基于溫室氣體口徑的城市碳當量達峰路徑規劃
——以浙江省T市為例

陳宇光

（臺州行政學院經濟學教研室，浙江 臺州 318000）

0 引言

自2020 年9 月我國提出“2030 碳達峰、2060 碳中和”目標愿景以來，國內碳預算方向的研究逐漸興起。碳預算研究通過編制區域碳排放清單，建立排放趨勢數學模型、設計節能降碳未來情景、評估氣候變化政策效度等步驟，為“雙碳”目標提供量化的路徑規劃方案。限于數據可得性因素，現有研究通常僅核算能源活動的二氧化碳排放，而溫室氣體還來源于工業生產過程、廢棄物處理、農業等活動，其核算還需考慮甲烷、氧化亞氮等氣體的碳當量排放，須通過“全球升溫潛勢”參數予以全面折算評估。本文擬以浙江省T 市為例，闡述編制城市溫室氣體清單的方法，并對當地碳當量達峰目標的實現路徑進行規劃評估。

從建模技術路徑看，碳預算研究可分為宏觀路徑和微觀路徑兩種。宏觀路徑多選擇具備統計穩定性的省級以上區域作為研究對象，通過宏觀整體函數模型實現排放系統與其他社會經濟系統的串聯互動，典型方法有對數均值迪氏指數分解模型（Logarithmic Mean Divisia Index，LMDI）的趨勢外推、隨機環境影響計量模型（Stochastic Impacts by Regression on Population，Affluence and Technology，STIRPAT）的情景模擬、環境庫茲涅茨曲線假說下的碳達峰實證分析等［1-3］。微觀路徑強調對排放系統進行詳盡分解，多用于研究具體節能降耗政策和技術的減排效果，典型方法包括節能減排分析平臺模型（Low Emissions Analysis Platform，LEAP）、能源供給戰略及環境影響模型（Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impacts，MESSAGEI）、國家能源技術模型等［4-6］。本文綜合考量研究對象、模型特點、數據可得性等因素，選取微觀路徑中的LEAP 模型進行建模。

LEAP 模型是由瑞士斯德哥爾摩環境研究所開發的一款用于評估能源供需、大氣污染物減排量、減排社會成本的模型。自20 世紀90 年代以來，眾多國家采用該模型向國際社會報告其應對氣候變化工作。LEAP 模型的基本假設是假定所研究區域內，各部門未來的大氣污染物排放量與其活動水平及排放強度掛鉤，且后兩者根據歷史趨勢、政策導向、技術變動等外生變量可以進行綜合評估。在該假設下，LEAP 模型允許研究者根據特定研究目的，自行設計調用“關鍵假設、終端需求、能源轉換、非能源活動碳當量”等模塊，通過“關鍵假設”下的外生變量驅動活動水平、能源強度、排放系數等變量變動，構建污染物排放情景路徑。該模型的一個顯著優點是能夠靈活地將甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物等非碳溫室氣體以及農業、林業、廢棄物處理等排放領域納入模型，其具體的研究步驟是：先核算區域基準年排放，然后在各個模塊中設置所有參數在不同未來情景下的變動趨勢，最后通過情景差異分析實現區域碳預算路徑規劃。

1 基于溫室氣體口徑的城市基準年碳當量核算

根據活動水平數據的統計口徑，本文將2021 年作為基準年，空間范圍僅限T 市行政區域；核算口徑為當地直接排放，不考慮電力調入調出；核算領域囊括能源活動、工業生產過程、農業活動、土地利用變化和林業、廢棄物處理5 大領域；溫室氣體種類根據當地排放情況，考慮二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物4 種。核算中所使用的公式、排放系數、全球升溫潛勢參數參考《浙江省溫室氣體清單編制指南：2018年修訂版》《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2020）和《中國能源統計年鑒2022》附錄4 等資料［7-9］。

1.1 能源活動

1.1.1 化石燃料燃燒活動

工業行業化石燃料燃燒的活動水平原始數據采用當地統計年鑒中規上工業分行業主要能源消費量。將工業行業歸并為公用電力熱力、石油天然氣開采與加工、固體燃料和其他能源工業、鋼鐵、有色、化工、建材、紡織、造紙、其他工業、非能源利用11 個部門。其中，前4 個部門內均為規上企業；其余7 個部門內均存在規下企業，其各種能源的消費量須統一換算為整個部門的能源消費量，計算公式如下：

