中国碳排放的时空变化及其影响因素研究

中国碳排放的时空变化及其影响因素研究

1中国碳排放现状通过对中国碳排放量特征的分析，不仅是中国政府应对世界气候变化和减少碳排放的战略需要，也是解决国内能源资源结构不足、改变经济增长方式的内在需要。当前中国经济正处于城镇化、工业化加速推进发展阶段,经济社会发展具有典型的“二元经济”特征,这就需要,在未来一段时期内中国经济保持一定的增长速度,因而,能源需求和二氧化碳排放量也就不可避免地继续增长。另一方面,为了应对全球气候变暖,中国政府在2009年主动做出国际承诺,即到2020年中国碳排放强度比2005年降低40%~45%。节能减排是中国政府推进经济结构调整、转变经济增长方式的一项重要战略举措。因此,研究影响中国碳排放变化的因素很有必要。根据最新的世界能源统计数据显示1),2009年中国一次能源消费量达到21.77亿t油当量,比2008年增加了8.7%,占全世界一次能源消费量的19.5%几乎与美国的消费量持平;另一方面,按照BP公司估算的碳排放水平,中国2009年碳排放75.18亿tCO2,比2008年增加9.1%,占全球碳排放24.2%,虽然碳排放的数据统计存在不确定性,但中国是世界碳排放大国不容置疑。目前国内外对中国能源消费、碳排放影响因素分解做过一些研究,但大部分研究缺乏对方法的系统分析,属于“拿来主义”,因为每种分解分析方法都有适用范围;其次,缺少对最近几年中国经济发展引起能源消费、碳排放特征变化的系统分析。本文就是基于这两个目的,在系统分析各种分解分析方法的基础上,根据可利用的统计数据,应用碳排放指数分解的完全分解方法——对数平均Divisia指数法(LMDI),得到截至2007年引起中国碳排放改变量的主要影响因素及其贡献率,并对这种碳排放变化特征作了详细的分析;基于分解结果,提出了中国走低碳发展战略的几点对策建议。2碳排放的发展趋势在提出碳排放因素分解方法前,首先根据著名的Kaya恒等式建立碳排放量关系式,设C为全国总碳排放量,Ci为部门i的碳排放量,则有:或者对公式(1)两边同时除以人口总量,即可得到人均碳排放量U分解公式:式中G为经济产出,用国内生产总值表示;Ei为第i部门的能源消费量;Vi第i部门的产出,用部门i的增加值表示;Si第i部门的产出份额(=Vi/G);Ii第i部门的能源消费强度(=Ei/Vi),即单位产出的能源消费量;Fi为第i部门的碳排放强度,即单位产出的CO2排放量;P为全国人口总量,Y为人均GDP。可见碳排放量与经济产出、经济结构、能源使用效率、能源结构等因素有关。碳排放因素分解方法就是利用指数分解方法研究引起碳排放量变化的主要因素,如经济结构的改变、能源效率的提高、能源结构的改变对于碳排放量变化的影响程度,即贡献率的大小。在方法论上碳排放因素分解分法与能源消费(或者能源强度即单位国内生产总值能源消费)是一致的,对于能源消费(或能源强度)的指数分解方法,在文献中已有详细的分析和阐述。对于碳排放量,采用基于加法分解原理的对数平均迪氏指数法,即LMDI(LogarithmicMeanDivisiaIndexModel)分解法,加法分解是对报告期与基期碳排放的差进行分解,是分解碳排放量在一个时期内的绝对数变化,这是一种完全分解方法。根据碳排放量的Kaya分解公式(1)、公式(2),将碳排放水平的改变分解为4种效应,即经济规模效应、结构效应、能源强度效应、碳强度效应:(1)如果经济规模或者经济产出效应是影响碳排放水平的主要因素,也就是说引起碳排放量增大的主因是由于经济的增长,那么碳排放将随GDP增加而线性增长。(2)结构效应表示了碳排放的增长取决于经济结构的改变,如果经济结构中有更多的行业属于低碳排放的“清洁部门”,那么碳排放量将会降低。