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    中國電力碳排放動態特征及影響因素研究

    來源:UC論文網2018-08-10 08:55

    摘要:

      改革開放以來,中國經濟快速發展,所取成就舉世矚目。但粗放型經濟增長模式使得能源消費量大、使用效率低,導致污染排放量特別是二氧化碳排放不斷增加,目前中國已成為世界第一碳排放大國。為了減少溫室氣體排放...

      改革開放以來,中國經濟快速發展,所取成就舉世矚目。但粗放型經濟增長模式使得能源消費量大、使用效率低,導致污染排放量特別是二氧化碳排放不斷增加,目前中國已成為世界第一碳排放大國。為了減少溫室氣體排放,2009年11月,國務院常務會議提出“2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%”的約束性目標。電力是社會經濟發展不可或缺的優質能源,中國電力消費占能源終端消費總量的比重逐年攀升,1991年僅為9.53%,2012年該比例已達到22.56%。由于資源稟賦結構的限制,中國電力生產以火電為主,火電生產又主要依賴煤炭,化石能源的燃燒是二氧化碳排放的主要來源,因此中國的電力生產伴隨大量的碳排放,據本文計算,電力生產碳排放已經占到中國碳排放總量的40%。為了完成中國節能減排目標,必須關注電力的減排問題。


      1文獻綜述


      中國碳排放量增加較快,哪些因素驅動中國碳排放增長?這個問題受到學者廣泛關注,DuL,etal[1]基于1995-2009年的省際面板數據研究了中國碳排放的影響因素和減排潛力。王峰等[2]采用LMDI因素分解方法研究了1995-2007年中國碳排放的驅動因素。WangZ,etal[3]、WangP,etal[4]、WangW,etal[5]、陳詩一[6]分別采用因素分解或面板數據回歸方法研究了北京、廣東、江蘇和工業碳排放的影響因素,均發現碳排放增加的主要影響因素是經濟發展、城市化等,而能源強度的下降則抑制了碳排放的增加。


      電力作為一種優質二次能源,其消費和中國經濟增長關系密切,林伯強[7]在三要素生產函數框架下的實證表明GDP、資本、人力資本以及電力消費之間存在著長期均衡關系,YuanJ,etal[8]針對中國也得出了同樣的結論;米國芳和趙濤[9]的研究表明,經濟增長、電力消費、碳排放三者之間存在著長期穩定的協整關系;碳排放量與經濟增長、電力消費與經濟增長、碳排放量與電力消費都互為Granger因果關系。


      雖然電力消費對中國經濟增長的意義重大,但是電力生產碳排放量較大,這也引起了部分學者的關注。侯建朝和譚忠富[10]利用對數平均權重分解法構建了電力生產碳排放變化影響因素的分解模型,將CO2排放變化分解為收入效應、電力生產強度效應、電力生產結構效應、人口效應和發電煤耗效應。霍沫霖等[11]利用LMDI分解模型,分析了廠用電率、發電結構、發電煤耗、線損率等因素變化對電力工業碳排放強度變化的影響。ZhaoX,etal[12]利用ARDL模型研究了行業增加值、火電設備平均利用小時數、標準煤耗率三個因素對中國電力工業碳排放的影響。ZhangM,etal[13]研究了多種因素對中國電力生產碳排放的影響,并發現經濟活動效應是碳排放增加的主要貢獻力量,電力生產效率在抑制碳排放方面處于關鍵地位。


      以上文獻在分析電力碳排放的影響因素時,主要局限于電力工業,從電力生產角度去分析,缺乏考慮中國電力所處的經濟社會宏觀背景;雖有少數考慮到經濟活動的影響,但忽視了人口增長、人民生活水平提高和產業結構變化對電力碳排放產生的影響,特別是對中國這樣一個處于產業結構調整升級、經濟穩步增長和人民生活水平逐漸提高時期的人口大國,這些因素的影響不容忽視。


