2022-04-14 17:49

可信数字底座在碳市场中的应用研究 | 万向区块链行业研究

从“30·60”目标的确立到ESG大行其道,人们越来越重视可持续发展。万向区块链亦从技术与行业研究的角度,探索区块链作为新一代数字技术在碳市场中的应用。本文将从碳市场的现状与痛点切入,挖掘可信数字底座在碳市场中的应用价值。
作者:万向区块链首席经济学家办公室 王普玉
审核:万向区块链首席经济学家 邹传伟

碳市场发展现状


一、碳市场


1. 碳市场概述

碳市场是指碳排放权的交易市场,旨在通过市场化的方式控制二氧化碳等温室气体排放,以较低的成本实现减排目标。碳市场的交易主体包括企业、机构和个人等。我国的碳市场主要可以分为三个层次:配额碳市场、减排量碳市场和普惠碳市场。在万向区块链行业研究报告《区块链在碳普惠中的应用》中,对碳市场的三个层次做出详细梳理,并针对普惠碳市场进行了详细分析,如图1所示。


图1:碳市场的三个层次内容
图1:碳市场的三个层次内容


2. 碳排放权概述

碳排放权交易是实现碳达峰、碳中和的重要政策工具。碳排放权,即国家分配给重点排放单位的规定时期内的碳排放额度,重点排放单位需在规定时限内清缴上年度的碳排放配额。如图2所示,通过碳排放权交易系统,碳排放配额有结余的企业将其配额通过交易转让给其他企业,配额不足的企业则需购买配额以履行清缴义务。


图2:碳排放配额交易
图2:碳排放配额交易


二、碳市场发展现状


1. 碳市场发展概述

目前,我国碳市场主体是控排企业,尚未对金融机构、个人投资者开放。因此,当前所指的碳市场主要针对于第一类配额碳市场,凡是年度碳排放在2.6万吨以上的企业都将被分行业、分批次纳入碳市场。值得关注的是,目前北京、上海、广东等多省市,也在积极探索将第三类“碳普惠”纳入碳市场,让更多个人也能够参与到碳排放权交易。如2022年2月16日,上海市生态环境局就发布了《上海市碳普惠机制建设工作方案》公开征求意见:上海将建立区域性个人碳账户,引导碳普惠减排量进入上海市碳排放权交易市场,鼓励通过购买和使用碳普惠减排量实现碳中和。


2. 碳排放权交易情况

自2021年7月16日我国正式启动碳排放交易,到2021年12月31日完成碳市场第一个履约周期,根据上海环境能源交易所数据显示,共纳入发电行业重点排放单位2162家,年碳排放配额(CEA)累计成交量1.79亿吨,累计成交额76.61亿元。如图3所示,12月31日收盘价54.22元/吨,较7月16日首日开盘价上涨13%。


图3:全国碳交易成交量及成交价格情况(2021/7/16~2021/12/31)[1]
图3:全国碳交易成交量及成交价格情况(2021/7/16~2021/12/31)[1]


进入2022年,受俄乌危机影响,全球碳市场出现了集体下跌趋势,欧盟碳交易价格在3月初下跌35%。虽然油气价格暴涨但碳排放权价格却下跌,市场出现少有的脱钩现象。据碳市场咨询公司Reputax分析,这与投资者避险情绪有分不开的关系。如表1所示,2022年3月我国碳排放交易市场活跃度逐渐走低,交易量首次跌破100万吨。


表1:碳排放权交易情况汇总(2021/7/16~2021/3月31日)
表1:碳排放权交易情况汇总(2021/7/16~2021/3月31日)

资料来源:数据来源于上海环境能源交易所

万向区块链绘制表格


碳市场发展中存在的问题


一、碳排放配额管理流程


碳排放权是为了实现减排目标而新创设出的一种资产,如图4所示,以广东省的碳排放配额的管理流程为例介绍。政府根据企业当下工艺流程和原材料的使用情况,对企业本年度的碳排放情况进行预核定,并根据核定结果为企业分配相一定量的碳排放配额。企业可以通过工艺流程优化,或清洁能源替代等方式降低碳排放量,从而出现碳排放配额的富余。企业可以在碳市场中卖出富余的碳排放配额来赚取利润。次年3月,企业需要提交上年度碳排放报告。4月至5月会有专门的部门或机构对报告数据进行审核,并于6月对报告数据完成核定。根据最终核定数据,企业需要在6月20日前清缴超额排放的部分,金额根据当前的碳市场价格进行计算。


