碳中和背景下中國甲烷減排策略研究

屠霄霞 , 胡繼妹

(浙江生態(tài)文明干部學(xué)院 生態(tài)文明教研室, 浙江 湖州 313003)

2020年9月22日,習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上首次提出,中國將努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。目前,全球2/3以上的國家和地區(qū)已經(jīng)提出了碳中和愿景[1]152。碳中和是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等所有溫室氣體的中和。長期以來,中國溫室氣體減排以與能源相關(guān)的二氧化碳減排為主[2]37,甲烷等其它溫室氣體的減排措施相對缺乏。

甲烷是全球第二大溫室氣體。雖然甲烷在大氣中的含量不到二氧化碳的0.5%,但是,它的輻射效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二氧化碳。甲烷排放后20年水平的全球溫增潛勢是二氧化碳的84倍,100年水平則是二氧化碳的28倍。甲烷的壽命則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二氧化碳,只能在空氣中留存約12年[3]75-91。因此,甲烷減排可以產(chǎn)生近乎即時的氣候效應(yīng),為能源的清潔化和經(jīng)濟(jì)的低碳化轉(zhuǎn)型提供時間和空間。與單一采取二氧化碳減排手段相比,在2050年前,如對甲烷等短期氣候污染物采取減排手段,全球氣候溫升速度將明顯降低[4]1-2。2021年,全球大氣中甲烷濃度已達(dá)到有記錄以來的最高水平[5],甲烷對全球升溫的貢獻(xiàn)率達(dá)到30%左右[4]1。因此,僅控制二氧化碳的排放是無法完成《巴黎協(xié)定》所設(shè)定的將全球溫升控制在1.5 ℃以內(nèi)的目標(biāo)的。

中國是世界第一甲烷排放國。2021年11月,在格拉斯哥氣候變化大會期間,包括15個主要排放國在內(nèi)的103個國家簽署了《全球甲烷承諾》。簽署國承諾,到2030年甲烷排放量將比2020年減少30%。中國雖然沒有簽署,但是與美國聯(lián)合發(fā)布了《中美關(guān)于在21世紀(jì)20年代強(qiáng)化氣候行動的格拉斯哥聯(lián)合宣言》?！缎浴诽貏e強(qiáng)調(diào)了甲烷的控制問題,表示“爭取在21世紀(jì)20年代取得控制和減少甲烷排放的顯著效果”。因此,甲烷將是繼二氧化碳后中國重點控制的第二種溫室氣體。大氣中甲烷的來源分為自然來源和人為來源。本文主要探討能源活動、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和廢棄物處理等人為來源的甲烷減排策略。

一、中國甲烷排放的現(xiàn)狀

《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》(以下簡稱《報告》)是目前中國官方發(fā)布的最新溫室氣體排放報告?！秷蟾妗凤@示:2014年中國甲烷排放總量為5 529.2萬噸,可折算成11.61億噸二氧化碳當(dāng)量,占溫室氣體排放總量的10.4%[2]12-114。能源活動、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和廢棄物處理是中國甲烷的主要排放源(參見表1)。

表1 中國、歐盟、美國甲烷主要人為排放源排放情況比較表 (單位:%)

(一)能源活動是甲烷的主要排放源

2014年,中國能源活動排放甲烷2 475.7萬噸,占總排放量的44.8%,比重明顯高于歐美國家。在細(xì)分上,中國與歐美國家差異更為明顯,中國能源活動中的甲烷排放主要來源于煤炭行業(yè)(占總排放量的38%,占能源行業(yè)排放量的85%),而美國能源行業(yè)的甲烷排放主要來自油氣行業(yè),這與中國的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)(參見表1)。2014年,中國原煤占一次能源生產(chǎn)總量的比重為73.5%(2020年依然高達(dá)67.6%)[7]。煤炭開采過程中甲烷的無組織排放也增加了其減排的難度。油氣行業(yè)甲烷排放量目前雖然不高,但隨著中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,煤炭占一次能源的比重已經(jīng)開始下降,天然氣的比重則在不斷提高[7]。而天然氣的主要成分就是甲烷。同時,油氣行業(yè)的甲烷泄露也不能忽視。

