基于電力高頻數據的碳排放測算研究
——以青海省為例

韓良煜

(國網青海省電力公司，青海 西寧 810000)

0 引言

青海作為國家清潔能源示范省，提出了力爭在全國率先實現碳達峰的目標[1]。區域碳排放是環境保護的一項重要指標，越來越受到學者們的關注。通過分析大量碳排放測算相關文獻，總結現有研究，發現存在以下不足：一是碳排放低頻(年度或季度)測算研究較多，高頻(月度或天)測算研究較少[2]；二是家庭居民戶間接碳排放測算基于清單編制法研究的較少[3]；三是減排研究上，定性研究較多，而定量測算較少[4]；四是碳排放測算存在一定的不確定性[5]。

通過分析，本文基于電力大數據廣泛覆蓋社會生產生活、實時準確強關聯的特點，以電力數據為支撐，融合煤、油、氣等能源數據以及統計局發布的統計數據、IPCC等機構和學者對碳排放參數的相關研究成果，探尋用電量與碳排放之間的內在規律與趨勢，構建青海省碳排放測算分析模型，開展了青海省域、重點產業以及居民用戶碳排放測算分析。相關研究成果不僅能為政府部門實現“碳達峰、碳中和”目標提供具體的數據支持，還能為青海省政府決策部門制定相關政策提供有益的參考。以期加快構建青海清潔低碳、安全高效能源體系，助力青海“碳達峰、碳中和”目標的實現。

1 研究方法

本文的研究采用清單編制法，從地區、重點行業、居民戶3個維度進行青海省的碳排放測算。為了配合使用清單編制法，在進行每個維度的碳排放測算時，都需要確定相應的排放參數，并推算相應維度對應的活動水平[6]。具體的計算方法和技術路線圖如圖1所示。

圖1 青海省碳排放測算方法路線圖

1.1 地區碳排放測算

對于地區碳排放的測算，考慮數據的可獲得性，主要測算能源利用中的碳排放。

步驟1：推算各地市及其各產業能源消費總量年度值E1。用E表示全省能源消費量及各產業的能源消費總量年度值，用G表示全省增加值與各產業增加值年度值，G1表示各地市生產總值及其各產業的生產總值的年度值[8]。則：

E1=(E/G)×G1

(1)

步驟2：估計并篩選得到各地區各產業能源消費總量與用電量的月度長期均衡關系模型[9]。以青海省為例，用Ec表示全省及各產業的用電量，對Ec和E的年度序列經過單位根和協整檢驗之后，得到如下月度長期均衡關系模型：

(2)

(3)

步驟4：計算月度碳排放量。利用調整因子F，以及標準煤的碳排放系數h，得到全省及各產業的月度碳排放量Ct，公式如下：

(4)

類似的可以計算各地市以及各地市的5大產業的碳排量。

1.2 第二產業重點行業碳排放測算

對于重點行業碳排放的測算，能源利用中的碳排放測算類似于地區碳排放量的測算方法，這里主要介紹生產過程中碳排放量的測算，其具體步驟如下。

步驟1：利用Denton模型基于各行業歷史的月度產量數據，對缺失年份的月度數據進行插補[10]。

步驟2：利用X-12-ARIMA模型，對行業產量和用電量原序列進行季節調整，得到每個序列的季節因子S，同時得到每個序列的TCI序列(產量TCI序列記為Y，用電量TCI序列即為X)。

步驟3：估計并篩選得到產量TCI序列Y與用電量TCI序列ADL(q，s)模型如下：

(5)

步驟4：根據季節因子S以及對應行業產品的碳排放系數w可以計算得到各行業生產過程中的月度碳排放量Ct，公式如下：

(6)

1.3 居民戶碳排放測算

對于居民戶碳排放的測算，首先區分農村居民戶和城市居民戶，然后分別測算二者的直接碳排放和間接碳排放[11]。這里以城市居民戶的碳排放測算為例進行介紹。

步驟1：利用青海省城市的四大類消費數據與對應的城市人均GDP數據，建立人均消費(PC)與人均GDP(PG)的年度長期均衡關系模型，公式如下：

(7)

