“双碳”,目标下河北电力行业碳达峰路径的情景分析

王汉新, 王兆云, 张 枫

河北地质大学 管理学院, 河北 石家庄 050031

1.1 国内外文献综述

现阶段我国清洁发电生产的电量无法满足全社会的需要, 仍然是以火力发电为主, 大量的二氧化碳排放加剧了能源节约和生态环保问题。

电力行业的碳排放峰值和碳达峰速度将在一定程度上决定2030 年前全国碳达峰目标能否实现[1]。

1.1.1 碳排放量测算研究现状

在数据选择方面, 部分学者是基于消费端数据展开的碳排放测算, 樊纲等[2], ASS 等[3]在计算碳排放量时所利用的是终端电力消费量的数据。

相反地,Ping W 等[4]和傅京燕等[5]在计算碳排放时利用的是电力生产端的发电量数据。

在方法的选择上, 较多学者选择用碳排放系数法对电力部门的碳排放进行测算, 刘红琴等[6]运用碳排放系数法对云南省的电力消费碳排放系数进行了测算分析; 汪中华和申刘岗[7]在对我国六大区域的电力碳排放量进行计算分析时也采用了碳排放系数法。

不同的数据和方法选择会导致在研究结论上的差异, 且鉴于统计数据获得的限制,国内外学者们更多地是利用能源消费的宏观统计数据展开碳排放的计算。

1.1.2 影响碳排放量关键因素

为提出合理有效的低碳发展建议, 国内外学者深入探讨了影响电力行业碳排放的贡献因素。

Malla[8]从发电量、 电源结构以及发电能源强度3 个方面入手分析了三者对研究对象发电碳排放的影响, 研究结果表明碳排放增加的关键影响因素是发电量。

Noorpoor和Kudahi[9]基于STIRPAT 方法证明电力强度、 发电能耗等均能使伊朗电力工业碳排放量增加。

Yan等[10]研究得到, 发电煤耗率会明显抑制电力行业碳排放的增长。

刘景华[11]采用了STIRPAT 和岭回归相结合的方法分别对发电侧碳排放的关键影响因素进行了筛选, 并在此基础上对研究对象的碳减排的路径提出了相应的建议。

1.2 碳达峰、 碳中和的概念

碳达峰是指在某个时间节点, 某地区或行业的二氧化碳排放达到历史最高值不再增长, 之后持续回落的过程。

碳中和是指通过节能减排、 植树造林等方式来吸收对消企业、 个人或组织在一定时期内产生的温室气体排放量, 以此达到一个“出入相抵” 的平衡状态。

由此可见, 早日实现碳达峰将有助于碳中和的尽快实现。

人们生产经营活动中产生最多的是二氧化碳, 占能源排放量的90%左右, 因此文章的碳排放研究内容为二氧化碳排放。

2.1 非化石能源发电量发展情况

从火电、 水电、 风电和太阳能发电4 种河北省主要发电方式的发电量增幅来看, 河北省火电快速增长的阶段已成为过去, 取而代之的非化石能源发电正处于倍速发展阶段。

从占发电总量的比重情况来看, 火电发电量在2010 年处于完全的主导地位, 占比96.85%。

整体发展趋势为风电、 太阳能发电占比快速增长, 火力发电量虽有增加但占比一直在加快下降, 到2020 年火电发电量占比为79.86%。

2010—2020 年非化石能源发电总量持续增长, 且在近几年增速有所提升, 但是整体占比仍处于较低水平。

可见河北省目前依旧是火电占据着主导地位, 分析原因为由于受资源能源的限制, 电源结构长期以火电为核心所导致, 在未来的一段时间里依旧会是火电为主导, 非化石能源发电存有很大的发展空间。

2.2 清洁能源装机发展情况

发电装机容量是电力生产能力情况的一种体现。目前河北省发电装机容量的增加主要以风电和太阳能发电装机容量的增长为支撑, 在2010—2020 年, 火电装机容量增幅为1 727 万kw, 清洁能源装机容量由551 万kw 增长为4 646 万kw, 其中风电装机容量持续增长, 占比增加了10%左右; 太阳能发电装机容量在6 年间迅速增长, 由0 kw 发展为1 234 万kw, 占比达16.62%。

可见河北省凭借自身风能、 太阳能的资源优势, 近几年在风能、 太阳能发电方面投入较多、 建设发展较快。

2.3 河北省电力消费情况

由图1 可以看出, 河北省2010—2020 年的电力消费需求呈现波动式变化, 但整体而言, 电力消费需求是呈现上升趋势, 增幅为1 242 亿kwh。

用电量增速在近两年出现下降, 已回落到较低水平。

图1 河北省2010—2020 年全社会用电量构成及增速变化情况Fig.1 Changes in the composition and growth rate of the total electricity consumption in Hebei Province from 2010 to 2020

