福建省造纸工业碳排放的灰色关联度、Tapio脱钩分析及情景预测.pdf
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1、Vol.39,No.1,2024中国造纸学报Transactions of China Pulp and Paper福建省造纸工业碳排放的灰色关联度、Tapio脱钩分析及情景预测王红平1 刘凯2,*(1.福建农林大学金山学院,福建福州,350002;2.福建农林大学材料工程学院,福建福州,350108)摘要:随着中国2030年前“碳达峰”目标的临近,福建省高能耗、高排放的造纸工业面临严峻的碳减排压力。本研究运用灰色关联度模型,计算总资产、总资产产值率、能源强度和能源结构与CO2排放之间的关联度,通过Tapio脱钩模型,确定造纸工业产出与CO2排放的脱钩状态,利用STIRPAT模型,预测4种情景
2、下CO2排放量,评估福建省造纸工业2030年前实现“碳达峰”目标的潜力。结果表明:福建省造纸工业的总资产、总资产产值率、能源强度和能源结构与CO2排放量关联度相近,且关联性较高;20072021年,福建省造纸工业产出与碳排放呈现6种脱钩状态,在研究期内的大多数年份表现为强脱钩与弱脱钩状态;总资产和能源结构对碳排放起到主要的拉动作用,能源强度是碳排放脱钩的主要驱动力;预测期内(20222030年)基准情景与快速发展情景下CO2排放量快速上升,低碳发展情景下CO2排放量增长率相对较低,强低碳发展情景下CO2排放量呈现非常缓慢的上升趋势。最后对降低福建省造纸工业碳排放,促进造纸工业可持续发展提出建议
3、。关键词:造纸工业;碳排放;灰色关联度;Tapio脱钩模型;情景预测中图分类号:TS7 文献标识码:A DOI:10.11981/j.issn.10006842.2024.01.13随着中国2030年前“碳达峰”目标的临近,中国各高能耗、高排放工业均面临严峻的碳减排压力,目前仍以煤炭为主要消耗能源的造纸工业受到了重点关注1。福建省造纸工业一直都是福建省的支柱产业之一,其产值多年保持持续增长趋势,2021年达1376亿元;但碳排放量一直居高不下。目前,对福建省造纸工业碳排放的研究较少,特别是对碳排放的各种影响因素,以及各因素间的关系研究和预测方面,这对于福建省造纸工业可持续发展政策的制定和相关措
4、施的落实是不利的。在2030年前“碳达峰”目标的压力下,开展福建省造纸工业碳排放的相关研究,对实现双碳目标具有重要的理论价值与现实意义。1 研究现状 目前已有许多关于造纸工业碳排放的研究。徐士莹等2运用LMDI模型对中国20002015年纸和纸制品业碳排放变化的影响因素进行了分解,并从优化能源结构角度预测了该行业的碳减排潜力。此外,该团队利用碳排放系数法,核算了中国20002015年纸和纸制品业碳排放量,并利用脱钩理论探讨了碳排放量与工业产值的脱钩关系3;宋佳翼等4分析了大型硫酸盐木浆厂石灰窑碳排放情况;杨本晓等5基于投入产出法,核算了中国造纸工业碳排放量。由于中国各地造纸工业发展极其不平衡,
5、针对中国造纸工业重点区域碳排放的研究尚有不足,对造纸工业碳排放影响因素的系统研究也不够深入。目前,对于工业碳排放影响因素研究的有效方法多是基于灰色关联度分析法。该分析法是根据各目标影响因素之间变化趋势的相似或相异程度(灰色关联度),量化目标与各影响因素之间的关联程度,灰色关联度值越高,表明目标与影响因素的关联性越强,反之则越弱。熊萍萍等6研究了总人口、城镇人口、生产总值、第二产业增值、能源结构等因素对华东地区各省市碳排放量的影响,利用灰色关联度法得到各影响因素与碳排放量的灰色关联度。周磊等7运用灰色关联度模型,分析了河北省城市碳排放量与其影响因素的相互关系,结果表明,科学技术支出和人均GDP是
6、影响河北省城市碳排放量增长的主要因素。因此,灰前沿战略趋势收稿日期:20231231;修回日期:2024-01-14作者简介:王红平,硕士,讲师;主要研究方向:资源与环境经济。*通信联系人:刘凯,教授,博士生导师;主要研究方向:制浆造纸与生物质功能材料;E-mail:。13第 39 卷 第 1期福建省造纸工业碳排放的灰色关联度、Tapio 脱钩分析及情景预测色关联度模型非常适合分析工业碳排放与其各影响因素之间的关联性。对于工业碳排放的预测,国内外已有许多研究者提出了不少预测模型,其中STIRPAT模型是最常用的预测模型之一。该模型的最大优势是可以根据实际情况和目标政策的具体实施情况加入新指标,
