鄒 旸

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基于環(huán)境生產效率的核電與火電比較分析

鄒 旸

（中國核工業(yè)建設集團公司科技與信息化部，北京 100083）

如果考慮環(huán)境成本（碳排放）對電力生產的影響，核電均比火電具有生產效率方面的優(yōu)勢，也說明大力發(fā)展核電對節(jié)能減排、建設生態(tài)文明具有重要的促進作用。從比較分析法看，不管是核電還是火電，其生產效率雖然在不同的時間階段略有波動，但隨著時間變化，核電與火電的效率差距在增大，說明核電的生產效率改善程度要高于火電。在影響因素分析方面，企業(yè)規(guī)模和企業(yè)年齡有助于促進核電與火電企業(yè)的生產效率。

環(huán)境生產效率；核電；火電

目前我國的電力結構以火電為主，而火力發(fā)電中以燃煤發(fā)電為主，煤炭燃燒產生的污染氣體和煙塵給環(huán)境帶來了巨大的壓力。隨著生態(tài)文明建設的推進，傳統(tǒng)的電力結構生產成本將會逐漸增加，因此需要調整我國電力結構，提高能源利用效率、降低成本提高盈利。核能發(fā)電不會排放加重地球溫室效應的二氧化碳，也不產生化石燃料（煤、石油、天然氣）發(fā)電排放的巨量污染物質，是目前唯一能夠大規(guī)模替代化石燃料的清潔能源；發(fā)展核能對于我國優(yōu)化能源結構、減少碳排放具有重要作用。[1]

因此，本文從環(huán)境保護的角度，比較分析我國核電與火電生產效率的變化趨勢、影響因素及其作用機制，可以為核電建設政策提供基礎，為我國高效發(fā)展核電提供科學依據。

一、文獻綜述

對電力行業(yè)相關效率方面進行的研究主要有兩種方法，一種是運用計量回歸方法，如學者Li MingJia等將多元回歸模型和廣義自回歸模型相結合形成（GARCH）模型，與矢量自回歸（VAR）模型進行比較，分析我國火電廠的能量消耗效率。研究結果表明，新的分析模型不僅能夠在無人工干預的情況下估計能效指標，而且還能分析變量的短期波動性。[2-3]

另一種是基于數據包絡分析法（DEA），Lam和Shiu最先使用DEA模型分析中國火電產業(yè)生產效率，研究發(fā)現裝機容量和燃料效率對火電生產效率影響較大。[4]F?re等等將發(fā)電站生產效率分解為純技術效率、投入擁擠和規(guī)模效率，之后又提出了用Malmquist生產率指數來衡量電力生產績效的模型，將生產率變化分解為技術進步和效率提高。[5-6]Wang應用DEA評估中國30個省區(qū)2006-2010年電力廠的發(fā)電效率。[7]趙玉玉從總效率、技術效率和規(guī)模效率等方面研究我國部分省份的電力生產效率，采用DEA模型分析規(guī)模收益和不同投入產出下的生產效率。[8]滕飛、吳宗鑫使用1991年中國燃煤電廠廠級數據進行初步分析，結果顯示燃料使用不夠徹底、使用效率低是生產效率低的主要原因。[9]Vencheh等使用DEA模型研究了我國火電行業(yè)生產效率。[10]

隨著DEA分析法在電力生產效率中的運用，該方法不斷被改進并用于更加深入的研究，吳延兵[11]采用數據包絡分析和隨機前沿分析方法，測算我國部分地區(qū)工業(yè)生產效率并進行分析。解百臣、吳育華[12]等學者對SE-DEA模型進行了重新定義，彌補了傳統(tǒng)DEA方法不能進行有效決策單元比較的情況，實現所有決策單元的評價和排列。現有文獻中少有關于核電生產效率的研究，因此對電力行業(yè)中核電生產效率的研究對完善研究電力行業(yè)效率有著重要的意義。

二、模型與數據

（一）模型

為了探索基于環(huán)保視角下我國核電與火電的生產效率問題，我們將在環(huán)境DEA技術模型的基礎上，構建碳排放約束條件下的電力生產效率模型，將非期望產出（碳排放）變量融入傳統(tǒng)DEA模型中。模型構建如下所示：

對于每一個電力生產企業(yè)DMU（=1, 2, …, n），都有個投入向量，個期望產出向量，和個非期望產出向量，式中，T表示向量的轉置，三個向量都大于零表示電力生產中的投入和產出不可能為負數。基于“帕累托-庫普曼斯準則（Pareto-Koopmanscriterion）”，[13]第k個電力生產企業(yè)DMUk的生產效率模型可表示為：

