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采用LMDI分解法,将基准年T0到目标年T期间的CO2排放量变化分解为上述各因子引起的变化量之和,见式(2)。其中,ΔCIAV、ΔCEI、ΔCES、ΔCEF分别代表工业增加值增长、能源强度下降、能源结构优化和碳排放因子改变导致的CO2排放量变化,ΔCEF可进一步分解为CCUS覆盖率增加和电网碳强度下降带来的碳排放变化量,即ΔCCCUS和ΔCGrid。
根据中国工业增加值历史数据,2019年全国工业增加值同比增长5.3%,2014—2019年工业增加值年均增长率为6.3%,工业增加值增速在未来一段时期将逐步放缓进而保持相对稳定。本研究设置低、高增速两种情景:低增速情景下,2015—2035年全国工业园区的工业增加值年均增长3%,2035—2050年均增长1.5%;高增速情景下,2015—2035年全国工业园区的工业增加值年均增长5%,2035—2050年均增长3%。
四种碳减排路径的相关参数设置见表1。首先,能耗强度是单位工业增加值的综合能耗,反映了产业结构优化和能效提升的双重作用,参考值采用《国家生态工业示范园区标准(HJ274—2015)》,即低增速情景下2035年全国工业园区平均能耗强度达到生态工业园区水平,2050年在2035年基础上降低10%;高增速情景能耗强度水准略高于低增速情景。
在能源结构方面,生活垃圾、生物质和污泥、余热、风、光、氢等非化石能源占比预期将显著提升。具体地,根据《生物质能发展“十三五”规划》,生活垃圾焚烧和生物质的发电装机容量在2015—2020年将分别增长60%和32%,同时考虑到工业园区将污水处理厂污泥进行掺烧的工程应用不断增加(如苏州工业园区、上虞经济技术开发区等),因此本研究设定两种情景下2035年的生活垃圾、生物质(含污泥)的比例将分别提升至1%和1.5%,至2050年保持不变。相似地,《“十三五”节能减排综合工作方案》和工业园区实践案例均明确了工业余热的回收利用率将在未来一段时间内显著提升,因此设定余热在两种情景下2015—2035年从0.7%的占比均提升至2%。根据《国家生态工业示范园区标准(HJ274—2015)》,可再生能源使用比例至少达到9%,本研究取最低值,即高增速情景下到2035年全国工业园区风电、光电平均各占比4.5%,低增速情景下风电、光电各占比3%,至2050年保持不变。参考《中国碳中和综合报告2020》,工业生产过程将更多使用零碳氢能作为替代能源,其占比在2050年将提升至3%~18%。本研究参考此取值范围以及工业园区减排总量限值,以1%作为步长,分别试算得出了实现减排目标下2035年和2050年园区氢能的最低占比,并假设零碳氢能的生命周期碳排放因子为零。上述非化石燃料占比提升将直接削减园区能源结构中的能源所占份额。
《中国电力行业2019年度发展报告》显示,2018年燃煤发电占全国发电量的64%,结合《中国碳中和综合报告2020》中CCUS至2035年和2050年分别覆盖化石燃料设施的30%~65%和70%~85%的情景设置,据此设定高、低增速情景下工业园区CCUS覆盖率(表1),其中2035年CCUS仅作用于燃煤设施,2050年扩展至燃气、燃油等设施;相应地,结合全国CCUS覆盖率和煤电占比,可推算出电网混合电力碳强度降幅,如表1所示。各年份能源结构和分品种能源的直接、间接CO2排放因子在表2中列出。其中,直接排放因子参考世界资源研究所发布的《GHG Protocol Tool for Energy Consumption in China(V2.1)》;间接排放因子涵盖能源开采、生产、运输(传输)等上游环节的碳排放,取值参考中国生命周期基础数据库。
表2所列的煤及其制品、石油及其制品为能源大类,其对应的总体碳排放因子与各细分品种的排放因子和消费结构均相关,例如负的间接排放因子源于此类能源加工转换产出的二次能源品种大量净输出。各细分品种的碳排放因子可参考上述数据源。
02结果与讨论
2.1中国工业园区碳排放总量
2543家园区中,国家级经济技术开发区(以下简称国家经开区)共218家,是中国工业园区中发展相对成熟和领先的一批,具有较好的经济绩效,数据可得性和可靠性也较高。本团队前期研究中,采集了213家国家经开区基础数据,此213家园区在2015年GDP总计达到7.6万亿元,占同年全国GDP的11%。前期研究基于园区分品种能耗数据清单,核算得出213家国家经开区在2015年能源消费总计3.9亿吨标准煤,占同年全国能源消费总量的10%。其中,燃煤消耗占能源总消费量的74%,明显超过同年中国工业部门的燃煤消费份额(56%);原油和天然气的份额分别为36%和8%,排名第二、三位。213家园区能源消费品种的多样化特征明显,非常规能源如余热、生物质、生活垃圾、煤矸石、工业固废已实现一定程度利用,然而其总份额仅为2%,表明园区的低碳能源发展还有很大提升空间。2015年,213家国家经开区的温室气体直接排放(园区边界内燃料燃烧产生的排放)和间接排放(园区所用燃料的上游生产运输过程排放和外购二次能源的生产运输过程排放)分别为10.4亿吨和1.8亿吨CO2当量,各占总排放的85%和15%。间接排放占比不可忽略,园区低碳化发展中对间接排放的责任和减排义务同样需要加以关注。
