“雙碳” 目標(biāo)下河北電力行業(yè)碳達(dá)峰路徑的情景分析

王漢新, 王兆云, 張 楓

河北地質(zhì)大學(xué) 管理學(xué)院, 河北 石家莊 050031

1 引言

1.1 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述

現(xiàn)階段我國(guó)清潔發(fā)電生產(chǎn)的電量無(wú)法滿足全社會(huì)的需要, 仍然是以火力發(fā)電為主, 大量的二氧化碳排放加劇了能源節(jié)約和生態(tài)環(huán)保問題。 電力行業(yè)的碳排放峰值和碳達(dá)峰速度將在一定程度上決定2030 年前全國(guó)碳達(dá)峰目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)[1]。

1.1.1 碳排放量測(cè)算研究現(xiàn)狀

在數(shù)據(jù)選擇方面, 部分學(xué)者是基于消費(fèi)端數(shù)據(jù)展開的碳排放測(cè)算, 樊綱等[2], ASS 等[3]在計(jì)算碳排放量時(shí)所利用的是終端電力消費(fèi)量的數(shù)據(jù)。 相反地,Ping W 等[4]和傅京燕等[5]在計(jì)算碳排放時(shí)利用的是電力生產(chǎn)端的發(fā)電量數(shù)據(jù)。 在方法的選擇上, 較多學(xué)者選擇用碳排放系數(shù)法對(duì)電力部門的碳排放進(jìn)行測(cè)算, 劉紅琴等[6]運(yùn)用碳排放系數(shù)法對(duì)云南省的電力消費(fèi)碳排放系數(shù)進(jìn)行了測(cè)算分析; 汪中華和申劉崗[7]在對(duì)我國(guó)六大區(qū)域的電力碳排放量進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)也采用了碳排放系數(shù)法。 不同的數(shù)據(jù)和方法選擇會(huì)導(dǎo)致在研究結(jié)論上的差異, 且鑒于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得的限制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者們更多地是利用能源消費(fèi)的宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展開碳排放的計(jì)算。

1.1.2 影響碳排放量關(guān)鍵因素

為提出合理有效的低碳發(fā)展建議, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入探討了影響電力行業(yè)碳排放的貢獻(xiàn)因素。 Malla[8]從發(fā)電量、 電源結(jié)構(gòu)以及發(fā)電能源強(qiáng)度3 個(gè)方面入手分析了三者對(duì)研究對(duì)象發(fā)電碳排放的影響, 研究結(jié)果表明碳排放增加的關(guān)鍵影響因素是發(fā)電量。 Noorpoor和Kudahi[9]基于STIRPAT 方法證明電力強(qiáng)度、 發(fā)電能耗等均能使伊朗電力工業(yè)碳排放量增加。 Yan等[10]研究得到, 發(fā)電煤耗率會(huì)明顯抑制電力行業(yè)碳排放的增長(zhǎng)。 劉景華[11]采用了STIRPAT 和嶺回歸相結(jié)合的方法分別對(duì)發(fā)電側(cè)碳排放的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了篩選, 并在此基礎(chǔ)上對(duì)研究對(duì)象的碳減排的路徑提出了相應(yīng)的建議。

1.2 碳達(dá)峰、 碳中和的概念

碳達(dá)峰是指在某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn), 某地區(qū)或行業(yè)的二氧化碳排放達(dá)到歷史最高值不再增長(zhǎng), 之后持續(xù)回落的過程。 碳中和是指通過節(jié)能減排、 植樹造林等方式來(lái)吸收對(duì)消企業(yè)、 個(gè)人或組織在一定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生的溫室氣體排放量, 以此達(dá)到一個(gè)“出入相抵” 的平衡狀態(tài)。 由此可見, 早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰將有助于碳中和的盡快實(shí)現(xiàn)。 人們生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中產(chǎn)生最多的是二氧化碳, 占能源排放量的90%左右, 因此文章的碳排放研究?jī)?nèi)容為二氧化碳排放。

2 河北省電力行業(yè)低碳發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 非化石能源發(fā)電量發(fā)展情況

