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医药市场潜力巨大
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非洲大部分药品长期依赖进口,行业发展潜力非常大。世界卫生组织的《非洲区域卫生报告》称,非洲人口占世界总人口的11%,全球每年3亿-5亿的疟疾病例中,90%以上发生在非洲。近年非洲生活水平不断提高,高血压、心脏病和糖尿病等病例也在增多。但非洲缺乏配套条件,药品原料和包装材料均依赖进口。外国药品大致通过三种渠道进入非洲:国际组织采购并免费向非洲国家提供,药品主要针对艾滋病、疟疾、结核和禽流感;国际组织分给非洲国家款项,由当地公立医院实施政府采购,药品种类参照世界卫生组织每年的推荐用药以及推荐供应商采购目录;当地私营市场购入,包括药店、私立医院和诊所。
俄罗斯
拟引资建滑雪胜地
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俄罗斯可能在北高加索地区兴建5座滑雪胜地。Agitpro咨询公司执行合伙人Rostislav Murzagulov称,5个项目总投资达4500亿卢布(约合148亿美元),候选地是达吉斯坦共和国的Matlas、北奥赛梯的Mamison、卡拉恰耶夫-切尔克斯共和国的Arkhyz、阿迪格共和国的Lago-Naki和卡巴尔达-巴尔卡尔共和国的Elbrus山,预计项目完成后每年游客数量为500万人。这些项目实行国营-私营合作模式,资金来源主要是本土和外国的私营资金,德国的安联保险公司和美国的摩根大通银行、摩根斯坦利银行都是主要投资者。
缅甸
发电机需求大增
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2010年缅甸大面积少雨,水力发电量不稳定,造成发电机需求大增。当地的大部分经销商称,自4月中旬起,发电机订单不断增加,达到以往5-7倍的数量,其中最畅销的品牌是中国的Doyen、Kenbo和Power。目前缅甸市场上的发电机售价与去年同期基本持平,当地产5千瓦发电机售价为1900美元/台,10千瓦发电机售价为2550美元/台;中国产20千瓦发电机售价为4200美元/台,30千瓦发电机售价为4900美元/台,工业规模的90千瓦发电机售价为18000美元/台,500千瓦发电机售价为50000美元/台。
尼日利亚
拟建世界级资本市场
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尼日利亚证券交易委员会总干事阿如玛・奥太近期称,作为撒哈拉以南非洲的第二大经济体,尼日利亚计划建立一个与其经济地位相适应的世界级资本市场。奥太认为,尼日利亚与南非的经济差距不大,但后者作为非洲的最大经济体,其资本市场市值已高达7940亿美元,是尼日利亚资本市场市值的16倍,这说明尼日利亚资本市场还有巨大的发展潜力。为建立世界级的资本市场,尼日利亚必须尽力增强投资者信心,净化投资环境,加强信息披露,推出创新性金融产品,建立世界性的债券市场并加强对投资者的教育。
印尼
药材进口市场看好
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印尼卫生部医疗器械和药物辅导局局长丝莉・英德拉娃蒂近期称,印尼对进口药材的依赖性仍然很高,近96%的药材来自进口渠道。但丝莉也认为,过分依赖进口药材是印尼药物价格高于东盟其他国家、地区的原因之一。而且,由于药材进口量大,外国药材价格的变动对印尼药价造成了很大影响。印尼华人较多,滋补品消费量很大,该国中药消费群中,华人占约60%,来自中国的中成药名牌、老牌产品长销不衰,化学制药、生物制品也有较大市场空间。目前印尼药物市场规模高达25亿美元。
越南
住房市场有缺口
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全球市场研究和服务咨询公司(RNCOS)近期报告称,越南都市化进程不断加快,户数持续增加,住房市场极具发展潜力。该报告认为,现在越南相当数量的人并不拥有单独的住宅,70%的家庭住在临时住宅之中,生活设施不够完善。随着户数的增加以及生活条件的改善,住房需求将持续加大。RNCOS预计,越南还缺2000万套住宅。5月中下旬,与房市密切相关的钢材价格持续下调,幅度为20万-50万越盾/吨,其中盘圆钢的不含税价格约为1350万越盾/吨(约合710美元/吨),条钢价格约为1370万越盾/吨(约合720美元/吨)。
海湾国家
投资者青睐新兴市场
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有调查称,未来3-5年内,海湾地区的投资者更愿意投资于新兴市场,而非欧洲、日本和北美资本市场。接受调查的200名财富基金和商业银行投资者中,82%的人倾向于投资新兴市场,30%的人可以接受北美市场,14%的人可以接受欧洲市场,8%的人可以接受日本市场。发起调查的基金管理公司认为,这种现象很可能影响到国际资本的流向,因为受调查的投资者中,很多人都是资本大户,而且海湾地区的资本规模高达万亿美元。调查还表明,1/3以上的公司投资者希望投资期限在12个月以内,仅有12%的投资者倾向于5年以上的长期投资。
南非
拟推动矿产产业升级
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南非将实施矿产加工新战略,核心内容是增加就业、促进经济多元化、建设知识型经济。采矿业是南非的支柱产业,目前规模开采的品种达56个,其中9种矿产品的探明储量居全球前五位。矿产品出口占南非出口总量的50%以上,但出口产品多为未经加工的原矿。为此,南非矿产加工新战略提出,建立有序发展的产业链,把原矿石加工成高附加值的半成品或成品出口,以实现采矿业的可持续发展;投入2.8亿兰特(约合3800万美元),开展职业教育,提高劳动者技能;由政府、企业和工会组成专门工作组,研讨增强矿业竞争力、实现产业升级的具体实施方案。
巴西
能源投资将猛增
关键词:碳税工具;碳交易体系;碳金融市场;制度设计;效应评价
中图分类号:F062.2文献标识码:A文章编号:1008-2670(2014)02-0045-13
一、引言
从1896年Arrhenius首次发现大气中的CO2对地球温度的影响开始,气候变化问题逐渐演变成为全球性的生态危机,也成为全球经济发展的难题。斯特恩(Stern)报告[1]中指出经济发展继续依赖能源消耗、“照常营业”的做法不可取,在气候变化问题上尽早采取有力行动的收益要大于成本。若各国能够做出有力而周详的政策选择,如碳定价、发展低碳技术,就有可能实现所需的“去碳”规模来实现气候安全,并保持经济增长。自20世纪90年代国际气候谈判以来,从《联合国气候变化框架公约》到《京都议定书》,从后京都时期“巴厘岛路线图”到哥本哈根谈判协议,经历无数冲突与磨合,各国都在逐渐形成经济发展与全球减排的统一认识,多国经济经历了不同程度的低碳化。在环境压力和政治博弈中,全球经济向低碳化绿色经济方向转型。
尽管我国对碳税、碳交易、碳金融等的研究起步较晚,但随着我国经济发展模式的转型,我国也在积极探索促进经济低碳发展的理论与实践。低碳经济机制的研究也日益受到重视。本文就碳税、碳交易和碳金融等促进经济社会绿色发展的低碳工具的国内外实践及研究进行归纳与述评,并对下一步研究进行展望。
二、碳税
(一)碳税的引入与内涵