(二)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是甲烷的第二大排放源

2014年,中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的甲烷排放量為2 224.5萬噸,占總排放量的40.2%,高于美國但低于歐盟。細(xì)分上也與歐美國家不同,歐美國家農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的甲烷排放主要來自牛羊等家畜養(yǎng)殖,而中國主要來自水稻種植和家畜養(yǎng)殖。這與飲食習(xí)慣有關(guān):歐美國家牛奶和牛羊肉的食用量較多,而65%以上的中國人以大米為主食;水稻是中國主要的糧食作物,中國的水稻播種面積超過3億公頃。因此,中國稻田甲烷的排放量占總排放量的16.1%,而歐美國家稻田甲烷的排放量普遍不到總排放量的1%(參見表1)。

(三)廢棄物處理過程中的甲烷排放明顯偏低

2014年,中國廢棄物處理過程中的甲烷排放量為656.4萬噸,占總排放量的11.9%,明顯低于歐美國家,不到歐盟的一半。中國廢棄物處理中垃圾填埋和污水處理產(chǎn)生的甲烷排放占比分別為6.9%和4.9%(參見表1)。但是,隨著中國生活垃圾焚燒處理比例的不斷上升[7],今后垃圾填埋產(chǎn)生的甲烷排放量會不斷降低,而污水處理產(chǎn)生的甲烷排放量占比會不斷提高。

二、中國甲烷減排面臨的問題

(一)甲烷監(jiān)測能力薄弱,排放數(shù)據(jù)缺乏

《報告》中的甲烷排放量是根據(jù)IPCC推薦的方法估算得到,然而甲烷排放存在很大的不確定性,不同的估算方法得出的結(jié)果存在較大差異。以污水處理為例,IPCC和EDGAR甲烷排放的核算結(jié)果相差近3倍[8]3 810-3 816。因此,需要通過監(jiān)測進(jìn)行校準(zhǔn)。但是,目前中國甲烷監(jiān)測能力薄弱。在環(huán)境本底監(jiān)測方面,中國雖然已經(jīng)在世界氣象組織全球大氣觀測網(wǎng)(WMO/GAW)項目框架下,逐步建設(shè)地基觀測站網(wǎng),開展典型區(qū)域大氣甲烷本底監(jiān)測[9]1-8,各省也陸續(xù)建設(shè)溫室氣體觀測站,如江西省自2017年已陸續(xù)在南昌、景德鎮(zhèn)、贛州、九江建設(shè)4個溫室氣體觀測站[10]5 485-5 494,但是站點并未覆蓋所有城市。已有站點的觀測表明,各站點的甲烷濃度存在較大的差別,比如,臨安站濃度明顯高于瓦里關(guān)站[11]1-7。因此,有必要增加觀測站點以了解全國甲烷濃度的本底值。在污染源監(jiān)測方面,因為甲烷不同于二氧化碳,大多為無組織排放,監(jiān)控難度比較大,大多數(shù)污染源沒有開展監(jiān)測。

目前,中國溫室氣體排放核算主要針對二氧化碳,甲烷排放數(shù)據(jù)缺乏。國家發(fā)改委已經(jīng)公布了24個行業(yè)的溫室氣體排放核算方法與報告指南,但僅煤炭、石油、天然氣等6個行業(yè)有甲烷排放的核算要求;國家市場監(jiān)督管理總局(原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局)發(fā)布了12個行業(yè)的《溫室氣體排放核算與報告要求》(GB/T 32151),其中涉及甲烷排放核算的僅煤炭和紡織服裝2個行業(yè)。

