基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳排放機制設計

袁莉莉，李東格

[1.賽迪（青島）區(qū)塊鏈研究院有限公司，山東青島 266000；2.賽迪研究院網(wǎng)絡安全研究所，北京 100846]

1 引言

碳市場是全球為解決經(jīng)濟發(fā)展所帶來的環(huán)境外部性問題而產(chǎn)生的政策性市場。目前，中國碳市場成熟度水平整體較低[5]，我國有七個試點碳市場，試點之間在排放數(shù)據(jù)報告、第三方核查、配額分配、企業(yè)配額交易、履約清算碳排放的五大環(huán)節(jié)各自獨立運行。在排放數(shù)據(jù)報告方面，七個交易試點納入了高排放量的產(chǎn)業(yè)，且根據(jù)各自試點的實際情況，納入了各自的特色產(chǎn)業(yè)，使之更適應當?shù)氐那闆r。以廣東省為例，2019年納入碳排放管理和交易的行業(yè)是指電力、水泥、鋼鐵、石化、造紙、民航等六個行業(yè)，納入碳排放管理和交易的控排企業(yè)共242家，還有已建成投產(chǎn)但是未納入管理或計劃2019～2020年建成投產(chǎn)，并達到上述門檻的新建項目企業(yè)共37家。在第三方核查方面，配額市場和自愿市場還未完善，各交易試點獨立運行，我國關(guān)于碳排放核算和認證的標準還未統(tǒng)一。在配額分配方面，配額分配制度作為碳交易體系中重要制度之一，是碳交易的關(guān)鍵前提，也是碳市場價格形成的關(guān)鍵影響因素。從當前的情況來看，國內(nèi)的七個碳排放權(quán)交易試點中分配配額方式是上海、重慶、天津為免費分配，而湖北、北京、深圳、廣東四個交易試點的配額方式為混合分配。在企業(yè)配額交易方面，當前國內(nèi)七個碳排放權(quán)交易試點陸續(xù)開展了碳金融創(chuàng)新，并產(chǎn)生了諸如碳期權(quán)、碳債券、碳基金等碳金融工具，但是由于我國碳排放權(quán)交易市場仍處于初創(chuàng)期，還不夠完善，各種碳金融工具的發(fā)展受到一定限制[8]。在履約清算方面，在全國性的碳排放權(quán)交易管理辦法出臺之前，并沒有統(tǒng)一的懲罰制度，而是由地方管理機構(gòu)分別規(guī)定。

目前，我國的碳市場還處在發(fā)展階段，需要做好排放數(shù)據(jù)報告、第三方核查、配額分配、企業(yè)配額交易、履約清算等方面的工作，為未來統(tǒng)一碳市場做好準備。本文采用具有公開透明、可追溯、共享的優(yōu)點的區(qū)塊鏈技術(shù)，結(jié)合共識機制和智能合約，提出建設數(shù)據(jù)共享平臺，建立碳生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同和信任機制，實現(xiàn)碳交易的可共享、可追溯，提高交易效率，降低交易成本，為全國范圍內(nèi)統(tǒng)一碳市場做好準備工作。

2 碳排放機制概述

碳排放機制包括了兩方面的內(nèi)容，分別是碳排放參與者、碳排放流程。

（1）碳排放參與者

碳市場是一個政策性的市場，由政府部門主導。碳排放體系各環(huán)節(jié)的參與方包括政府機構(gòu)、登記機構(gòu)、交易機構(gòu)、中介機構(gòu)、征信機構(gòu)、評級機構(gòu)、監(jiān)管機構(gòu)、控排企業(yè)、減排企業(yè)、第三方管理機構(gòu)。

（2）碳排放流程

碳排放流程包括排放數(shù)據(jù)報告、第三方核查、政府配額分配、企業(yè)配額交易和履約清算五個環(huán)節(jié)。本文將上述五個環(huán)節(jié)分為三個階段如圖1所示，分別是企業(yè)排放數(shù)據(jù)報告與第三方核查，政府配額分配，企業(yè)配額交易與企業(yè)履約清算三個階段。

圖1 碳排放流程的五大環(huán)節(jié)