      本文從電力生產、輸配到消費的全過程,引入電力生產結構、能源投入結構、能源轉換效率、輸配損耗、電力強度、經濟結構和人口等因素,從電力的產業消費、輸配損耗和生活消費三個角度進行因素分解,采用對數平均迪氏指數分解法(LMDI)研究這些因素對電力碳排放的影響程度和方向。本文的研究對于控制能源消費總量、優化能源結構、提高能源效率、促進節能減排、解決霧霾等問題都具有參考意義。


      2研究方法和數據來源


      2.1電力碳排放計算


      我國的電力類型有火電、水電、核電及風電等4種主要類型,本文假設水電、核電及風電的生產不產生碳排放,電力碳排放主要由火電生產中投入的初始能源燃燒產生。計算碳排放有多種方式方法,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2006年編制《國家溫室氣體清單指南》,其中提出的碳排放計算方法是最常用的方法:


      其中i表示能源種類,C表示二氧化碳排放量,Ei表示各種能源投入量,其中“其他能源”用“一般廢棄物”代替;Ki代表平均低位發熱量;ε表示能源含碳量;η表示碳氧化因子,取常數1。按照(1)式即可得到1991-2012年電力生產碳排放量。


      2.2因素分解方法


      因素分解分析在能源與碳排放研究中得到了廣泛應用,本文基于電力從投入、轉換到消費的全過程,構造電力碳排放因素分解模型如下:


      火電生產初始能源投入種類較多,本文將其歸為三類:“煤及其產品”、“油及其產品”和“天然氣和其他”,分別對應i=1、2、3;C表示電力CO2排放,單位是萬噸;Ei和E分別表示火電生產第i種能源投入和能源總投入,T1和T表示火電生產量和電力生產總量,單位均為萬噸標準煤;G表示GDP,單位是億元,P表示人口,單位是萬人。


      電力總消費可以分為農業、工業、建筑業和服務業等產業消費Ts、生活消費Tr和輸配損耗量Tl三類,所以有


      (4)式中j=1、2、3、4、5、6分別表示農業、工業、建筑業、服務業、居民生活等電力消費部門和電力損失。即電力生產碳排放增長分解為10個影響因素:排放因子效應CEi,即火電生產單位能源投入碳排放;能源結構效應ESi,即火電生產各能源投入比例;轉換效率效應ET,即電力產出和生產投入之比;電力結構效應S,即電力生產中火電比重;電力強度效應TIj,各產業單位GDP電力消耗量;產業結構效用pj,即國民經濟中各產業比重;經濟規模效應PG,即人均GDP;生活消費效應PT,即人均生活用電量;人口規模效應P,即年末人口數;輸配損耗效應TL,即電力在輸配電中的損失。


      碳排放量驅動因素的分解方法中,Ang等人[14-16]提出的對數平均迪式指數(LMDI)分解法,實現了完全分解且解決了數據中的零值和負值問題,從而得到了廣泛應用。本文采用LMDI分解方法對電力碳排放驅動因素進行分解分析。


      假設C0和CT分別表示基年和第T年電力消費碳排放量,則依據LMDI法將碳排放總量從基年到目標年T的變化分解為10個因素產生的影響,即


      (5)式中各分解因素可以表示為:


      其中Dm,m=1,2…,10對應10個影響因素,函數L為對數平均函數,該函數由Ang和Choi[17]引入Divisia分解中,其表達式如下:


      2.3數據來源


      本文電力相關數據來自1991-2012年中國電力平衡表和中國能源平衡表;產業和人口數據來自《中國統計年鑒2013》,各產業GDP根據各自的GDP指數轉化為1990年不變價格。各種能源折標準煤系數由中國能源平衡表標準量和實物量對應數據計算得到;能源平均低位發熱量來自《中華人民共和國國家標準GB/T2008綜合能耗計算通則》;能源含碳量來自聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2006年編制的《國家溫室氣體清單指南》。由于電力生產量和電力消費量數據相差非常小(一般在0.3%),本文假定二者等同。