上式意味著針對每一個電力生產企業(yè)DMU，其生產效率值等于1減去其非效率部分。

（二）數據說明

考慮到數據的完整性和一致性，本文選用2013至2015年我國8個主要核電廠與14個火力發(fā)電企業(yè)層面數據，對我國核電與火電的生產效率進行定量化比較分析。其中位于東部地區(qū)的火電企業(yè)7個，中部地區(qū)4個，西部地區(qū)3個。

核電企業(yè)數據均來自核能行業(yè)協會，火電企業(yè)數據來自上海證券交易所和深圳證券交易所公布的上市電力企業(yè)年報。所用的變量包括兩方面，一方面是產出變量，另一方面是投入變量，具體說明如下：

1. 產出變量

1）期望產出（）。用年度發(fā)電量表示期望產出變量，單位為億千瓦·小時。

2）非期望產出（）。根據現有數據和已有文獻的方法，用CO2排放量來表示非期望產出，由于核電生產過程中不排放CO2，因此，非期望產出只針對火電。由于現有數據中沒有報告各企業(yè)的CO2排放量，本文根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》提供的一組缺省排放因子用于排放估算。公式如下：

式(3)中，分別表示能源的消耗量、凈發(fā)熱值、缺省因子和碳氧化因子，其中，1。

2. 投入變量

1）能源投入（）。根據核能行業(yè)協會的數據，我們不能獲得核燃料的使用量，但可知道根據電熱當量計算法計算出核電企業(yè)能源消費總量，單位為“萬噸標準煤”。這樣的數據選擇也為核電與火電的比較提供了相同的標準。

2）裝機容量（）。裝機容量是指電力企業(yè)實際安裝的發(fā)電機組額定有效功率的總和。已有研究中，POLLITT[14]和王東[15]沒有使用資本投入變量，而是用裝機容量作為電力生產的投入變量。理論上，一個發(fā)電廠的裝機容量與固定投資成正比關系，裝機容量越大的電廠的固定投資就越多，從而形成的資本投入就越大。本文選用裝機容量作為資本投入的代理變量進行實證分析。

3）勞動投入（）。勞動投入一般指實際投入電力生產的有效勞動量。本文在現有數據條件下，選擇“在崗員工數量”來衡量勞動投入，單位為人。投入和產出指標描述性統(tǒng)計結果見表1。

表1 核電與火電企業(yè)投入—產出變量描述性統(tǒng)計

四、實證結果

根據上述比較分析思路，我們對分析的結果進行說明和比較。

（一）碳排放約束下核電與火電企業(yè)生產效率比較

本文利用我國核電與火電企業(yè)投出－產出數據，基于環(huán)境DEA技術的電力生產效率模型，使用DEA-solver pro8.0軟件，獲得碳排放約束下核電與火電企業(yè)生產效率值。

由表2可以明顯看出，在考慮CO2排放約束的條件下，核電企業(yè)的全要素生產效率均明顯高于火電企業(yè)，如圖1所示。這個結果與理論預期一致，由于核電沒有產生CO2非期望產出，在使用基于環(huán)境DEA技術的電力生產效率高于火電企業(yè)，見圖1。

表2　碳排放約束下核電與火電企業(yè)生產效率值

這個結果與理論預期一致，由于核電沒有產生CO2非期望產出，在使用基于環(huán)境DEA技術的電力生產效率評價模型中，對生產目標函數的約束減弱，因此在理論上將得到較高的生產效率值。同時，這樣的結果也與現實相符，處于安全的考慮，核電在初期投資比較大，也就是說形成的資本比較多，但核電在運行的過程中，所需的單位燃料成本遠小于火電，如前文所述，100萬千萬的核電站每年只需30 t核燃料；而100萬kw的火電則需要300萬t標準煤，同時還會產生600萬t的CO2。

圖1 核電與火電生產效率比較

從發(fā)展角度看，從2013至2015年，核電與火電的生產效率均有所提升，其中，2013至2014年增長較大，而2014至2015年的效率增加值不大（見圖2）。尤其針對火電企業(yè)而言，生產效率還略有下降。這與我國火電行業(yè)的發(fā)展趨勢是一致的，即火電發(fā)電設備利用率降低可能是引起火電企業(yè)全要素生產效率降低的原因。據《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2016》，受電力消費需求下降、火電裝機機組增長過快等因素影響，2015年我國火電發(fā)電設備利用率大幅下降，火電發(fā)電設備利用小時數降至1969年的最低值4 329 h。

