能源生產(chǎn)系統(tǒng)共生產(chǎn)品清單分配問題研究

＊陳馬駿 孫博學(xué) 王鴻韜 周心怡 晁思聰

（工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部 北京 100124）

我國(guó)能源資源總量豐富，但人均占有量和優(yōu)質(zhì)能源相對(duì)較少[1]，同時(shí)我國(guó)已是世界上最大的碳排放國(guó)，2018年我國(guó)由能源使用造成的碳排放達(dá)95億噸，占到世界排放總量的28%[2]。

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是國(guó)際通用的產(chǎn)品環(huán)境負(fù)荷評(píng)估方法，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于分析材料及能源產(chǎn)品生產(chǎn)過程的資源消耗與環(huán)境排放問題研究。梁田[3]采用Gabi v.8.7軟件研究了鋼鐵企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程的典型能耗和各類環(huán)境影響，樸文華等人[4]對(duì)水泥生產(chǎn)過程的生命周期評(píng)價(jià)研究中發(fā)現(xiàn)，水泥熟料煅燒階段生產(chǎn)電力和煤炭開采等過程排放的CO2最嚴(yán)重。Wang等人[5]結(jié)合LCA和經(jīng)濟(jì)成本分析方法研究了我國(guó)燃煤電廠在火電發(fā)電過程的各類污染物排放和單位火電的生產(chǎn)成本。Liu等人[6]對(duì)我國(guó)石油精煉過程的生命周期評(píng)價(jià)研究表明，原油的開采和運(yùn)輸過程主導(dǎo)了大多數(shù)環(huán)境影響類別。

綜合上述國(guó)內(nèi)外研究可以發(fā)現(xiàn)，能源的消耗對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的環(huán)境影響貢獻(xiàn)較大，因此能源產(chǎn)品的清單數(shù)據(jù)質(zhì)量將直接影響各類LCA研究的準(zhǔn)確性。本研究通過對(duì)能源生產(chǎn)系統(tǒng)共生產(chǎn)品的清單分配問題進(jìn)行建模計(jì)算，獲得符合我國(guó)能源生產(chǎn)實(shí)際的本土化上游清單，為各行業(yè)能耗碳排放的計(jì)算提供理論數(shù)據(jù)支持。

1.分配方法及計(jì)算模型

(1)系統(tǒng)邊界與功能單位

本研究的對(duì)象主要是能源系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生共生產(chǎn)品的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括熱電聯(lián)產(chǎn)過程、原油精煉過程、石油和天然氣開采過程、煤炭開采和洗選過程等。以上環(huán)節(jié)共生產(chǎn)品的功能單位確定為生產(chǎn)得到1MJ各產(chǎn)品，研究的系統(tǒng)邊界及產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 材料供能產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)邊界

(2)數(shù)據(jù)收集及分配方法

本研究針對(duì)能源生產(chǎn)系統(tǒng)收集獲得了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)，主要來源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》、權(quán)威機(jī)構(gòu)如中電聯(lián)、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)等公布數(shù)據(jù)、企業(yè)報(bào)告、相關(guān)技術(shù)書籍和研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。各產(chǎn)品的運(yùn)輸距離和運(yùn)輸損耗參考國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)[7]，各類運(yùn)輸方式占比參考丁寧等人[8]的研究成果。

根據(jù)ISO14044 Allocation部分的定義，并依據(jù)能源產(chǎn)品的使用屬性，本研究對(duì)能源生產(chǎn)系統(tǒng)共生產(chǎn)品采取質(zhì)量、熱值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值三種方法進(jìn)行分配。

質(zhì)量分配過程依據(jù)公式（1），其中各共生產(chǎn)品產(chǎn)量來自《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》中的國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)機(jī)構(gòu)的發(fā)布數(shù)據(jù)。

式中，Cxmass表示共生產(chǎn)品x的質(zhì)量分配系數(shù)；Px表示共生產(chǎn)品x的產(chǎn)量（kg，m3）；P表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)某共生產(chǎn)品的產(chǎn)量（kg，m3）。

熱值分配計(jì)算依據(jù)公式（2），其中平均低位發(fā)熱量來自GB/T 2589-2020《綜合能耗計(jì)算通則》[9]，共生產(chǎn)品產(chǎn)量來自《能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)。

式中，Cxenergy表示共生產(chǎn)品x的熱值分配系數(shù)；LHVx表示共生產(chǎn)品x的平均低位發(fā)熱量（kJ/kWh，kJ，kg）；Px表示共生產(chǎn)品x的總產(chǎn)量（kg）；αx表示共生產(chǎn)品x的轉(zhuǎn)換效率修正因子；LHV表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)某產(chǎn)品的平均低位發(fā)熱量（kJ/kWh，kJ，kg）；P表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)某產(chǎn)品的總產(chǎn)量（kg）。

