钢铁工业碳排放的影响因素研究

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随着全球二氧化碳排放的日益严峻,越来越多的学者开始研究在工业化过程中缓解由资源能源利用带来的温室气体排放问题。FriedlB.,Get-nerM•[7]则通过以奥地利1960~1999年期间的数据为对象,对经济发展和二氧化碳之间的关系进行了研究,研究结果确定了国内生产总值和1m3(即N型)二氧化碳排放量之间的关系;在现有研究文献中,Kaya确定了经济、社会同温室气体排放之间的关系,而后国内众多的学者均以此为基础开展研究。王锋,吴丽华和杨超[8]运用对数平均Divisia指数分解法研究了中国经济发展中二氧化碳排放量增长的驱动因素。贾俊松[9]采用递阶偏最小二乘方法,采集了1952~2006年我国大陆区的社会、经济、人口及自然环境等方面共36个指标的数据进行了研究。结果表明:我国碳排放重要的宏观驱动因素来自于人类生活和生产等活动强度均较大的领域及人口数量与经济发展水平,不重要的宏观驱动因素则来自几乎无法反映人类活动强度的领域。Angetal[10],Liuetal[11]和陈诗一[6]采用结构分解法(SDA)与对数均值迪式指数分解法研究了碳排放量的度量;国内学者对我国钢铁工业碳排放问题的研究,主要包括钢铁工业的发展模式和影响因素。何枫[12]等运用数据包络分析方法选取我国钢铁上市公司2005~2008年的数据进行研究,分析了企业效率提升后对碳排放的影响。邓杰敏[13]研究了全球24个主要钢铁生产国钢产量与碳排放量统计数据,研究表明:(1)二者间呈现较高的相关性,且相关系数也存在着明显的差异。(2)发展中国家目前存在的高排放、高能耗的粗放型生产方式是造成高度碳排放的重要原因。王威威,高知灵和李国翠等[14]研究了铁钢比、能源结构、能源效率、钢产量等造成我国钢铁行业二氧化碳排放总量大的主要原因。张敬,张芸和张树深等[15]在详细分析我国钢铁工业生产工艺流程、二氧化碳产生机理及碳排放影响因素的基础上,构建了涉及工序能耗、燃料组成、技术特征以及资源效率4个子系统构成的钢铁行业二氧化碳排放影响因素综合评价指标体系,分析了我国钢铁工业二氧化碳的减排潜力,为管理者制定碳减排措施提供重要的理论依据。

与现有研究文献相比,本文的创新与研究特色体现在以下几个方面:(1)对钢铁工业产品和能源刚性需求的考虑。在现有文献中大多没有考虑到我国钢铁工业能源和产品需求刚性特征,这两个因素可以说对我国钢铁工业碳排放和制定减排策略尤为重要。(2)方法创新。本文采用钢铁工业的五大工序的能源消耗和产出数据,根据各种能源的碳排放因子,来计算各工序的碳排放数据,计算结果更为准确。(3)确立了钢铁工业碳排放与其影响因素之间的关系。本文依据日本学者YoichiKaya提出的Kaya[16]恒等式将钢铁工业的碳排放量分解为各因素之和,确立了每一个影响因素与碳排放量之间的关系。

