山西省能源消費碳排放清單和影響因素研究

趙江燕，朱宇恩，馬建超，葛曉華

(1.中國農業大學 人文與發展學院，北京 100083；2.山西大學 環境與資源學院，太原 030006；3.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；4.太原工業學院 環境與安全工程系，太原 030008)

氣候變暖已經成為全球主要環境問題之一，而人類活動產生的溫室氣體是導致全球變暖的主要原因[1-4]。中國作為全球最大的碳排放國[5]提出“碳達峰、碳中和”目標，一方面是我國實現可持續發展的內在要求，另一方面也是我國作為負責任大國，履行國際責任，推動構建人類命運共同體的責任擔當[6-8]。

碳排放清單研究是通過核算不同領域、不同年份碳排放情況，研究區域碳排放來源、排放特征的基礎性研究工作，研究結果對制定區域碳減排目標，評估減排措施等均具有十分重要的意義，是開展“碳達峰、碳中和”工作的重要前提和基礎[9-10]。

山西作為資源型地區和碳排放大省，實現“碳達峰、碳中和”目標意義重大、任務艱巨。而準確核算全省碳排放情況，深入研究全省能源領域碳排放影響因素，是高質量構建有利于實現“碳達峰、碳中和”體制機制和政策體系的重要基礎。

本研究在核算山西省多年能源活動碳排放清單的基礎上，通過因素分解模型，識別影響山西能源領域碳排放的主要影響因素，以期為山西省開展“碳達峰、碳中和”相關工作提供理論支撐。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

1.1.1溫室氣體核算方法

本文采用《省級溫室氣體清單編制指南》(以下簡稱《指南》)和《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱《IPCC》)提供的溫室氣體清單編制方法。具體公式為：

排放量=∑∑Fi,j×Ai,j.

(1)

式中：F為排放因子，t CO2/TJ；A為燃料消費量，TJ；i為燃料類型；j為部門活動。

該方法基于分部門、分燃料品種的燃料消費量、低位發熱量等活動水平數據和各種燃料品種的單位熱值含碳量以及燃料燃燒設備的碳氧化率等排放因子數據，通過逐層累加，綜合計算得到總排放量。

1.1.2影響因素分析方法

根據現有研究成果，可能影響碳排放的因素有很多，如人口規模、經濟發展水平(GDP)、產業結構、技術水平、城市化水平、能源消費總量、能源消費結構、能源消費強度等[11-12]。在這些因素中，有的因素對碳排放產生正向影響，會促進二氧化碳的排放；有的因素對碳排放產生反向影響，能夠減少二氧化碳的排放；有的直接作用于二氧化碳排放，如能源消費總量、能源消費結構等，有的間接作用于二氧化碳排放，如城市化水平、技術水平等。而低碳能源，在本質上是通過調整能源結構、提升能源利用效率，從而實現能源低碳化?；诖?，本研究將能源消費結構、能源消費強度、能源二氧化碳排放強度作為主要的因素分解指標。結合現有研究成果，能源消費水平與經濟發展、人口規模直接相關，因此本研究亦將人均GDP和人口規模作為因素分解指標。

其中，能源消費結構反映了能源內部消費結構的優化程度，山西一次能源消費結構以煤為主，煤炭占一次能源消費比重降低，對碳排放有反向影響。單位消費強度主要反映了能源利用效率情況，該值越大說明利用效率越低，對碳排放有正向影響，該指標的強弱還包含了山西省的能源利用技術水平和相關政策等因素。能源二氧化碳排放強度反映了能源消費結構，碳排放強度水平越高，說明煤炭占一次能源比重越高。人均GDP反映了山西的經濟發展水平，該指標越大，山西經濟越發達，能源消費越多，給山西省能源碳排放總量帶來壓力。人口規模反映了山西省人口水平，該指標越大，能源消費越多，給山西省能源碳排放總量帶來壓力。

在模型選擇方面，已有研究表明，Kaya恒等式和LMDI分解方法是目前碳排放影響因素的主流分析方法[13-14]，因此，本研究在拓展Kaya恒等式基礎上，使用LMDI因素分解的加法分解模型，對山西省能源領域碳排放進行分解分析。具體公式如下：

(2)

式中：i為能源消費種類；C為碳排放總量；Ci為第i種能源的碳排放量；P為山西人口數量；G為山西生產總值(GDP)；E為山西能源消耗總量；Ei為第i種能源的能源消耗量。

C=∑Ci=∑PRISiUi.

(3)

在此基礎上，本研究參照LMDI加法分解方法，將基期定為0期，報告期定為t期，得到分解公式如下：

ΔCtot=Ct-C0=ΔCpop+ΔCgdp+ΔCtechi+ΔCtechs+ΔCemf.

