山西省能源消费碳排放清单和影响因素研究

2022-11-19赵江燕朱宇恩马建超葛晓华

太原理工大学学报 2022年6期

赵江燕，朱宇恩，马建超，葛晓华

(1.中国农业大学人文与发展学院，北京 100083；2.山西大学环境与资源学院，太原 030006；3.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；4.太原工业学院环境与安全工程系，太原 030008)

气候变暖已经成为全球主要环境问题之一，而人类活动产生的温室气体是导致全球变暖的主要原因[1-4]。中国作为全球最大的碳排放国[5]提出“碳达峰、碳中和”目标，一方面是我国实现可持续发展的内在要求，另一方面也是我国作为负责任大国，履行国际责任，推动构建人类命运共同体的责任担当[6-8]。

碳排放清单研究是通过核算不同领域、不同年份碳排放情况，研究区域碳排放来源、排放特征的基础性研究工作，研究结果对制定区域碳减排目标，评估减排措施等均具有十分重要的意义，是开展“碳达峰、碳中和”工作的重要前提和基础[9-10]。

山西作为资源型地区和碳排放大省，实现“碳达峰、碳中和”目标意义重大、任务艰巨。而准确核算全省碳排放情况，深入研究全省能源领域碳排放影响因素，是高质量构建有利于实现“碳达峰、碳中和”体制机制和政策体系的重要基础。

本研究在核算山西省多年能源活动碳排放清单的基础上，通过因素分解模型，识别影响山西能源领域碳排放的主要影响因素，以期为山西省开展“碳达峰、碳中和”相关工作提供理论支撑。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

1.1.1温室气体核算方法

本文采用《省级温室气体清单编制指南》(以下简称《指南》)和《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(以下简称《IPCC》)提供的温室气体清单编制方法。具体公式为：

排放量=∑∑Fi,j×Ai,j.

(1)

式中：F为排放因子，t CO2/TJ；A为燃料消费量，TJ；i为燃料类型；j为部门活动。

该方法基于分部门、分燃料品种的燃料消费量、低位发热量等活动水平数据和各种燃料品种的单位热值含碳量以及燃料燃烧设备的碳氧化率等排放因子数据，通过逐层累加，综合计算得到总排放量。

1.1.2影响因素分析方法

根据现有研究成果，可能影响碳排放的因素有很多，如人口规模、经济发展水平(GDP)、产业结构、技术水平、城市化水平、能源消费总量、能源消费结构、能源消费强度等[11-12]。在这些因素中，有的因素对碳排放产生正向影响，会促进二氧化碳的排放；有的因素对碳排放产生反向影响，能够减少二氧化碳的排放；有的直接作用于二氧化碳排放，如能源消费总量、能源消费结构等，有的间接作用于二氧化碳排放，如城市化水平、技术水平等。而低碳能源，在本质上是通过调整能源结构、提升能源利用效率，从而实现能源低碳化。基于此，本研究将能源消费结构、能源消费强度、能源二氧化碳排放强度作为主要的因素分解指标。结合现有研究成果，能源消费水平与经济发展、人口规模直接相关，因此本研究亦将人均GDP和人口规模作为因素分解指标。

其中，能源消费结构反映了能源内部消费结构的优化程度，山西一次能源消费结构以煤为主，煤炭占一次能源消费比重降低，对碳排放有反向影响。单位消费强度主要反映了能源利用效率情况，该值越大说明利用效率越低，对碳排放有正向影响，该指标的强弱还包含了山西省的能源利用技术水平和相关政策等因素。能源二氧化碳排放强度反映了能源消费结构，碳排放强度水平越高，说明煤炭占一次能源比重越高。人均GDP反映了山西的经济发展水平，该指标越大，山西经济越发达，能源消费越多，给山西省能源碳排放总量带来压力。人口规模反映了山西省人口水平，该指标越大，能源消费越多，给山西省能源碳排放总量带来压力。

在模型选择方面，已有研究表明，Kaya恒等式和LMDI分解方法是目前碳排放影响因素的主流分析方法[13-14]，因此，本研究在拓展Kaya恒等式基础上，使用LMDI因素分解的加法分解模型，对山西省能源领域碳排放进行分解分析。具体公式如下：

(2)

式中：i为能源消费种类；C为碳排放总量；Ci为第i种能源的碳排放量；P为山西人口数量；G为山西生产总值(GDP)；E为山西能源消耗总量；Ei为第i种能源的能源消耗量。

C=∑Ci=∑PRISiUi.

