基于分解模型的全過程節(jié)能減排定量評價方法及應(yīng)用

但智鋼,段 寧,郭玉文,李旭華(.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境保護部清潔生產(chǎn)中心,北京 000；.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室,北京 000)

基于分解模型的全過程節(jié)能減排定量評價方法及應(yīng)用

但智鋼1*,段 寧1,郭玉文2,李旭華1(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境保護部清潔生產(chǎn)中心,北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室,北京 100012)

依據(jù)因子分解模型的分析結(jié)果,建立了全過程節(jié)能減排控制節(jié)能指數(shù)和減排指數(shù)定量化計算方法,提出全過程控制指數(shù)評價的重要原則,并對不同國家各因子的節(jié)能效果和SO2減排作用進行了定量化評價.結(jié)果表明,我國1986～2005年全過程控制節(jié)能指數(shù)只有0.6,低于發(fā)達國家1973～1990年的0.86;我國1995～2005年SO2減排指數(shù)為0.75,遠低于日本1975～1996年的1.07.我國技術(shù)進步和末端治理的節(jié)能減排指數(shù)偏低,現(xiàn)階段我國應(yīng)加強技術(shù)進步和末端治理的減排能力建設(shè),同時注意結(jié)構(gòu)調(diào)整,發(fā)揮其應(yīng)有的節(jié)能減排效果.

節(jié)能減排；SO2；評價方法；分解模型

Abstract：Quantitative methods calculating life-cycle control index (LCCI) in energy conservation and emissions reduction were created by results from decomposition analysis. Evaluating principle of LCCI were also put forward and applied in quantitative evaluation results from each factor contributing to energy-saving and sulfur dioxide emission reduction in different countries. Energy conservation LCCI of China during 1986～2005 was 0.6, lower than the developed countries of 0.86 in 1973～1990, and 0.75 for sulfur dioxide emission reduction LCCI of China during 1995～2005, much lower than Japan’s 1.07 in 1975～1996. The reason was that contribution from technology progress and end-of-pipe (EOP) was low. Presently, more projects in technological progress and EOP should be taken for realization of pollutants reduction targets, as well as role of structural adjustment.

Key words：energy conservation and emissions reduction；sulfur dioxide；evaluating methods；decomposition analysis

目前,我國節(jié)能減排工作取得了顯著的效果,2007年我國SO2排放量比2005年下降3.18%[1].節(jié)能減排工作涉及結(jié)構(gòu)減排、工程減排和管理減排等多種手段,定量化評價節(jié)能減排中各因素的效果能科學(xué)掌握節(jié)能減排動向,為確定節(jié)能減排重點方向提供指導(dǎo).早在20世紀70年代初期,研究者就采用因子分解法研究能源消費強度和結(jié)構(gòu)調(diào)整對能源消費量的影響[2-3].目前,因子分解法的應(yīng)用范圍已從能源消費領(lǐng)域,擴大到環(huán)境領(lǐng)域(如污染物和溫室氣體的排放),它能定量分析結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進步和末端治理等措施在節(jié)能減排中所起到的作用[4-6].已往的研究多采用各因素的分解值與實際變化值之比反映各因素對整體的貢獻情況.這種方法既不適應(yīng)最終變化值為負值時的情形,更重要的是不能反映總量,即最終消費量或污染物排放量的變化.如何更好地利用計算結(jié)果進行分析是分解模型應(yīng)用的重要內(nèi)容之一.本研究采用因子分解模型定量分析了各因子在節(jié)能減排中的貢獻,建立全過程控制節(jié)能指數(shù)和減排指數(shù)計算方法,提出全過程控制指數(shù)評價的原則,并對不同國家各因子的節(jié)能效果和SO2減排作用進行了定量化評價.