碳税的引入基于庇古税(Pigovian Tax)概念。由于大气层属于公有资源,具备竞争性和非排他性特征,极容易被滥用破坏,产生负外部性。庇古(Pigou)[2]在其著作《福利经济学》中首次提出庇古税概念,他认为自然环境存在市场缺失和价格缺失,这种不完全信息带来外部性效果,政府可以通过对产生负外部性的活动征税和对正外部性的物品给予补贴把外部性内在化,即对边际私人纯产值大于边际社会纯产值的部门课税,使其产品价格提高,产销量降低;对边际私人纯产值小于边际社会纯产值的部门实行补贴,减少边际私人纯产值与边际社会纯产值之间的差距,进而增加社会福利。Baumo和Oates[3]认为,信息的缺乏导致导致边际社会成本难以测量,无法确定最优税收水平,庇古税存在实用性限制。他们运用一般均衡分析方法,从环境政策、污染控制、污染税与统一排污成本等方面进行研究,提出了“标准定价法”,依据一个可接受性强的标准定量收税,达成环保目标。随着“污染者付费原则”理念的深入,Burrows提出了逐步控制法,即在信息不充分情况下,政府为达到环境效益最优可以逐步、连续地对庇古税税率调高或调低进行调整,最终找到最优税率。
碳税的内涵和外延在实践中不断丰富和发展。Hoeller和Wallin[4]认为给碳定价是对投资减碳新技术的激励,碳税是碳定价的一种形式。苏明等人[5]认为碳税与中国现有能源税在对化石燃料的征税上存在一定的重合,且都具有对CO2的减排功用,但碳税与能源税的最大区别在于碳税的征税对象、计税依据等方面都是专门针对碳排量设计的。崔军[6]提出碳税是以减少CO2排放为目的,对化石燃料按照其碳含量或碳排放量征收的一种税。碳税与能源税、硫税、氮税、污水税等税种共同构成了环保税体系。
(二)碳税实践
碳税在诸多排放税中居首要地位,是世界上许多国家应对气候变化的重要政策工具。
以芬兰、丹麦为代表的北欧国家从1990年开始逐次推行碳税,到了20世纪末,基本上构建起较为完备的碳税制度。丹麦碳税由能源消费税演化而来,从1992 年开始,丹麦正式对家庭和企业一并开征碳税,税基较广,包括了除汽油、天然气和生物燃料以外的所有CO2排放,税率并非基于碳排放的边际成本,而是结合了政治和经济方面的考虑。在征收碳税的同时,丹麦实行税收返还和循环机制,将税收的一部分用于补贴工业企业的节能项目,同时工业企业还能通过税收返还和减免来减轻实际税负。挪威对石油、天然气、煤、焦炭、商用柴油等都征收碳税,涉及航空、汽车多个领域,拥有品种繁多的碳税及相关税种,但对面临国际竞争的空运、海运和渔业予以豁免。瑞典碳税税率一直处在较高水平并逐步调高家庭碳税税率,同时降低劳动收入税率。不同于严苛的家庭碳税,瑞典对本国企业尤其是能源密集型产业,如采矿、造纸、电力等行业给予税收减免。
北欧国家碳税实践的特点:一是征收的碳税多从固有的环境税种过渡而来,在征税对象、税率等方面进行了相应调整;二是税基广泛,尽可能扩大碳税的覆盖面;三是对不同行业特别是对高耗能行业和出口依赖型行业实施差别税率和补贴政策,以保护本国产业的核心竞争力。
以美国、德国、加拿大为代表的欧美发达国家碳税起步较晚,在OECD组织的带动下相继开征碳税。碳税在美国并未全面征收,仅在个别地区进行试点。由于美国93%的煤炭用于电力生产,科罗拉多州的博尔德市2007年对除风力发电以外的电力这一中间排放源征收碳税,税率按电费比例征收并逐步上调。碳税收入一般用于提高建筑能源效率以及清洁能源开发等方面。德国能源结构与中国类似,富煤少气,为引导能源消费结构转型,德国设计了复杂的碳税体系,对不同种类和用途的燃料设定不同的税率,制造业、农林渔牧业只需支付税率的20%,其税收循环偏向工业。自2004年德国进行了新一轮碳税改革,税收优惠逐步减小。2008年加拿大不列颠哥伦比亚省开始在能源最终消费环节征税开征碳税,征税对象几乎涵盖所有化石燃料,不同燃料税率有所差别,且逐步提高。当地的家庭住户是主要纳税义务人,缴纳的碳税税收的一部分用于抵消家庭或企业的其他税负如劳动收入税。
欧美发达国家碳税实践的特点:一是量体裁衣,根据本国实际设计税制。各国碳税税率大都采用固定税率,同时根据能源的不同类别实行差别税率。二是逐步推行、循序渐进,构建动态调整机制。在初期为顺利推行碳税,多数国家设计较低碳税税率和配套的优惠政策,在顺利引导家庭和企业改变能源消费选择后逐步提高税率,减少乃至取消某些暂时性补偿。
近年来为履行京都议定书义务,以中国、南非、印度等为代表的发展中国家政府和学者正在积极探索碳税制度构建之路。苏明等人提出中国碳税可以对生产环节中因消耗化石燃料产生的CO2估算排放量作为计税依据,采用从量计征的定额税率形式。碳税在起步的时候定价可放低,对受碳税影响较大的能源密集型行业建立合理的税收减免与返还机制,对低收入群体进行减免优惠,在条件成熟时期渐进提高税率。南非政府拟从2015年1月起开征碳税,并对汽车行业碳税的标准进行调整。为减缓碳税给企业带来的冲击,南非政府还将企业碳排放量前60%的部分免税,同时对出口行业、碳排放强度大的行业给予额外补贴。印度是发展中国家开展碳税的积极探索者,自2010年7月首先在全国范围内对生产和进口的煤炭征收碳税。
发展中国家碳税实践的特点:一是审慎对待,充分考虑国内和国际的政治、经济条件,联系本国减排形势,结合与化石燃料相关的税制改革进程,在前提条件成熟后,选择适时开征碳税。二是在碳税要素、实施路径、调整机制选择上参考国际碳税经验,并结合本国实际进行创新探索。三是注重建立激励机制,对开展节能项目的企业实施税收减免与返还,对低收入群体给予税收补贴,实现税收中性,避免产生消费扭曲。
(三)碳税效应评价
碳税影响广泛而深刻,涉及生态环境、政治经济等诸多方面。国内外学者分析征收碳税的效果,主要对CO2减排效果、国家经济发展、产业竞争力、收入分配效应等进行了研究。
Jorgenson和Wilcoxen[7]认为,相比于能源税,碳税更具成本效益比,也满足全球减排的成本最小化条件,当碳税等于CO2减排的边际成本,就会由碳价因素引发节能行为及对燃料消费的重新选择。不考虑消费者行为变化,Labandeira和Labeaga[8]利用IO(Input-output Model)微型模型,研究碳税在西班牙的环境效应,发现在西班牙财政收入大幅增加的情况下,碳税在减少碳排放方面的影响是温和有效的。Bruvoll和Larsen[9]使用1990-1999年数据,运用Divisia指数分解法和一般均衡模拟方法,指出挪威碳税覆盖大约60%的能源消耗产生的CO2排放,可减少挪威2.3%的CO2排放量。Floros和Vlachou[10]利用希腊1982年至1998年期间时间序列数据,研究碳税对该国制造业和煤炭、石油等能源行业CO2排放量的影响,发现餐饮业、纺织业、冶金业最容易受碳税影响,减少碳排放,开征碳税可以减缓气候变暖的速度。
中国气候变化国别研究组采用一种可计算的一般均衡ERI-SGM模型,结合我国实际试算了两种碳税税率方案,分别为100元/吨碳和200元/吨碳。其结果显示:征收碳税可显著地降低能源消费的增长,改善能源的消费结构,并能有效削减温室气体的排放。魏涛远和格罗姆斯洛德[11]利用CNAGE(China General Equilibrium Model)模型定量分析了对每吨碳排放量征收5美元及10美元碳税对中国短期、长期经济和CO2排放的影响,研究表明,征收碳税将使中国经济在短期内承受损失,但碳排放量将有所下降,长期来看碳税的负面影响将小得多。
