基于全生命周期的煤炭碳排放清單計算與不確定性分析

高俊蓮 徐向陽 鄭鳳琴 霍 冉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與環(huán)境政策研究中心，北京市海淀區(qū)，100083)

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基于全生命周期的煤炭碳排放清單計算與不確定性分析

高俊蓮1,3徐向陽2，3鄭鳳琴2，3霍 冉2，3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與環(huán)境政策研究中心，北京市海淀區(qū)，100083)

2017年全國將啟動統(tǒng)一碳市場，對溫室氣體排放清單的研究能為溫室氣體排放趨勢分析、重要不確定性源的識別、份額的分配和減排方案的設(shè)計提供現(xiàn)實依據(jù)和技術(shù)支持。煤炭作為我國溫室氣體排放主要貢獻者，對其進行相關(guān)研究具有重要現(xiàn)實意義。但目前國內(nèi)外缺少對行業(yè)排放清單的研究，尤其是煤炭全生命周期的研究。根據(jù)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中溫室氣體排放的核算方法，運用蒙特卡羅模擬，計算了煤炭生命周期各環(huán)節(jié)的碳排放及其生命周期排放清單，并對溫室氣體排放的不確定性進行分析。在結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，對煤炭全生命周期中各個環(huán)節(jié)提出相關(guān)建議。

碳排放清單 蒙托卡羅模擬 不確定性

化石能源由于燃燒過程帶來的大量二氧化碳排放，成為了氣候變化領(lǐng)域討論的焦點。根據(jù)國際能源展望2016(IEO2016)的參考情景，全球能源相關(guān)的二氧化碳排放在2012年為323億t，2020年及2040年將分別會提高到356億t和432億t。最近幾十年以來，化石燃料燃燒貢獻了二氧化碳排放總量的90%。煤炭作為碳排放強度最高的化石燃料，在2012年占我國化石燃料二氧化碳排放總量的四分之三，2014年煤炭消費無增長的情況下，我國二氧化碳排放相比2013年僅僅增長了0.9%，年均增長達到近十年最低值。以上說明了煤炭在我國二氧化碳排放清單中的主要貢獻，對煤炭相關(guān)領(lǐng)域的碳排放進行研究，對我國應(yīng)對氣候變化、減少碳排放等具有重要意義。

目前我國關(guān)于溫室氣體排放清單的相關(guān)研究比較多，但尚未出版每年的碳排放估算清單，而且研究大多集中在城市層面，對分行業(yè)的溫室氣體排放研究較少。師華定等的研究提出了我國電力行業(yè)溫室氣體清單編制方法的基本原則，建立符合我國國情的電力行業(yè)溫室氣體清單編制方法體系框架；鄭爽在研究中提出了煤層甲烷類溫室氣體排放清單的編制方法。目前基于生命周期對我國煤炭行業(yè)的溫室氣體排放清單的研究較為缺乏，根據(jù)公開文獻來看，在排放清單的不確定性上也涉及很少。清單的不確定性分析是完整溫室清單的基本組成之一，也是清單數(shù)據(jù)正確性和完整性的保證?；诖?，為了系統(tǒng)全面地估算煤炭產(chǎn)業(yè)鏈溫室氣體排放，本文建立了基于煤炭全生命周期碳排放清單，并運用蒙特卡羅模擬的方法對其不確定性進行了分析。

1 研究方法

本文在核算煤炭行業(yè)溫室氣體及對計算結(jié)果進行不確定性分析時，主要參考的是《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》和《IPCC國家溫室氣體清單優(yōu)良做法指南和不確定性管理》中的“排放因子乘以活動水平數(shù)據(jù)”的計算方法，并對其進行蒙托卡羅模擬計算。該指南體系已被許多國家采用，是一套相對完整的溫室氣體排放理論、排放量估算方法及流程。

2 我國煤炭行業(yè)溫室氣體排放清單研究

煤炭的全生命周期為開采、洗選、運輸、轉(zhuǎn)化和利用。根據(jù)碳元素守恒，考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，本文以2011年為例，通過計算煤炭開采、運輸和利用過程的溫室氣體排放，估算了煤炭整個生命周期的溫室氣體排放清單，并對該溫室氣體排放清單的不確定性進行了分析，以期可以使我國煤炭行業(yè)溫室氣體排放清單數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，能為其他行業(yè)溫室氣體排放清單的編制以及不確定性分析提供借鑒意義，并能為溫室氣體排放趨勢分析、重要不確定性源的識別、排放的總量控制、份額的分配和減排方案的設(shè)計提供現(xiàn)實依據(jù)和技術(shù)支持。

