基于清單算法的區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放特征
——以四川省為例

李喬楚 陳軍華 唐 荔

（1.西南石油大學經濟管理學院，四川 成都 610500；2.四川華油集團有限責任公司，四川 成都 610213）

0 引言

中國在第75屆聯(lián)合國大會上提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和（以下簡稱“雙碳”目標）。近年來，以化石能源為主體的能源系統(tǒng)所產生的碳排放問題日顯突出，應對氣候變化成為人類社會面臨的巨大挑戰(zhàn)。中國能源系統(tǒng)碳排放占全社會碳排放總量的約87%（全球能源互聯(lián)網發(fā)展合作組織，2021），能源系統(tǒng)低碳轉型是中國實現(xiàn)“雙碳”目標的必由之路。四川省是全國重要的優(yōu)質清潔能源基地，但多年來煤、油消費所占的比重一直在60%左右，能源消費的高碳特征給經濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護帶來了巨大壓力。向“雙碳”目標邁進的過程中，要避免“碳沖鋒”和“一刀切”的做法，如何將能源資源稟賦優(yōu)勢轉化為實現(xiàn)“雙碳”目標的驅動優(yōu)勢，是四川省低碳發(fā)展亟需關注的焦點問題。

科學測算能源系統(tǒng)碳排放清單是準確把握碳減排的重要基礎。然而，現(xiàn)有研究在構建能源碳排放清單時大多著眼于燃料燃燒、煤炭開采和礦后活動溢散等過程［1-5］，忽略了石油和天然氣系統(tǒng)溢散、電力調入調出等排放單元，且目前結合智能化手段開展碳排放清單核算的研究幾乎處于空白狀態(tài)；國內學者的研究對象主要集中于京津冀、長三角、珠三角等我國中東部區(qū)域［6-10］，鮮有研究關注西部地區(qū)能源系統(tǒng)的碳排放特征。隨著“成渝地區(qū)雙城經濟圈建設”上升為國家戰(zhàn)略，將成為中國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要動力源和增長極，而四川省作為我國“清潔能源示范省”，能源系統(tǒng)低碳轉型是關鍵一招［11］。在此背景下，結合IPCC清單算法從燃料燃燒、溢散排放、區(qū)域電力交易三個方面構建能源系統(tǒng)碳排放核算框架體系，結合Visual Studio集成開發(fā)工具編制“區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放分析軟件”，基于此測算四川省能源系統(tǒng)2019年的碳排放清單并研判主要排放源，以期推動能源系統(tǒng)率先達峰。

1 研究方法

1.1 研究對象與數(shù)據來源

二氧化碳能夠吸收并釋放紅外線輻射，在溫室氣體排放總量中占比高達85%以上［12］，是全球極端氣候事件的主要誘因。選擇四川省能源系統(tǒng)作為研究對象，以2019年作為研究期限，將四川省能源系統(tǒng)碳排放來源劃分為燃料燃燒、溢散排放、區(qū)域電力交易三個單元。研究的活動水平數(shù)據主要來源于2020年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境年鑒》《四川統(tǒng)計年鑒》的統(tǒng)計數(shù)據。針對各個單元的碳排放因子，主要參考了文獻［13-15］的推薦取值，并參照了《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》（2019）對碳排放清單的編制思路。

1.2 估算方法

1.2.1 燃料燃燒

燃料燃燒碳排放是指在為某流程提供熱量或機械功時，設備內或設備外燃料在有意氧化過程中產生的碳排放，主要包括能源加工及轉換二氧化碳排放、終端能源消耗二氧化碳排放。

能源加工及轉換的核算范圍包括發(fā)電廠、熱電聯(lián)產以及熱能工廠碳排放的總和，以及在次級和三級產品（煉焦、制氣、天然氣液化、煤制品加工等）生產中，燃料消耗產生的碳排放；終端能源消耗的核算范圍包括國民經濟主要行業(yè)（工業(yè)、建筑業(yè)、農業(yè)、交通運輸業(yè)、服務業(yè)、居民生活和其他）在消耗化石燃料過程中產生的二氧化碳［16］，不同品種化石燃料的凈發(fā)熱值及單位熱值含碳量匯總于表1～表3，具體計算方法見式（1）。

表1 各品種化石燃料凈發(fā)熱值表 單位：kJ／kg

表3 各品種化石燃料燃燒碳氧化率表

式中：Crs為燃料燃燒二氧化碳排放總量，104t；Fi，為能源加工轉換或終端能源消耗過程中第i類燃料的消耗量，104t；Ni為第i類燃料的凈發(fā)熱值，kJ／kg；Ti為第i類燃料單位熱值的含碳量，t／TJ；Ri為第i類燃料的碳氧化率。

