中國工業能源碳排放面板數據估算的實證分析
一、引言
在全球低碳博弈與低碳競爭的國際背景下，中國政府于2009年公布了自主碳排放減緩行動目標，即到2020年中國單位GDP的碳排放比2005年下降40%～45%;“十二五”規劃進一步明確提出了單位GDP能耗降低16%和單位GDP碳排放降低17%的目標。中國工業生產具有明顯的高能耗高排放低效率的粗放式特征，工業是中國能源消耗和人為碳排放的主要領域，占GDP40%的工業消耗了全國68%的能源，產生了全國83%的碳排放(陳詩一，2010)。從長期來看，基于能源消耗與要素投入驅動的粗放式增長是不可持續的，中國必須加快經濟發展方式轉變，著力通過節能減排來推動工業低碳發展轉型。
研究工業節能減排與低碳轉型，首先必須考察工業能源消費與碳排放的歷史變遷與現狀。中國工業能源消費數據可從官方公開發布的統計數據中獲取，但官方統計機構尚未發布工業碳排放數據，國際主要溫室氣體排放數據開發機構也沒有提供中國省區與行業碳排放數據①，需要研究者選擇合適的方法自行估算。同時，由于中國不同地區、不同工業行業的經濟增長模式與經濟發展水平差異較大，工業節能減排必須考慮不同地區、不同行業的碳排放現狀及差異。因此，科學估算中國工業能源碳排放的地區、行業面板數據是進行低碳經濟研究與決策的一項基礎性工作。
碳排放估算方法主要有三種：實測法、模型法和衡算法。實測法以科學采樣和連續監測為基礎，但存在監測成本高、可靠性差等問題，難以推廣使用。模型法利用系統模型或綜合評價模型對碳排放進行估算和預測，比如《斯特恩報告》中的PAGE模型(Stern，2007);模型設定及模型中參數選擇的不確定性會影響估算結果，主要用于碳排放預測及碳減排政策評估(王燦等，2005)。衡算法基于碳質量守恒定律②。相對于和等溫室氣體排放而言，排放因子主要取決于燃料碳含量，而對燃燒技術與燃燒條件的敏感性較低，基于燃料消費量和燃料碳含量，可對能源碳排放進行較為精確的估算。因此，衡算法在碳排放數據估算中應用廣泛。
IPCC關于溫室氣體排放清單的編制也是基于衡算法，《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》(IPCC，1995，1996，2006)以及《IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》(IPCC，2000)為各國溫室氣體排放核算提供了參考依據，并在實證研究中得到了廣泛應用。現有文獻關于中國宏觀層面的碳排放估算較多(Wang et al.，2005;Wu et al.，2006;杜立民，2010;宋德勇等，2009)，但針對中國工業能源碳排放的估算較少且估算結果較為粗略，從分行業、分地區的視角對工業能源碳排放進行全面核算的更少(Liu et al.，2007;王強 等，2011)。為彌補相關研究對中國工業能源碳排放估算過于粗略的不足，本文利用IPCC(2006)所介紹的碳排放核算方法，對1998—2010年期間中國不同部門能源碳排放、不同地區工業能源碳排放及工業細分行業能源碳排放進行全面、系統核算，構建一個較為翔實的面板數據集，以期能為相關理論研究與政策決策提供數據參考。
二、工業能源碳排放核算方法
1.碳源界定
碳源是相對于碳匯而言的專門術語，是指從地球表面進入大氣或者大氣中其他物質轉化為的活動，包括自然源和人為源，其中人為碳源被認為是大氣中濃度增加的主要原因。根據 IPCC(2006)對溫室氣體排放源的五類劃分，碳排放源可相應的分為能源活動、工業生產過程與產品使用、農業林業和其他土地利用、廢棄物及其他五類。在上述五類碳排放源中，與工業生產直接相關的是能源活動和工業生產過程與產品使用，其中，能源活動包括能源生產、能源加工與轉換、能源消費及生物質燃燒，工業生產過程與產品使用是指工業生產過程中非能源燃燒③。由于工業生產過程排放對行業生產工藝與生產條件敏感性較強，不同行業差異較大，本文中工業碳排放僅限于化石能源燃燒產生的碳排放，不包含工業生產過程碳排放及非燃料用途的能源碳排放，用于原料、還原劑或非能源用途(如潤滑劑、固體石蠟、溶劑)的碳流量應從中排除。由于生物質燃燒主要存在于農村居民消費，工業生產中極少使用，故不納入工業能源碳排放核算范圍。工業能源碳排放源分類如表1所示。