(二)甲烷減排缺乏法律依據(jù),排放標(biāo)準(zhǔn)低

中國的《大氣污染防治法》并沒有像美國的《清潔空氣法》一樣,將甲烷等溫室氣體作為大氣污染物,煤炭、油氣等行業(yè)的甲烷排放限制大多是出于安全考慮。中國部分國家標(biāo)準(zhǔn)中雖已經(jīng)涉及甲烷排放濃度限制,但是仍有一定的局限性,例如:《煤層氣(煤礦瓦斯)排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB21522-2008)禁止煤層氣和甲烷濃度高于30%的高濃度瓦斯的排放[12]1-3?！蛾懮鲜吞烊粴忾_采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB39728-2020)針對油氣行業(yè)的主要甲烷泄露源(放空、火炬和逃逸)規(guī)定:對油氣田放空的天然氣應(yīng)予以回收;不能回收或難以回收的,應(yīng)經(jīng)燃燒后放空;不能燃燒直接放空的,應(yīng)報生態(tài)環(huán)境主管部門備案;天然氣進(jìn)入火炬應(yīng)能及時點燃并充分燃燒;設(shè)備與管線組件密封點天然氣泄漏認(rèn)定濃度為2 000 ppm[13]4-10?！冻擎?zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)規(guī)定廠區(qū)最高體積濃度一級標(biāo)準(zhǔn)為0.5%[14]6-7;《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889-2008)規(guī)定填埋工作面上2 m以下高度范圍內(nèi)甲烷的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.1%,導(dǎo)氣管排放口的甲烷體積分?jǐn)?shù)不大于5%[15]170-171。上述標(biāo)準(zhǔn)中,GB39728-2020沒有完全禁止放空,泄露認(rèn)定濃度也明顯低于美國的500 ppm[16]。

(三)甲烷減排起步晚,各領(lǐng)域差異大

歐盟在1996年就頒布了第一份甲烷減排戰(zhàn)略,其2016年的甲烷排放量較1990年已經(jīng)下降了37%[6]67。而中國至今未制定甲烷減排戰(zhàn)略規(guī)劃,2014年甲烷的排放量比1994年增加了61%[2]12-20(參見圖1)。

2014年,中國甲烷排放量比2010年略有下降,這主要歸因于能源領(lǐng)域甲烷的減排。煤炭行業(yè)是中國最大的人為甲烷排放源。自2006年以來,中國出臺了提高煤層氣、煤礦瓦斯利用率等減少甲烷排放和泄露的一系列相關(guān)政策,煤層氣利用率不斷提高,2015年達(dá)86.4%。但是,煤礦瓦斯抽采規(guī)模小、集中度低、濃度變化大,多數(shù)小煤礦未建設(shè)瓦斯利用設(shè)施,大中型礦井沒有做到瓦斯的礦區(qū)聯(lián)網(wǎng)集中利用,2015年全國煤礦瓦斯利用率僅為35.3%[17]14。中國油氣行業(yè)的甲烷排放占比不高,減排技術(shù)相對成熟。中國油氣行業(yè)的甲烷排放量不到美國的30%,排放強(qiáng)度雖略高于美國,但是大大低于俄羅斯、伊朗等主要油氣生產(chǎn)國[18],油氣開采業(yè)的伴生氣回收利用率已達(dá)到80%以上[19]。2017年,中石油、中石化實現(xiàn)了0.32%的甲烷排放率目標(biāo),并且都提出到2025年甲烷排放強(qiáng)度要再降低50%(分別相對2017年和2020年),兩家公司還制定了0.25%的短期甲烷減排目標(biāo)和0.2%的終極目標(biāo),氣候目標(biāo)接近歐美石油公司[20]53-59。

中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域甲烷減排還處于研究階段。在水稻種植方面,前期農(nóng)業(yè)科技工作者已經(jīng)選育出40多種節(jié)水抗旱水稻新品種,這些新品種不僅可以節(jié)約用水,還可以減少90%以上甲烷排放[21]84-91。但是,這些品種在產(chǎn)量和米質(zhì)等方面不具明顯優(yōu)勢,還需進(jìn)一步優(yōu)化。此外,研究發(fā)現(xiàn)采用復(fù)合種養(yǎng)(稻田養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚等)、節(jié)水灌溉、生物炭還田、免耕少耕等方式也可以顯著降低甲烷排放量[22]61-74。另外,研究人員正在試圖通過研究新型飼料來減少牛羊等動物腸道的甲烷排放,通過改進(jìn)牲畜糞便的資源化利用技術(shù)來降低動物糞便的甲烷排放[23]188-193。

