楊罕玲 趙一煒
(1.美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)紐約辦公室;2.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司)
甲烷是一種強(qiáng)勢(shì)的短壽命溫室氣體,其100年尺度下的全球增溫潛勢(shì)(GWP100)是二氧化碳的25倍,而其20年尺度下的全球增溫潛勢(shì)(GWP20)是二氧化碳的84倍。目前,大氣中的甲烷濃度已升至80萬年以來最高水平[1],對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)率高達(dá)25%[2]。2021年8月,政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告首次強(qiáng)調(diào)了甲烷減排對(duì)減緩全球升溫速率的重要性[3]。在第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上,近110個(gè)國(guó)家加入甲烷減排承諾,中美氣候聯(lián)合宣言也將甲烷減排作為雙邊合作的重點(diǎn)領(lǐng)域。
美國(guó)是世界上主要的甲烷排放國(guó)之一。2019年甲烷占美國(guó)全年溫室氣體排放總量的10%(約6.6億t二氧化碳當(dāng)量)[4]。石油和天然氣行業(yè)是最大的工業(yè)甲烷排放源,約占人為排放總量的30%[4]。美國(guó)溫室氣體排放數(shù)據(jù)主要集中于由聯(lián)邦環(huán)境保護(hù)署(U.S.EPA)負(fù)責(zé)管理的兩個(gè)報(bào)告系統(tǒng):①國(guó)家溫室氣體清單和碳匯(U.S.Greenhouse Gas Emissions and Sinks,以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家清單”);②大型設(shè)施溫室氣體強(qiáng)制報(bào)送制度(Greenhouse Gas Reporting Program,“GHGRP”,以下簡(jiǎn)稱“報(bào)送制度”)[4]。國(guó)家清單描述了溫室氣體排放趨勢(shì),為宏觀減排政策制定提供參考。報(bào)送制度則提供了大型污染源(如油氣設(shè)施)的標(biāo)準(zhǔn)化排放數(shù)據(jù),便于公眾理解,為州、地方政府和企業(yè)減排提供支持,也為更新國(guó)家清單排放因子和活動(dòng)水平數(shù)據(jù)提供依據(jù)。
美國(guó)自20世紀(jì)90年代初開始編制國(guó)家清單,覆蓋二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟氯碳化物(HFCs、CFCs)、全氟碳化物(PFC)、六氟化硫(SF6)和三氟化氮(NF3)七種溫室氣體,涵蓋了所有的人為排放源和通過碳匯(森林、植被和土壤中的碳存儲(chǔ))從大氣中移除的二氧化碳。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》(UNFCCC)的要求,1994年美國(guó)向聯(lián)合國(guó)提交了第一份國(guó)家清單(1990—1993年),隨后每年都提交更新報(bào)告[4]。2021年4月公布的清單包含了1990—2019年的排放信息[5]。
國(guó)家清單的編制和更新由U.S.EPA牽頭多個(gè)部門、研究機(jī)構(gòu)和專家共同完成。清單草案在定稿前須經(jīng)過30天公示,根據(jù)公眾意見進(jìn)一步完善修改。清單主要采用IPCC2006年指南的排放估算方法,同時(shí)參考IPCC后續(xù)增補(bǔ)指南、官方經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)施報(bào)送數(shù)據(jù)、科研文獻(xiàn)和專家評(píng)判等,對(duì)排放量進(jìn)行自下而上的匯總和估算。IPCC 2006年指南將能源行業(yè)排放的計(jì)算方法分為三級(jí),層級(jí)越高對(duì)數(shù)據(jù)的要求越高。層級(jí)1采用國(guó)際默認(rèn)排放因子,層級(jí)2采用國(guó)家級(jí)的排放因子,層級(jí)3采用組件級(jí)(component-level)排放因子或設(shè)施級(jí)(facility-level)排放估算和直接測(cè)量[6]。針對(duì)油氣系統(tǒng),清單主要涵蓋三種溫室氣體(CO2、CH4和N2O),并采用層級(jí)2、3方法進(jìn)行排放統(tǒng)計(jì)[7]。通過公開會(huì)議和文件,U.S.EPA及時(shí)向公眾說明排放因子和方法學(xué)的更新進(jìn)展[8]。參照國(guó)家清單框架,U.S.EPA還開發(fā)了“州清單工具”(State Inventory Tool)[9]供各州自愿使用,各州自行決定是否編制州級(jí)溫室氣體清單。美國(guó)國(guó)家清單覆蓋的油氣系統(tǒng)環(huán)節(jié)[7]見表1。