(3)能源强度效应表示碳排放的变化取决于能源强度的改变,通过引进节能技术等可以提高能源使用效率,降低能源强度,对能源的消费量也就相应地减少,从而减少了碳排放。(4)碳强度效应显示碳排放的改变取决于碳强度的改变,碳强度是指单位能源在使用过程中所产生的碳排放量,碳强度取决于能源结构,在能源消费中采用更加清洁的燃料可以降低碳强度。显然,能源强度效应和碳强度效应属于技术效应,表示技术变化对碳排放量变化的影响。根据前面的定义,以及Divisia指数分解法的原理,可以得到碳排放变化量ΔC加法形式的LMDI分解公式:对于a>0,b>0,对数平均数L(a,b)定义为:式中CT、C0分别表示第T期和基期的碳排放量;ΔCout、ΔCstr、ΔCEint、ΔCCint分别表示经济规模效应、经济结构效应、能源强度效应、能源结构(碳强度)效应。对于人均碳排放量U的指数分解公式,只需将以上各式中的碳排放量替换为人均排放量即可。本文仅给出碳排放量的LMDI分解结果,同时也间接验证了LMDI指数分分解方法是一种完全分解分析方法,即分解的残差项值为零。3单位燃料对碳排放量的预测在气候变化研究中碳排放量的测算比较复杂。由于没有官方公布的统计数据。一般只能基于已有的其他统计量,初略估算化石能源(煤炭、石油、天然气)使用所产生的碳排放量。全球因化石能源燃烧所导致的二氧化碳年排放量,从20世纪90年代的年均64亿t碳(即235亿tCO2),增加到2000至2005年间的年均72亿t碳(或264亿tCO2)。因此,发展低碳经济、限制能源系统化石燃料产生的CO2排放成为限制全球温室气体排放的首要目标。由于组成一次能源的各种化石燃料的碳排放系数不同,即单位燃料所产生的CO2排放量不同。故有:在排放量估算中,有两个指标可以度量:CO2排放量与碳排放量,两者的结果相差很大。碳排放量到CO2排放量的转换系数为44/12,即单位质量碳排放相当于44/12(约等于3.67)的CO2排放。对于每种能源的单位能耗碳排放因子,不同使用者采用的估计值是有差别的(表1)。通过查阅有关能源消耗的碳排放系数的相关文献,本报告取平均值确定为各能源消耗碳排放系数(见表1)。3.1石化能源消费碳排放总量估算根据公式(4)基于1990年-2008年全国能源消费总量及其构成,就可估算出该时段全国化石能源消费产生的碳排放总量。一般来说,类似方法估算的碳排放量都低于国际上一些机构公布的数据,这是由于计算使用了不同碳排放系数,另外本研究没有考虑水泥使用过程中产生的CO2排放量。3.2能源标准煤算例在具体估算每个省市的碳排放总量时,由于每个省市对能源消费统计指标的差异,尤其多个省市缺乏2000年以后能源消费分品种的结构数据。本报告利用各年份分地区煤炭、4种油品(汽油、煤油、柴油、燃料油)、天然气的消费量进行估算,但这些能源指标都是实物量,需要这些能源换算标准煤的折算系数(表2),再根据以下公式估算:式中Tj为第j省市的碳排放总量;i表示化石燃料种类,分别为煤炭、汽油、柴油、煤油、燃料油、天然气;Eji表示第j省市在某个时期对第i种能源的消费数量;fi为第i种能源标准煤折算系数;ci为第i种能源的碳排放系数。3.3碳排放量结果的不合理性在估算分行业碳排放量时,行业的能源消费数据只有分品种的消费量,考虑到行业间生产的差异性,如果利用煤炭、原油、天然气作为三类分品种能源消费品,导致估算出来的碳排放量结果的不合理性。最明显的是交通运输业,该行业的主要消费品是汽油、柴油等油品,而原油消耗量是很少的,所以得到的碳排放量也很低,显然这是不合理的;另一个特殊行业是石油加工业,直接将原油作为其原材料投入的一部分,因而在估算碳排放量时,会明显偏高。所以我们在估算行业排放量时,也利用估算公式(5)。