2.核算方法
IPCC(2006)提供了基于衡算法估算化石能源碳排放的部門方法④(Sectorial Approach)和參考方法(Reference Approach)⑤。本文采用部門法對工業能源碳排放進行估算，具體計算公式為：
式中，E代表能源消耗的實物量，i代表能源種類，NCV為能源的平均低位發熱量(IPCC稱為凈發熱值)，CEF為單位熱值當量的碳排放因子，COF是碳氧化因子(化石燃料中只有很小一部分碳在燃燒過程中不會被氧化，99%～100%的碳都被氧化了，故缺省值設為1)，44和12分別為和C的分子量。
對于國別碳排放的估算存在消費者原則、生產者原則及混合責任原則的爭議(Lenzen et al.，2007; Andrew and Forgie，2008)。本文僅針對工業層面的碳排放進行估算，根據面板數據估算對象的特征，一次能源碳排放核算全部采取終端能源消費原則，電力(熱力)碳排放根據核算層次的不同，按終端消費原則或實際生產原則進行核算。具體地說，在核算工業碳排放總量時，電力(熱力)生產導致的碳排放按終端消費比例分配到相應產業;在核算省級工業能源碳排放時，火電(熱力)生產中釋放的碳排放按終端消費原則進行省際分攤，以體現省際碳排放的公平性;在核算工業細分行業碳排放時，按實際生產者原則將火電(熱力)碳排放全部計入火電(熱力)生產部門，不向其他部門分攤，以體現行業真實碳排放責任。
3.參數設定
依據(1)式估算工業能源排放量時，需要利用工業各類能源的消耗量，并需要對各類能源的平均低位發熱量、碳氧化因子和碳排放因子等參數值進行設定，相關參數設定如表2所示。各化石燃料的平均低位發熱量取自《中國能源統計年鑒》附錄4，其中，型煤、其他石油制品和其他焦化產品的凈發熱值取自IPCC(2006)第二卷第一章中的表1.2。
由于研究的時間范圍僅限于1998—2010年，在這一較短的時期內，假定各類化石能源的碳排放因子變化微小以至可以忽略，而火力發電及供熱的燃料構成及技術條件隨時間有較大變化，不同年度的電力與熱力排放因子需要具體測算。本文先根據火電(供熱)部門在發電(供熱)中的各類燃料消耗量及其碳排放系數來計算火電(供熱)排放量，然后除以當年全部電力及熱力供應量可得
到平均電力(熱力)排放因子，結果如表3所示。
三、基于部門比較的工業能源碳排放估算
為便于考察中國工業能源碳排放的變遷，先核算工業總體能源排放水平，并將其與其他部門排放水平比較，以突出其地位的重要性。《中國能源統計年鑒》中的《中國能源平衡表》將能源終端消費分成七個部門進行報告，這七個部門分別為農林牧漁水利業、工業、建筑業、交通運輸倉儲及郵電通訊業、批發和零售貿易餐飲業、生活消費及其他。利用表中所提供的各部門全部19種終端能源消費⑥的實物量(去除原料用途的能源消費)來估算部門排放量，遵循完全終端能源消費原則，先計算一次能源終端消費碳排放，電力(熱力)生產導致的碳排放按其終端消費比例分配到相應終端消費部門，電力輸配損失所含碳排放忽略不計。再將本文估算的中國排放總量分別與國際能源署(IEA，2011)、美國橡樹嶺國家實驗室信息分析中心(CDIAC，2011)估算的中國排放數據進行比較(見圖1)，本文估算結果大體上位于IEA與 CDIAC的估算結果之間。由于CDIAC估算結果包含了水泥排放量，而本文及IEA的估算結果均不含水泥排放，因而，CDIAC估算數據要高于本文及IEA的估算數據;本文估算結果與IEA估算結果非常接近(兩者差異程度小于5%)，說明本文的估算方法與估算結果較為可靠。
圖1描述了中國能源排放隨時間遞增的變化趨勢，反映的是中國排放總量的變化趨勢，不能顯示工業能源排放在其中所占的份額及重要地位。圖2進一步描述了中國能源排放的部門構成，在1998—2010年期間，各部門能源排放份額沒有發生明顯的變化，工業能源排放一直占據了70%左右的份額。
