城市能源消费碳排放核算方法_刘竹.pdf

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1、第33卷 第7期 2011年7月2011，33（7）：1325-1330Resources ScienceVol.33，No.7 Jul.，2011http:/文章编号：1007-7588（2011）07-1325-06城市能源消费碳排放核算方法刘竹1,2，耿涌1，薛冰1，郗凤明1，焦江波3（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；2.中国科学院研究生院，北京100049；3.北京节能环保中心，北京 100029）摘要：城市能源消费碳排放核算方法的选择对核算结果具有一定影响。本研究参照IPCC温室气体排放清单编制方法，根据中国能源统计现状，利用能源表观消费量数据和现行的能源消费碳

2、排放核算方法，将能源消费碳排放核算方法分为3种核算方式：基于能源平衡表的能源消费碳排放核算；基于一次能源消费量的能源消费碳排放核算；基于终端能源消费量的能源消费碳排放核算，并分别根据3种能源消费核算方法构建城市能源消费碳排放核算体系；以北京市为案例对比3种方法的能源消费碳排放核算结果。研究结果表明，能源消费碳排放核算方法的选择对核算结果有很大影响，通过分析误差产生的原因，认为排放因子、碳氧化水平及加工转换过程是产生不确定性的3个主要原因。基于能源平衡表的修正后的能源消费碳排放核算方法，可以在一定程度上避免在能源加工转换过程中的二次能源消费遗漏及重复计算，然而，由于当前的国民经济核算体系尚不能满

3、足能源消费碳排放计算的需要，需要尽快建立更为细致的统计核算体系。关键词：CO2核算方法；能源消费；中国能源统计1引言人类活动产生的以CO2为主的温室气体由于总量巨大而备受关注。其中，以煤、石油、天然气为主的化石燃料燃烧而产生的能源消费碳排放是人类活动产生温室气体排放的最主要形式。2006年全球能源消费碳排放占排放总量的86%，占温室气体排放总量的66%1。中国在近20年的高速发展以及工业化、城市化进程的联合作用下，已成为温室气体排放量最大的国家2。2006年中国温室气体排放已经占到全球排放总量的20%，其中，能源消费碳排放占碳排放总量的96%3。在当前及未来较长的一段时间内，中国仍然将保持以煤

4、炭为主的能源结构，这种以依赖化石能源为主的能源结构将严重制约中国的可持续发展。为此，中国政府将节能减排作为国家重要发展战略，并提出到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%45%的约束性指标。城市由于聚集了众多生产性企业和大量人口成为碳排放的主要区域，因此是中国降低碳排放，实施节能减排战略的关键领域。中国的城市化进程在推动世界经济发展的同时产生了大量的资源消耗与环境问题而备受关注，诺贝尔奖得主斯蒂格利茨曾将中国城市化过程喻为21世纪世界范围内最具影响力的事件之一。过去10年内中国GDP增长的50%来自于对城市基础设施的投入4。2006年城市GDP已经占据中国GDP总量的

5、75%，全国287个地级以上城市的能耗占到全国总能耗的55.48%，二氧化碳排放量占中国总排放量的54.84%5。鉴于城市在中国低碳经济建设中的重要作用，中国积极开展了城市尺度的“低碳”建设，目前已有保定、上海等上百个城市提出了低碳城市建设规划。2010年国家发改委选择天津、重庆等8个城市进行低碳试点，试图通过典型城市的示范找出适合中国城市实际的低碳城市发展路径。然而，在城市尺度上开展能源消费碳排放的核算与方法学探讨在中国尚处于起步阶段，急需在学术上明确合适的方法，以收稿日期：2010-11-05；修订日期：2011-04-11基金项目：国家自然科学基金重点项目（编号：71033004）；中国

6、科学院百人计划项目（编号：08YBR1119S）；辽宁省博士科研基金（编号：20101124）；国家科技支撑计划项目（编号：2011BAJ06B01）；国家科技支撑计划项目（编号：2008BAJ10B01-01）。作者简介：刘竹，男，云南昆明市人，博士生，研究方向为全球变化的人文因素。E-mail:通讯作者：耿涌，E-mail:第33卷 第7期资 源 科 学http:/便能够准确揭示城市能源消费碳排放的问题，为开展城市尺度的节能减排奠定坚实的学术基础。2国内外研究基础城市能源消费碳排放核算是定量化表述碳排放变化趋势和分析碳减排潜力的基础，然而目前在城市尺度的碳排放核算与清单编制并没有统一公认的