表1 美國(guó)國(guó)家清單覆蓋的油氣系統(tǒng)環(huán)節(jié)
2009年,按照聯(lián)邦《綜合撥款法案》(Consolidated Appropriations Act)的要求,U.S.EPA制定了溫室氣體報(bào)送制度,主要適用于年排放超過(含)25 000 t二氧化碳當(dāng)量的大型設(shè)施[10]。報(bào)送制度涵蓋了41種固定排放源類別,共計(jì)8 000余個(gè)設(shè)施,其中包括油氣設(shè)施2 000余個(gè),燃料和工業(yè)氣體供應(yīng)商900余個(gè)以及二氧化碳捕獲/供應(yīng)和地下注入設(shè)施200余個(gè)[10-12]。自2010年起,受控設(shè)施每年通過“溫室氣體線上報(bào)告平臺(tái)”(e-GGRT)提交數(shù)據(jù),U.S.EPA則通過“設(shè)施級(jí)溫室氣體信息”(FLIGHT)等網(wǎng)站公開相關(guān)排放信息[10]。
盡管國(guó)家清單和報(bào)送制度互為補(bǔ)充,但兩者之間仍然存在一定的差異[13]。
1)覆蓋范圍的差異:清單覆蓋所有的人為排放源和碳匯。報(bào)送制度涵蓋的主要是年排放超過25 000 t二氧化碳當(dāng)量的設(shè)施,占清單排放總量的85%~90%,不包括小型排放源、農(nóng)業(yè)/土地利用和碳匯。
2)燃料劃分類別的差異:清單依據(jù)美國(guó)能源信息管理局(U.S.Energy Information Administration)的燃料分類和消耗數(shù)據(jù)計(jì)算燃料排放。而報(bào)送制度關(guān)注的是具體設(shè)施的燃料排放。設(shè)施的燃料分類可能異于清單,導(dǎo)致該類設(shè)施在兩個(gè)體系中的排放總量存在差異。
3)能源和生產(chǎn)工藝排放劃分的差異:清單中燃料燃燒排放歸屬能源章節(jié),工藝排放則另設(shè)章節(jié)。工藝排放包括非燃料燃燒排放或制造和終端消費(fèi)使用溫室氣體所造成的排放[14]。而在報(bào)送制度中,燃料燃燒和工藝排放均被納入設(shè)施的排放總量。
4)估算方法學(xué)的差異:清單針對(duì)小型排放源通常使用IPCC缺省數(shù)據(jù),而報(bào)送制度則采用更加細(xì)化的設(shè)施級(jí)或組件級(jí)的排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù)。
國(guó)家清單與報(bào)送制度的比較[15]見表2。
表2 國(guó)家清單與報(bào)送制度的比較
報(bào)送制度針對(duì)油氣行業(yè)制定了一系列的報(bào)送編制說明(如表3[15]所示),其中Subpart W章節(jié)詳細(xì)介紹了油氣供應(yīng)鏈三種溫室氣體的排放核算要求。
表3 油氣行業(yè)溫室氣體報(bào)送編制說明分類
油氣行業(yè)溫室氣體報(bào)送的相關(guān)環(huán)節(jié)[16]見圖1。
圖1 規(guī)范中涉及油氣行業(yè)溫室氣體排放報(bào)送的相關(guān)環(huán)節(jié)
Subpart W章節(jié)規(guī)定了油氣供應(yīng)鏈10個(gè)環(huán)節(jié)的溫室氣體報(bào)告要求。2019年相關(guān)報(bào)送設(shè)施總計(jì)2 300余個(gè)。由于石油運(yùn)輸環(huán)節(jié)排放相對(duì)較小,未被納入排名前80%的排放源,因此不受Subpart W約束。另外,住宅和商業(yè)用戶燃?xì)獗砑罢{(diào)壓器也不在強(qiáng)制報(bào)告范圍內(nèi)。2019年Subpart W覆蓋的油氣供應(yīng)鏈設(shè)施數(shù)量見表4[17]。
表4 2019年Subpart W覆蓋的油氣供應(yīng)鏈設(shè)施數(shù)量
鑒于企業(yè)報(bào)送以設(shè)施為單位,如何界定“設(shè)施”直接關(guān)系到排放源的覆蓋范圍和控排績(jī)效比較。對(duì)于邊界清晰的作業(yè)區(qū),例如海上油氣生產(chǎn)、陸上天然氣加工、陸上天然氣長(zhǎng)輸和壓縮、地下儲(chǔ)氣庫(kù)以及LNG進(jìn)出口設(shè)備,Subpart W采用美國(guó)清潔空氣法案(Clean Air Act)對(duì)“設(shè)施”的定義,即相鄰區(qū)域內(nèi)受同一業(yè)主(包括運(yùn)營(yíng)商)控制的一組排放源為一個(gè)設(shè)施[18]。但針對(duì)陸上油氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及集輸和加壓環(huán)節(jié),同一家公司的運(yùn)營(yíng)活動(dòng)可能跨越若干彼此毗鄰的盆地,涉及多個(gè)油氣井和集輸站點(diǎn)。
