基于LMDI模型的城市温室气体排放影响因素研究——以杭州为例

郑思伟 李 佳 鲁丰乐 沈鹃文

(杭州市生态环境科学研究院(杭州市城区生态环境监测站),杭州 310014)

随着全球极端天气日趋频繁,温室气体排放引起的全球温室效应等问题已引起世界各国的广泛关注。中国作为能源消费大国和温室气体排放大国,面对国际社会的舆论压力和国内生态文明建设的需要,控制温室气体排放面临着巨大压力和特殊困难[1]。城市碳排放是中国碳排放的重要组成部分,科学识别城市温室气体排放影响因素是明晰减排路径的基础,是推进低碳转型亟须解决的基础问题,对完成中国碳中和目标具有重要意义[2]。

目前,温室气体排放影响因素分解研究国外开展得较早,应用较广泛的是Kaya模型。该方法通过分解因式的方法把人口、经济发展等多种碳排放因素与温室气体排放建立相应关系[3]。LMDI(Log Mean Divisia Index对数指标分解法)具有理论基础坚实,适用范围广,不产生余值等优点。大量研究学者在Kaya恒等式扩展的基础上应用LMDI法开展碳排放相关研究,如王锋等[4]运用LMDI法,把1995—2007年间中国能源消费的CO2排放增长率分解为11种驱动因素的加权贡献,并对其中6个时间段和各项驱动因素进行了研究;黄琳琳等[5]应用LMDI法从时间维度和典型年份城市横向比较两个维度对闽三角地区碳排放变化影响因素时空差异开展探讨;王育宝等[6]利用改进的Kaya恒等式和LMDI实证揭示了山西省城市废弃物处理温室气体排放的影响因素与作用机理。因此,本文以杭州市为例,在Kaya恒等式扩展的基础上构建LMDI模型,综合考虑经济社会发展的影响,开展城市温室气体排放影响因素分析,并提出具有针对性的温室气体排放控制举措。

1 排放现状及特征

本研究采用省、市统计年鉴数据,依据《浙江省温室气体清单编制指南》(以下简称《指南》)对2010-2021年杭州市温室气体排放量进行核算。结果表明,自2010年以来,杭州市温室气体排放量(含电力间接排放,不包括土地利用变化和林业)总体呈现M型的变化趋势。2021年排放量与2010年基本持平,仅增长1.33%;但是,与2014年相比(过去11年最高值),全市温室气体排放核算量减少了8.75%,降幅明显。具体见图1。

图1 2010-2021年杭州市温室气体排放量变化图

从排放领域分析,“十三五”期间,能源活动和电力净输入排放是杭州市温室气体排放的主要领域。近三年杭州市电力净输入间接排放占比持续以较大幅度提高,能源活动直接排放占比降幅较大;2021年能源活动直接排放、电力净输入、工业生产过程、农业活动和废弃物处理分别占比45.29%,39.84%、11.57%、1.07%和2.24%。

从产业排放结构分析,第二产业是杭州市化石燃料燃烧活动排放最高产业。“十三五”至今得益于产业结构调整、淘汰落后产能、关停燃煤发电机组及燃煤锅炉关停改造等措施的实施,第二产业排放占比从2016年72.12%逐年降至2021年的62.38%。“十三五”期间,杭州市煤炭消费量呈大幅下降,电力净输入产生的间接排放比重逐年上升,电力净输入产生的间接排放取代煤炭燃烧排放成为工业部门碳排放的一个主要来源,但工业部门中化石燃料燃烧排放占比仍大于电力排放。全市第三产业排放量占比则呈现逐年上升趋势,从2016年20.79%提高至2021年的27.34%。

从能源增幅分析,2010-2021年,天然气燃烧碳排放增幅最大,达197.84%,其最大贡献源为工业部门天然气消费量的增加;电力间接排放增幅次之,其最大贡献源为工业和第三产业部门电力消费量的增加。近十年的能源结构调整成绩显著,能源增量需求主要由电力、天然气等清洁能源满足[1]。

2 数据与方法

本文所需影响因素分析的数据一个主要来源于《杭州市统计年鉴》、《浙江省统计年鉴》、《指南》、《环境统计公报》等。

2.1 Kaya恒等式

本文在Kaya恒等式基础上进行扩展,引入能表示能源消费结构和产业结构的变量,同时分别定义了能表示居民生活能源消费及工农业生产过程温室气体排放的新变量,再根据LMDI分解法计算出各因素对温室气体排放的影响因素。扩展后的Kaya恒等式为:

C=C1+C2+C3+C4

公式(1)

其中:

公式(2)

公式(3)

