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煤炭清单与减排政策研究

作　者: 黄建
导　师: 梁鸿; 潘克西
学　校: 复旦大学
专　业: 人口、资源和环境经济学
关键词: 煤炭清单 CO2排放强度下降目标环境经济学能源系统工程方法情景分析优化分析规划政策碳排放交易机制
分类号: X322
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

能源在我国经济社会发展过程中占有举足轻重的地位,同时寸能源也是CO2排放的几乎全部来源。目前我国CO2排放量已经超过美国,成为世界上排放量最多的国家,占比接近1/4。未来我国能源需求的动力依然较强,相应产生的排放问题将愈来愈成为国际关注的焦点,面临较大的国际压力。煤炭是我国CO2排放的最主要来源,占比70%以上,因此,研究我国煤炭相关CO2排放的构成、选择关键领域并实施减排政策,将大大减缓我国CO2排放增长的进程。CO2排放清单是指一定时期内用于记录和报告人为产生的CO2排放量的详细列表,周期通常为一年。CO2排放清单的编制范围包括国家层面、区域和城市层面、企业层面以及产品生命周期过程等。政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的一系列温室气体清单指南为研究和编制CO2排放清单提供了指导原则。将煤炭这一特定的能源品种作为单独的部分编制相应的清单,对我国而言,具有特别重要的意义,因此本文提出了煤炭清单的概念,煤炭清单,即国家煤炭利用相关的CO2排放清单,是指一定时期内(通常为一年)记录和报告一国范围内因煤炭利用而产生的CO2排放的详细列表。从研究对象上来看,煤炭清单是国家CO2排放清单的一部分。从研究方法上看,一种是在国家CO2排放清单体系下,基于煤炭消费侧的排放清单方法；另一种是基于煤炭生产和销售侧的排放清单方法；而国家C02排放清单则是基于能源消费侧的排放清单方法；产品CO2排放清单是基于产品生命周期过程的排放清单方法。本文详细分析了当前我国煤炭相关统计体系的主要特点,指出其对于编制煤炭清单的挑战和优势,认为在我国目前的统计体系下,难以应用基于煤炭消费侧的排放清单方法；而我国当前的煤炭生产和销售侧数据相比更适合应用基于煤炭生产和销售侧的排放清单方法来编制煤炭清单,该方法在理论上是IPCC推荐的参考方法的扩展；其现实依据是我国煤炭基本处于自给自足的状态,煤炭销售量主要流向国内用煤部门,进出口量相比生产消费量非常小本文通过研究发现,2005年电力部门耗煤产生的CO2排放量占煤炭相关排放总量的49%,相比1994年的37.2%有较大提高。由于电力是能源的高级形式,能源电化比例越高,能源效率也较高,因此上述比例在未来还将有不断提高的趋势。将电力作为我国未来减排的重点领域,符合我国的基本国情和未来发展的基本趋势。本文对电力部门未来CO2排放趋势和减排政策的分析分别采用环境经济学分析和能源系统工程两种方法,前者对于确定未来我国排放总量趋势、煤炭相关排放趋势以及电力相关排放趋势有重要意义,主要采用环境库兹涅茨曲线的基本思想,着重分析CO2排放强度(而非CO2排放量)和人均GDP(即经济发展阶段)之间的关系,结合我国“十二五”期间CO2排放强度下降17%的规划目标,并基于政策一致性原则,确定未来我国CO2的排放趋势及其排放峰值。分析结果表明,我国将在2038年达到CO2排放的峰值,煤炭利用相关CO2排放的峰值将在该年份之前达到,电力相关CO2排放峰值亦将在该年份左右达到。环境经济学方法从政策角度很好地评估了我国CO2排放强度下降目标的涵义,分析表明,我国“十二五”期间提出的排放强度下降日标相比国际经验更为激进,反映了我国在控制C02排放方面所做出的积极努力。但环境经济学方法仍存在一定局限性,特别是从能源利用到CO2产生的作用过程来看,经历了终端需求、能源转化和能源供应等过程,影响排放的各复杂因素无法体现出来,因此,对具体实施CO2减排政策的指导作用甚微。能源系统工程方法在电力系统上的应用则分别从微观角度分析了电力的终端需求、发电技术的评价以及发电能源的供应等问题,在电力系统分析中应用两种框架——基于情景设置的核算框架(情景分析框架)和优化分析框架。前者主要基于电力需求主要因素、电力技术发展主要因素的情景设置,对电力需求量和电力供应结构进行“自底向上”核算；分析结果表明,基准情景下,2020、2030、2040和2050年的电力需求分别为5004.00,6418.65,8095.83和9443.16 TWh。