從火電、 水電、 風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電4 種河北省主要發(fā)電方式的發(fā)電量增幅來(lái)看, 河北省火電快速增長(zhǎng)的階段已成為過去, 取而代之的非化石能源發(fā)電正處于倍速發(fā)展階段。 從占發(fā)電總量的比重情況來(lái)看, 火電發(fā)電量在2010 年處于完全的主導(dǎo)地位, 占比96.85%。 整體發(fā)展趨勢(shì)為風(fēng)電、 太陽(yáng)能發(fā)電占比快速增長(zhǎng), 火力發(fā)電量雖有增加但占比一直在加快下降, 到2020 年火電發(fā)電量占比為79.86%。 2010—2020 年非化石能源發(fā)電總量持續(xù)增長(zhǎng), 且在近幾年增速有所提升, 但是整體占比仍處于較低水平。 可見河北省目前依舊是火電占據(jù)著主導(dǎo)地位, 分析原因?yàn)橛捎谑苜Y源能源的限制, 電源結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以火電為核心所導(dǎo)致, 在未來(lái)的一段時(shí)間里依舊會(huì)是火電為主導(dǎo), 非化石能源發(fā)電存有很大的發(fā)展空間。

2.2 清潔能源裝機(jī)發(fā)展情況

發(fā)電裝機(jī)容量是電力生產(chǎn)能力情況的一種體現(xiàn)。目前河北省發(fā)電裝機(jī)容量的增加主要以風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)為支撐, 在2010—2020 年, 火電裝機(jī)容量增幅為1 727 萬(wàn)kw, 清潔能源裝機(jī)容量由551 萬(wàn)kw 增長(zhǎng)為4 646 萬(wàn)kw, 其中風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)增長(zhǎng), 占比增加了10%左右; 太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量在6 年間迅速增長(zhǎng), 由0 kw 發(fā)展為1 234 萬(wàn)kw, 占比達(dá)16.62%。 可見河北省憑借自身風(fēng)能、 太陽(yáng)能的資源優(yōu)勢(shì), 近幾年在風(fēng)能、 太陽(yáng)能發(fā)電方面投入較多、 建設(shè)發(fā)展較快。

2.3 河北省電力消費(fèi)情況

由圖1 可以看出, 河北省2010—2020 年的電力消費(fèi)需求呈現(xiàn)波動(dòng)式變化, 但整體而言, 電力消費(fèi)需求是呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 增幅為1 242 億kwh。 用電量增速在近兩年出現(xiàn)下降, 已回落到較低水平。

圖1 河北省2010—2020 年全社會(huì)用電量構(gòu)成及增速變化情況Fig.1 Changes in the composition and growth rate of the total electricity consumption in Hebei Province from 2010 to 2020

從全社會(huì)用電構(gòu)成情況來(lái)看, 2010—2020 年河北省第二產(chǎn)業(yè)用電量占全社會(huì)用電量比重在65%～80%之間, 是最大的用電需求群體。 河北的高碳產(chǎn)業(yè)主要集中在第二產(chǎn)業(yè), 其中工業(yè)是碳排放主體, 2020 年工業(yè)用電量占第二產(chǎn)業(yè)用電量的98.21%。 2010 年河北省第二產(chǎn)業(yè)用電量占全社會(huì)用電量比重為76.63%,截至2020 年, 第二產(chǎn)業(yè)用電量占比減少了9.31%。隨著高碳工業(yè)用電量占比的逐步減小, 這在一定程度上表明河北省的電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在不斷優(yōu)化。

3 河北省電力行業(yè)碳排放情況

3.1 電力碳排放核算基礎(chǔ)

電力消費(fèi)產(chǎn)生的是碳排放是間接的, 因?yàn)槎趸嫉呐欧女a(chǎn)生于電力生產(chǎn)的過程。 水電、 火電、 風(fēng)電、 太陽(yáng)能發(fā)電共同構(gòu)成了終端能源消費(fèi)的電力, 其中, 火力發(fā)電會(huì)通過化石能源的燃燒消耗產(chǎn)生大量的二氧化碳等污染氣體; 水是可再生資源, 所以一般情況下認(rèn)為水力發(fā)電過程中沒有碳排放產(chǎn)生; 而風(fēng)力發(fā)電、 太陽(yáng)能發(fā)電主要在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生二氧化碳排放。 鑒于此, 對(duì)電力行業(yè)的碳排放計(jì)算從電力生產(chǎn)端入手, 僅考慮火力發(fā)電所產(chǎn)生的碳排放, 而水電、 風(fēng)電、 太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的少量碳排放不在計(jì)算范圍內(nèi)。