Pearce[12]在对碳税的研究中提出双重红利(Double Dividend)理论,所谓双重红利是指若导致税收扭曲的税种能被环境税所替代,将产生双重红利,一能通过纠正市场负外部性,改善生态环境得到绿色红利;二能通过减少税制扭曲,提高效率,进而带来社会福利形成蓝色红利。Feldstein进一步指出碳税不仅通过减少污染物排放达成环境红利,而且还额外具有减少整体经济的成本,提高政府收入的红利。Meng等人[13]根据澳大利亚数据的模拟结果,提出碳税可以有效削减排放,但会造成经济温和收缩。由于GNP中包括本国企业在外国的产值(不受本国碳税约束),不包括外国企业在本国的产值,因而较GDP受碳税影响更小。若碳价格信号机制畅通,碳税补偿计划不会对减排造成重大影响,同时会大大减轻碳税对经济的负面影响。
王金南等人[14]采用国家发改委能源研究所自主开发的我国能源政策综合评价模型――能源经济模型,根据中国目前的CDM价格及外国碳税税率,模拟了三种功能不同碳税方案对中国国民经济、能源节约和 CO2排放量的影响,结果表明即使忽略中国减少进口、增加新兴产业投资等利好因素,三种方案对中国GDP的影响也不会超过0.5%,近期在中国征收碳税是一种可行的选择。同时随着税率的提升,碳税对能源消费的影响愈加显著。当2030年碳税价格为200元/吨碳时,与基准情形相比节能率可达20%,节能效益也将近3%。
Karki等人的[15]分析表明,用非化石燃料替代化石燃料(如核能和可再生能源)可完成全球二分之一的碳减排目标,碳定价政策如碳税更能促进这种替代带来减排效应。征收化石燃料碳排放税,可以提高化石燃料发电价格,减少客户对此方面的能源需求,同时提高可再生能源发电量,这被称为碳税的“收入效应”和 “替代效应”。两种效应叠加影响一国能源产业的格局,风能、生物能等产业有可能占据主导地位。Baker和Shittu[16]研究了企业在不确定的碳税的情景下为实现利润最大化的研究与发展(Research & Development,R&D)投入选择。面对两个不同的研发项目:实现降低低碳能源技术成本研发和现有技术的减排研发,他们发现最优的R&D并不单纯因碳税的征收而递增,一般而言,企业面临碳税压力时对传统能源技术的研发会经历先升后降的过程,那些灵活的企业在面对不确定的碳税税率时会选择研发能源替代技术,实现能源转型。
Zhang和Baranzini[17]认为相对于劳动力成本、国际汇率变动等宏观因素而言,碳税对一国企业的竞争力影响比通常认知要更为微弱。碳税在增加了无碳和低碳产业的竞争力、保护环境的同时,可增加国民收入。税收循环政策比退税和免税措施对贸易和能源密集型产业的成本效益比要高,且更具减排效应。考虑到未来碳税可能以较高的利率征收,其所产生的经济影响如对收入分配、社会福利等的影响可能比当前更加尖锐。
事实上早在1994年,Symons等人就从不同角度探讨了碳税对不同收入阶层的影响,其分析结果显示,碳税具有累退性,碳税导致家用能源、交通、食品价格上涨,相对高收入家庭而言,低收入家庭对家用能源的支出占收入比重更大,会承受更多的负面影响。Metcalf等人也发现碳税的税率增长实际影响着社会福利成本,但其累退性在短期一般均衡中被高估了,碳税的福利损失每年减小0.5%。进一步研究中,Metcalf和Weisbach[18]指出应在碳税征收中考虑通过调整所得税等税收制度改革来平滑碳税的再分配效应。
(四)简要述评
国内外学者多从庇古税角度研究碳税,并提出初步的碳税设计方案。欧美国家相继开征碳税对碳税的效应研究逐渐增多,研究者大多通过构建CGE等相关理论模型,利用数值模拟和情景分析等方法,分析碳税的总体效应和不同的碳税方案产生的效应。碳税效应可分为直接和间接两个方面,直接效应是指征收碳税通过碳定价对能源消耗、CO2排放和气候环境造成的影响,间接效应是指碳税虽不对末端收入征税,但间接对经济发展、产业格局、福利分配等方面造成影响。在对碳税效应的研究中学者们的观点可分为两类:一种观点认为,碳税减排效果明显,对经济、企业竞争力、社会福利等的负面影响小,甚至还能通过税收返还制度使低收入者受益;另一种观点认为,碳税减排的激励效果并不理想,反而会导致化石能源和电力价格上涨,显著拉低国民的生活水平,碳税的累退效应甚至会扩大收入差距,削弱国民的动力。由于存在国家和地区差异,加之可用数据缺乏,各项碳税效应研究结果有所不同,但碳税的负面影响说明对碳税税制进行反思和动态调整是非常必要的。
三、碳交易
(一)碳交易的引入与内涵
碳排放权交易的理念可追溯到污染权交易。排污权交易源于科斯(Coase)定理,科斯[19]最早指出外部性产生的根源在于模糊的产权,只要明确界定产权(在交易成本为零的条件下),就可以最小的成本解决外部性问题。Dales[20]首次提出排污权交易的概念,并指出排污权交易应包括两方面内容:实行排污许可证制度及准许排污许可证转让、买卖制度。Montgomery[21]证明了基于市场机制的排污权交易均衡是存在的,排污权交易体是一种兼具成本优势和公平性的环保手段。Manne和Richel[22]进一步阐释了交易对排放权体系的必要性,认为无论初始排放权如何分配,不同区域的排放权价值很有可能存在偏差,限制交易会导致比较优势的扭曲。Stavins[23]认为排放权交易制度应考虑八方面因素:总量控制目标、分配机制、排污许可、市场运行、市场定义、监督与实施、分配和政治性问题、与现行法律和制度的整合。
1992年,政府间气候变化专业委员会(IPCC)通过谈判,达成了《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC,简称《公约》)。1997年12月《公约》的第一个附加协议《京都议定书》正式通过,提出将市场机制作为减排以CO2为代表的温室气体的新路径,将CO2排放权作为一项商品进行交易。《京都议定书》同时建立了三种灵活交易机制,即国际排放交易机制(International Emission Trading,IET)、联合履约机制(Joint Implementation,JI)以及清洁发展机制(Clean Development Mechanism,CDM)。IET机制规定具有减排义务的特定缔约方可以转让碳排放权配额(Assigned Amount Unit,AAU),并形成相应的基于配额的碳金融市场;JI机制允许特定缔约方之间通过投资节能减排项目获取减排单位(Emission Reduction Unit,ERU),相当于在工业国家间转化减排单位;CDM 则允许特定缔约方用在发展中国家推行减排项目获得的经核证的减排量(Certified Emission Reductions,CER)来抵减其减排指标,同时也为发展中国家实现可持续发展,参与国际碳金融市场提供了机遇。
(二)碳交易实践
排放权交易机制可以三种模式建立:限额交易模式、基准线信用模式和混合模式。按照交易的原生产品(CO2排放权)的来源,可分为基于配额的市场(Allowance-based Market)和基于项目的市场(Project-based Market)。配额市场在碳交易市场中占据主导地位,其交易原理为限额交易制度(Cap & Trade),由管理者指定总的排放配额,并在参与者间进行分配,参与者根据自身的需求来进行排放配额的买卖。《京都议定书》中的国际排放交易IET机制、欧盟排放交易体系(European Union Emission Trading Scheme,EU ETS)及一些自愿交易机制均属此类市场。项目市场的交易原理为基准线交易(Baseline & Trade),这类交易主要涉及具体项目的开发,低于基准排放水平的项目或碳吸收项目在经过认证后可获得减排单位。项目市场主要分为JI市场和CDM市场。本文以碳交易市场中的典型代表EU ETS、CDM和芝加哥气候交易所(Chicago Climate Exchange,CCX)自愿减排机制为例进行介绍。
