济南市工业化石能源消费碳排放与经济增长脱钩水平及驱动因素分析*

谢玉慧 郭凤佳 张 倩 姜 雨 陈 伟,2#

(1.山东师范大学地理与环境学院,山东 济南 250358;2.山东师范大学碳中和研究院,山东 济南 250014)

温室效应引起的全球变暖已成为社会关注的焦点,因此减少温室气体排放,推进经济绿色低碳转型刻不容缓。工业生产消耗大量化石能源,由此产生的碳排放在碳排放总量中占比达70%[1]。济南市作为老工业城市,产业结构偏重,能源结构偏煤[2],产业结构和能源消费都尚未实现与碳排放完全脱钩。目前,济南市是山东省唯一入选国家低碳城市、气候适应型城市的“双试点城市”[3],因此厘清其工业化石能源碳排放与经济增长脱钩水平演变趋势,甄别造成碳排放的关键驱动因素对于科学制定碳减排战略、有效降低工业活动碳排放具有重要意义。

现有研究主要采用Tapio脱钩模型研究工业与碳排放的依赖关系[4-6],并运用对数平均迪氏指数分解模型(LMDI)分析碳排放的驱动因素[7-8],通常考虑人口规模[9]、经济产出[10]81、产业结构[11]、能源强度[12]、能源结构[10]79、碳排放因子[13]等。济南市工业能源碳排放测算和驱动因素分析已有一些研究[14-15],但缺乏专门针对济南市工业化石能源碳排放与经济增长的脱钩关系及驱动因素的研究。

本研究采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)的《2006年IPCC国家温室气体排放清单指南》测算济南市工业化石能源消费碳排放量,运用Tapio脱钩模型分析碳排放与经济增长的脱钩关系,并利用LMDI探究济南市工业化石能源消费碳排放的关键驱动因素,进而提出促进济南市工业低碳发展的对策建议。

1 研究方法与数据来源

1.1 碳排放核算方法

根据济南市工业化石能源消耗的实际情况,选择原煤、汽油、煤油、柴油、燃料油5种化石能源进行直接碳排放核算。不同工业行业的各种化石能源消费碳排放量计算公式见式(1):

(1)

式中:Ei,j为i行业j化石能源消费碳排放量,t;Ai,j为i行业j化石能源的消费量,t,折算成标准煤计;Fj为j化石能源的碳排放因子,t/t,以CO2计;Nj为j化石能源的平均低位热值,J/t;Cj为j化石能源的含碳量,t/J;Oj为j化石能源的碳氧化率。

1.2 LMDI分解

考虑工业人口规模、经济产出、产业结构、能源强度、能源结构、碳排放因子6个驱动因素进行LMDI分解,计算公式见式(2)。

(2)

式中:P为工业从业人口;G为工业生产总值,亿元;Gi为i行业的工业生产总值,亿元;Ai为i行业的化石能源消费量,t。

(3)

1.3 脱钩分析

采用Tapio脱钩模型探究济南市工业生产总值增长与碳排放量之间的关系,公式见式(4):

(4)

式中:ε为工业经济增长与碳排放量之间的脱钩指数;Et0为t0时的相应碳排放量,t;ΔG为t1、t0间的工业生产总值变化量,亿元;Gt0为t0时的工业生产总值,亿元。Tapio脱钩模型可分为3大状态和8种具体类型,详见表1。

表1 脱钩类型划分

1.4 数据来源

以2011—2020年为研究区间,参照2012—2021年济南市统计年鉴,将工业行业划分为采矿业,制造业,电力、燃气及水的生产和供应业3大类。各行业的工业生产总值、化石能源的消费量、从业人口等数据来源于济南市统计年鉴,2019年莱芜市并入济南市,因此2019—2020年各项数据为包括了莱芜市并入后的合并数据。各类化石能源的平均低位热值来源于中国能源统计年鉴,碳排放核算所需的各类化石能源的碳排放因子、含碳量、碳氧化率等数据参考LIU等[16]的研究结果。为剔除价格变动因素的影响,采用工业生产者出厂价格指数[17]将历年工业生产总值折算为2011年不变价格。

