碳排放与经济及可再生能源电力发展的相互关系研究_张忠华.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 6 月电力与能源碳排放与经济及可再生能源电力发展的相互关系研究张忠华，胡杰，邵羽函（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021）摘要：在全球共同应对气候变化的大背景下，我国的经济发展及绿色低碳行动均将会对全球碳排放情况产生重大影响。以 19902020 年我国经济、发电电源发展及碳排放量数据为基础，通过散点图分析，论证了我国碳排放量与经济发展的相互关系；通过 Granger 因果检验，论证了我国碳排放量与可再生能源电力发展的关系，并对未来我国碳排放发展提出了合理化建议。关键词：碳排放；经济发展；可再生能源；Granger 因果检验作者简介：张忠华（1980），男，正高级工程师，主要从事能源电力规划和智能化研究及设计工作。中图分类号：X701；F206 文献标志码：A 文章编号：2095-1256（2023）03-0217-04Study on the Interrelation Among Carbon Emission and Economic and Renewable Energy Power DevelopmentZHANG Zhonghua，HU Jie，SHAO Yuhan（Northeast Electric Power Design Institute，China Power Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Changchun 130021，Jilin Province，China）Abstract：In the context of global joint response to climate change，China s economic development and green and low-carbon actions will have a great impact on global carbon emission.Based on the data of Chinese economy，power generation development and carbon emission from 1990 to 2020，the relationship between Chinese carbon emission and economic development was demonstrated through scatter plot analysis.Through Granger causality test，the relationship between Chinese carbon emission and renewable energy power development was also discussed，and reasonable suggestions were proposed for the future development of carbon emission in China.Key words：carbon emission，economic development，renewable energy，Granger causality test以二氧化碳为主的温室气体排放量的增加，现已引发一系列环境问题，如全球极端天气频发、海平面上升等，并对全球经济及物种生存产生明显的负面效应。目前，全球应对气候变化行动已达成共识。我国作为世界第二大经济体及碳排放量最大的国家，在第 75届联合国大会上承诺，“二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。由对 19902020年我国经济、发电电源发展及碳排放量相关数据的分析得到，我国经济总量增长较快，并于 2010 年成为世界第二大经济体，但人均国内生产总值（GDP）水平与发达国家相比偏低，工业化进程尚处于工业化后期阶段。随着可再生能源开发力度的加大，我国可再生能源装机容量及发电量占比均有明显提高，但受资源情况影响，以火电为主体的电源格局仍未发生实质性调整。自 2006 年我国成为碳排放总量最高的国家后，碳排放量始终处于增长态势，尚未实现达峰，但与发达国家相比，我国的人均碳排放量相对偏低。本文利用散点图，选取人均 GDP和人均碳排放量作为参考，试图证明我国经济增长与碳排放量基本符合环境库兹涅茨曲线（EKC）。此外，DOI：10.11973/dlyny202303004217张忠华，等：碳排放与经济及可再生能源电力发展的相互关系研究本文利用 Granger因果关系检验，证明我国碳排放量是可再生能源电力发展的单相 Granger原因。1经济发展分析1.1经济总量2020 年，我国 GDP 突破 100 万亿元1，约比2019年增长 2.3%。在经济发展的同时，我国经济结构也发生了巨大变革，第一产业比重明显降低，第三产业比重超过第二产业成为比重最高的产业。1.2人均 GDP2020 年，我国人均 GDP 约为 7.18 万元1，比2019 年增长 2.0%。2020 年，我国人均 GDP 约为日本人均 GDP 的 26%2，约为美国人均 GDP 的16%2。与发达国家相比，我国人均 GDP 水平仍然偏低。根据 1989 年钱纳里提出的经济发展阶段理论及对应的工业化发展阶段标准3-4，我国尚处于工业化后期阶段。2发电电源发展分析2.1发电电源装机容量分析2020 年，我 国 发 电 电 源 总 装 机 容 量 为220 204 万 kW5，同比增长 9.6%。其中，火电装机容量占比 56.6%，水电、风电、光伏发电装机容量占比 41.1%。