基于LMDI法和Tapio脱钩模型的天津市碳排放分析*

刘茂辉 邓小文 刘胜楠 李 婧 孙 猛#

(1.天津市生态环境监测中心,天津 300191;2.天津天滨瑞成环境技术工程有限公司,天津 300190)

在我国提出碳排放力争在2030年前达峰、努力争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标背景下,天津市作为环渤海地区的重要经济中心,在经济发展的同时有必要摸清碳排放现状和发展趋势。天津市的碳排放影响因素分析、碳排放情景预测和碳减排潜力已有一些研究[1-3]。主要用到的研究工具有LMDI法和Tapio脱钩模型等[4]。LMDI法是在Kaya恒等式的基础上发展来的[5-6],具有分解结果直观的特点,已广泛应用于能源研究领域[7-8]。Tapio脱钩模型将总量和相对量的变化综合考虑,提高了脱钩分析的客观性与准确性[9-12]。情景分析是碳排放发展趋势研究的常用方法。孙钰等[13]基于天津市2000—2009年碳排放情况分3种情景对天津市2010—2050年的碳排放进行了预测。李雪梅等[14]基于天津市2000—2016年碳排放情况分6种情景对天津市2017—2040年的碳排放进行了预测。但当时没有考虑到“双碳”目标,同时也没有把碳排放强度考虑进去。因此,在“双碳”目标背景下需对天津市的碳排放进行重新分析。

本研究紧跟“双碳”目标,根据天津市2000—2019年的碳排放现状,采用LMDI法分析天津市碳排放的影响因素,利用Tapio脱钩模型分析天津市经济增长和碳排放之间的脱钩状态,依据天津市“十四五”规划中的经济社会发展指标分情景预测天津市碳达峰情况和碳中和路径,以期为我国“双碳”目标的完成贡献天津市的力量。

1 研究方法

1.1 碳排放量核算

依据《省级温室气体清单编制指南(试行)》(发改办气候〔2011〕1041号)开展碳排放量(以二氧化碳计)核算,其中能源活动化石燃料燃烧温室气体清单编制采用以详细技术为基础的部门方法。

1.2 LMDI法

Kaya恒等式如式(1)所示。

(1)

式中:E为碳排放量,万t;PE为能源消费量,万t(以标煤计);GDP为地区生产总值,亿元;POP为人口总数,万人。

E=A×B×C×P

(2)

将能源结构、能源强度、经济增长、人口规模各影响因素引起的碳排放变化量除以碳排放总变化量可以得到各影响因素的贡献率。通常,贡献率大于0,表明该影响因素对碳排放具有拉动作用;贡献率小于0,表明该影响因素对碳排放具有减缓作用[15]。

1.3 Tapio脱钩模型

经济增长与碳排放的脱钩弹性用Tapio脱钩模型(见式(3))进行分析。

(3)

式中:ε为经济增长与碳排放的脱钩弹性;ΔE为当年碳排放量相对基准年的变化量,万t;E0为基准年碳排放量,万t;ΔGDP为当年地区生产总值相对基准年的变化量,亿元;GDP0为基准年地区生产总值,亿元。

Tapio脱钩模型的脱钩状态通常可以划分为8类,如表1所示。

1.4 数据来源

2000—2019年碳排放核算所需的煤炭、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、天然气、电力等能源消费量以及主要工业产品产量和碳排放预测分析所需的人口总数、城镇化率、能源强度和高技术比重数据均来源于历年的天津市统计年鉴;碳排放预测分析所需的地区生产总值、第三产业比重来源于历年的天津市国民经济和社会发展统计公报。为排除通货膨胀的影响,地区生产总值以2000年不变价进行折算。

1.5 情景设置

参考文献[13]和[14]的情景设置,面向“双碳”目标,把天津市“十四五”规划的地区生产总值、能源强度作为基准情景,由于天津市“十四五”规划没有具体提及人口变化和碳排放强度内容,因此以天津市“十三五”末的碳排放强度(单位地区生产总值的碳排放量)以及2017—2019年人口总数变化率作为基准情景。在基准情景的基础上,以低碳发展加严40%作为低碳情景,即能源强度和碳排放强度的下降幅度增加40%,而地区生产总值和人口总数增长幅度下降40%,本研究同时考虑了近期的2021—2025年和远期的2026—2060年,近期的2021—2025年天津市“十四五”规划已明确的全部按规划设定,人口总数根据天津市“十四五”规划保持稳定的目标与基准情景保持不变;在基准情景的基础上,低碳发展加严80%作为超低碳情景。各情景下各参数具体设置如表2所示。

表1 脱钩状态的划分Table 1 Division of the decoupling states

表2 情景设置Table 2 Scenario setting

2 结果与讨论

2.1 LMDI法分解结果

LMDI法分解可以得到各影响因素引起的碳排放变化量和贡献率。从图1可以看出,在以2000年作为基准年的前提下,2001—2019年,天津市能源强度对碳排放一直起到减缓作用,而经济增长对碳排放一直起到拉动作用,能源结构和人口规模对碳排放的影响相对较小。这说明,天津市的能源结构和能源强度逐年改善,减缓了天津市的碳排放;而天津市的经济和人口逐年增加,拉动了天津市的碳排放。相对于2000年,2019年天津市的能源结构、能源强度、经济增长和人口规模的贡献率依次为-19%、-152%、222%、50%,总体而言,能源结构和能源强度对天津市碳排放起减缓作用,而经济增长和人口规模对天津市碳排放起拉动作用,这一结论与王媛等[16]对天津市碳排放影响因素的分析一致,也与董莹等[17]对甘肃省碳排放影响因素分析一致。

