下6个行业：水泥制造、非木竹浆制造、木竹浆制造、平板玻璃制造、电力供应、炼钢，并且前3个行业在所有情景下都被推荐纳入。除电力供应行业外，其余5个计划内行业均为基准策略中建议优先纳入全国碳市场的前5个行业，因此无论是基准策略还是整体策略，这5个行业都具有较高的优先级，这与欧盟碳市场（EU-ETS）建设的第一阶段（2005-2007年）高度一致，该阶段主要纳入了电力、炼油、炼焦、炼钢、建材、造纸等行业，本研究的推荐顺序与其高度重合。

Figure 5基准策略与整体策略实现相同减排量时平均减排成本对比（12种情景）

   整体策略下全国碳市场的平均减排成本远低于基准策略（Figure 5）。基准策略下的平均减排成本为1070~1727元/吨CO₂，而整体策略下的平均减排成本为235~1036元/吨CO₂。两种策略下平均减排成本的变动范围较大，主要因为减排目标不同，高减排目标下的平均减排成本也更高。在12种减排情景下，按照全行业最优顺序纳入前22~43个行业，相比只纳入13个计划内行业，中国全国碳市场在实现相同减排量的同时，可节省减排成本2182.2~9472.8亿元（相当于2011年中国工业总产出的1.2%~5.0%），占这些行业总产出的3.7%~14.6%。在减排量相同的情况下，采取整体策略，平均减排成本可有效降低39.5%~78.3%。

研究结论

   如果全国碳市场下一阶段在13个计划内行业中再纳入1个行业，我们优先推荐的是水泥制造（3011），这与当前计划将炼钢（3120）作为下一个行业不同，炼钢在我们的分析中排名第三。基准策略与整体策略的对比结果表明，当前碳市场行业覆盖计划并没有将中国的总减排成本降至最低。如果不考虑计划内行业与其他行业之间的差异，只有2个计划内行业会在我们优先推荐的前13个行业中。如果全国碳市场仅限于13个计划内行业，ETS在降低减排成本方面的作用将被削弱。实现与基准策略中纳入13个计划内行业相当的减排量（236.26~1094.68 Mt CO₂，具体取决于12种不同情景），整体策略要求纳入22~43个行业，其中4~5个为计划内行业。就成本效益而言，整体策略的平均减排成本比基准策略低39.5%~78.3%，中国碳市场可以考虑通过降低纳入门槛以覆盖一些企业规模相对较小的行业来推广整体策略，这可以节省2182.2~9472.8亿人民币（337.7~1466.0亿美元）的减排成本，相当于中国2011年工业总产值的1.2%~5.0%。