碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度線性關(guān)系研究

葛斌，王軍霞，陳乾坤 *

(1.南通市生態(tài)環(huán)境局，江蘇 南通 226007;2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012)

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布，中國(guó)將提高應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，二氧化碳(CO2)力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月12日，國(guó)家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布，到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上[1]。

隨著碳達(dá)峰目標(biāo)年日趨臨近，國(guó)家從全力抓好能耗雙控和堅(jiān)決遏制“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展著手，同時(shí)將能耗強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度下降率列為約束性指標(biāo)來(lái)考核地方政府[2]。但在實(shí)踐中，社會(huì)對(duì)于能耗強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度下降率之間潛在邏輯關(guān)系的認(rèn)識(shí)還不夠統(tǒng)一，現(xiàn)對(duì)碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度之間的線性關(guān)系進(jìn)行研究，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和實(shí)證分析，分析能耗強(qiáng)度同比變化場(chǎng)景下碳排放強(qiáng)度同比變化趨勢(shì)。以期為推動(dòng)碳排放強(qiáng)度、能耗強(qiáng)度“雙下降”的研究和決策提供參考。

1 碳排放核算與能耗統(tǒng)計(jì)口徑

1.1 碳排放核算口徑

按照《省級(jí)二氧化碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案編制指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)規(guī)定的碳排放核算邊界，CO2排放包含本行政區(qū)域內(nèi)化石能源(煤炭、油品、天然氣)消費(fèi)產(chǎn)生的CO2直接排放，以及電力凈調(diào)入蘊(yùn)含的CO2間接排放，側(cè)重于從生產(chǎn)端核算[3]。

1.2 能耗統(tǒng)計(jì)口徑

按照《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589—2020)規(guī)定的計(jì)算范圍及計(jì)算方法，用能單位綜合能耗包含各種能源的實(shí)物消耗量及耗能工質(zhì)消耗的能源量，其中用電量、熱力消耗量及耗能工質(zhì)消耗的能源量按等價(jià)值折算成標(biāo)煤，其余按當(dāng)量值折算成標(biāo)煤。能耗統(tǒng)計(jì)時(shí)以消費(fèi)端按終端消費(fèi)量統(tǒng)計(jì)，包含可再生能源和原料用能[4]。

1.3 碳排放核算與能耗統(tǒng)計(jì)主要差別

二者差別在于：一是核算方法不一樣，碳排放從生產(chǎn)端按各能源消耗情況及排放因子核算碳排放總量，能耗指標(biāo)從消費(fèi)端按綜合能耗直接匯總統(tǒng)計(jì)，不需要二次系數(shù)核算；二是核算邊界不一樣，能耗統(tǒng)計(jì)包括可再生能源，碳排放核算不包括可再生能源[5-8]。

2 建立模型

2.1 碳排放強(qiáng)度計(jì)算模型

根據(jù)《指南》中碳排放強(qiáng)度計(jì)算方法，建立碳排放強(qiáng)度計(jì)算模型，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：q碳——CO2排放強(qiáng)度，t/萬(wàn)元；N—— 綜合能耗總量，tce；a碳—— 碳排放核算能耗(煤炭、油品、天然氣及凈調(diào)入電力)占綜合能耗比例，%；ai——煤炭、油品、天然氣及凈調(diào)入電力占碳排放核算能耗比例，%；EFi——第i種能源CO2排放因子，t/tce； GDP——地區(qū)生產(chǎn)總值(2015年價(jià)格)，萬(wàn)元。

通過(guò)對(duì)公式(1)的化簡(jiǎn)(N÷GDP即為能耗強(qiáng)度)，得到碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度的關(guān)系模型，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：q能——能耗排放強(qiáng)度，tce/萬(wàn)元。

由公式(2)可以看出，碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度的線性關(guān)系和碳排放核算能耗占綜合能耗比例有關(guān)。

2.2 碳排放強(qiáng)度同比模型

碳排放強(qiáng)度同比變化率計(jì)算公式如下：

(3)

式中：β碳——碳排放強(qiáng)度同比變化率(負(fù)值為下降、正值為上升)，%。

(4)

式中：β能——能耗強(qiáng)度同比變化率(負(fù)值為下降、正值為上升)，%。

根據(jù)2021年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議確定的可再生能源和原料用能不納入能源消費(fèi)總量控制的政策實(shí)施后，公式(4)中的a碳為恒定值，即100%。此時(shí)，a碳變化值恒為0，根據(jù)公式(4)，β碳與β能的關(guān)系取決于煤炭、油品、天然氣及凈調(diào)入電力占綜合能耗的比例變化。