3.2 電力碳排放計(jì)算方法

文章僅考慮河北省火電行業(yè)化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量。 通過 《綜合能耗計(jì)算通則》 和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》 來(lái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù), 見表1。 根據(jù)《IPCC 溫室氣體清單指南》 給出的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算, 公式如下:

表1 各種能源碳排放參考系數(shù)表Table 1 Reference frames of carbon emissions of various energy sources

其中:C燃為各種化石燃料燃燒的碳排放量;FCi為第i種化石能源的消費(fèi)量;NCVi為第i種化石燃料的低位發(fā)熱量;EFi為第i種化石燃料的二氧化碳排放因子;CCi為第i種化石燃料的單位熱值含碳量;OFi為第i種化石燃料的碳氧化率。

3.3 河北省電力行業(yè)碳排放趨勢(shì)分析

從碳排放量來(lái)看, 河北省2010—2020 年的碳排放量整體是呈“M” 型波動(dòng)變化, 兩個(gè)波峰分別在2011 年和2018 年, 之后又回落, 整體增幅為1 871.95 萬(wàn)噸CO2, 其中最大增幅出現(xiàn)在2017—2018年期間; 最大減幅出現(xiàn)在2013—2014 年期間, 年均增量為187.20 萬(wàn)噸CO2/年, 見圖2。

根據(jù)火力發(fā)電碳排放系數(shù)和總發(fā)電碳排放系數(shù)的計(jì)算公式[6], 得到了河北省2010—2020 年的碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)。 從碳排放系數(shù)來(lái)看, 河北省兩種碳排放系數(shù)的趨勢(shì)基本是一致的, 下降趨勢(shì)明顯, 見圖2。 整體而言, 火力發(fā)電碳排放系數(shù)的下降反映出河北省火力發(fā)電的碳生產(chǎn)排放水平在降低優(yōu)化; 由于清潔能源發(fā)電量的倍速增長(zhǎng), 河北省總發(fā)電碳排放系數(shù)下降幅度較大, 從2010 年到2020 年下降了1.20 萬(wàn)噸CO2/億千瓦時(shí), 可見河北省大力發(fā)展清潔能源發(fā)電對(duì)總發(fā)電碳排放系數(shù)產(chǎn)生了明顯的積極影響, 發(fā)電結(jié)構(gòu)得以逐步優(yōu)化改善。 具體計(jì)算公式如下:

圖2 2010—2020 年河北省電力行業(yè)碳排放量及碳排放系數(shù)Fig.2 Carbon emission and carbon emission coefficient of the electric power industry in Hebei Province from 2010 to 2020

4 河北省電力行業(yè)碳排放的情景預(yù)測(cè)及分析

4.1 河北省電力行業(yè)碳排放影響因素分析

首先, 從河北省的發(fā)電量構(gòu)成來(lái)看, 目前河北省依舊是火力發(fā)電為主導(dǎo), 而火力發(fā)電伴隨著大量的化石燃燒, 相應(yīng)的就會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳排放。 通過碳排放計(jì)算也可以看出火力發(fā)電的變化會(huì)對(duì)河北省電力行業(yè)碳排放產(chǎn)生明顯影響且是正向的, 因此, 火力發(fā)電量的增減變化能夠在一定程度上反映出河北省電力行業(yè)的碳排放情況, 用“tpg” 表示。

其次, 從河北省電力投資情況分析, 近些年河北省在憑借自身?xiàng)l件優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上, 對(duì)風(fēng)電裝機(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)投資較大, 隨著非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量的增加, 清潔能源發(fā)電量也在倍速增長(zhǎng), 盡管風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電在生產(chǎn)過程中會(huì)有小部分碳排放產(chǎn)生, 但通過其來(lái)替代部分通過大量消耗化石能源的火力發(fā)電可以使碳排放量大大減少。 因此, 清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量情況能在河北省電力行業(yè)碳減排方面產(chǎn)生積極影響, 用清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量在發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恐兴嫉谋戎貋?lái)表征, 用“cegic” 表示。