其中：i代表排放部門，j代表該部門所消費的各種能源；Eij、E規上,ij分別代表2021 年i部門、i部門規上企業所消費的能源j的實物量；VA全市、VA規上分別代表2021 年全市工業增加值、全市規上工業增加值。此外，建筑業、服務業、居民生活、農林牧漁、交通運輸5 個部門的能源消費活動水平數據分別根據全市房屋建筑施工面積、服務業增加值、常住人口數、農林牧漁業增加值、交通運輸業增加值占全省的比例，從《中國能源統計年鑒2022》“浙江能源平衡表”中換算。

在獲取各部門分能源品種的消費數據后，其碳當量核算采取能源消費量乘以對應的排放系數、全球升溫潛勢參數后逐層累加后得到，計算公式如下：

其中：Emission化石代表化石燃料燃燒所產生的溫室氣體碳當量；k代表能源消費所產生的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮氣體；EFi,j,k代表i部門在消費能源j過程中排放溫室氣體k對應的排放系數；GWPk代表k種氣體的全球升溫潛勢參數。

1.1.2 其他能源活動

生物質燃料燃燒所產生的二氧化碳與生物質生長過程中光合作用所吸收的二氧化碳基本抵銷，通常只需報告秸稈、薪柴燃燒所產生的甲烷、氧化亞氮排放。秸稈、薪柴活動水平數據來自當地農業農村局調研。油氣系統逃逸僅存在于天然氣消費環節，活動水平數據為工業、交通運輸業、服務業、居民生活天然氣消費量之和。上述其他能源活動的碳當量均由活動水平、排放系數、全球升溫潛勢參數三者相乘得到。

1.2 工業生產過程

經部門走訪和企業調研，T 市沒有水泥熟料生產過程、石灰石煅燒過程、高爐煉鋼過程，也沒有從事電石、硝酸、己二酸生產和原鋁熔煉的企業；鎂合金加工、電力設備生產過程不涉及溫室氣體的使用。一氯二氟甲烷（HCFC-22）生產企業在生產過程中會產生三氟甲烷（HFC-23）副產品，通過對生產企業的調研，該企業配套建設了自愿減排焚燒分解項目，相關三氟甲烷副產品沒有排放到大氣中。

電爐煉鋼企業涉及熔劑石灰石的消耗過程排放、生鐵的降碳排放、電極消耗排放，相關二氧化碳排放計算公式如下：

其中：Emission電爐鋼代表電爐煉鋼過程的二氧化碳排放量；ADl是電爐鋼企業消耗的石灰石數量；EFl是對應的排放系數；ADr、ADs分別代表生鐵以及對應的鋼材產量；Fr、Fs是相應的平均含碳量；Pe是電爐鋼產量；EFe是所消耗電極的排放系數。

半導體和氫氟烴生產企業涉及氫氟碳化物的泄漏排放，其碳當量計算公式如下：

其中：EmissionHFC代表半導體和氫氟烴生產過程中氫氟碳化物泄漏對應的碳當量；n代表半導體生產過程或氫氟烴生產過程；ADHFC,n、EFHFC,n、GWPHFC,n分別代表氫氟碳化物的使用量或生產量、對應的排放系數及全球升溫潛勢參數。

1.3 農業活動

1.3.1 稻田甲烷排放

稻田甲烷的排放來自雙季稻、單季稻種植過程，其碳當量由稻谷種植面積與排放系數、甲烷全球升溫潛勢參數相乘得到，其中稻谷種植面積數據來自當地統計年鑒。

1.3.2 農用地氧化亞氮排放

農用地氧化亞氮排放包括直接排放和間接排放兩部分。直接排放是由農用地當季氮輸入引起的排放，包括化肥氮、糞肥氮、秸稈還田氮3 部分；間接排放包括大氣氮沉降、氮淋溶徑流引起的氧化亞氮排放，兩者的計算公式分別如下：

