電網(wǎng)碳排放因子核算方法與研究進(jìn)展

劉正英，許 青，李天壽，張齡之，李樹德

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司發(fā)展事業(yè)部，甘肅 蘭州 730000，2.國(guó)網(wǎng)英大碳資產(chǎn)管理（上海）有限公司，上海 200126）

0 引 言

目前，電力行業(yè)所產(chǎn)生的碳排放約占我國(guó)各行業(yè)總排放量的50%，為最大的單一碳排放行業(yè)[1]。因此，建設(shè)規(guī)范統(tǒng)一的電力系統(tǒng)碳排放核算體系是制定高效減排方案并促進(jìn)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重中之重。根據(jù)國(guó)際溫室氣體核算體系，電力行業(yè)碳排放可劃分為直接碳排放與間接碳排放[2]。其中，直接碳排放指電力系統(tǒng)發(fā)電和輸變電環(huán)節(jié)，由于化石能源燃料直接燃燒和SF6 等絕緣氣體泄漏產(chǎn)生的溫室氣體排放；間接碳排放指由于使用主體的需求間接導(dǎo)致其他主體在電力生產(chǎn)過程中燃燒化石能源所產(chǎn)生的溫室氣體排放，同時(shí)將碳排放責(zé)任分?jǐn)偟较M(fèi)側(cè)[3-4]。當(dāng)前研究表明，電力系統(tǒng)中的碳排放責(zé)任僅計(jì)量直接碳排放，并由生產(chǎn)者負(fù)責(zé)的責(zé)任分配會(huì)導(dǎo)致“碳泄漏”現(xiàn)象，難以從用戶側(cè)倒逼電力行業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。因此，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的間接碳排放準(zhǔn)確計(jì)量和責(zé)任公平分?jǐn)傆葹殛P(guān)鍵。目前，溫室氣體核算標(biāo)準(zhǔn)中，電力系統(tǒng)間接碳排放量采用活動(dòng)數(shù)據(jù)（某一項(xiàng)排放源的全年消耗量）、排放因子（單位活動(dòng)的排放量系數(shù)）和全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）（氣體的溫室效益指數(shù)）相乘的方法進(jìn)行計(jì)算，在活動(dòng)數(shù)據(jù)和GWP數(shù)據(jù)外生的情況下，電網(wǎng)碳排放因子的準(zhǔn)確核算是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)間接碳排放計(jì)量的關(guān)鍵[5]。

文章首先分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外所使用電網(wǎng)碳排放因子的特征與使用情景，闡明當(dāng)前存在的不足與困境。之后，根據(jù)當(dāng)前的電網(wǎng)碳排放因子國(guó)內(nèi)外研究成果，針對(duì)目前的缺陷總結(jié)其他電網(wǎng)碳排放因子的特征與研究進(jìn)展，并為對(duì)我國(guó)未來電力系統(tǒng)碳計(jì)量中電網(wǎng)碳排放因子的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 我國(guó)電網(wǎng)碳排放因子特征

1.1 電網(wǎng)平均碳排放因子

原則上，電網(wǎng)碳排放因子核算應(yīng)由發(fā)電側(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致電力傳輸溯源較難。為解決此問題，中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施（2021 年修訂版）》明確指出，電網(wǎng)平均排放因子核算采用隱含電力排放，且根據(jù)全國(guó)電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)、省級(jí)電網(wǎng)等不同電網(wǎng)等級(jí)，使用不同發(fā)電技術(shù)采用不同碳排放因子[6]。

全國(guó)電網(wǎng)平均排放因子一般僅在重點(diǎn)企業(yè)進(jìn)行碳排放報(bào)告報(bào)送時(shí)，用于填寫溫室氣體碳排放報(bào)告補(bǔ)充數(shù)據(jù)報(bào)表，避免由于區(qū)域電網(wǎng)平均排放因子存在差距，導(dǎo)致重點(diǎn)控排企業(yè)在納入電力行業(yè)的全國(guó)碳市場(chǎng)啟動(dòng)后產(chǎn)生的配額分配不均問題。區(qū)域電網(wǎng)主要?jiǎng)澐譃槿A北區(qū)域、東北區(qū)域、華東區(qū)域、華中區(qū)域、西北區(qū)域以及南方區(qū)域，平均碳排放因子主要用于區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)核算其用電產(chǎn)生的碳排放量，不僅考慮凈購(gòu)入的國(guó)外電量，還考慮了區(qū)域電網(wǎng)間的電力交換。省級(jí)電網(wǎng)平均碳排放因子是在區(qū)域電網(wǎng)平均排放因子基礎(chǔ)上的進(jìn)一步細(xì)化，不僅考慮了凈購(gòu)入國(guó)外電量和區(qū)域間電網(wǎng)的電力交換，還考慮了區(qū)域與省級(jí)電網(wǎng)間的電力交換，主要用于國(guó)家對(duì)省級(jí)碳排放目標(biāo)責(zé)任的考核。