最后, 前文分析提到從河北省用電情況來(lái)看, 第二產(chǎn)業(yè)是最大用電主體, 也是最大的能源消費(fèi)部門,其包含的工業(yè)部門大多為高碳密集型行業(yè), 會(huì)消耗大量的化石能源。 因此, 其能在一定程度上對(duì)碳排放變化做出解釋, 與碳排放量之間存在影響關(guān)系。 通過第二產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值電耗來(lái)體現(xiàn)其對(duì)電力消耗的效率, 產(chǎn)值電耗是指每一單位產(chǎn)值所消耗使用的電量, 每單位產(chǎn)值所消耗的電量越多, 則單位產(chǎn)值帶來(lái)的碳排放就越多, 用“opc” 表示產(chǎn)值電耗。

4.2 影響因素及影響程度的確定

構(gòu)建以Ce為被解釋變量,tpg、cegic、opc為解釋變量的雙對(duì)數(shù)多因素回歸模型, 其中α1、 α2、 α3為各指標(biāo)的彈性系數(shù),α4為常數(shù)項(xiàng)。 出于對(duì)多重共線性問題處理的考慮, 在此模型的基礎(chǔ)上引入嶺回歸方法來(lái)進(jìn)行改進(jìn)并分析, 模型公式如下:

通過表2 嶺回歸模型結(jié)果可得以上3 個(gè)因素均通過了顯著性檢驗(yàn), 關(guān)系方程為ln (Ce) = 2.769+0.866 ln (tpg) -0.186ln (cegic) +0.236ln (opc)。從影響程度來(lái)看, 火力發(fā)電量每增加1%, 河北省電力行業(yè)的二氧化碳排放量將增加0.866%, 符合前文的分析預(yù)測(cè), 火力發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳排放,可見發(fā)電結(jié)構(gòu)對(duì)電力行業(yè)碳排放減少起到了至關(guān)重要的作用, 優(yōu)化電源結(jié)構(gòu), 減少使用化石燃料, 降低火力發(fā)電量是河北省電力行業(yè)碳排放減少的途徑之一。其次, 從電力投資方面來(lái)看, 清潔能源發(fā)電裝機(jī)的投入增加會(huì)對(duì)河北省電力行業(yè)碳減排產(chǎn)生積極作用, 隨著近幾年河北省大力發(fā)展風(fēng)電、 太陽(yáng)能發(fā)電, 加大投資規(guī)模, 河北省電力行業(yè)的碳排放也會(huì)隨之而逐漸減少。 最后, 第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值電耗在一定程度上能反映出河北省高碳工業(yè)對(duì)用電的需求及對(duì)電力能源的消耗效率, 第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值越高相對(duì)所產(chǎn)生的用電需求也會(huì)越大, 進(jìn)而隨著第二產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值所消耗的電量越多,相應(yīng)產(chǎn)生的碳排放也越多。

表2 嶺回歸分析結(jié)果Table 2 Results of the ridge regression analysis

4.3 情景模型的設(shè)定

根據(jù)河北省“十四五” 規(guī)劃《綱要》 中綠色發(fā)展的相關(guān)要求, 結(jié)合電力行業(yè)的發(fā)展前景對(duì)未來(lái)河北省電力行業(yè)的發(fā)展設(shè)定3 種情景: 基準(zhǔn)情景、 低碳情景和零碳情景。 基準(zhǔn)情景指河北省電力行業(yè)將繼續(xù)執(zhí)行過往十年的發(fā)展準(zhǔn)則, 完全不考慮碳達(dá)峰、 碳中和的目標(biāo)。 低碳情景指河北省電力行業(yè)努力探求碳達(dá)峰、 碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 零碳情景是對(duì)于低碳情景控制二氧化碳排放力度的一種加強(qiáng), 會(huì)切實(shí)考慮目標(biāo)的實(shí)現(xiàn), 并努力完成甚至提前完成目標(biāo)任務(wù)。 具體情景參數(shù)設(shè)定見表3。