      3電力生產及其碳排放動態特征


      3.1電力生產及其碳排放增長較快,與GDP同步變化


      1991-2012年,電力生產量由8327萬tce增加到61297萬tce,年均增長9.97%;碳排放由6.23億t增加到36.01億t,年均增長率為8.72%,占中國碳排放總量的比例已達到40%。電力生產和碳排放與GDP環比增速見圖1。從圖1可以看出,三者的變化趨勢幾近相同,GDP增長率變化稍平緩,電力消耗及其碳排放的增長率圍繞GDP上下波動。碳排放增幅最小的三年為1998、2008和2012年。1998和2008年分別爆發了亞洲金融危機、美國金融危機和歐債危機,對中國經濟造成了嚴重沖擊,使得經濟增長放緩,電力生產增長率大幅下降,電力碳排放呈負增長。2012年中國經濟下行壓力較大,三者又呈現增長同時放緩的狀態。由此可見以經濟發展變化為主線,電力生產及其碳排放都受到經濟發展變化的影響。


      3.2電力生產量大且以火電為主,主要依賴煤炭


      電力在中國能源體系中的地位越來越重要,電力消費占能源終端消費總量的比重逐年攀升,1991年僅為9.53%,到了2012年該比例已達到22.56%;從世界看,2011年中國總發電量占世界比重為21.31%,首次超越美國(19.55%),高居世界第一位。2011年世界主要國家電力生產結構見表1,從表1可以看出,與世界其他大多數國家不同,中國電力生產以火電為主,火電占比在79%83%之間,低于80%的只有1995、2001和2010三年。火電生產又存在煤炭比例過高、天然氣比例過低的問題。因為煤是一種高碳能源,所以中國的電力生產會有大量碳排放產生。


      3.3電力碳排放主要來源于煤炭燃燒


      1991年燃煤碳排放占比為93.24%,2012年上升到98.01%,比重逐年升高;燃油碳排放1991年占比為6.54%,2012年為0.25%,占比逐年下降;其他能源排放1991年占比0.22%,2012年為1.75%,比重出現了上升。電力碳排放來源結構見圖2。電力生產碳排放幾乎全部來自煤炭的使用,天然氣等優質能源在初始能源投入中的比例雖然一直在增加,但比重太小,降低煤炭比重、增加優質能源比例仍是中國電力生產需積極面對的一個問題。


      3.4火電能源轉換效率逐年提升,單位電力碳排放下降


      中國發電效率也是一個由低到高的過程。根據中國能源平衡表(標準量)中的電力生產部分,計算得出電力生產的能源轉換效率,計算公式為


      中國1991-2012年歷年火電生產轉換效率,在1991-1997年先上升后下降,從1997年開始穩定上升,到2012年已經比最低的1997年提升了9.10個百分點(見圖3)。這意味著中國火電生產初始能源的利用率在提高,生產技術在進步,與世界先進水平的差距正在逐漸縮小(根據《中國能源統計年鑒》數據,1995年,火電廠供電煤耗中國為412gce/kW·h,日本為331gce/kW·h;到2012年該數字分別為305和295,差距由81gce/kW·h縮小到10gce/kW·h)。單位電力CO2排放與轉換效率的趨勢剛好相反,先下降后上升再下降,1997年最高為9.61t/tce,2012年下降為7.53t/tce,這表明電力生產技術進步減少了電力碳排放。


      4因素分解結果分析


      運用LMDI乘法分解方法,以1991年為基期,得出以后每一年排放因子、能源結構、轉換效率、輸配損耗、電力結構、電力強度、產業結構、經濟規模、生活消費和人口規模等10個因素對電力碳排放增長的貢獻值,分解結果見表2。


      從表2可以看出,2012年電力CO2排放量是1991年的5.783倍。依據1992-2012年各影響因素貢獻值平均排序,正向驅動效應(即貢獻值大于1)從大到小依次是經濟規模、產業結構、生活消費、人口規模、輸配損耗、能源結構和排放因子;負向驅動因素(即貢獻值小于1)是電力強度、轉換效率、電力結構。其中經濟規模效應是最大的正向驅動效應,貢獻值高達2.575,使得電力碳排放快速增加;電力強度效應和轉換效率效應的貢獻值分別為0.776和0.933,是減少電力碳排放的主要力量。


