基于电力高频数据的碳排放测算研究——以青海省为例

韩良煜

(国网青海省电力公司，青海 西宁 810000)

0 引言

青海作为国家清洁能源示范省，提出了力争在全国率先实现碳达峰的目标[1]。区域碳排放是环境保护的一项重要指标，越来越受到学者们的关注。通过分析大量碳排放测算相关文献，总结现有研究，发现存在以下不足：一是碳排放低频(年度或季度)测算研究较多，高频(月度或天)测算研究较少[2]；二是家庭居民户间接碳排放测算基于清单编制法研究的较少[3]；三是减排研究上，定性研究较多，而定量测算较少[4]；四是碳排放测算存在一定的不确定性[5]。

通过分析，本文基于电力大数据广泛覆盖社会生产生活、实时准确强关联的特点，以电力数据为支撑，融合煤、油、气等能源数据以及统计局发布的统计数据、IPCC等机构和学者对碳排放参数的相关研究成果，探寻用电量与碳排放之间的内在规律与趋势，构建青海省碳排放测算分析模型，开展了青海省域、重点产业以及居民用户碳排放测算分析。相关研究成果不仅能为政府部门实现“碳达峰、碳中和”目标提供具体的数据支持，还能为青海省政府决策部门制定相关政策提供有益的参考。以期加快构建青海清洁低碳、安全高效能源体系，助力青海“碳达峰、碳中和”目标的实现。

1 研究方法

本文的研究采用清单编制法，从地区、重点行业、居民户3个维度进行青海省的碳排放测算。为了配合使用清单编制法，在进行每个维度的碳排放测算时，都需要确定相应的排放参数，并推算相应维度对应的活动水平[6]。具体的计算方法和技术路线图如图1所示。

图1 青海省碳排放测算方法路线图

1.1 地区碳排放测算

对于地区碳排放的测算，考虑数据的可获得性，主要测算能源利用中的碳排放。

步骤1：推算各地市及其各产业能源消费总量年度值E1。用E表示全省能源消费量及各产业的能源消费总量年度值，用G表示全省增加值与各产业增加值年度值，G1表示各地市生产总值及其各产业的生产总值的年度值[8]。则：

E1=(E/G)×G1

(1)

步骤2：估计并筛选得到各地区各产业能源消费总量与用电量的月度长期均衡关系模型[9]。以青海省为例，用Ec表示全省及各产业的用电量，对Ec和E的年度序列经过单位根和协整检验之后，得到如下月度长期均衡关系模型：

(2)

(3)

步骤4：计算月度碳排放量。利用调整因子F，以及标准煤的碳排放系数h，得到全省及各产业的月度碳排放量Ct，公式如下：

(4)

类似的可以计算各地市以及各地市的5大产业的碳排量。

1.2 第二产业重点行业碳排放测算

对于重点行业碳排放的测算，能源利用中的碳排放测算类似于地区碳排放量的测算方法，这里主要介绍生产过程中碳排放量的测算，其具体步骤如下。

步骤1：利用Denton模型基于各行业历史的月度产量数据，对缺失年份的月度数据进行插补[10]。

步骤2：利用X-12-ARIMA模型，对行业产量和用电量原序列进行季节调整，得到每个序列的季节因子S，同时得到每个序列的TCI序列(产量TCI序列记为Y，用电量TCI序列即为X)。

步骤3：估计并筛选得到产量TCI序列Y与用电量TCI序列ADL(q，s)模型如下：

(5)

步骤4：根据季节因子S以及对应行业产品的碳排放系数w可以计算得到各行业生产过程中的月度碳排放量Ct，公式如下：

(6)

1.3 居民户碳排放测算

对于居民户碳排放的测算，首先区分农村居民户和城市居民户，然后分别测算二者的直接碳排放和间接碳排放[11]。这里以城市居民户的碳排放测算为例进行介绍。

步骤1：利用青海省城市的四大类消费数据与对应的城市人均GDP数据，建立人均消费(PC)与人均GDP(PG)的年度长期均衡关系模型，公式如下：

(7)

步骤2：利用上述模型以及各区县城市的人均GDP数据(PGij，i表示消费类别，j表示区县)，推算44个区县城市居民的人均四大类消费，并根据对应的人口数(Pij)计算各区县的四大类消费年度总值TCij，公式如下：

TCij=(α0+α1×PGij)×Pij

(8)

步骤3：分别利用Denton模型和线性插值法，将44个地区城市居民户的四大类消费指标，共计176个指标的年度数据分别拆成月度数据，共得到352个月度序列指标TCijt。估计并筛选得到该地区的城市居民户的消费TCijt与其月度用电量X的ADL(1，0)模型(其中nj为地区j居民户的数量)，公式如下：

(9)

步骤4：根据Sturges分组法，利用各区县城市居民户用电量进行分组，并确定不同组别的排放比较系数GF；同时计算定基的价格调整因子PF；参考各类消费的排放因子CF，计算得到各类消费的间接碳排放量ICijt，公式如下：

(10)

步骤5：利用四大类消费碳排放占居民户总消费碳排放的比例p1，计算得到各区县居民户的总的间接碳排放量ICjt，公式如下：

(11)

步骤6：利用各区县城市居民户用电量分组的不同组别排放比较系数GF、电力排放系数EF、电力碳排放占直接碳排放的比例p2，以及居民户用电量数据X1jt计算得到各区县居民户的直接碳排放DCjt，公式如下：

(12)

步骤7：将居民户的直接碳排和间接碳排放加总，得到居民户的总碳排放量Cjt，公式如下：

Cjt=DCjt+ICjt

(13)