其中：Emission直接、Emission間接分別代表農用地氧化亞氮直接排放碳當量、間接排放碳當量；N化肥、N糞肥、N秸稈分別代表化肥氮、糞肥氮、秸稈還田氮，其計算所需的農用化肥施用量、畜禽年末存欄量、鄉村人口數量、主要農作物年產量等數據來自當地統計年鑒；N沉降、N淋溶分別代表大氣沉降氮、淋溶徑流氮，其計算是基于化肥氮、糞肥氮、秸稈還田氮的運算結果；EF直接、EF沉降、EF淋溶分別代表相應的排放系數；GWPN2O為氧化亞氮全球升溫潛勢參數。

1.3.3 動物腸道發酵和糞便管理的甲烷排放

動物腸道發酵、糞便管理的甲烷排放碳當量由畜禽年末存欄量、對應的排放系數、甲烷全球升溫潛勢參數三者相乘得到，畜禽年末存欄量數據來自當地統計年鑒。

1.4 廢棄物處理

1.4.1 污水處理

對生活污水、工業廢水處理過程中的甲烷碳當量展開核算，每種廢水在計算過程中均考慮在污水處理廠處理過程中產生的甲烷和排入環境后產生的甲烷兩部分排放，估算公式如下：

其中：Emission污水代表污水處理和排放產生的甲烷對應的碳當量；m代表生活污水、工業廢水兩個類別的污水；TOW處,m、TOW入,m分別代表m類污水經污水處理廠處理去除的有機物總量、排入環境的有機物總量，其數據來源于當地統計年鑒；EF處,m、EF入,m分別為相應的甲烷排放因子；GWPCH4為甲烷全球升溫潛勢參數。此外，核算生活污水處理產生的氧化亞氮碳當量公式如下：

其中：Emission生活代表生活污水處理所產生的氧化亞氮對應的碳當量；P為城鎮常住人口數，其數據根據當地統計年鑒中常住人口和城鎮化率計算；Pr是人均蛋白質消耗量；FNPR代表蛋白質中的氮含量；FNON-CON指廢水中的非消耗蛋白質比例系數；FIND-COM指廢水中工業和商業來源的蛋白質比例系數；EFE指廢水的氧化亞氮排放系數。

1.4.2 廢棄物焚燒處理

T 市于2021 年實現了生活垃圾“零填埋”目標，故不再核算垃圾填埋產生的甲烷排放，只核算廢棄物焚燒產生的碳當量，廢棄物焚燒的二氧化碳排放量估算公式如下：

其中：Emission廢棄物代表廢棄物焚燒所產生的二氧化碳排放量；t代表城市垃圾、危險廢棄物兩種廢棄物；IWt代表t種廢棄物的焚燒量，數據來自當地統計年鑒和《T 市固體廢物污染環境防治信息公告》；CCWt指t種廢棄物的碳含量比例；FCFt指t種廢棄物中礦物碳在碳總量中的比例；EFt指t種廢棄物在焚燒爐中的碳氧化率。此外，城市垃圾焚燒的甲烷、氧化亞氮碳當量均由焚燒量與對應排放系數、全球升溫潛勢參數相乘得到。

1.5 土地利用變化和林業的碳核算

“土地利用變化和林業”領域主要衡量當地森林系統的碳吸收匯數量，其內容包括森林碳貯量變化和森林轉化溫室氣體排放。前者核算喬木林、散四疏、竹林、經濟林、灌木生長的碳吸收匯以及森林采伐引起的碳排放；后者核算森林生物質燃燒以及后續緩慢分解對應的碳當量排放。本文根據林業部門提供的資料以及2015—2020 年土地利用變化和林業相關報告，采用趨勢外推法得到2021 年的相關數據（見表1）。

表1 T 市2021 年溫室氣體口徑碳當量核算結果（萬t-CO2e）

1.6 基準年碳當量核算結果

匯總五大領域核算結果，得到基準年全市碳當量凈排放估算結果為4 472.46 萬t。由表1 的結果可知：從氣體種類看，二氧化碳氣體占比最大，達到96.68%，甲烷、氮氧化物、氫氟碳化物分別占1.31%、1.99%、0.01%；從排放領域看，能源活動排放占全市凈排放的102.18%，其中貢獻最大的是能源生產與加工轉換部門中的電力與熱力部門，其排放占全市凈排放的86.69%；土地利用變化和林業的碳吸收匯占全市凈排放的-6.83%；而廢棄物處理、農業活動、工業生產過程分別貢獻2.63%、2.01%、0.02%的碳當量。