(3)

在此基础上，本研究参照LMDI加法分解方法，将基期定为0期，报告期定为t期，得到分解公式如下：

ΔCtot=Ct-C0=ΔCpop+ΔCgdp+ΔCtechi+ΔCtechs+ΔCemf.

(4)

其中，ΔCtot表示从基期到报告期碳排放总体变化情况，各分项ΔCpop、ΔCgdp、ΔCtechi、ΔCtechs、ΔCemf分别表示人口效应、经济发展效应、能源强度效应、能源消费结构效应和能源碳排放系数效应。

然后，本研究参照ANG等[15]的分解办法，对上式进一步分解得到：

(5)

考虑到本研究中各种能源排放系数均采用《指南》和《IPCC》推荐值，不同年份碳排放系数保持不变，二氧化碳排放系数对碳排放量影响效应为零，即ΔCemf=0.因此在以下计算中，仅对人口效应、经济效应、能源强度效应、能源消费结构效应四因素进行核算。另外，为方便分析各因素效应对碳排放总量的影响，本研究采用各因素贡献率(λx)[16]，对各因素影响进行评估。各因素贡献率为各因素效应值与碳排放总量变化值的比值，具体公式如下：

λx=ΔCx/ΔC.

(6)

1.2 数据来源

活动水平基础数据来源于《山西省2006-2020年统计年鉴》和《2005-2019年山西省地区能源平衡表(实物量)》，同时，根据省级温室气体清单编制要求，结合部门数据、企业数据、文献数据、专家咨询数据等，对基础统计数据进行了进一步的细化和整合。其中，在能源消费品种方面，以《2005-2019年山西省地区能源平衡表(实物量)》为基础，分别核算了原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、煤矸石、焦炭、焦炉煤气、其他煤气、其他焦化产品、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、其他石油制品、天然气、液化天然气等十余种分能源品种的碳排放；在核算范围方面涵盖了山西省能源消耗的全部行业，具体包括“能源加工转化” 中的火力发电与供热及“终端能源消费量”中的农林牧渔业、工业、建筑业、交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮、生活消费及其他等。其中，工业包括除“能源加工转化”外的全部工业。

分能源品种排放因子，主要采用《指南》推荐值，而对于《指南》中缺失的排放因子，如“其他焦化产品”等采用《IPCC》提供的缺省值，具体见表1.

表1 分能源品种排放因子

地区人口、地区生产总值和能耗总量等数据来源于《山西省2006-2020年统计年鉴》。

2 山西省能源活动碳排放特征及影响因素分析

2.1 碳排放特征研究

2.1.1排放总量特征

2005-2019年期间，能源活动产生的CO2由2005年的2.85亿t增长为2019年的4.84亿t，累计增长68.81%，年均增长3.81%，总体呈波动上升趋势。其中，2019年是历史最高值，排放量为4.84亿t，排放源主要来自能源加工转化的火力发电、供热和能源终端消费的工业、交通运输及生活消费等。

火力发电是山西能源活动CO2排放主要排放源，年排放量在1.19～2.39亿t之间，占化石燃料燃烧排放比重在41.73%～50.79%之间，平均占比为46.65%，约占山西省CO2排放量的一半左右，是碳减排的重点环节；从排放趋势看，2005-2019年期间，火力发电CO2排放量呈波动上升趋势，2019年为历史最高值，较2005年增长101.89%，与山西省该期经济规模不断增长且火电发电规模不断增加密切相关。

工业是山西能源活动CO2排放第二大排放源。2005-2019年期间排放量在1.21～1.74亿t之间，占比在31.59%～42.81%之间，平均占比37.60%，主要来自于钢铁、有色、煤炭、建材、焦化、化工等传统行业。从排放趋势看，2012年为历史排放最高值，随后排放量趋于相对稳定，并有波动下降趋势，这与山西省在该期不断推进产业结构优化升级，提升传统产业能源利用效率和节能减排技术水平密切相关。

供热为山西能源活动CO2排放第三大排放源，CO2排放量在0.08～0.44亿t之间，平均占排放比重的4.85%，近年来供热排放增长迅速，2019年较2005年增长455.63%.

