发电技术, 2024, 45(4): 575-589 DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23088

碳中和

我国火电行业碳足迹评估综述

单思珂1,2, 刘含笑1,2,3,4, 刘美玲1, 王帅1, 崔盈1

1.浙江省燃煤烟气净化装备研究重点实验室(浙江菲达环保科技股份有限公司),浙江省 诸暨市 311800

2.华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京市 昌平区 102206

3.煤燃烧国家重点实验室(华中科技大学),湖北省 武汉市 430074

4.浙江省环保集团生态环保研究院有限公司,浙江省 杭州市 310000

Review of Carbon Footprint for Thermal Power Industry in China

SHAN Sike1,2, LIU Hanxiao1,2,3,4, LIU Meiling1, WANG Shuai1, CUI Ying1

1.Zhejiang Key Laboratory of Coal Flue Gas Purification Equipment Research (Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co. , Ltd. ), Zhuji 311800, Zhejiang Province, China

2.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

3.State Key Laboratory of Coal Combustion (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China

4.Zhejiang Environmental Protection Group Eco-Environmental Research Institute, Hangzhou 310000, Zhejiang Province, China

收稿日期: 2023-07-27   修回日期: 2023-10-29  

基金资助: 国家重点研发计划项目.  2022YFC3701501
浙江省“尖兵”计划项目.  2022C03030

Received: 2023-07-27   Revised: 2023-10-29  

作者简介 About authors

单思珂(2000),男,硕士研究生,主要研究方向为电力碳足迹全生命周期评估,1179925720@qq.com

刘含笑(1987),男,硕士,高级工程师,主要从事大气污染治理及双碳技术研究工作,本文通信作者,gutounan@163.com

刘美玲(1984),女,硕士,高级工程师,主要从事袋式除尘研发测试及双碳研究工作,liumeiling2658@126.com

王帅(1992),男,主要从事双碳技术研究工作,1059300686@qq.com

崔盈(1975),男,主要从事双碳技术及科研管理工作,cuiying@feidaep.com

摘要

目的 在“双碳”目标背景下,火电面临着巨大的减排压力。火电碳足迹评价能直观地表现火电的生命周期温室气体排放量,帮助挖掘减碳潜力。为此,对火电碳足迹评估的研究现状进行了综述。 方法 介绍了目前火电碳足迹评价依据的主要标准和方法,并对火电碳足迹评价流程进行了概述。综述了评价流程中存在的差异性问题并给出了部分建议。根据工艺流程将生命周期分为上游、核心和下游3个环节,由于核心环节碳排放集中度极高,部分情况下可以忽略燃煤电厂的建造、退役和电力输送环节的碳足迹。 结论 不同类型火力发电的生命周期相似,但垃圾焚烧发电碳足迹不包括生活垃圾的获取过程。无论哪种火电形式,在缺乏实测排放因子的情况下,建议排放因子选取国内外已发布的标准、文献和数据库的缺省值。

关键词: 火电行业 ; 碳足迹 ; 全生命周期 ; 评价方法 ; 温室气体 ; 排放因子 ; 碳排放

Abstract

Objectives Under the background of the “double-carbon” target, thermal power is facing great pressure to reduce emissions. Thermal power carbon footprint evaluation can directly show the greenhouse gas emissions of thermal power and help tap the potential of carbon reduction. Therefore, the research status of thermal power carbon footprint assessment was reviewed. Methods This paper introduced the main standards and methods for thermal power footprint evaluation, and summarized the thermal power footprint evaluation process. The differences in the evaluation process were reviewed and some suggestions were given. The life cycle is divided into upstream, core and downstream. According to the high concentration of carbon emissions in the core links, the carbon footprint of the construction, decommissioning and power transmission of coal-fired power plants can be ignored in some cases. Conclusions The life cycle of different types of thermal power generation is similar, but the carbon footprint of waste incineration power generation does not include the acquisition process of domestic waste. Regardless of the form of thermal power, in the absence of measured emission factors, it is recommended that the emission factors select the default values of the published standards, literature and databases at home and abroad.