如果將“設(shè)施”定義為業(yè)主公司,則可能無法體現(xiàn)不同盆地的排放差異。將“設(shè)施”定義為單個(gè)井場(chǎng)和集輸站也不理想,因?yàn)楹芏鄦蝹€(gè)站點(diǎn)的年排放量低于25 000 t二氧化碳當(dāng)量的門檻,由此可能會(huì)導(dǎo)致大量排放源不受報(bào)送制度的約束?;谝陨峡紤],Subpart W以“盆地”(basin)為范圍對(duì)生產(chǎn)、集輸環(huán)節(jié)的設(shè)施進(jìn)行定義。油氣盆地的劃分參照美國(guó)石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)(American Association of Petroleum Geologists)對(duì)地質(zhì)省(geological province)的劃分[19]。同一盆地中由同一業(yè)主運(yùn)營(yíng)的多口生產(chǎn)井被視為一個(gè)“設(shè)施”;同一盆地中由同一業(yè)主運(yùn)營(yíng)的集輸、加壓設(shè)備和管道(無論管道是否連通)都屬于同一個(gè)設(shè)施?;凇芭璧亍狈秶纳a(chǎn)設(shè)施定義有助于比較因地域和公司運(yùn)營(yíng)差異造成的排放差異,而且可以覆蓋小型排放源。
Subpart W中天然氣輸配“設(shè)施”指的是一州內(nèi)本地輸配公司運(yùn)營(yíng)的所有輸配管道和調(diào)壓計(jì)量站的集合[20]。
國(guó)家清單和報(bào)送制度對(duì)甲烷排放的估算均采用排放因子(設(shè)備/組件或活動(dòng)的排放速率)與活動(dòng)水平(設(shè)備/組件數(shù)量或活動(dòng)頻率)的乘積。美國(guó)于1990年代開展的早期油氣排放因子研究奠定了國(guó)家清單的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。之后,油氣企業(yè)的報(bào)送數(shù)據(jù)和甲烷科研文獻(xiàn)也成為因子更新的重要來源[5]。
國(guó)家清單天然氣供應(yīng)鏈的甲烷排放因子的一個(gè)早期主要來源是1996年U.S.EPA/天然氣技術(shù)研究院(Gas Research Institute,現(xiàn)稱Gas Technology Institute)開展的天然氣行業(yè)甲烷排放研究(簡(jiǎn)稱GRI/EPA研究)。通過工程估算和對(duì)少數(shù)代表性設(shè)施的測(cè)量,該研究開發(fā)了80多個(gè)排放因子,并為后期的一系列項(xiàng)目所借鑒,例如U.S.EPA“天然氣之星”計(jì)劃(Natural Gas STAR Program)、“國(guó)際甲烷市場(chǎng)化合作”計(jì)劃(Methane to Market Partnership)、州的天然氣甲烷排放清單、美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)綱要、美國(guó)州際天然氣協(xié)會(huì)(INGAA)長(zhǎng)輸和輸配環(huán)節(jié)甲烷排放計(jì)算方法學(xué)等。GRI/EPA研究也是IPCC指南中多個(gè)排放因子的來源[5]。
石油系統(tǒng)的早期因子來源于1992年API的全球石油行業(yè)甲烷排放數(shù)據(jù)(簡(jiǎn)稱API1992)和1999年U.S.EPA和Radian公司開展的石油行業(yè)甲烷排放研究(簡(jiǎn)稱EPA1999)[5]。隨著2010年設(shè)施報(bào)送制度的建立,Subpart W的甲烷數(shù)據(jù)成為清單因子更新的重要依據(jù)。另外,甲烷科學(xué)研究的拓展也為因子更新提供了參考。為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,國(guó)家清單針對(duì)油氣井完井和修井分設(shè)了常規(guī)和非常規(guī)水力壓裂排放因子。同時(shí)也針對(duì)重質(zhì)原油和輕質(zhì)原油的生產(chǎn)和處理分設(shè)了不同的因子[21-22]。
油氣系統(tǒng)活動(dòng)數(shù)據(jù)的來源主要包括上述提到的早期研究、Subpart W報(bào)送系統(tǒng)、海洋能源管理局、聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)(FERC)、能源信息局、交通部的管道和有害材料安全管理局(PHMSA)、美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(Army Corps of Engineers)、州際油氣協(xié)定委員會(huì)(IOGCC)、“天然氣之星計(jì)劃”、Enverus公司數(shù)據(jù)和《油氣雜志》(Oil and Gas Journal)等[5]。