3.4碳排放总量及排放强度根据各年的能源消费量以及分品种消费量,本文对全国、各地区以及主要行业的碳排放量利用公式(4)、公式(5)和表1,表2进行了估算,分析这些排放量不难得到以下几点结论:(2)工业碳排放量占全国总排放量的85%,处于主导地位,工业单位产值碳排放强度呈递减趋势,而交通运输业则略缓慢上升。2007年中国因化石能源使用引起的碳排放达到60.23亿tCO2,其中排放最大的行业是工业和交通运输业,分别占总排放量的85%和6.1%,农业排放占1.7%(表4)。1995年-2007年工业碳排放量由25.1亿tCO2增加到51.2亿tCO2,增加了1.0倍,占全国碳排放比例逐渐升高,从81%增加到85%。从碳排放强度分析,工业单位增加值碳排放远远高于农业和商业、服务业,交通运输业和工业都属于“高碳排放”行业。1995年-2007年除了交通运输业外,其余五大产业的碳排放强度均有不同程度的降低,降幅最大的是工业和商业服务业,分别降低了43.2%、45.8%,交通运输业则增加了9%;农业的碳排放强度处于平稳态势。从工业行业内部看(图2),2007年六大主要碳排放工业,包括电力工业、石油加工、冶金工业、建材工业、化学工业和煤炭采掘业的碳排放总量35.65亿tCO2,占全国碳排放总量的59.2%,占工业部门的78.3%(图2),是碳排放最多的六大行业,根据中国经济社会发展特点,当前还处于工业化加速推进阶段,可以预见这种趋势还需维持一段时期。目前我国碳排放主要集中在工业部门内的这六大部门,经济发展仍然属于“高能耗、高排放、高污染”的粗放型经济发展模式。4影响碳排放变化的因素根据本文第二部分的公式(3),考虑到数据的可利用性,基于五大部门,包括农业、工业、建筑业、交通运输业、商业服务业,本文得到了中国1995年-2007年碳排放量变化的LMDI分解结果(表5,表6,图3)。1995年-2007年中国因化石能源使用产生的碳排放量增加了29.75亿tCO2,其中45.14亿tCO2可以由经济活动或者经济规模扩大解释,占61%;其次是能源强度的下降有利于碳排放量的减少,达到21.82亿tCO2,贡献了30%。而因经济结构改变引起碳排放量增加了6.12亿tCO2,贡献率为8%,能源结构(或者碳强度)的改变对碳排放的影响不明显,仅仅0.42亿t,占0.6%。可见,能源效率提高引起的碳排放量减少却由于经济发展、产业结构的改变、能源结构的改变抵消了,导致总的碳排放量增加,并且主要由于经济发展引起的。但不同时期这4种效应对碳排放变化的影响率是不同的,1995年-2000年的“九五”时期,能源强度的下降引起碳排放量降低超过了由于经济发展引起的碳排放量的增加,而经济结构的改变与能源结构的改变对碳排放量的增加影响很小,故2000年中国碳排放量与1995年的水平基本持平;特别需要指出的是,最近几年2002年-2007年碳排放量增加了26.32亿tCO2,几乎85.8%都是由于经济发展规模扩大引起的,11%是由于经济结构的调整引起的,能源效率不但没有提高,反而下降了,导致了对碳排放量的改变几乎没有影响,这是需要政策制定者引起特别关注的地方。这也从图3和表6给出的结论可以得出,也就是说最近几年能源强度的下降或者能源效率的提高对碳排放变化的贡献非常有限。下面从4种影响因素在同一时期的变化特点,分析造成碳排放这种变化特征的原因。(1)1995年-2007年我国经济年均增速达到9.6%(图1),人均GDP达到8.83%,属于世界上几个经济发展最快的国家之一,也是1978年以来我国经济处于最快发展的时期之一。尤其2002年-2007年经济连续保持两位数的增长速度,年均增速高达11%,这就导致了同期CO2排放的年均增速也高达12.6%。从每年碳排放变化的分解结果(表6)也可发现,碳排放量的增加大部分是可以由经济发展因素解释的。