从供给侧来看,综合技术、经济、管理、政策以及环境等因素,设置了电力供给结构情景,结果表明,各种技术呈现渐进式发展,水电、核电对传统煤电的替代作用较为明显,碳捕集与碳封存(CCS)技术发展缓慢。本文还特别分析了能源技术成本随着技术规模的变化而变化,应用能源技术学习曲线拟合这种关系,对风电和碳捕集技术进行分析和比较,结果显示,风电的单位CO2减排成本略高于碳捕集技术,但考虑了碳运输和封存成本之后,后者将略高于前者。优化分析框架是在电力需求量和CO2排放量约束条件下,研究使得电力系统成本最小化的电力供应结构。优化结果表明,除了需要继续发展水电之外,未来我国还需姚优先增加超(超)临界等高参数燃煤机组的比例,不断降低低参数燃煤机组比例。另外,更严格的CO2排放约束使得核电机组的成本有效性也逐渐体现出来。从2040年之后超(超)临界燃煤机组基础上的CCS技术才具有经济竞争力。相比较而言,风电机组由于其自身成本较高、寿命较短等问题,难以有较大的发展,且风电由于寿命较短,其装机规模呈现波动状态。能源系统工程方法为政府制定电力减排规划政策提供了指导,情景分析过程更为主观,且对技术的评价静态、独立,没有考虑技术特征的动态变化及技术之间的选择过程,但其考虑的因素更为全而,特别是在政策引导、管理因素的考虑上,这些因索是难以量化的；优化分析框架更为客观、科学,考虑各种技术之间的动态变化、选择和互动,但政策目标单一,且由于很多因素难以量化,导致分析可能产生片而性。本文提出了规划政策所需要遵循的主要原则,即系统性、科学性、目标性、完整性和可靠性原则,指出了它们之间的关系。认为当前主要任务是,需要在优化分析框架基础上,继续考虑其它更多、更为复杂的因素,将之量化并纳入到该框架中,即在系统性、科学性和目标性前提下,不断提高完整性。本文基于Lingo软件开发了优化分析程序,为进一步拓展相关研究奠定了重要技术基础。由于可靠性原则是最难以得到保证的原则,必须依赖健全的能源与碳排放统计、报告和核查体系。这也是当前规划政策所面临的最大障碍。可靠性原则同样也是决定我国能否有效实施基于市场的机制——碳排放交易机制的最重要因素。只有在基于配额拍卖的碳排放交易机制下,可以通过企业的自我选择来解决数据和信息的可靠性问题,但其必须依赖完善的市场体系,这在我国还有相当长一段路需要走。本文采用层层递进的过程,首先采用基于生产和销售侧的排放清单方法对煤炭清单进行研究,选择关键领域和类别——电力,然后针对电力系统进行环境经济、技术经济以及系统工程学分析,并对相关政策进行评价。主要创新点如下：第一,提出煤炭清单的概念,并对其理论体系进行初步阐释,划分基于消费侧的排放清单方法与基于生产和销售侧的排放清单方法。在我国煤炭相关生产、销售、消费等活动水平数据、排放因子数据的相关统计体系基础上,认为基于煤炭生产和销售侧的排放清单方法编制煤炭清单具有一定优势,据此编制了2005年煤炭清单,并对其进行不确定性分析。第二,本文将已经出台的CO2排放强度规划目标纳入到相关环境经济学模型框架中,将目标进行分解,得到不同分解路径下的CO2排放总体趋势。在当前国内外相关研究中尚属首次,该方法具有可移植性,在能耗强度目标甚至其它各种规划目标的分析中都具有参考价值。第三,本文尝试建立一套应用于电力系统的能源系统工程分析框架,研究其政策涵义。该分析框架包含基于情景设置的核算框架与有约束条件下的优化框架。传统的能源系统工程分析虽然都涉及了各主要方面,但主要针对的是整个能源系统,如LEAP和MARKAL模型,且在电力需求分析中通常采用计量经济分析方法,忽略了形成电力需求的基本本要素,本文采用“拟专家判断”的方法,影响电力需求的各基本要素进行细致分析,包括文献综述、实地调研等,形成一套“拟专家判断”数据,根据相关数据的分布来分析电力需求的情景；电力供应情景分析与一般的专家判断法不同,主要采用因素综合分析法,即厘清影响电力供应技术的技术、经济、管理、政策以及环境等因素,并设置各自的权重,据此对各种技术进行综合判断并设置相应的情景；电力供应优化分析以约束条件下的最优化为基本思想,与MARKAL模型电力系统模块不同的是,本文考虑的是电力系统成本最小化而非投资费用的最小化,且将技术学习曲线纳入到分析框架中。本文还开发了基于Lingo软件的电力供应优化分析程序,该程序具有相当大的灵活性,不仅方便计算,还便于在以后的研究中将更多、更为全面的约束条件考虑在内。