清單中油氣行業(yè)三種溫室氣體(含甲烷)的歷年排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù)可在網(wǎng)上下載[21-22]。國(guó)家清單天然氣供應(yīng)鏈甲烷年排放量示例[23]見表5,國(guó)家清單石油系統(tǒng)甲烷年排放量示例[24]見表6。
表5 國(guó)家清單天然氣供應(yīng)鏈甲烷年排放量示例 萬t甲烷
表6 國(guó)家清單石油系統(tǒng)甲烷年排放量示例 萬t甲烷
與國(guó)家清單設(shè)立的設(shè)備級(jí)(例如壓縮機(jī)、分離器)排放因子不同,Subpart W依據(jù)美國(guó)東部和西部產(chǎn)區(qū)的區(qū)域條件和運(yùn)營(yíng)特征,制定了更細(xì)化的組件級(jí)(如法蘭、閥門)排放因子和設(shè)備的組件缺省參數(shù)。同時(shí)針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)方法和泄漏定義(10 000 μg/g和500 μg/g),增設(shè)了相應(yīng)的組件級(jí)泄漏因子。這些因子及組件數(shù)據(jù)最初來源于U.S.EPA、美國(guó)石油學(xué)會(huì)、天然氣研究院和加拿大Clearstone工程公司的相關(guān)研究[25-35],并隨著科研進(jìn)步得到更新。Subpart W油氣設(shè)施溫室氣體排放核算表[36]和數(shù)據(jù)報(bào)送表[37]可在網(wǎng)上下載。
U.S.EPA負(fù)責(zé)國(guó)家清單和設(shè)施數(shù)據(jù)的審查和評(píng)估,對(duì)數(shù)據(jù)收集、輸入、記錄和計(jì)算進(jìn)行QA/QC分析,通過電腦程序自動(dòng)檢查以及開展人工審核。如發(fā)現(xiàn)問題,U.S.EPA須聯(lián)系相關(guān)設(shè)施糾正錯(cuò)誤。同時(shí),根據(jù)最新數(shù)據(jù)和信息,U.S.EPA對(duì)排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù)的假設(shè)是否符合當(dāng)前行業(yè)慣例進(jìn)行評(píng)估和更新。出于對(duì)清單時(shí)效性和經(jīng)費(fèi)的考慮,U.S.EPA尚未采用第三方核證[38],但設(shè)施報(bào)告的簽字人須對(duì)填報(bào)信息的合規(guī)性負(fù)法律責(zé)任。
然而,近年來眾多的科學(xué)研究表明基于排放因子估算的清單數(shù)據(jù)存在很大的不準(zhǔn)確性。2012—2018年,美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)(Environmental Defense Fund)針對(duì)美國(guó)天然氣供應(yīng)鏈的甲烷排放組織開展了大量的實(shí)測(cè)研究,得出的排放量超過國(guó)家清單數(shù)據(jù)的60%[39]。斯坦福大學(xué)的最新科學(xué)研究認(rèn)為排放差異主要來源于天然氣凝液和液化石油氣儲(chǔ)罐的泄漏和閃蒸、設(shè)備泄漏、火炬不完全燃燒排放和返排液卸載排放,進(jìn)一步說明了開展實(shí)測(cè)和結(jié)合“自上而下”和“自下而上”的估算方法[4](見表7)對(duì)改進(jìn)排放因子和清單質(zhì)量的重要性[40]。
表7 “自上而下”和“自下而上”的甲烷排放估算方法
“自上而下”方法覆蓋所有排放源(自然源和人為源),但可能難以溯源。而“自下而上”方法可以提供某些排放源的信息,但可能無法做到全覆蓋,并且采用的排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù)也許不準(zhǔn)確。因此,協(xié)調(diào)兩種估算方法對(duì)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要。越來越多的企業(yè)和政府利益相關(guān)方意識(shí)到了這一點(diǎn)。2014年,聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)、歐盟委員會(huì)(European Comission)和美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)牽頭發(fā)起油氣甲烷伙伴關(guān)系(OGMP),目前成員公司已超過70多家,公司資產(chǎn)覆蓋五大洲,油氣產(chǎn)量占全球總量的50%[41]。新出臺(tái)的OGMP2.0框架被視為當(dāng)前最佳甲烷排放報(bào)告框架,制定了五個(gè)層級(jí)的數(shù)據(jù)估算標(biāo)準(zhǔn)。其中第五層級(jí)(最高級(jí))要求企業(yè)提供每個(gè)排放源的特定排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù),并開展場(chǎng)站實(shí)測(cè)。歐盟委員會(huì)計(jì)劃參考OGMP 2.0框架,制定能源甲烷強(qiáng)制性監(jiān)測(cè)、報(bào)告和核查(MRV)的立法[41]。
