用于組織和產品碳足跡的中國電力溫室氣體排放因子

侯 萍,王洪濤*,張 浩,范辭冬,黃 娜 (.四川大學建筑與環境學院,四川 成都 60065；.中國質量認證中心成都分中心,四川 成都 6004；.成都億科環境科技有限公司,四川 成都 60065)

用于組織和產品碳足跡的中國電力溫室氣體排放因子

侯 萍1,王洪濤1*,張 浩2,范辭冬3,黃 娜1(1.四川大學建筑與環境學院,四川 成都 610065；2.中國質量認證中心成都分中心,四川 成都 610041；3.成都億科環境科技有限公司,四川 成都 610065)

討論了組織和產品碳足跡與清潔發展機制(CDM)在計算電力溫室氣體排放因子方法上的區別,在發改委電力排放因子的基礎上進行了多項修正與補充,分別得到用于組織和產品碳足跡的中國電力溫室氣體排放因子.結果表明,發改委發布的電力基準線排放因子與本文得出的組織和產品碳足跡的排放因子有顯著差距,不應混用.本文計算的排放因子可為國內組織及產品碳足跡研究提供更恰當的數據來源.關鍵詞：組織碳足跡；產品碳足跡；電力；溫室氣體；排放因子

氣候變化是未來幾十年內各個國家、政府、商業界和居民所面臨的最大挑戰之一.為此,人們在組織、產品、項目、技術等不同層面上對各種溫室氣體(GHG)的排放量和削減量進行量化、監測、報告和核查[1-5],以便制定減排措施,減緩大氣層中溫室氣體濃度的增加.

組織碳足跡[6](又稱為碳盤查)是指一個公司或其他類型的組織在一定時間(通常是一年)內排放的溫室氣體總量的量化報告.按照ISO14064-1標準[7-8],組織溫室氣體排放包括 3個范疇:一為直接的GHG排放,主要是指組織直接使用化石燃料或是運輸過程中產生的GHG排放,以及生產過程中直接釋放的 GHG;二為能源間接 GHG排放,是指組織外購電力或蒸汽的生產過程的排放;三是指其他間接GHG排放,包括所購買的原材料與燃料在其生產,運輸過程以及外包垃圾處理過程中的GHG排放等.

產品碳足跡[9]是指某個產品或服務從資源開采,原材料生產到產品生產的生命周期過程中所排放的溫室氣體總量,對于終端消費品還包括產品使用和產品使用后處置過程的排放.在生命周期評價(LCA)標準[10]的基礎上,目前已經出臺和正在制定的國際標準有英國PAS2050[11],日本TSQ0010[12],WRI/WBCSD的GHG Protocol Product Standard[13-14],ISO的ISO14067[15]等.

電力是使用最廣泛的二次能源.在各種組織和產品碳足跡計算結果中,因電力消耗帶來的溫室氣體排放量常常占有顯著的份額,因此電力溫室氣體排放因子的準確性對碳足跡計算有重要的影響.盡管組織碳足跡和產品碳足跡計算中都需要追溯上游電力生產過程的溫室氣體排放,但二者在邊界范圍上也有差別.組織碳足跡的范疇二只需包含發電過程,而產品碳足跡的計算還需追溯電力上游燃料和原料的生產及運輸過程.

目前在國內的組織及產品碳足跡的計算中,很多研究[16-17]和咨詢[18]都采用由國家發改委公布的、原本只適用于CDM項目減排量計算的電網電量邊際排放因子[19].但碳足跡是計算組織或產品的實際排放量,基本原則是盡量反映實際排放情況,而CDM是計算一個CDM項目的減排量,采用了保守估計的原則.二者在方法上并無直接聯系,邊界范圍和計算過程也不相同,不應采用相同的排放系數[20].

本文基于發改委公布的電力溫室氣體排放因子的原始數據和計算步驟,進行了修正和補充,得到了用于組織和產品碳足跡的中國電力溫室氣體排放因子,可以為中國的組織及產品碳足跡的計算提供更恰當的數據來源.

1 國家發改委的中國電力溫室氣體排放因子

根據聯合國氣候變化框架公約(UNFCCC)公布的電力系統排放因子計算工具[21],在計算CDM發電項目的CO2減排量時,有2種排放因子,分別代表CDM項目對電網的2種影響方式:在短期內,CDM發電項目導致電力需求減少時,電網中只有火力發電廠可以因此減少發電量,所以減排量計算的基準線就是電網中火電的排放因子,稱為電量邊際排放因子(OM),即短期內CDM項目每發 1kW?h電相當于電網中火電廠減少1kW?h發電量;在遠期,CDM導致的供電增加,電力需求減少,是由新建的電廠來平衡的,所以基準線就是新建電廠的平均排放因子,稱為容量邊際排放因子(BM),即從遠期看CDM項目每1kW的發電容量相當于少建1kW裝機容量.當新建電廠中有很多水電,風電或核電等低碳電力時,則 BM可能遠遠低于OM.綜合而言, CDM發電的基準線排放因子設定為(OM+BM)/2.