圖2 核電與火電生產效率變化趨勢（2013-2015）

從企業(yè)層面來看，核電企業(yè)中的嶺澳核電與寧德核電的效率值最高，而田灣核電的生產效率值位居末尾。當然，核電企業(yè)的生產效率受到規(guī)模、技術、年限、管理體制等多種因素的影響，如果從管理體制方面考慮，嶺澳核電與寧德核電的控股方為中國廣核集團，而田灣、秦山核電的控股方為中核集團，因此不同的管理體制可能會對核電企業(yè)的生產效率產生影響。在火電企業(yè)中，粵電力、國投電力的生產效率值最高（均值分別為0.972和0.975），而華銀電力的生產效率值最低（均值為0.660）。

（二）與傳統(tǒng)DEA框架下的生產效率指標對比

由于本文主要是為了對比碳排放約束下核電與火電的生產效率，這是建立在全要素生產率理論框架下的實證分析。為了明確碳排放約束對核電與火電生產效率產生的影響，這里需要對比分析有無碳排放約束條件下的結果。無碳排放約束的生產效率就是使用傳統(tǒng)DEA模型獲得的結果，即利用本文所用過的核電與火電企業(yè)數據，使用公式1獲得各企業(yè)的生產效率值。同樣，核電與火電企業(yè)的生產效率值通過使用DEA-solver pro8.0軟件獲得。結果如表3所示。

表3 環(huán)境DEA與傳統(tǒng)DEA框架下生產效率比較

注：“環(huán)境DEA”中結果即為表2中結果，“傳統(tǒng)DEA”中結果即沒考慮二氧化碳排放條件下，使用傳統(tǒng)DEA模型得到的效率值。

從表3中的結果可以看出，在不考慮二氧化碳排放的條件下，火電企業(yè)的生產效率平均值為0.835，核電企業(yè)的生產效率平均值為0.833，表明火電企業(yè)的生產效率略高于核電企業(yè)的生產效率。其中，在2013年和2014年，火電企業(yè)的生產效率高于核電企業(yè)，而在2015年，核電企業(yè)的生產效率高于火電企業(yè)。這個結果與前面的結果一致，2015年火電行業(yè)由于需求不足導致設備利用率創(chuàng)新低水平。

通過對比“環(huán)境DEA”指標和“傳統(tǒng)DEA”指標可看出：在不考慮CO2排放下，火電企業(yè)的生產效率略高于核電企業(yè)，但將二氧化碳排放作為非期望產出考慮后（“環(huán)境DEA”指標），核電企業(yè)的生產效率明顯高于火電企業(yè)。這是由于傳統(tǒng)的全要素生產率指標沒有考慮對環(huán)境污染的成本，僅從投入角度而言，火電企業(yè)在生產效率方面比核電企業(yè)略有優(yōu)勢，但考慮環(huán)境成本，核電企業(yè)具有更高的效率值。由此可知，在建設生態(tài)文明的背景下，大力發(fā)展核電，同時大力減少火電的減排能力具有重要意義。

（三）我國核電與火電生產效率影響因素

通過上述分析我們已經了解了核電與火電企業(yè)具有生產效率上的差異。但那些因素對核電與火電企業(yè)的生產效率具有什么樣的影響呢？由于核電與火電生產效率值在0至1之間，在計量分析時，因變量屬于受限變量。因此，采用Tobit模型進行核電與火電的影響因素分析是合適的。生產效率的影響因素很多，我們根據核電與火電的特點以及能夠獲得的數據，主要探討企業(yè)年齡、企業(yè)規(guī)模、所在區(qū)域、設備利用率等因素對生產效率的影響生產效率影響因素模型可具體化為：

式(4)中：1t表示企業(yè)年齡，理論上，隨著年齡的增長，企業(yè)技術水平、管理經驗、生產運作能力均有提高，從而促進生產效率提高；但另一方面，隨著企業(yè)年齡進一步增加，管理機制可能存在僵硬老化趨勢，從而對生產效率產生負面影響。2t表示企業(yè)規(guī)模，電力行業(yè)的企業(yè)規(guī)模一般用裝機容量來衡量，考慮核電與火電建設上的差異性，我們同時用資產總量作為備用變量。3t表示所在區(qū)域，由于我國各省經濟發(fā)展不平衡，使用區(qū)域變量主要為探討區(qū)域環(huán)境對生產效率的影響，區(qū)域變量采取東、中、西虛擬變量。4t表示發(fā)電設備利用率，可以從最基本的層面反映核電生產情況。是待求的系數，為誤差項。數據如表4所示。