第一階段為排放數(shù)據(jù)報告、第三方核查。碳排放數(shù)據(jù)報告是流程中的第一環(huán)，也是最重要的一環(huán)。只有準確的數(shù)據(jù)支持才能使得減排目標的安全更加合理，所以這一步是非常關(guān)鍵也是最基礎(chǔ)的一步。我國排放數(shù)據(jù)的報告對象是溫室氣體，主要分為二氧化碳、甲烷、一氧化二氮。目前，排放統(tǒng)計的范圍是我國的七個試點碳市場。第三方核查機構(gòu)要對企業(yè)出具的碳排放報告進行核查確保其準確性，并于每年的4月30號之前提交核查報告。目前，北京環(huán)境交易所有熊貓標準，兩湖地區(qū)自行開發(fā)有區(qū)域性標準等，而全國范圍內(nèi)尚無統(tǒng)一的標準。

第二階段為政府配額分配，排放配額是指參與碳排放權(quán)交易市場的企業(yè)或單位在規(guī)定內(nèi)可合法排放的二氧化碳的限額。目前，我國配額總量的確定是根據(jù)“十二五”和“十三五”期間的我國出臺的兩個溫室氣體排放工作方案，各時期內(nèi)的碳排放量下降目標由各方案確定。配額分配方式在初期是以免費配額分配為主，目前也引入了有償分配并在逐步提高占比。

第三階段為企業(yè)配額交易、履約清算。碳排放權(quán)交易的初期交易產(chǎn)品為排放配額和國家核證自愿減排量（CCER），交易主體包括重點排放單位及符合交易規(guī)則規(guī)定的機構(gòu)和個人。碳排放權(quán)交易必須在指定的交易場所進行，我國的碳交易均是在碳交易所完成的，交易雙方在自愿平等的基礎(chǔ)上進行碳配額的買賣。碳交易所均由政府支持，從事的碳交易無論是清潔發(fā)展機制（CDM）項目，還是自愿減排交易，目前的數(shù)量和規(guī)模都還有限。根據(jù)各試點交易所情況，交易所負責發(fā)布碳排放權(quán)交易即時行情、碳排放權(quán)交易公開信息，對碳價格的漲跌幅、最大持倉量加以限制，對交易行為實行監(jiān)督與風險管理，保證碳交易市場的穩(wěn)定發(fā)展。

3 我國碳排放機制運行中的痛點

目前，我國碳排放機制運行呈現(xiàn)多方參與，缺乏協(xié)同和信任的局面，其面臨的問題主要為以下幾點。

第一階段中，企業(yè)數(shù)據(jù)報告是由企業(yè)根據(jù)自身的實際情況核查碳排放數(shù)據(jù)報告，第三方核查機構(gòu)對排放報告和第三方核查機構(gòu)出具的核查報告進行核查，匯總數(shù)據(jù)后報發(fā)改委。在這個過程中，企業(yè)與地方政府之間信息不對稱，如果企業(yè)與第三方機構(gòu)合謀進行數(shù)據(jù)造假，會架空地方政府職能，不利于地方政府掌握真實情況，不利于建立碳信息披露制度。

第二階段中，政府配額分配階段中按照行業(yè)、控排企業(yè)或新建項目企業(yè)、不同的分配方法相結(jié)合的方式進行配額分配。一旦政府給企業(yè)的配額分配不當，將會在一定程度上造成市場的扭曲，最后導致企業(yè)集體不合作或者形成黑市經(jīng)濟，有悖于碳交易建立的初衷。

第三階段中，碳市場交易缺乏完善的監(jiān)管懲罰制度，各流程節(jié)點都可能存在假冒偽劣、不透明交易等問題。這些都加劇了信任危機，嚴重影響碳市場的管理和整體效益的提升。信任機制缺乏、信息不對稱導致交易雙方要付出更多精力和成本進行考量，拖慢了交易的效率，提高了交易成本。而在交易流程中涉及的項目報批和認證環(huán)節(jié)，要監(jiān)管部門指定的機構(gòu)負責注冊和排放量的核實，結(jié)算程序也涉及相關(guān)銀行、金融機構(gòu)，這些都造成交易成本直線上升，究其本質(zhì)原因是信任機制缺乏、信息不對稱造成的。