(4)

其中，ΔCtot表示從基期到報告期碳排放總體變化情況，各分項ΔCpop、ΔCgdp、ΔCtechi、ΔCtechs、ΔCemf分別表示人口效應、經濟發展效應、能源強度效應、能源消費結構效應和能源碳排放系數效應。

然后，本研究參照ANG等[15]的分解辦法，對上式進一步分解得到：

(5)

考慮到本研究中各種能源排放系數均采用《指南》和《IPCC》推薦值，不同年份碳排放系數保持不變，二氧化碳排放系數對碳排放量影響效應為零，即ΔCemf=0.因此在以下計算中，僅對人口效應、經濟效應、能源強度效應、能源消費結構效應四因素進行核算。另外，為方便分析各因素效應對碳排放總量的影響，本研究采用各因素貢獻率(λx)[16]，對各因素影響進行評估。各因素貢獻率為各因素效應值與碳排放總量變化值的比值，具體公式如下：

λx=ΔCx/ΔC.

(6)

1.2 數據來源

活動水平基礎數據來源于《山西省2006-2020年統計年鑒》和《2005-2019年山西省地區能源平衡表(實物量)》，同時，根據省級溫室氣體清單編制要求，結合部門數據、企業數據、文獻數據、專家咨詢數據等，對基礎統計數據進行了進一步的細化和整合。其中，在能源消費品種方面，以《2005-2019年山西省地區能源平衡表(實物量)》為基礎，分別核算了原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、煤矸石、焦炭、焦爐煤氣、其他煤氣、其他焦化產品、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣、其他石油制品、天然氣、液化天然氣等十余種分能源品種的碳排放；在核算范圍方面涵蓋了山西省能源消耗的全部行業，具體包括“能源加工轉化” 中的火力發電與供熱及“終端能源消費量”中的農林牧漁業、工業、建筑業、交通運輸倉儲郵政業、批發零售住宿餐飲、生活消費及其他等。其中，工業包括除“能源加工轉化”外的全部工業。

分能源品種排放因子，主要采用《指南》推薦值，而對于《指南》中缺失的排放因子，如“其他焦化產品”等采用《IPCC》提供的缺省值，具體見表1.

表1 分能源品種排放因子

地區人口、地區生產總值和能耗總量等數據來源于《山西省2006-2020年統計年鑒》。

2 山西省能源活動碳排放特征及影響因素分析

2.1 碳排放特征研究

2.1.1排放總量特征

2005-2019年期間，能源活動產生的CO2由2005年的2.85億t增長為2019年的4.84億t，累計增長68.81%，年均增長3.81%，總體呈波動上升趨勢。其中，2019年是歷史最高值，排放量為4.84億t，排放源主要來自能源加工轉化的火力發電、供熱和能源終端消費的工業、交通運輸及生活消費等。

火力發電是山西能源活動CO2排放主要排放源，年排放量在1.19～2.39億t之間，占化石燃料燃燒排放比重在41.73%～50.79%之間，平均占比為46.65%，約占山西省CO2排放量的一半左右，是碳減排的重點環節；從排放趨勢看，2005-2019年期間，火力發電CO2排放量呈波動上升趨勢，2019年為歷史最高值，較2005年增長101.89%，與山西省該期經濟規模不斷增長且火電發電規模不斷增加密切相關。

工業是山西能源活動CO2排放第二大排放源。2005-2019年期間排放量在1.21～1.74億t之間，占比在31.59%～42.81%之間，平均占比37.60%，主要來自于鋼鐵、有色、煤炭、建材、焦化、化工等傳統行業。從排放趨勢看，2012年為歷史排放最高值，隨后排放量趨于相對穩定，并有波動下降趨勢，這與山西省在該期不斷推進產業結構優化升級，提升傳統產業能源利用效率和節能減排技術水平密切相關。

供熱為山西能源活動CO2排放第三大排放源，CO2排放量在0.08～0.44億t之間，平均占排放比重的4.85%，近年來供熱排放增長迅速，2019年較2005年增長455.63%.

隨后分別為“交通運輸、倉儲和郵政業”、“生活消費”、“批發、零售業和住宿、餐飲業”、“建筑業”等行業化石燃料燃燒產生的CO2排放，平均占比分別為3.54%、3.43%、1.01%和0.50%.如圖1所示。

圖1 山西省2005-2019年能源領域分部門碳排放清單

2.1.2排放強度特征

排放強度包括單位GDP排放強度和人均碳排放強度兩種。

2005-2019年期間，全省單位GDP溫室氣體排放量(2005年不變價)由2005年的9.16 t(二氧化碳當量)/萬元下降至2019年的5.44 t(二氧化碳當量)/萬元，累計下降40.63%，年均下降3.66%.其中，2005-2010年呈波動下降趨勢，與該時期經濟增長高度依賴能源消耗密切相關；2011年后隨著全省能源效率提升和經濟結構逐漸優化，單位GDP溫室氣體排放呈逐漸下降趨勢。這表明山西省能源利用效率提高，節能減排工作初見成效。盡管如此，可以看到在這2005-2019年期間 GDP上漲了1.8倍，而碳排放強度下降率遠遠小于GDP的增長率，僅下降40%.研究表明當碳排放強度的下降率大于GDP的增長率時才能實現CO2的絕對減排[17]。由此可知，山西省目前并沒有實現CO2的絕對減排，能源利用效率有待進一步提高。具體見表2.