7、方法学。区域尺度的能源消费碳排放核算多数根据政府间气候变化委员会（IPCC）国家温室气体排放清单编制指南中的一般方法、优良方法和参考方法进行编制。但是，目前城市尺度的温室气体排放核算仍然有一系列技术障碍，主要有：（1）缺乏生命周期视角。目前城市尺度的碳排放核算都是基于某一时刻的核算，没有从城市的能源生产和消耗建立城市能源系统的生命周期核算体系6。（2）城市的定义和空间尺度的划分不够清晰。由于世界上各个国家行政区划方法的不同，城市的空间尺度在不同国家中也具有明显差异，阻碍了城市尺度碳排放核算的横向对比性。（3）城市尺度上的各种活动，特别是如交通、电力生产和消费等由于其边界已超出城市本身，所产生的

8、碳排放很难确定。一些学者针对这些问题进行了探讨和分析。例如，朱勤等基于因素分解模型对国家尺度的能源消费碳排放进行了分解分析，讨论了其影响及贡献率7。赵敏等计算了上海市1994年至2006年能源消费碳排放量，并进行了国家间和国际间的横向对比8。刑芳芳等估算了北京市1995年至2005年终端能源碳消费量并分析了能源碳排放的结构9。刘春兰等针对北京市碳排放变化的机理进行了分析10。这些研究为国内的能源消费碳排放做出了有益的尝试，为城市尺度上的能源消费碳排放核算提供了实践参考。这些文献也讨论了现阶段城市尺度能源消费碳排放的计算困难。例如，对于城市尺度的碳排放计算问题，仍缺乏针对中国统计口径和行政区划的

9、计算方法的适应性分析。近年来伴随着全球气候变化的加剧，在温室气体排放核算领域的文章迅速增多，因而进行针对中国国情的能源消费碳排放统计方法学探讨十分必要。3城市能源消费碳排放计算方法联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）编 写 的2006国家温室气体清单指南11中给出了3种能源消费碳排放计算方法，包括：（1）分部门计算的一般方法。这种方法采用“自下而上”的形式分部门统计不同行业的不同类型的能源消费，可以最大程度地避免由于能源非燃料用途造成的重复计算；（2）分部门计算的优良方法。与第一种方法相同，但是其中的排放

10、因子采用经过实际测量的地区及特定行业的排放因子代替IPCC提供的区域默认排放因子，该方法理论上较第一种方法准确，但有可能因为实际测量的准确性不同而造成额外的不确定性；（3）基于能源表观消费量的参考方法。该方法采用“自上而下”的形式，依靠能源消费的宏观统计数据计算能源消费碳排放量。该方法数据的需求量较少，并且在大尺度的计算中可以避免由于统计口径问题而遗漏能源消费量，其缺点是将所有能源消费都视为统一技术下的燃烧排放，增加了重复计算的可能性。由于城市尺度的统计数据限制，目前国内外能源消费碳排放研究大部分以基于能源表观消费量的参考方法为主12-14。IPCC国家温室气体清单指南第二卷详细介绍了参考方法

11、的计算公式。由于能源部分的碳排放产生主要是由于富含碳的化石燃料燃烧产生，因此碳排放可以根据燃料的数量和不同燃料的排放因子确定。对于燃烧产生的CO2，燃烧条件（燃烧效率、在矿渣和炉灰等物中的碳残留）相对不重要。因此，排放因子主要取决于燃料的碳含量。基于以上所述，能源消费的碳排放可以根据公式（1）进行较为精确的估算：能源消费碳排放=（能源排放因子氧化率能源消费量）（1）中国采用独立的行政区划体系和能源统计标准，造成了城市尺度的能源消费碳排放核算困难。中国城市尺度的能源统计数据主要来自于 中国能源统计年鉴 以及各个城市的统计年鉴。根据国家统计局编制的 能源统计报表，中国城市能源统计体系中的“能源平衡

12、表”、“分行业能源消费总量”、“分行业终端能源消费量”3项均可作为数据来源进行核算。然而，3种类型的能源消费在计算的概念上具有差异：“能源平衡表”考虑能源在加工转换过13262011年7月刘竹等：城市能源消费碳排放核算方法http:/程中的转换效率及损耗，其碳排放计算包括能源的中间转换过程与最终消费过程；“分行业能源消费总量”采用一次能源的消费量，其消费量是能源加工转换之前的总量，可看作基于能源生产的能源使用量；“分行业终端能源消费量”采用终端能源消费量，其消费量是能源加工转换之后的总量，可看作基于能源最终消费的能源使用量。当前研究中，3种能源消费碳排放的核算方法同时存在7-14，其在具体统计