步驟2：利用上述模型以及各區縣城市的人均GDP數據(PGij，i表示消費類別，j表示區縣)，推算44個區縣城市居民的人均四大類消費，并根據對應的人口數(Pij)計算各區縣的四大類消費年度總值TCij，公式如下：

TCij=(α0+α1×PGij)×Pij

(8)

步驟3：分別利用Denton模型和線性插值法，將44個地區城市居民戶的四大類消費指標，共計176個指標的年度數據分別拆成月度數據，共得到352個月度序列指標TCijt。估計并篩選得到該地區的城市居民戶的消費TCijt與其月度用電量X的ADL(1，0)模型(其中nj為地區j居民戶的數量)，公式如下：

(9)

步驟4：根據Sturges分組法，利用各區縣城市居民戶用電量進行分組，并確定不同組別的排放比較系數GF；同時計算定基的價格調整因子PF；參考各類消費的排放因子CF，計算得到各類消費的間接碳排放量ICijt，公式如下：

(10)

步驟5：利用四大類消費碳排放占居民戶總消費碳排放的比例p1，計算得到各區縣居民戶的總的間接碳排放量ICjt，公式如下：

(11)

步驟6：利用各區縣城市居民戶用電量分組的不同組別排放比較系數GF、電力排放系數EF、電力碳排放占直接碳排放的比例p2，以及居民戶用電量數據X1jt計算得到各區縣居民戶的直接碳排放DCjt，公式如下：

(12)

步驟7：將居民戶的直接碳排和間接碳排放加總，得到居民戶的總碳排放量Cjt，公式如下：

Cjt=DCjt+ICjt

(13)

2 測算過程及結果分析

2.1 測算過程

本文的研究采用青海省2020年度用電量的高頻數據，進行青海省區域、第二產業重點行業、居民碳排放的測算，具體測算過程如下。

1)基于用電量的高頻數據。利用了季節調整、頻度轉換以及模型推斷等多種技術對缺失的高頻宏觀統計指標進行統計推算，借助清單編制法實現了對碳排放的高頻測算。

2)基于居民戶用電量的高頻數據。結合宏觀統計指標推算的各種技術、居民戶用電量分組技術，利用清單編制法實現了對家庭居民戶的高頻間接碳排放測算，為今后實現家庭高頻碳排放測算的常態化和規模化奠定了研究基礎。

3)基于“綠電”構成比例的高頻數據。借助“綠電”的排放系數，對青海省的綠電減排效果進行了測算，為省級層面實施“碳達峰”和“碳中和”目標的“綠電”路徑選擇，提供了可支持的經驗數據。

2.2 測算結果分析

1)從地區角度分析。2020年青海省因“綠電”帶來的減排率平均為36.97%，減排效果顯著。盡管減排效果顯著，但2020年青海省在扣除減排量之后，碳排放約占全國排放量的0.84%。實際碳排放同比增長率約為3.75%，該增長率高于中國《國家信息通報》(2019)中的全國幾何平均增長率(1.91%)，也高于國際權威機構“全球大氣研究排放數據庫”(EDGAR)發布的碳排放的幾何平均增長(1.37%)。顯然，相對于國內外權威機構測算的中國碳排放的平均增長率而言，青海省的碳排放增長率相對較高，減排壓力依然存在。

從青海省各市分布來看，全省2020年的碳排放，西寧占比47%、海西占比21%、海東占比17%，3個地市總共占據了全省碳排放的85%左右，其余5個地市僅占比約15%。顯然，青海省碳排放存在地區分布不均衡的情況。

2)從產業角度分析。青海省2020年工業碳排放占全省碳排放量的75.09%，其他六大產業如農林牧漁業、建筑業、交通運輸倉儲和郵政業、批發零售和住宿餐飲業等的碳排放量僅占24.91%。如果考慮工業生產過程中的碳排放，那么工業碳排放的占比將升高到約79%。顯然，從產業層面來看，青海省的碳排放存在分布嚴重不均衡的情況。