在中國(guó),甲烷也是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體。中國(guó)“十四五”規(guī)劃首次將甲烷管控寫入五年規(guī)劃,2060年碳中和是指所有溫室氣體的中和。目前,七家中國(guó)油氣企業(yè)已聯(lián)手創(chuàng)建甲烷控排聯(lián)盟,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)2025年天然氣生產(chǎn)過程甲烷平均排放強(qiáng)度降到0.25%以下[42]。十家城市燃?xì)馄髽I(yè)也簽署了甲烷倡議,推動(dòng)行業(yè)排放數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、透明化[43]。在中美格拉斯哥氣候聯(lián)合宣言中,中國(guó)宣布將制定國(guó)家甲烷行動(dòng)計(jì)劃。生態(tài)環(huán)境部明確表示未來的工作重點(diǎn)之一是完善重點(diǎn)領(lǐng)域甲烷數(shù)據(jù)的報(bào)告制度和加強(qiáng)MRV的國(guó)家合作[44]。
結(jié)合美國(guó)國(guó)家清單編制和設(shè)施排放數(shù)據(jù)管理制度,本文對(duì)中國(guó)油氣甲烷數(shù)據(jù)完善工作提出以下建議:
一是加快建立常態(tài)化的溫室氣體報(bào)送制度。美國(guó)自1994年以來每年發(fā)布國(guó)家清單,通過設(shè)施報(bào)送制度和大量的油氣甲烷排放研究,積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)作為《氣候公約》非附件一國(guó)家不承擔(dān)年度報(bào)告的義務(wù),目前清單核算的是2014年數(shù)據(jù)。建立連續(xù)年份的國(guó)家清單有助于及時(shí)反映溫室氣體排放趨勢(shì),對(duì)減排政策制定至關(guān)重要。
二是完善油氣供應(yīng)鏈的甲烷數(shù)據(jù)報(bào)送機(jī)制。2015年《中國(guó)石油和天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》[45]制定了上游設(shè)施的甲烷排放核算方法,但目前對(duì)下游城市燃?xì)庑袠I(yè)的排放報(bào)送不設(shè)要求。上游排放也未區(qū)分常規(guī)和非常規(guī)生產(chǎn)、沒有納入火炬排放和廢棄油氣井排放等[46]。因此,有必要擴(kuò)大報(bào)送機(jī)制的覆蓋范圍,提高數(shù)據(jù)完整性。
三是開展實(shí)測(cè),細(xì)化排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù)。中國(guó)基礎(chǔ)排放因子采用加拿大油氣排放因子(2005)[46],難以反映真實(shí)情況。并且設(shè)施報(bào)送以場(chǎng)站為單位[45],數(shù)據(jù)顆粒度大,比較粗糙。建議開發(fā)組件級(jí)和設(shè)備級(jí)的排放因子,更新活動(dòng)數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)合“自上而下”和“自下而上”方法對(duì)排放進(jìn)行估算。
四是建立數(shù)據(jù)公開制度,提高透明度。美國(guó)各油氣設(shè)施的甲烷報(bào)送信息均可在U.S.EPA的網(wǎng)站上查閱。中國(guó)目前尚未建立數(shù)據(jù)公布平臺(tái),企業(yè)的溫室氣體披露以二氧化碳當(dāng)量為單位,并沒有單獨(dú)列出甲烷的排放量。推動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)布可以激發(fā)公眾參與和監(jiān)督減排政策的制定及實(shí)施。
五是在甲烷減排法規(guī)制定、排放監(jiān)測(cè)和泄漏檢測(cè)等方面加強(qiáng)國(guó)際合作。美國(guó)已經(jīng)發(fā)布甲烷減排行動(dòng)計(jì)劃,U.S.EPA也出臺(tái)了油氣新建和現(xiàn)有排放源的甲烷法規(guī)修訂草案。鑒于美國(guó)在油氣甲烷管控方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),中美可以在排放標(biāo)準(zhǔn)、甲烷測(cè)量和減排等領(lǐng)域加強(qiáng)合作,探索大尺度衛(wèi)星遙感甲烷監(jiān)測(cè),建立天地空一體化監(jiān)測(cè)體系,支持國(guó)家清單編制工作。