13、的区别为：是否考虑能源加工转换过程中的能源消费。以一次能源加工转换为电力、热力的火力发电和发热过程为例：能源产生碳排放的火力发电和发热过程被计入在“能源平衡表”方法的“加工投入产出量”一项内，在“分行业能源消费总量”方法中计入发电和发热过程的一次能源使用量，而在“分行业终端能源消费量”方法中计算的是二次能源（电力、热力）的产出量，3种方法对于发电、发热过程所消耗的能源的计量角度有明显差异。由于IPCC排放因子中同时包括一次和二次能源，国家发展和改革委员会也公布了电力排放因子15，3种计算方法均存在理论上的可行性。因此，需要对比3种不同方法的结果差异并分析误差产生原因。为此，本研究在前期相关研究

14、的基础上，确立了基于能源表观消费量的3种能源消费碳排放核算方法：方法（1）从能源的投入、加工转换及最终消费的角度，基于能源平衡表建立能源消费流程结构图，确定最终的碳排放能源消耗；方法（2）从能源生产角度，计算煤、石油、天然气等8种一次能源消费产生的碳排放；方法（3）从能源使用角度，计算分品种能源终端消费产生的碳排放。方法（1）需要通过能源平衡表建立一个能源消费流程结构图，区分能源消费中产生的碳排放产生过程，从而进行能源消费种类的生产、加工转换及最终使用的分析。以北京市2008年能源平衡表为例，北京市2008年能源平衡表一共统计包括原煤等共20种能源消耗，根据能源消费的平衡关系区分不同能源种类的

15、生产、加工、转换及使用过程，以原煤为例的能源平衡关系如图1所示。由能源平衡关系可知，一次能源进行火力发电与供暖产生了碳排放，其消费量应该计入能源消费碳排放核算中，而在终端消费量中用作工业原料、材料的能源消费由于未直接燃烧排放CO2，其消费量应扣除。此外，电力与热力的能源消费量已经在电力与热力的生产端计算，不再计入产生碳排放的能源消费。因此，经过能源平衡表修正后的能源消费由公式（2）表示：能源消费碳排放=排放因子氧化率（终端消费量+发电与供热消费量-非燃烧消耗）（2）由于能源平衡表中中国煤的分类与IPCC国家图1 能源流程（单位：万t）Fig.1 Energy flowchart（Unit:10

16、4t）表1 能源分类Table 1 Energy classification能源平衡表中能源分类原煤洗精煤其他洗煤型煤焦炭焦炉煤气其他煤气汽油煤油柴油燃料油液化石油气炼厂干气天然气IPCC能源分类原料煤无烟煤无烟煤焦炭焦炉煤气汽油煤油柴油燃料油液化石油气炼厂干气天然气能源缺省碳含量系数（kgC/GJ）25.826.726.729.212.118.919.620.221.217.218.215.31327第33卷 第7期资 源 科 学http:/温室气体排放清单指南中的分类不同，本研究在国内相关研究的基础上，参照中国能源统计年鉴中各种能源的平均低位热值进行折算，根据IPCC清单中的能源缺省碳含

17、量系数，将能源平衡表中的能源进行类型划分（表1）。能源平衡表的能源分类中，“其他石油制品”与“其他焦化产品”在能源统计年鉴中并未给予出低位平均热值。根据国家统计局 能源统计报表 的相关描述，“其他石油制品”主要指非燃料用途的润滑油、润滑脂、石脑油、石蜡、石油沥青等，“其他焦化产品”主要指初苯等焦化产品。这两项由于并非主要用于燃料，因此不计入能源消费中。方法（2）与方法（3）均采用公式（1）进行计算，方法（3）中包括电力、热力等二次能源消耗的核算。电力作为二次能源，其排放因子参考中华人民共和国国家发展和改革委员会应对气候变化司公布的2009年中国区域电网基准线排放因子15，热力消费假设所有的热力

18、均由原煤燃烧产生，按照原煤的排放系数进行折算。4北京市能源消费碳排放核算选择已有众多前期研究基础的北京市为案例研究区域，基于方法（1）、方法（2）和方法（3）进行北京市2008年能源消费碳排放核算。3种方法均采用IPCC报告中的缺省排放因子，并把所有燃料消费视为完全燃烧（氧化率=1）。计算结果见表2、表3、表4。由表2-表4可知，针对北京市2008年的能源消费碳排放量的核算，基于能源平衡表的算法结果为9357.18万tCO2（表2）；基于一次能源消费量的算法结果为9287.01万tCO2（表3）；基于能源终端消费量的算法结果为8536.25万tCO2（表3）。因此，即使在相同排放因子的情况下，