从全社会用电构成情况来看, 2010—2020 年河北省第二产业用电量占全社会用电量比重在65%～80%之间, 是最大的用电需求群体。

河北的高碳产业主要集中在第二产业, 其中工业是碳排放主体, 2020 年工业用电量占第二产业用电量的98.21%。

2010 年河北省第二产业用电量占全社会用电量比重为76.63%,截至2020 年, 第二产业用电量占比减少了9.31%。随着高碳工业用电量占比的逐步减小, 这在一定程度上表明河北省的电力消费结构正在不断优化。

3.1 电力碳排放核算基础

电力消费产生的是碳排放是间接的, 因为二氧化碳的排放产生于电力生产的过程。

水电、 火电、 风电、 太阳能发电共同构成了终端能源消费的电力, 其中, 火力发电会通过化石能源的燃烧消耗产生大量的二氧化碳等污染气体; 水是可再生资源, 所以一般情况下认为水力发电过程中没有碳排放产生; 而风力发电、 太阳能发电主要在生产过程中产生二氧化碳排放。

鉴于此, 对电力行业的碳排放计算从电力生产端入手, 仅考虑火力发电所产生的碳排放, 而水电、 风电、 太阳能发电产生的少量碳排放不在计算范围内。

3.2 电力碳排放计算方法

文章仅考虑河北省火电行业化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量。

通过 《综合能耗计算通则》 和《省级温室气体清单编制指南》 来获取相关数据, 见表1。

根据《IPCC 温室气体清单指南》 给出的计算方法进行计算, 公式如下:

表1 各种能源碳排放参考系数表Table 1 Reference frames of carbon emissions of various energy sources

其中:C燃为各种化石燃料燃烧的碳排放量;FCi为第i种化石能源的消费量;NCVi为第i种化石燃料的低位发热量;EFi为第i种化石燃料的二氧化碳排放因子;CCi为第i种化石燃料的单位热值含碳量;OFi为第i种化石燃料的碳氧化率。

3.3 河北省电力行业碳排放趋势分析

从碳排放量来看, 河北省2010—2020 年的碳排放量整体是呈“M” 型波动变化, 两个波峰分别在2011 年和2018 年, 之后又回落, 整体增幅为1 871.95 万吨CO2, 其中最大增幅出现在2017—2018年期间; 最大减幅出现在2013—2014 年期间, 年均增量为187.20 万吨CO2/年, 见图2。

根据火力发电碳排放系数和总发电碳排放系数的计算公式[6], 得到了河北省2010—2020 年的碳排放系数数据。

从碳排放系数来看, 河北省两种碳排放系数的趋势基本是一致的, 下降趋势明显, 见图2。

整体而言, 火力发电碳排放系数的下降反映出河北省火力发电的碳生产排放水平在降低优化; 由于清洁能源发电量的倍速增长, 河北省总发电碳排放系数下降幅度较大, 从2010 年到2020 年下降了1.20 万吨CO2/亿千瓦时, 可见河北省大力发展清洁能源发电对总发电碳排放系数产生了明显的积极影响, 发电结构得以逐步优化改善。

具体计算公式如下:

图2 2010—2020 年河北省电力行业碳排放量及碳排放系数Fig.2 Carbon emission and carbon emission coefficient of the electric power industry in Hebei Province from 2010 to 2020

4.1 河北省电力行业碳排放影响因素分析

首先, 从河北省的发电量构成来看, 目前河北省依旧是火力发电为主导, 而火力发电伴随着大量的化石燃烧, 相应的就会产生大量的二氧化碳排放。

通过碳排放计算也可以看出火力发电的变化会对河北省电力行业碳排放产生明显影响且是正向的, 因此, 火力发电量的增减变化能够在一定程度上反映出河北省电力行业的碳排放情况, 用“tpg” 表示。

其次, 从河北省电力投资情况分析, 近些年河北省在凭借自身条件优势的基础上, 对风电装机和太阳能发电装机投资较大, 随着非化石能源发电装机容量的增加, 清洁能源发电量也在倍速增长, 尽管风电、太阳能发电在生产过程中会有小部分碳排放产生, 但通过其来替代部分通过大量消耗化石能源的火力发电可以使碳排放量大大减少。

因此, 清洁能源发电装机容量情况能在河北省电力行业碳减排方面产生积极影响, 用清洁能源发电装机容量在发电装机总容量中所占的比重来表征, 用“cegic” 表示。

最后, 前文分析提到从河北省用电情况来看, 第二产业是最大用电主体, 也是最大的能源消费部门,其包含的工业部门大多为高碳密集型行业, 会消耗大量的化石能源。

因此, 其能在一定程度上对碳排放变化做出解释, 与碳排放量之间存在影响关系。

通过第二产业单位产值电耗来体现其对电力消耗的效率, 产值电耗是指每一单位产值所消耗使用的电量, 每单位产值所消耗的电量越多, 则单位产值带来的碳排放就越多, 用“opc” 表示产值电耗。

4.2 影响因素及影响程度的确定

构建以Ce为被解释变量,tpg、cegic、opc为解释变量的双对数多因素回归模型, 其中α1、 α2、 α3为各指标的弹性系数,α4为常数项。

出于对多重共线性问题处理的考虑, 在此模型的基础上引入岭回归方法来进行改进并分析, 模型公式如下:

通过表2 岭回归模型结果可得以上3 个因素均通过了显著性检验, 关系方程为ln (Ce) = 2.769+0.866 ln (tpg) -0.186ln (cegic) +0.236ln (opc)。从影响程度来看, 火力发电量每增加1%, 河北省电力行业的二氧化碳排放量将增加0.866%, 符合前文的分析预测, 火力发电会产生大量的二氧化碳排放,可见发电结构对电力行业碳排放减少起到了至关重要的作用, 优化电源结构, 减少使用化石燃料, 降低火力发电量是河北省电力行业碳排放减少的途径之一。其次, 从电力投资方面来看, 清洁能源发电装机的投入增加会对河北省电力行业碳减排产生积极作用, 随着近几年河北省大力发展风电、 太阳能发电, 加大投资规模, 河北省电力行业的碳排放也会随之而逐渐减少。

最后, 第二产业产值电耗在一定程度上能反映出河北省高碳工业对用电的需求及对电力能源的消耗效率, 第二产业产值越高相对所产生的用电需求也会越大, 进而随着第二产业单位产值所消耗的电量越多,相应产生的碳排放也越多。

表2 岭回归分析结果Table 2 Results of the ridge regression analysis

4.3 情景模型的设定

根据河北省“十四五” 规划《纲要》 中绿色发展的相关要求, 结合电力行业的发展前景对未来河北省电力行业的发展设定3 种情景: 基准情景、 低碳情景和零碳情景。

基准情景指河北省电力行业将继续执行过往十年的发展准则, 完全不考虑碳达峰、 碳中和的目标。

低碳情景指河北省电力行业努力探求碳达峰、 碳中和目标的实现。

零碳情景是对于低碳情景控制二氧化碳排放力度的一种加强, 会切实考虑目标的实现, 并努力完成甚至提前完成目标任务。

具体情景参数设定见表3。

表3 情景参数Table 3 Scenario Parameters

4.4 河北省电力行业碳排放预测结果分析

根据前文的岭回归结果以及设定的情景参数, 对河北省电力行业2021—2035 年的二氧化碳排放量进行了预测[12], 结果显示: 基准情景下河北省电力行业2035 年碳排放量预测值为19 954.64 万吨二氧化碳, 未实现碳达峰; 在低碳背景下, 河北省电力行业于2030 年实现碳达峰, 且比基准情景同期二氧化碳排放量减少了2 481.48 万吨; 而处于零碳情景时, 河北省电力行业在2025 年便可实现碳达峰。

由图3 可以明显看出, 在基准情景下, 河北省电力行业二氧化碳排放量持续走高, 且在2035 年仍然没有出现回落趋势, 即未实现碳达峰, 这与国家2030年实现碳达峰的目标政策是相背离的。

在低碳情景下, 二氧化碳排放量在2021—2025 年增长较快, 在2026—2030 年增速放缓后开始回落并趋于平稳状态。从零碳情景来看, 前期碳排放量增长缓慢且在2025年之后出现明显且持续的走低趋势。

由此可见, 要想实现国家2030 年碳达峰目标, 河北省电力行业需要从严格控制火力发电量, 加快加大清洁能源发展使用, 切实推进产业结构绿色转型优化, 在此基础上才能顺利完成2060 年碳中和的目标规划。

图3 三种情景下河北省电力行业CO2 排放预测Fig.3 The CO2 emission forecast of the electric power industry in Hebei Province under the three scenarios

根据预测结果分析, 降低火力发电比例、 产值电耗和增加清洁能源发电比例有助于加快二氧化碳排放量达到峰值的时间, 为碳中和工作的开展争取时间, 结合文章数值模拟结果和国家碳排放工作指导文件现对河北省电力行业2021—2035 年各阶段的发展路径提出如下规划建议以促进实现2030 年碳达峰的目标。

按照低碳情景模型的设定情况, 在第一阶段(2021—2025 年) 的火力发电量增长应当控制在3%左右; 要按政策要求走, 在2025 年实现清洁能源装机占比达到55%, 第二产业的产值电耗在2021—2025年间要下降至0.17 左右。

第二阶段(2025—2030 年)时的火力发电量增长幅度应当有所减小, 增幅在2.5%左右, 到2030 年实现清洁能源装机占比为70%左右, 在政策加持和技术进步的促进下, 降低速度要有所加快, 到2030 年产值电耗至少要维持在0.15 左右。

到第三阶段(2031—2035 年) 时, 火力发电量的增长要降到1.5%左右, 2035 年清洁能源装机占比要达到80%, 产值电耗继续降低到2035 年稳定在0.12 左右。

如果要实现在2030 年碳达峰, 则需向零碳情景的设定努力, 这就意味着对火力发电量的控制要更为严格, 且增长速度要随时间增长明显放缓; 到2035年清洁能源装机占比达到接近国家电力行业规划90%的目标, 这也会促进更早实现碳达峰; 除此之外, 在2035 年第二产业产值电耗能够降低到0.10 以下, 则有望在2025 年前后实现碳达峰。

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