模型和数据

1模型与数据

钢铁工业二氧化碳排放总量的数据来源于二氧化碳信息分析中心和中国能源统计年鉴,其他数据均来源中国钢铁统计年鉴、中国统计年鉴以及国泰安数据库,样本区间为1981~2010年,采用的计量分析软件为Eviews7•0。根据前文的评述,结合日本学者YoichiKaya提出的Kaya恒等式和林伯强、刘希颖的研究将钢铁工业的碳排放分解为4个主要影响要素:CP(工业增加值碳强度)、EP(能源消耗强度)、GE(能源消耗经济效益强度)和PE(钢铁消耗量),以解释钢铁工业的经济活动与碳排放之间的关系。其中,CO代表钢铁工业二氧化碳排放量,EC代表钢铁工业的能源消耗量,GP代表钢铁工业的增加值,PR代表钢铁消耗量,CP=CO/GP表示工业增加值碳强度,EP=EC/PR表示能源消耗强度,GE=GP/EC表示能源消耗经济效益强度(具体如表1所示)。本文针对我国工业化的特征,利用协整方法分析我国钢铁工业碳排放与各个影响因素之间的长期均衡关系。通过建立我国钢铁工业二氧化碳排放量与产业增加值强度(CP)、能源消耗强度(EP)、能源消耗经济效益强度(EP)和钢铁消耗量(PR)之间的协整方程来探究这4种因素与钢铁工业二氧化碳排放之间的长期均衡关系:CO=f(CP,EP,GE,PR)(2)其中,本文对二氧化碳排放量的计算做详细说明,二氧化碳排放量为生产钢铁产品过程中的直接排放量和间接排放量之和,在生产钢铁过程中燃料消耗直接排放的二氧化碳和工艺过程中排放的二氧化碳称为直接排放。将因耗外购电力、外购焦炭、进口钢铁而导致的二氧化碳排放称为间接排放。其直接排放的计算方法与参数设定参照林伯强[8]和涂正革[17]的设定方法,燃煤、焦炭和天然气燃烧的碳排放分别等于其能源消费量、能源转化率和二氧化碳排放系数三者的乘积之和。

2模型求解

在时间序列的数据研究中,我们会经常遇到本身是非平稳的经济变量。但是,它们的线性组合确有可能是平稳序列。这种平稳的线性组合被称为协整方程,且可被解释为变量之间的长期稳定的均衡关系[18]。对于多个变量之间的协整关系检验通常采用的是Johansen协整检验方法,它是一种以VAR模型为基础的检验回归系数方法。其P阶的VAR模型具体形式如下:Yt=A1Yt-1+A2Yt-2+……+ApYp-1+BXt+εt(4)其中,Yt是k维的非平稳的I(1)向量,Xt是d维的确定性的外生变量。(1)在进行协整检验之前,必须对每一个变量进行平稳性检验,只有在得出序列为平稳性序列之后,才能对其进行协整检验分析。本文在综合考虑前人研究的基础上采用ADF(AugmentedDickey-Fuller)检验和PP(Phillips-Perron)检验两种检验方法。通过Eviews7•0得出所有变量均在5%的显著水平下达到二阶平稳(结果如表3所示),满足建立协整方程的必要条件。(2)本文采用Johansen协整检验方法,依据Eviews7•0的检验结果,在5%的水平下,提取一个协整方程如下(括号内为标准差)如式(5)所示:根据式(5)可以看出,所有变量系数均符合其经济意义,且在5%的置信水平下通过t统计量检验,R2为0•997189说明模型的整体拟合度较高。另外,也可以看出在1981~2010年间,我国钢铁工业的碳排放量与工业增加值碳强度、能源消耗强度、能源消耗经济效益强度和钢铁消耗量有着稳定的均衡关系。并且从影响度的大小来看,对钢铁工业的碳排放影响最为显著的是工业增加值碳强度和能源消耗强度,其次为能源经济效益强度和钢铁消耗量。其中,工业增加值碳强度、能源消耗强度和钢铁消耗量每增加1个百分点分别会带动钢铁工业的碳排放同向变动0•686个百分点、0•251个百分点和0•173个百分点,而能源消耗经济效益强度增加1百分点会带动钢铁工业的碳排放反向变动0•242个百分点。可见,未来政策调整的重点应该在于降低钢铁工业增加值碳强度和提高能源消耗经济效益强度这两个影响指标。并且根据式(5)降低工业增加值碳强度能够为我国钢铁工业碳减排带来显著的效果。

