碳排放與經(jīng)濟及可再生能源電力發(fā)展的相互關(guān)系研究

張忠華，胡 杰，邵羽函

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021）

以二氧化碳為主的溫室氣體排放量的增加，現(xiàn)已引發(fā)一系列環(huán)境問題，如全球極端天氣頻發(fā)、海平面上升等，并對全球經(jīng)濟及物種生存產(chǎn)生明顯的負面效應(yīng)。目前，全球應(yīng)對氣候變化行動已達成共識。我國作為世界第二大經(jīng)濟體及碳排放量最大的國家，在第75 屆聯(lián)合國大會上承諾，“二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”。

由對1990—2020 年我國經(jīng)濟、發(fā)電電源發(fā)展及碳排放量相關(guān)數(shù)據(jù)的分析得到，我國經(jīng)濟總量增長較快，并于2010 年成為世界第二大經(jīng)濟體，但人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）水平與發(fā)達國家相比偏低，工業(yè)化進程尚處于工業(yè)化后期階段。隨著可再生能源開發(fā)力度的加大，我國可再生能源裝機容量及發(fā)電量占比均有明顯提高，但受資源情況影響，以火電為主體的電源格局仍未發(fā)生實質(zhì)性調(diào)整。自2006 年我國成為碳排放總量最高的國家后，碳排放量始終處于增長態(tài)勢，尚未實現(xiàn)達峰，但與發(fā)達國家相比，我國的人均碳排放量相對偏低。本文利用散點圖，選取人均GDP 和人均碳排放量作為參考，試圖證明我國經(jīng)濟增長與碳排放量基本符合環(huán)境庫茲涅茨曲線（EKC）。此外，本文利用Granger 因果關(guān)系檢驗，證明我國碳排放量是可再生能源電力發(fā)展的單相Granger 原因。

1 經(jīng)濟發(fā)展分析

1.1 經(jīng)濟總量

2020 年，我國GDP 突破100 萬億元［1］，約比2019 年增長2.3%。在經(jīng)濟發(fā)展的同時，我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變革，第一產(chǎn)業(yè)比重明顯降低，第三產(chǎn)業(yè)比重超過第二產(chǎn)業(yè)成為比重最高的產(chǎn)業(yè)。

1.2 人均GDP

2020 年，我國人均GDP 約為7.18 萬元［1］，比2019 年增長2.0%。2020 年，我國人均GDP 約為日本人均GDP 的26%［2］，約為美國人均GDP 的16%［2］。與發(fā)達國家相比，我國人均GDP 水平仍然偏低。根據(jù)1989 年錢納里提出的經(jīng)濟發(fā)展階段理論及對應(yīng)的工業(yè)化發(fā)展階段標準［3-4］，我國尚處于工業(yè)化后期階段。

2 發(fā)電電源發(fā)展分析

2.1 發(fā)電電源裝機容量分析

2020 年，我國發(fā)電電源總裝機容量為220 204 萬kW［5］，同比增長9.6%。其中，火電裝機容量占比56.6%，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機容量占比41.1%。隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的加速發(fā)展，我國電源裝機結(jié)構(gòu)已由1990 年僅由水電和火電組成的兩元結(jié)構(gòu)調(diào)整成2020 年以火電為主，水、風(fēng)、光、核等清潔能源發(fā)電為補充的多元結(jié)構(gòu)?；痣娧b機容量占比也由1990 年的73.9%下降至2020 年的56.6%，風(fēng)電和光伏發(fā)電則實現(xiàn)從無到有的歷史性發(fā)展，并成為僅次于水電和火電的裝機電源。

2.2 發(fā)電量分析

2020年，我國發(fā)電量為76 264億kWh［5］，同比增長4.1%。其中，火電發(fā)電量占比約為67.9%，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比約為27.3%?；痣姲l(fā)電量占比高的主要原因是火電作為我國現(xiàn)有基礎(chǔ)性電源，通常以滿足基本負荷需求為主，發(fā)電利用小時數(shù)較高，而可再生能源特別是風(fēng)電和光伏受資源情況及電網(wǎng)消納情況影響，出力波動較大，發(fā)電利用小時數(shù)也偏低。從整體上來看，近年來我國可再生能源發(fā)電量占比不斷提高，但以煤電為主的電源格局并未有實質(zhì)性變化。