2 结果分析与讨论

2.1 济南市工业碳排放特征分析

济南市2011—2020年工业不同化石燃料的碳排放量如图1所示。工业总碳排放量由2011年的29.30 Mt增长到了2020年的43.17 Mt,年均增长率为4.40%。2011—2018年,济南市工业总碳排放量在22.98～29.30 Mt波动,比较稳定。2019年由于莱芜市的并入使济南市工业总碳排放量达到49.80 Mt。又随着《济南市低碳发展工作方案(2018—2020年)》的实施,2020年济南市工业总碳排放量较2019年减少6.63 Mt。其中,采矿业对济南市工业总碳排放量贡献较小,2011—2020年的平均贡献只有3.42%,2011—2013年在0.01 Mt以下,2014—2019年在1.13～2.02 Mt波动,2020年又降至0.18 Mt。制造业对济南市工业碳排放量贡献达到41.29%,2011—2018年呈下降趋势,由14.03 Mt下降至9.25 Mt,2018—2019年因莱芜市的并入增加了8.68 Mt,2020年又降低至15.87 Mt。可见,济南市制造业快速发展,如何实现其减污降碳已成为济南市的关键问题。电力、燃气及水的生产和供应业对济南市工业碳排放量贡献最大,达55.29%,碳排放量2011年为15.25 Mt,2020年升高至27.13 Mt,演变趋势与济南市工业总碳排放量基本一致,这是因为济南市电力结构以煤电为主[18]。综上来看,制造业,电力、燃气及水的生产和供应业是造成济南市工业化石能源消费碳排放的主要行业,应成为节能减排的重点管控行业。

图1 2011—2020年济南市工业碳排放量

碳排放强度常被用来衡量经济发展与碳排放量之间的关系。2011—2020年济南市工业总碳排放强度变化如图2所示。2011—2017年为第一阶段,工业总碳排放强度逐年降低;2017—2019年为第二阶段,工业总碳排放强度呈上升态势;2019—2020年为第三阶段,工业总碳排放强度又呈降低态势。2019年之前,即莱芜市并入之前,济南市工业总碳排放强度整体呈下降趋势,与工业总碳排放量变化趋势大体一致,说明工业碳排放强度降低可能是导致工业碳排放量下降的重要原因。2019—2020年,3大行业碳排放强度均有下降,以采矿业最为突出(降幅为89.66%),其次是制造业(降幅为33.33%),电力、燃气及水的生产和供应业降幅为18.51%。马艳梅等[19]研究发现,2011—2016年山东省工业碳排放强度呈下降趋势,与本研究中济南市的结果一致。山东省和济南市的工业结构和工业发展方式相似,是两者工业碳排放强度演变趋势相似的原因之一。未来在改变能源结构的同时应注重能源效率的提升及清洁能源的开发利用,以降低工业化石能源消费的碳排放强度,实现经济与环境的协同增效。

图2 2011—2020年济南市工业碳排放强度

2.2 济南市工业经济增长与碳排放脱钩分析

考虑到2019年莱芜市并入等短期外部冲击的影响,对2011—2020年济南市工业经济增长与碳排放关系进行逐年脱钩分析,结果见表2。由表2可见,不同行业的碳排放脱钩状态演化趋势存在共性与差异。3大行业的强脱钩年份集中于2011—2013年,工业生产总值增长的同时工业化石能源消费碳排放量下降。2017—2018年,济南市工业生产总值下降但工业化石能源消费碳排放量增加,使3大行业都出现极不理想的强负脱钩状态。采矿业多呈强负脱钩、弱脱钩、衰退脱钩的欠佳状态,至2020年未能实现经济增长与碳排放脱钩的理想状态。制造业在2011—2015年都处于强脱钩状态,后经历了弱脱钩、衰退脱钩、强负脱钩、扩张负脱钩等不理想状态,但到2020年再次实现了强脱钩。电力、燃气及水的生产和供应业的脱钩状态极不稳定,经历了强脱钩、扩张负脱钩、强负脱钩、弱负脱钩4种状态,最终于2020年达到强脱钩。济南市工业大部分时间处于较为理想的强脱钩与弱脱钩交替状态。2019年莱芜市并入济南市,在提高济南市工业生产总值的同时增加了济南市的工业化石能源消费碳排放量,这可能是导致2018—2019年济南市工业呈扩张负脱钩状态的主要原因。在“双试点城市”有关政策推动下,济南市积极推进工业经济结构向低碳转型,使得工业经济增长与碳排放在2020年达到了比较理想的强脱钩状态。魏营等[20]同样发现,镇江市被确定为国家低碳城市试点后,工业碳排放与经济增长也实现了强脱钩。不过,济南市2020年的强脱钩状态并不稳定,还需进一步发展低碳经济,推进低碳高效能源体系建设,实现稳定脱钩。