(2)从产业结构分析,1995年-2007年产业结构变化最明显的是农业,从18.8%下降到9.8%,下降了9个百分点(图4)。工业所占的结构比例增加了7个百分点,交通运输业、商业服务业的比例变化不是很明显,略微增加。可见经济处于工业化快速发展时期,并且可以预见,中国经济的这种发展态势还要持续一段时期。但从表4不难发现,2007年农业、商业服务业的碳排放占整个碳排放的比例均比1995年减少了,而工业、交通运输业的比例增加了。因而可以这样认为,按照现有的工业、交通运输业发展模式,如果两者在经济结构中的比例增加只会带来碳排放量的增加。(3)从单位增加值能源消费强度变化分析,假定2000年万元增加值能源消耗量为1(图5),1995年-2007年四大部门的能源强度指数变化最明显的是工业部门,1995年-2002年几乎直线下降,但2004年、2005年出现波动,随后下降,即2002年-2007年能源强度的变化出现波动,而其他几个部门的能源强度相对较低,一直处于波动状态。故1995年-2002年能源强度的改变对碳排放改变的贡献率较高,而2003年以来影响减弱。从不同时期各产业的单位增加值能耗变化分析(表7),总体上,能源强度的下降,即能源效率的提高有利于碳排放量的减少。除了建筑业,其他部门的单位增加值能耗都是降低的,但2002年-2007年工业、交通运输业略微增加。从单位增加值能耗的下降幅度而言,其对碳排放量的减少不足以因产业发展引起的碳排放量增加,因为2007年所有部门的碳排放量比2002年都是增加的。(4)分析一次能源消费的碳强度即消耗单位能源的碳排放量变化(图6),总体上工业部门的碳排放因子最高,即消耗单位能源所排放的碳最高,亦即能源消费构成中化石能源比例过高,第三产业的碳排放因子最小,并从1995年-2007年期间工业、运输业的碳排放因子变化不大,即能源消费结构基本不变,这从表8列出的一次能源消费结构也可得到验证,可再生能源比例增加不到3个百分点。所以能源结构的变化对碳排放的改变影响较少。另一方面,不同部门的碳排放因子差别还是比较大的,工业、交通运输业都属于“碳排放密集型”产业,要降低碳排放量,不外乎两种方法,改变这些产业的内部结构,提高产业的“清洁度”,其次是改善能源结构,提高非化石能源消费比例。需要指出的是农业部门的碳排放因子是增大的,估计是由于最近几年来农业的机械化程度越来越高,消耗的能源也更多。5经济发展对“碳排放”的影响研究碳排放问题,首先需要碳排放统计量,我们根据国家、地区、行业不同的能源消费特征和可利用的统计数据,提出了不同层次的碳排放量的测算方法,并估计了各个行业、各省市区的碳排放量序列数据。基于指数分解方法的特点,利用碳排放的完全指数分解方法——对数平均迪氏指数(LMDI法)定量分析了中国1995年-2007年碳排放变化的影响因素和贡献率。碳排放的指数分解结果表明,1995年-2007年对碳排放增加影响最大的因素是经济发展,其次是产业结构和能源结构或者是碳强度的改变,而能源强度下降会带来碳排放量的减少,但最近几年的碳排放量的增加明显是由于经济发展引起的,而且经济结构、能源结构的改变、能源强度的增加都对碳排放量起到了正向作用,也就是说我国经济结构中“高碳排放”行业比例越来越大,能源消费结构中清洁能源比例过低,这需要引起国家对这几年的产业政策、未来能源发展战略等方面引起反思。(1)1990年-2008年中国碳排放总量呈增长趋势,万元产值碳排放强度年均下降率达到4.7%,经济发展属于“高碳排放”期。1990年-2008年中国化石能源消费碳排量估算结果如表3。2008年一次能源中因化石能源使用所产生的CO2排放量达到63.6亿t,为1990年的2.73倍,年均增长5.7%,占世界总排放量的比重近20%左右,尤其2002年-2008年