中國固體廢物處理方式已經(jīng)由填埋為主轉(zhuǎn)為焚燒為主,這大大降低了甲烷的產(chǎn)生量。隨著固體廢物處理產(chǎn)生的甲烷不斷減少,廢水處理將逐漸成為中國廢棄物處理領(lǐng)域的甲烷主要排放源。2005-2015年間,中國廢水處理甲烷排放量的年均增速為2.8%,如不加以控制,到2050年將增加到2 285.51萬噸二氧化碳當(dāng)量[24]410-419。

三、對中國甲烷減排的建議

美國在《清潔空氣法》管制框架下制定甲烷減排措施。2014年,制定了《甲烷減排氣候行動戰(zhàn)略規(guī)劃》,2021年11月,發(fā)布了《美國甲烷減排行動計劃》,旨在減少污染和消費成本,增加高薪工作和國家競爭力[4]1-2。2020年10月,歐盟出臺了新的《歐盟甲烷減排戰(zhàn)略》,以支撐其中長期溫室氣體減排目標(biāo)[25]37-43。歐美的這些計劃都已經(jīng)明確了中長期的甲烷減排目標(biāo)。作為世界第一甲烷人為排放國,中國必將面臨越來越大的甲烷減排壓力,急需制定一份切實可行的甲烷減排國家行動計劃。

(一)完善甲烷監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和排放數(shù)據(jù)報告制度

甲烷的產(chǎn)生過程不同于化石燃料燃燒產(chǎn)生二氧化碳,不管是稻田、牛羊等動物腸道還是污水處理,有機(jī)質(zhì)還原產(chǎn)生甲烷一般需要微生物作用,過程比較復(fù)雜,估算具有很大的不確定性。加強(qiáng)監(jiān)測是了解甲烷實際排放的有效途徑,也可以為今后排放指數(shù)的修正提供技術(shù)支持,同時為中國參與相關(guān)國際規(guī)則的制定提供理論指導(dǎo)。在環(huán)境本底監(jiān)測方面,可以通過在已經(jīng)建成的遍布全國的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點中增加甲烷等溫室氣體檢測設(shè)備,來實現(xiàn)對甲烷的實時監(jiān)測;同時,通過衛(wèi)星遙感設(shè)備掌握區(qū)域整體的甲烷本底數(shù)據(jù)。在污染源監(jiān)測方面,對于部分重點污染源,可在現(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)中增加甲烷監(jiān)測傳感器,也可以通過遙感衛(wèi)星開展實時監(jiān)測;對于其他污染源,則要增加采樣頻次,以獲得較為準(zhǔn)確的排放數(shù)據(jù)。針對重點行業(yè)和重點企業(yè),要完善甲烷相關(guān)數(shù)據(jù)的報告制度,修訂污染排放系數(shù),不斷提升甲烷排放數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

(二)完善甲烷減排的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系

甲烷類溫室氣體雖然不會對人體造成直接傷害,但其潛在危害不可忽視。因此,需在《大氣污染防治法》等相關(guān)法律法規(guī)中明確其屬性,并逐步完善相關(guān)的法律法規(guī),提高原有甲烷排放標(biāo)準(zhǔn)。例如:提高GB21522-2008瓦斯的排放標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)一步制定完善瓦斯抽采率、瓦斯利用率和瓦斯排放率等強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn);提高GB39728-2020泄露認(rèn)定濃度的標(biāo)準(zhǔn),完善回收利用等強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),逐漸減少火炬,禁止放空;提高GB18918-2002和GB 16889-2008甲烷排放的濃度限制要求,完善回收利用標(biāo)準(zhǔn)。在有甲烷排放、但未設(shè)定排放濃度要求的標(biāo)準(zhǔn)中(如《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》)添加甲烷排放要求。逐步將企業(yè)甲烷排放納入碳排放交易市場,通過政策引導(dǎo),提高企業(yè)回收利用甲烷的積極性和主動性。