钢铁工业碳排放的影响因素分析

1钢铁工业二氧化碳排放量:现状及原因

我国钢铁工业一直以来作为我国高能耗、高排放产业之一,其每年的能源消耗量约占我国能源消费总量的15%,占工业能源消费总量的23%左右,如1981~2010年间其能源消费总量从6496万吨标煤增长到61982•12万吨标煤,增长了8•54倍多,年均能源消耗量为1900万吨左右。相应的随着能源消耗量的增长,钢铁工业的碳排放也在大幅度的增长。据本文计算显示,我国钢铁工业二氧化碳排放量从1981年的15915•2万吨增长到2010年的151856•19万吨,年均增长率为8•35%。对此,本文认为有以下几种原因:(1)近几年以来,我国经济的高速增长,特别是2003~2005年我国GDP增长率都在10%以上,高速的经济增长带动了我国钢铁工业的快速发展,我国钢铁消耗量从2000年的14742•14万吨增加到2010年的81270•31万吨,增长了4•51倍。由上文钢铁消耗量与碳排放的关系可知,钢铁消耗量的增加导致了碳排放的快速增长;(2)我国正处于工业化发展的后期和城市化进程中,对钢铁产品需求量也逐步的加大。由此同理可知,工业化和城市化进程中的碳排放量也将逐渐加大;(3)目前我国钢铁工业的生产方式还是粗放型的生产方式,在钢铁工业中还没有大规模采用降低二氧化碳的技术。因此,在我国钢铁工业粗放型增长阶段中,碳排放必然也呈现快速的增长趋势。从不同发展阶段来看,1981~1994年我国钢铁工业二氧化碳排放量增长了0•86倍,年均增长率为4•92%;1995~2010年我国钢铁工业二氧化碳排放量增长了4•01倍,年均增长率为11•13%,比1981~1999年阶段年均增长率高6•21个百分点。可见,钢铁工业规模的扩大对钢铁工业碳排放增幅的贡献逐步增大。从不同工序来看,炼铁工序是钢铁生产中能耗最大的工序,其单位产品能耗约占整个钢铁过程的70%。2005年重点钢铁企业中炼铁工序单位产品的碳排放量为936•81千克/吨,分别是焦化工序和烧结工序的3•16倍和7•07倍。2009年随着对节能减排的重视,重点钢铁企业炼铁工序的单位产品碳排放量有所下降为830•78千克/吨,分别是焦化工序和烧结工序的3•52倍和7•39倍。但从不同工序来说,炼铁工序碳排放分别与焦化工序碳排放、烧结工序碳排放相比有所提高。

2工业增加值碳强度与碳排放

(1)按照1978年价格计算,我国钢铁工业增加值从1981年的91•07亿元,增长到2010年的3068•16亿元,年均增长率为14•91%。根据涂正革[17]的研究,在其他条件不变的情况下,因产业增加值的逐年扩大导致其碳排放量的增加称为碳排放的理论增长规模。1981~2010年我国钢铁工业增加值的年均增长率约为15%,相应地,钢铁工业碳排放的年均增长率理论上应该为10•29%。这也就是说,如果不考虑其他因素,按照目前我国钢铁工业增加值的增长速度,其碳排放量理论上年均增长速度为10•29%。(2)分阶段来看,1981~1994年我国钢铁工业增加值年均增长率为13•9%,理论上带动二氧化碳年均增量为1517•58万吨;1995~2010年间我国钢铁工业增加值的年均增长率为15•72%,理论上带动我国钢铁工业二氧化碳排放年均增长量为1715•64万吨,比1981~1994年间的年均增长量多了198•06万吨。可见,钢铁工业增加值的扩大对其碳排放量增幅的贡献逐步增大。但是,根据我国钢铁工业的实际发展现状,目前我国钢铁工业的过剩产能将超过2亿吨,按照每吨钢材产能投资5000元计算,中国钢铁工业的投资浪费已达1万亿元之多,特别是近几年我国钢铁工业的吨钢利润只有同期国外企业的1/3~1/5[19]。因此,未来从降低我国钢铁工业增加值这一途径来降低其碳减排的空间和潜力不大。但是,若在维持我国钢铁工业增加值增长率的前提下降低其碳排放量(如提高技术水平),仍有较大的潜力。