1.2.2 石油和天然氣系統(tǒng)溢散排放

溢散排放是指石油和天然氣系統(tǒng)（包括生產、收集、處理或提煉和將天然氣及石油產品送往市場所需的一切基礎設施）溢散過程中產生的二氧化碳，排放來源主要包括設備泄漏、蒸發(fā)損失、泄放、噴焰燃燒和意外釋放等，不同流程發(fā)生溢散現(xiàn)象時的碳排放因子匯總于表4，具體計算方法見式（2）。

表4 石油和天然氣系統(tǒng)溢散碳排放因子

式中，Cys為溢散排放二氧化碳排放總量，104t；i為石油和天然氣系統(tǒng)不同流程的序號，主要包括鉆井、測試井、井維修、石油生產（常規(guī)石油、重油/冷瀝青、導熱油、合成原油）、天然氣生產、天然氣處理、液態(tài)天然氣運輸?shù)攘鞒?，i=1，2，…7；Mi為石油和天然氣系統(tǒng)第i流程的活動水平值，104t或108m3；Si為石油和天然氣系統(tǒng)第i流程發(fā)生溢散時的碳排放因子，Gg／104t或Gg／108m3。

表2 各品種化石燃料單位熱值含碳量表 單位：t／TJ

1.2.3 區(qū)域電力交易

化石燃料燃燒過程涵蓋了火力發(fā)電引起的二氧化碳排放，為了避免重復計算，故結合電力外?。▍^(qū)、市）調入及四川省調出的差額電量核算能源系統(tǒng)電力交易過程中二氧化碳的間接排放量，具體計算方法見式（3）。

式中：Cdj為區(qū)域電力交易二氧化碳排放總量，104t；Ap為外?。▍^(qū)、市）調入與四川省調出的差額電量，107kW·h；Q為區(qū)域電網供電平均碳排放因子，考慮到四川省“西電東送”工程具有減排項目屬性，因此參照中國華中區(qū)域電網基準線排放因子取為0.858 7 t／（MW·h）。

2 區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放分析軟件編制

結合上文構建的區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放核算體系以及Visual Studio集成開發(fā)工具進行“區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放分析系統(tǒng)”的編制，從而實現(xiàn)能源系統(tǒng)碳排放核算的智能化、高效化。

軟件旨在完成能源系統(tǒng)主要排放源的碳排放核算?；诼?lián)合國政府間氣候變化專門委員會及我國生態(tài)環(huán)境部對能源系統(tǒng)碳排放清單的編制思路，確定適宜研究區(qū)域能源系統(tǒng)實際狀況的碳排放因子，在輸入不同排放單元的基礎核算數(shù)據后，軟件將自行對不同部門、不同流程的二氧化碳排放量進行計算，并以可視化的形式輸出，便于直觀了解和把握區(qū)域能源系統(tǒng)的碳排放現(xiàn)狀和重點排放源。軟件總體編制思路如圖1所示。

圖1 軟件總體編制思路圖

3 四川省能源系統(tǒng)碳排放水平分析

依據構建的區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放核算方法體系，結合編制的“區(qū)域能源系統(tǒng)碳排放分析軟件”，以四川省為例構建能源系統(tǒng)碳排放清單，具體如表5所示。

表5 四川省2019年能源系統(tǒng)碳排放清單

依據所編制的四川省能源系統(tǒng)碳排放清單，四川省能源系統(tǒng)2019年二氧化碳凈排放量為23 787.62×104t，其中碳源排放總量為35 664.30×104t，碳匯吸收總量為11 876.68×104t。其中，燃料燃燒過程中產生的二氧化碳排放量為34 097.68×104t，占全年碳源排放總量的95.61%；石油和天然氣系統(tǒng)溢散過程中產生的二氧化碳排放量為570.53×104t，占全年碳源排放總量的1.60%，對四川省能源系統(tǒng)碳排放的貢獻相對較??；四川省電力外?。▍^(qū)、市）調入過程中產生的二氧化碳排放量為996.09×104t，電力調出過程中抵消的二氧化碳排放量為11 876.68×104t，分別占碳源排放總量的2.79%、33.30%。由此可見，燃料燃燒是四川省能源系統(tǒng)二氧化碳排放的主要來源，區(qū)域電力交易能夠有效對沖能源系統(tǒng)自身碳排放，石油和天然氣系統(tǒng)溢散對碳排放的貢獻較小。