發改委公布的2010年中國區域電網基準線排放因子給出了 2006～2008年電量邊際排放因子的加權平均值和截至2008年的容量邊際排放因子[17]. OM排放因子計算公式如下:

式中: FCi為電力系統燃料i的消耗量;NCVi為燃料 i的熱值;EFCO2,i為政府間氣候變化專門委員會(IPCC)[22]中給出的使用i燃料發電時二氧化碳的下限排放因子;EG為該電力系統向電網提供的電量.各種燃料的消耗量來自《中國能源統計年鑒》,包括原煤,洗精煤,其他洗煤,型煤,焦炭,焦爐煤氣,其他煤氣,原油,汽油,柴油,燃料油,液化石油氣,煉廠干氣,天然氣,其他石油制品以及其他焦化產品的消耗量.各電網的供電量是用《中國電力年鑒》中的火力發電量扣除廠用電率得到的.另外,在基準線排放因子的計算中還考慮了電網之間的調配,即在該電網CO2排放量中加入從其他電網進口的電量與其 OM排放因子的乘積得到總的CO2排放量,再除以該電網的供電量與進口電量之和,就得到該電網的OM排放因子.

由于組織及產品碳足跡是計算組織及產品當前的 GHG實際排放水平,而不是減排效果與減排量,所以并不適合采用CDM的排放因子.主要表現為以下幾點:

(1) CDM中計算減排量時遵循保守原則,比如計算中引用政府間氣候變化專門委員會IPCC2006化石能源的CO2排放因子,采用的是最低值,而不是缺省值;并且忽略了電廠的其他GHG排放.而計算組織碳足跡范疇二和產品碳足跡時應引用排放因子的缺省值并至少補充 CH4和N2O等主要溫室氣體的排放.

(2) CDM 中電量邊際排放因子實際是電網所有火電廠排放因子的加權平均,沒有考慮其他的發電技術.而計算組織碳足跡范疇二和產品碳足跡中需要的排放因子應該是整個電網所有電廠(還應包括水電、核電、風電等主要發電技術)的排放因子的加權平均.

(3) CDM 中電量邊際排放因子的計算沒有考慮電網傳輸過程的線損,而計算組織碳足跡范疇二和產品碳足跡的時候這部分應該計算在內.

(4) CDM 中電量邊際排放因子的計算未包含電力生產上游燃料的開采與運輸,尤其是我國電煤的開采、運輸、自燃對生命周期排放系數有重要影響,對于組織碳足跡范疇二不必計算,但產品碳足跡需要計算在內.

(5) 某些產品碳足跡研究中,還需要考慮基礎設施建設帶來的排放,例如水庫大壩或火電廠的建設.

在發改委的2008年OM排放因子的基礎上針對以上差異進行修正和補充,以得出適用于組織和產品碳足跡的溫室氣體排放因子.修正和補充的步驟如圖1所示.

圖1 用于組織和產品碳足跡的電力溫室氣體排放因子修正步驟Fig.1 Stepwise modification of GHG emission factors of Chinese power grid for organization and product carbon footprint

2 適用于組織碳足跡的電力溫室氣體排放因子

2.1 燃料排放因子和溫室氣體種類修正

IPCC中給出的溫室氣體排放因子包括 95%置信區間的下限值、上限值及缺省值.在發改委的排放因子中采用的是下限值,將其改為缺省值,并增加CH4和N2O的缺省排放因子,根據下面的式子可計算得到火力發電過程的溫室氣體排放量.

式中: FCi為電力系統燃料i的消耗量; NCVi為燃料i的熱值;EFCO2,i、EFCH4,i、EFN2O,i分別為使用i燃料發電時 3種溫室氣體的缺省排放因子;25和298是甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛值,分別為CO2的25倍和298倍; EG為該電力系統向電網提供的電量.各區域電網火力發電的 GHG排放因子見表3.

2.2 增加我國電網中其他主要電力生產技術的排放

從中國電力企業聯合會 2009年公布的數據

[23]看,水電、核電和風電分別占全國總發電量的15.5%,1.9%和0.8%,因此本文增加了這3種發電技術.其中,水力發電過程中由于水庫淹沒土地會造成額外的CH4排放,引用Ecoinvent數據庫中的相關數據,每生產1kwh水電造成的CH4排放量為7.15×10-3kg CO2eq.[24].在風力發電與核能發電現場沒有明顯的溫室氣體排放.