Keywords: thermal power industry ; carbon footprint ; full life cycle ; evaluation method ; greenhouse gas ; emission factor ; carbon emission

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单思珂, 刘含笑, 刘美玲, 王帅, 崔盈. 我国火电行业碳足迹评估综述. 发电技术[J], 2024, 45(4): 575-589 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23088

SHAN Sike, LIU Hanxiao, LIU Meiling, WANG Shuai, CUI Ying. Review of Carbon Footprint for Thermal Power Industry in China. Power Generation Technology[J], 2024, 45(4): 575-589 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23088

0 引言

随着全球气候变化日益加剧,温室效应及相关的碳排放问题受到越来越多的国际关注。近年来,许多国家都提出了控制CO2排放的目标和行动规划[1]。我国向世界郑重承诺,在2030年前达到碳达峰,在2060年前实现碳中和[2-3]。全球碳计划发布的统计数据显示,我国2021年全年碳排放总量达114亿t,占全球排放总量的近1/3[4]。在我国,电力行业是最大的碳排放源[5-7],而在电力结构中,火电占据主体地位。根据《2023年度全国电力供需形势分析预测报告》,截至2022年底,全国全口径发电装机容量25.6亿kW,其中火电13.3亿kW,占总发电装机容量的52%[8]。由于火电行业大量使用煤炭、天然气等化石燃料,碳排放量极高[9]。以2020年为例,全国火电发电量为53 300亿kW⋅h,碳排放实际统计数据为51.2亿t,占当年我国CO2总排放量的51.76%[10]。另外,国际碳交易市场的建立对我国电力行业提出了更高的要求。2017年12月,《全国碳排放权交易市场建设方案(发电行业)》正式发布,电力行业率先启动全国碳交易体系[11-12]。目前,火电厂是我国全国碳市场的交易主体[13],面临着巨大的减排压力[14-16]。就碳减排效果而言,火力发电已经做出了一定成果,2022年,全国单位火电发电量CO2排放量约824 g/(kW⋅h),比2005年降低21.4%,与近零排放标准[单位发电量碳排放量低于100 g/(kW⋅h)]相比,所达到的减排量远远不够,仍然需要火电企业在碳排放治理工作上的不断努力。

衡量产品的全流程碳排放能够为企业提供碳排放数据,为精确减排铺路,是碳排放治理的重要一环。我国目前的火电碳排放核查主要针对火力发电厂运行发电时的直接排放,对化石燃料开采、运输和废物处理等上下游环节和火力发电运行中的间接排放部分涉及不够。为了解决这些问题,产品碳足迹的概念逐渐被推广应用于评估火力发电产品的碳排放。碳足迹作为“从摇篮到坟墓”式的碳排放量化指标,数据对比更直观,可以为火电行业技术发展方向选择提供科学的理论依据。对于火电企业来说,应用产品碳足迹有助于企业发掘各环节的碳成本降低潜力。我国对于火电碳足迹的定义没有较为统一的概念,研究者选取的计算方法也存在差异,即使是选用相同的计算方法,实际计算过程也存在着较大的主观性,这些问题导致碳足迹的计算结果缺乏科学性、准确性和国际认可度。因此,本文对碳足迹研究现状进行了分析,对火电碳足迹现有的评估方法和面临的部分差异性问题做了概述,并提出了解决思路,为推动电力行业节能减排提供参考依据。

1 碳足迹研究现状

1.1 碳足迹的起源与定义

碳足迹起源于生态足迹理论,生态足迹是指生产一定人口所消费的资源和吸纳这些人口所消费产生的废弃物所需要的生物生产性土地的总面积[17]。碳足迹主要用以描述某项活动在温室气体(greenhouse gas,GHG)排放方面的贡献[18],通常使用CO2当量的形式表示。区别于碳排放的核算,碳足迹考虑的范围更为全面广泛,碳足迹采用全生命周期的理念,涵盖从原料提取加工到产品的生产运输、分销使用、再利用和维护,最终到废弃物循环弃置的产品全生命周期内各个阶段的温室气体排放[19]。其中公认的温室气体种类包括《京都议定书》规定控制的6种:CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs和SF6,各种温室气体的温室效应依据全球变暖潜能(global warming potential,GWP)值折算[20]