燃料燃燒的二氧化碳排放主要來源于能源加工及轉換和終端能源消耗兩大過程。從能源活動的消費品種上看，四川省各能源品種中以煤為燃料燃燒產生的二氧化碳排放量所占比例最大，高達69.04%，而天然氣燃燒產生的二氧化碳排放量所占比例最小，僅為13.28%（圖2）。這與四川省的能源消費結構相符合，盡管四川省的探明煤炭資源儲量僅有126.92×108t，其中可采資源儲量僅有41.36×108t（截至2018年底），但煤炭在一次能源消費中所占的比重仍然偏高，能源的結構性問題導致溫室氣體排放強度較高，優(yōu)質清潔能源基地優(yōu)勢轉化為節(jié)能降碳實效有待增強。近年來，隨著能源系統(tǒng)升級轉型以及低碳環(huán)保意識日益普及，四川省針對工業(yè)、交通、建筑等重點領域全面提高電氣化水平，著力提升清潔能源在終端能源消費中的比重，但2019年四川省煤炭消費量仍高達7 713.5×104t，占化石能源消費總量的44.71%，“煤改氣”“以電代煤”政策有待進一步推進。

圖2 四川省不同種類化石燃料燃燒二氧化碳排放構成圖

從能源活動的部門構成上看，以鋼鐵、建材、化工、機械等為主的工業(yè)能源消耗是燃料燃燒碳排放的關鍵部門，共排放二氧化碳14 460.65×104t，占燃料燃燒碳排放總量的42.41%，因此在工業(yè)生產過程中，如果能夠通過非電煤炭使用部門的電氣化和燃料替代不斷提升電煤消費比重，將對四川省能源系統(tǒng)的節(jié)能降碳成效產生顯著的影響。與此同時，四川省火力發(fā)電、交通運輸以及居民生活在能源系統(tǒng)碳排放清單中也占據了較為重要的地位，在燃料燃燒碳排放總量中的占比分別為10.14%、9.12%、8.09%（圖3），這主要源于上述部門在日常運行中依賴于煤炭、汽油、柴油等非清潔化石能源的消耗，因此不可避免地導致大量溫室氣體的排放?！笆奈濉逼陂g，四川省應立足資源稟賦優(yōu)勢走出一條“減煤、穩(wěn)油、增氣、大力開發(fā)新能源”的清潔低碳轉型與高質量發(fā)展之路，持續(xù)推進煤炭清潔化利用，日益提升終端電氣化水平［17］，不斷加強天然氣與多種能源融合，從源頭上轉變能源利用方式、推動能源消費革命、促進能源清潔化發(fā)展。

圖3 四川省不同部門燃料燃燒二氧化碳排放構成圖

四川省石油和天然氣系統(tǒng)的溢散排放主要源于溢散設備泄漏、蒸發(fā)損失、泄放、噴焰燃燒和意外釋放。其中，鉆井過程中的二氧化碳排放量占溢散排放總量的0.16%，測試井過程占14.20%，井維修過程占0，石油生產過程占56.92%，天然氣生產過程占0.83%，天然氣處理過程占27.89%，液態(tài)天然氣運輸過程占0.01%（圖4）。由此顯示，四川省石油和天然氣系統(tǒng)溢散過程中的二氧化碳排放具有顯著的“聚集”特點，主要集中在測試井、石油生產以及天然氣處理三個過程，因此四川省溢散排放領域的碳減排工作應聚焦于化石能源開采、生產、加工等重點流程，出臺低碳節(jié)能改造技術指南，支持能源行業(yè)加速研發(fā)和應用固碳技術，探索高碳工藝流程的碳封存方式和先進技術路徑。在“十四五”期間，四川省應準確把握“雙碳”目標和“成渝地區(qū)雙城經濟圈建設”新契機，認清四川資源優(yōu)勢與產業(yè)優(yōu)勢，圍繞綠色低碳優(yōu)勢產業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，強化能源清潔低碳化利用關鍵核心技術供給和成果轉化應用，大力提升能源系統(tǒng)全產業(yè)鏈安全清潔運營能力［18］，打造全國能源轉型升級示范樣本。