1.2 電網(wǎng)基準(zhǔn)線碳排放因子

我國(guó)電網(wǎng)基準(zhǔn)線碳排放因子主要基于清潔發(fā)展機(jī)制（Clean Development Mechanism，CDM）計(jì)算得出，用于中國(guó)重點(diǎn)減排領(lǐng)域CDM 項(xiàng)目和中國(guó)溫室氣體自愿減排項(xiàng)目的溫室氣體減排量核算。其可分為短期內(nèi)電力需求減少導(dǎo)致的火電廠發(fā)電量減少的電量邊際排放因子（Operation Margin，OM）與遠(yuǎn)期電力需求增加導(dǎo)致的新建新能源電廠發(fā)電量增加的容量邊際排放因子（Build Margin，BM）。計(jì)算OM 時(shí)，剔除水電、核電等低成本運(yùn)行和必須運(yùn)行機(jī)組，實(shí)際反映的為火電廠的平均排放水平。BM 是以電量為權(quán)重，對(duì)選定的若干新增機(jī)組進(jìn)行樣本采樣，并對(duì)采樣所得碳排放因子進(jìn)行加權(quán)得出，反映新增電力機(jī)組容量的碳排放水平。

以行政區(qū)劃分級(jí)的電網(wǎng)平均排放因子或電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子進(jìn)行核算存在以下弊端[7]。一是需要較長(zhǎng)周期的化石能源消耗量及發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且需要規(guī)范其統(tǒng)計(jì)口徑，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新存在強(qiáng)烈滯后性的問題。二是區(qū)域范圍的電網(wǎng)平均排放因子基于將整體平均分?jǐn)傊潦褂脗€(gè)體的原則，無法體現(xiàn)使用個(gè)體的特征差異及時(shí)空差異，公平性考慮不足。三是核算過程只考慮傳統(tǒng)化石能源燃燒碳排放，忽視了燃料開采、運(yùn)輸過程、發(fā)電設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)以及廢棄物處置過程產(chǎn)生的溫室氣體排放，使得可再生能源發(fā)電過程的大量碳排放被忽略。

隨著新型電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，采用單一的區(qū)域范圍的電網(wǎng)平均排放因子會(huì)導(dǎo)致發(fā)生與實(shí)際使用情況嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象。

2 其他電網(wǎng)碳排放因子研究進(jìn)展

2.1 電力碳足跡排放因子

為擴(kuò)展電網(wǎng)碳排放因子的核算范圍，使其盡量囊括電力產(chǎn)品的所有基建、生產(chǎn)、運(yùn)輸以及處置環(huán)節(jié)產(chǎn)生的溫室氣體排放，部分專家學(xué)者從產(chǎn)品全生命周期視角提出了碳足跡電網(wǎng)平均排放因子，主要包括組織碳足跡與產(chǎn)品碳足跡。核算組織和產(chǎn)品全生命周期的實(shí)際碳排放量，其中組織碳足跡指某一公司或其他類型組織在一定時(shí)間內(nèi)（通常為一年）排放的溫室氣體量化報(bào)告，包括直接排放和間接排放[8]。產(chǎn)品碳足跡是指某產(chǎn)品在原材料開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸以及使用等全生命周期環(huán)節(jié)造成的溫室氣體排放。目前，我國(guó)尚未公布官方的組織和產(chǎn)品的碳足跡電網(wǎng)平均排放因子。根據(jù)核算范圍的不同可以分為“自下而上”的具有代表性的特定發(fā)電廠與電力企業(yè)電力碳足跡排放因子、“自上而下”的區(qū)域或省級(jí)電力碳足跡排放因子。