3 實(shí)例分析

3.1 2020年實(shí)例現(xiàn)狀

某市2020年綜合能耗總量2 300萬(wàn)t標(biāo)煤，2020年GDP為9 100億元(2015年價(jià)格，下同)，能耗強(qiáng)度為0.252 7t標(biāo)煤/萬(wàn)元。其中2020年消耗煤炭1200萬(wàn)t標(biāo)煤、油品250萬(wàn)t標(biāo)煤、天然氣14.8億m3(180萬(wàn)t標(biāo)煤，按1.214 3 kg標(biāo)煤/m3折算)，凈調(diào)入電力量70億kWh(210萬(wàn)t標(biāo)煤，按300 g標(biāo)煤/kWh折算)，合計(jì)碳排放核算能耗1 840萬(wàn)t標(biāo)煤，煤炭、油品、天然氣、凈調(diào)入電力占比分別為65.2%，13.6%，9.8%，11.4%。碳排放核算能耗占綜合能耗比例為80.0%，按照公式(2)計(jì)算碳排放強(qiáng)度為0.481 6 t/萬(wàn)元。其中煤炭、油品、天然氣排放因子分別采用2.66，1.73，1.56 t/tce，凈調(diào)入電力排放因子采用2.28 t/tce(采用江蘇省電網(wǎng)平均CO2排放因子0.683 t/MWh折算)。

3.2 2021年預(yù)測(cè)及線性關(guān)系分析

3.2.1 能耗強(qiáng)度單一變量時(shí)線性關(guān)系

假設(shè)2021年碳排放核算能耗中各能源占比不變(ai2021=ai2020)，能耗強(qiáng)度變量β能于-4%(下降4%)至4%(上升4%)時(shí)，分析以下2種場(chǎng)景下碳排放強(qiáng)度同比變化情況。

情景1：碳排放核算能耗占綜合能耗比例由a碳由2020年的80%提高至2021年的81%,碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度同比變化率的線性關(guān)系典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

表1 情景1的碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度同比變化率線性關(guān)系典型數(shù)據(jù) %

圖1 情景1的碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度趨勢(shì)變化

當(dāng)a碳提高1%后，由表1可見(jiàn)，β碳均>β能1.2%～1.3%。由圖1可見(jiàn)，β碳由負(fù)變正，即由下降到上升的臨界點(diǎn)為A點(diǎn)，此時(shí)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的能耗強(qiáng)度同比變化率為-1.2%；β能由負(fù)變正，即由下降到上升的臨界點(diǎn)為B點(diǎn)，此時(shí)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的能耗強(qiáng)度同比變化率為0%。在A點(diǎn)之前，能耗強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度同為下降；A點(diǎn)至B點(diǎn)之間，能耗強(qiáng)度下降、碳排放強(qiáng)度上升；在B點(diǎn)之后，能耗強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度同為上升。

情景2：碳排放核算能耗占綜合能耗比例由a碳由2020年的80%下降至2021年的79%，碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度同比變化率的線性關(guān)系典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

表2 情景2碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度同比變化率的線性關(guān)系典型數(shù)據(jù) %

圖2 情景2的碳排放強(qiáng)度與能耗強(qiáng)度趨勢(shì)變化

當(dāng)a碳下降1%后，由表2可見(jiàn)，β碳均<β能1.2%～1.3%。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)β能由負(fù)變正，即由下降到上升的臨界點(diǎn)為A點(diǎn)，此時(shí)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的能耗強(qiáng)度同比變化率為0%；β碳由負(fù)變正，即由下降到上升的臨界點(diǎn)為B點(diǎn)，此時(shí)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的能耗強(qiáng)度同比變化率為1.3%。在A點(diǎn)之前，能耗強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度同為下降；A點(diǎn)至B點(diǎn)之間，能耗強(qiáng)度上升、碳排放強(qiáng)度下降；在B點(diǎn)之后，能耗強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度同為上升。

對(duì)比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)，碳排放核算能耗占綜合能耗比例的變化不同，能耗強(qiáng)度與碳排放強(qiáng)度變化趨勢(shì)方向發(fā)生改變的先后有所差異，情景1中碳排放強(qiáng)度變化趨勢(shì)改變?cè)缬谀芎模榫?中碳排放強(qiáng)度變化晚于能耗，預(yù)判二者關(guān)系必須對(duì)碳排放核算能耗占綜合能耗比例進(jìn)行分析。