随着风电、光伏等可再生能源发电的加速发展，我国电源装机结构已由 1990年仅由水电和火电组成的两元结构调整成 2020 年以火电为主，水、风、光、核等清洁能源发电为补充的多元结构。火电装机容量占比也由 1990 年的73.9%下降至 2020 年的 56.6%，风电和光伏发电则实现从无到有的历史性发展，并成为仅次于水电和火电的装机电源。2.2发电量分析2020年，我国发电量为76 264亿kWh5，同比增长4.1%。其中，火电发电量占比约为67.9%，水电、风电、光伏发电量占比约为27.3%。火电发电量占比高的主要原因是火电作为我国现有基础性电源，通常以满足基本负荷需求为主，发电利用小时数较高，而可再生能源特别是风电和光伏受资源情况及电网消纳情况影响，出力波动较大，发电利用小时数也偏低。从整体上来看，近年来我国可再生能源发电量占比不断提高，但以煤电为主的电源格局并未有实质性变化。3碳排放量分析3.1碳排放总量2020年，我国碳排放总量约9 955.51106 t6。19902020年，我国碳排放总量年均增速为5.3%，2020年，在全球受新冠肺炎疫情影响、碳排放整体下降的情况下，我国碳排放量仍有0.8%的增长。据统计，美国和日本分别于2007年和2013年实现碳达峰，而我国尚未实现碳达峰。根据美、日两国政府发布的能源气候战略目标7，两国均计划于2050年实现碳中和，与之相比，我国仅有 30年的时间来完成美、日等发达国家37年以上的碳达峰、碳中和历程，碳减排压力巨大。煤炭是单位能效碳排放最高的能源，受我国“多煤、少油、缺气”的资源禀赋及煤炭价格优势的影响，我国的能源消费体系仍以煤炭为主。从近期化石能源碳排放情况来看，我国的煤炭碳排放量占比也最高（2019 年的占比约为 79.61%）8。该数据进一步表明，我国以煤炭为主要能源消费的用能结构，对全国的碳排放量增长有正向助推作用。19902019 年我国主要化石能源碳排放量占比情况见表 1。3.2人均碳排放量2020年，我国人均碳排放量约为7.06 t6，9。我国人均碳排放量水平略低于日本人均水平，为美国人均水平的 54%。美国和日本人均碳排放量处于波动性下降趋势，而我国人均碳排放量则呈现波动性上升趋势。考虑到我国尚未实现碳达表 119902019 年我国主要化石能源碳排放量占比%能源类型煤炭石油天然气1990 年85.7313.310.962000 年81.6817.141.162010 年83.9512.892.872015 年82.0913.783.822016 年81.4114.104.152017 年80.7114.224.722018 年80.1314.165.382019 年79.6114.355.77218张忠华，等：碳排放与经济及可再生能源电力发展的相互关系研究峰，随着我国碳排放量的进一步增加，在人口增长缓慢的情况下，兼顾日本碳达峰后碳排放量降低及人口负增长等多重因素叠加影响，近期我国人均碳排放量或将超过日本。19902020 年我国人均碳排放量情况见表 2。4碳排放量与经济增长的相互关系分析1991年，文献 10 通过对二氧化硫和“烟”两种污染物浓度与经济增长之间关系的研究发现，在国民收入水平较低的情况下，污染物浓度随人均GDP的增长而增加，而在国民收入水平较高的情况下，污染物浓度随人均 GDP的增长而降低。文献 11 在库兹涅茨“倒U字形曲线”假说基础上，首次将环境质量与人均收入之间的关系称为EKC。本文利用散点图对我国人均CO2排放量与人均GDP数据（近似考虑为人均收入）进行分析。我国尚未实现碳达峰，国家经济增长与CO2排放量基本保持了正相关性，且拟合优度（R2）很高，拟合程度较好，我国 CO2排放量与人均 GDP的关系基本符合EKC。19902020年我国人均 CO2排放量与人均GDP的散点图如图 1所示。5碳排放与可再生能源电力发展的关系分析5.1数列稳定性分析实施经济计量和预测的基本前提是样本数据反映的统计特征具有代表性、可延续性，我们称这些统计量（均值、方差、协方差）的取值在未来仍能保持不变的样本时间序列为平稳序列。在经济系统中，一个非平稳的时间序列通常可通过差分变换的方法转换成为平稳序列。在应用协整理论进行分析前，需检验被分析序列变量是否平稳12。本文应用 Eviews软件进行 CO2排放量与可再生能源发电量占比之间的 Granger 因果关系检验，首先采用增广迪基富勒（ADF）检验方法验证数据稳定性，检验结果如表 3 所示。在表 3 中，aCO2代表二氧化碳排放量6，bPRP代表可再生能源发电量占比5。表 3 的 检 验 结 果 表 明，19902020 年 我 国lnaCO2序列不平稳，需进行一阶差分来提高序列的平稳性。本文选取一阶差分后均稳定的 dlnaCO2和dlnbPRP序列进行 Granger因果关系检验。5.2Granger因果关系检验Granger因果关系检验主要用于分析经济变量之间的因果关系，从时间序列的意义上提出了因果关系的计量经济学定义：“欲判断 X是否引起Y，则考察 Y 的当前值在多大程度上可以由 Y 的过去值解释，然后考察加入 X 的滞后值是否能改善解释程度。如果 X的滞后值有助于改善对 Y的解释程度，则认为 X是 Y的 Granger原因。”13我国CO2排放量aCO2与可再生能源发电量占比 bPRP的Granger因果关系检验结果见表 4。表 4的检验结果表明，在滞后阶数（本文为数据滞后年数）分别为 1，2，3时，认为我国 dlnbPRP不是 dlnaCO2的 Granger 原因的假设概率（P 值）分别为 0.008 8，0.291 7，0.651 8，可见除滞后阶数为 1的情况外，P 值均大于 0.05，假设可以被接受；认为我国 dlnaCO2不是 dlnbPRP的 Granger原因的假设概率分别为 0.011 2，0.013 6，0.085 6，可见除滞后阶数为 3 的情况外，P 值均小于 0.05，假设不能被接受。