2005-2019年期間，全省人均溫室氣體排放量由2015年的11.41 t(二氧化碳當量)/人增長到2019年的17.09 t(二氧化碳當量)/人，累計增長49.81%，年均增長2.93%.全省人均溫室氣體排放量與溫室氣體排放總量和人口總數密切相關，由于我省人口增速遠小于溫室氣體排放增速，因此全省人均溫室氣體排放變化趨勢與全省溫室氣體排放變化趨勢基本一致。2005-2012年全省人均溫室氣體排放增長較快，2012年達到歷史最高17.60 t(二氧化碳當量)/人；2013-2015年人均溫室氣體排放略有降低，2015年人均溫室氣體排放量為15.72 t/人；2016-2019年隨著溫室氣體排放量的上升，人均溫室氣體排放亦逐漸增高。詳見表2.

表2 山西省2005-2019年碳排放強度

2.1.3排放結構特征

從能源消費品種看，山西省碳排放主要來源于煤炭燃燒。2005-2019年之間，煤炭燃燒產生的碳排放量在27 276.34～45 762.30萬t之間，排放量呈波動上升趨勢，煤炭碳排放占比保持在93.55%～95.32%之間，平均占比94.62%，這主要與山西省以煤為主的能源消費結構有關，目前山西省煤炭占一次能源消費比重依然在80%以上；從常年趨勢看，煤炭碳排放占比雖有波動，但整體呈下降趨勢，2019年較2005年下降0.78%.

其次為石油排放，2005-2019年之間，石油碳排放量在1 331.92～2 656.90萬t之間，排放量雖有波動變化，但基本趨向于穩定，主要是由于石油碳排放以交通領域排放為主，隨著全省燃油車輛增長逐漸趨于穩定，且新能源車不斷替代燃油車等因素，石油排放基本趨于穩定。從排放占比看，石油碳排放占比保持在4.01%～6.82%之間，平均占比5.21%，變化幅度不大。

天然氣排放量相對較小，排放量在6.4～175.42萬t之間，排放量呈逐年上升趨勢，2019年排放量是2005年的27.43倍，這與近年來山西省積極推進天然氣等清潔低碳能源消費密切相關。從排放占比看，天然氣碳排放占比保持在0.02%～0.36%之間，平均占比0.17%，亦屬于增長趨勢。具體見表3.

表3 山西省2005-2019年分能源品種碳排放量

2.2 影響因素分析

為有效控制山西省碳排放量，爭取早日實現“碳達峰、碳中和”目標，科學研究山西省能源領域碳排放驅動因素可為制定碳減排政策措施提供科學依據。

本研究通過Kaya恒等式和LMDI因素分解模型，對山西省2005-2019年能源消費碳排放量進行分解，分別得到分年度人口、經濟、能源強度、能源消費結構四項影響因素的效應值和貢獻度，在此基礎上，計算了各年度累計效應值和貢獻度，具體結果見表4和表5.

表4 2006-2019年山西省碳排放逐年效應

表5 2006-2019年山西省碳排放累計效應(萬噸)和貢獻率

由上述計算結果可知，分解后的各因素對山西省能源消費碳排放影響各不相同，其中，人口效應和經濟效應累計效用為正值，說明該因素對山西能源消費碳排放表現為促進作用；而能源強度效應和能源消費結構效應累計效應為負值，說明該因素對于山西能源消費碳排放表現為抑制作用。從排放總量看，在2006-2019年期間，山西省能源消費碳排放呈上升趨勢，說明經濟效應和人口效應的促進作用大于能源消耗強度效應和能源消耗結構效應帶來的抑制作用。從表5和圖2可知，從貢獻率角度來看，導致山西省碳排放上升的主要影響因素為經濟快速增長和人口增加，對碳排放累計貢獻率分別為1.79和0.20；而對山西碳排放的抑制作用，能源強度降低的抑制作用要明顯高于能源消費結構改善的抑制作用，對碳排放累計貢獻率分別為-0.89和-0.10.