表2 济南市工业经济增长与碳排放脱钩状态

2.3 济南市工业碳排放驱动因素分析

表3反映了2011—2020年各驱动因素对工业化石能源消费碳排放量变化的影响。

表3 工业碳排放驱动因素分解

人口规模对济南市工业化石能源消费碳排放量总体呈正向驱动,2011—2020年累计贡献量为1.10×106t。其中,人口规模对采矿业,制造业,电力、燃气及水的生产和供应业分别贡献1.90×103、4.59×105、6.40×105t。韩媛媛等[21]对北京市的工业碳排放驱动因素分析结果同样表明,人口规模具有促进作用。

经济产出是济南市工业化石能源消费碳排放的重要正向驱动因素,2011—2020年累计贡献量为1.89×107t。其中,经济产出对采矿业,制造业,电力、燃气及水的生产和供应业分别贡献3.26×104、7.88×106、1.10×107t。由此可见,济南市仍存在高耗能高碳排的生产方式,低碳改造工作需要进一步推进。

产业结构是济南市工业化石能源消费碳排放的重要负向驱动因素,2011—2020年累计贡献量为-1.03×107t,主要是对电力、燃气及水的生产和供应业负向驱动,贡献量达-1.10×107t。LIN等[22]对上海市的研究同样发现,产业结构对工业碳排放呈负向驱动作用。原因可能是钢铁等污染密集型产业的搬迁降低了济南市与上海市的能源消耗与碳排放[23-24]。因此,产业结构调整对济南市工业碳减排具有积极作用。

能源强度对济南市工业化石能源消费碳排放总体呈正向驱动,2011—2020年累计贡献量为3.63×106t,但对制造业的贡献量为-7.78×106t,而且在有些年份,对采矿业和电力、燃气及水的生产和供应业的贡献也为负。因此,降低能源强度也是实现济南市工业低碳化的重要途径。

能源结构是济南市工业化石能源消费碳排放的正向驱动因素,2011—2020年累计贡献量为5.61×105t。其中,能源结构对采矿业,制造业,电力、燃气及水的生产和供应业分别贡献1.45×103、5.46×105、1.31×104t。然而,2011—2012、2012—2013、2014—2015、2019—2020年,能源结构对济南市工业化石能源消费碳排放的贡献为负。济南市应继续实施一系列能源结构调整措施,以促进工业碳减排。

碳排放因子是济南市工业化石能源消费碳排放的正向驱动因素,2011—2020年累计贡献量为4.88×103t,采矿业,制造业,电力、燃气及水的生产和供应业分别贡献4.59×10、4.83×103、2.82 t。原因可能与济南市的电力结构以煤电为主有关。2011—2012、2012—2013、2015—2016年,碳排放因子对济南市工业化石能源消费碳排放的贡献为负。

3 结论与建议

3.1 结 论

(1) 济南市工业总碳排放量由2011年的29.30 Mt增长到了2020年的43.17 Mt,年均增长率为4.40%。电力、燃气及水的生产和供应业对工业总碳排放量贡献最大,采矿业贡献最小。

(2) 2011—2020年济南市工业经济增长与碳排放整体上大部分时间处于较为理想的强脱钩与弱脱钩交替状态,至2020年基本实现了强脱钩,但不同工业行业碳排放与经济增长的脱钩状态具有差异,2020年制造业,电力、燃气及水的生产和供应业均为强脱钩,而采矿业为衰退脱钩。

(3) 济南市工业碳排放驱动因素分析结果表明,总体上,只有产业结构对碳排放起负向驱动,工业人口规模、经济产出、能源强度、能源结构和碳排放因子都起正向驱动。

3.2 建 议

(1) 为应对以煤电为主的电力结构导致的电力、燃气及水的生产和供应业碳排放高的现状,建议充分利用济南市资源禀赋条件,加强对太阳能、风能等清洁能源的使用,降低煤电在济南市电力结构中的比例,可考虑建设智能电网。此外,建议充分利用黄河沿线的区位优势,合理布局输水管道及水处理站点,降低水运输过程中的碳排放,也将有利于济南市工业碳减排。

(2) 未来应推进传统产业低碳改造。一方面严格限制“双高”产业发展,坚决淘汰低效落后产业,加快东部老工业区“双高”产业搬迁改造,促进水泥行业等的整合提升;另一方面,加快发展战略性新兴产业及高新技术产业,加强创新技术投资,引进节能减碳的生产技术,加大对低碳行业的扶持,促进工业产业结构进一步优化升级。

(3) 针对莱芜市并入后济南市脱钩状态欠佳的情况,未来应结合莱芜区和钢城区的产业基础,延长“双高”行业产业链,以实现工业碳排放与经济发展脱钩的稳定化和常态化。