3.2.2 多變量時(shí)線性關(guān)系

假設(shè)2021年碳排放核算能耗占綜合能耗比例及碳排放核算能耗中各能源占比基于2020年上下浮動(dòng)5%，2021年能耗強(qiáng)度同比2020年界于-4%～4%之間，各占比步長(zhǎng)為1%，能耗強(qiáng)度同比步長(zhǎng)為0.1%，對(duì)公式(4)進(jìn)行編程，分析碳排放強(qiáng)度同比變化情況。多變量計(jì)算碳排放強(qiáng)度同比程序流程見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，流程圖中采用碳排放核算能耗占綜合能耗比例(a碳)、煤炭占比(a煤炭)、油品占比(a油品)、天然氣占比(a天然氣)、能耗強(qiáng)度同比(β能)5個(gè)變量設(shè)置5層循環(huán)嵌套，各循環(huán)變量均由小至大按設(shè)定步長(zhǎng)自增，共執(zhí)行118.6萬(wàn)次循環(huán)計(jì)算碳排放強(qiáng)度同比(β碳)，輸出有效數(shù)據(jù)組合116.8萬(wàn)條。表3列舉了各占比不同方向變化時(shí)，β碳與β能的比較結(jié)果。

圖3 多變量計(jì)算碳排放強(qiáng)度同比程序流程

表3 各占比變化方向組合β碳與β能關(guān)系

由表3可見(jiàn)，碳排放核算能耗占綜合能耗比例a碳對(duì)β碳與β能關(guān)系的影響最大，當(dāng)a碳下降時(shí)，β碳大概率(95.7%)<β能；當(dāng)a碳上升時(shí)，β碳大概率(95.7%)>β能。碳排放核算能耗中各能源占比不同方向變化時(shí)，β碳與β能的關(guān)系分布相對(duì)較均勻。

碳排放核算能耗占比a碳變化時(shí)，β碳-β能的平均差值見(jiàn)表4。

表4 碳排放核算能耗占比變化時(shí)β碳與β能關(guān)系 %

選取任意2個(gè)情景分析：如a碳由2020年的80%下降為2021年的77%(情景3)時(shí)，由表4可見(jiàn)，與a碳變化-3.0%對(duì)應(yīng)的(β碳-β能)差值為-3.7%，即當(dāng)β碳為-3.7%時(shí)，β能為0%；當(dāng)β碳為0%時(shí)，β能為3.7%； 2個(gè)點(diǎn)之間能耗強(qiáng)度上升、碳排放強(qiáng)度下降。又如a碳由2020年80%上升為2021年的82%(情景8)時(shí)，與a碳變化2.0%對(duì)應(yīng)的(β碳-β能)差值為2.5%，即當(dāng)β碳為0%時(shí)，β能為-2.5%；當(dāng)β碳為2.5%時(shí)，β能為0%； 2個(gè)點(diǎn)之間能耗強(qiáng)度下降、碳排放強(qiáng)度上升。其他情景可參照上述2個(gè)情景進(jìn)行分析判斷。

4 結(jié)論

碳排放強(qiáng)度同比變化率與能耗強(qiáng)度同比變化率不是必然呈現(xiàn)“同正或同負(fù)”的關(guān)系，即能耗強(qiáng)度上升，碳排放強(qiáng)度也有可能下降；能耗強(qiáng)度下降，碳排放強(qiáng)度也有可能上升。當(dāng)能耗統(tǒng)計(jì)邊界包含可再生能源和原料用能時(shí)，碳排放強(qiáng)度同比變化率和能耗強(qiáng)度同比變化率之間的關(guān)系同時(shí)受碳排放核算能耗占綜合能耗的比例及能源結(jié)構(gòu)所影響。當(dāng)能耗統(tǒng)計(jì)邊界不包含可再生能源和原料用能時(shí)，碳排放強(qiáng)度同比變化率和能耗強(qiáng)度同比變化率之間的關(guān)系主要取決于煤炭、油品、天然氣及凈調(diào)入電力占綜合能耗的比例變化。

隨著“雙碳”工作的持續(xù)推進(jìn)，碳排放強(qiáng)度日益受到重視，部分地方和決策者認(rèn)為只要降低能耗強(qiáng)度一定會(huì)帶來(lái)碳排放強(qiáng)度的降低，而本研究通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)證說(shuō)明，在一定條件下，可能出現(xiàn)能耗強(qiáng)度下降而碳排放強(qiáng)度反而上升的情況。為了更好地推動(dòng)碳排放強(qiáng)度、能耗強(qiáng)度的雙下降，各地在管理決策時(shí)，應(yīng)對(duì)本地能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)能源結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行預(yù)判，從而根據(jù)實(shí)際情況分析能耗強(qiáng)度與碳排放強(qiáng)度的關(guān)系，避免僅關(guān)注能耗強(qiáng)度而影響碳排放強(qiáng)度目標(biāo)的完成。