圖1 1998—2010年中國能源碳排放量估算結果及比較
資料來源：根據IEA(2011)、CDIAC(2011)及本文估算數據整理
圖2 1998—2010年中國終端能源消費碳排放的部門構成
圖3進一步描述了中國工業能源排放與全國能源排放隨時間變化的趨勢。從中可以看出，自2001年以來，工業能源排放增長速度明顯加快，2003年后增長速度雖趨于下降，但工業排放的年增長速度基本上均在10%以上，這與此間中國工業經濟重工業化發展的傾向有關。
圖3 1998—2010年中國工業能源碳排放及其年增長率
四、分地區的工業能源碳排放估算
利用《中國能源統計年鑒》中的《地區能源平衡表》提供的地區工業19種細分能源終端消費量(實物量)，對中國內地30個省級行政區(西藏自治區因統計數據缺失嚴重而未納入)的工業能源排放進行估算與比較。由于不同種類的能源碳排放系數存在差異，不同地區的工業能源消費結構也有差異，為減少對一次能源采取煤炭、石油和天然氣的粗略劃分可能引致的估算誤差，本文利用前述(1)式，根據19種細分能源終端消費量(去除原料用途的能源消費)和相應能源的碳排放系數來推算各地工業能源排放量。
根據終端消費者原則，對火電(熱力)生產中釋放的碳排放進行省際分攤，盡管電力消費過程本身不產生碳排放，但對一個特定區域而言，其電力生產地與電力消費地并非完全一致，本文按照工業電力實際使用地原則⑦來合理分攤火電生產過程中釋放的碳排放，這對于一些電力(火電)生產大省和電力輸出大省而言更具公平性。其中，各地熱力與電力碳排放系數需要估算。由于熱力通常由本地供給，熱力碳排放系數根據《地區能源平衡表》中供熱的細分能源投入數量及其碳排放系數直接進行計算;各地工業電力消費可能含有外地成分，由于無法獲得本地工業電耗中外地電力比例及其具體來源地，各地工業終端電力消費產生的碳排放用本地電力碳排放系數與本地工業電力消費量的乘積來計算(本地與外地電力碳排放系數的差異忽略不計)，本地電力碳排放系數等于本地火力發電產生的碳排放除以本地電力生產總量，本地火電碳排放根據《地區能源平衡表》中火力發電的各種細分能源投入來計算。
利用上述方法對中國30個省級行政區1998—2010年的工業排放量進行估算，各省區工業排放變動趨勢如圖4所示。圖中各省區分布次序依照1998年工業排放由高到低排列。可以看出，1998年工業排放最多的是江蘇省(1.62億噸)，最少的是海南省(僅為0.02億噸);2010年工業排放最多的是山東省(6.36億噸)，最少的仍是海南省(0.11億噸);除北京2010年工業排放比1998年略有下降外，其他省區2010年工業排放均比1998年有了較大幅度的增加。從年平均增長率來看，只有北京年均增長率略為負(-0.23%)，特別是自2008年奧運會以來，北京工業排放出現了連續下降趨勢，這可能與近年來北京大量的重工業外遷及嚴格的環境管制有關;其他地區工業排放年平均增長率均為正，其中，年平均增長率超過10%的省區有海南、河北、內蒙古、福建、山東、河南、云南、陜西、寧夏和新疆。
圖4 1998—2010年中國省際工業排放量變動趨勢
為考察不同區域工業排放差異，本文沿用東部、中部和西部三區域劃分法，東部包括北京、天津、河北、遼寧、山東、廣東、海南、福建、上海、浙江、江蘇11省區，中部包括山西、河南、安徽、江西、湖北、湖南、吉林、黑龍江8省區，西部包括重慶、廣西、四川、貴州、云南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、內蒙古11省區(未含西藏)。東部、中部與西部的工業排放占全國的份額分別為51.1%、28.3%、20.6%，顯然，東部是全國工業排放的主要區域。三大區域工業排放變動具有明顯的階段性特征，從圖5中可看出，在1998—2001年期間，三大區域工業排放增長趨勢緩慢，這與東南亞金融危機后的工業產品出口減少與工業增長放緩及當時的工業結構調整有關;到2001年以后，東部、中部與西部的工業排放量均出現了加速增長趨勢，這與中國加入WTO后出口貿易擴張及再次出現的重工業化趨勢有關。