3能源消耗强度、能源消耗经济效益强度与减排能力

能源消耗强度和能源消耗经济效益强度利用的高低反映能源利用效率水平,能源消耗强度的降低和能源消耗经济效益强度的提升代表着我国钢铁工业技术水平的提高。我国钢铁工业能源消耗强度和能源消耗经济效益强度分别从1981年的2•16吨标煤和140•19元下降和上升到2010年的0•76吨标煤和495•01元,下降了和上升了64•81%、253•1%。而钢铁工业能源消耗强度的下降和能源消耗经济效益强度的提升与我国钢铁工业节能减排技术的推广应用密不可分。因此,节能减排技术的提高是我国钢铁工业能源消耗强度下降和能源消耗经济效益强度提升的主要影响因素。我国钢铁工业能源消耗强度和能源消耗经济效益强度自1981~2010年有了较大幅度的下降和提升,1981年分别为2•16吨标煤和140•19元,2010年分别下降和上升为0•76吨标煤和495•01元,年均下降率和上升率分别为3•1%和5•83%。根据式(5)理论上能源消耗强度和能源消耗经济效益强度的下降导致碳排放的年均下降率分别为0•53%和1•41%。分阶段分析,1981~1994年间,我国钢铁工业能源消耗强度和能源消耗经济效益强度年均下降率和上升率分别为4•26%和8•44%,而能源消耗强度下降和能源消耗经济效益强度上升导致碳排放的年均下降率分别为0•73%和2•04%。1995~2010年我国钢铁工业能源消耗强度和能源消耗经济效益强度年均下降率和上升率分别为2•15%和3•71%,从而导致钢铁工业碳排放年均下降率分别为0•37%和0•89%。而在我国钢铁工业碳排放下降的拉动因素中,节能减排技术拉动占居着重要因素,如:近几年来,我国钢铁工业采用的转炉负能炼钢技术可使吨钢产品节能23•6kg标煤,减少烟尘排放量10mg/m3;电炉优化供电技术可节约用电10~30千瓦时/吨,电炉炼钢生产效率提高5%左右。按照目前我国所处的经济发展阶段,能源消耗强度不可能无限的下降。根据涂正革的研究,我国目前的能源消耗强度仍然处于一个很高的水平。2006年中国单位GDP能耗为世界平均水平的3倍,巴西的3倍,美国的4•5倍,日本的9倍,在全球30个主要国家和地区的排名中倒数第4。因此,提高技术水平降低能源消耗强度,作为我国钢铁工业实现低碳排放的主要途径,仍有较大的空间。

4钢材消耗量与减排空间

钢铁工业是我国国民经济发展的重要产业。改革开放以来,我国经济高速发展,经济规模迅猛扩大,带动着我国消费结构的升级和基础设施投资的加大以及城市化进程的加快,这也是我国工业化发展的必经阶段,也是我国工业化和城市化的快速发展时期。因此,这段时期对我国钢材产量的需求也呈现快速的增长态势,据有关资料统计,1981~2010年由于我国工业化和城市化所带动的钢材消耗量增长了26•07倍,并导致二氧化碳排放增长了33985•25万吨。分阶段来看,1981~1994年间我国钢材消耗量年均增长率为11•08%,带动碳排放的年均增长率为2•77%;1995~2010年我国钢材消耗量年均增长率为13•82%,带动碳排放年均增长率为3•46%。然而,根据我国目前的经济发展概况,吴文东[20]利用组合模型对我国钢材需求量的结果进行了预测,结果表明我国钢材需求量在2020年将达到6•6亿吨左右,并在5~10年内将保持这一水平。何维达[21]也预测了我国钢铁工业未来3年的国内市场需求增长率分别为38•96%,40•82%和45•32%。这主要是因为国内需求的拉动、国内制造业和建筑业的迅速发展、机电产业以及房地产业、交通运输业等等都为我国钢材需求量提供了广阔的市场。因此,未来我国钢材消耗量也必将随之增长。可见,未来提高我国钢材生产的技术水平,降低钢材消耗强度,是当前我国钢铁工业碳减排的重要任务。