19、采用不同的能源消费计算方法，其结果仍有明显的差异。能源种类原料煤无烟煤焦炭焦炉煤汽油煤油柴油燃料油液化石油气炼厂干气天然气合计排放系数(t碳/万亿J)25.826.729.212.118.919.620.221.117.218.215.3能源低位热值(亿J/t)209.08263.44284.35173.53430.70430.70426.52418.16501.78460.55389.31碳氧化率11111111111能源消费量(万t)2485.2833.91160.0670.40340.40318.39226.1822.4550.4081.7257.45碳排放总量(万t)4915.6387

20、.46487.29542.011016.01985.51714.5272.63159.49251.16125.479357.18能源种类原料煤焦炭汽油煤油柴油燃料油液化石油气天然气合计排放系数(t碳/万亿J)25.829.218.919.620.221.117.215.3能源低位热值(亿J/t)209.08284.35430.70430.70426.52418.16501.78389.31碳氧化率11111111能源消费量(万t)2747.72232.87340.92318.39227.2225.6365.4460.65碳排放总量(万t)5434.71708.961017.56985.5171

21、7.8182.92207.09132.469287.01表2 基于能源平衡的碳排放核算Table 2 CO2emission calculation based on energy flowchart表3 基于能源消费总量的碳排放核算Table 3 CO2emission calculation based on totalenergy consumption能源种类原料煤无烟煤焦炭焦炉煤气汽油煤油柴油燃料油液化石油气炼厂干气天然气电力热力合计排放系数(t碳/万亿J)25.826.729.212.118.919.620.221.117.218.215.31 0069(t碳/亿kW h)9.46

22、(t碳/万亿J)能源低位热值(亿J/t)209.08263.44284.35173.53430.70430.70426.52418.16501.78460.55389.31-碳氧化率11111111111-能源消费量(万t)1175.017160.649.02340.92318.39226.9513.6265.1176.4939.60660.80(亿kW h)14 4900(万亿J)二氧化碳排放总量(万t)4915.6387.46487.29542.011016.01985.51714.5272.63159.49251.16125.47665.35951370.7458536.25表4 基于终

23、端能源消费量的碳排放核算Table 4 CO2emission calculation based on finalenergy consumption13282011年7月刘竹等：城市能源消费碳排放核算方法http:/5结论与讨论本研究结果显示了在城市能源消费碳排放计算核算过程中，不同的数据类型与核算方法选择将对结果产生影响。其中，基于能源平衡表的算法结果与基于一次能源消费量的算法结果较为一致，而基于能源终端消费量的算法结果与前两者出入较大。造成数值出现差异的原因可归纳为以下几点：（1）排放因子的不确定性。由于3种方法均采用能源消费量的方式“自上而下”进行换算，选择国家尺度平均水平的排放因子

24、，没有考虑地区差异。在北京这样较发达的地区，由于发电发热的技术较为先进，燃烧更为充分，因此排放热值较高，其计算值可能偏低。（2）碳氧化水平。3种核算方法均假设所有化石能源都充分燃烧，但通常部分能源来料将用作非能源用途使用，从而形成固碳。这部分非燃料用途的能源核算将造成核算值偏大。改进方法是利用更为详尽的数据，将不同用途的能源消耗进一步细分。此外，燃料燃烧过程的碳氧化率随技术水平而变化。中国能源燃烧技术效率低于IPCC平均标准，本次研究进行的核算将氧化率统一设定为100%，有可能使计算结果偏高。（3）火力发电与供热部分的计算。基于能源平衡表的算法避免了火力发电与供热部门的重复计算。但在终端能源消

25、费量核算中，由于无法了解电力与热力的具体来源，这一部分计算从边界确定到排放因子选择均存在很大的不确定性，从而增加了核算误差。基于能源平衡表的核算方法从能源平衡的角度明确能源投入、加工、转换及产出流程，如果能对能源消费碳排放计算方法进行修正，可以在一定程度上避免在发电及供热环节的核算误差，从理论上较另外两种方法可靠。然而，由于缺乏更为精细的数据，3种核算方法的精度与准度仍然有待商榷，需要后续相关研究在基于更为详细的数据的基础上，利用自下而上的核算方法分部门进行详细核算，并对比参考方法与部门方法的结果差异。同时，为了满足未来国家对发展低碳经济及实现节能减排目标的需求，我国应尽快完善能源统计体系，在

26、区域尺度上推出更为详细的能源统计标准，保证各尺度区域碳排放核算的准确性与有效性。参考文献（References）:1 World Resources Institute（WRI）.Navigating the Numbers:Greenhouse Gas Data and International Climate PolicyEB/OL.http:/www.wri.org/publication/navigating-the-numbers/,2010-11-05.2 World Resources Institute（WRI）.Climate Analysis IndicatorsTool