另外，目前我國的七個試點碳市場之間獨立運行，造成信息不對稱的現(xiàn)象。不利于全國范圍內(nèi)統(tǒng)一碳市場協(xié)同建立。

本文將通過碳排放流程的五個環(huán)節(jié)分為三個階段，基于碳市場目前的運行情況，采用聯(lián)盟鏈分別提出在排放數(shù)據(jù)報告與第三方核查、政府配額分配、企業(yè)配額交易與履約清算三個階段應用的方案，其中前兩個階段因為其主要應用場景為政府而合并為碳政務進行設計，與第三階段的碳交易分開設計，目的在于構(gòu)建一個可追溯、可共享的碳排放流程的數(shù)據(jù)共享平臺及建立信任機制和協(xié)同關(guān)系，提高交易效率，共同促進碳市場發(fā)展。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)在碳排放政務中的方案設計

區(qū)塊鏈記錄了交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊以時間順序相連組合而成的鏈式結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上是一個去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，借助于非對稱加密、默克樹等技術(shù)保證信息不會被外部攻擊而篡改，從而保障數(shù)據(jù)的安全。聯(lián)盟鏈是一種需要注冊許可的區(qū)塊鏈，僅限于聯(lián)盟中具有權(quán)限的成員參與，適合于跨機構(gòu)的交易、結(jié)算、協(xié)同辦公及存證，這也是本文采用聯(lián)盟鏈的原因。

碳排放流程的第一階段，要解決的問題是基于信息不對稱產(chǎn)生的數(shù)據(jù)造假。區(qū)塊鏈作為防篡改的分布式數(shù)據(jù)庫，集合先進的探測技術(shù)核查溫室氣體排放數(shù)據(jù)，并通過多個傳感器將采集數(shù)據(jù)直接上鏈，通過共識機制核查數(shù)據(jù)，達成共識打包成區(qū)塊進行存儲可以保證數(shù)據(jù)真實性。另外，區(qū)塊鏈的加密算法和鏈式結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的安全、可追溯，從而建立起數(shù)據(jù)共享平臺。基于數(shù)據(jù)共享平臺，政府部門可以獲取真實的數(shù)據(jù)，更好的完成監(jiān)管與核查企業(yè)碳排數(shù)據(jù)的工作。碳排企業(yè)的排放數(shù)據(jù)是第一手的資源，在這些真實基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，政府可以根據(jù)這些歷史排放的信息有效的進行配額分配。

碳排放流程的第二階段，要解決的問題是碳配額的合理分配。目前，全國還沒有總的碳配額的分配方案。政府配額分配的公平與否主要靠機制本身的設計是否合理，是一個動態(tài)的發(fā)展過程，而分配方案則可以通過區(qū)塊鏈的智能合約實現(xiàn)。第一階段通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了碳排放數(shù)據(jù)上鏈，創(chuàng)建數(shù)據(jù)共享平臺，獲得所有碳排企業(yè)的有效數(shù)據(jù)，在第二階段中用第一階段的數(shù)據(jù)共享平臺結(jié)合拍賣機制、歷史排放、基準線法等分配方法，控排企業(yè)的行業(yè)基線等編入智能合約實現(xiàn)眾多控排企業(yè)、減排企業(yè)配額的合理分配。在配額分配完成后，各控排企業(yè)和減排企業(yè)獲得排放配額，在全網(wǎng)廣播寫入?yún)^(qū)塊，可以自己消耗配額，也可以為碳排放交易做好準備。以廣東省為例，其分配行業(yè)涉及電力、水泥、鋼鐵、石化、造紙、民航，如圖2所示。

5 區(qū)塊鏈技術(shù)在碳交易中的方案設計

碳排放流程的第三階段，要解決的問題是碳配額的交易不透明及履約清算的多方參與使得交易成本高的問題，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)分為三個場景，分別是碳交易所、交易過程技術(shù)實現(xiàn)、對第三方機構(gòu)影響進行設計。

圖2 區(qū)塊鏈在配額分配中的應用

5.1 區(qū)塊鏈技術(shù)在碳交易所中的方案設計

我國的碳排放權(quán)交易所作為有組織的排放配額流轉(zhuǎn)場所，參與碳市場的交易主體不僅包括配額的買方和賣方，還包括制定交易規(guī)則的市場組織者、負責清結(jié)算業(yè)務的專業(yè)機構(gòu)、管理和監(jiān)督配額流轉(zhuǎn)的核查機構(gòu)以及專業(yè)的中介服務機構(gòu)，如圖3所示。這些參與主體依照嚴密的交易規(guī)則和流程，通過碳市場的交易活動，自發(fā)調(diào)節(jié)所持配額的余缺，在排放總量控制和削減的大背景下，追求自身的經(jīng)濟效益最大化。