除上述發電技術外,地熱、潮汐、太陽能等其他發電技術僅占總發電量的0.004%,本文未包括.

2.3 增加電網混合與傳輸過程

電網混合與傳輸過程中需考慮各區域電網中各種發電技術的混合比例和傳輸損耗.由中國電力企業聯合會公布的全國分地區全口徑發電量[25]可以計算得到各種發電技術的發電量比例,扣除廠用電率[26-27],即得到各種發電技術的供電量比例,再由售電量除以供電量可得到銷售1kW?h的電力所需的供電量,以此即可將電力傳輸過程中的損耗考慮在內.傳輸損耗率就等于電網的輸入電量(包括各技術電量與從其他電網調入的電量)與最終的售電量之差,再除以電網的輸入電量.

考慮到各區域電網的發電技術比例有差別,而且電網之間存在電力調配,根據各電網間的凈進口電量計算得到其他電網對該電網的投入量,并假設各電網調度中調度的電量為混合后的電網平均.

另外,部分電力變壓器使用的SF6是一種溫室效應強烈的氣體,但由于排放量很小,所以直接引用了Ecoinvent數據庫中的數據,作為初略估計.

最終得到各電網混合過程的清單(表1).從表1可以看出,火力發電在各區域電網中都是最主要的發電技術,其次是水力發電,而核電與風電的比例相對較小.表1中的區域電網,非火電比例從左到右依次升高,最小為華北區域電網,最大為華中區域電網.從傳輸損耗率來看,損耗最大的為華東區域電網,最小的為西北區域電網.

表1 各區域電網的電力混合與傳輸過程清單(單位售電量,kW?h)Table 1 Electricity mix and transmission inventory data of each regional grid (unit electricity sold, kW?h)

根據以上3步修正和補充,可得到用于組織碳足跡范疇二中電力系統的 GHG排放因子,按各電網的售電量比重加權可以得到全國平均電網的組織碳足跡GHG排放因子(表3).

3 適用于產品碳足跡的電力溫室氣體排放因子

要計算得到產品碳足跡的電力GHG排放因子還需要進一步補充上游燃料與原材料的生產與運輸過程以及基礎設施建設過程,如表2中所示.這些過程的數據大部分來自中國生命周期基礎數據庫(CLCD),數據獲得方式見文獻[28],其他來自Ecoinvent數據庫[21].

采用國內開發的生命周期評價軟件eBalance,建立了中國電力生產與傳輸的生命周期模型(所包含的主要生產過程如圖1中產品碳足跡修正部分所示),其中燃料開采與生產包括原煤、原油、天然氣開采及其他燃料的生產;燃料的運輸過程由于其他燃料的量很小,所以在本研究中僅包括電煤的運輸,含水路運輸、鐵路運輸和公路運輸3種運輸方式.火力發電過程分七個區域電網分別計算,另包括分攤到每度電上的火電站建設量及煙氣脫硫用到的石灰石量;核能發電和風力發電引用Ecoinvent的匯總過程數據(已經包含所有上游過程的數據);水力發電過程含水庫淹沒土地造成的CH4排放及分攤到每度電上的水電站建設量;火電站建設、水電站建設和電網建設都是基礎設施建設過程,僅包括建設過程各種原材料的消耗,不包括運營階段;最后的電網電力混合與傳輸過程也是分七個區域電網分別計算.由此可計算得到電力系統生命周期的碳足跡排放因子,按各電網的售電量比重加權可以得到全國平均電網的產品碳足跡GHG排放因子(表3).

表2 計算產品碳足跡排放因子的上游補充過程Table 2 Supplementary processes for emission factors calculation of product carbon footprint

4 討論

4.1 3種排放因子對比

從表3可以看出,由于將燃料溫室氣體排放因子由下限值改為缺省值且增加了甲烷和氧化亞氮的排放,所以修正后的火力發電排放因子比CDM的OM排放因子大.由于增加了上游生產過程的貢獻,所以產品碳足跡的排放因子均大于組織碳足跡范疇二的排放因子.

表3 CDM電量邊際排放因子、組織碳足跡范疇二排放因子和產品碳足跡排放因子Table 3 emission factors for CDM, organization and product carbon footprint

由圖2可以看出,東北電網的組織碳足跡與產品碳足跡排放因子最高,其次是華北電網,華東電網,西北電網,海南電網和南方電網,而華中電網最低,這與區域電網中火電比例的高低基本一致.