EU ETS属于强制性的配额市场,涵盖整个欧盟层面的区域排放交易体系,它以限额交易为基础,以CO2为管制气体,以能源活动、黑色金属生产与处理、采矿等为管制对象,覆盖电力、热力、钢铁、航空等高排放行业。基于总量控制原则,欧盟评估各成员国的减排目标并分配给各国CO2可排放量(在EU ETS初期配额都是以祖父式分配无偿取得,自2013年起逐渐变为拍卖)。根据历史排放、预期排放等因素,这些配额又被分配到各国的排放企业。经第三方认证机构核准,在区域内CO2排放总量低于允许排放量的条件下,区域内各排放源之间可通过排放配额交易方式调剂余裕排放量。同时欧盟许可其成员国使用JI和CDM项目带来的核证减排量折抵其CO2排放量,形成核证减排交易。
CDM属于项目市场的重要组成部分,是发达国家与发展中国家各自发挥比较优势的双赢选择,核心是发达国家企业实体经发展中国家批准利用资金和技术优势在东道国实施减排项目换取CERs。CDM可分为两级市场:一级市场基本由发展中国家提供,由于风险较大,CERs价格偏低;二级市场囊括了远期合约签订而CERs尚未生成时的交易,市场效率较高,交易额度较大。CDM项目涉及能源工业、化学工业、交通、采矿等十三大项,一方面通过垃圾填埋等清洁技术减少温室气体的排放,另一方面通过改善土地运用和造林等方式增加对大气中温室气体的吸收。项目流程包括论证、设计、审批、注册、实施、核查核证等多个环节,项目设计是其中关键。目前中国是全球 CDM 项目市场的重要参与者,占据签发的 CERs 的半壁江山。
CCX自愿减排市场是全球笫一个运用法律约束力和市场机制来进行温室气体减排的国际性平台。该交易所开展的减排交易项目涉及电力、能源、制造等行业产生的CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs和SF6等六种温室气体,提供温室气体排放配额、经核证的排放补偿量和经核证的先期行动补偿量三种基本产品。目前CCX有四百多个会员实体,会员分别来自航空、汽车、电力等数不同的行业,可分为两类:一类是必须遵守其承诺的减排目标的企业、城和其它减排单位,其义务是在事先设立的减排目标基础上每年减少1%,四年减排4%,若没有完成目标就需向其他会员购买排放许可证,或通过投资减排项目产生的抵扣性碳信用额抵减原来的减排量;另一类则是该交易所的参与者,通过将减排项目集成打包出售、直接出售碳排放权等方式参与交易。
(三)碳交易制度研究
CO2排放权是一种稀缺资源,其初始分配的公平性和有效性是碳交易顺利推行的基础。排放权初始分配主要有两种形式:免费分配和公开拍卖。免费分配包括依据排放企业的历史排放标准获取一定比例排放权的祖父制分配及依据企业当前产量和单位产量获得排放权的分配。由于排放权具有同质多物品属性,公开拍卖多采用标准密封投标方式,包括单价拍卖、首价拍卖和维克里拍卖三类。此外拍卖还可以采用增价拍卖,该拍卖方式具有较好的价格发现机制。多数研究者更倾向于公开拍卖。Goulder等人[24]、Fullerton和Metcalf[25]等运用一般均衡模型分析认为非拍卖的配额方式带来的成本大于其他分配方式,若进行拍卖分配并将所得用来削减排放税带来的税收扭曲,则会带来祖父制分配二倍的成本效益。拍卖可以提高企业革新技术的积极性,减少政治摩擦。同时拍卖方式保障了新进入的企业与原有企业在取得排放权配额方面平等一致。Venmans[26]认为免费分配带来的意外收益将使财富由消费者向企业转移,降低了收入分配的公平性。不过也有学者如Vesterdal和Svendsen[27]认为祖父制分配更适应当前不完备的市场现状。
碳价格是影响碳交易市场的主要力量之一,关于碳价格的研究集中在价格驱动因素等方面。Christiansen等人[28]提出政府政策、技术指标、市场基本面乃至气候等因素都在一定程度上影响了排放权价格,宏观经济状况则决定了市场的均衡价格。Mansanet-Bataller等人[29]运用多元分析法研究了电价和天然气价格与碳价格的关系,发现二者互为因果,极端气候也对排放权价格具有一定影响。Hintermann[30]证实,极端寒冷气候与碳价格存在非线性相关。Chevallier[31]通过EGARCH模型分析,指出企业年度减排的违规情况以及后京都议定书时代国际协议不确定性的增加,可以解释碳价格的不稳定波动。Nazifi[32]通过对EUAs和CERs的动态价格变化的参数分析指出交易限制、监管变化和CERs的不确定性是影响排放权价格的重要因素。在对EU ETS碳价格的研究中,Benz和Hengelbrock[33]依据EU ETS 中排放权价格动态机制指出存贷机制和交易的时间间隔对价格也具有影响。Bredin和Muckley[34]使用静态和递归的Johansen多变量协整近似比率检验,发现在EU ETS的第二阶段产生了新的排放权定价机制,并由市场基本面要素推动价格走向成熟。
在碳交易系统设计方面,一些学者认为热点(hot spots)是限制排放权进行空间覆盖的主要原因,如果不考虑时间热点(temporal hot spots)的风险,一个具有成本效益的排放权交易体系应具备时间柔性,即排放权可以储存和借用。Vesterdal和Svendsen在对于欧洲温室气体排污权交易进行分析,发现管理者在计划初始期间应避免覆盖太多行业,以尽量减轻对经济的负面影响和减少反对者。Perdan和Azapagic[35]认为在克服技术和非技术障碍后,应在政治支持和经济稳定条件下逐步在地域、时间和覆盖行业等范畴扩大排放交易。
各国在实施减排计划的同时,也面临着碳交易所带来的行业管制、经济安全、法律等多方面的风险,以CDM机制为例,Dutschke等人[36]认为CDM项目存在基准线评估风险、商业风险、经营风险、自然灾害等风险,马建平和庄贵阳[37]指出CDM 项目开发过程中可能发生审批失利、审定退回、注册失败、报告偏差和协议违约等五大风险事件和宏观经济不确定性风险,给业主造成经济损失或减少其减排收益,业主须通过关注宏观政策动态、科学确定基准线、加强环境治理等方式规避风险。
(四)碳交易效应评价
有关碳交易效应的研究集中在CO2减排效果、经济发展、行业格局等方面。Babiker等人运用CGE模型和EPPA模型分析认为,国际碳排放交易机制可能导致贸易国的福利损失。通过对印度经济学家Bhagwati提出的贫困化增长国家案例进行分析,他们发现贸易条件恶化和扭曲性税收的交互作用抵消了一国在碳排放交易因低减排成本获得的收益。Silva和Zhu[38]认为由于富裕国家的排放许可证价格更高,国际贸易将导致污染产业由富国转移到较贫穷的国家。同时没有参与《京都议定书》的国家会因排放更多的国际污染和更低的本地污染而获得双重收益。但也有众多学者发出反对声音,Stankeviciute等[39]通过研究欧洲部分部门的边际减排成本曲线,比较不同国家和地区在2010和2020年两种不同的碳交易市场结构下ET EUS的有效性后认为,在短期内超过50%的CO2减排量都是在欧盟排放交易体系中的行业部门尤其是电力部门中实现的。
Bode[40]认为在免费分配机机制中,因引入碳交易导致电价上涨,电力部门从此获益最多。Bunn的研究也证实得出碳排放权确实可以影响天然气或电力的价格。Lee等[41]指出在石化部门,上游行业从碳排放交易中赚取利润,而下游行业因未能实现其减排目标不得不购买额外的排放权。Gulbrandsen和Stenqvist[42]的研究发现,EU ETS通过影响电力价格对纸浆和造纸业产生冲击,造纸业在CO2减排技术的研发和应用方面进行大量投入。Tuerk等人[43]提出具有碳中性特征、零减排成本的生物能源将来会成为碳交易计划的重中之重,对农业和林业部门的政策偏移可以有效引导对碳价格反应敏感的企业发展生物能源。
