碳排放與經濟及可再生能源電力發展的相互關系研究

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，現已引發一系列環境問題，如全球極端天氣頻發、海平面上升等，并對全球經濟及物種生存產生明顯的負面效應。目前，全球應對氣候變化行動已達成共識。我國作為世界第二大經濟體及碳排放量最大的國家，在第75 屆聯合國大會上承諾，“二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”。

由對1990—2020 年我國經濟、發電電源發展及碳排放量相關數據的分析得到，我國經濟總量增長較快，并于2010 年成為世界第二大經濟體，但人均國內生產總值（GDP）水平與發達國家相比偏低，工業化進程尚處于工業化后期階段。隨著可再生能源開發力度的加大，我國可再生能源裝機容量及發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生實質性調整。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勢，尚未實現達峰，但與發達國家相比，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，試圖證明我國經濟增長與碳排放量基本符合環境庫茲涅茨曲線（EKC）。此外，本文利用Granger 因果關系檢驗，證明我國碳排放量是可再生能源電力發展的單相Granger 原因。

1 經濟發展分析

1.1 經濟總量

2020 年，我國GDP 突破100 萬億元［1］，約比2019 年增長2.3%。在經濟發展的同時，我國經濟結構也發生了巨大變革，第一產業比重明顯降低，第三產業比重超過第二產業成為比重最高的產業。

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］。與發達國家相比，我國人均GDP 水平仍然偏低。根據1989 年錢納里提出的經濟發展階段理論及對應的工業化發展階段標準［3-4］，我國尚處于工業化后期階段。

2 發電電源發展分析

2.1 發電電源裝機容量分析

2020 年，我國發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、風電、光伏發電裝機容量占比41.1%。隨著風電、光伏等可再生能源發電的加速發展，我國電源裝機結構已由1990 年僅由水電和火電組成的兩元結構調整成2020 年以火電為主，水、風、光、核等清潔能源發電為補充的多元結構。火電裝機容量占比也由1990 年的73.9%下降至2020 年的56.6%，風電和光伏發電則實現從無到有的歷史性發展，并成為僅次于水電和火電的裝機電源。

2.2 發電量分析

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

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。據統計，美國和日本分別于2007年和2013年實現碳達峰，而我國尚未實現碳達峰。根據美、日兩國政府發布的能源氣候戰略目標［7］，兩國均計劃于2050 年實現碳中和，與之相比，我國僅有30 年的時間來完成美、日等發達國家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］。該數據進一步表明，我國以煤炭為主要能源消費的用能結構，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波動性上升趨勢。考慮到我國尚未實現碳達峰，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將超過日本。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 碳排放量與經濟增長的相互關系分析

1991 年，文獻［10］通過對二氧化硫和“煙”兩種污染物濃度與經濟增長之間關系的研究發現，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”假說基礎上，首次將環境質量與人均收入之間的關系稱為EKC。

本文利用散點圖對我國人均CO2排放量與人均GDP 數據（近似考慮為人均收入）進行分析。我國尚未實現碳達峰，國家經濟增長與CO2排放量基本保持了正相關性，且擬合優度（R2）很高，擬合程度較好，我國CO2排放量與人均GDP 的關系基本符合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展的關系分析

5.1 數列穩定性分析

實施經濟計量和預測的基本前提是樣本數據反映的統計特征具有代表性、可延續性，我們稱這些統計量（均值、方差、協方差）的取值在未來仍能保持不變的樣本時間序列為平穩序列。在經濟系統中，一個非平穩的時間序列通常可通過差分變換的方法轉換成為平穩序列。在應用協整理論進行分析前，需檢驗被分析序列變量是否平穩［12］。

本文應用Eviews 軟件進行CO2排放量與可再生能源發電量占比之間的Granger 因果關系檢驗，首先采用增廣迪基-富勒（ADF）檢驗方法驗證數據穩定性，檢驗結果如表3 所示。在表3 中，aCO2代表二氧化碳排放量［6］，bPRP代表可再生能源發電量占比［5］。

表3 我國CO2 排放量與可再生能源發電量占比的ADF 檢驗結果

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

5.2 Granger 因果關系檢驗

Granger 因果關系檢驗主要用于分析經濟變量之間的因果關系，從時間序列的意義上提出了因果關系的計量經濟學定義：“欲判斷X是否引起Y，則考察Y的當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。”［13］我國CO2排放量aCO2與可再生能源發電量占比bPRP的Granger 因果關系檢驗結果見表4。

表4 我國aCO2 和bPRP 的Granger 因果關系檢驗結果

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

6 結語及建議

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

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

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

（4）通過對電源發展及碳排放量相互關系的分析發現，我國電源結構仍顯單一，以火電特別是煤電為主的電源結構尚未發生本質性變化，與風、光等可再生能源發展相配套的輔助服務有待進一步完善。因此，建議優化調整以火電為主體的電源結構，加快可再生能源發電比重的提高，增強發電清潔化程度，推動以風、光為代表的新型電力系統的建設；提升電力系統調節能力，深度挖掘現有火電機組的調峰潛力，因地制宜發展調峰氣電項目，加快抽水蓄能電站建設，推動新型儲能項目發展，增強電力系統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效能。此外，還應增強技術創新能力，充分重視可再生能源電力對非電產業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）技術的研究及試點。