經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配的分配系數(shù)計(jì)算依據(jù)公式（3），其中全國(guó)電力價(jià)格來自2019年國(guó)家能源統(tǒng)計(jì)局公布的燃煤機(jī)組平均上網(wǎng)電價(jià)，全國(guó)熱力價(jià)格來自于使用熱力省份的熱力價(jià)格計(jì)算均值，其他能源產(chǎn)品價(jià)格數(shù)據(jù)來自于國(guó)家商務(wù)部的能源化工商品價(jià)格數(shù)據(jù)庫(kù)。

式中，Cxeconomic表示共生產(chǎn)品x的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)（%）；Pricex表示共生產(chǎn)品x的平均單價(jià)（￥/kWh，kJ，kg）；Px表示共生產(chǎn)品x的總產(chǎn)量（kWh，kJ，kg）；Price表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)某產(chǎn)品的平均單價(jià)（￥/kWh，kJ，kg）；P表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)某產(chǎn)品的總產(chǎn)量（kWh，kJ，kg）。

2.生命周期清單

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)

熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)計(jì)算的產(chǎn)品主要為火電和熱力，由于兩種產(chǎn)品的物理屬性特點(diǎn)，無法以質(zhì)量進(jìn)行表征，因此選取熱值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值作為清單分配原則。計(jì)算獲得熱電聯(lián)產(chǎn)過程單位火電和熱力的能耗和溫室氣體排放清單，如表1所示。

表1 熱值分配和經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配下單位火電和熱力的能耗和溫室氣體排放清單

(2)原油精煉

選取該行業(yè)的主要產(chǎn)品汽油、煤油、柴油、燃料油和液化石油氣，其他產(chǎn)品在本研究中忽略。得到計(jì)算后的原油精煉行業(yè)各共生產(chǎn)品的能耗和溫室氣體排放清單，如表2所示。

表2 不同分配方法下原油精煉產(chǎn)品的能耗和溫室氣體排放清單

(3)石油和天然氣開采

根據(jù)行業(yè)報(bào)告調(diào)研，本研究確定石油和天然氣開采業(yè)的主要產(chǎn)品為原油和天然氣。根據(jù)能源統(tǒng)計(jì)年鑒的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算原油和天然氣在三種分配方法下的能耗和溫室氣體排放清單，如表3所示。

表3 不同分配方法下原油和天然氣生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放清單

(4)煤炭開采洗選

煤炭開采洗選過程的主要產(chǎn)品為原煤、洗精煤，但我國(guó)煤炭開采主要以井工開采為主，在開采過程中會(huì)產(chǎn)生較多的礦井瓦斯逸散，因此對(duì)于本研究參考王寧等人[10]對(duì)于我國(guó)煤礦甲烷涌出量的計(jì)算結(jié)果，對(duì)甲烷的排放量進(jìn)行修正。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同分配方法下原煤和洗精煤生產(chǎn)過程的能耗和溫室氣體排放清單

3.結(jié)果和討論

(1)碳排放分析

對(duì)各能源產(chǎn)品生產(chǎn)過程的碳排放進(jìn)行綜合比較，如圖2所示。質(zhì)量分配、熱值分配和經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法下，生產(chǎn)得到每MJ能源產(chǎn)品，原煤生產(chǎn)過程的碳排放最高，而洗精煤生產(chǎn)過程的碳排放最低。經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配下，原煤生產(chǎn)受市場(chǎng)價(jià)格影響產(chǎn)生的碳排放波動(dòng)最小。

圖2 每MJ能源產(chǎn)品生產(chǎn)過程的碳排放

熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)的火電和熱力生產(chǎn)過程產(chǎn)生的二氧化碳主要來自原煤的燃燒；其次是高爐煤氣和天然氣的使用，見圖3(a)。如圖3(b)所示，原油精煉過程的碳排放主要來自煉廠干氣、熱力、石油焦和電力，運(yùn)輸過程消耗燃料油的占比最小。原油和天然氣的生產(chǎn)過程主要的碳排放來自天然氣和電力的消耗，其次為原油的燃燒使用。煤炭開采和洗選過程的能源使用造成的間接碳排放主要來自于電力的使用、原煤、天然氣和高爐煤氣的燃燒；對(duì)于煤炭開采過程，在考慮回收利用下由礦井瓦斯逸散造成的直接碳排放占總碳排放達(dá)74.0%。

圖3 碳排放來源

4.結(jié)論

（1）在三種分配方法下，原煤的燃燒是火電和熱力生產(chǎn)過程碳排放的最主要來源，其次是高爐煤氣和天然氣。其他共生產(chǎn)品生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放普遍與電力的使用有關(guān)，且占比較為明顯。

（2）油氣類產(chǎn)品在質(zhì)量分配和熱值分配下的碳排放差異不大。原煤的碳排放明顯高于其他產(chǎn)品，主要是由礦井瓦斯（CH4）涌出造成的。受市場(chǎng)交易價(jià)格的影響，經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配下，能源產(chǎn)品間的碳排放差異較大。

（3）根據(jù)各能源產(chǎn)品生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果，單位原煤生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放遠(yuǎn)大于其他產(chǎn)品，因此為完成碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，未來我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革方向仍是減少煤炭使用、提高清潔能源占比，實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。