周洪源 汪家權(quán) 胡淑恒 趙子清

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 合肥 230009)

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安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)碳排放研究*

周洪源 汪家權(quán) 胡淑恒 趙子清

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 合肥 230009)

按不同化石能源品種的消費(fèi)量估算安徽省2004—2014年CO2排放量，分析該省工業(yè)行業(yè)能源消費(fèi)量及化石能源消費(fèi)碳排放量的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)GM(1,1)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)3種發(fā)展情景下2030年安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)碳排放量。結(jié)果表明：安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量由2004年的1.64億t上升到2014年的4.25億t；到2030年，在基準(zhǔn)情景、低碳情景和強(qiáng)化低碳情景下將分別達(dá)到7.51億t、6.06億t和4.91億t。

碳排放 能源消費(fèi) 預(yù)測(cè) 安徽省

0 引言

2014年12月6日，在秘魯利馬舉行的聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上，中國(guó)發(fā)布的《第三次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》顯示，我國(guó)的CO2排放量將在2030年達(dá)到峰值，之后，在低碳發(fā)展情景下，二氧化碳排放量有望實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)或負(fù)增長(zhǎng)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開(kāi)能源消費(fèi)，尤其是化石能源消費(fèi)量的增長(zhǎng)必然導(dǎo)致CO2排放量的增加，進(jìn)而影響到人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[1]。1995—2010年，我國(guó)碳排放總量增長(zhǎng)2.38倍[2]；2013年，我國(guó)CO2排放量達(dá)到100億t，超過(guò)當(dāng)年美國(guó)(52億t)和歐盟(35億t)的CO2排放總和[3]。若想從根本上應(yīng)對(duì)氣候變化，必須從能源消耗問(wèn)題上入手，通過(guò)改進(jìn)革新工藝技術(shù)等方式減少單位GDP能耗，控制化石能源的使用量，進(jìn)而促進(jìn)碳減排[4]。

近年來(lái)有關(guān)化石能源消費(fèi)及其產(chǎn)生的CO2排放成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Peters等[5]依據(jù)IPCC指南對(duì)源自全球金融危機(jī)前后的化石能源消費(fèi)及水泥生產(chǎn)的全球CO2排放量做出估算，并推測(cè)造成CO2排放量快速增加的原因可能是能源價(jià)格的劇烈變化以及政府大力投資加速經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)。Mccollum等[6]通過(guò)比較分析各類(lèi)化石能源消費(fèi)碳排放量，提出減緩氣候變化應(yīng)通過(guò)增加能源系統(tǒng)的多樣性實(shí)現(xiàn)。Cheng等[7]基于IPCC提供的方法，計(jì)算得到1997—2010年中國(guó)碳排放量年增長(zhǎng)率為7.15%。佟昕等[8]利用GM(1,1)模型預(yù)測(cè)中國(guó)2020年的碳排放量，發(fā)現(xiàn)中國(guó)未來(lái)的減排壓力很大，制定減排政策應(yīng)綜合考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口及技術(shù)進(jìn)步等因素。

作為當(dāng)今世界發(fā)展最快的國(guó)家，2012年我國(guó)煤炭資源消費(fèi)量占當(dāng)年世界煤炭資源總消費(fèi)量的比例首次超過(guò)50%[9]。近年來(lái)我國(guó)煤炭資源消費(fèi)量依舊居高不下。安徽省工業(yè)發(fā)展正處于從依賴生產(chǎn)要素的高投入以及能源高消耗向節(jié)能創(chuàng)新型發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變階段，目前工業(yè)的增長(zhǎng)方式不夠集約，能源的可持續(xù)利用能力有待提高。安徽省工業(yè)能源消耗以及化石能源消耗碳排放量是中部六省的一個(gè)縮影，具有典型的代表性。本文的研究成果對(duì)安徽省實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 碳排放量估算