上述分析结果表明，依据 19902020年我国 CO2排放量和可再生能源发电量占比数据，在95%以上的置信水平下，我国碳排放量是可再生能源发电量占比的单向 Granger原因。表 219902020 年我国人均碳排放量项目人均碳排放量/t1990 年1.841995 年2.412000 年2.452005 年4.152010 年5.852015 年6.622020 年7.06图 119902020 年我国人均 CO2排放量与人均 GDP 的散点图219张忠华，等：碳排放与经济及可再生能源电力发展的相互关系研究6结语及建议（1）随着风、光等可再生能源的加速发展，我国电源装机结构已由 1990年的水、火两元结构优化为以火电为主，水、风、光、核等清洁能源为补充的多元结构，受资源禀赋及火电基础性电源特性影响，我国发电量仍以火电为主。（2）通过散点图对我国人均碳排放量与人均GDP数据进行分析，证明了我国经济增长与碳排放量基本保持了正相关性，且拟合优度很高，拟合程度较好。碳排放量与人均 GDP 的关系基本符合 EKC，且在碳达峰前，经济发展将促使全国碳排放量的增加。（3）根据 Granger因果关系分析结果判断，我国碳排放量与可再生能源发电量占比存在长期稳定的均衡关系，并且碳排放量是可再生能源发电量占比的单向 Granger原因，同时也验证了我国低碳发展对提高可再生能源发电量占比的迫切需求。（4）通过对电源发展及碳排放量相互关系的分析发现，我国电源结构仍显单一，以火电特别是煤电为主的电源结构尚未发生本质性变化，与风、光等可再生能源发展相配套的辅助服务有待进一步完善。因此，建议优化调整以火电为主体的电源结构，加快可再生能源发电比重的提高，增强发电清洁化程度，推动以风、光为代表的新型电力系统的建设；提升电力系统调节能力，深度挖掘现有火电机组的调峰潜力，因地制宜发展调峰气电项目，加快抽水蓄能电站建设，推动新型储能项目发展，增强电力系统接纳波动性可再生能源的能力，提高可再生能源配套辅助服务效能。此外，还应增强技术创新能力，充分重视可再生能源电力对非电产业减排的正向促进作用，如积极开展绿电制氢、碳捕集利用与封存（CCUS）技术的研究及试点。参考文献：1国家统计局.年度数据EB/OL.2021-12-31.https：/ GDP（现价美元）EB/OL.2021-12-31.https：/ M.吴奇，译.上海：上海三联书店，1989.4王珊珊.中日工业化进程中碳排放影响因素与趋势的比较研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.5中国电力企业联合会.年度数据 EB/OL.2021-12-31.https：/ Energy Review：CO2 emissions in 2021 EB/OL（2021-12-31）.https：/www.iea.org/reports/global-energy-review-co2-emissions-in-2021-2.7王利宁，苏义脑，陆亚晨，等.实现碳中和目标的路径与对策 J 石油科技论坛，2022，41（1）：63-70.8IEA.Greenhouse Gas Emissions from Energy EB/OL（2021-12-31）.https：/www.iea.org/data-and-statistics/data-product/greenhouse-gas-emissions-from-energy#co2-emissions-from-fuel-combustion-detailed-estimates.9世 界 银 行.各 国 人 口EB/OL（2021-12-31）.：https：/ GROSSMAN G M，KRUEGER A B.Environmental impacts of a North America Free Trade AgreementC.NBER Working Paper，1991，No.3914.11 PANAYOTOU T.Empirical tests and policy analysis of environmental degradation at different stages of economic development J.Pacific and Asian Joural of Energy，1993，4（1）：13-36.12 TAPIO P.Towards a theory of decoupling：Degrees of decoupling in the EU and the case of road traffic in Finland between 1970 and 2001 J.Transport Policy，2005，12（2）：137-151.13 游和远，谭术魁，林宁.基于格兰杰英国关系检验模型的地价与房价关系分析对深圳市的实证研究 J.兰州工业高等专科学校学报，2007，14（1）：56-58.收稿日期：2023-02-10(本文编辑：赵艳粉）表 3我国 CO2排放量与可再生能源发电量占比的 ADF 检验结果变量lnaCO2dlnaCO2lnbPRPdlnbPRPADF 值2.7038.3646.2285.938稳定性不平稳平稳平稳平稳表 4我国aCO2和 bPRP的 Granger 因果关系检验结果原假设dlnbPRP不是 dlnaCO2的 Granger 原因dlnaCO2不是 dlnbPRP的 Granger 原因dlnbPRP不是 dlnaCO2的 Granger 原因dlnaCO2不是 dlnbPRP的 Granger 原因dlnbPRP不是 dlnaCO2的 Granger 原因dlnaCO2不是 dlnbPRP的 Granger 原因滞后阶数112233F统计量7.980 167.404 591.297 475.171 440.552 962.520 18P 值0.008 80.011 20.291 70.013 60.651 80.085 6220