27、（CAIT）EB/OL.http:/cait.wri.org/,2010-11-05.3 国家发展与改革委员会能源研究所课题组.中国2050年低碳发展之路:能源需求暨碳排放情景分析M.北京:科技出版社,2009.4 仇保兴.第三次城市化浪潮中的中国范例中国快速城市化的特点、问题与对策J.城市规划,2007,31（6）:9-15.5 中国城市科学研究会.中国低碳生态城市发展战略M.北京:中国城市出版社,2009.6 Kennedy C,Steinberger J,Gasson B,et al.Methodology forinventorying greenhouse gas emissions

28、 from global cities J.Energy Policy,2010,38（9）:4828-4837.7 朱勤,彭希哲,陆志明,等.中国能源消费碳排放的因素分解及实证分析J.资源科学,2010,31（12）:2072-2079.8 赵敏,张卫国,俞立中.上海市能源消费碳排放分析J.环境科学研究,2009,22（8）:985-988.9 邢芳芳,欧阳志云,王效科,等.北京终端能源碳消费清单与结构分析J.环境科学,2007,28（9）:1918-1923.10 刘春兰,陈操操,陈群,等.1997至2007北京市二氧化碳排放变化机理研究J.资源科学,2010,32（2）:235-241.

29、11IPCC.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse GasInventoriesEB/OL.http:/www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/index.html,2010-11-05.12Pachauri,S.,Spreng,D.Direct and indirect energy requirementsof households in IndiaJ.Energy Policy,2002,30（6）:511-523.13 王铮,朱永彬.我国各省区碳排放状况及减排对策研究J.中国科学院院刊,2008

30、,23（2）:109-115.14王冰妍,陈长虹,黄成,等.低碳发展下的大气污染物和CO2排放情景分析J.能源研究与信息,2004,20（3）:137-145.15中华人民共和国国家发展和改革委员会应对全球气候变化司.关于公布2009年中国区域电网基准线排放因子的公告EB/OL.http:/ 第7期资 源 科 学http:/ACalculationMethodofCO2EmissionfromUrbanEnergyConsumptionLIU Zhu1,2GENG Yong1,XUE Bing1,XI Fengming1,JIAO Jiangbo3(1.Chinese Academy of S

31、ciences,Institute of Applied Ecology,Shenyang 110016,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Beijing Energy Conservation&Environment Protection Center,Beijing 100029,China)Abstract:Energy-related CO2emission is one of the largest drivers for accelerating atm

32、osphereradiative forcing which contribute to global warming,and thus needs to be taken in high priorityfor Greenhouse-gas(GHG)emission abatement.Cities,with its aggregation of economic activitiesand associated energy use,are the main contributors of energy consumption CO2emissions andmay be critical

33、 for CO2mitigation and adaptation to climate change.However,uncertainty existsamong urban energy consumption CO2emissions,as the accounting methods of carbon emissionsfor urban energy consumption would affect accounting results,hindering climate adaptation andCO2mitigation policies.Here,we analyzed

34、the discrepancy between different CO2accountingmethods,and illustrated the underlying reasons.The study is based on the reference approach ofIPCC Guideline for National Greenhouse-gas Emission Inventory,adopted Chinas energystatistical data,and categorized energy consumption into three accounting me

35、thods based onapparent energy consumption data,i.e.,1)final energy use of carbon emission from an energyinput-output perspective,2)total energy consumption account by major energy category,and 3)final use account by energy category.Solid,liquid,and gas fuel are accounted for.Furthermore,anaccounting

36、 system of carbon emissions from urban energy consumption was established based onthe three types of accounting methods.Accounting results of carbon emission from energyconsumption in Beijing were obtained with the three methods.Results show that discrepanciesexist among the three types of accountin

37、g methods.By further analyzing the causes of discrepancy,it was concluded that 1)the discrepancy is generally caused by differing account methods andassociated data error;2)the accounting method of CO2emissions based on the energy balancesheet may avoid the omission and double counting of the second

38、ary energy consumption due to itsdirect reflection on the input and output status of energy production and use,and lead to a smallererror compared with other methods in theory.It was indicated that the accounting method based onthe energy balance sheet needs to be placed in high priority for urban energy consumption CO2emission accounting.The current statistics system needs to be more explicit to satisfy thecalculation requirement of carbon emissions from energy consumption.Key words:CO2emission accounting;Energy consumption;China s energy statistics1330