圖5 1998—2010年三大區域工業排放變動趨勢
五、工業細分行業能源碳排放估算
1.工業行業劃分
國民經濟行業分類的首個國家標準是《國民經濟行業分類和代碼》(GB 4754-84)，先后于1994年、2002年和2011年進行了修訂，2002年修訂版改名為《國民經濟行業分類標準》(GB/T 4754-2002)。本文研究的時間范圍為1998—2010年，1998—2002年適用《國民經濟行業分類和代碼》(GB 4754-94)，2003—2010年適用《國民經濟行業分類標準》(GB/T 4754-2002)。在這兩個不同版本的分類標準中，均將工業分為3個門類：采礦業、制造業、
電力熱力燃氣及水生產和供應業;但有關大類、中類和小類的劃分有變動⑧，CB/T 4754-94有37個兩位數工業行業，GB/T 4754-2002有39個兩位數工業行業。為保證統計數據的連續性與可比性，本文選取兩個分類標準共有的36個兩位數工業行業作為樣本對象。
36個兩位數工業行業全稱及本文對其編碼如下：煤炭采選業(H1)、石油和天然氣開采業(H2)、黑色金屬礦采選業(H3)、有色金屬礦采選業(H4)、非金屬礦采選業(H5)、農副食品加工業(H6)、食品制造業(H7)、飲料制造業(H8)、煙草制品業(H9)、紡織業(H10)、紡織服裝鞋帽制造業(H11)、皮革毛皮羽毛(絨)及其制品業(H12)、木材加工及木竹藤棕草制品業(H13)、家具制造業(H14)、造紙及紙制品業(H15)、印刷業和記錄媒介(H16)、文教體育用品制造業(H17)、石油加工煉焦及核燃料加工業(H18)、化學原料及化學制品業(H19)、醫藥制造業(H20)、化學纖維制造業(H21)、橡膠制品業(H22)、塑料制品業(H23)、非金屬礦物制品業(H24)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(H25)、有色金屬冶煉及壓延加工業(H26)、金屬制品業(H27)、通用設備制造業(H28)、專用設備制造業(H29)、交通運輸設備制造業(H30)、電氣機械及器材制造業(H31)、通信設備計算機及其他電子設備制造業(H32)、儀器儀表及文化辦公用機械制造業(H33)、電力熱力生產和供應業(H34)、燃氣生產和供應業(H35)、水生產和供應業(H36)。
2.工業行業碳排放
在核算36個兩位數工業行業排放時，火電及供熱產生的排放按照生產者原則計入電力(熱力)生產行業，不再分攤計入其他工業行業，以明確各行業真實碳排放責任。也就是說，其他工業行業能源排放僅涉及一次能源終端消費產生的排放，而電力(熱力)行業能源排放則包括兩大部分，一部分是該部門一次能源終端消費產生的排放，另一部分是電力(熱力)轉換過程中因化石能源燃燒產生的排放。能源消費數據來自《中國能源統計年鑒》中的《工業分行業終端能源消費量(實物量)表》，為了能充分反映不同工業行業的能源消費結構特征，選取工業分行業19種細分能源終端消費量。由于按終端消費原則估算時電力(熱力)碳排放分攤到其他部門，工業部門只分攤其中的一部分，所以，按生產者原則估算的工業碳排放一般要高于按終端消費原則估算的結果。
在《中國能源統計年鑒》中，無論是《分品種能源平衡表》還是《地方能源平衡表》，均沒有提供各工業行業原料用途的能源消費量，《中國能源平衡表》提供了工業能源消費中原料用途的消費量，大多數細分能源用于原料用途的比例約占5%。因此，在對各工業行業能源碳排放估算中，本文均按5%比例扣減各細分行業原料消費的非燃碳排放。
工業行業排放及其變動趨勢如表4所示。年均排放1億噸以上的行業有電力熱力生產和供應業、石油加工煉焦及核燃料加工業、黑色金屬冶煉及壓延加工業、非金屬礦物制品業、化學原料及化學制品制造業。1998—2002年期間排放年均增長率為負的行業有17個;2003—2010年期間年均增長率為負的行業減至6個;1998—2010年期間絕大多數行業排放年均增長率為正，少數行業排放有下降趨勢，如化學纖維制造業、文教體育用品制造、煙草制品業等。