(三)以油氣行業(yè)為試點,逐步開展甲烷減排

中國油氣行業(yè)的甲烷減排基礎(chǔ)較好,大部分國家也將油氣行業(yè)作為甲烷減排的重點。因此,油氣行業(yè)可以作為中國甲烷減排的試點行業(yè)。針對油氣行業(yè)目前的排放情況,需加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以減少放空和火炬活動,提高甲烷的回收利用率;而無法避免排放的甲烷,則需經(jīng)充分燃燒后排放;同時,建立管線的泄露監(jiān)測和維修制度,及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)排放源;另外,還需進(jìn)一步完善制度,提高油氣企業(yè)甲烷排放績效的透明度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,煤炭的消費總量不斷下降,但受以煤為主的自然資源稟賦、新能源的穩(wěn)定性不夠等因素影響,未來一段時期內(nèi)中國能源生產(chǎn)和消費仍將以煤為主。隨著淺部煤炭資源的開采殆盡,未來中國將有更多的煤礦轉(zhuǎn)移至深部,而通常礦井越深,煤層的瓦斯含量就越高[26]311-322。因此,未來煤炭行業(yè)的開采及礦后活動仍是中國重要的甲烷排放源,煤炭行業(yè)也是甲烷減排的重點行業(yè)。針對低濃度瓦斯利用率低的現(xiàn)狀,需加大低濃度瓦斯利用方面的科研力度,研發(fā)低濃度瓦斯的高效利用技術(shù),實現(xiàn)礦區(qū)瓦斯的聯(lián)網(wǎng)集中回收利用。

廢棄物處理領(lǐng)域應(yīng)該在源頭上減少固體廢物和廢水的產(chǎn)生量,同時提高甲烷的回收利用率。2016年,在歐盟固體廢物處理中,甲烷的回收利用率已經(jīng)達(dá)到了42%[6]790-791。北歐的污水處理廠將傳統(tǒng)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷用熱電聯(lián)產(chǎn)方式回收化學(xué)能,在完成資源和能源回收的同時實現(xiàn)了對污泥的處理和處置;同時,通過余熱回收,實現(xiàn)碳中和率300%以上[27]2 849-2 857。亦有研究表明,甲烷的產(chǎn)量會隨著高濃度有機(jī)廢棄物負(fù)荷率及厭氧消化反應(yīng)器停留時間的延長而增加[28]47-51。因此,中國國內(nèi)甲烷排放量不斷提高的廢水處理行業(yè),還需不斷改進(jìn)工藝技術(shù)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是歐美國家最大的甲烷排放源,也是中國第二大甲烷排放源。但是,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)民生計、糧食安全等相關(guān),發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的甲烷減排目前仍以自愿為主。因此,中國現(xiàn)階段不宜采取強(qiáng)制性減排措施,要鼓勵開展農(nóng)業(yè)溫室氣體減排方面的科技創(chuàng)新,讓農(nóng)民自愿采用新的種養(yǎng)殖模式,逐步將農(nóng)業(yè)由碳源轉(zhuǎn)化為碳匯。

四、結(jié) 語

甲烷作為第二大溫室氣體,其減排是大勢所趨。中國作為世界第一甲烷排放國,必將面臨越來越大的國際減排壓力。雖然中國的甲烷減排起步較晚,面臨的減排壓力較大,但是隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整、糧食產(chǎn)量的趨于穩(wěn)定、垃圾填埋量的不斷減少,中國的甲烷可以與二氧化碳在2030年前同步實現(xiàn)碳達(dá)峰。

“十四五”時期是推動甲烷減排的關(guān)鍵時期?！笆奈濉鼻捌趹?yīng)以摸清家底為主,通過監(jiān)測、企業(yè)上報和政府核查等手段掌握準(zhǔn)確的排放數(shù)據(jù),并在基礎(chǔ)較好且技術(shù)較為成熟的油氣和煤炭行業(yè)的新建項目中開展甲烷減排試點,建立示范項目和示范工程;應(yīng)鼓勵地方和能源企業(yè)開展甲烷減排控制方面的合作,推動甲烷監(jiān)測、回收利用等技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;農(nóng)業(yè)和廢棄物處理領(lǐng)域應(yīng)以加強(qiáng)科學(xué)研究為主,鼓勵重點領(lǐng)域開展甲烷自愿減排行動,同時積極參與甲烷減排領(lǐng)域的國際交流與合作?！笆奈濉焙笃趧t應(yīng)根據(jù)較為準(zhǔn)確的排放數(shù)據(jù)制定切實可行的減排方案,鼓勵行業(yè)、企業(yè)利用國際先進(jìn)減排技術(shù),并將甲烷排放納入碳交易市場。