第四,能源系统工程分析方法依赖的重要基础是主要电力技术的评价,在电力技术经济评价中,本文引入了技术学习曲线,结合技术推广路径,对我国风电技术和碳捕集技术进行投资支出、推广时间以及减排成本分析和比较。这一分析路径和方法在目前国内能源研究中还较少见到。本文从总体上尝试为煤炭利用相关的CO2排放问题提供全面、细致的分析框架,从侧重历史排放的排放清单研究到侧重未来发展的环境经济分析、情景分析与优化框架；从宏观趋势分析到基于详细技术特征的“自底向上”分析；从技术自身的评价到技术战略选择再到技术支持政策与机制分析。对于具有明显交叉特点的能源环境学科,上述分析框架为其建设提供了一定参考,具有重要理论意义。当然,本文没有能力处理能源环境学的方方面面,在具体分析上,侧重于煤炭清单研究与电力系统的情景与优化分析等,这对我国以煤为基础、电为中心的能源结构具有重要现实意义。

全文目录

摘要  12-16
Abstract  16-21
第一章引言  21-45
  1.1 研究背景  21-33
    1.1.1 我国能源需求的动力长期范围内不会减退  22-24
    1.1.2 我国碳减排压力将先于能源资源达到瓶颈  24
    1.1.3 化石能源是碳的主要载休  24-27
    1.1.4 化石能源利用是全球二氧化碳排放的主休  27-32
    1.1.5 煤炭利用是我国二氧化碳排放的主体  32-33
  1.2 本研究着重需要解决的问题、思路和方法  33-38
    1.2.1 需要解决的问题  33-34
    1.2.2 思路和方法  34-38
  1.3 研究框架与内容安排  38-44
    1.3.1 研究框架  38-40
    1.3.2 内容安排  40-41
    1.3.3 创新点  41-44
  本章注释  44-45
第二章理论综述与研究基础  45-75
  2.1 二氧化碳排放清单——基于环境管理学的视角  45-63
    2.1.1 国家二氧化碳排放清单  46-61
    2.1.2 区域和城市二氧化碳排放清单  61-62
    2.1.3 企业二氧化碳排放清单  62
    2.1.4 产品二氧化碳排放清单  62-63
  2.2 二氧化碳排放趋势的经济分析——环境经济学理论  63-66
    2.2.1 环境库兹涅茨曲线  63-64
    2.2.2 多因素影响模型  64-65
    2.2.3 环境库兹涅茨曲线的扩展  65
    2.2.4 各种经济分析模型存在的主要不足  65-66
  2.3 二氧化碳排放的核算和优化框架——能源系统工程学方法  66-69
    2.3.1 二氧化碳排放的核算框架  67-68
    2.3.2 二氧化碳排放的优化框架  68
    2.3.3 上述研究框架存在的主要不足  68-69
  2.4 减排技术的评价与选择  69-73
    2.4.1 减排技术的推广路径  69
    2.4.2 减排技术的成本  69-70
    2.4.3 减排技术的选择  70-73
  2.5 研究基础  73
  本章注释  73-75
第三章煤炭清单及其不确定性分析  75-107
  3.1 煤炭清单理论  75-86
    3.1.1 煤炭清单的内涵  75-76
    3.1.2 煤炭清单的关键要素  76-81
    3.1.3 排放清单的不确定性分析  81-86
  3.2 我国煤炭流量数据的搜集、统计与报告体系  86-95
    3.2.1 我国煤炭生产最数据及其搜集、统计与报告  86-89
    3.2.2 煤炭销售量、进出口、库存变化数据及其搜集、统计与报告  89-92
    3.2.3 我国煤炭消费量数据及其搜集、统计与报告  92-95
  3.3 我国煤炭质量指标的来源、统计与分析  95-98
    3.3.1 煤炭的含碳量  95-98
    3.3.2 煤炭的发热量  98
    3.3.3 煤炭的潜在碳排放因子  98
  3.4 编制煤炭清单面临的挑战与优势  98-100
    3.4.1 基于煤炭消费侧编制煤炭清单面临的挑战  98-99
    3.4.2 基于煤炭生产和销售侧编制煤炭清单  99-100
    3.4.3 煤炭清单的组织架构  100