不同研究者和组织对碳足迹的定义有一定区别,碳信托对于碳足迹的定义为,衡量产品在其全生命周期过程中所排放的温室气体总量,使用CO2当量重量指标(kg CO2 eq)表示[21];英国的科学与技术协会对碳足迹的定义为,在一个过程或产品的整个生命周期中所排放的CO2和其他温室气体的总量,以每千瓦时发电的CO2当量克数[g CO2 eq/(kW⋅h)]表示[22],由于该定义内容针对性地涉及发电过程的碳足迹,对火电产品碳足迹的相关定义具有重要参考作用。目前较为公认的碳足迹定义是某一产品或服务系统在其全生命周期内的碳排放总量,或活动主体(包括个人、组织、部门等)在某一活动过程中直接和间接的碳排放总量,以CO2等价物来表示[23]

1.2 碳足迹的研究尺度

对碳足迹的研究主要表现在4个尺度:国家层面、企业层面、产品层面和个人家庭层面[24]

国家层面的碳足迹研究着眼于国家和地区的碳足迹总特征或趋势。Quadrelli等[25]对1971—2004年的全球碳排放和国家差异进行了分析。娄伟[26]对北京市的碳足迹进行了统计,主要包括能源消费、工业生产、垃圾排放、农地碳汇和其他。陈怡等[27]采用“自上而下”方法对我国能源电力链的碳排放进行了统计,建议煤电发展规模控制在11亿kW左右。

企业层面的碳足迹研究围绕企业的生产活动展开。王瑞蕴等[28]从方法内容、计算流程、数据来源和编制报告等方面对水泥企业碳足迹和碳核查的异同进行了论述。刘志[29]对某火电企业进行了企业碳盘查,涵盖内容包括燃烧和脱硫排放、运输导致的排放和制程排放。

产品层面的碳足迹研究是围绕某种具体产品而展开的。Rizan等[30]对英国医疗废物处理的碳足迹进行了计算;曹黎明等[31]对某农场的水稻产品进行了全生命周期的碳足迹分析,研究了各阶段不同碳排放源的贡献;高源雪[32]使用统计推导的理论预测公式,对3类不同结构的住宅建筑进行了碳足迹结果的计算。电力产品碳足迹需要对煤电全产业链进行分析,除发电厂外,还涉及煤炭的开采、加工等多个行业。随着在全产业链节能减碳概念的逐渐深化,产品碳足迹成为火电等高排放工业行业未来研究的重点。

个人家庭层面的碳足迹是针对个人家庭日常生活的碳排放。Peng等[33]介绍了一种生命周期评估模型,可以量化单个农民家庭的碳足迹。个人家庭层面碳足迹研究内容涉及火力发电较少,与火电碳足迹研究相关性较弱。

火电行业碳足迹主要涉及企业和产品层面的研究,并且在实际生产过程中,由于火电企业的直接排放是电力产品全生命周期碳足迹中重要的组成部分,因此火电产品碳足迹与企业碳足迹的研究特点和研究结果具有很强的相关性。

1.3 碳足迹评价方法

碳足迹评价方法主要包括生命周期评价法、投入产出法和联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)清单法等。

生命周期法是一种“自下而上”的方法,通过研究产品的全流程碳排放数据清单量化环境影响[34-35],包含4个步骤:目标与范围的定义、清单分析、生命周期影响评价和结果解释。全过程[36]图1所示。一般来说,生命周期法的核算边界具有“摇篮到坟墓”式的特征,李鹏等[37]对昆明市的酒店住宿产品进行了全生命周期式的碳足迹核算,核算边界包括4个部分:建设期、装修期、运营期和运营后期。“摇篮到坟墓”式的边界可以更全面地评价产品生产链条上的碳排放源,助力挖掘减碳潜力,有利于提出具体精准的减碳建议。Chen等[38]对中国生产的锂离子电池进行了“摇篮到摇篮”式的碳足迹评价,是一种考虑再利用和再制造的闭环生命周期评价。评价结果显示,阴极生产和电池组装工艺是碳排放的主要来源,且回收材料的碳排放量比原材料的碳排放量低4.51%。

图1

图1   基于生命周期评价的碳足迹核算过程

Fig. 1   Carbon footprint accounting process based on life cycle assessment


投入产出法是研究经济系统中各个部分之间在投入与产出方面相互依存的经济数量分析方法。通过编制投入产出表及建立相应的数学模型,结合各部门的温室气体排放数据,可以“自上而下”地全面评价产品排放影响[39]。投入产出法针对的对象一般比较宏观,如国家、区域和行业等。董会娟等[40]使用投入产出法研究了北京市城镇和农村居民的消费碳足迹构成,以及直接碳足迹和隐含碳足迹的特征。由于投入产出法是以投入产出表为基础,得出的减碳方向和建议也与获取的经济或资源数据深度相关。孙建卫等[41]以区域投入产出分析为基础,结合我国七大产业部门的价值量投入产出表,计算碳排放足迹,结果显示,贸易额增长对碳排放足迹的增加有较大的促进作用,而国民经济及相关产业对电力、热力行业和制造业碳排放的拉动力最大。