2.1 煤炭開采環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

煤炭形成的地質(zhì)過程會產(chǎn)生甲烷排放，直到在煤炭開采中一些殘留在煤層中的瓦斯被釋放出來。2011年我國煤炭開采量為38.88億t，其中井工開采量為25.45億t，露天開采量為13.43億t。《IPCC國家溫室氣體清單優(yōu)良做法指南和不確定性管理》規(guī)定，煤炭產(chǎn)量登記噸位有5%的誤差，因此將井工開采量和露天開采量設(shè)置為三角分布，以開采量+5%為最大值，開采量-5%為最小值，查到的開采量為最可能值。井工開采的高、中、低瓦斯礦全球平均的甲烷排放系數(shù)分別為16.75 kg/t、12.06 kg/t和6.7 kg/t。露天開采的高、中、低瓦斯礦全球平均的甲烷排放系數(shù)分別為2.0 kg/t、1.2 kg/t和0.3 kg/t。其排放相關(guān)參數(shù)如表1所示，將其分別設(shè)置為三角分布。

煤炭開采環(huán)節(jié)甲烷的總排放量計算公式為：

(1)

式中：Ai——第i種開采方式的活動水平；

EFi——第i種運輸方式的排放因子；

GWP——溫室氣體的全球增溫潛勢，其中二氧化碳的全球增溫潛勢值為1，甲烷的全球增溫潛勢值為21，一氧化二氮的全球增溫潛勢值為275。

利用Crystal Ball軟件進行4000次蒙托卡羅仿真計算可得到煤炭開采環(huán)節(jié)甲烷的總排放量為8526.67萬t，95%的置信區(qū)間為(4783.05, 12502.50)。

表1 煤炭開采環(huán)節(jié)甲烷排放相關(guān)參數(shù)

2.2 煤炭運輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

我國煤炭的運輸主要依靠鐵路、公路和水路。在我國鐵路煤炭運輸中，鐵路機車主要有內(nèi)燃機車和電力機車，分別消耗燃料油和電力。電力是二次能源消耗，因此計算中只考慮內(nèi)燃機車，其燃油基本以柴油為主。公路煤炭運輸中，一般用20 t及以上中重型卡車進行運輸，幾乎100%為柴油車。煤炭水路運輸，從游艇到大型遠(yuǎn)洋貨船，也主要是由柴油發(fā)動機驅(qū)動。

2011年我國鐵路運煤量為22.7億t，鐵路煤炭平均運距為645 km，因此，鐵路煤炭的周轉(zhuǎn)量為14643.177億t·km，其中，內(nèi)燃機車占53.6%，電力機車占46.4%，由此得出，內(nèi)燃機車煤炭周轉(zhuǎn)量為7848.74億t·km。鐵路運輸中內(nèi)燃機車耗油26.8 kg/萬t·km，所以鐵路運輸消耗柴油量為2103463.10 t。2011年我國煤炭公路貨運量為3.5億t，公路煤炭平均運距為250 km，因此，公路煤炭的周轉(zhuǎn)量為875億t·km。公路運輸耗油量600 kg/萬t·km，所以公路運輸消耗柴油量為525萬t。2011年我國煤炭水路貨運量為6.5億t，水路煤炭平均運距為1768.75 km，因此，水路煤炭的周轉(zhuǎn)量為11496.88億t·km。水路運輸耗油量21.5 kg/萬t·km，所以水路運輸消耗柴油量為247.18萬t。各種溫室氣體的排放因子采用IPCC(2006)中的缺省值，如表2所示。

表2 煤炭運輸環(huán)節(jié)活動水平和排放因子參數(shù)

根據(jù)IPCC(2007)的推薦，煤炭運輸環(huán)節(jié)耗油甲烷排放量的計算公式為：

(2)

式中：E——煤炭溫室氣體排放量；

Ai——第i種燃料的活動水平；

EFij——第i種燃料第j種溫室氣體的排放因子；

GWPij——第i種燃料第j種溫室氣體的全球增溫潛勢。

利用Crystal Ball軟件進行4000次蒙托卡羅模擬可得到煤炭運輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放量，結(jié)果如表3所示。