1 模型與評價方法

1.1分解模型

以SO2排放為例,工業(yè)SO2排放量2SOP排放量是各行業(yè)排放量的累加,可用下式表示:

式中: Gt、Iti、Sti、Eti分別代表經(jīng)濟規(guī)模、技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理4個指標因子,是分解模型的常用指標因子.經(jīng)濟規(guī)模Gt用GDP來反映;技術(shù)進步Iti為單位經(jīng)濟產(chǎn)出能源消費量和污染物排放量,反映資源節(jié)約和高效資源利用等先進技術(shù)的應(yīng)用情況;結(jié)構(gòu)調(diào)整Sti是各行業(yè)GDP占整個GDP的比例,反映各行業(yè)對能源消費和污染物排放量的貢獻,高能耗、高污染行業(yè)比重越大,能源消費量和污染物排放量越難降下來;末端治理Eti反映各行業(yè)通過末端治理設(shè)施減少污染物排放的情況.

同理,能源消費量只有經(jīng)濟規(guī)模、技術(shù)進步和結(jié)構(gòu)調(diào)整3個因子,可記為

因子分解的主要方法有Lasperyses因子分解法、改進的Lasperyses因子分解法、算術(shù)平均指數(shù)分解法和對數(shù)平均指數(shù)分解法等方法,其中Lasperyses因子分解法應(yīng)用較多[7-10].本文采用Sun[11]提出的全分解模型,在[0, t]時間內(nèi)工業(yè)SO2的變化量由經(jīng)濟規(guī)模效應(yīng)(G效應(yīng))、結(jié)構(gòu)調(diào)整效應(yīng)(S效應(yīng))、技術(shù)進步效應(yīng)(I效應(yīng))和末端治理效應(yīng)(E效應(yīng))組成,由下列公式計算:

1.2評價方法

提出全過程控制節(jié)能指數(shù)Ce和全過程控制減排指數(shù)Cp.所謂全過程控制是對分解模型中除經(jīng)濟規(guī)模因素外的其他因素共同作用的統(tǒng)稱.

1.2.1全過程控制節(jié)能指數(shù) 對能源消費量,將分解模型的技術(shù)進步和結(jié)構(gòu)調(diào)整因素取得的節(jié)能效果之和與經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的能源消費量增加量的比值定義為全過程控制節(jié)能指數(shù)Ce.顯然,全過程控制節(jié)能指數(shù)由2部分組成,一個是技術(shù)進步節(jié)能指數(shù),另一個是結(jié)構(gòu)調(diào)整減排指數(shù).

以ΔEe表示經(jīng)濟規(guī)模擴大將導(dǎo)致的能源消費增加量; ΔEi和ΔEs分別表示技術(shù)進步和結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)能效果.那么,

式中: ΔEi/ΔEe為技術(shù)進步的節(jié)能指數(shù), ΔEs/ΔEe為結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)能指數(shù).

1.2.2全過程控制減排指數(shù) 對污染物排放量,將分解模型的技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理因素取得的減排效果之和與經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的污染物排放增加量的比值定義為全過程控制減排指數(shù)Cp.同理,全過程控制節(jié)能指數(shù)由3部分組成,分別是技術(shù)進步減排指數(shù)、結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能指數(shù)和末端治理減排指數(shù).

以ePΔ表示經(jīng)濟規(guī)模擴大導(dǎo)致的污染物排放增加量;1PΔ、sPΔ、PPΔ分別表示技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理取得的減排效果.即:

式中: ΔPi/ΔPe為技術(shù)進步減排指數(shù),ΔPs/ΔPe為結(jié)構(gòu)調(diào)整減排指數(shù), ΔPp/ΔPe為末端治理減排指數(shù).

2 模型應(yīng)用

2.1數(shù)據(jù)來源

能源消費量相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》[12],SO2相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《中國環(huán)境年鑒》[13],工業(yè)增加值及各行業(yè)增加值來自《中國統(tǒng)計年鑒》[14].為了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一比較,對國民經(jīng)濟中現(xiàn)有的各個工業(yè)行業(yè)按其SO2排放貢獻比例進行了歸并,分為18個工業(yè)行業(yè)類別.能源消費量分析時間為1986～2005年,SO2排放量分析時間為1995～2005年.