IPCC是世界气象组织及联合国环境规划署联合建立的政府机构,IPCC清单法是基于IPCC发布的《国家温室气体清单指南》(以下简称“IPCC指南”)的一种碳足迹核算方法。针对不同的部门,碳足迹的计算方法也不完全相同,最简单常用的方法是:碳排放量=活动数据×排放因子,因此也被称为排放因子法。如Li等[42]基于IPCC清单法开发了混合模型并计算了养猪业生命周期的温室气体排放总量,利用该模型分析了养猪业碳排放成分结构并确定了影响排放水平的因素。虽然IPCC清单法具有简单实用的优点,但相比生命周期法,IPCC清单法可能存在全面性不足的问题[43],因而其更多地作为一种碳排放的清单计算方法。Cellura等[44]分别使用IPCC清单法和生命周期法对意大利城市的能源温室气体排放进行了估计,由于生命周期法额外含有能源的上游和下游的产业链环节,因此得出的结果比IPCC清单法要高出20%左右。

生命周期评级软件和数据库的使用大大简化了计算过程[45-46],国外的相关软件有SimaPro和GaBi等。SimaPro软件包含多种评价方法,具有数据量充分、数据管理完善、能够将结果直观地表达并便于评估的优点[47];GaBi软件是由PE公司研究开发的生命周期评价软件,可以让用户从生命周期的角度建立详细的产品模型,并支持用户自定义环境影响评价方法。目前,这2款软件被广泛应用于包括火力发电等各类行业的碳足迹生命周期评估中。由于基本流和数据库的差异,应用SimaPro和GaBi的计算结果在某些情况下相差较大[48],但在大多数情况下,相同评估案例的结果几乎相同。这2款软件所使用的数据库多为欧洲的,为确保结果的可信度,我国应尽快完善具有本土化特色的数据库[49]

2 火电碳足迹评价流程和标准

2.1 火电碳足迹评价流程

电力产品的范围属于“从摇篮到坟墓”。国际环境产品认证所发布的电力相关产品种类规则为《电力、蒸汽和水生产及供应》(electricity,steam and hot/cold water generation and distribution),其中火力发电流程被分为上游、核心和下游3个环节:1)上游环节包括燃料从自然界中的开采、加工、储存、运输过程,辅料从自然界开采并加工的过程,以及燃料处理相关设备(如干燥机、研磨机)的制造、退役和回收过程;2)核心环节的边界为从电厂到配电系统输送点的过程,包括能量转换(即火电的运行发电)过程,在电厂内运行发电的过程中进行的任何输入与输出的处理、准备、存储和维护(如润滑)过程,备用发电、发热,厂内运输、检修过程,以及电厂(包括建筑和机器设备)的建造、退役和回收过程(此过程包括所有产品部件生产的原材料);3)下游环节包括电力从配电系统输送点到用户使用端的过程,由于电网的组成复杂,电力在输送阶段和使用阶段难以计算具体的碳足迹数值,因此这2个过程被排除在碳足迹评价的生命周期之外。火力发电的生命周期边界如图2所示。

图2

图2   火力发电的生命周期边界

Fig. 2   Life cycle boundary of thermal power generation


以煤电为例,燃煤发电厂的碳足迹清单[50]划分如图3所示。对火电碳足迹的清单进行分析时,可采用一种或多种方法来计算每个环节的碳排放。

图3

图3   燃煤电厂的碳足迹排放清单

Fig. 3   Carbon footprint emission list of coal-fired power plant


在上游环节部分,燃煤发电涉及煤炭的开采和加工,计算这部分时需要对煤炭活动相关的企业进行碳排放核算。煤炭开采的碳排放重点包括生产用能、瓦斯排放及矿后活动3个环节[51]。阎建明等[52]对电煤供应过程的碳足迹进行了生命周期评价,该过程包括煤炭的开采、运输和销售环节,计算时使用了排放因子法。排放因子法适用于煤炭供应碳足迹的计算,相关的计算方法和系数可以依据国家标准《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》。值得一提的是,该标准中还提供了适合我国国情的排放因子缺省值以便于计算。