2.3 煤炭利用環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

在煤炭溫室氣體排放清單中，煤炭燃燒是溫室氣體的主要來源，根據(jù)排放因子的可獲得性，煤炭消費環(huán)節(jié)的溫室氣體排放核算過程中采用了《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》推薦的參考方法和國家統(tǒng)計局公布的最新排放系數(shù)。將統(tǒng)計年鑒提供的數(shù)據(jù)作為三角分布中的最可能值，+5%上限值作為最大值，-5%下限值作為最小值。煤炭各活動水平數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 煤炭運輸環(huán)節(jié)各種溫室氣體排放當(dāng)量值 萬t

表4 2011年我國煤炭消費數(shù)據(jù)的三角分布 萬t

根據(jù)IPCC(2006)建議，本文溫室氣體排放因子采用中國工程院所提供的排放因子作為計算的依據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 煤炭各排放因子 kg/t

煤炭利用環(huán)節(jié)溫室氣體排放總量的計算公式為：

(3)

式中：E——煤炭溫室氣體排放量；

Ai——第i種煤的活動水平；

EFij——第i種煤第j種溫室氣體的排放因子；

GWPij——第i種煤第j種溫室氣體的全球增溫潛勢。

利用Crystal Ball軟件進行4000次仿真計算可得到煤炭消費環(huán)節(jié)的溫室氣體排放量，結(jié)果如表6所示。

表6 煤炭消費環(huán)節(jié)各種溫室氣體排放當(dāng)量值 萬t

2.4 煤炭行業(yè)溫室氣體排放總量

我國煤炭行業(yè)溫室氣體排放總量等于煤炭開采環(huán)節(jié)、煤炭運輸環(huán)節(jié)和煤炭利用環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的溫室氣體總和，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 煤炭行業(yè)溫室氣體總排放量模擬頻率視圖

由上述模擬結(jié)果可以看出，2011年我國煤炭行業(yè)溫室氣體總排放量為1367186.72萬t，95%的置信區(qū)間為(1297537.98，1433468.58)。

3 不確定性分析

不確定性估算是一個完整排放清單的基本要素之一。在清單編制過程中，活動水平的確定及排放因子的測算等存在著諸多不確定因素，通過進行不確定性分析可以為確定未來改進清單準(zhǔn)確性的優(yōu)先努力方向提供幫助并指導(dǎo)有關(guān)方法學(xué)選擇的決策。IPCC制定的《國家溫室氣體清單優(yōu)良做法指南和不確定性管理》統(tǒng)一了各國編制清單中對不確定性量化的方法。

本文利用Bootstrap方法，對各源類別溫室氣體排放量的不確定性進行了分析。在對每組模型輸入自展抽樣時，抽樣分布為代表該源類別模型輸入的概率分布模型。每次抽取4000個隨機樣本，計算其平均值。重復(fù)4000次，得到4000個代表該模型輸入的平均值，這4000個平均值描述了該模型輸入(排放因子和活動水平)的不確定性分布。不確定性上限為(97.5分位數(shù)-平均值)/平均值×100%，下限為(2.5分位數(shù)-平均值)/平均值×100%，其結(jié)果如表7所示。

由表7可知，煤炭開采環(huán)節(jié)溫室氣體清單的不確定性較大，其絕對值大于40%，主要原因是輸入排放因子的不確定性較大及活動水平的不確定性，其傳播至開采環(huán)節(jié)的溫室氣體總排放量，導(dǎo)致該環(huán)節(jié)的溫室氣體清單不確定性偏大。

雖然煤炭運輸環(huán)節(jié)的甲烷和氧化亞氮排放量的不確定性很大，但煤炭運輸環(huán)節(jié)溫室氣體總排放量的不確定性較低，主要是因為煤炭運輸環(huán)節(jié)甲烷與氧化亞氮的排放量較小，對總體的不確定性影響較小。

由該計算結(jié)果可知，我國2011年煤炭溫室氣體排放清單總的不確定性為(-5.09%,4.85%)，不確定性較低，表明該煤炭溫室氣體清單可較準(zhǔn)確地反映我國2011年煤炭溫室氣體排放情況。

表7 煤炭溫室氣體排放不確定性分析

4 結(jié)語

本文研究的煤炭溫室氣體排放清單，是指一定時期內(nèi)(通常為一年)記錄和報告一國范圍內(nèi)因煤炭開采、運輸和利用環(huán)節(jié)而產(chǎn)生的二氧化碳、甲烷和氮氧化物排放的詳細(xì)列表。以2011年我國煤炭開采、運輸和利用等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用蒙特卡羅技術(shù)編制了我國煤炭溫室氣體排放清單，并進行了不確定性分析。