2.1.1 “自下而上”的發(fā)電廠與電力企業(yè)電力碳足跡排放因子

“自下而上”的發(fā)電廠與電力企業(yè)電力碳足跡排放因子測(cè)算主要以過程分析為基礎(chǔ)，評(píng)估過程可以分為4 個(gè)環(huán)節(jié)。一是確定發(fā)電廠和電力企業(yè)的電力產(chǎn)品生命周期核算邊界；二是界定組織邊界和營(yíng)運(yùn)邊界，其中組織邊界主要指整個(gè)企業(yè)集團(tuán)，包括旗下子公司、轉(zhuǎn)投資公司、合資企業(yè)等有各獨(dú)立法人或非法人承擔(dān)運(yùn)營(yíng)責(zé)任的企業(yè)機(jī)構(gòu)，營(yíng)運(yùn)邊界主要指排放源類型，區(qū)分其為直接或間接排放；三是數(shù)據(jù)收集與計(jì)算；四是結(jié)果審查。

2.1.2 “自上而下”的區(qū)域或省級(jí)電力碳足跡排放因子

與發(fā)電廠與電力企業(yè)電力碳足跡排放因子整體核算步驟相同。不同的是，“自上而下”的區(qū)域或省級(jí)電力碳足跡排放因子需要對(duì)所要核算的整個(gè)區(qū)域劃分內(nèi)的發(fā)電企業(yè)全生命周期周期溫室氣體排放量進(jìn)行核算，包括傳統(tǒng)的燃煤企業(yè)及新能源企業(yè)。寧禮哲等人基于上述核算方法體系，結(jié)合《2010 年中國(guó)區(qū)域及省級(jí)電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子》提供的省級(jí)電網(wǎng)排放因子方法，核算得到了省級(jí)電力產(chǎn)品電力碳足跡排放因子[9]。其中，區(qū)域電網(wǎng)的電力碳足跡排放因子的計(jì)算過程中需要考慮國(guó)家電網(wǎng)間和區(qū)域電網(wǎng)間的電力交換，計(jì)算公式為

式中，EFi表示i區(qū)域電網(wǎng)的電力碳足跡排放因子；Emi表示i區(qū)域電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)發(fā)電企業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體排放總量；EFgrid,i、EFgrid,j、EFgrid,k分別表示i、j區(qū)域與k國(guó)家電力生產(chǎn)的溫室氣體排放因子；Eimp,j,i、Eimp,k,i分別表示j區(qū)域電網(wǎng)及k國(guó)家電網(wǎng)向i區(qū)域電網(wǎng)輸送電力的總電量；Eexi,i表示i區(qū)域向其他區(qū)域電網(wǎng)或國(guó)家電網(wǎng)輸送的總電量；Eele,i,q表示i區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)應(yīng)用q型發(fā)電技術(shù)（火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核能發(fā)電）凈上網(wǎng)電量；TL表示輸電電力折損率；i、j為區(qū)域?yàn)闁|北、華北、華東、華中、西北和南方區(qū)域之一；k為向i區(qū)域輸出電力的國(guó)家。

省級(jí)電網(wǎng)的電力碳足跡排放因子的計(jì)算過程中需要考慮國(guó)家電網(wǎng)間、區(qū)域電網(wǎng)間、區(qū)域電網(wǎng)和省級(jí)電網(wǎng)間、省級(jí)電網(wǎng)間的電力交換，計(jì)算公式為

式中，EFp表示p省級(jí)電網(wǎng)的電力碳足跡排放因子；Emp表示p省級(jí)電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)發(fā)電企業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體排放總量；EFgrid,p、EFgrid,m分別表示p、m省份電力生產(chǎn)的溫室氣體排放因子；Eimp,j,p、Eimp,k,p、Eimp,m,p分別表示j區(qū)域電網(wǎng)、k國(guó)家電網(wǎng)、m省級(jí)電網(wǎng)向p省級(jí)電網(wǎng)輸送電力的總電量；Eexi,p表示p省份向其他省級(jí)電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)或國(guó)家電網(wǎng)輸送的總電量；Eele,p,q表示p省份覆蓋范圍內(nèi)應(yīng)用q型發(fā)電技術(shù)凈上網(wǎng)電量；j區(qū)域?yàn)橄騪省份輸出電力的東北、華北、華東、華中、西北和南方區(qū)域之一；k為向p省份輸出電力的國(guó)家。