圖2 2006-2019年山西省碳排放各因素累計效應圖

從四因素逐年效應來看，人口效應在2006年-2019年期間全部為正值，2006-2019年期間，累計貢獻量為4 371.74萬t，說明人口對山西省碳排放影響始終為促進作用，特別是2010年，由于人口較上年顯著增加，人口貢獻率明顯提升，僅2010年貢獻量為1 651.55萬t；隨后隨著人口增長速率逐漸趨于穩定，人口效應對于排放貢獻率也逐漸趨于穩定，并有逐漸下降趨勢，年度貢獻量在139.49～249.70萬t之間，其中2019年為139.49萬t.人口增加對碳排放的影響主要來自能源需求增加、破壞植被和改變土地使用方式等，因此人口因素對于碳排放增長效應不僅與人口數量的絕對增長有關，還與該地區人口的生活方式有關。過去十五年期間，山西省正處于快速城鎮化時期，且人民生活能源消費以煤為主，因此人口增長對碳排放效應相對較大，后期隨著城鎮化逐漸完成，天然氣、太陽能、風能等低碳能源的逐漸推廣，人口效應會逐漸降低。

經濟效應與人口效應類似，全部為正值，說明其對山西能源碳排放為正向影響。2006-2019年期間，由經濟效應引起碳排放累計增加了37 769.11萬t，該數值明顯大于其他三個效應的絕對值，說明經濟增長是山西省能源領域排放最重要影響因素。主要是由于山西省作為全國能源重化工基地，產業結構以能源和原材料工業為主的重型工業結構，經濟增長主要來自能源生產和消耗，因此，經濟效應對碳排放效應貢獻最大。但從逐年效應看，經濟效應整體呈波動下降趨勢，與山西省政府多年來促進產業結構調整和產品結構優化升級密切相關。由上可知，調整產業結構，發展低碳經濟，積極促進經濟發展與碳排放增長脫鉤，是山西未來降低碳排放的主要方向。

從能源強度效應看，能耗強度的變化，明顯降低了碳排放量，2006-2019年，累計貢獻量為-18 891.52萬t，是山西省CO2減排的主要影響因素。從逐年效應看，2006到2009年期間，碳減排貢獻不穩定，其中2006年和2009年為正向貢獻，2007和2008年負向貢獻，主要是由于該時期山西省雖然實施了節能減排政策，但政策約束性不穩定，因此導致減排貢獻不穩定。2010年后，隨著山西省節能降耗工作力度的逐漸加強，能源強度貢獻率逐漸升高，2010-2015年的累計貢獻量為-1 0510.03萬t；但到2015年后，隨著節能減排潛力降低和技術瓶頸等因素，貢獻值有逐漸下降趨勢，2016-2019年的累計貢獻量為-7 176.91萬t，說明提升能源利用效率水平的減排潛力在逐漸收窄。

從能源消費結構效應看，2006-2019年期間累計貢獻量為-2 026.86萬t，對山西省碳排放有負向作用。從逐年來看，在2006-2010年促進了減排，累計貢獻量為-643.58萬t，說明能源消費結構逐漸優化，煤炭占一次能源消費比重逐漸下降；而2011年貢獻量為20.46萬t，為正向貢獻，說明2011年煤炭占一次能源消費比重不降反升，與2011年經濟增長較快，煤炭消費增加有關。2012年后，除2014年和2018年為正效應外，其余全部為負效應，且負影響有逐漸增加趨勢，僅2019年貢獻-388.09萬t，說明隨著山西省節能減排等政策力度的加強，煤炭占一次能源消費比重在逐漸下降。雖然能源結構減排貢獻有增加趨勢，但與山西能源消費碳排放量相比仍然很低，說明山西以煤為主的能源消費結構沒有得到明顯的改善，煤炭占一次能源消費仍在80%以上，遠高于全國67.6%(2020年)的平均水平，說明山西省能源消費結構效應仍有較大減排空間。

3 結論

1) 山西省能源活動碳排放呈逐年上升趨勢，主要來源于火力發電排放，占能源活動排放比重在41.73%～50.79%之間，其次為工業化石燃料燃燒產生的CO2排放，占比在31.59%～42.81%之間。

2) 從排放強度看，單位GDP碳排放強度有逐年下降趨勢，但下降幅度遠小于GDP增速，說明我省GDP增長依然以化石能源使用為基礎，沒有實現CO2的絕對減排，能源利用效率有待進一步提高。人均碳排放呈逐漸上升趨勢，說明我省碳排放增長速度遠大于人口增長速度。

3) 從能源品種看，煤炭燃燒是我省碳排放的主要排放源，平均占全省排放的94.62%；石油排放基本趨于穩定，天然氣排放占比快速提升。

4) 從因素分析結果看，人口效應和經濟效應對碳排放呈正效應，特別是經濟效應是導致山西省碳排放增加的主要因素。能源消耗強度和能源消耗結構為抑制效應，是減少碳排放的主要影響因素，其中能源強度貢獻較大，能耗結構貢獻較小，說明未來還有較大的減排空間。