圖4 四川省溢散過程二氧化碳排放部門構成圖

區(qū)域電力交易主要通過將多余的可再生能源發(fā)電量外輸從而間接降低能源系統(tǒng)的二氧化碳排放水平。近年來，四川省積極響應“西電東送”能源戰(zhàn)略，通過水電外輸有效保障了我國能源供應安全并顯著緩解了能源系統(tǒng)的碳排放強度。從資源稟賦上看，四川省境內河流眾多，依據2015年四川省水力資源復查成果，全省流域面積50 km2及以上河流共2 824條，水力資源理論蘊藏量1.47×108kW，年發(fā)電量可達12 870×108kWh；與此同時，四川省水力資源技術可開發(fā)量1.48×108kW，年發(fā)電量6 764×108kWh，占全國總量的22.20%，僅次于自然條件優(yōu)越的西藏自治區(qū)，位居全國各省區(qū)第二位。因此，在“十四五”期間，四川省應通過持續(xù)加快特高壓電網建設、不斷提高調峰能力、加強優(yōu)化調度運行，有效推動四川清潔能源省內統(tǒng)籌優(yōu)先消納以及跨省（區(qū)、市）協(xié)同消納，以點帶面發(fā)揮引領帶動作用，著力提升成渝地區(qū)乃至全國的能源清潔低碳化利用水平。

4 推動四川省能源系統(tǒng)碳減排的建議

（1）布局碳技術，打造全國能源轉型升級示范樣本。作為能源生產和消費大省，四川省應依托成渝綜合性科學中心、西部（成都）科學城、中國（綿陽）科技城高端創(chuàng)新資源，把四川建設成為全國重要的能源綠色低碳技術創(chuàng)新“策源地”，在油氣勘查開采、生產加工、管網運營等方面選擇重點突破方向，著力突破低成本二氧化碳捕集利用、非常規(guī)天然氣勘探、智能安全高效鉆井、煉化污染物“監(jiān)測-處理-利用”一體化處理、能源互聯(lián)網等關鍵核心技術和裝備研究，通過綠色油氣田、綠色煉化產業(yè)、綠色儲運體系建設助力四川能源系統(tǒng)邁向清潔低碳發(fā)展。

（2）以頁巖氣開發(fā)、運營體制改革為著力點，探索非常規(guī)油氣發(fā)展新模式。四川盆地的頁巖氣具有儲量豐富、厚度大、豐度高、埋藏適中等特點。面對從高碳到低碳，由低密度到高密度的能源轉型趨勢，四川省應堅持資源開發(fā)與生態(tài)保護并重，政府引導與市場主導并舉，自營與對外合作協(xié)同推進等原則，著重處理好中央政府與地方政府、政府與企業(yè)、企業(yè)與民眾、企業(yè)之間等關系，優(yōu)化頁巖氣投資運行機制，加強頁巖氣勘探、開發(fā)、運營過程中的監(jiān)管工作，注重建立行業(yè)標準，充分發(fā)揮頁巖氣低碳清潔高效的優(yōu)勢，積極推動頁巖氣在工業(yè)、民用、CNG、LNG、頁巖氣制氫和天然氣分布式能源等行業(yè)的應用，促進四川非常規(guī)油氣產業(yè)向“零碳排放”和高附加值方向發(fā)展。

（3）持續(xù)提升電氣化水平，為“四川藍”做貢獻?！笆奈濉逼陂g，四川省應大力推行天然氣“替煤代油”工作，通過積極推廣鍋爐煤改氣工程、逐步推進交通油改氣工程，大力發(fā)展分布式能源項目，不斷加強天然氣與多種能源融合；同時，加快提升偏遠及農村地區(qū)天然氣通達能力，不斷完善能源基礎設施建設以控制燃煤、燃油使用量，同時在煤炭清潔化利用、天然氣替代、清潔能源項目方面給予土地使用、稅費優(yōu)惠等政策支持，多措并舉推動能源系統(tǒng)優(yōu)化升級，助力打造清潔、低碳、安全、高效的能源利用體系。

（4）積極爭取國家可再生能源配額制和水電綠色證書交易政策落地，加快推進構建全國統(tǒng)一電力市場，打破?。▍^(qū)、市）間壁壘，完善市場交易規(guī)則，充分挖掘現(xiàn)有川電外送通道的輸送能力，擴大水電外送。建立健全市場化消納機制，加快實施電能替代，鼓勵實施“煤改電”，擴大本地電力消費。積極穩(wěn)妥推進“專線供電”“直供電”試點，降低中間環(huán)節(jié)成本，建設甘孜、攀枝花、雅安、樂山等水電消納產業(yè)示范區(qū)，以可再生能源的資源稟賦優(yōu)勢助力成渝地區(qū)乃至中國能源系統(tǒng)的清潔低碳化轉型。