2.2 脱钩状态分析

天津市经济增长与碳排放的脱钩弹性计算结果如图2所示。2001—2013年(第一阶段),天津市碳排放量增加,地区生产总值也增加,经济增长与碳排放之间呈现弱脱钩状态;2014—2017年(第二阶段),天津市碳排放量减少,而地区生产总值增加,经济增长与碳排放呈现强脱钩状态;2018—2019年(第三阶段),天津市碳排放量增加,地区生产总值增加,经济增长与碳排放呈现弱脱钩状态。总体而言,天津市碳排放量随经济增长而增加,但是碳排放量的增长速率低于经济增长速率,这一结论与文献[10]的结论相一致;2014—2017年,天津市经济增长与碳排放的脱钩状态由弱脱钩变为强脱钩,这一结论与王凤婷等[18]对天津市脱钩分析的结论相一致。第一阶段,脱钩弹性波动变化,特别是2008年波动较大,这主要是受美国金融危机的影响,天津市经济发展受阻,为推动经济发展,各部门尝试调整能源和资源结构来缓解经济的衰退,但碳排放量增长速率仍跟不上经济增长速率,从而造成天津市脱钩状态波动。第二阶段,在《大气污染防治行动计划》实施的带动下,天津市大力调整产业结构、能源结构、交通运输结构,深入治理燃煤、工业、机动车污染,为绿色发展打下了坚实的基础,从而天津市经济增长与碳排放呈现强脱钩状态。第三阶段,受国际形势变化,尤其是中美贸易战的影响,天津市为减缓经济增长乏力,能源和资源的消耗增加,同样因碳排放量增长速率仍跟不上经济增长速率,天津市的脱钩状态又回到了弱脱钩状态。

2.3 碳达峰碳中和分析

目前中国对于城市碳达峰还没有明确的定义。张立等[19]认为,城市碳达峰是指城市的碳排放在一段时间内达到峰值,之后进入平台期,即稳定在一定范围内波动,然后进入平稳下降阶段。本研究将碳达峰定义为碳排放出现峰值随后经历平台期,而后进入显著下降阶段(P<0.01)。由图3可知,在基准情景下,天津市2013年“碳达峰”之后逐步下降,但2019年之后又回升,因此基准情景下天津市碳达峰存在困难;而低碳情景和超低碳情景趋势相同,只是超低碳情景碳排放量下降幅度更大,在低碳情景和超低碳情景下,天津市2013年碳达峰后,2014—2019年碳排放处于平台期,之后稳定下降,并于2023年显著下降(P<0.01),说明低碳情景和超低碳情景下,天津市可以在2025年前实现碳达峰。综合而言,天津市要想在2025年之前实现碳达峰,需要确保碳排放强度下降,至少要进入低碳情景。预测2021—2025年3种情景下经济增长与碳排放的脱钩弹性,结果见表3。2021—2025年,基准情景下,天津市将延续第三阶段保持弱脱钩状态;而低碳情景和超低碳情景下,天津市将处于强脱钩状态。经济增长与碳排放的强脱钩将有助于天津市碳达峰的实现。由于根据的碳达峰定义不同,对于碳达峰的年份预判也会有差别。文献[14]的研究显示,经济中增长能源强减排情景是天津市最佳发展模式,不过在此情景下天津市也将于2025年碳达峰。

表3 不同情景下经济增长与碳排放的脱钩弹性预测Table 3 The prediction of economic growth and carbon emission decoupling elasticity under different scenarios

碳中和一般是指进入大气的碳排放和碳汇吸收之间达到平衡[20]。进一步分析图3,基准情景下,天津市碳排放量在2019年后不断上升,天津市将很难实现碳中和;低碳情景下,天津市碳排放在2013年达峰后逐步下降,到2060年,天津市的碳排放量为7 100万t,实现碳中和也有较大难度;超低碳情景下,天津市碳排放在2013年达峰后大幅下降,下降幅度是低碳情景下的1.4倍,到2060年,天津市碳排放量只剩1 100万t,有望在碳汇工程的辅助下实现碳中和。从2026—2060年的经济增长与碳排放的脱钩弹性(见表3)可以看出,2026—2060年,基准情景下经济增长与碳排放将一直呈现弱脱钩状态,而低碳情景和超低碳情景下经济增长与碳排放才呈现强脱钩状态。因此,天津市要想达到碳中和,首先需要使经济增长与碳排放强脱钩,并且快速地进入到超低碳情景,其次在超低碳情景下实施碳汇工程,确保碳汇量大于碳排放量。

3 结论与建议

3.1 结 论

(1) 从天津市2001—2019年碳排放现状来看,能源结构和能源强度(主要是能源强度)对天津市碳排放起减缓作用,而经济增长和人口规模(主要是经济增长)对天津市碳排放起拉动作用。

(2) 天津市2001—2013年经济增长与碳排放之间呈现弱脱钩状态,2014—2017年呈现强脱钩状态,2018—2019年又回到了弱脱钩状态。

(3) 天津市只有实施低碳情景或超低碳情景才能在2025年之前实现碳达峰,而只有实施超低碳情景才能有望在2060年实现碳中和。

3.2 建 议

(1) 天津市应持续改善能源结构,降低能源强度,合理控制经济规模和人口数量,并确保经济发展和碳排放处于强脱钩状态。

(2) 天津市要想在2025年之前实现碳达峰,碳排放强度需达到五年累计降低28.7%。

(3) 天津市要想在2060年之前实现碳中和,能源强度和碳排放强度降低幅度要持续加大,在超低碳情景下辅助实施碳汇工程,确保碳汇量大于碳排放量。