7、具有拓展性强的特点,可用于多种碳排放预测场景。例如,Yang等 8 运用STIRPAT模型预测了20212035年,在4种情景下成都市的CO2排放量。预测结果表明,成都在2025年可以实现碳达峰目标。Wang等9利用改进STIRPAT模型对上海市的电力工业碳排放进行预测。预测结果表明,在4种发展情景下上海电力工业的碳排放均可以在2030年前达到峰值。赵慈等10根据STIRPAT模型设定了3种情景,对浙江省CO2排放峰值时间进行预测。预测结果表明,在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下,浙江省均能在2030年前实现碳达峰目标。因此,STIRPAT模型非常适用于工业碳排放预测,以探究实现碳达峰目标的
8、可能。在前期研究中,本团队分析了福建省造纸工业碳排放特征,明确了CO2排放变化规律,发现CO2排放的主要贡献能源是煤炭和电力11。基于此,本研究将运用灰色关联度模型计算总资产、总资产产值率、能源强度和能源结构与CO2排放之间的关联度,通过Tapio脱钩模型,确定造纸工业产出与碳排放的脱钩状态;利用STIRPAT模型,预测4种情景下CO2排放量,以期对福建省造纸工业碳排放进一步深入研究,评估福建省造纸工业2030年前实现“碳达峰”目标的潜力。2 研究方法与数据来源 2.1CO2排放量的估算福建省造纸工业的CO2排放量根据国家发展和改革委员会于2015年发布的造纸和纸制品生产企业温室气体排放核算方
9、法和报告指南中推荐的方法计算。福建省造纸工业消耗的能源为原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油和电力11。将研究期间的全国电网平均排放因子用于电力的碳排放计算,即0.6101 tCO2/MWh。CO2排放量核算如式(1)所示。C=iEi NCVi CCi OFi4412(1)其中,C是福建省造纸工业的CO2总排放量;Ei是第i种能源的净消耗量;NCVi是第i种能源的平均低位发热量;CCi是第 i 种能源的单位热值含碳量;OFi是第i种能源的碳氧化率;44/12是碳转换成CO2的系数。2.2灰色关联度模型将福建省造纸工业碳排放的影响因素分为:总资产(A)、总资产产值率(QA)、能源强度(EI)和能
10、源结构(ES)。为了进一步确认这4个影响因素与碳排放之间是否存在相关性,利用灰色关联度分析法计算这4个因素与CO2排放量之间的关联度。灰色关联分析模型主要包括4个步骤12。首先,将CO2排放量序列(X0(K)设置为参考序列,将4个变量序列(Xi(K)设置为比较序列,计算如式(2)式(3)所示。X0(K)=X0(1),X0(2),X0(K)(2)Xi(K)=Xi(1),Xi(2),Xi(K)(3)其次,进行无量纲处理,以消除每个参数的不同单位引起的差异,计算如式(4)式(5)所示。X0(K)=X0(K)X0(1)(4)Xi(K)=Xi(K)Xi(1)(5)然后,通过以下公式计算相关系数(K),取
11、分辨率为0.5,如式(6)所示。最后,通过式(7)计算灰色关联度i。2.3Tapio脱钩模型Tapio脱钩模型是研究各行业碳排放与经济增长脱钩关系的主要方法之一,其引入了脱钩弹性和相应的脱钩状态,用于定量分析碳排放与经济增长之间的关系 13。碳排放与经济增长脱钩弹性系数()计算如式(8)所示。其中,Q是造纸工业产值,C与Q分别表示某一特定时段内CO2排放量与工业产值的变化。不同值对应的脱钩状态如表1所示。根据CO2排放量(C)、产业增长情况(Q)及相应脱钩弹性系数(),Tapio脱钩模型可划分为8个状态。具体解释为14:强脱钩是最理想的状态,表示经济增长的同时碳排放减少;强负脱钩是最差的状态,
12、表示经济衰退的同时碳排放增加;弱脱钩表示碳排放增长速度慢于经济增长速度;弱负脱钩表示碳排放减少速度慢于经济衰退速度;衰退脱钩表示碳排放减少速度快于经济衰退速度;增长负脱钩表示经济增长以碳排放量快速增加为代价;增长/衰退连结状态表示碳排放与经济增长同步增加(增长连结)或同步减少(衰退连结)。(K)=miniminK|X0()K-Xi()K+0.5maximaxK|X0()K-Xi()K|X0()K-Xi()K+0.5maximaxK|X0()K-Xi()K(6)14第 39 卷 第 1期福建省造纸工业碳排放的灰色关联度、Tapio 脱钩分析及情景预测i=1nK=1ni(K)(7)=C/CQ/Q(