碳足跡電網(wǎng)排放因子的提出解決了當(dāng)前電網(wǎng)碳排放因子核算范圍欠缺與忽視了區(qū)域差異導(dǎo)致的不全面、不公平問題，但仍需要大量長(zhǎng)周期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的更新周期較長(zhǎng)，無法解決滯后性問題。

2.2 動(dòng)態(tài)電網(wǎng)碳排放因子

為解決電網(wǎng)碳排放因子存在的數(shù)據(jù)滯后性問題，使得新能源電力企業(yè)快速發(fā)展背景下電力碳排放更加精準(zhǔn)客觀，動(dòng)態(tài)碳排放因子的研究被提上日程。動(dòng)態(tài)電網(wǎng)碳排放因子的提出主要基于電力潮流追蹤及碳流追蹤理論，被定義為依附于電力潮流存在且用于表征電力系統(tǒng)中維持任意支路潮流的碳排放所形成的虛擬網(wǎng)絡(luò)流。

目前，核算動(dòng)態(tài)電網(wǎng)碳排放因子的方法與步驟不盡相同，但已取得相當(dāng)可觀的研究成果。汪超群等利用順流與逆流追蹤的交流潮流分布結(jié)果，提出了基于網(wǎng)絡(luò)功率分解的實(shí)時(shí)碳流計(jì)算方法，克服了傳統(tǒng)碳流計(jì)算中公平性考慮不足的問題[10]。張濤利用復(fù)功率潮流追蹤理論，設(shè)計(jì)了多層級(jí)潮流追蹤框架，并以長(zhǎng)興縣行政區(qū)劃為例，將電網(wǎng)碳排放計(jì)量時(shí)間尺度細(xì)化至5 min，區(qū)域尺度細(xì)化至供區(qū)[11]。楊毅等人為解決復(fù)功率潮流追蹤中碳流出現(xiàn)負(fù)值的問題，提出了一種基于碳排放流的碳流追蹤方法，在碳流計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)碳流進(jìn)行直接追蹤，并構(gòu)建了由發(fā)電廠和用戶共同承擔(dān)的碳排放責(zé)任分?jǐn)偰Ｐ蚚12]。在動(dòng)態(tài)電網(wǎng)碳排放因子核算過程中，關(guān)鍵在于電力潮流追蹤與碳流追蹤，實(shí)際建模過程中需要對(duì)二者的追蹤對(duì)象、分析對(duì)象及電網(wǎng)損失核算對(duì)象進(jìn)行辨析，具體如表1 所示。

表1 電力潮流追蹤與碳流追蹤辨析

基于電網(wǎng)功率、比例共享、復(fù)功率的碳流追蹤為目前最為常用的分析方法，各有優(yōu)劣特征。首先，基于電網(wǎng)功率的碳流追蹤可有效分析電網(wǎng)中源、流、匯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但區(qū)域碳排放責(zé)任分?jǐn)偣叫钥紤]不足；其次，基于復(fù)功率的碳流追蹤考慮了有功率及無功率2 種情況，采用的簡(jiǎn)化較少，但涉及的計(jì)算過程較為復(fù)雜，涉及大量復(fù)數(shù)運(yùn)算；最后，基于比例共享原則的碳流追蹤有效克服了區(qū)域碳排放責(zé)任分?jǐn)偛还珕栴}，且計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但未考慮電力交易的影響。

3 結(jié) 論

探索新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)下電網(wǎng)碳排放因子的計(jì)量方法與核算方案，對(duì)于支撐我國(guó)建設(shè)將電力行業(yè)囊括在內(nèi)的全國(guó)碳交易平臺(tái)具有重要意義，可助力我國(guó)電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型，推動(dòng)我國(guó)的電力與能源行業(yè)的減排行動(dòng)。文章針對(duì)國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)碳排放因子的使用特征及缺陷進(jìn)行了深入分析，并根據(jù)目前的研究總結(jié)了其他碳排放因子的計(jì)量方法與發(fā)展歷程，以期為我國(guó)的電力行業(yè)碳排放計(jì)量提供參考。同時(shí)，精準(zhǔn)、公平的電網(wǎng)碳排放因子是助推電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的工作基礎(chǔ)。面向電網(wǎng)碳排放因子核算水平提升的基本需求，從擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取渠道、創(chuàng)新排放因子核算方案、構(gòu)建源-網(wǎng)-荷自動(dòng)化平臺(tái)3 個(gè)方面進(jìn)行了進(jìn)一步的研究展望。