进一步分析来看,213家国家级经开区2015年工业增加值为4.7万亿元,CO2总排放量为11.3亿吨,其单位工业增加值CO2排放平均为2.4吨/万元。按照工信部《工业转型升级规划(2011—2015年)》发布的数据,“十一五”期间中国工业园区贡献了全国工业产出的50%以上。按50%估计,2015年全国工业园区的工业增加值约达11.7万亿元,进一步按上述2.4吨/万元排放强度估算,全国工业园区的CO2排放量约为28.2亿吨。根据国际能源署数据,中国2015年能源相关CO2排放量为91.4亿吨,由此初步判断工业园区贡献了全国CO2排放的31%,占比相当显著。随着近年来工业企业入园率逐步提升,例如至2020年许多地区的化工企业入园率已达到80%,工业园区碳排放在全国的贡献率未来将持续攀升,明确工业园区碳减排路径并推广行之有效的碳减排措施已刻不容缓。
2.2中国工业园区碳减排潜力
两种经济增速情景下,中国工业园区面向2035年和2050年的排放量和四种碳减排途径各自的减排潜力分别见图1和图2。总体来看,未来园区经济增长带来的碳排放新增量仍将十分显著,但通过四种减排途径有望将其抵消并实现净减排,即实现2015—2035年和2035—2050年分别减排28%和51%的目标。
具体而言,2015—2035年产业结构调整与能效提升(即单位工业增加值产出的能耗下降)的碳减排潜力最为显著,提高非化石能源占比和增加CCUS应用也可带来可观的碳减排潜力。电网碳强度下降的减排效果并不明显,这是由于园区从电网净输入电力在园区总体能源消费中占比有限,仅不足3%,即园区物理边界内自备的能源基础设施在2015年已基本能实现电力的自给自足。此外,从生命周期碳排放因子来看,由于电力的生产、转换、传输过程中的损耗较大,对于园区这一直接耗电量较大的经济体而言,由本地生产电力并实施大用户直供实现就地消纳,将具有更好的低碳绩效。从时间跨度来看,产业结构优化、能效提升、能源结构优化在2035—2050年的减排潜力将明显减小,表明至2035年此三方面的碳减排潜力基本能充分释放,远期的深度减排需主要依靠持续推进工业生产活动中的系统优化、区域层面的产业布局优化和末端针对性的CCUS来进一步完成总体碳减排目标。
进一步,将能源结构优化的碳减排潜力分解为生活垃圾、生物质和污泥、余热、风、光、氢等六种能源,研究各自的减排贡献。针对特定基准年和目标年,本研究采用下述取值作为每种能源在能源结构优化碳减排总量中的贡献权重:某种能源的增长份额÷非化石能源总增长份额×(1-某种能源的碳排放因子÷煤的碳排放因子),进一步得到表3所示的六种非化石能源占比提升相应的碳减排贡献。
结果显示,预期碳减排贡献最显著的依次为氢能、风电、光伏,此三者在2015—2035年的减排贡献率总计可达79%~84%,尤其氢能在2035—2050年可贡献100%的减排潜力,是通过调整能源结构深度减排最有潜力的措施。垃圾、生物质和污泥、余热三类非常规能源由于在能源结构中占比较小,贡献并不显著。考虑到本研究采用较保守的参数取值,此三类能源在2035—2050年所占份额并未有进一步增长,若未来大力提升此三类能源的回收利用率,并改进焚烧炉技术以降低煤掺烧比,其带来的碳减排贡献将有望进一步增加。因此,现阶段应充分利用园区产业集聚优势,挖掘园区内部和园区间的产业共生潜力,加大生产过程中的副产品及废物等的回收利用,从源头削减资源消耗和碳排放,例如城市生活垃圾、污水厂剩余污泥的焚烧产能,以及化学反应余热的再利用等。
作者:郭扬1,吕一铮1,严坤1,田金平1,2,3,陈吕军1,2,3*
单位:1.清华大学环境学院
2.清华大学生态文明研究中心
3.国家环境保护生态工业重点实验室(清华大学)
陈吕军
责任作者
清华大学环境学院教授,博士生导师。现任清华大学生态文明研究中心副主任,清华大学循环经济研究院副院长,环境学院清洁生产与生态工业研究中心主任。入选国家百千万人才工程,授予有突出贡献中青年专家,享受国务院特殊津贴,入选国家环境保护专业技术领军人才。研究方向为工业园区绿色发展、清洁生产技术与产业生态学。
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