  3.5 煤炭清单结果与分析  100-104
  3.6 本章小结  104
  本章注释  104-107
第四章我国二氧化碳强度政策分析与未来排放路径  107-125
  4.1 我国未来二氧化碳排放路径研究  107-117
    4.1.1 "十二五"期间二氧化碳排放强度目标的分析与评价  107-108
    4.1.2 "十二五"期间二氧化碳排放强度目标的分解与拟合  108-114
    4.1.3 我国未来二氧化碳排放的路径分析  114-117
  4.2 我国未来煤炭相关二氧化碳排放路径分析  117-119
    4.2.1 煤炭相关CO_2排放路径一  118
    4.2.2 煤炭相关CO_2排放路径二  118
    4.2.3 煤炭相关CO_2排放路径三  118-119
    4.2.4 路径比较  119
  4.3 电力占煤炭消费的比例将越来越高  119-122
    4.3.1 电力是能源的高级形式  120-121
    4.3.2 我国未来电力相关二氧化碳排放路径分析  121-122
  4.4 本章小结  122-123
  本章注释  123-125
第五章电力系统相关上中下游部门的分析  125-181
  5.1 下游需求特征分析  125-128
    5.1.1 宏观经济情况  125
    5.1.2 居民生活部门  125-126
    5.1.3 工业部门  126-127
    5.1.4 第三产业  127-128
  5.2 中游技术转换分析  128-157
    5.2.1 减少对化石能源的依赖——核电与可再生发电  128-132
    5.2.2 高效燃煤发电技术与煤炭清洁利用技术  132-145
    5.2.3 切断煤炭利用与碳排放的联系——碳捕集与碳封存技术  145-157
  5.3 我国未来低碳技术与发展路径的技术经济模型分析  157-172
    5.3.1 理论研究与模型构建  159-164
    5.3.2 风电技术发展的情景分析  164-168
    5.3.3 碳捕集技术发展及其与风电的比较  168-172
  5.4 上游资源供应分析  172-177
    5.4.1 我国煤炭资源丰富,分布极不平衡  172-175
    5.4.2 我国水力资源丰富,分布不平衡  175-176
    5.4.3 风能资源丰富,但风电自身存在瓶颈  176-177
  5.5 本章小结  177
  本章注释  177-181
第六章电力部门二氧化碳排放的情景分析与优化  181-217
  6.1 电力需求与发电部门二氧化碳排放的情景分析  182-200
    6.1.1 LEAP模型相关模块  183-185
    6.1.2 电力需求情景描述与设置  185-189
    6.1.3 电力需求情景分析结果与不确定性  189-193
    6.1.4 电力供应与二氧化碳排放情景分析  193-200
  6.2 发电部门的优化模型  200-215
    6.2.1 最优化问题与模型选择  200-205
    6.2.2 模型构建  205-207
    6.2.3 模型外生变量设定  207-210
    6.2.4 模型结果与分析  210-215
  6.3 本章小结  215
  本章注释  215-217
第七章结果比较与政策思考  217-225
  7.1 情景和优化结果对规划政策的指导意义  217-220
    7.1.1 情景分析的规划涵义  218
    7.1.2 优化分析的规划涵义  218-219
    7.1.3 规划政策的原则  219-220
  7.2 基于市场的减排政策——碳排放交易机制  220-223
    7.2.1 排污权交易机制及其要素  220-221
    7.2.2 碳排放交易机制的国际框架与实践  221-222
    7.2.3 碳排放交易机制在我国实施的可能性与可行性  222-223
  7.3 本章小结  223
  本章注释  223-225
第八章结论  225-229
主要参考文献  229-239
附件  239-259
后记  259-261

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