3 碳排放量分析

3.1 碳排放總量

2020年，我國碳排放總量約9 955.51×106t［6］。1990—2020 年，我國碳排放總量年均增速為5.3%，2020 年，在全球受新冠肺炎疫情影響、碳排放整體下降的情況下，我國碳排放量仍有0.8%的增長。據(jù)統(tǒng)計，美國和日本分別于2007年和2013年實現(xiàn)碳達峰，而我國尚未實現(xiàn)碳達峰。根據(jù)美、日兩國政府發(fā)布的能源氣候戰(zhàn)略目標［7］，兩國均計劃于2050 年實現(xiàn)碳中和，與之相比，我國僅有30 年的時間來完成美、日等發(fā)達國家37年以上的碳達峰、碳中和歷程，碳減排壓力巨大。

煤炭是單位能效碳排放最高的能源，受我國“多煤、少油、缺氣”的資源稟賦及煤炭價格優(yōu)勢的影響，我國的能源消費體系仍以煤炭為主。從近期化石能源碳排放情況來看，我國的煤炭碳排放量占比也最高（2019 年的占比約為79.61%）［8］。該數(shù)據(jù)進一步表明，我國以煤炭為主要能源消費的用能結(jié)構(gòu)，對全國的碳排放量增長有正向助推作用。1990—2019 年我國主要化石能源碳排放量占比情況見表1。

表1 1990—2019 年我國主要化石能源碳排放量占比%

3.2 人均碳排放量

2020 年，我國人均碳排放量約為7.06 t［6，9］。我國人均碳排放量水平略低于日本人均水平，為美國人均水平的54%。美國和日本人均碳排放量處于波動性下降趨勢，而我國人均碳排放量則呈現(xiàn)波動性上升趨勢。考慮到我國尚未實現(xiàn)碳達峰，隨著我國碳排放量的進一步增加，在人口增長緩慢的情況下，兼顧日本碳達峰后碳排放量降低及人口負增長等多重因素疊加影響，近期我國人均碳排放量或?qū)⒊^日本。1990—2020 年我國人均碳排放量情況見表2。

表2 1990—2020 年我國人均碳排放量

4 碳排放量與經(jīng)濟增長的相互關(guān)系分析

1991 年，文獻［10］通過對二氧化硫和“煙”兩種污染物濃度與經(jīng)濟增長之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，在國民收入水平較低的情況下，污染物濃度隨人均GDP 的增長而增加，而在國民收入水平較高的情況下，污染物濃度隨人均GDP 的增長而降低。文獻［11］在庫茲涅茨“倒U 字形曲線”假說基礎(chǔ)上，首次將環(huán)境質(zhì)量與人均收入之間的關(guān)系稱為EKC。

本文利用散點圖對我國人均CO2排放量與人均GDP 數(shù)據(jù)（近似考慮為人均收入）進行分析。我國尚未實現(xiàn)碳達峰，國家經(jīng)濟增長與CO2排放量基本保持了正相關(guān)性，且擬合優(yōu)度（R2）很高，擬合程度較好，我國CO2排放量與人均GDP 的關(guān)系基本符合EKC。1990—2020 年我國人均CO2排放量與人均GDP 的散點圖如圖1 所示。

圖1 1990—2020 年我國人均CO2 排放量與人均GDP 的散點圖

5 碳排放與可再生能源電力發(fā)展的關(guān)系分析

5.1 數(shù)列穩(wěn)定性分析

實施經(jīng)濟計量和預(yù)測的基本前提是樣本數(shù)據(jù)反映的統(tǒng)計特征具有代表性、可延續(xù)性，我們稱這些統(tǒng)計量（均值、方差、協(xié)方差）的取值在未來仍能保持不變的樣本時間序列為平穩(wěn)序列。在經(jīng)濟系統(tǒng)中，一個非平穩(wěn)的時間序列通常可通過差分變換的方法轉(zhuǎn)換成為平穩(wěn)序列。在應(yīng)用協(xié)整理論進行分析前，需檢驗被分析序列變量是否平穩(wěn)［12］。

本文應(yīng)用Eviews 軟件進行CO2排放量與可再生能源發(fā)電量占比之間的Granger 因果關(guān)系檢驗，首先采用增廣迪基-富勒（ADF）檢驗方法驗證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，檢驗結(jié)果如表3 所示。在表3 中，aCO2代表二氧化碳排放量［6］，bPRP代表可再生能源發(fā)電量占比［5］。