化石能源包括3類(lèi)：煤炭類(lèi)、石油類(lèi)和天然氣類(lèi)。煤炭類(lèi)能源包含原煤、洗精煤、其他洗煤、煤制品、焦炭、焦?fàn)t煤氣；石油類(lèi)能源包含原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣；天然氣類(lèi)能源即天然氣。3類(lèi)能源消費(fèi)后產(chǎn)生的氣體主要為CO2。安徽省工業(yè)行業(yè)每年CO2排放量可采用下式計(jì)算。

(1)

式中，CEFC為化石能源消費(fèi)的二氧化碳排放量，t；FCi為化石能源種類(lèi)i的消費(fèi)量，t，萬(wàn)Nm3；CEFi為化石能源種類(lèi)i的二氧化碳排放系數(shù),t CO2/t，tCO2/萬(wàn)Nm3；n為化石能源種類(lèi)數(shù)。

為最大可能減小誤差，估算CO2排放量時(shí)沒(méi)有采用將化石能源消費(fèi)量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤量計(jì)算的方式，而是直接用能源消費(fèi)量進(jìn)行計(jì)算。

(2)

CEFi=EFi×4 186.8×10-12×NCVi×238

(3)

式中，NCVi表示第i種化石能源的平均低位發(fā)熱值，MJ/t，MJ/萬(wàn)Nm3。

根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算的各類(lèi)化石能源二氧化碳排放系數(shù)如表1所列。

表1 二氧化碳排放系數(shù)

1.2 等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型

傳統(tǒng)的灰色GM(1,1)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)時(shí)，由于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的時(shí)間序列相差較遠(yuǎn)，難免使預(yù)測(cè)精度和準(zhǔn)確度隨著時(shí)間序列的延長(zhǎng)不斷下降，導(dǎo)致預(yù)測(cè)模型無(wú)法可靠地反映系統(tǒng)的變化。為避免此類(lèi)問(wèn)題，本文采用基于灰色GM(1,1)模型的等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)二氧化碳排放量的預(yù)測(cè)[10]。

假設(shè)已知按時(shí)間順序排列的原始序列為x(0)=[x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n)]，令

(4)

建立x(1)(k)的一次線性白化微分方程：

(5)

利用最小二乘法求得a與u的值，建立模型：

(6)

即可得到模型值為：

(7)

等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型運(yùn)用不斷更新變化的、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，使預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性得到保證。

1.3數(shù)據(jù)來(lái)源

本文2004—2013年能源消費(fèi)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)源自歷年《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒》，2014年及2015年上半年相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自安徽省統(tǒng)計(jì)局。各類(lèi)化石能源的單位熱值含碳量和碳氧化率的數(shù)據(jù)源自國(guó)家發(fā)改委2011年3月份發(fā)布的《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》，各類(lèi)化石能源的平均低位發(fā)熱值來(lái)源自《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013》。

2 實(shí)證分析

2.1 能源消費(fèi)分析

利用安徽省2004—2014年能源消費(fèi)相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)得到安徽省能源消費(fèi)總量與工業(yè)能源消費(fèi)量變化情況如圖1所示，此外，2015年上半年數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)模型的情景驗(yàn)證。

由圖1可看出，安徽省工業(yè)能源消費(fèi)量逐年增多，從2004年的約5 000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤上升到2014年的9 115.1萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，年平均增幅約為6.31%，低于同期我國(guó)年均增幅(7.4%)；安徽省工業(yè)能源消費(fèi)量在安徽省能源消費(fèi)總量中的比重較穩(wěn)定，2011年之前每年均在75%以上。2006年至2013年，安徽省工業(yè)能源消費(fèi)量所占比重呈逐年下降趨勢(shì)，出現(xiàn)這種情況與國(guó)家在“十一五”期間對(duì)節(jié)能減排有了明確的要求以及實(shí)行節(jié)能技術(shù)改造財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)、安徽省積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召并強(qiáng)力推進(jìn)節(jié)能減排有關(guān)。與工業(yè)GDP相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，安徽省工業(yè)能源消費(fèi)量對(duì)工業(yè)GDP的彈性系數(shù)為0.290 7，低于我國(guó)工業(yè)能源消費(fèi)量對(duì)我國(guó)工業(yè)GDP的彈性系數(shù)(0.503 8)，由此反映出安徽省工業(yè)生產(chǎn)工藝水平、能源利用效率以及管理水平略高于我國(guó)平均水平。