在煤电碳足迹计算结果中,核心环节的直接燃烧排放占比最大;在燃气发电、垃圾发电和生物质发电等非燃煤火力发电方式中,由化石燃烧导致的直接排放占主要部分[53-54]。燕百强等[55]对某发电企业进行了边界为发电厂的碳排放核算,结果显示,燃烧和脱硫过程的CO2排放量分别占总排放量的96.58%和3.28%。核心环节的固定源燃烧直接排放部分可以使用IPCC指南提供的缺省值[55],固定源燃烧直接排放的估算公式为

GHG排放=(燃料消耗×排放因子)

IPCC清单法的主要缺陷在于无法涵盖隐含的间接碳排放[56],因此在计算燃煤电厂碳足迹时,往往会应用式(1)计算直接排放,使用修正过的排放因子计算间接排放[57]

在计算化石燃料燃烧排放时,还可以使用质量守恒法和在线监测法。这2种方法一般只涵盖燃烧排放和脱硫排放的计算,因此,通常不考虑将其作为碳足迹的整体评估方法,而是作为部分碳排放的计算方式。质量守恒法遵循质量守恒定律,如根据燃料含碳量得出产生的CO2量。火电的燃烧和脱硫排放的计算式[56-58]分别如下:

Ea=i=1n4412EiNCV,iCEC,iCOF,i
ESC=44100ELStoneKCaCO3

式中:Ea代表化石燃料燃烧的CO2排放量,104 t;Ei 为第i种化石能源的实物消耗量,104 t或108 m3NCV,i 为第i种化石能源的低位平均发热量,108 J/t;CEC,i 为第i种化石能源的单位热值含碳量,t C/(108 J);COF,i 为第i种燃料的碳氧化因子;ESC为脱硫过程中的CO2排放量,t;ELStone为石灰石的实际消耗量,t;KCaCO3为石灰石中碳酸钙的实测含量,%。

美国等国家积极推广将使用在线监测法获得的数据作为碳足迹的直接数据来源[59]。2009年美国环保署出台《温室气体强制报告制度》,规定年排放量大于或等于2.5万t CO2当量或在酸雨计划下的电力企业必须进行排放监测与报告[60]。而我国火电厂CO2监测装置应用于烟气排放连续监测系统的案例不多,研究中也较少使用。

核心环节包括了废弃物的运输和处置,是指废弃物从离开电厂到处置完成后回归环境或进入下一个产品生命周期的全过程。对于燃煤电厂,核心环节主要包括固体废弃物(炉渣、脱硫废物和粉煤灰)以及废水和废气的运输、处理和再利用[61]的过程,这一部分计算时主要使用排放因子法;另外也包括废物处置造成的能耗的间接排放及运输和处置过程造成的直接排放。不同类别的火力发电的废弃物种类也不同,如燃气电厂甚至几乎没有固体废弃物。

国内首个针对燃煤电厂的温室气体核算工具——《中国燃煤电厂温室气体排放计算工具》由世界资源研究所和中国电力企业联合会共同研发,于2013年发布,用于计算中国燃煤电厂CO2排放总量,包括计算最核心的3类燃煤电厂排放源:煤炭燃烧、湿法脱硫以及外购电力和蒸汽。但该工具所界定的排放计算范围及方法仍不完全清晰,需进一步完善研究[62]

2.2 火电碳足迹评价标准

国际上的标准相较国内更加完备,欧美和日本的碳排放及碳标签的相关法律和标准经历了一系列推广和改进,已经相对完备,而我国由于起步晚,有关标准和标签等政策仍不够完善[63]。在产品层面,目前广泛使用的标准有:《产品与服务生命周期温室气体评估规范》(PAS 2050)、《产品生命周期核算与报告标准》(GHG protocol)和《温室气体-产品碳足迹-量化要求和指南》(ISO 14067),这3个标准在产品碳足迹领域的总和使用率接近70%[64]。PAS 2050是世界上首个发行的产品碳足迹标准,是多个国家制定碳足迹标准时最重要的依据之一[65]。在关于火电碳足迹的排放描述上,PAS 2050规定排放因子应纳入与完整生命周期有关的所有排放量计算中,包括:原料开采(如煤炭、石油和天然气)、精制及运输、发电、配送、能源消耗和废物的处置。同时,PAS 2050还对火电行业中涉及的热电联产排放分配问题作了详细解释,分配类型根据燃料类型的不同有所差异,如燃煤电厂和燃气电厂由于所使用的发电轮机类型不同而具有不同的分配比例。GHG Protocol参考了PAS 2050,服务对象主要是企业在内的商业目标。ISO 14067由国际标准化组织发布,该标准基础是ISO 14040/44及ISO 14025,在实际指导性上稍弱。在火电碳足迹评价中,国际上使用的标准主要是PAS 2050和IPCC指南。