      排放因子、能源結構和電力結構三種效應都反映了電力生產不同能源的投入比例問題。排放因子是煤、油和氣這三大類能源內部不同品種能源的結構,如煤中原煤、洗精煤和煤氣的占比;能源結構反映火電生產中煤、油、氣三種能源中煤的占比;電力結構反映了電力生產中化石能源和水能、核能、風能等的投入關系。產生同等電力,煤電碳排放高于油電、氣電,火電高于核電、水電和風電,所以這些結構變化會對電力碳排放產生影響。1991-2012年,火電比例在81%附近波動起伏,煤類能源的排放因子從2.95升高到3.02,油類能源的排放因子從2.23升高到2.31,氣類能源的排放因子從1.64下降到1.35,但由于煤類比重較大,所以綜合后排放因子效應呈正向效應;在火電生產能源投入中煤占比從91.2%升高到96%,使得能源結構也呈正向效應,驅動電力碳排放增加。


      輸配電損耗包括供電源與配電點之間輸送電力以及向消費者配送電力過程中產生的損耗,該部分電力被白白損失掉,不能創造任何價值。1991-2012年中國輸配損耗率總體上呈現先上升后下降趨勢,1991年為6.77%;1995-2000年損耗率均超了7%,其中1995年(7.92%)為22年內最高峰值;此后損耗率在波動中下降,2011年為6.00%,是22年內的最低值,2012年為6.03%。由于中國發電量大,而且中國地域遼闊使得輸配線路較長,導致電力損耗量十分驚人,2012年中國電力損耗量為2896.16億kW·h,而同期北京市電力消費量合計為911.94億kW·h,損耗量相當于北京市電力消費總量的3倍。因此輸配損耗效應驅動了電力碳排放增加,從分解結果看,1992年貢獻值是1.005,2012年為1.124,成為驅動電力碳排放增加的因素之一。


      產業結構反映了國民經濟內部農業、工業、建筑業、服務業產出的比例關系。1991-2012年,農業產出占比從25.43%下降到7.51%;工業從38.49%升高到53.94%;建筑業和服務業產出占比雖有波動但變化不大,可見中國經濟增長對工業的依賴越來越重。單位產出用電量工業要比其他產業高出許多,以2012年為例,工業是3828kW·h/萬元,分別是農業、建筑業和服務業的4.58、5.68、3.58倍,所以中國以工業為主且其比重還在逐漸加大的產業結構,使得產業結構效應呈正向且逐年增強。從分解結果看,1992年貢獻值為1.036,2000年貢獻值為1.159,2012年貢獻值為1.214,對電力碳排放的影響程度逐漸加大,是驅動電力碳排放增加的第二大因素。


      電力強度和轉換效率反映了投入與產出的關系。電力強度反映同等GDP消耗電力的多少,轉換效率反映同等電力能源投入的多少。當電力強度下降、轉換效率升高時,同樣產出需要的電力及發電能源投入減少,會使得電力碳排放減少。1991-2012年除服務業外,GDP及其他產業部門的電力強度均有下降,工業下降幅度最大,每萬元工業GDP電力消耗由6084kW·h/萬元下降到3828kW·h/萬元,21年間下降了37.07%。火電生產能源轉換效率從最低的30.12%升高到39.22%,增加了9.1個百分點。從分解結果看,電力強度的貢獻值1992年為0.942,2012年為0.776,轉換效率的效應從0.987下降到0.933,表明單位GDP耗電量下降和單位火電能源投入減少,使得電力強度效應和轉換效率效應成為抑制電力碳排放的主要力量。


      經濟規模即人均GDP,不但是一個國家經濟發展水平的體現,也是居民物質生活富裕程度的反映。1991-2012年,中國人均GDP由1760元上升到11923元,增長了6.77倍,年均增長率為9.54%。產出水平的提高使得電力消費及其碳排放相應增加。同時,居民生活富裕程度提高,空調、冰箱等耐用消費品增加,導致用電量大大增加:人均生活用電已由1991年的47kW·h上升到2012年的459kW·h,20年增加了近10倍。中國人口增長率很低,但每年凈增人口數量較大,推動電力消費增加。因此經濟規模、生活消費和人口規模效應都驅動電力碳排放增加。從分解結果看,經濟規模的貢獻值從1.109增加到5.005,成為最大的正向驅動因素;生活消費從1.013增加到1.112,是驅動碳排放增長的第三大因素;人口規模貢獻值從1.012增加到1.153,是驅動電力碳排放增加的重要因素。