顯然，如果從工業生產過程中來考慮減排問題，重點應該關注水泥、煉鋼等行業。其中水泥行業的碳排放對于全球各國的碳排放來講，都占有比較重要的位置。在水泥制造工藝不發生重大變化，石灰石不具有較高程度替代的前提下，大力發展水泥窯協同處置，提升化石燃料的替代率，是目前水泥行業碳減排的最佳出路。

從能源利用角度來考慮減排問題，則重點應該關注鋁冶煉、鐵合金等行業。其中，鋁冶煉行業由于其高能耗、高污染，應該引起特別的關注。由于電解鋁是生產鋁的唯一方法，因此，建議從優化生產流程、降低槽平均電壓、提升電流效率等方面來降低整個鋁冶煉行業的能耗，進而有效實現碳減排。

3)從碳排放空間布局角度分析。青海省農林牧漁業碳排放在各地市的分布相對均衡。2020年海西的農林牧漁業碳排放占全省該行業碳排放的比重排第一，為27%；西寧和海東占比分別為18%，并列排第二；海南占比17%，排第三；其余依次是海北9%、黃南8%、果洛3%。

青海省工業、建筑業、交通運輸倉儲和郵政業、批發零售和住宿餐飲業四大產業的碳排放量在各地市的分布均存在不均衡現象，且每個產業在各地市的具體分布規律較為相似。具體來說，2020年，西寧、海西、海東3個地市的4大類產業各自的碳排放占比均排在前三位(其中西寧占比最大)，且三者之和通常在90%左右；而海南、海北、黃化、果洛4個地區4大類產業的碳排放占比之和僅為10%左右，與前面3個地市的差距十分明顯。

4)從城鄉居民角度分析。從城市居民碳排放與農村居民碳排放的比較來看，存在較為嚴重的地區不均衡和城鄉不均衡現象。地區不均衡方面，西寧和海西的城市居民碳排放分別比農村居民碳排放高達89%和255%；而其他6個地市分別是海東(-5.69%)、海南(-0.15%)、黃化(-9.9%)、海北(-6.21%)、果洛(-16.46%)、玉樹(0%)，地區差異明顯。城鄉不均衡方面，2020年青海省的城市居民碳排放比農村居民碳排放高出47.27%；其中海西城鄉差異最大，其城市居民碳排放比農村居民高出254.64%。這一實證經驗可為決策部門基于地區城鄉差異角度制定居民戶的相關減排政策，提供有益參考。

3 結語

青海省大范圍推廣的“綠電”工作所帶來的減排效果顯著，但全省碳排放增長率仍處于相對較高的水平，減排壓力依然存在。青海省的碳排放分布，存在產業層面和地區層面“雙不均衡”的現象，這給未來的碳減排、碳達峰和碳中和工作提供了努力方向。

從青海省5大產業的碳排放空間布局來看，除了農林牧漁業之外，其他4大產業(工業、建筑業、交通運輸倉儲和郵政業、批發零售和住宿餐飲業)的碳排放量均存在地區分布不均衡的現象。因此，根據各地市的比較優勢，有選擇性地讓產業碳排放量的空間分布趨于合理化和均衡化，是未來努力的方向。從青海省工業中的5大行業(鋁冶煉、鐵合金、鉀肥、煉鋼、水泥)碳排放總量來看，生成過程中的碳排放總量排名，與能源利用中的碳排放排名存在重大區別，這為青海省從工業生產過程和能源利用兩大環節精準實施碳減排和碳達峰的相關政策提供了有益的參考。青海省各地市城鄉居民碳排放存在較為嚴重的不均衡現象。這可能是由于青海省發展過程中的“雙重不均衡”(即各地市發展不均衡和城鄉發展不均衡)所致，需要引起相關決策部門注意。