(1)礦井瓦斯的排放和煤層氣開采是造成采選環(huán)節(jié)溫室效應(yīng)氣體排放的最主要原因。提高礦井瓦斯綜合利用率是減少溫室效應(yīng)氣體排放的主要途徑，嚴(yán)格控制高瓦斯礦井、瓦斯突出礦井煤炭生產(chǎn)，不僅是實現(xiàn)煤炭去產(chǎn)能的重要手段，更有助于減少煤炭開發(fā)的碳排放。

(2)在煤炭清單編制過程中，煤炭開采環(huán)節(jié)溫室氣體排放的不確定性范圍為(-43.90，46.63)，煤炭運輸環(huán)節(jié)溫室氣體排放的不確定性范圍(-6.96,7.38)，煤炭利用環(huán)節(jié)溫室氣體排放的不確定性范圍(-5.21,4.87)，說明煤炭開采環(huán)節(jié)的不確定性較高，主要來源于排放因子和活動水平的不確定，加強對煤炭開采環(huán)節(jié)溫室氣體數(shù)據(jù)的收集是增強排放清單準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

(3)煤炭的利用環(huán)節(jié)是煤炭全生命周期中溫室氣體排放最大的環(huán)節(jié)，占整個生命周期的99%，煤炭利用過程中不同的煤種意味著碳排放水平不同。因此，應(yīng)提高對優(yōu)質(zhì)煤的開發(fā)利用，提高利用過程中煤炭使用效率。

(4)考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，在煤炭開采環(huán)節(jié)未能考慮由于煤炭開采后復(fù)墾帶來的土地利用變化引起的碳排放量變化，主要體現(xiàn)在森林和其他木質(zhì)生物質(zhì)生物量碳貯量變化，今后應(yīng)加強對煤炭開采過程中土地利用變化帶來的溫室氣體效應(yīng)的計算和統(tǒng)計。

[1] Bala G. Digesting 400 ppm for global mean CO2concentration[J]. Current Science, 2013(11)

[2] 鄭爽.我國煤層甲烷類溫室氣體排放及清單編制[J].中國煤炭，2002(5)

[3] 王小輝，陳報章，張慧芳.省級碳清單不確定性分析——基于陜西省2000-2012年碳排放測算[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015(7)

[4] 孫振清，汪國軍，陳亞男.基于能源平衡表的碳排放清單核算不確定性分析[J].生態(tài)經(jīng)濟(中文版)，2015(7)

[5] 王雅捷，何永.基于碳排放清單編制的低碳城市規(guī)劃技術(shù)方法研究[J].中國人口·資源與環(huán)境，2015(6)

[6] 師華定，齊永青，梁海超等.電力行業(yè)溫室氣體排放核算方法體系研究[J].氣候變化研究進展，2010(1)

[7] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2011[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2012

[8] 鐵道部統(tǒng)計中心.中華人民共和國鐵道部2011年鐵道統(tǒng)計公報[J].中國鐵路，2012(4)

(責(zé)任編輯 宋瀟瀟)

Coal carbon emission inventory calculation and uncertainties analysis based on lifecycle analysis

Gao Junlian1,3, Xu Xiangyang2,3, Zheng Fengqin2,3, Huo Ran2,3

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. School of Management, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;3. Resources and Environment Policy Research Center, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

China will launch a unified national carbon market in 2017, GHG emissions inventory for greenhouse gas emissions trends analysis, identification of important carbon sources of uncertainty, share distribution and emission reduction program design play important roles in providing realistic basis and technical support. As one of the main contributors of greenhouse gas emissions, coal has important practical significance for its research. However, there is lack of research on industrial emission inventories, especially based on the whole coal lifecycle. Based on the method of accounting for greenhouse gas emissions in the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Monte Carlo simulation was used to calculate the carbon emission in each phase of coal lifecycle and analyze uncertainties of the greenhouse gas emission. Based on the analysis of results, this paper puts forward some suggestions on the whole lifecycle of coal.

carbon emission inventory, Monte Carlo method, uncertainty

高俊蓮，徐向陽，鄭鳳琴等.基于全生命周期的煤炭碳排放清單計算與不確定性分析[J].中國煤炭，2017，43(6):22-26. Gao Junlian，Xu Xiangyang，Zheng Fengqin，et al. Coal carbon emission inventory calculation and uncertainties analysis based on lifecycle analysis [J].China Coal，2017，43(6): 22-26.

TD-9

A

高俊蓮(1985-)，女，博士，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院博士后，資源與環(huán)境政策研究中心技術(shù)負(fù)責(zé)人，主要從事能源系統(tǒng)建模研究。