表3 我國CO2 排放量與可再生能源發(fā)電量占比的ADF 檢驗結(jié)果

表3 的檢驗結(jié)果表明，1990—2020 年我國lnaCO2序列不平穩(wěn)，需進行一階差分來提高序列的平穩(wěn)性。本文選取一階差分后均穩(wěn)定的dlnaCO2和dlnbPRP序列進行Granger 因果關(guān)系檢驗。

5.2 Granger 因果關(guān)系檢驗

Granger 因果關(guān)系檢驗主要用于分析經(jīng)濟變量之間的因果關(guān)系，從時間序列的意義上提出了因果關(guān)系的計量經(jīng)濟學(xué)定義：“欲判斷X是否引起Y，則考察Y的當(dāng)前值在多大程度上可以由Y的過去值解釋，然后考察加入X的滯后值是否能改善解釋程度。如果X的滯后值有助于改善對Y的解釋程度，則認為X是Y的Granger 原因?！保?3］我國CO2排放量aCO2與可再生能源發(fā)電量占比bPRP的Granger 因果關(guān)系檢驗結(jié)果見表4。

表4 我國aCO2 和bPRP 的Granger 因果關(guān)系檢驗結(jié)果

表4 的檢驗結(jié)果表明，在滯后階數(shù)（本文為數(shù)據(jù)滯后年數(shù)）分別為1，2，3 時，認為我國dlnbPRP不是dlnaCO2的Granger 原因的假設(shè)概率（P值）分別為0.008 8，0.291 7，0.651 8，可見除滯后階數(shù)為1的情況外，P值均大于0.05，假設(shè)可以被接受；認為我國dlnaCO2不是dlnbPRP的Granger 原因的假設(shè)概率分別為0.011 2，0.013 6，0.085 6，可見除滯后階數(shù)為3 的情況外，P值均小于0.05，假設(shè)不能被接受。上述分析結(jié)果表明，依據(jù)1990—2020 年我國CO2排放量和可再生能源發(fā)電量占比數(shù)據(jù)，在95%以上的置信水平下，我國碳排放量是可再生能源發(fā)電量占比的單向Granger 原因。

6 結(jié)語及建議

（1）隨著風(fēng)、光等可再生能源的加速發(fā)展，我國電源裝機結(jié)構(gòu)已由1990 年的水、火兩元結(jié)構(gòu)優(yōu)化為以火電為主，水、風(fēng)、光、核等清潔能源為補充的多元結(jié)構(gòu)，受資源稟賦及火電基礎(chǔ)性電源特性影響，我國發(fā)電量仍以火電為主。

（2）通過散點圖對我國人均碳排放量與人均GDP 數(shù)據(jù)進行分析，證明了我國經(jīng)濟增長與碳排放量基本保持了正相關(guān)性，且擬合優(yōu)度很高，擬合程度較好。碳排放量與人均GDP 的關(guān)系基本符合EKC，且在碳達峰前，經(jīng)濟發(fā)展將促使全國碳排放量的增加。

（3）根據(jù)Granger 因果關(guān)系分析結(jié)果判斷，我國碳排放量與可再生能源發(fā)電量占比存在長期穩(wěn)定的均衡關(guān)系，并且碳排放量是可再生能源發(fā)電量占比的單向Granger 原因，同時也驗證了我國低碳發(fā)展對提高可再生能源發(fā)電量占比的迫切需求。

（4）通過對電源發(fā)展及碳排放量相互關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，我國電源結(jié)構(gòu)仍顯單一，以火電特別是煤電為主的電源結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生本質(zhì)性變化，與風(fēng)、光等可再生能源發(fā)展相配套的輔助服務(wù)有待進一步完善。因此，建議優(yōu)化調(diào)整以火電為主體的電源結(jié)構(gòu)，加快可再生能源發(fā)電比重的提高，增強發(fā)電清潔化程度，推動以風(fēng)、光為代表的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)；提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，深度挖掘現(xiàn)有火電機組的調(diào)峰潛力，因地制宜發(fā)展調(diào)峰氣電項目，加快抽水蓄能電站建設(shè)，推動新型儲能項目發(fā)展，增強電力系統(tǒng)接納波動性可再生能源的能力，提高可再生能源配套輔助服務(wù)效能。此外，還應(yīng)增強技術(shù)創(chuàng)新能力，充分重視可再生能源電力對非電產(chǎn)業(yè)減排的正向促進作用，如積極開展綠電制氫、碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)的研究及試點。