2 城市能源和碳當量LEAP模型的構建

2.1 模型情景設置

在完成基準年數據核算后，LEAP 模型的框架結構、數據驅動因素、能源和氣體種類等基本要素均已確定，后續須設置基準情景和政策情景。其中，基準情景的設置通常根據已有的能耗趨勢，結合后續規劃中的重大項目建設進度合理外推。本文基準情景的設置依據主要有：2015—2021 年規上工業分行業主要能源消費量、浙江能源平衡表、全市常住人口、重大建設項目“十四五”規劃文件等?；鶞是榫爸休^為重要的預判包括：預計全市常住人口將于2025 年達峰；預計當地新建的兩期核電項目將分別于2025 年、2032年并網發電；預計當地將于2027 年、2029 年分別擴建完成1 臺、2 臺百萬千瓦級的超臨界燃煤機組。

根據基準年的能耗和碳當量分布可知，能源活動是區域重點排放領域。本文據此設置“能耗強度”“能源替代”兩個政策情景進行深入分析。其中：“能耗強度”情景展示各個用能部門在均加強節能降耗力度情況下的能耗和碳當量圖景；“能源替代”情景展現“十五五”期間繼續采用海上風電、分布式光伏等非化石能源替代煤電的節能減排效果。上述3 個情景的具體描述如表2 所示。

表2 城市能源和碳當量LEAP 模型的情景設置

2.2 模型模塊設置

模型的運行架構如圖1 所示。從圖1 可以看出，在LEAP 模型中啟用“終端需求”“非能源活動”兩個模塊。在核算各情景城市能源消費總量時進行口徑調整，計算公式如下：

圖1 城市能源消費和碳當量LEAP 模型架構圖

其中：E全代表各情景下全市能源消費總量；E能源活動、E非能源、E油氣分別代表能源活動、非能源利用部門、油氣系統逃逸部門所有能源消費的折標煤量；E非化石代表新增的風電、光電、核電等非化石能源電力的折標煤量。對于“非能源活動”模塊，需要預先估算工業生產過程、農業活動、土地利用變化和林業、廢棄物處理4 個領域每年的溫室氣體排放量，后續模型將兩個模塊中的碳當量數值相加，即可得到城市碳當量總額。

3 城市能源和碳當量LEAP模型情景分析結果

3.1 能源消費總量情景核算結果

2021—2035 年，預計T 市的城市能源消費總量呈剛性增長態勢，如圖2 所示。在基準情景中，城市能源消費總量從基準年的1 776.30 萬t 上升至2035 年的2 682.14 萬t。其中：在2027—2030 年，由于燃煤機組的相繼并網發電，能耗上升較為顯著；在2030 年之后，能耗總量呈現高位波動態勢?？疾旎鶞是榫跋碌某鞘袉挝籊DP 能耗強度，預計“十四五”期間全市能耗強度下降5.37%，低于“十三五”期間7.7%的下降幅度。

圖2 2021—2035 年T 市能源消費總量變動趨勢

“能耗強度”情景設計2030 年單位GDP 能耗強度相比基準情景低5%，各部門的節能量自2023 年起分攤。由圖2 可知，各部門的集體節能減排工作成效明顯，相比基準情景顯著壓低了城市能耗峰值?！笆奈濉逼陂g，該情景下的全市能耗強度下降率達到7.74%，與“十三五”期間持平?！澳茉刺娲鼻榫霸O計2030年非化石能源占比相對基準情景提高3%，由于非化石能源的建設需要提前規劃，故設計能源替代相關的節能量自2026 年起分攤，從圖2 可知，非化石能源替代政策也具有良好的節能效果。