(五)碳交易与碳税的比较研究
碳税属于价格调节型市场化工具,碳排放权交易制度是数量控制型市场化工具,关于二者的比较研究一直是学界热点。早期受庇古和科斯启发,人们认为只要边际排放成本与碳价格相等即可达到减排作用,碳排放权交易与碳税实质上是等效的。但Weitzman发现,由于政策制定者在决定税率或确定排放许可数量的不确定性,排污边际成本曲线的斜率与边际效率曲线斜率不同,导致两种工具不再等效。Newell和Pizer[44]修改了Weitzman模型并将其应用到环境问题上,发现价格工具比数量工具更加灵活,税收政策所产生的的社会净福利更高。Goldblatt[45]认为考虑到福利冲击、政策的长期稳定性等因素,碳税比碳交易更适合中等收入的发展中国家。但是由于碳税的减排效果确定性较差和政治阻力,碳税并不比碳交易更受国际社会欢迎,《京都议定书》最终选择碳排放权交易制度作为全球减排的主要机制。
也有学者探讨碳税与碳交易综合运用成为复合工具或双轨机制的可能性。McKibbin和Wilcoxen[46]提出混合利用碳税和碳交易政策具有单一措施不具备的优点:可以避免碳税的再分配问题、提供内在的监督与实施机制,还可以获得真实边际减排成本的信息。Tamura和Kimura[47]也提倡碳税与碳交易的结合,他们认为对于日本等工业能耗已经极具效率的国家,仅靠碳税难以实现减排目标,加入排放权交易后,碳税对企业利润的不良影响将减少50%,并且通过贸易的增加获取更多利益。
(六)简要评述
碳交易的研究初期集中在制度设计上,如交易模式、排放总量确定、初始额度分配、交易监管等。在ET EUS、CDM等机制付诸实践后,学者对上述机制的效应评价、制度改进等方面的研究越来越多,对电力、石化、造纸等行业予以特别关注。普遍认为碳交易带来的影响是复杂的,碳交易制度对节能减排有明显作用,但对行业格局、国家福利与发展却有利有弊。多位学者对价格的驱动因素进行了分析,但由于碳交易实践期间短、碳价格数据缺乏,现有的实证研究无法给出碳价格形成机制的有力证明。随着碳交易在各国实践的深化,英国、澳大利亚相继走上碳税与碳交易综合运作的探索之路。在下一步研究中,碳交易与碳税的结合、碳交易的国际流动与协调、交易风险的识别与规避、交易创新机制等都是探讨的新方向。
四、碳金融
(一)碳金融的引入与内涵
从演进进程看,碳金融是环境金融的一个重要分支。Sandor首次提出环境金融定义后,Salazar[48]对环境金融进行了较为深入的研究,认为环境金融是金融业为服务环境产业的新需求而进行的升级和创新,存在体系差异的金融业和环境产业通过环境金融衔接起来,实现保护环境的功用。Cowan[49]认为环境金融解决的是社会推行的环保事项的资金融通问题,并不涉及干预社会决策。金融业在促进资金融通的同时也能从发展环境产业中受益。此外他探讨了实现环境金融的途径,如发展环保基金、小规模排污权交易、债务掉期合约等。Labatt和White[50]将环境金融分为两部分,一是可持续发展与金融绩效的关系,二是环境金融中银行和金融服务的实现。在此基础上他们定义了环境金融产品,认为它是所有为实现保护环境,规避环境风险而开发的、市场化运作的金融产品。
《京都议定书》签订后,三种碳交易市场机制的出现使得温室气体排放权由免费的公共资源变成具有交换价值的私有物品,具备金融资产属性,极大推动碳交易市场与碳金融的形成和发展。世界银行在的研究报告中指出,碳金融为购买产生(或估计产生)温室气体减排量的项目所提供的资源,其定义应为碳减排项目投融资。我国学者王遥[51]也给出碳金融的解释,认为碳金融是应对气候变化的金融解决方案,包含市场、机构、产品和服务等因素,是实现可持续发展、减缓和适应气候变化、灾害管理三重目标的低成本途径。碳金融市场可理解为狭义和广义两个层次:狭义碳金融市场仅指由国际上温室气体排放权指标及其衍生产品的标准化市场;广义碳金融市场还包括与碳交易市场发展紧密相关的CDM投融资市场及节能减排项目融资市场等,本文所指的碳金融市场为广义概念的市场。
(二)碳金融实践
经济低碳化的重点在于节能减排和发展可再生资源,碳金融的功用正在于减排项目的投融资和金融工具的创造。目前碳金融市场集中在欧盟碳排放交易体系和北美碳减排交易体系,本文主要从碳金融市场的参与者与产品角度观察碳金融市场实践。
衍生品交易占到碳金融市场70%以上,欧洲气候交易所(ECX)以EUAs和CERs为基础产品,在2005年4月首次引进EUAs期货合约交易,目前发展相对成熟,引进了具有标准格式、明确规范的碳金融交易合同。纽约―泛欧证券交易集团BlueNext环境交易所现已成为全球规模最大的碳信用额现货交易市场,交易产品有CERs与EUAs的现货和期货。目前全球主要的期货和期权产品为限定于欧盟排放交易体系下的ECX金融合约、EUAs期货及期权、CERs期货及期权。纽约商业交易所(NYMEX)旗下的绿色交易所(Green Exchange)和芝加哥气候期货交易所(CCFE)都是碳金融衍生品交易的活跃平台。
银行业是碳金融市场的主要参与者,绿色信贷是其较早参与的碳金融项目,依据“赤道原则”商业银行在进行贷款投放时,审慎评估贷款方项目的环境破坏风险,有选择性地对可再生资源和清洁燃料项目予以倾斜。荷兰银行、巴克莱银行、花旗银行、兴业银行等银行已经开展了包括低碳项目融资、商业建筑贷款、绿色汽车贷款等多门类的绿色信贷工作。此外,在碳金融市场上商业银行提供的产品和服务还包括:投资参股低碳企业;对CDM等碳项目应收账款融资,并促成排放权交易;为低碳项目交易双方提供咨询、担保、融资租赁、信用增级等中间服务;提供CERs二级市场交易平台,增强碳交易的流动性;推出气候信用卡等个人“碳中和”业务;开发各种与碳交易价格、气候指数挂钩的金融产品,为碳排放权买家提供有效的风险管理工具,为投资者提供新的投资渠道。
为了推进国际碳交易活动,一些国际金融组织实施了专项集合投资计划,设立碳基金。低碳投资的载体一般可分为三类:项目机构、政府购买计划和碳基金,一般而言以上三类都可算作碳基金。按投资主体的不同,碳基金可以分为由国际组织或政府设立管理的公共基金(如英国碳基金、亚太碳基金),由政府、投资银行和企业联合设立实行企业化管理的混合基金(如日本碳基金、德国碳基金)和企业为投资获利而出资设立管理的私人基金(如瑞银绿色投资基金、德银气候保护基金)。目前世界银行管理着12个碳基金以及相关机构,主要有碳原型基金、生物碳基金等特别基金和意大利碳基金、欧洲碳基金等国别基金,特别基金主要功能在于培育京都机制下碳市场的形成和发展,国别基金的主要功能在于购买Jl或者CDM项目的温室气体减排额度,帮助相关工业化国家完成减排目标。
碳金融发展需要金融服务业全方位支持。从碳排放权的产生到最终进入二级市场,过程中资金需求大,未来收益不确定,瑞士再保险创造了具备或有上线的减排交易远期保险产品,美国保险公司已经推出了碳排放信用保险、碳交易保险产品,为碳交易双方提供保障。近年来还出现巨灾债券和天气衍生金融产品规避天气变化对企业运营和销售等造成的不利影响。
(三)碳金融市场研究