表3 情景參數(shù)Table 3 Scenario Parameters

4.4 河北省電力行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)前文的嶺回歸結(jié)果以及設(shè)定的情景參數(shù), 對(duì)河北省電力行業(yè)2021—2035 年的二氧化碳排放量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[12], 結(jié)果顯示: 基準(zhǔn)情景下河北省電力行業(yè)2035 年碳排放量預(yù)測(cè)值為19 954.64 萬(wàn)噸二氧化碳, 未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰; 在低碳背景下, 河北省電力行業(yè)于2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰, 且比基準(zhǔn)情景同期二氧化碳排放量減少了2 481.48 萬(wàn)噸; 而處于零碳情景時(shí), 河北省電力行業(yè)在2025 年便可實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。

由圖3 可以明顯看出, 在基準(zhǔn)情景下, 河北省電力行業(yè)二氧化碳排放量持續(xù)走高, 且在2035 年仍然沒有出現(xiàn)回落趨勢(shì), 即未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰, 這與國(guó)家2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的目標(biāo)政策是相背離的。 在低碳情景下, 二氧化碳排放量在2021—2025 年增長(zhǎng)較快, 在2026—2030 年增速放緩后開始回落并趨于平穩(wěn)狀態(tài)。從零碳情景來(lái)看, 前期碳排放量增長(zhǎng)緩慢且在2025年之后出現(xiàn)明顯且持續(xù)的走低趨勢(shì)。 由此可見, 要想實(shí)現(xiàn)國(guó)家2030 年碳達(dá)峰目標(biāo), 河北省電力行業(yè)需要從嚴(yán)格控制火力發(fā)電量, 加快加大清潔能源發(fā)展使用, 切實(shí)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型優(yōu)化, 在此基礎(chǔ)上才能順利完成2060 年碳中和的目標(biāo)規(guī)劃。

圖3 三種情景下河北省電力行業(yè)CO2 排放預(yù)測(cè)Fig.3 The CO2 emission forecast of the electric power industry in Hebei Province under the three scenarios

5 河北電力行業(yè)下一步發(fā)展路徑

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果分析, 降低火力發(fā)電比例、 產(chǎn)值電耗和增加清潔能源發(fā)電比例有助于加快二氧化碳排放量達(dá)到峰值的時(shí)間, 為碳中和工作的開展?fàn)幦r(shí)間, 結(jié)合文章數(shù)值模擬結(jié)果和國(guó)家碳排放工作指導(dǎo)文件現(xiàn)對(duì)河北省電力行業(yè)2021—2035 年各階段的發(fā)展路徑提出如下規(guī)劃建議以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)2030 年碳達(dá)峰的目標(biāo)。

按照低碳情景模型的設(shè)定情況, 在第一階段(2021—2025 年) 的火力發(fā)電量增長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)控制在3%左右; 要按政策要求走, 在2025 年實(shí)現(xiàn)清潔能源裝機(jī)占比達(dá)到55%, 第二產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值電耗在2021—2025年間要下降至0.17 左右。 第二階段(2025—2030 年)時(shí)的火力發(fā)電量增長(zhǎng)幅度應(yīng)當(dāng)有所減小, 增幅在2.5%左右, 到2030 年實(shí)現(xiàn)清潔能源裝機(jī)占比為70%左右, 在政策加持和技術(shù)進(jìn)步的促進(jìn)下, 降低速度要有所加快, 到2030 年產(chǎn)值電耗至少要維持在0.15 左右。 到第三階段(2031—2035 年) 時(shí), 火力發(fā)電量的增長(zhǎng)要降到1.5%左右, 2035 年清潔能源裝機(jī)占比要達(dá)到80%, 產(chǎn)值電耗繼續(xù)降低到2035 年穩(wěn)定在0.12 左右。

如果要實(shí)現(xiàn)在2030 年碳達(dá)峰, 則需向零碳情景的設(shè)定努力, 這就意味著對(duì)火力發(fā)電量的控制要更為嚴(yán)格, 且增長(zhǎng)速度要隨時(shí)間增長(zhǎng)明顯放緩; 到2035年清潔能源裝機(jī)占比達(dá)到接近國(guó)家電力行業(yè)規(guī)劃90%的目標(biāo), 這也會(huì)促進(jìn)更早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰; 除此之外, 在2035 年第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值電耗能夠降低到0.10 以下, 則有望在2025 年前后實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。