主要结论与政策含义

1主要结论

通过以上分析,可以得到几个基本结论:(1)我国国民经济已经进入工业化的快速发展阶段,城市化、房地产等产业的快速发展,拉动钢材消耗迅猛增长,而随之的能源消耗需求也与日俱增,碳排放量迅猛增长,这是我国面临的巨大的挑战之一;(2)我国公布了到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%的减排目标,这一目标对钢铁企业乃至整个钢铁工业将产生巨大且深远的影响,这是我国面临的巨大挑战之二。以此为背景,本文通过考察1981~2010年我国钢铁工业碳排放的趋势和特征,采用Jo-hansen协整检验方法研究了二氧化碳排放量和工业增加值碳强度、能源消耗强度、能源消耗经济效益强度和钢铁消耗量4个主要影响因素之间的关系。结果表明:从影响度的大小来看,对钢铁工业的碳排放影响最为显著的是工业增加值碳强度和能源消耗强度,其次为能源经济效益强度和钢铁消耗量。其中,工业增加值碳强度、能源消耗强度和钢铁消耗量每增加1个百分点分别会带动钢铁工业的碳排放同向变动0•686个百分点、0•251个百分点和0•173个百分点,而能源消耗经济效益强度增加1百分点会带动钢铁工业的碳排放反向变动0•242个百分点。

2政策建议

(1)适度降低我国钢铁工业的增长速度,转变其增长方式,是我国钢铁工业碳减排的重大战略选择。根据前文的研究,可以说我国钢铁工业高速增长是碳排放量增长的最大影响因素。1981~2010年我国钢铁工业的增长规模为2977•09亿元,导致钢铁工业碳排放理论上增长37•28亿吨。平均而言,钢铁工业增加值每增长一个百分点,碳排放量增长25•58万吨。因此,在保证我国钢铁工业增加值增长的前提下,适度的缩小其发展规模,实现粗放型的增长方式向技术推动型方式的转变是降低其碳排放的首要战略选择。

(2)开发清洁能源技术,增加清洁能源的比例结构,是减少我国钢铁工业碳排放的重要途径。目前,我国钢铁工业以煤为主的能源消费结构导致能源消耗碳强度一直居高不下是我国钢铁工业碳减排的主要障碍。1981~2010年我国钢铁工业的平均能源消耗强度为1•25,这也就是说我国钢铁工业能源消耗1吨标煤,释放出的二氧化碳为1•25吨。总体来看,我国钢铁能源消耗强度呈现下降趋势,但是相对于大量的碳排量来说能源消耗强度的下降所带动的碳排放下降量非常的微弱。与此同时,我们也应该看到钢铁工业能源消耗强度的下降主要是依靠钢铁工业能源消耗结构调整的结果。

(3)通过技术创新或引进国外先进的节能技术,提高能源消耗经济效益强度,是我国钢铁工业减少碳排放的重要渠道,也是我国钢铁工业碳减排的核心动力。

改革开放以来,我国钢铁工业通过技术创新推动钢铁工业能源消耗经济效益强度的大幅度提高。以1978年的价格为不变价格进行计算,1981年每吨标煤所产生的经济效益为140•19元,到了2010年上升到了495•01元,能源消耗的经济效益强度增长了2•53倍。相应的能源消耗经济效益强度的下降导致的二氧化碳排放量理论上减少了15942•6万吨。平均来看,能源消耗经济效益强度每增长1个百分点,理论上碳排放将减少38•58万吨。但从目前来看,我国钢铁工业的技术水平与国外还有很大的差距。因此,提高我国钢铁工业的技术水平、能源利用效率和能源消耗的经济效益,仍有很大的空间和潜力。（本文作者：何维达、张凯 单位：北京科技大学）