碳金融产品价格是吸引和激励投资者与企业关注气候变化,投资碳减排的重要机制。在现货与期货价格的相关性研究中,Wagner和Uhrig-Homburg[52]认为碳期货是合适的风险对冲工具,期货与现货的价格差别在于持有成本,即期货价格是现货价格加上应计利息,风险中性定价理论可运用于碳期货估值。在现货价格与期货价格的关系研究上,Rittler[53]分析EUA现货与期货的短期动态价格和长期价格,发现价格波动传递结构被扩大至高频水平,期货价格最先反映市场信号,后影响现货价格,具有价格发现功能。Arouri 等人[54]也通过VAR模型和STR-EGARCH模型对第二期EUA碳现货和期货价格间的关系进行研究,发现二者的收益和波动性是不对称和非线性的,非线性模型可作为预测EUA价格的有效手段。
碳金融交易是否能够有效运行,市场是否有效,核心在于碳金融产品价格在信息可获得条件下是否有效。Benz和Hengelbrock利用向量误差修正模型对EUA期货市场的ECX和Nord Pool交易平台2005-2007年数据进行分析,发现随着交易强度增加,即使是交易成本较高,流动性较差的期货市场也有助于价格发现。Daskalakis和Markellos[55]对欧盟碳排放交易体系的三个主要交易市场Powernext、Nord Pool和ECX的碳金融资产现货价格和期货价格建模分析,发现现货价格具有跳跃性与非平稳性的特征,碳金融市场是弱势有效的,主要原因在于欧盟碳交易体系尚未成熟,以及政府对短期投资和碳配额融资的限制。
在市场风险方面,Blyth等人[56]采用随机模型分析,发现气候政策不仅对碳金融产品预期价格有直接影响,也强影响碳市场的风险特征。市场设计影响市场风险,同时也影响投资行为。政府在制定碳金融市场规则,预期投资者对价格信号反应程度时应综合考虑风险因素,同样,企业在制定投资和交易时也要区分驱动因素和风险因素。Fankhauser和Hepburn[57]从允许碳排放额度的跨期储藏和跨期借贷等方面对碳金融交易市场进行多角度设计,以此达到碳排放权交易市场具有灵活性和碳排放权价格波动能够具有可预测性。
创新是碳金融不断发展的动力,Fankhauser和Hepburn基于当前碳市场灵活性最大化和成本最小化要求的挑战,从碳排放额度的跨期储藏和跨期借贷等方面进行多角度创新设计。在创新和完善碳市场的研究中,Knox-Hayes[58]提出发达国家碳市场已相对成熟,碳交易可通过现代虚拟的平台实现,但仍需要一个真实的社会连通和人际网络,对于建立未来新型市场,出于社会协调互补和降低沉没成本的考量,可以在现有市场基础上发展伦敦和纽约市场并加强这些金融中心的重要性。
(四)碳金融效应评价
由于具有交易迅捷、流动性高、风控成熟等优势,碳金融衍生品市场在吸引市场参与者、防范碳交易风险方面发挥重要作用。Benz和Klar认为衍生品的价格发现功能可以使投资者对碳交易产品价格做出更合理的估计,制定更加有效的交易策略与风险管理决策。碳金融衍生产品的出现和发展无疑成为碳市场更好发挥资源配置作用的重要推动力量。
相较于传统模式,Haigler[59]认为碳金融通过对温室气体排放权定价的方式提供了更加环保、健康、经济高效的减排机制,可以极大促进发展中国家的清洁能源技术发展。Hogarth[60]对乌拉圭太阳能计划低碳信贷项目的研究得出结论贷款改变当地居民的能源结构,显著降低太阳能使用家庭的系统成本。
杜莉等人[61]还从理论和实证角度分析碳金融的溢出效应,认为碳金融体系的不断拓展,推动减排成本收益的转化,推进能源链转型的资金融通,促进低碳产业发展技术的国际传导,同时转移和管理气候风险,对低碳产业发展发挥重要的助推效能。Kozlecka等人[62]对国际碳基金的研究也从侧面证实国际碳市场的发展和欧盟交易体系的存在提高了投资者特别是欧洲投资者对碳交易的积极性。
(五)简要述评
碳金融已成为低碳研究中一个十分引人注目的新领域。国外研究少见“碳金融”字眼,多以碳市场代替,且研究多基于微观层面(如碳金融产品设计和定价、市场效率、政策设计等),重点关注EU ETS平台和CDM机制,对金融业、工业、农业等各个行业,欧盟、北美、发展中国家均有涉及。由于碳金融仅处在试点阶段,缺乏实践经验,国内研究集中于宏观领域(如市场发展步骤、交易制度选择等),重点研究CDM机制,多为定性分析,定量研究相对缺乏。国内外研究者对碳金融的影响、市场效率等问题有较一致的认识,认为碳金融促成了更规范、安全的碳交易平台,但在微观层面如碳衍生产品定价模式、风险监管等方面莫衷一是。当前的理论研究还难以适应多元发展的碳金融实践,迅速发展的碳金融市场需要加丰富的、前瞻性的理论研究来支撑。
五、主要结论及研究展望
低碳经济实践及低碳研究已经持续数十年,基于上述实践扫描和文献述评可以发现,国内外学者均对以上三种低碳经济工具从不同角度进行了分析和探讨,特别是国外学者对各种工具的优劣、工具和产品定价、制度设计、影响效应等方面已经进行了兼具深度和广度的研究。但囿于实践历史短、数据匮乏、视野狭窄、创新缺乏等原因,各项研究尚未形成一个系统的理论体系,仍存有较多缺陷。为实现低碳实践良性发展,低碳经济理论还有广阔的发展空间。
碳税研究应构建逻辑明晰的因果模型,分析碳税决策者和纳税主体所期望达到的目标、面临的约束及可能的选择,进而对碳税的影响进行科学评价。由于碳税具有累退性,如何在征税同时实现公平是个难题,碳税的设计应着重考量税率上限设定、动态调整、税收返还等方面实现税收中性。单纯依靠征税减排不可避免存在局限性,下一步还应探讨各种减排工具之间的交叉效应及混合工具的设计,以实现最佳成本效益。
碳交易研究中碳排放权配给是起点,随着碳交易市场成熟,分配制度改革是必然趋势,需要更加科学的模型和数据进行理论支持。近年来对碳价格的研究多限于价格驱动因素分析,对价格形成机制、价格波动和调控机制的研究还未深入,欧盟碳排放体系目前处于供大于求状态,且经过金融危机后价格不断下跌,亟需进行价格管理机制的研究。众多文献分析了碳交易市场对电力、能源、造纸等产业的影响,还需随着市场的发展扩展视野,将区域乃至全球层面的产业结升级纳入碳交易市场效应分析架构中。此外欧盟倡议的碳关税充满争议,其正当性辨析和影响分析也有待研究。
因实践起步较晚,国际碳金融市场建设还处于新生阶段,如何设计和建立发展中国家碳金融市场,如何完善发达国家和地区碳金融市场,乃至如何在全球层面建立跨地域、多层次、高效率的市场体系将成为研究重点。在微观层面,碳金融产品定价仍是核心问题,需利用金融学如行为金融、复杂性金融等前沿理论进行研究,形成具有普适性的定价分析范式。金融机构是碳金融市场主要参与者和产品研发者,对其经营模式评价、风险管控进行研究具有重要意义。值得一提的是,随着交易链的不断延展和碳资产证券化,碳掉期交易、碳交易CDs 等创新衍生品将不断涌现,碳金融产品创新设计需要学界给予更多关注。
同时,国内学者应加强对国外经验和理论的学习与反思,考察现行政策和试点实践,结合我国实际,设计我国可行政策组合及实现流程,提出全方位、深层次、多角度的低碳经济实现机制。
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关键词:碳;石墨;石墨烯
1. 绪论
20世纪50年,大规模工业生产高品质单晶硅对于计算机通讯系统、传感器、医疗设备、光伏器件、卫星、宇宙飞船等都有重大影响,美国的贝尔实验室、德州仪器公司、欧洲的菲利普、西门子和瓦克等全球大公司抓住了机遇成为初期的硅生产厂家。
1970年前后,多晶硅被用于各种类型器件的制作中,如雨硅技术中所使用的其他材料的兼容性、超过1000度的温度稳定性、易于掺杂和氧化以及能够产生等角台阶覆盖;1970年~1976年,采用冷壁大气压反应炉进行多晶硅沉积,硅栅PMOS和NMOS集成电路成为20世纪70年代早期半导体市场的主角;1976年,低压化学气相沉积工艺被用于沉积多晶硅薄膜,从那时起lpcvd系统一直是用于集成电路多晶硅沉积的主要手段。