2.2能源消費量分解

2.2.1國外能源消費量分解結(jié)果 根據(jù)Sun[11]的計算結(jié)果,由表1可見,經(jīng)濟規(guī)模因素總是引起能源消費量增加,結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步因素在不同的國家有不同的表現(xiàn),這反映這個國家和地區(qū)在某段時間內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步,做的好,二者都是促進能源節(jié)約的有效手段.發(fā)達國家結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步因素引起的能源消費節(jié)約量分別達到20435,106916萬t(油當量),而最終實際能源消費增加量僅為21470萬t,僅增加了8%左右,同期其GDP卻增長了56%.2.2.2我國能源消費量分解結(jié)果 表2為1986～2005年我國能源消費量分解模型計算結(jié)果,1986～1990年、1990～1995年、1995～2000年和2000～2005年4個時間段,經(jīng)濟規(guī)模因素導(dǎo)致我國工業(yè)能耗分別增加2.9,7.4,4.2,11.4億t(標煤),技術(shù)進步因素分別節(jié)能1.8,4.9,4.0,5.6億t,結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能效果較小,2000～2005年甚至起到反作用.與國外情況類似,經(jīng)濟發(fā)展必然引起能源消費量增加,但結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步因素在不同時期有不同的表現(xiàn),導(dǎo)致最終能源消費量是增加還是減少.1995～2000年最終能源消費下降是經(jīng)濟增長幅度放慢,同時技術(shù)進步和結(jié)構(gòu)調(diào)整又保持較好的節(jié)能效果導(dǎo)致,然而這只是偶然現(xiàn)象,2000～2005年的結(jié)果說明了這一點.

表1 1973～1990年不同國家和地區(qū)能源消費量分解結(jié)果 (×104t油當量)Table 1 Decomposition results on energy consumption of different regions during 1973～1990 (×104toe)

表2 我國主要工業(yè)行業(yè)能源消費量分解模型計算結(jié)果 (×104t標煤)Table 2 Decomposition results on energy consumption of major industry in China (×104tce)

2.2.3全過程控制節(jié)能指數(shù)評價 由圖1可見,發(fā)達國家節(jié)能做的最好,全過程控制節(jié)能指數(shù)最高達1.11,東歐及前蘇聯(lián)國家次之,發(fā)展中國家的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步因素沒有起到節(jié)能的作用.

圖1 不同時間段不同國家和地區(qū)的全過程控制節(jié)能指數(shù)Fig.1 Life-cycle control index of energy saving at different stages in regions

圖2 不同時間段我國全過程控制節(jié)能指數(shù)變化Fig.2 Life-cycle control index of energy saving at different stages in China

由圖2可見,除1995～2000年因經(jīng)濟增長幅度放慢最終能源消費下降,全過程控制節(jié)能指數(shù)超過1以外,其他時間段內(nèi)我國全過程控制節(jié)能指數(shù)均較低,只有0.6左右,遠低于發(fā)達國家1973～1990年的0.86.我國結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)能指數(shù)在0左右徘徊,沒能發(fā)揮出結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)起到的節(jié)能效果.

2.3SO2排放量分解

2.3.1日本SO2排放量分解結(jié)果 表3為日本SO2排放量分解結(jié)果[15],由表3可以看出,1975～1996年由于經(jīng)濟規(guī)模因素將導(dǎo)致SO2排放量增加2225.6萬t,而實際SO2排放量從1975年的263.8萬t降到1996年的104萬t,下降了159.8萬t.SO2排放量降低是結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進步和末端治理綜合作用的結(jié)果,這3個因素在1975～1996年間對SO2減排的貢獻分別為679.9, 1541.9,163.6萬t.分階段來看,日本因經(jīng)濟規(guī)模擴大將導(dǎo)致SO2排放量每年平均增加80萬t左右,而SO2實際排放量在4個階段均減少.

表3 日本SO2排放量分解結(jié)果 (×104t)Table 3 Decomposition results on sulfur dioxide emission in Japan (×104t)

2.3.2我國SO2排放量分解結(jié)果 由表4可以看出,1995～2005年由于經(jīng)濟規(guī)模因素將導(dǎo)致SO2排放量增加2291.2萬t,實際SO2排放量增加了575.5萬t,其中結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進步和末端治理的減排貢獻分別為29.1,1361.1,325.4萬t.對比來看,我國1995～2005年期間結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進步和末端治理的SO2減排能力與日本1975～1996年的水平有明顯差距.