图4:广东省碳配额管理流程[2]
图4:广东省碳配额管理流程[2]


从上面的配额管理流程可以看出,准确可靠的数据是碳排放权交易市场有效规范运行的生命线,原因包括两个:第一、政府会根据企业上一年度的碳排放情况发放碳配额,一旦企业提供虚假数据,将会对市场交易的公平、公正性带来致命打击;第二、当一个碳排放履约周期结束后,配额清缴需要根据企业在本年度的碳排放情况进行核算,如果企业提供虚假数据,将会严重扰乱市场秩序、影响市场信心、危害市场健康发展。


为了保证市场公平、公正且健康的发展,我国已初步建立了企业碳排放核查(MRV)体系和 “配额清缴(CEA)+自愿减排量(CCER)”的交易体系。其中,碳排放数据的真实性和可靠性主要依赖于企业碳排放核查(MRV),具体的碳排放核查流程如图5所示。


图5:企业碳排放核查流程
图5:企业碳排放核查流程


二、碳市场发展中的问题

从图5中可以发现,碳排放数据的真实性主要依赖于省生态环境管理部门定期核查,或委托技术服务机构提供核查服务。由于碳排放数据的计量过程是非常复杂且非标准化的,不同企业因行业不同、工艺流程不同、原料使用不同,计量方法和内容也有较大差别,所以核查工作对专业性要求高,以委托专业技术服务机构提供核查服务。换句话说,当前政府对碳市场数据的真实性管理主要依赖于技术服务机构所出具的核查结果质量


通过上述方法维护碳市场公平、公正且健康发展的难度非常大、成本也非常高。由于政府机构缺少对企业第一现场的直接监管,会给予第三方技术服务机构较大的操作空间。例如,一家企业的碳排放量为1000万吨,按照50元/吨的碳排放权价格计算;若第三方技术服务机构通过内幕交易,将企业的碳排放报表数据降低10%,一年会减少5000万元的支出。即使政府机构会通过抽样调查的方法,对个别技术服务机构所出具的核查报告进行二次检查,但面对如此大的利益诱惑,仍有一些技术服务机构会顶风作案,配合碳排放企业对碳数据进行作假。


2021年10月至12月期间,生态环境部组织31个工作组开展碳排放报告质量专项监督帮扶。围绕煤样采制、煤质化验、数据核验、报告编制等关键环节,深入开展现场监督检查,发现若干问题并对相关技术服务机构做出严厉处罚,这些问题包括:利用可编辑的检测报告模板编造数据,将虚假样本送至检测机构,伪造和篡改燃煤量、供热量、购电量等原始数据,技术服务机构专业服务人员“挂名”现象,核查过程走流程、结论失实等。


2022年4月8日,碳达峰碳中和工作领导小组办公室召开关于通报碳市场数据作假问题,国家发展改革委副主任胡祖才、生态环境部副部长叶民等领导参加了会议,要求严厉打击碳排放数据造假行为、推进碳市场健康有序发展。


碳市场数据真实、可靠性解决方案


一、通过制度驱动的解决方案


参考《企业温室气体排放报告核查指南(试行)》中作出的具体要求,从制度管理层面对重点排放单位温室气体排放报告的核查原则和依据、核查程序和要点、核查复核以及信息公开等内容给予指导。核查流程如文中图5所示,从核查启动到结束分为8个步骤:核查安排、建立核查技术工作组、文件评审、建立现场核查组、现场核查、编写核查结论、告知核查结果及保存核查记录,指南中就8个步骤给出具体说明。


1. 对参与核查的技术服务机构背景要求

技术服务机构与被核查企业之间不得有任何的业务关系。例如,此前未向被核查企业提供过配额计算、咨询或管理服务,也没有过任何的资金来往,没有共同管理人或3年内高层管理者未曾在双方都工作过等。


2. 核查的具体工作事项要求

建立一个或多个核查技术工作组开展以下4项工作:实施文件评审、完成《文件评审表》并提出《现场核查清单》、提出《不合格项清单》、出具《核查结论》。指南中就文件评审的要点提出建议,包括重点排放单位基本情况、核算边界、核算方法、核算数据等。并对现场核查需要完成的工作内容提出要求。

3. 基于制度驱动的解决方案

通过制度驱动的真实、可靠碳排放数据解决方案,其核心是基于强监管政策实现,具体分为三点:第一,对于技术服务机构出具的核查报告,国家及省生态环境部门将加强监督抽查;第二,发现问题需要严厉处罚,形成强大威慑;第三,强化责任追究,严肃追究有关单位和人员责任。


4. 小结与分析

2021年有2162家重点企业参与到碳市场中,未来将会有更多领域的重点企业以及个人加入碳市场交易,如果通过上述强监管政策保障数据的真实、可靠性,需要耗费巨大的人力、物力,且承担高昂的运营成本。此外,即使有严厉的处罚手段,但以抽查方式进行数据核查的方式无法抵挡巨额利益诱惑,仍有一些技术服务机构心存侥幸心理并参与作假。最后,不同行业数据的计量标准和方法都是在“摸着石头过河”,在摸索中制定具体的标准和要求。对于一些指标的核查,如特殊场景的碳排放边界模糊,需要主观的判断在所难免,如何记录真实现场数据并方便后期核查非常重要,但上述监管方法并未将该问题考虑其中。


二、通过技术驱动的解决方案


通过技术驱动的可信碳数据解决方案,其核心是应用技术解决对多方提供数据的信任问题,从“对人的信任”到“对技术的信任”。

可信数字底座是由万向区块链提出的概念,旨在打造以可信数据为基础的,从数据采集到储存交换、再到计算赋能均嵌入可信技术,最终实现可信数据资产化的数据要素价值闭环的系统架构。万向区块链研报总第168期中详细介绍了可信数字底座的功能和价值,本文将引用可信数字底座技术框架(图6所示),介绍区块链如何从技术层面赋能碳市场的发展。


图6:可信数字底座技术架构
图6:可信数字底座技术架构


碳排放数据计量分为两类,一类是能够直接计量的标准化原始数值,如温度、耗电量等;另一类是需要做单位转换的非标准化数值,如煤的耗用量(单位kg),需要将样本送至专业检测机构,检测煤的各项指标并转化为碳排放可计量的单位。在日常碳排放数据计量中,使用固体能源的耗用重量、液体能源的耗用体积,以及气体的耗用体积等,与每单位能源所产生的各类温室气体的检测值相乘,就可以求得可计量的碳排放值。


1. 能够直接计量的标准化原始数值

可信数字底座从五个层次保障数据的真实性和可靠性。


(1)硬件层

硬件层有两种保障方式,第一种是不改变原有硬件,只需将原有水表、电表或燃气表等生成的原始数据采集并加密,再上链,实现数据的不可篡改及可追溯性;第二种方式是升级硬件层,使用搭载区块链的RISC-V芯片,能够在轻量化的物联网设备中运行速度更快、满足物联网的安全启动、安全执行环境TEE、加解密算法、加密存储、远程证明等要求。两种方式的最大区别在于,第一种方式由于对硬件的不可控,只能保证上链后的数据不被篡改,但无法保证原始数据的真实性。例如,如果电表、水表等本身存在故障或缺陷,也是基于不准确数据的上链;而第二种方式提升了硬件的可控性,硬件的身份验证、数据存储及数据加密等都被记录在链上,真正实现硬件端从数据生成到存储、再到使用的不可篡改及可追溯性。如果使用第二种方式收集碳数据,则需要对电表、水表、燃气表等设备升级。


(2)端感知层

硬件层只能保证水表、电表等本地端数据的真实和可靠性。一旦数据从本地端传输至系统或平台侧,则需要对访问者的身份进行验证。可信数字底座在端感知层提出了认证授权和访问控制,其核心是使用分布式非对称密码技术对边缘端的数据进行安全保护。其原理大致是:不同的管理者各自持有一把私钥,根据企业的审批要求,将不同审批人的单独私钥集合成一组私钥,再基于一组私钥生成一个对应的公钥。每次数据使用授权时,需要这一组私钥的持有者共同授权才能解开公钥。这种方法的优势在于实现了身份验证和访问控制机制的融合,此外,加解密的记录都通过调用智能合约的形式被记录在链上,一旦数据出现异常,能够快速追溯到具体的问题源头。


(3)数据通信层

可信数字底座从两方面赋能通信层数据安全,第一个是数据从感知层到云端的数据安全问题,这个过程要解决网络接入的身份认证,以及传输过程中的网络协议安全和路由安全等,其中身份安全和感知层密钥原理类似,可信数字底座分布式密钥管理能够赋能数据安全管理;第二个问题是云端中心化服务器的数据安全问题,可信数字底座提出了一套“边-云-链“的模式,加密数据上传云端后并进行哈希运算,再将哈希上链,以此预防云端数据被篡改的问题。


(4)数据资源层

通过数据的哈希值上链虽然能够保证数据的真实性,但如何保护原始数据的安全性?基于可信数字底座的分布式存储技术、隐私技术等为此提供解决方案。分布式存储系统,如IPFS(InterPlanetary File System,星际文件系统)是一个基于内容寻址的、分布式的、新型超媒体传输协议。存储空间不再是中心化机构提供,任何人都可以将个人闲置存储空间贡献出来并参与IPFS网络的构建,且能获得一定收益。与密钥分片原理类似,加密文件将被随机分片存储到不同服务器,且每个分片会多份备份存储,当系统监测到单个文件分片丢失后,会自动执行恢复程序。这种技术背景下,网络攻击者即使获取分片文件也无法解密,且获取所有分片的概率基本为零。


(5)可信数字底座数据资源层

可信数字底座从数据产生到传输,再到交易和共享拥有一套完整的方案。区块链技术的不可篡改、可追溯性,能够从源头保证数据的真实性和安全性。通过技术驱动的可信碳数据解决方案,对于无需单位转换的标准化碳数值,减少其计量和管理成本,有助于碳市场的公平、公正及高效性。


2. 需要单位转换的非标准化数值

非标准化碳排放数值的真实性是以检测机构的权威性作为信任假设。从技术驱动的可信数据假设,其核心在于减少人为干预,即使无法排除人为干预,也希望通过提升数据作假的成本来杜绝作假。这种作假成本不是指通过加大抽样检查并严厉处罚的方式,而是通过区块链分布式账本技术,让所有人消除对信息和数据的不对称性并能够轻易发现有人作假。


由于碳排放数据计量的专业性,无法让所有人参与到碳数据账本的维护。从联盟链的角度,可以从横向分布式碳排放数据账本和纵向分布式碳数据排放账本两个维度进行。


(1)横向分布式碳排放数据账本

横向分布式碳排放数据账本是指产业链上同类竞争企业形成一个监督联盟,将那些需要单位转换的非标准化碳排放数据进行上链管理,其他企业能够查看到数据并通过制度驱动的解决方案渠道举报。由于碳排放数据涉及到企业的内部数据隐私,可以使用两种方法避免:第一,为避免竞争企业匹配出哪份报告或某个数据来自于具体某家企业,可以使用分布式身份技术DID替代明文数据;第二,上链数据可以是加密数据而非明文数据,其他成员可以使用零知识证明的方法对比竞争对手的数据。由于市场原材料供应渠道基本透明,且原材料产生的温室气体量也基本能够被估算到,如果零知识证明结果与对比企业预期不符,即可提出申诉。


(2)纵向分布式碳排放数据账本

纵向分布式碳排放数据账本是指从供应商到制造商再到客户等形成一个闭环供应网的监督联盟,如图7所示,上下游不同的数值及检测报告能够形成映射关系,如果存在偏差数据,也能够被轻易发现。换句话说,每项重要的数据的真实性都可以通过上下游数据去验证和推理,是以上下游数据作为信任假设。如果相关联的数据中有一项异常,其他数据都存在问题。


通过供应链数据映射的实现难度较大,由于数据商业机密,供应链上不同参与者的数据如同孤岛一样存储在本地端,这将无法实现上下游数据的映射关系。近二十年,行业一直向供应链集成、供应链数字化努力,包括近两年的工业互联网,都是希望打通上下游数据,提升产品开发及迭代效率。但市场方面的发展却不尽人意,迟迟无法实现。为实现纵向分布式碳排放数据账本建设,首先需要完成供应链上下游数据的互联互通。


图7:供应链数据存证及关联
图7:供应链数据存证及关联


3. 小结及分析

对于标准化碳排放数据,通过可信数字底座从源头保证碳排放数据的真实可靠性。但对于非标准化碳排放数据管理,则通过消除信息不对称性,通过提升作假成本的方式做到对异常数据的发现。上述方法都是从防范的角度来保证碳市场的发展,而相比制度驱动、中心化的各种管理方法,可信数字底座的还有一个优势在于其激励机制和治理,通过一套积分体系引导企业、机构、个人参与到碳市场建设中。

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