公式(4)

公式(5)

式中:C表示温室气体排放量;C1、C2、C3、C4分别表示三产能源活动、生活能源活动、工业能源活动和农业能源活动;i=1、2、3分别表示第一产业、第二产业、第三产业;j=1、2、……、27分别表示文本核算的14种化石能源类型(包括原煤、洗精煤、其他洗煤、焦炭、焦炉煤气、天然气、汽油、煤油、柴油、液化石油气等)、4种工业产品(水泥、钢铁、玻璃、电石)以及稻田、农田氮肥投入、各种畜禽产品。

运用扩展后的Kaya恒等式公式(1)-公式(5)对杭州市温室气体排放影响因素分析进行模型构建,模型各参数设置及意义详见表1。

表1 扩展后的Kaya恒等式中各变量的意义

2.2 驱动因素选取

本文将温室气体排放因素分解形成“两维度三阶层四矩阵”的因素分析架构:两维度是指以温室气体排放构成为基本维度,综合考虑经济社会发展对温室气体排放影响的维度;三阶层是指按照Kaya恒等式将温室气体排放分解成能源消费、工业生产过程、居民生活、农业生产排放及其项下的产业结构、能耗强度、排放强度、居民工业生产过程强度、工业产品生产过程排放因子等具体因素;将经济和社会发展因素分解成经济总量、收入总量、人口总量及其项下的人均GDP、人口总数、城市化率、人均收入等具体因素;四矩阵是指在两大维度下通过经济指标、人口指标、城市化指标、人均收入指标与能源消费、工业生产过程、居民生活排放、农业生产排放构建四大矩阵,建立起经济社会与温室气体排放逻辑关系。具体因素分解及相互关系详见图2,图中有色实线代表研究选定的3大社会发展因素,同色虚线代表其对应的经济社会发展子因素及研究选用的温室气体排放影响因素。

图2 2010-2021年杭州市温室气体排放影响因素分解架构图

2.3 LMDI模型

在扩展后的Kaya恒等式的基础上,构建起杭州市温室气体排放的LMDI模型。令CT表示第T年的排放,CT-1表示T-1年的排放量,则第T年相对于T-1年的温室气体排放变量ΔC的计算过程为:

ΔC=CT-CT-1=ΔCEEFij+ΔCESij+ΔCEIj+ΔCISi+ΔCPG+ΔCP+ΔCETi+ΔCPT+ΔCCIOij+ΔCIPUj+ΔCPUP+ΔCCOij+ΔCOPj+ΔCRSD

公式(6)

各影响因素的表达式及意义如下:

(1)化石能源排放因子效应

(2)能源结构效应

(3)三产能源强度效应

(4)产业结构效应

(5)经济规模效应

(6)人口规模效应

(7)生活能源强度效应

(8)人均收入效应

(9)工业产品排放因子效应

(10)城市居民工业强度效应

(11)城市化水平效应

(12)农业活动强度效应

(13)分解残差效应

其中,化石能源排放因子、工业排放因子、农业排放因子取《指南》缺省值;LMDI分解的残差项为0。

3 结果与讨论

3.1 分析结果

以2010年为基准年,运用改进后的LMDI模型对杭州市2010—2021年的温室气体排放因素分解,得到了各分解效应的贡献程度(表2)。分析累积效应可知:经济规模增长(人均GDP)、人口规模增加、人均收入提高、城市化水平下降、农业活动强度增加的累积效应为正值,对杭州市2010-2021年温室气体排放有促进作用;产业结构调整、能耗强度降低、能耗排放强度、工业生产过程优化、生活碳排放强度下降为负值,对杭州市2010-2021年温室气体排放有抑制作用。由此,可将这10个分解效应大致分为2类,即对温室气体排放有促进作用的正向效应和有抑制作用的负向效应。

表2 2010-2021年杭州市温室气体排放因素效应 单位:104t

3.2 影响因素分析

结果显示,产业结构调整是抑制杭州市二氧化碳排放的重要领域,2010年至2021年杭州市因产业结构调整而对温室气体排放减排的贡献率达到了24.89%。第一产业能源消耗对二氧化碳排放的贡献较为稳定,全市二氧化碳排放的减少主要来自于二产比重的下降。第三产业比重在全市产业结构中的比重不断升高,十年间增加了近20%,是未来控制温室气体排放需要重点关注的因素。详见图3。