2.3.3全過程控制減排指數(shù)評價 由圖3可見,日本SO2減排指數(shù)在所有時間段內(nèi)均超過1,技術(shù)進步減排指數(shù)最大,結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端減排次之.我國SO2減排指數(shù)在所有時間段內(nèi)維持在0.75,結(jié)構(gòu)調(diào)整的減排指數(shù)較低.我國現(xiàn)階段SO2減排水平與日本仍有相當大的差距.

表4 我國主要工業(yè)行業(yè)SO2排放量分解模型計算結(jié)果 (×104t)Table 4 Decomposition results on sulfur dioxide emission of major industry in China (×104t)

圖3 不同時間段日本與中國全過程控制SO2減排指數(shù)Fig.3 Life-cycle control index of sulfur dioxide emission reduction at different stages in Japan and China

2.4討論

2.4.1全過程控制指數(shù)評價的總量趕超原則 根據(jù)全過程指數(shù)的定義,一段時期內(nèi)能源消費和污染物排放量變化值分別如下:

顯然,在經(jīng)濟增長的前提下,只有Ce、Cp＞1,才能使ΔE能源、ΔP污染物＜ 0,實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與能源消費量和污染物排放量的脫鉤.

總量趕超原則是全過程控制取得的節(jié)能或減排效果趕超經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的能源消費量增加量或污染物排放增加量,最終能源消費總量減少,污染物排放總量下降.

全過程控制指數(shù)以1為臨界點,當全過程控制節(jié)能指數(shù)Ce＞1時,全過程控制取得的節(jié)能效果趕超經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的能源消費量增加量,最終能源消費總量減少;當全過程控制減排指數(shù)Cp＞1時,全過程控制取得的減排效果趕超經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的污染物排放增加量,最終污染物排放總量下降.反之,兩者小于1時,則不能實現(xiàn)趕超目標.

2.4.2全過程控制指數(shù)評價的全過程原則 全過程原則是指全過程控制指標因子取得的節(jié)能或減排效果均衡協(xié)調(diào),有主有次,缺一不可.研究表明,技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理三者的均衡、協(xié)調(diào)發(fā)展是經(jīng)濟增長不一定導(dǎo)致能源消費量和污染物排放量增加的前提.以1973～1990年發(fā)達國家的能源消費為例,其技術(shù)進步的節(jié)能作用明顯,技術(shù)進步節(jié)能指數(shù)高達0.72,結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能指數(shù)達0.14(表1中數(shù)據(jù)按公式(9)計算結(jié)果).

發(fā)展模式的選擇將最終決定能源消費量和污染物排放量的變化,從全過程控制在發(fā)達國家和日本的節(jié)能減排效果來看,通過技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理3因子的均衡、協(xié)調(diào)發(fā)展,可實現(xiàn)經(jīng)濟高速增長過程的節(jié)能減排目標.

2.4.3科技進步主導(dǎo)節(jié)能減排效果 技術(shù)進步是節(jié)能減排的最主要因素,其次是結(jié)構(gòu)調(diào)整,最后是末端治理.發(fā)達國家在1973～1990年,技術(shù)進步的節(jié)能指數(shù)達到0.72,與同期結(jié)構(gòu)調(diào)整0.14的節(jié)能指數(shù)相比,技術(shù)進步的節(jié)能作用占絕對的主導(dǎo).技術(shù)進步的減排作用同樣占主導(dǎo),日本SO2減排實踐表明,1975～1996年技術(shù)進步的減排指數(shù)0.69,結(jié)構(gòu)調(diào)整為0.31,末端治理為0.07.可以看出,技術(shù)進步對污染物削減作用始終起到?jīng)Q定性作用.與技術(shù)進步的作用相比,末端治理、結(jié)構(gòu)調(diào)整的污染物削減作用有限.

3 結(jié)論

3.1依據(jù)因子分解模型各因子的分解結(jié)果,建立了全過程控制節(jié)能指數(shù)和減排指數(shù)定量化計算方法,提出以全過程控制指數(shù)評價節(jié)能減排效果.當全過程控制節(jié)能指數(shù)Ce＞1,全過程控制取得的節(jié)能效果趕超經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的能源消費量增加量,最終能源消費總量減少;當全過程控制減排指數(shù)Cp＞1時,全過程控制取得的減排效果趕超經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的污染物排放增加量,最終污染物排放總量下降.