随后分别为“交通运输、仓储和邮政业”、“生活消费”、“批发、零售业和住宿、餐饮业”、“建筑业”等行业化石燃料燃烧产生的CO2排放，平均占比分别为3.54%、3.43%、1.01%和0.50%.如图1所示。

图1 山西省2005-2019年能源领域分部门碳排放清单

2.1.2排放强度特征

排放强度包括单位GDP排放强度和人均碳排放强度两种。

2005-2019年期间，全省单位GDP温室气体排放量(2005年不变价)由2005年的9.16 t(二氧化碳当量)/万元下降至2019年的5.44 t(二氧化碳当量)/万元，累计下降40.63%，年均下降3.66%.其中，2005-2010年呈波动下降趋势，与该时期经济增长高度依赖能源消耗密切相关；2011年后随着全省能源效率提升和经济结构逐渐优化，单位GDP温室气体排放呈逐渐下降趋势。这表明山西省能源利用效率提高，节能减排工作初见成效。尽管如此，可以看到在这2005-2019年期间 GDP上涨了1.8倍，而碳排放强度下降率远远小于GDP的增长率，仅下降40%.研究表明当碳排放强度的下降率大于GDP的增长率时才能实现CO2的绝对减排[17]。由此可知，山西省目前并没有实现CO2的绝对减排，能源利用效率有待进一步提高。具体见表2.

2005-2019年期间，全省人均温室气体排放量由2015年的11.41 t(二氧化碳当量)/人增长到2019年的17.09 t(二氧化碳当量)/人，累计增长49.81%，年均增长2.93%.全省人均温室气体排放量与温室气体排放总量和人口总数密切相关，由于我省人口增速远小于温室气体排放增速，因此全省人均温室气体排放变化趋势与全省温室气体排放变化趋势基本一致。2005-2012年全省人均温室气体排放增长较快，2012年达到历史最高17.60 t(二氧化碳当量)/人；2013-2015年人均温室气体排放略有降低，2015年人均温室气体排放量为15.72 t/人；2016-2019年随着温室气体排放量的上升，人均温室气体排放亦逐渐增高。详见表2.

表2 山西省2005-2019年碳排放强度

2.1.3排放结构特征

从能源消费品种看，山西省碳排放主要来源于煤炭燃烧。2005-2019年之间，煤炭燃烧产生的碳排放量在27 276.34～45 762.30万t之间，排放量呈波动上升趋势，煤炭碳排放占比保持在93.55%～95.32%之间，平均占比94.62%，这主要与山西省以煤为主的能源消费结构有关，目前山西省煤炭占一次能源消费比重依然在80%以上；从常年趋势看，煤炭碳排放占比虽有波动，但整体呈下降趋势，2019年较2005年下降0.78%.

其次为石油排放，2005-2019年之间，石油碳排放量在1 331.92～2 656.90万t之间，排放量虽有波动变化，但基本趋向于稳定，主要是由于石油碳排放以交通领域排放为主，随着全省燃油车辆增长逐渐趋于稳定，且新能源车不断替代燃油车等因素，石油排放基本趋于稳定。从排放占比看，石油碳排放占比保持在4.01%～6.82%之间，平均占比5.21%，变化幅度不大。

天然气排放量相对较小，排放量在6.4～175.42万t之间，排放量呈逐年上升趋势，2019年排放量是2005年的27.43倍，这与近年来山西省积极推进天然气等清洁低碳能源消费密切相关。从排放占比看，天然气碳排放占比保持在0.02%～0.36%之间，平均占比0.17%，亦属于增长趋势。具体见表3.

表3 山西省2005-2019年分能源品种碳排放量

2.2 影响因素分析

为有效控制山西省碳排放量，争取早日实现“碳达峰、碳中和”目标，科学研究山西省能源领域碳排放驱动因素可为制定碳减排政策措施提供科学依据。

本研究通过Kaya恒等式和LMDI因素分解模型，对山西省2005-2019年能源消费碳排放量进行分解，分别得到分年度人口、经济、能源强度、能源消费结构四项影响因素的效应值和贡献度，在此基础上，计算了各年度累计效应值和贡献度，具体结果见表4和表5.