2 测算过程及结果分析

2.1 测算过程

本文的研究采用青海省2020年度用电量的高频数据，进行青海省区域、第二产业重点行业、居民碳排放的测算，具体测算过程如下。

1)基于用电量的高频数据。利用了季节调整、频度转换以及模型推断等多种技术对缺失的高频宏观统计指标进行统计推算，借助清单编制法实现了对碳排放的高频测算。

2)基于居民户用电量的高频数据。结合宏观统计指标推算的各种技术、居民户用电量分组技术，利用清单编制法实现了对家庭居民户的高频间接碳排放测算，为今后实现家庭高频碳排放测算的常态化和规模化奠定了研究基础。

3)基于“绿电”构成比例的高频数据。借助“绿电”的排放系数，对青海省的绿电减排效果进行了测算，为省级层面实施“碳达峰”和“碳中和”目标的“绿电”路径选择，提供了可支持的经验数据。

2.2 测算结果分析

1)从地区角度分析。2020年青海省因“绿电”带来的减排率平均为36.97%，减排效果显著。尽管减排效果显著，但2020年青海省在扣除减排量之后，碳排放约占全国排放量的0.84%。实际碳排放同比增长率约为3.75%，该增长率高于中国《国家信息通报》(2019)中的全国几何平均增长率(1.91%)，也高于国际权威机构“全球大气研究排放数据库”(EDGAR)发布的碳排放的几何平均增长(1.37%)。显然，相对于国内外权威机构测算的中国碳排放的平均增长率而言，青海省的碳排放增长率相对较高，减排压力依然存在。

从青海省各市分布来看，全省2020年的碳排放，西宁占比47%、海西占比21%、海东占比17%，3个地市总共占据了全省碳排放的85%左右，其余5个地市仅占比约15%。显然，青海省碳排放存在地区分布不均衡的情况。

2)从产业角度分析。青海省2020年工业碳排放占全省碳排放量的75.09%，其他六大产业如农林牧渔业、建筑业、交通运输仓储和邮政业、批发零售和住宿餐饮业等的碳排放量仅占24.91%。如果考虑工业生产过程中的碳排放，那么工业碳排放的占比将升高到约79%。显然，从产业层面来看，青海省的碳排放存在分布严重不均衡的情况。

显然，如果从工业生产过程中来考虑减排问题，重点应该关注水泥、炼钢等行业。其中水泥行业的碳排放对于全球各国的碳排放来讲，都占有比较重要的位置。在水泥制造工艺不发生重大变化，石灰石不具有较高程度替代的前提下，大力发展水泥窑协同处置，提升化石燃料的替代率，是目前水泥行业碳减排的最佳出路。

从能源利用角度来考虑减排问题，则重点应该关注铝冶炼、铁合金等行业。其中，铝冶炼行业由于其高能耗、高污染，应该引起特别的关注。由于电解铝是生产铝的唯一方法，因此，建议从优化生产流程、降低槽平均电压、提升电流效率等方面来降低整个铝冶炼行业的能耗，进而有效实现碳减排。

3)从碳排放空间布局角度分析。青海省农林牧渔业碳排放在各地市的分布相对均衡。2020年海西的农林牧渔业碳排放占全省该行业碳排放的比重排第一，为27%；西宁和海东占比分别为18%，并列排第二；海南占比17%，排第三；其余依次是海北9%、黄南8%、果洛3%。

青海省工业、建筑业、交通运输仓储和邮政业、批发零售和住宿餐饮业四大产业的碳排放量在各地市的分布均存在不均衡现象，且每个产业在各地市的具体分布规律较为相似。具体来说，2020年，西宁、海西、海东3个地市的4大类产业各自的碳排放占比均排在前三位(其中西宁占比最大)，且三者之和通常在90%左右；而海南、海北、黄化、果洛4个地区4大类产业的碳排放占比之和仅为10%左右，与前面3个地市的差距十分明显。

4)从城乡居民角度分析。从城市居民碳排放与农村居民碳排放的比较来看，存在较为严重的地区不均衡和城乡不均衡现象。地区不均衡方面，西宁和海西的城市居民碳排放分别比农村居民碳排放高达89%和255%；而其他6个地市分别是海东(-5.69%)、海南(-0.15%)、黄化(-9.9%)、海北(-6.21%)、果洛(-16.46%)、玉树(0%)，地区差异明显。城乡不均衡方面，2020年青海省的城市居民碳排放比农村居民碳排放高出47.27%；其中海西城乡差异最大，其城市居民碳排放比农村居民高出254.64%。这一实证经验可为决策部门基于地区城乡差异角度制定居民户的相关减排政策，提供有益参考。

3 结语

青海省大范围推广的“绿电”工作所带来的减排效果显著，但全省碳排放增长率仍处于相对较高的水平，减排压力依然存在。青海省的碳排放分布，存在产业层面和地区层面“双不均衡”的现象，这给未来的碳减排、碳达峰和碳中和工作提供了努力方向。

从青海省5大产业的碳排放空间布局来看，除了农林牧渔业之外，其他4大产业(工业、建筑业、交通运输仓储和邮政业、批发零售和住宿餐饮业)的碳排放量均存在地区分布不均衡的现象。因此，根据各地市的比较优势，有选择性地让产业碳排放量的空间分布趋于合理化和均衡化，是未来努力的方向。从青海省工业中的5大行业(铝冶炼、铁合金、钾肥、炼钢、水泥)碳排放总量来看，生成过程中的碳排放总量排名，与能源利用中的碳排放排名存在重大区别，这为青海省从工业生产过程和能源利用两大环节精准实施碳减排和碳达峰的相关政策提供了有益的参考。青海省各地市城乡居民碳排放存在较为严重的不均衡现象。这可能是由于青海省发展过程中的“双重不均衡”(即各地市发展不均衡和城乡发展不均衡)所致，需要引起相关决策部门注意。