3.2提出節(jié)能減排效果評價的3個重要原則:總量趕超原則即全過程控制的指標因子集中作用的結(jié)果能否趕得上經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致的能源消費量和污染物排放量.全過程原則即技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理均衡、協(xié)調(diào)發(fā)展;技術(shù)主導(dǎo)原則即技術(shù)進步是節(jié)能減排的最主要因素,其次是結(jié)構(gòu)調(diào)整,最后是末端治理.

3.3我國1986～2005年全過程控制節(jié)能指數(shù)只有0.6,低于發(fā)達國家1973～1990年的0.86;我國1986～2005年SO2減排指數(shù)為0.75,遠低于日本1975～1996年的1.07.其中我國技術(shù)進步和末端治理的節(jié)能減排指數(shù)偏低,結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)能減排指數(shù)甚至是0.現(xiàn)階段我國應(yīng)重點進行結(jié)構(gòu)調(diào)整,發(fā)揮其應(yīng)有的節(jié)能減排效果,同時進一步提升技術(shù)進步和末端治理的節(jié)能減排能力.

[1] 趙華林.踐行科學(xué)發(fā)展觀,全力推進污染減排 [J]. 環(huán)境保護, 2009,411(1A):35-38.

[2] Jenne J, Cattell R. Structural change and energy efficiency in industry [J]. Energy Economics, 1983,5(2):114-123.

[3] Marlay R. Trends in industrial use of energy [J]. Science, 1984,226(4680):1277-1283.

[4] Boyd G A, Hanson D A, Sterner T. Decomposition of changes in energy intensity: A comparison of the Divisia index and other methods [J]. Energy Economics, 1988,10(4):309-312.

[5] Liu X Q, Ang B W, Ong H L. The application of the Divisia index to the decomposition of changes in industrial energy consumption [J]. Energy Journal, 1992,13(4):161-177.

[6] Paul S, Bhattacharya R N. CO2emissions from energy use in India: a decomposition analysis [J]. Energy Policy, 2004,32(5): 585-593.

[7] Albrecht J, Francois D, Schoors K. A Shapley decomposition of carbon emissions without residuals [J]. Energy Policy, 2002,30(9): 727-736.

[8] Ang B W, Zhang F Q. A survey of index decomposition analysis in energy and environmental studies [J]. Energy, 2000, 25(12): 1149-1176.

[9] Liaskas K, Mavrotas G, Mandaraka M, et al. Decomposition of industrial CO2emissions: The case of European Union [J]. Energy Economics, 2000,22(4):383-394.

[10] Sun J W. Decomposition of aggregate CO2emissions in the OECD: 1960-1994 [J]. The Energy Journal, 1999,20(3):147-155.

[11] Sun J W. Changes in energy consumption and energy intensity: a complete decomposition model [J]. Energy Economics, 1998, 20(1):85-100.

[12] 國家統(tǒng)計局工業(yè)交通司.中國能源統(tǒng)計年鑒(1987-2006) [Z].北京:中國統(tǒng)計出版社, 1988-2007.

[13] 中國環(huán)境年鑒編輯委員.中國環(huán)境年鑒(1996-2006) [Z]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1997-2007.

[14] 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒(1987-2006) [Z]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 1988-2007.

[15] Sawa T. Japan’s experience in the battle against air pollution [M]. Tokyo: Pollution-Related Health Damage Compensation and Prevention Association, 1997:121-124.

A quantitative evaluation method based decomposition analysis and its application on the life-cycle effect of energy

conservation and emission reduction

. DAN Zhi-gang1*, DUAN Ning1, GUO Yu-wen2, LI Xu-hua1(1.Cleaner Production Centre of Ministry of Environmental Protection, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Ministry of Environmental Protection Key Laboratory of Eco-industry Studies, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：852～857

X24

A

1000-6923(2010)06-0852-06

但智鋼(1979-),男,江西九江人,助理研究員,博士,主要從事清潔生產(chǎn)及資源循環(huán)利用技術(shù)研發(fā)及評估.發(fā)表論文30余篇.

2009-11-04

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009zx07529-005-01)

* 責(zé)任作者, 助理研究員, dash_2001@163.com