表4 2006-2019年山西省碳排放逐年效应

表5 2006-2019年山西省碳排放累计效应(万吨)和贡献率

由上述计算结果可知，分解后的各因素对山西省能源消费碳排放影响各不相同，其中，人口效应和经济效应累计效用为正值，说明该因素对山西能源消费碳排放表现为促进作用；而能源强度效应和能源消费结构效应累计效应为负值，说明该因素对于山西能源消费碳排放表现为抑制作用。从排放总量看，在2006-2019年期间，山西省能源消费碳排放呈上升趋势，说明经济效应和人口效应的促进作用大于能源消耗强度效应和能源消耗结构效应带来的抑制作用。从表5和图2可知，从贡献率角度来看，导致山西省碳排放上升的主要影响因素为经济快速增长和人口增加，对碳排放累计贡献率分别为1.79和0.20；而对山西碳排放的抑制作用，能源强度降低的抑制作用要明显高于能源消费结构改善的抑制作用，对碳排放累计贡献率分别为-0.89和-0.10.

图2 2006-2019年山西省碳排放各因素累计效应图

从四因素逐年效应来看，人口效应在2006年-2019年期间全部为正值，2006-2019年期间，累计贡献量为4 371.74万t，说明人口对山西省碳排放影响始终为促进作用，特别是2010年，由于人口较上年显著增加，人口贡献率明显提升，仅2010年贡献量为1 651.55万t；随后随着人口增长速率逐渐趋于稳定，人口效应对于排放贡献率也逐渐趋于稳定，并有逐渐下降趋势，年度贡献量在139.49～249.70万t之间，其中2019年为139.49万t.人口增加对碳排放的影响主要来自能源需求增加、破坏植被和改变土地使用方式等，因此人口因素对于碳排放增长效应不仅与人口数量的绝对增长有关，还与该地区人口的生活方式有关。过去十五年期间，山西省正处于快速城镇化时期，且人民生活能源消费以煤为主，因此人口增长对碳排放效应相对较大，后期随着城镇化逐渐完成，天然气、太阳能、风能等低碳能源的逐渐推广，人口效应会逐渐降低。

经济效应与人口效应类似，全部为正值，说明其对山西能源碳排放为正向影响。2006-2019年期间，由经济效应引起碳排放累计增加了37 769.11万t，该数值明显大于其他三个效应的绝对值，说明经济增长是山西省能源领域排放最重要影响因素。主要是由于山西省作为全国能源重化工基地，产业结构以能源和原材料工业为主的重型工业结构，经济增长主要来自能源生产和消耗，因此，经济效应对碳排放效应贡献最大。但从逐年效应看，经济效应整体呈波动下降趋势，与山西省政府多年来促进产业结构调整和产品结构优化升级密切相关。由上可知，调整产业结构，发展低碳经济，积极促进经济发展与碳排放增长脱钩，是山西未来降低碳排放的主要方向。

从能源强度效应看，能耗强度的变化，明显降低了碳排放量，2006-2019年，累计贡献量为-18 891.52万t，是山西省CO2减排的主要影响因素。从逐年效应看，2006到2009年期间，碳减排贡献不稳定，其中2006年和2009年为正向贡献，2007和2008年负向贡献，主要是由于该时期山西省虽然实施了节能减排政策，但政策约束性不稳定，因此导致减排贡献不稳定。2010年后，随着山西省节能降耗工作力度的逐渐加强，能源强度贡献率逐渐升高，2010-2015年的累计贡献量为-1 0510.03万t；但到2015年后，随着节能减排潜力降低和技术瓶颈等因素，贡献值有逐渐下降趋势，2016-2019年的累计贡献量为-7 176.91万t，说明提升能源利用效率水平的减排潜力在逐渐收窄。

从能源消费结构效应看，2006-2019年期间累计贡献量为-2 026.86万t，对山西省碳排放有负向作用。从逐年来看，在2006-2010年促进了减排，累计贡献量为-643.58万t，说明能源消费结构逐渐优化，煤炭占一次能源消费比重逐渐下降；而2011年贡献量为20.46万t，为正向贡献，说明2011年煤炭占一次能源消费比重不降反升，与2011年经济增长较快，煤炭消费增加有关。2012年后，除2014年和2018年为正效应外，其余全部为负效应，且负影响有逐渐增加趋势，仅2019年贡献-388.09万t，说明随着山西省节能减排等政策力度的加强，煤炭占一次能源消费比重在逐渐下降。虽然能源结构减排贡献有增加趋势，但与山西能源消费碳排放量相比仍然很低，说明山西以煤为主的能源消费结构没有得到明显的改善，煤炭占一次能源消费仍在80%以上，远高于全国67.6%(2020年)的平均水平，说明山西省能源消费结构效应仍有较大减排空间。