目前我国火电碳足迹的相关标准主要是生态环境部印发的《企业温室气体排放核算与报告指南 发电设施》[66],该指南规定了发电设施的碳排放核算边界、计算方法和相关缺省值等内容,包括的主要排放源为化石燃料的燃烧排放和购入电力的排放,其中化石燃料燃烧排放采用质量守恒法,购入电力采用排放因子法;同时,该规定还提供了适合我国国情的化石燃料燃烧缺省值,具有实用意义。但该规定核算边界没有煤炭开采、运输及废弃物处理等环节,也未将建造和退役阶段划入边界,主要的适用对象为企业碳核查,而非产品碳足迹。2021年,《火电厂烟气二氧化碳排放连续监测技术规范》行业标准发布,填补了我国在线监测方法标准的空缺。北京市地方标准DB11/T 1416—2017《温室气体排放核算指南 生活垃圾焚烧企业》是有关垃圾焚烧发电企业碳排放核算的地方文件,该标准类似于《企业温室气体排放核算与报告指南 发电设施》,适用于发电企业的碳核查,对计算火电碳足迹的核心环节排放有参考作用。生态环境部发布的《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》列出了我国六大区域电网的相关CO2排放因子,将排放因子乘以电力系统中所有电厂(不包括低运行成本/必须运行机组)的总净发电量,即可简单得出各区域的碳排放情况。综上所述,在标准方面,国内已提出的标准缺乏全生命周期的清单分析,仅对火力发电的直接排放内容进行了相关的标准规定,并且难以成体系。因此,推进国内电力产品碳足迹的标准化建设,需要政府开展进一步的制定工作。目前,国家标准《产品碳足迹量化要求和指南》正在制定中。

3 火电碳足迹研究存在的差异性

火力发电碳足迹的计算中面临许多问题,由于存在的方法众多,研究者存在主观差异性。本文对火电碳足迹的边界划分、排放因子的选取问题2个方面进行概述,并提供适合火电企业和研究者计算的方案。

3.1 火电碳足迹边界划分

我国火电碳足迹由于没有适合国情的标准参考,不同研究者对于火电碳足迹的边界划分不统一,主要体现在2个方面:电力输送环节以及燃煤与非燃煤电厂的边界差异。大部分研究者对于火电碳足迹边界的划分遵循生命周期法,依据PAS 2050所提出的企业到企业(business-to-business,BTB)的边界类型,以燃料开采作为起点,以废物处理作为终点。

3.1.1 电力输送环节

在计算我国火电厂运行阶段的碳排放时,通常不考虑把下游环节的电力输送纳入到碳足迹中,而是采用“摇篮到大门”式的生命周期边界,将终点划分到配电系统输入端。仅考虑上游及核心环节的碳排放,忽略下游环节碳排放的原因是:电网电力分配复杂,还涉及碳转移等影响因素。碳转移的全生命周期模型[67]图4所示。我国的电力碳足迹核算体系不够完善,无论是从企业层面还是行业标准的角度,要求火电企业根据复杂的电网情况并考虑电力并网和输送等因素对电力产品进行碳足迹分配具有难度,且目前也缺乏广泛的相关研究。在我国电力碳足迹的标准体系完善后,电网涉及的电力输送及电力分配问题将成为电力碳足迹研究者必须考虑的问题。