13、8)早期研究往往缺乏对产业增长与碳排放脱钩关系的深入分析,为了考察各影响因素对产业增长与碳排放脱钩弹性的贡献,将脱钩弹性进一步分解为4个脱钩弹性指标15,扩展的Tapio脱钩模型如式(9)所示。=C/CQ/Q=(CA+CQA+CEI+CES)CQQ=CACQQ+CQACQQ+CEICQQ+CESCQQ=A+QA+EI+ES(9)其中,A、QA、EI和ES分别表示总资产脱钩弹性系数、总资产产值率脱钩弹性系数、能源强度脱钩弹性系数和能源结构脱钩弹性系数。2.4STIRPAT模型基于IPAT模型的STIRPAT模型常用来研究各行业环境污染的影响因素16,还可用于定量分析每个影响因素以预测环境污染,该
14、模型及其对数化表达式分别如式(10)和式(11)所示。I=aPbBcTd(10)lnI=lna+blnP+clnB+dlnT+ln(11)其中,I代表环境影响,P代表人口规模,B代表富裕程度,T代表技术水平,a为常数,b、c、d是各指标的弹性系数,是随机误差。在该模型中引入4个影响因素,即A、QA、EI和ES,扩展的STIRPAT模型表达式如式(12)所示。lnC=lna+1lnA+2lnQA+3lnEI+4lnES+ln(12)其中,C 表示福建省造纸工业 CO2总排放量,14表示各指标的弹性系数。2.5情景设置情景分析法是目前预测各工业碳排放的常用方法之一,本研究根据此方法设置了4种情景,
15、用于预测福建省造纸工业20222030年的碳排放量,即基准情景、低碳发展情景、强低碳发展情景与快速发展情景17-18。基准情景是指按照目前福建省造纸工业的发展趋势,未实行相关低碳减排措施的发展情况。低碳和强低碳发展情景则是基于中国2030年前“碳达峰”和2060年前“碳中和”目标,考虑目前的工业发展趋势无法实现国家“双碳”目标,因此必须采取严格的低碳减排措施的发展情况。该情景与基准情景相比,能源强度进一步下降、能源结构进一步优化。快速发展情景是假设纸和纸制品的需求仍然很强劲,工业产出保持持续增长趋势,从而导致其环境影响持续加深的发展情况。福建省造纸工业20162021年总资产的年均增长率为5.
16、3%,20072021年总资产产值率的年均增长率为3.5%,20162021年能源强度的年均增长率为-1.7%。根据该发展趋势,基准情景下未来2个阶段(20222025年与20262030年)的总资产增长率分别设定为5%和3%,总资产产值率的增长率分别设定为 3%和 2%,能源强度增长率分别设定为-1.5%和-2%。中国造纸协会制定并发布的中国造纸工业“十四五”规划和中长期高质量发展纲要19表明,2035年力争生物质能源消费量占中国造纸工业能源消费总量的35%以上。基于此,未来造纸工业的煤炭等化石能源的消耗将进一步降低。根据该发展趋势,基准情景下未来2个阶段的能源结构增长率分别设定为-2%和-
17、4%。与基准情景相比,在低碳与强低碳发展情景下各因素增长率进一步降低,而在快速发展情景下进一步升高。4种情景设置的具体参数如表2所示。2.6数据来源所有能源消耗数据、总资产、工业总产值数据均取自20072021年福建统计年鉴。3 结果分析与讨论 3.1灰色关联度分析通过灰色关联度法分析计算CO2排放量与4个影响因素的关联度,结果如表3所示。从表3可以看出,总资产、总资产产值率、能源强度和能源结构4个因子与CO2排放量的关联度相近,且关联性较高,总资表1Tapio脱钩状态分类Table 1State classification of Tapio decouplingC00000Q000000(
18、-,0)(0,0.8)(1.2,+)(0.8,1.2)(0.8,1.2)(0,0.8)(1.2,+)(-,0)脱钩状态强脱钩弱脱钩衰退脱钩增长连结衰退连结弱负脱钩增长负脱钩强负脱钩15第 39 卷 第 1期福建省造纸工业碳排放的灰色关联度、Tapio 脱钩分析及情景预测产产值率与碳排放的关联度最大。总资产产值率表示造纸工业总产值与总资产的比值,该指标越高越能吸引大量资本投资进入,使工业产出增大,碳排放增加;能源强度表示造纸工业能源消耗(以标准煤计)与总产值的比值,该指标下降表示单位产值的能源消耗量越低,所产生的碳排放也越少。由于能源强度与碳排放具有较高关联性,降低能源强度将有助于降低碳排放。能
19、源结构与碳排放也具有较强关联性,但由于近年来福建省造纸工业的能源结构未发生根本性改变,还是以煤炭为主要消耗能源,导致造纸工业的碳排放一直较高。今后福建省造纸工业应逐步使用清洁能源代替煤炭,以进一步促进碳排放的减少。与其他3个因素相比,总资产与碳排放的关联度相对较小,但该因素仍然对碳排放具有重要影响。随着总资产的不断增长,必然会导致工业产出增大及碳排放增加,因此,根据节能减碳政策制定有效措施,以限制总资产的急剧扩张,将有助于碳排放的降低。3.2脱钩状态分析为了分析福建省造纸工业CO2排放与工业产出的关系,利用Tapio脱钩模型探讨了CO2排放与工业产出的脱钩状态。根据Chen等20的脱钩状态分类