區(qū)塊鏈技術(shù)應用在碳交易所運行中，分兩部分進行敘述。第一部分為多方參與，第二部分為多方參與的分布式交易，如圖3所示。

第一部分：市場組織者、清結(jié)算專業(yè)機構(gòu)、專業(yè)中介機構(gòu)、核查機構(gòu)、配額賣方和買方加入到區(qū)塊鏈中，構(gòu)成聯(lián)盟鏈的多方參與。同時，市場組織者可以審核聯(lián)盟會員加入、登記等。

第二部分：多方參與的分布式交易體現(xiàn)在企業(yè)配額交易的過程中區(qū)塊鏈的分布式節(jié)點記錄交易數(shù)據(jù)，達成共識存入?yún)^(qū)塊的過程分別為以下幾步。

（1）根據(jù)國家配額分配方案，控排企業(yè)與減排企業(yè)錄入碳排放配額的初始配額，在區(qū)塊鏈中廣播實現(xiàn)共識后寫入?yún)^(qū)塊；

（2）配額買賣雙方參與到配額的交易過程，將配額數(shù)量、價格等信息進行上鏈，構(gòu)成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層，并且數(shù)據(jù)上鏈的過程中對交易數(shù)據(jù)采用加密算法保證數(shù)據(jù)安全性，以配額買賣雙方A和B的交易為例實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的存儲，詳細過程如圖4所示。區(qū)塊鏈分布式的數(shù)據(jù)信息，設計好區(qū)塊鏈的共識層，在達成共識后則寫入?yún)^(qū)塊鏈。交易完成后，觸發(fā)智能合約，完成交易直接貨款兩清。這是區(qū)塊鏈的合約層；

（3）核查機構(gòu)在交易所中實現(xiàn)的是核查交易數(shù)據(jù)、合同等的真實性，區(qū)塊鏈將交易數(shù)據(jù)記錄打包成區(qū)塊進行記錄，由此建立數(shù)據(jù)共享平臺。數(shù)據(jù)共享平臺可以使得鏈上交易公開透明，而基于區(qū)塊鏈的鏈式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)區(qū)塊鏈上交易數(shù)據(jù)的可追溯，從而輔助核查機構(gòu)完成工作。

另外，數(shù)據(jù)共享平臺包含有記錄的碳配額交易的價格、數(shù)量的時間序列數(shù)據(jù)，再結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)可以進行碳價預測、預警體系的建立，還可以進一步結(jié)合其他能源市場的交易數(shù)據(jù)，分析能源市場之間的溢出風險。

圖3 區(qū)塊鏈技術(shù)在碳交易所中的設計

5.2 碳交易的區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)

本文以區(qū)塊鏈為底層技術(shù)，其單個交易區(qū)塊的生成過程分為三步，即交易發(fā)生、認證過程和挖礦記賬過程。

如圖4所示，以配額買方A、配額賣方B之間的交易為例，從A和B發(fā)生交易開始，產(chǎn)生交易數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過非對稱加密技術(shù)對交易數(shù)據(jù)明文進行加密，最終生成交易數(shù)據(jù)密文。參與認證的節(jié)點使用A和B公開的公鑰解開密文得到交易數(shù)據(jù)明文。檢驗交易數(shù)據(jù)的語法、結(jié)構(gòu)、字節(jié)大小、輸入地址、輸出地址、輸入金額與輸出金額等信息，若檢驗通過，則該筆交易數(shù)據(jù)加入待記賬的交易池中，等待節(jié)點確認交易。從上個區(qū)塊產(chǎn)生之時，下個區(qū)塊的挖礦過程就開始啟動。根據(jù)初始設定的難度值，整個挖礦過程大約10分鐘。參與挖礦的節(jié)點通過哈希算法找到符合條件的Nounce數(shù)，使得區(qū)塊頭哈希值小于目標哈希，并將該Nounce值率先全網(wǎng)廣播。所有節(jié)點進行驗證，若區(qū)塊哈希值的確小于目標哈希且區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、時間戳、字節(jié)大小等全部有效，則達成共識，該挖礦節(jié)點獲得記賬權(quán)且贏得交易費和獎勵。至此，A和B的交易完成，而該區(qū)塊分布式存儲在各個節(jié)點處。配額買賣雙方達成交易。