圖1 安徽省能源消費(fèi)總量與工業(yè)能源消費(fèi)量(2004—2014年)

2.2 CO2排放量分析

利用公式(1)～(3)計(jì)算安徽省2004—2014年工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量如圖2所示。

圖2 安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量及年增長(zhǎng)率(2004—2014年)

圖2表明安徽省2004—2014年工業(yè)化石能源消費(fèi)所產(chǎn)生的CO2呈逐年遞增的趨勢(shì)。與圖1中安徽省2004—2014年工業(yè)能源消費(fèi)情況相比發(fā)現(xiàn)，安徽省2004—2014年工業(yè)化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO2排放量與工業(yè)能源消費(fèi)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同。安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量的增長(zhǎng)率自2008年起開(kāi)始呈現(xiàn)出較明顯的下降趨勢(shì)，除受?chē)?guó)家關(guān)于節(jié)能減排的政策影響外，還因?yàn)?008年全面爆發(fā)的全球金融危機(jī)對(duì)安徽省CO2排放量增長(zhǎng)率有較強(qiáng)的抑制作用。而2013年CO2排放量增長(zhǎng)率有明顯升高，是由于金融危機(jī)過(guò)后全球經(jīng)濟(jì)回暖帶動(dòng)安徽省生產(chǎn)力加快發(fā)展，化石能源消費(fèi)量有較大幅度提升；伴隨國(guó)家強(qiáng)化節(jié)能減排力度，為保障“十二五”期間安徽節(jié)能減排目標(biāo)順利完成，全省進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快淘汰落后生產(chǎn)能力，促使2014年碳排放量增長(zhǎng)率較2013年出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.3 CO2排放量預(yù)測(cè)

根據(jù)今后國(guó)家節(jié)能減排政策與控制力度、節(jié)能減排技術(shù)和管理水平等的發(fā)展趨勢(shì)，建立3種安徽省工業(yè)發(fā)展情景，對(duì)預(yù)測(cè)年份每項(xiàng)CO2排放量預(yù)測(cè)值分別削減后建立新模型預(yù)測(cè)下一年份數(shù)值。3類(lèi)情景及各年份削減量如表2所示。

以2004—2014年安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量為原始序列，運(yùn)用等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)GM(1,1)預(yù)測(cè)模型基于3種不同發(fā)展情景對(duì)安徽省2015—2030年的工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量分別做出預(yù)測(cè)。并逐一通過(guò)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)，由原始數(shù)據(jù)構(gòu)造的序列和由削減后的遞補(bǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)造的序列均為一級(jí)模型，模型精度為優(yōu)。預(yù)測(cè)趨勢(shì)如圖3所示。

通過(guò)測(cè)算，2015年上半年安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量為2.18億t，綜合考慮2015年下半年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)及節(jié)能減排力度，預(yù)計(jì)2015年全年CO2排放量在4.4億t左右；而基準(zhǔn)情景、低碳情景及強(qiáng)化低碳情景下預(yù)測(cè)2015年CO2排放量分別為4.49、4.39及4.29億t，由此推斷安徽省工業(yè)發(fā)展在2015年接近低碳情景，與2014年相比節(jié)能減排效果有較明顯提升。

圖3 3種情景下安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量預(yù)測(cè)

圖3表明，安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量在基準(zhǔn)情景下會(huì)呈現(xiàn)明顯的逐年遞增趨勢(shì)，到2030年達(dá)到7.51億t；而在低碳情景下2025年之后趨于平穩(wěn)，并且到2030年達(dá)到6.06億t后開(kāi)始出現(xiàn)零增長(zhǎng)。在強(qiáng)化低碳情景下，安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量將在2026年后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，至2030年達(dá)到4.91億t，且2015—2030年排放總量相比基準(zhǔn)情景和低碳情景下分別減少了18.49億t和8.54億t，在此情景下安徽省將進(jìn)入全面強(qiáng)效節(jié)能減排的綠色發(fā)展時(shí)期。