      5結論與建議


      電力碳排放占中國碳排放總量的比重較大,因此研究電力碳排放影響因素并制定針對性減排政策對中國節能減排有重要的意義。基于1991-2012年電力相關數據,首先分析了電力碳排放的動態特征,發現電力消費及其碳排放與GDP同步變化,中國電力生產的能源轉換效率在提高,電力碳排放主要來源于煤炭的使用。運用對數平均迪氏指數分解方法,不僅考慮電力生產過程,而且考慮電力輸配環節和電力終端消費活動對碳排放的影響,從而把中國電力碳排放增長分解為排放因子、能源結構、電力結構、轉換效率、輸配損耗、經濟規模、人口規模、產業結構、電力強度、生活消費等10個影響因素的貢獻。分解結果表明,經濟規模是促進電力碳排放增加的最大因素,意味著中國電力碳排放與經濟社會發展密切相關;以工業為主的產業結構使得電力消費增加,驅動了電力碳排放增長;生活消費也是電力碳排放增加的重要影響因素;人口規模、輸配損耗、能源結構、電力結構、排放因子等因素也呈正向效應,但影響程度較小。產業部門電力強度下降和能源轉換效率提高是抑制電力碳排放增長的最重要因素;電力結構也抑制了電力碳排放增加,但影響程度較小。


      基于以上結論,可以從電力的生產、輸配和消費等環節入手控制電力碳排放,本文提出如下政策建議:


      (1)電力生產側。一是調整電力結構。中國電力結構存在的問題是火電比重太大,且火電生產又以煤炭為主。因此應在保護環境的前提條件下合理開發水能,安全利用核能,高效利用風能,增加燃氣裝機容量,從而逐漸提高清潔能源和可再生能源的裝機比重,通過減少煤炭的使用控制碳排放。二是提升能源綜合利用效率。淘汰技術落后、水平較低的中小發電機組,通過開發、引進新技術提高能源的轉換效率,通過熱電聯產、整體煤氣化聯合循環等方式努力降低煤耗、油耗、氣耗,實現能源的梯級利用、綜合利用和高效利用。三是煤炭的清潔利用。積極穩妥發展現代新型煤化工項目,對煤炭進行二次加工和深加工,使之轉化為油、氣等優質能源。


      (2)電力輸配環節。電力輸配環節的電力損耗是不可避免的,但是可以采取措施降低輸配損耗率。一是對現有線路和設備進行升級改造。部分線路特別是廣大農村的低壓配電網線損率高,應進行升級改造;提升變壓器的能耗值標準,用節能型變壓器替換目前的部分高耗能設備。二是研發和采用新技術、新工藝、新材料。采用高壓直流輸電,高壓直流輸電不但設備經濟,而且線損率小。轉變傳統電網運行管理方式,建設智能電網,智能電網涉及到電力的生產、輸配、消費和調度等各個環節,可以有效提高電網的資源配置能力,實現電力的遠距離、大規模輸送,不但降低電力損耗,而且提升了整個電力系統的運行效率。


      (3)電力消費側。一是優化產業結構。淘汰落后、化解過剩,積極發展服務業,抑制重工業特別是高耗能產業的發展。二是提升能效等級標準。出臺促進節能的財稅政策,加大節能補貼,制定更加嚴格的市場準入制度,提高能效等級標準,通過行政手段促使企業采用節能新工藝、新技術、新材料,淘汰能效高的落后設備和產品;實行合理的行業差價和階梯電價,通過經濟手段減少電力使用和浪費。三是培養節能意識。節能減排需要人人參與,加強宣傳,培養全民的環保理念和節能意識,使節能減排轉化為自覺行動。


      作者簡介:王常凱,博士生,主要研究方向為低碳經濟。

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