表4 核電與火電企業(yè)生產效率影響因素變量描述性統(tǒng)計

基于Tobit模型，使用核電與火電企業(yè)數據，以生產效率值作為因變量，用企業(yè)年齡、企業(yè)規(guī)模、所在區(qū)域、設備利用率等因素進行回歸，得到結果如表5所示。

表5 核電與火電企業(yè)生產效率影響因素變量Tobit回歸結果

注：括號內是標準差，顯著性水平：*< 0.1,**< 0.05,***< 0.01

企業(yè)年齡和企業(yè)規(guī)模均對電力生產效率呈正向影響關系，且企業(yè)年齡在5%的顯著性水平上有效，不管是用資產總量還是用裝機容量來衡量企業(yè)規(guī)模，企業(yè)規(guī)模在1%的顯著性水平上有效。從而說明對于核電和火電企業(yè)，時間越長的企業(yè)生產效率高，規(guī)模越大的企業(yè)生產效率越高，這與我們的預想一致。區(qū)域虛擬變量（4）的定義是：如果是沿海地區(qū)則為0，內陸地區(qū)則為1。由于區(qū)域虛擬變量（4）的系數為負，說明東部沿海地區(qū)核電與火電企業(yè)的生產效率高于西部地區(qū)，但是該系數在10%的水平上都不顯著，因此地域分布對核電與火電生產效率的影響不明顯。行業(yè)虛擬變量的系數為負，且在1%的顯著性水平上有效，說明在碳排放約束條件下，核電企業(yè)比火電企業(yè)有明顯的效率優(yōu)勢。這與前面的比較分析結果一致。

本文通過調研收集核電企業(yè)和火電企業(yè)的相關數據，基于DEA和環(huán)境DEA模型對我國的電力生產效率進行分析。選取發(fā)電量為期望產出變量，資本、能源、人力為投入指標變量，分析有無碳排放約束情況下的電力生產效率。使用Tobit模型，從微觀層面分析企業(yè)年齡、企業(yè)規(guī)模、所在區(qū)域、設備利用率等因素對核電與火電企業(yè)生產效率的影響作用。得出如下結論：

橫向比較，在不考慮二氧化碳排放下，火電的生產效率高于核電，但將二氧化碳排放作為非期望產出進行考慮后，核電生產效率明顯高于火電。這與前面通過微觀分析得出的結論一致，由此證實：如果考慮環(huán)境成本（碳排放）對電力生產的影響，核電均比火電具有生產效率方面的優(yōu)勢，也說明大力發(fā)展核電對節(jié)能減排、建設生態(tài)文明具有重要促進作用。

縱向分析，不管是核電還是火電，其生產效率雖然在不同的時間階段略有波動，但均呈增長的趨勢。但隨著時間變化，核電與火電的效率差距在增大，說明核電的生產效率改善程度要高于火電。因此，在生態(tài)文明建設的背景下，節(jié)能減排、提高效率是關鍵，那么大力發(fā)展核電行業(yè)對于生態(tài)文明建設具有正向的促進作用。

影響因素分析，對于核電和火電企業(yè)，時間越長的企業(yè)生產效率高，規(guī)模越大的企業(yè)生產效率越高，而區(qū)域變量的影響沒能反映出對核電和火電企業(yè)生產效率的影響。

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（責任編校：彭 萍）

Comparative Analysis of Nuclear and Thermal Power Based on the Method of Environmental Production Efficiency

ZOU Yang

（China Nuclear E&C Group, Beijing 100083, China）

Nuclear power has productive efficiency advantage than that of thermal power if the environmental cost (carbon emissions) is considered. This suggests that the nuclear power should be developed to reduce the emission of CO2and promote the construction of ecological civilization. According to the comparative results, it is found that the productive efficiency of nuclear and thermal power fluctuated in different periods, but efficiency gap between nuclear and thermal power increased over time. The productive efficiency improvement of nuclear power is better than that of thermal power. On theanalysis of influence factor the scale and the age of enterprises has positive effect on the improvement of the productive efficiency of both nuclear power and thermal power.

Environmental production efficiency; Nuclear power; Thermal power

F 416.2

A

10.3969/j. issn. 2096-059X.2017.03.005

2096-059X(2017)03–0026–06

2017-03-12

國家自然科學基金（71540011）

鄒旸（1984-），男，湖南醴陵人，工程師，博士，主要從事核技術及其應用研究。