由于CDM的排放因子未包含水電、風電及核電,所以隨著非火電比例的增加,CDM的排放因子與組織和產品碳足跡的排放因子差距逐漸減少并超出碳足跡的排放因子.

影響碳足跡排放因子的主要因素除了非火電比例外,還有傳輸損耗和電網調入的因素.其中,雖然華北電網的非火電比例大于東北電網, 但由于華東電網的傳輸損耗小于東北電網,使得華北電網的碳排放因子小于東北電網.華東電網分別從華北和華中電網調入電力,一個拉高其碳排放,一個拉低,綜合的結果是華東電網的CDM排放因子與碳足跡的排放因子差距不大.

圖2 區域電網CDM電量邊際排放因子、組織碳足跡排放因子和產品碳足跡排放因子對比Fig.2 Comparison of emission factors for CDM, organization and product carbon footprint

在大多數區域電網中CDM的電量邊際排放因子與組織和產品碳足跡的排放因子都存在明顯的差異,可見將 CDM的電量邊際排放因子用于組織碳足跡范疇二和產品碳足跡的計算是不妥的.

4.2 生命周期碳排放貢獻分析與敏感度分析

通過如表 4所示的生命周期各過程貢獻分析可以看出,在各電網的碳排放貢獻中火力發電過程都是最主要的部分,其次基本來自于燃料生產過程.其他過程的貢獻很小.

在碳排放因子的計算過程中,少部分數據引用了Ecoinvent數據庫.根據對這些數據的敏感度分析得到它們對全國平均電網的碳足跡排放因子結果的貢獻:水力發電過程中的CH4的排放貢獻為 0.12%,各電網混合過程中 SF6的排放的貢獻在 0.04%以內,華東電網和南方電網混合過程中核電的投入量貢獻為 0.01%,各電網混合過程中風電的投入量貢獻和各電網火力發電中火電站建設的貢獻都為 0%.這些數據總的敏感度也只有 0.28%,可見所引用數據對結果的影響很小,無需擔心國內外技術差異導致的數據質量問題.

表4 生命周期碳排放貢獻分析Table 4 Life cycle contribution analysis of GHG emission

如發改委今后更新 CDM基準線排放因子[29],可以在其基礎上,按照本文所述方法進行修正,得到更新的組織和產品碳足跡的電力系統溫室氣體排放因子.此外,在各個過程中補充其他環境排放數據,可計算得到電力系統整個生命周期的其他環境影響指標,進行更完整的LCA分析.

5 結論

5.1 基于國家發改委的 CDM 區域電網基準線排放因子,通過修正和補充,得出了可適用于組織碳足跡及產品碳足跡的中國電力系統溫室氣體排放因子.CDM的電量邊際排放因子與兩者有顯著差距,將 CDM的電量邊際排放因子用于組織碳足跡范疇二和產品碳足跡的計算是不妥的.

5.2 組織碳足跡與產品碳足跡排放因子,由高到低依次為東北電網,華北電網,華東電網, 西北電網,海南電網,南方電網和華中電網,這與區域電網中火電比例的高低基本一致.

5.3 影響GHG排放因子的除非火電比例外,還包括傳輸損耗和電網的調入.

5.4 本文計算的排放因子可以為國內組織碳足跡與產品碳足跡的計算提供更恰當的數據來源.

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GreenHouse gas emission factors of Chinese power grids for organization and product carbon footprint.

HOU Ping1, WANG Hong-tao1*, ZHANG Hao2, FAN Ci-dong3, HUANG Na1(1.College of Architecture and Environment, SiChuan University, Chengdu 610065, China；2.Chengdu Branch of China Quality Certification Center, Chengdu 610041；3.IKE Environmental Technology Corporation, Limited, Chengdu 610065, Sichuan, China). China Environmental Science, 2012,32(6)：961～967

The difference between organization and product carbon footprint and clean development mechanism (CDM) projects was discussed. Based on the CDM baseline emission factors and with necessary modifications, emission factors of Chinese power grids for organization and product carbon footprint were obtained. Results show that there are significant differences between the factors for CDM and that for organization and product carbon footprint. So they are not supposed to be used exchangeably. The emission factors obtained in this paper would provide a proper data source for organization and product carbon footprint in China.

organization carbon footprint；product carbon footprint；electricity；greenhouse gas；emission factor

X32

A

1000-6923(2012)06-0961-07

2011-09-14

科技部十一五支撐計劃節能減排課題(2009BAC65B01-1);四川省環境保護科技計劃(2011HB009)

* 責任作者, 副教授, wanght@scu.edu.cn

侯 萍(1987-),女,甘肅蘭州人,四川大學建筑與環境學院碩士研究生,主要從事生命周期評價研究.