图3 产业结构因素变化情况

能耗强度下降是抑制杭州市二氧化碳排放的核心领域,2010年至2021年杭州市因能耗强度下降而对温室气体排放减排的贡献率达到了42.77%,抑制减排趋势总体呈现出波动提升的趋势。第一产业能耗强度下降对全市二氧化碳排放的贡献并不明显。第二产业能耗强度下降是全市二氧化碳减排量的主要因素,全市能耗强度也随着工业能耗强度的变化而变化。第三产业能耗强度对全市温室气体排放抑制作用有减弱的趋势,这是在服务业增加值不断上升前提下,减弱了能耗强度下降带来的抑制效应。因此,二产能耗强度下降是一项长期需要关注并持续发力的领域,三产能耗强度下降是未来二氧化碳减排的主要潜力。详见图4。

图4 能耗强度因素变化情况

单位能耗排放强度降低是抑制杭州市二氧化碳排放的有效手段,2010年至2021年杭州市因单位能耗排放强度降低而对温室气体排放减排的贡献率达到15.68%,抑制减排趋势总体呈现较为稳定的下降趋势,但是抑制二氧化碳排放效果要弱于产业结构优化和能耗强度下降。主要是由于杭州市可再生能源资源禀赋不足,在绿色低碳能源替代化石能源消耗上未实现规模化的利用,可再生能源消耗量对二氧化碳减排的作用尚未显现。因此,推进可再生能源规模化利用,积极开发利用新能源,不断优化全市能源消费结构,构建绿色智慧的现代能源体系,是未来控制二氧化碳排放的重点。详见图5。

图5 排放强度因素变化情况

工业生产过程优化对全市二氧化碳排放的抑制作用在不断增强。虽然目前工业生产过程优化对全市温室气体排放总量的影响并不显著,但是通过优化生产工艺流程,开展流程重塑是一项系统性、长期性的过程,随着技术创新、数字化应用等不断发展,生产过程优化对全市二氧化碳排放抑制作用将逐渐显现。详见图6。

图6 工业生产过程因素变化情况

4 结论与展望

本研究采用LMDI模型开展城市温室气体排放影响因素研究,LMDI模型可以将温室气体排放变化分解为各因素的贡献,但由于数据量较大,计算繁琐,会对计算结果的完整性和准确度产生较大影响。本研究以杭州市为例开展各因素分析,并根据分析结果提出以下建议。

4.1 持续优化调整产业结构,拓展节能减排空间

持续推进淘汰落后产能,通过推动化纤、化工等高碳低效行业企业加速淘汰整治或者转型提升;严控高耗能产业源头进入,着力促进重大产业项目落地,培育壮大新兴产业增长点,大力发展集成电路、智能装备等新兴产业,进一步拓展全市节能减排空间。

4.2 多渠道提升能源利用效率,深挖减排降碳潜能

创新能效提升新思路,重点以节电、节热为目标,深挖能效提升潜力,推进工业园区多能互补集成利用等高效能源利用模式;结合“绿色园区”打造、“园区循环化改造”等举措,推进能源梯级利用;加强工业废料、农林废料资源再利用,持续推进活性炭再生“绿岛”建设,构建“绿岛”治理新模式;推进泛在电力物联网等智慧能源建设,提升工业园区能源调配和调度的智能化水平,进一步提升能源利用效率。

4.3 加快煤炭油品减量步伐,实施可再生能源替代

推动油品替代、减煤,加快开发太阳能、潮汐能、生物质能(垃圾焚烧发电)等可再生能源,提高全市传统行业“绿电”使用比例,不断降低经济发展对化石能源的依赖程度。

4.4 推广数字赋能能源管理,开启节能降耗新模式

充分发挥数字经济创新优势,持续推进能源利用节能减排,以虚拟电厂为切入口,积极推进现有电网基础设施与新型数字基础设施的融合,加快建设多元融合的高弹性电网,广泛应用电力互联网,全面助力杭州市清洁能源利用、电力替代及可再生能源开发;加速数字化技术在再生资源回收行业的应用,协同减污降碳、交通智慧管理等领域,拓宽资源优化整合渠道,挖潜节能降耗空间。

4.5 抓住重要窗口期和机遇,推动消费端碳减排

紧抓杭州举办亚运会、建设大都市、推进现代化的重要窗口期,开展绿色消费领域标准体系建设,完善绿色消费制度规范和政策保障,营造绿色生活氛围,倡导低碳消费理念,建立和完善绿色生活支持体系,通过碳普惠激励、碳金融参与、全民活动等方式引导人们践行绿色低碳行为;依托“十四五”实施新型城镇化、推进区域协调发展的战略,广泛开展低零碳建筑创建,加快布局未来社区、未来乡村试点建设,全面推动城乡建设模式低碳转变;融合共享经济模式,以创新推动现代服务业高质量发展,多元推动消费端碳减排。