3 結(jié)語(yǔ)

本文按不同化石能源品種的消費(fèi)量分析安徽省2004—2014年工業(yè)化石能源消費(fèi)CO2排放量的變化趨勢(shì)，這與其他分析中部六省碳排放的變化規(guī)律所得結(jié)論是一致的[11-13]。通過(guò)基于不同情景的等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)GM(1,1)預(yù)測(cè)模型研究發(fā)現(xiàn)，未來(lái)十年安徽省工業(yè)化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放量將會(huì)持續(xù)增加，但增速在低碳情景和強(qiáng)化低碳情境下均會(huì)明顯放緩，且有望在2030年實(shí)現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。因此，需正確引導(dǎo)安徽省工業(yè)在低碳情景和強(qiáng)化低碳情景下發(fā)展。根據(jù)以上結(jié)論，為實(shí)現(xiàn)安徽省綠色低碳發(fā)展，打造生態(tài)安徽，提出如下建議。

(1)目前安徽省能源消費(fèi)尤其是工業(yè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中化石能源的占比過(guò)高，而安徽省油氣資源相對(duì)貧乏，石油和天然氣需外購(gòu)，同時(shí)核能、風(fēng)能、水能等清潔能源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)度緩慢，新能源占比偏低。實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵是改進(jìn)工藝技術(shù)，提高化石能源的利用效率，開(kāi)發(fā)新能源。

(2)安徽省工業(yè)行業(yè)作為能源消費(fèi)大戶，政府應(yīng)在宏觀調(diào)控中發(fā)揮積極作用。除改進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)外，可通過(guò)落實(shí)碳排放權(quán)交易促進(jìn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排。安徽省應(yīng)積極構(gòu)建溫室氣體排放評(píng)估指標(biāo)體系，制定溫室氣體排放核查制度，幫助重點(diǎn)企業(yè)制定企業(yè)內(nèi)審標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，與已有減排政策協(xié)調(diào)，努力探索建立碳排放交易市場(chǎng)。

(3)為進(jìn)一步減緩碳排放量的增長(zhǎng)率，安徽省可以重點(diǎn)在電力、鋼鐵、石油、化工、冶煉、水泥等典型的工業(yè)行業(yè)開(kāi)展試點(diǎn)工作，建立健全碳排放交易相關(guān)政策，明確并優(yōu)化碳排放配額分配和管理方案，為強(qiáng)化節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。

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Research of CO2Emission from Fossil Energy Consumption of Industry in Anhui Province

ZHOU Hongyuan WANG Jiaquan HU Shuheng ZHAO Ziqing

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnologyHefei230009)

According to the consumption of different varieties of fossil energy, annual emission of CO2in Anhui Province from 2004 to 2014 is calculated. Moreover, the change rules of energy consumption and CO2emission from fossil energy consumption of industry are analyzed. Finally, CO2emissions from fossil energy consumption until 2030 of industry in Anhui Province under three development scenarios are forecasted by using same dimensions additional grey dynamic prediction method GM (1.1). Results show that CO2emissions from fossil energy consumption of industry in Anhui Province had increased to 425 million tons in 2014 from 164 million tons in 2004. In 2030, it will be 751 million tons, 606 million tons and 491 million tons under the benchmark scenario, the low-carbon scenario and the enhanced low-carbon scenario respectively.

carbon emission energy consumption prediction Anhui Province

中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目(1213054)，安徽省發(fā)改委項(xiàng)目(J2014AHST0013)。

周洪源，男， 1990年生，山東平原人，碩士研究生，從事環(huán)境系統(tǒng)仿真與污染控制方面的研究。

2015-10-11)

汪家權(quán)，男，1957年生，安徽太湖人，教授，博士生導(dǎo)師。