20、标准,20072021年福建省造纸工业产出与CO2排放的脱钩状态如图1所示。从图1可以看出,20072021年造纸工业产出与碳排放呈现6种脱钩状态:弱脱钩、强脱钩、衰退脱钩、强负脱钩、增长负脱钩和增长连结。在20072008年、20092011年与20142016年,造纸工业产出增长,工业能源消耗导致碳排放同步增长,脱钩弹性系数0.8,工业产出与CO2排放呈现弱脱图120072021年福建省造纸工业产出与CO2排放的脱钩状态Fig.1Decoupling states between the output and CO2 emissions of the paper industry in F
21、ujian province from 2007 to 2021表320072021年福建省造纸工业CO2排放量与影响因素的灰色关联度Table 3Grey correlation degree between CO2 emissions and influencing factors in the paper industry of Fujian province from 2007 to 2021影响因素关联度总资产0.590总资产产值率0.759能源强度0.654能源结构0.657表2福建省造纸工业碳排放4种情景设置Table 2Four scenario settings for ca
22、rbon emissions from the paper industry of Fujian province情景模式基准情景低碳发展情景强低碳发展情景快速发展情景年份/年2022202520262030202220252026203020222025202620302022202520262030各影响因素年增长率/%总资产53423164总资产产值率32211043能源强度-1.5-2-2-2.5-2.5-3-1-1.5能源结构-2-4-3-5-4-6-1.5-3.516第 39 卷 第 1期福建省造纸工业碳排放的灰色关联度、Tapio 脱钩分析及情景预测钩状态,表明这一时期CO2排放
23、增长速度慢于工业产出速度。“十一五”期间,由于高能耗与高排放的造纸工业对环境的危害日益显露,福建省大量小型制浆造纸企业被关闭,使得 20082009 年与 20112013年出现了最理想的强脱钩状态,工业产出快速增长,CO2排放量稳步下降。在中国矿业的相关研究中也可以发现类似结果20,20022008年,该行业的碳排放和经济均有所增长,由于脱钩弹性系数0.8,碳排放和经济增长首次出现弱脱钩状态;2008年大量小型煤矿厂被关闭后,20082009年转为强脱钩状态。从 2018 年开始,由于纸制品的需求急剧增长,福建省造纸工业吸引了大量投资,使得2018年福建省造纸工业总资产快速增至890.6亿元
24、,从而刺激了纸制品产量的快速增长,导致碳排放量增加。因此,20182019年碳排放与工业产出又呈现弱脱钩状态。由于造纸工业的碳排放增长受到关注,纸制品的产业扩张和碳排放的快速增长得到有效控制,使20192020年工业产出和碳排放转为负增长,并呈现衰退脱钩状态,表明CO2排放减少速度快于工业产出减少速度。但在20202021年,工业产出和碳排放又转为增长,并呈现增长连结状态,表明CO2排放与工业产出同步增长。总体来看,20072021年福建省造纸工业产出与碳排放主要呈现强脱钩与弱脱钩状态。当纸制品需求急剧增长时,造纸工业产出大幅增加且碳排放快速增长,导致强脱钩转变为工业产出与碳排放同步增长的弱脱
25、钩状态。由于近年来造纸工业在工艺技术升级改造方面取得一定成效,碳排放增长速度低于工业产出增长速度。因此,福建省造纸工业今后还应加大创新清洁生产技术,提升能源利用率,彻底实现工业产出增长的同时碳排放减少的强脱钩状态。尽管Tapio脱钩模型确定了造纸工业产出与碳排放的脱钩状态,但各影响因素对碳排放脱钩弹性的贡献尚不明确。通过扩展Tapio脱钩模型将碳排放脱钩弹性进一步分解为4个脱钩弹性指标,如图2所示,各影响因素对碳排放与工业产出增长脱钩弹性表现出不同的贡献度。首先,在研究期内的大多数年份中,总资产和能源结构脱钩弹性系数均为正,说明他们对碳排放起到主要的拉动作用。这主要是因为随着造纸工业总资产的增
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