图4

图4   全生命周期点-流模型

Fig. 4   Full life cycle point-flow model


3.1.2 燃煤与非燃煤电厂的边界差异

如果严格按照全生命周期的边界划分原则,火电碳足迹需要考虑火电厂的建造阶段、运行阶段和退役阶段3部分。以燃煤电厂为例,碳足迹边界[68]图5所示。

图5

图5   燃煤电厂的碳足迹边界

Fig. 5   Carbon footprint boundary of coal-fired power plant


燃煤电厂运行阶段的碳排放量在总碳足迹所占比例可以达到90%以上[69],同时建造和退役阶段涉及到的数据复杂,特别是在我国缺少相关数据库的情况下,将建造和退役阶段考虑纳入边界不仅会增加计算难度和不确定性,而且对得到的碳足迹结果影响也较小。因此,在报告中已经说明的情况下,仅计算运行阶段的碳足迹更便于煤电企业开展产品碳足迹核查。在建造和退役阶段的数据可以基本取得或强调碳足迹结果的完整性时,应当纳入煤电碳足迹的核算范围,计算时可采用排放因子法。

非燃煤火力发电厂碳减排的优势明显,在碳足迹研究领域有着更为广阔的前景。目前,非燃煤火电厂主要包括燃气电厂、垃圾焚烧发电厂和生物质发电厂等。不同类型的火电厂因发电流程的差异而对应不同的碳足迹边界,由于我国生物质发电厂应用案例较少,在此不做讨论。

燃气电厂与燃煤电厂的碳足迹边界相似,数值结果较燃煤电厂更低,如文献[70]对孟加拉国某天然气电厂进行的碳足迹计算结果为0.529 kg CO2 eq/(kW⋅h),分析其原因,一方面是燃料的燃烧效率更高,单位发电量所需的燃料含碳量更低[71];另一方面是减少了因燃料运输和废物处置带来的环境影响[72]。在划分燃气电厂的碳足迹边界时,由于燃气电厂运行发电阶段的碳足迹占总碳足迹的70%~90%[72-73],因此相关的管道建设、电厂建造和退役回收环节应当考虑到碳足迹的生命周期边界中。典型燃气电厂碳足迹边界如图6所示。

图6

图6   典型燃气电厂碳足迹边界

Fig. 6   Carbon footprint boundary of typical gas power plant


与燃煤电厂不同,垃圾焚烧发电的碳足迹生命周期属于“大门到大门”型,一般不包含生活垃圾的获取过程[74],而以生活垃圾进入厂区或集中堆放区为起点。同时,生活垃圾贮存过程的副产物(如渗滤液等)需要进行生化处理,因此产生的CH4和N2O是垃圾焚烧发电生命周期中不可忽视的直接排放来源[75-76]。生活垃圾的地域差异性很强,并且由于不同城市的政策不同,有关垃圾焚烧发电的流程清单也不同[77]。典型垃圾焚烧电厂的碳足迹评价边界如图7所示。

图7

图7   典型垃圾焚烧电厂碳足迹评价边界

Fig. 7   Carbon footprint evaluation boundary of typical waste incineration power plant


3.2 火电碳足迹排放因子的选取

排放因子法是计算火电碳足迹最常用的方法之一,选取的排放因子主要参考国内外标准文献和数据库等。实测法由于实验条件等限制,难以全面地获取整个生命周期的排放因子,实际应用性较差[78]

IPCC指南为燃料燃烧直接排放提供了3种计算方法[79]:1)根据燃料量和平均排放因子估算温室气体排放量,其中平均排放因子由清单专家制定并提供;2)燃料燃烧排放的估算方式与方法1类似,但使用特定国家的排放因子;3)结合更加具体的国家和技术建立排放模型,此方法排放因子的不确定性最低。另外,为便于比较,IPCC指南还给出了方法3)的参考性排放因子。由于方法1)将碳氧化率考虑为100%,并且国内外火电技术条件、燃料性质存在差异,因此,使用IPCC指南提供的缺省排放因子增加了计算结果的不确定性[80]。吴晓蔚等[81]使用仪器监测我国30台火力发电机组CO2排放并计算CO2排放因子,结果发现:监测计算的数值高于IPCC指南提供的缺省排放因子,但除贫煤外其他燃料类型的CO2排放因子都在IPCC缺省排放因子的95%置信区间内。