随着光伏产业的发展,由铸锭多晶硅生产的太阳电池被认为是成本低、生产效率高而且转换效率损失不太大的唯一现存工艺。铸锭技术必须用便宜的原材料,因为在切片过程中将损失60%原材料。由于上述原因,光伏产业一直在使用微电子工业的不合格材料,目前光伏市场的增长比微电子市场快,原材料的成本翻了3倍,其结果是硅原材料称为最严重的问题。随着半导体和光伏产业的迅速发展,在21世纪,我们找到了更好的硅替代品――石墨。
2. “碳”的发展
作为碳元素最常见的矿物――石墨,与我们的生活中息息相关,普通人最常见的是铅笔、干电池碳棒等。但石墨在军工、耐火材料、冶金工业、化学工业等方面都具有重要的用途。
2010年10月9日,瑞典皇家科学院将2010年诺贝尔物理学奖授予物理学家安德烈―海姆和康斯坦丁―诺沃肖洛夫,以表彰这对师生在石墨烯材料方面的卓越研究。两位学者制备出了石墨烯材料,并发现它所具有的非凡属性,向世界展示了量子物理学的奇妙。石墨烯这种材料仅有一个碳原子厚,是目前已知的最薄的材料。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能,可望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量,石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象,为量子电动力学现象的研究提供了理想的平台,具有重要的理论研究价值。
至此,石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点之一,它的研究与发展必将21世纪带入一个全新的科学领域。
3. 石墨的传统应用领域
石墨是重要的战略矿物,具有金属和非金属两种特性:比如石墨的金属特性是热电的良好导体,非金属特性是耐高温,具有高热稳定性、化学惰性和性,其用途十分广泛。目前,各国主要应用领域有:
3.1 耐火材料
在冶金工业中,作耐火材料,用作钢锭保护剂。由于石墨及其制品具有耐高温、强度高的性质,在冶金工业中用来制造石墨坩埚,炼钢炉衬里、保护渣及连铸等。
3.2 冶金铸造工业
钢铁和铸造:石墨用于炼钢工业的增碳剂。
在铸造方面,石墨用于铸造、翻砂、压模材料:由于石墨的热膨胀系数小,使用石墨作铸模涂料,使铸件尺寸精确,表面光洁,减少铸件的裂纹和孔隙,成品率高。另外,石墨用于生产粉末冶金、超硬合金;生产碳素制品等。
3.3 化学工业
石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨,具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点,利用石墨制作石墨管道,可以保证化学反应正常进行,可以满足制造高纯化学物品的需要。
3.4 电气电子工业
用于生产微粉石墨电极、电刷、电池、锂电池、燃料电池的正极导电材料、阳极板、电棒、碳管、石墨垫圈、电话零件、整流器的正极、电磁屏蔽的导电塑料、换热器元件以及电视机显像管的涂层等。其中以石墨电极应用最广,用于冶炼各种合金;此外,石墨用于电解金属镁、铝等的电解槽的阴极。
目前氟化石墨(CF,GF)大量用于高能电池材料,特别是CF0.5-0.99的氟化石墨最适合做高能电池的阳极材料,并使电池小型化。
我国已经引进显像管石墨乳和柔性石墨纸生产线;而且近年来,在石墨深加工、微粉石墨、氟化石墨和超微细石墨的生产及石墨制品方面有了很大进展。
3.5 原子能、宇航和国防工业
石墨具有高熔点、稳定、耐腐蚀以及良好的抗α―射线和使中子减速性能,用于核工业方面的石墨材料叫核石墨。有原子反应堆用中子减速剂、反射剂、生产同位素用的热柱石墨、高温气冷堆用的球状石墨、核反应堆热构件密封垫片和堆体砌块等。
石墨用于热中子反应堆,也有希望用于聚变堆,在热中子反应堆中可作为燃料区的中子慢化剂、燃料区周围的反射层材料,以及堆芯内部的结构材料。
另外,石墨还用于制造远程导弹或者航天火箭推进器的材料,宇宙航行设备的零件,隔热材料和防射线材料,制造固体燃料火箭发动机尾喷管喉衬等,用于生产航空电刷,以及航天器上的直流电机以及宇航设备零件、人造卫星上无线电连接信号和导电结构材料;在国防工业方面,可用于制造新型潜艇的轴承,生产国防用高纯石墨、石墨炸弹、隐形飞机和导弹的鼻锥等。特别是石墨炸弹可瘫痪变电站及其他大型电器的运行,并有极大的气象影响作用,可用于军事目的。
3.6 机械工业
石墨广泛用于生产汽车刹车衬里等部件以及机械工业耐高温的剂;石墨在加工成胶体石墨和氟化石墨(CF,GF)后,在机械工业中如飞机、轮船、火车、汽车等高速运转机械中,常用作固体剂。
3.7 石墨产品及用途
(1)镁碳砖
在冶金工业中,鳞片石墨被大量的用在生产石墨坩埚和镁碳砖。
镁碳砖对石墨的质量指标要求一般包括粒度(目)、固定碳、灰分、挥发份、水分。高质量的耐火砖趋向于使用含碳量高和性能优于土状石墨的鳞片石墨,含碳量为90%~97%的中碳和高碳产品,粒度80~+200目。发展趋势是使用更细的粒度级别和含碳量高的鳞片石墨。提高石墨的纯度,即提高了镁碳砖中石墨的添加量,可以提高镁碳砖的强度和抗氧化能力。
(2)石墨坩埚
石墨坩埚在冶金工业上的应用有着较长的历史,是采用天然大鳞片石墨和优质碳化硅为原料,以黏土或炭质为结合剂加工而成,其中石墨在坩埚原料配方中的比例占到40%~50%之间。
石墨坩埚对石墨原料的质量要求
[固定碳 C(%)\&挥发份(%)\&氧化铁(%)\&水分(%)\&粒度50~80目(%)\&>85%\&
(3)高纯石墨
纯度上通常要达到高纯度,如科技部“新材料及新材料产业界定标准”(讨论稿)中,高纯石墨材料对天然石墨材料而言,鳞片石墨为C≥99.9%。某些特殊领域如用于核能、半导体等高新技术产业的,则要99.99%甚至更高。
(4)柔性石墨
柔性石墨由于具有高的化学稳定性,耐高温、耐低温,耐腐蚀,耐辐射,导电,导热,安全无毒,且具有良好的柔韧性、自粘性和性,目前已广泛应用于石油、化工、冶金等领域。
在柔性石墨密封材料上与国际水平的主要差距是高档产品少,品牌效益差,不同企业产品良莠不齐。发达国家对不同用途的柔性石墨有不同的品牌、技术标准,如通用级、核能级、缓蚀级、高纯级等。而国产材料缺乏明确的质量技术标准,这与市场研究不够有关。
(5)可膨胀石墨
小颗粒的可膨胀石墨用于生产阻燃涂料;高起始膨胀温度的石墨用于工程塑料和橡胶的阻燃;低起始膨胀温度的石墨用于生产防火密封条;微膨胀石墨作为高能电池材料。
(6)胶体石墨
广泛用于导电、电磁屏蔽、抗静电、锻造、铸造、拉丝、、仿佛、密封、丝网印刷线路、彩色显示器制造等领域。
(7)锂离子电池负极材料
锂离子电池的负极材料目前成熟应用的主要是碳石墨材料,其他负极材料基本还处于实验室阶段,近期不可能大规模使用。
天然鳞片石墨要作为锂离子电池的负极材料,要经过颗粒球化及表面包覆处理。球化技术主要是利用专门的粉碎整形设备,使不规则的石墨微粒通过气流冲击下的相互碰撞,发生卷曲和包裹作用,使颗粒成为球形或近似球形,即通常所称的球形石墨。球形石墨具有较小的比表面积及堆积时容易达到取向均匀,从而提高材料性能。表面包覆技术主要针对天然石墨颗粒表面活性点较多,易与电解液发生副反应的缺点,在石墨微粒表面覆盖很薄的一层结构稳定的无定形碳,从而达到提高稳定性的目的。
(8)各向同性石墨材料