六、主要結論
鑒于現有文獻對中國工業碳排放估算過于粗略或籠統，本文利用IPCC(2006)介紹的碳排放核算部門方法，基于30個省級行政區和36個兩位數工業行業的工業能源消費數據，對1998—2010年中國工業能源碳排放總量、地區工業能源碳排放量及工業細分行業能源碳排放進行了全面估算，為工業節能減排與低碳轉型研究與決策提供了較為可靠的數據支持。從面板數據估算結果中可得到以下主要結論：
(1)工業是中國能源碳排放的絕對主體，在低碳經濟轉型中占有重要的戰略地位。工業能源碳排放占據全部能源碳排放的70%左右，自中國新一輪重工業化趨勢以來，工業碳排放基本保持了10%以上的年增長速度，且繼續呈現增長趨勢。因此，推動中國低碳經濟發展方式轉變，關鍵在于如何促進工業節能減排與工業發展轉型，使工業成為引領中國低碳經濟轉型的典范。
(2)從工業碳排放的地區分布來看，除北京市外，其他省區工業碳排放年均增長率均為正;東部、中部與西部工業碳排放自2001年以來均出現了加速增長趨勢，三大區域的工業碳排放份額分別為51%、28%、21%。我國工業碳排放主要集中分布在東部沿海地區，尤其是環渤海地區，因此工業節能減排應考慮地區差異及區域比較優勢，需要因地制宜地引導低碳工業發展。東部沿海地區工業經濟基礎較好，應該發揮節能減排與低碳轉型的示范帶頭作用。國家發展改革委員會于2010年在廣東、遼寧、湖北、陜西、云南5省和天津、重慶、深圳、廈門、杭州、南昌、貴陽、保定8市推行低碳試點工作，這些試點省市在地理位置、資源稟賦、經濟發展水平等方面存在較大差異，有很強的樣本代表意義，可以為探索不同類型的地區工業節能減排和低碳發展的體制機制提供有益經驗。
(3)從工業碳排放的行業差異來看，除少數行業碳排放呈下降趨勢，絕大多數行業碳排放呈增長趨勢。能源開采與加工、金屬冶煉、設備制造及化工制品等行業是中國工業高排放部門，這些部門對中國工業節能減排有至關重要的影響。因此，應該加大高能耗高排放部門的技術引進與技術改造，加強節能減排技術的推廣與商業化應用，提高行業能源利用效率。同時，應大力發展低碳戰略新興產業和高技術產業，尤其是新能源與環保產業，實現技術減排與結構減排的協同效應，在全球低碳競爭中推動工業結構優化升級與發展方式轉變。
注釋：
①國際溫室氣體排放數據開發機構提供各國碳排放清單，但僅限于國家層面的宏觀數據，不涉及特定國家具體部門和地區的碳排放清單，這些機構主要有美國能源信息署(EIA)、美國橡樹嶺國家實驗室信息分析中心(CDIAC)、世界資源研究所(WRI)和國際能源署(IEA)。
②工業生產投入內含的碳(主要來自化石能源)在其燃燒過程中會產生，假設化石燃料中的碳等于其所有衍生產物中的總含碳量，那么，根據化石能源投入量、含碳量及其氧化率就可以計算出排放量。
③比如水泥與石灰生產過程中的石灰石煅燒分解釋放的等。
④部門方法有三種，從方法1到方法3對數據精度要求越來越高。
⑤參考方法是一種自上而下的估算方法，不考慮化石燃料的中間轉換，只考慮各種類型燃料使用而不區分各類燃
料在不同部門的消耗情況，相對自下而上的部門方法，更易于獲取相關數據，計算方便簡捷，是IPCC所推薦的缺省方法。
⑥19種細分能源包括原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣、煉廠干氣、焦爐煤氣、其他煤氣、天然氣、其他石油制品、其他焦化制品、電力和熱力。
⑦國際地方環境行動委員會于2009年發布的《國際地方政府溫室氣體排放分析議定書》(International Local Government GHG Emissions Analysis Protocol)，對地方政府(城市)電力與熱力生產中的碳排放也要求按終端消費原則分攤，該協會是一個致力于地方性、地區性和全球性環境問題的地方政府協會，共有1104個地方政府(城市)會員。
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