《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》提供了适合我国国情的部分缺省排放因子,但由于我国空间跨度广,地理因素复杂,不同地区的电厂使用的燃煤类型差异性较大,燃煤机组的类型和参数也会影响碳排放因子,因此,不同电厂不同机组的碳排放因子之间可能存在较大差异。Li等[82]审查了国内2016年运行的5 000多个煤电机组,发现东、中和南部省份由于有高比例的超超临界燃煤、超临界和水冷机组单元而具有更低的碳排放因子。正是由于我国空间差异性的存在,在我国火电厂的燃煤数据相比碳排放监测数据更容易获得的前提下,在计算核心环节的排放数据时,根据燃煤含碳量、燃烧效率等数据计算得出排放因子,或是根据这些燃煤数据采用如质量守恒等方法来计算火电厂的直接排放更有针对性。国际上有许多排放因子数据库,这些数据库包含各个行业,因此有不同来源的排放因子可供选择,如国际能源署(International Energy Agency,IEA)数据库、全球大气研究排放数据库(emissions database for global atmospheric research,EDGAR)等,这些数据库中,排放因子有的采用所在机构提供的特有的中国参数,有的以IPCC指南作为数据来源[83]。目前,我国组织机构正在积极地筹备碳数据库,如中国产品全生命周期温室气体排放系数库、中国碳核算数据库等,但数据库的完善度和针对性都有待提升。

随着碳捕集与封存(carbon capture and storage,CCS)技术的推广,不少燃煤发电厂都安装了CCS相关的设备,对火电的排放因子产生影响。在对安装了此类设备的发电厂的产品碳足迹进行核算时,需要考虑将CCS减碳设备作为排放源和碳汇源,将这一环节能耗和减碳效果综合计算。Wu等[84]对国内带CCS的燃煤电厂进行了生命周期碳足迹评估,依据GB/T 24040—2008《环境管理 生命周期评价 原则与框架》标准,定义并研究了带有CCS的燃煤电厂的6条路线,结果表明,提高石油采收率(enhanced oil recovery,EOR)的CO2排放量远大于咸水层封存的CO2排放量。另外,该文献还计算了不同CCS路线电厂全生命周期流程中的单位碳足迹,计算结果如表1所示。Jung等[85]对泰安煤电厂进行了生命周期碳足迹评价,并对比了有无CO2捕获装置下的碳足迹,对比结果发现,CO2捕获装置将碳足迹由1.04 kg CO2/(kW⋅h)降到了0.23 kg CO2/(kW⋅h)。

表1   国内CCS电厂流程单位碳足迹 (kg CO2/(kW⋅h))

Tab. 1  Per unit carbon footprint of domestic CCS power plant processes

路线类别煤开采水洗煤炭运输燃烧发电压缩运输封存全周期
燃煤电厂碳捕集咸水层封存35.85.7130.92.18.2182.7
EOR35.85.7130.92.170.9245.4
整体煤气化联合循环发电系统碳捕集咸水层封存29.04.696.91.87.1139.4
EOR29.04.696.91.861.4193.7
富氧燃烧咸水层封存36.65.8110.41.76.9161.4
EOR36.65.8110.41.759.6214.1

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4 结论

对火力发电的碳足迹研究现状、评价流程和标准,以及目前研究存在的差异性进行了讨论,通过对文献的调研和总结,可以得出以下结论:

1)火力发电的产品碳足迹按照生命周期法,可以划分为3个流程,其中下游环节涉及电力输送,一般计算产品碳足迹时仅考虑上游和核心环节。

2)在使用全生命周期法对火力发电产品碳足迹进行评价时,因为运行阶段占比极高,为了简化数据计算和降低获取难度,在报告中已经说明的情况下,可以不考虑电厂建设退役和电力输送阶段的碳排放量。

3)火电碳足迹的计算清单和排放因子的来源主要有国内外标准和相关文献。PAS 2050、GHG protocol和ISO 14067是目前使用最广泛的国外产品碳足迹标准,国内火电碳足迹所需的排放因子可依靠的标准主要有《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》和《企业温室气体排放核算与报告指南 发电设施》等。

4)尽管国内在火电企业碳核查方面有可参考的标准,但目前仍缺乏针对火电产品的碳足迹量化与评价的相关标准和指南。另外,在研究人员计算火电的生命周期碳足迹时,缺乏科学可靠且具有中国特色的国内数据库,并且受限于国内使用在线监测法计算CO2排放量不够普及的情况下,不同研究者所取得的实测数据差异较大,碳排放因子难以取得统一的数值。因此,我国一方面需要尽快完善火电产品碳足迹量化评价标准体系,助力实现“双碳”目标;另一方面需多利用CO2实测数据,发展排放因子数据库,提高数据的科学性。

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