3.2 碳當量情景核算結果

如圖3 所示，與城市能源消費總量剛性增長態勢不同，預計在2026 年前后，由于多個核電、風電項目的竣工并網而形成能源替代效應，將導致區域碳當量出現暫時下降；之后由于煤電擴建項目并網發電，碳當量數值重新增長，并于2030—2032 年到達峰值，后續在新增核電項目完工的背景下，區域碳當量再次出現一定程度的下降。分情景來看：在基準情景下，2021—2025 年單位GDP 二氧化碳排放下降13.63%，低于2015—2019 年17.58%的下降率；而在“能耗強度”情景下，2021—2025 年該指標的下降率預計將會達到16.02%；兩個政策情景均能對基準情景下的碳當量峰值起到顯著的削峰作用。

圖3 2021—2035 年T 市碳當量變動趨勢

4 主要結論和政策建議

通過在市域層面核算溫室氣體口徑的碳當量，進行能源和碳當量LEAP 模型情景分析，可以發現T市的能源消費總量與碳當量總額之間存在一定程度的背離趨勢，即隨著核電、風電等零碳能源項目的持續落地，全市能耗總量雖穩步上行，但對應的碳當量總額卻可能已經達峰，甚至出現小幅下降。兩者的背離趨勢為后續化解區域能源總量瓶頸提供了破題思路。

從情景分析的結果來看，僅僅依靠基準情景下的現有政策，其力度恐難以實現“十四五”末期單位GDP 能耗強度及單位GDP 二氧化碳排放兩項指標的下降目標，未來重點需要在能源活動的供給側和需求側兩端發力，具體對策及建議如下：

（1）規劃建設符合雙碳要求的能源體系。由電力熱力部門的排放在碳當量總額中的比重可知，沒有電力行業的碳達峰碳中和，就沒有全市的碳達峰碳中和。根據“能源替代”情景的分析，非化石能源的規劃建設是全市調整能源結構、實現電力行業排放達峰的重要手段，須重點保障相關工程的順利推進。須積極安全穩妥地發展核電，爭取“十四五”末新增投產一臺機組；謀劃保障新增風光項目的用地需求，穩步推進海上風電、漁光互補、農光互補等一系列重點風光項目建設。碳捕集利用封存技術是未來實現化石能源低碳化利用的必備選項，也是碳中和目標下保持電力系統靈活性的配套技術手段。應加強對碳捕集利用封存技術可行性、成本、能耗的研究和跟蹤，搶占關鍵核心技術制高點，適時選擇有條件的電力企業先行實施技術試點。

（2）深化能效提升和低碳轉型集成改革。全市沒有布局水泥熟料、平板玻璃等傳統能源密集型產業，現有產業的能源需求較為剛性，整體能耗強度和碳排放強度均處于全省先進水平，未來須進一步深挖減排潛力，以更大的決心和力度推進用能側節能工作。在落實能耗雙控層面，嚴格落實高耗能企業能耗預算化管理，控制醫藥、造紙、橡塑、汽車零配件等高碳企業用能增長過快。繼續抓好“兩高”項目清理整治，嚴格執行高耗能緩批限批規定，嚴格執行新上工業項目0.52 噸標煤/萬元工業增加值的準入標準。在推進重點領域減排層面，分領域推廣節能降碳技術，開展能效領跑者行動，持續淘汰落后和過剩的用能設備設施。落實節能審查制度，強化節能監察執法，打造能效和碳排放對標的監管體系。

（3）強化溫室氣體排放的控制能力建設。大力培育低碳高效產業，聚焦新能源汽車、節能環保、信息技術、生物醫藥、高端裝備等新興產業，以信息化、智能化、綠色化為導向，深入推進全市產業基礎再造和產業鏈提升。積極準備參與碳排放權交易市場，打造碳達峰碳中和領域綜合服務平臺，建立碳管理體系，提升碳管理能力。鼓勵支持企業開展各種形式的碳資產管理，包括碳市場配額、國家核證減排量、林業碳匯項目減排量等，為后續參與全國碳市場交易、降低負碳抵消成本打好基礎。實施數智精準控碳，積極推動“能效倒逼雙碳協同創新”等應用的貫通落地；搭建碳普惠應用場景，落實居民個人的碳積分獎勵，從而構建激勵全民低碳的長效機制。