5.3 區(qū)塊鏈對碳交易的第三方機構(gòu)的影響

專業(yè)中介機構(gòu)作為碳交易所中一個獨特的機構(gòu)主要是進行第三方服務的機構(gòu)，在買賣雙方?jīng)]有信任機制的時候，充當可信的第三方，從中賺取中介費，這使得交易成本大大增加了，而且如果企業(yè)一方與中介機構(gòu)合謀會造成另一方企業(yè)的巨大損失，而引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)解決了上述的問題。其一，區(qū)塊鏈的的鏈式結(jié)構(gòu)，使得區(qū)塊鏈的每筆交易可追溯，造假基本不可能。其二，在區(qū)塊鏈上，由于主要參與者在區(qū)塊鏈上，交易公開透明，企業(yè)數(shù)據(jù)分布式節(jié)點存儲，并通過共識機制建立起可信任的交易機制，第三方想通過信息不對稱牟利是不可能的。除此之外，區(qū)塊鏈可以實現(xiàn)智能合約，交易的雙方自動會在鏈上實現(xiàn)貨款兩清，大大提高了交易的效率。

圖4 區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)碳交易

清結(jié)算專業(yè)機構(gòu)是對每年分配的企業(yè)配額清繳進行清繳和結(jié)算。區(qū)塊鏈作為分布式防篡改的數(shù)據(jù)庫，可以提供安全、可信任的交易數(shù)據(jù)給這些專業(yè)機構(gòu)進行結(jié)算。清結(jié)算專業(yè)機構(gòu)也可將對控排企業(yè)未達履約目標所產(chǎn)生的懲罰進行明確規(guī)定，編入智能合約，完成處罰，大大提高處理效率。

核查機構(gòu)參與交易核查，準確性的驗證，此時的區(qū)塊鏈由于具有鏈式結(jié)構(gòu)，交易可追溯，可以實現(xiàn)核查機構(gòu)對交易的核查。另一層面核查雙方簽訂的合同，利用區(qū)塊鏈上的智能合約編寫代碼，如果符合合同則觸發(fā)智能合約。因此核查機構(gòu)可以利用區(qū)塊鏈的這些優(yōu)勢輔助核查工作高效完成，節(jié)省了核查時間與成本。

6 結(jié)束語

本文通過對碳排放流程五大環(huán)節(jié)和三個階段的介紹，總結(jié)出目前碳排放流程中的痛點，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)搭建碳排放數(shù)據(jù)共享平臺，實現(xiàn)信息共享，建立起碳生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同和信任機制。但基于區(qū)塊鏈的碳排放數(shù)據(jù)共享平臺在發(fā)展過程中仍面臨如下挑戰(zhàn)。首先，在法律基礎(chǔ)方面，既缺乏針對全國體系碳交易法規(guī)，也缺乏區(qū)塊鏈技術(shù)國家標準，無法保證全國體系區(qū)塊鏈碳交易的有效實施，需要國家層面碳市場法律法規(guī)盡快建立。其次，在與其他能源市場的數(shù)據(jù)共享方面，電力市場改革、碳排放權(quán)交易市場等相關(guān)領(lǐng)域的改革都在同時進行，直接影響了企業(yè)的溫室氣體排放，而目前缺乏覆蓋電力市場、碳市場等多個能源市場區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享平臺，不利于分析能源市場之間的溢出風險，需要在頂層設計上進行有效的協(xié)調(diào)。最后，在區(qū)塊鏈的技術(shù)落地和應用推廣方面，區(qū)塊鏈技術(shù)落地需要與碳排放各個環(huán)節(jié)的更多業(yè)務場景尋求融合，建立完善的碳排放區(qū)塊鏈整體架構(gòu)。未來區(qū)塊鏈技術(shù)還將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)共同推動碳市場更多應用場景不斷落地。