各向同性石墨材料(核石墨)产品是指以天然石墨和石油焦为主要原料的等静压成型的细结构和超细结构石墨,产品为块体状的人工石墨制品。其产品主要为:高温气冷堆用石墨反射块、高温气冷堆球状反应堆用石墨球、核级石墨垫片、高温气冷堆用电极石墨粉。
(9)高导热石墨材料
高功率密度电子器件和高端电子工业器件等逐渐小型化、结构紧凑化、高功率密度化引发了散热问题对器件的工作稳定性和可靠性提出严峻的挑战,从而对其运行过程中产生的热量强化导出与放散提出了更高的要求。目前一般的散热材料所使用的散热片基材(如民用高端电子器件、LED用芯片材料、工业装置用换热器等)几乎都是铝合金,由于其自身导热系数(237W/m・K)的局限性,已很难满足要求,且该类材料质量较重、热膨胀系数也较大,从而大大地限制其作为电子器件封装散热材料的广泛使用。鉴于此,研究和开发导热率高、轻质和良好的热稳定性的新型材料对于实现部件的小型化、装置轻量化和运行高效化具有重要的意义。
高导热石墨材料的研发成功为高功率电子器件散热问题的解决提供了最有效的途径。由于该类材料质量轻(仅为传统金属导热材料的1/2~1/5),导热率高,耐腐蚀,热膨胀系数小,在前述需散热的器件上取代传统金属材料,不仅有利于电子器件的小型化、微型化和高功率密度化,而且可以有效地减轻器件的重量,增加有效载荷;同时用于我国的高端电子器件设备,亦可高效散热、使用安全、寿命长(主要是其抗腐蚀和氧化能力强)。
(10)铸造工业用石墨
用石墨作铸模涂料,增加铸件的光滑度,减少铸件的裂纹和孔隙。对石墨原料的要求一般粒度74μm,含碳量为70%~80%。
(11)电气工业用石墨
利用石墨制作电极、电刷、碳棒、碳管、阳极板、石墨垫圈、锂离子动力电池等。对石墨原料的要求为粒度43μm,含碳94%~97%。
(12)氟化石墨
氟化石墨是(C2F)n、(CF)n的10μm-12μm超细粉体材料,主要生产和消费国是发达国家,如:日本、美国、俄罗斯、法国、德国。主要用途:固体剂、氟化玻璃脱模剂、高能电池材料、氟石墨纤维材料、计算机与集成电路存储器材料。
4. 战略意义及发展趋势
4.1 石墨烯研究成果及应用
石墨烯是一种二维材料,由单层蜂窝状网格的碳原子组成。这种透明的、柔性的材料具有很多特殊的性质。例如,它的强度是钢的100倍,并且导电和导热性能极佳。现在有很多工作致力于探究石墨烯的应用。包括用于柔性、可穿戴电子学和天线、传感器、数据传输系统、医学和仿生生物技术、超强复合物、光伏和能量存储领域。
对于石墨烯的研究涵盖了与其相关的其他材料或其他结构,从聚合物到金属,水泥,传统半导体材料等。石墨烯只是上千种单层材料中的一种。希望能够加速实验室技术到工业转化的脚步。尤其让人激动的是可以将这些不同的单层材料叠加一起从而创造出自然界中没有的材料,得到想要的性质以用于特殊的领域。这些复合层材料还可以与其他纳米材料结合在一起,从而能够增强某些特性。
作为一种新型的纳米材料,石墨烯以其独特的结构、力学、热性能和光学性能,被称为“万能材料”。
(1)石墨烯在医学方面的应用
研究人员发现可以将未经处理的石墨烯与神经元连接起来,并且还能保持整个活性细胞的完整性。该工作是利用石墨烯制作用于控制大脑的脑深部移植物的第一步。该工作是由意大利的里雅斯特大学教授Prato完成的,他指出他们正在致力于将石墨烯最前沿的技术用于生物医学领域,研究石墨烯薄片与复杂的神经元细胞信号传导机制之间的关系。
(2)石墨烯压力传感器
压力传感器目前广泛应用于移动手持设备,如果将目前的传感器膜换成石墨烯膜,可以使传感器尺寸减小,并且极大提高灵敏度和寿命。该工作的第一作者Robin Dolleman来自于荷兰的代尔夫特大学,他们花了一年的时间为系统建模,最终才确定了压缩模压力传感器的想法。压缩模压力传感器由31层石墨烯组成,比硅基传感器灵敏度高了45倍,器件尺寸也降低了25倍。目前该工作采用了单层石墨烯,也能够取得相似的结果。
(3)无摩擦石墨烯
研究人员发现了石墨烯纳米棒在表面上滑动时展现出来的超性质,与纳米棒尺寸和弹性有关。这一重要的发现显示了纳米石墨烯用于无摩擦涂层的潜力。
(4)石墨烯皮划艇
西班牙汽车内饰专家Grupo Antolin SA与罗马皮艇合作研发一款创新型的皮艇,在其热固性聚合物内加入石墨烯材料。采用石墨烯和相关的材料可以显著提高强度和刚性,并且改进皮艇某些危险部分的耐破损能力。在九月份举办的皮划艇马拉松世锦赛中,罗马皮艇采用了K-1皮艇,该皮艇中就采用了石墨烯。
(5)生产石墨烯――厨房搅拌机法
石墨烯旗舰项目的研究人员已经发明了一种方法可以大规模生产石墨烯,采用的是一个旋转工具将液态的石墨片分离开,类似于厨房中的搅拌机。该方法可以提供生产石墨烯的速度,并且得到的二维材料具有多种用途,从印刷电子学到能源发电领域。
(6)柔性显示可以放进口袋
FlexEnable发明了世界上第一个柔性显示屏,其像素背板采用了石墨烯材料。与电泳成像胶片结合起来就能得到一个低功率的、耐用的显示器,可以适用于多种不同环境。这种显示器具有极大的潜力用于诸如可穿戴领域和互联网等领域中。
(7)采用石墨烯极大提高光纤数据传输量
石墨烯旗舰项目中的一组研究人员制作了一种高性能光探测器可用于红外光纤通信系统,系统采用了石墨烯晶圆。这可以在减小器件尺寸和降低成本的同时,提高传输信息量。
(8)石墨烯用于可充电电池
石墨烯旗舰项目下属的几个不同的研究组都在研究可充电电池。有一个小组发明了基于石墨烯的锂离子类型的电池用于手持电子设备中。石墨烯主要用在电池电极上,以包含石墨烯纳米片的涂抹墨水的形式,可以提高20%的能效。另一组研究人员则研究得到了高能量密度、效率和稳定性的氧化锂电池。电池的效率超过90%,可充电超过2000次。氧化锂电池电极是多孔、蓬松的,加入了石墨烯和其他添加剂可以改变电池中的化学相互作用。
5. 石墨资源的保护
据USGS2013年数据统计,目前探明的全球天然石墨储量约为7100万吨,其中中国储量约为5500万吨,占全球储量的77%,居世界首位。欧盟委员会在分析41种矿产资源对经济的影响和供应风险的基础上,将石墨列为14种“对欧盟生死攸关的原料”之一。
然而,同样占全球储量的70%以上,同样是国家战略储备资源,石墨却并不如稀土那样受到重视。我国石墨产业并不理想,长期处于产业链条中的原料供应者。石墨对于工业发展的重要意义,比稀土有过之而无不及。国家层面应该更多地关注这一产业的转型升级。石墨由于其特殊的结构,一直是军工与现代工业及高、新、尖技术发展中不可或缺的重要战略资源,石墨应用范围广泛。
根据我国海关公布的数据,2010年,我国石墨出口量约为58.55万吨,进口量为7.6万吨。这样的进出口格局已经持续了近30年。黑龙江省的一份分析报告显示:我国目前约有近千家石墨企业,石墨资源滥采乱掘、采富弃贫、粗放经营、管理水平低的现象比较普遍,开采和加工呈现无序化状态。如果按照目前的开采方式和速度,最多20年,国内已探明的石墨资源将消耗殆尽,届时中国将从国外高价进口石墨,由石墨大国变成石墨贫国。
与此同时,更多的乱象也发生在销售领域,由于大多为原料销售,市场秩序混乱相互竞价成为常态,致使资源低价流失海外。要确保石墨行业健康持续发展,还需要国家借鉴稀土资源管控模式,从全国范围内调控石墨产能,鼓励科技研发,统筹规划石墨产业发展。相关部门应加大对石墨产业扶持、统筹规划石墨产业,保护性开发石墨资源是当务之急。
6. 结束语
天然石墨将是未来的稀土,它会伴随着科技的发展,应用于各个领域,与我们的生活息息相关。尤其是2010年石墨烯的发现具有划时代的意义,它的发展与应用必将掀起又一次的工业革命。所以,21世纪将是石墨的世纪。
参考文献: