【香樟推文2120】从化石能源向再生能源创新的技术导向型转变——来自企业专利数据的分析

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原文信息：Smeets, Roger, Noailly, & Joelle. 2015. Directing technical change from fossil-fuel to renewable energy innovation: an application using firm-level patent data. Journal of environmental economics and management.

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引言

发电行业一直被视为高度依赖碳密集型化石燃料（煤炭、石油、天然气）的产业。当前，全球电力的70%来自于这些化石燃料的燃烧。在中国、印度、澳大利亚和波兰等国，煤炭发电的比例甚至达到了70%-95%。这种对化石能源的高度依赖使得发电行业成为了全球最大的碳排放部门。随着全球人口的持续增长和经济的发展，人们对于电力的需求呈持续增长的态势，这在发展中国家尤为明显；在全球低碳、清洁、可持续发展的战略背景下，发电行业从化石能源为主导的技术向低碳、绿色能源技术转变显得至关重要。

近年来，包括太阳能、风能、生物质能在内的可再生能源为电力部门提供了一种清洁生产的可能性。虽然可再生能源发电在一些国家得到了发展，然而其在全球电力总量中所占的比重依然较低，仅有18%左右。加快可再生能源发电技术水平的创新不仅有助于降低再生能源发电的成本，而且有助于提升其与传统化石能源发电相较的竞争力。

在本文中，基于欧洲国家5471家电力生产企业在1978-2006年间的化石能源技术和再生能源技术专利数据分析了这些国家的技术导向型变化特征。与既有文献相比，本文的创新性在于重点关注企业的异质性特征在其技术导向型转变过程中发挥的作用。具体地，本文将样本企业区分为“专业化企业”（即在样本期间仅进行某一类能源发电技术的创新）和“混合型企业”（即在样本期间既进行化石能源发电技术创新也进行再生能源发电技术创新）。这样区分的原因在于：1.创新与经济增长的经典文献已经证实企业创新行为存在着异质性，尤其是小型企业的临时性创新行为与大型企业的持续性创新行为之间差异显著，本文的分类正是基于该理论而展开；2.企业的技术创新活动的转变表现为两个主要的方面，即现存企业中创新活动在不同能源种类之间的再配置以及企业在不同能源创新技术领域的进入或退出市场行为，在行业层面如何理解这种新技术替代旧技术的变化方向有赖于对企业异质性的准确识别。

在实证分析中，本文使用零膨胀计数模型（zero-inflated count model）对不同企业是否进行再生能源/化石能源技术创新的决策行为以及进行创新活动的力度分别进行分析；其中，前者属于外延边界分析，即考察企业是否实施创新型技术活动，而后者属于密集边界分析，即决定进行技术创新的企业在某一种能源技术创新方面的实施力度。紧随其后，本文从整体层面分析了这些样本企业的创新活动对于缩小化石能源与再生能源技术创新差距的影响程度，得到两个重要的结论：1.专业化企业进入再生能源技术创新市场的行为以及再生能源市场规模的增长是两个主要的引致再生能源与传统化石能源技术差距降低的因素；2.化石能源价格的增长、市场份额的增加以及知识存量的上升则是主要的促使再生能源与化石能源技术创新差距扩大的因素，其通过提高混合型企业的创新频率从而扩大了再生能源与化石能源技术创新的差距。同时，本文还发现专业再生能源技术创新企业具有高度的偶然性创新的特征，这意味着在经济体中存在着大量的尚未被充分利用的创新潜能。因而，致力于提高再生能源技术创新的政策应该重点关注如何帮助小型企业进行长期可持续性的再生能源技术创新活动。

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基本框架

Hicks (1932)提出的“引致创新假设”认为生产要素相对价格的改变是创新的源泉；经济增长与创新的经典文献中指出技术转变是一个“创造性破坏”的过程，即新型的技术创新不断替代旧的技术，这同时发生在企业进出技术创新市场的行为以及原有企业内部创新活动内容的不断变更。基于这两种基本理论，本文设立基本研究框架如下：

假定企业会雇佣科学家在企业的实验室进行创新活动，这些创新活动使用特定的技术投入对再生能源、传统化石能源或二者兼而有之进行创新。在特定技术水平下，企业创新活动的净利润是创新活动的期望产值（创新利润与创新成功率的乘积）与沉没成本和固定投资之间的差值。其中固定成本（诸如研发人员的工资）发生在每个年度，而沉没成本（购置设备和机器，实验室的建造等）只在进入市场时发生。同时假定每一项技术的研发都会有其独立的沉没成本。这种初次启动创新的沉没成本的存在意味着专业化的企业与混合型的企业同时存在于创新市场中，这即为我们观察到的企业间的异质性。

假定只在可再生能源技术或传统化石能源技术方面进行单一技术创新的企业为“专业化企业”,这些企业只需要承担一次建设实验室的投资成本；假定同时在可再生能源和传统化石能源两类能源技术领域进行创新的企业为“混合型企业”，这些企业为了研发所投入的沉没成本远高于“专业化企业”。基于创新成本约束，混合型创新往往发生在那些大型的且经营期较长的企业中，而专业化创新则多数发生在新兴的小型企业中。

固定创新成本的存在意味着在每一成本期间，所有的企业都会面临两种类型的创新决策：1.在既有技术水平下决定是否进入该创新市场；2.在决定进入该创新市场的前提下，决定创新的力度和频率。在某一个确定时期，企业只有在期望创新利润非负（可变创新收益能够覆盖创新的沉没成本和固定成本）的情况下才会决定进入该创新市场；而在既定技术水平下，期望创新收益的高低决定了企业进行创新的力度和频率。

在总结既往研究文献的基础上，本文考虑了三个影响企业创新利润的因素：化石能源价格、市场份额、企业的既往知识存量。三类因素对不同企业的创新行为的理论影响如表1所示：

在多数情况下，价格、市场份额、知识存量三因素对两种能源技术的创新活动起相反的作用。本文研究的目的在于回答在何种程度上这些因素会引导企业的技术创新活动从化石能源技术创新向再生能源技术创新转变，从而缩小再生能源技术创新与化石能源技术创新之间的差距。

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能源技术专利发展趋势及创新市场进出的动态变化

本文使用发电企业的能源技术专利数据以及其他相关的企业信息和进出技术创新市场数据对发电企业的能源技术创新行为进行分析。专利数据主要用于衡量各个样本企业在可再生能源技术或传统化石能源技术方面的创新活动。这些数据来源于Bureau van Dijk 的Orbis 数据库，该数据库包含了来自于欧洲专利局PATSTAT数据库的所有企业专利信息。同时，Orbis 数据库中还有企业的金融和运营数据信息。我们的样本中包含在1978-2006年间至少在欧洲专利局或欧盟15国及瑞士、挪威17国的国家专利局获得过一项可再生能源技术专利或者传统化石能源技术专利的企业。可再生能源创新专利是指那些旨在创造或改善再生能源（风能、太阳能、水能、海洋能、生物质、地热能、废弃物）生产技术的专利；传统化石能源创新专利包括production of fuel gases by carburetting air, steam engine plants, gas turbines plants, hot-gas or combustion-product positive displacement engine, steam generation, combustion apparatus, furnaces, and improved compressed-ignition engines.本文所筛选的样本企业总计5471家，能源技术专利数量总计23864个。其中，再生能源技术专利和传统化石能源技术专利分别占比15%和85%。图1显示了样本期间企业数量和能源专利技术数量的变化趋势。图2显示了不同类型企业在不同能源技术上的专利数量及其变化趋势。

从图1和图2中可以看出：在总的能源技术专利数量上，专业化企业的数量远远小于混合型企业，这意味着这些企业在可再生能源技术创新和传统化石能源技术创新方面的数量变动与企业进出该创新市场的动态活动联系紧密。对于混合型企业而言，企业的数量相对稳定，因而企业进出创新市场的动态活动并不是该类企业能源技术创新专利波动的主要原因，相反，企业创新水平更为重要。

表2给出了不同类型企业在能源技术创新活动上的描述性统计特征，表3给出了不同类型企业在流转率、雇员数量、资产及企业年龄四个方面的描述性统计特征。不同类型的企业本身存在差异，而且在不同能源上的技术创新活动及进出创新市场方面均存在着较大的差异，这也是本文从企业异质性角度对企业的能源技术创新活动及其转变进行分析的主要基础。

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数据和方法

本文中，使用授权专利数量代表企业在可再生能源或传统化石能源方面的技术创新，将其设定为因变量，自变量包括能源价格、市场份额及企业的知识存量。使用不同的加权计算方面获得企业层面的化石能源价格、传统化石能源市场份额、可再生能源市场份额、企业在传统化石能源/可再生能源方面的知识存量。鉴于再生能源技术的投入品价格不易得，我们这里仅仅计算了企业层面的化石能源价格作为价格因素的代表，衡量其变动对企业能源技术创新行为及能源技术转变的影响。各个自变量的测算方法详见原文。

本文使用两个不同的估计方法对企业的零专利（zero patent）行为进行解释。（1）结构性零（structural (excess) zeros）,代表企业在某个特定年份和特定技术水平下，并未找到对技术创新进行研发投入的利润空间（即企业并未做出进入该能源技术创新市场的行为）;2.标准零（standard zeros），代表尽管企业已经进入到该能源技术创新市场，但是该创新活动并不是成功的（这来源于创新活动的不确定性）。这两个过程分别解释了企业在外延层面和密集层面的创新活动。零膨胀泊松模型被用于分析企业的这两种创新活动。首先，logit分布模型对企业是否进行创新活动进行分析，即该创新活动是否会带来负向的产出；然后，两阶段泊松分布模型用于考察企业创新的实际产出水平。企业授权专利数量被视为服从泊松分布。具体模型设计详见原文。

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实证结果

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企业能源技术创新的影响因素

表5显示了基准估计结果。

第（1）列分析了致力于再生能源技术创新的专业化企业的创新行为，结果显示：化石能源价格、再生能源市场份额、企业过去的再生能源知识存量对企业在密集型边界上的再生能源技术创新力度存在显著的促进作用；而在外延边界上，结果显示再生能源市场份额的增长会增加企业进入再生能源创新市场的概率；而企业的再生能源知识存量对企业进入再生能源技术创新市场存在抑制作用，这反映了该市场上专业性企业的能源技术创新活动具有偶然性特征。

第（2）列分析了致力于传统化石能源技术创新的专业化企业的创新行为，结果显示；化石能源价格及企业的化石能源知识存量对企业的创新力度有显著的促进作用，但是化石能源市场份额并无显著影响。外延边界估计结果意味着化石能源价格的提升会减少企业进行化石能源技术创新的可能性，而化石能源知识存量的提升则对企业进入化石能源技术创新市场有抑制作用，这同样反映了专业化企业在传统化石能源技术领域的创新行为多数具有偶然性。

第（3）列反映了混合型企业在可再生能源领域的创新活动。化石能源价格、可再生能源知识存量对该类型企业在再生能源领域的创新活动具有显著的促进作用，同时企业在传统化石能源方面的知识存量也对企业在再生能源领域的创新活动具有显著促进作用，这意味着混合型企业在化石能源技术创新和再生能源技术创新上具有互补性。在外延性边界上，化石能源市场份额的增长会降低该类企业进入再生能源创新市场的概率，而再生能源市场份额的增长则会提高该类企业进入再生能源创新市场的概率，其他因素的影响均变得不显著。

第（4）列分析了混合型企业在传统再生能源领域的技术创新行为。传统化石能源价格、化石能源市场份额及化石能源的知识存量是驱动企业进行化石能源技术创新的主要动力。同时，我们注意到，混合型企业在化石能源价格提高时会同时增加再生能源技术和化石能源技术两方面的创新活动，并且在企业内容并无这两种技术创新活动之间的替代。

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化石能源-再生能源技术创新差距的影响因素

为更好地理解本文的实证模型对发电企业技术创新导向性转变的影响，本文进一步分析了模型变量对化石能源-再生能源技术创新差距变动的影响。估计结果见表6.

在表6中，第（1）列结果显示：对于专业化企业而言，能源知识存量是唯一显著引致企业在两类能源技术创新差距变动的影响因素。第（2）列的结果显示：再生能源市场份额、再生能源知识存量、化石能源知识存量是显著的影响专业化企业是否进入该创新市场的因素，其中只有再生能源知识存量因素的影响显著为正。第（3）和（4）列的结果显示：化石能源价格、化石能源市场份额及化石能源知识存量均与混合型企业在化石能源—再生能源技术创新上的差距呈显著正相关，及这些因素的增长会扩大该类企业在两种能源技术创新方面的差距；相反，再生能源市场份额的提升会显著降低混合型企业在两种能源技术创新方面的差距。然而，在前文的图2（b）中我们观察到了样本末期混合型企业中两类能源技术创新差距的逐渐缩小的趋势，其原因在于在本文的样本期间，混合型企业经历了化石能源市场份额和知识存量的双重下降，而化石能源平均价格的增长是非常有限的，三因素综合变动的结果就是混合型企业在两类能源技术创新方面的差距呈降低的趋势。

为保证估计结果的稳健性，本文尝试多种方法对上述估计结果进行稳健性分析，包括加入对企业固定效应的考察，对化石能源价格的影响进行细分，加入知识溢出效应的考量，剔除部分大型企业样本进行估计，分别考虑价格和市场份额的影响，使用装机容量数据代替发电企业的产出数据以降低可能存在的内生性，使用其他层面的企业专利数据进行分析等，具体分析结果见原文附件。稳健性估计结果与前文基本保持一致。

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结论

本文的分析结果显示：化石能源价格的增长以及企业能源知识存量的增加会促进所有企业的创新活动；再生能源市场份额的增长仅对专业化企业进行再生能源技术创新存在显著促进作用；化石能源市场份额的增长会促进混合型企业在化石能源技术上的创新，但是会降低他们进行再生能源技术创新的概率。这些因素也影响着企业从化石能源技术创新向再生能源技术创新转变的导向。从整体而言，专业化企业不断进入再生能源创新市场以及再生能源市场份额的增长是引致企业在化石能源和再生能源技术创新方面的差距降低的主要原因；而化石能源价格、市场份额以及知识存量的增长则会通过提高混合型企业的创新水平而扩大企业在化石能源和再生能源技术创新方面的差距。

■ Abstract 

In this paper we provide an analysis of directed technical change in the sector of electricity generation. We rely on patent data in fossil-fuel (FF) and renewable energy (REN) technologies for 5471 European firms over the 1978-2006 period. The novelty of our approach is in the focus on firm’s heterogeneity in driving technological change. We make a distinction between small specialized firms, which innovate in only one type of technology, and large mixed firms, which innovate in both technologies, to analyze how REN patents can replace FF ones at the sector level both through a shift in innovation activities within existing firms and through firm’s entry and exit. We use zero-inflated count data estimation techniques to identify the factors that affect specialized versus mixed firm’s patenting behavior both at the intensive (i.e., levels of innovation) and extensive (i.e., technological entry) margins. We further investigate the implications of our firm-level estimations for reducing the gap between REN and FF innovation at the aggregate level. We establish two key findings: (1) a decrease in the FF-REN technology gap mainly comes about through technological entry of specialized REN firms following an increase in REN market size; (2) increases in FF prices, FF market size, and FF knowledge stocks all increase the technology gap by increasing mixed firms FF innovation rates. An important implication of our results is that policies aimed at increasing REN innovation should focus on helping small firms to start and sustain innovation in the long-run.

Keywords: Directed technical change; Renewable energy; Fossil fuel energy; Patents; Innovation; Heterogeneous firms

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本期小编：路芳菲