中國油氣行業甲烷排放估算與減排分析！

0　引言

甲烷是一種短壽命溫室氣體，聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第6 次評估報告（Sixth Assessment Report，AR6）指出，甲烷在20 年尺度上的升溫潛勢約為二氧化碳的80.8 倍，在100 年尺度上約為二氧化碳的27.2 倍^[1]。2022 年，全球能源行業排放甲烷1.35×10⁸ t，其中石油天然氣行業排放量占三分之一^[2]。中國甲烷排放量從2005 年的113×10⁴ t 增長到2014 年的5 530×10⁴ t，同期油氣行業甲烷排放量占比保持同步增長趨勢^[3]。2021 年，在第二十六屆聯合國氣候變化框架公約締約方會議（COP26）上， 包括美國、歐盟成員國等在內的100 多個國家共同簽署了“全球甲烷承諾（Global Methane Pledge）”， 承諾至2030 年人為甲烷排放量相比2020 年降低30%^[4]。中國在2021 年提交的國家自主貢獻文件中， 首次明確了能源領域甲烷減排的方向，同期國務院發布的《中國應對氣候變化的政策與行動》白皮書， 首次提到成立“中國油氣企業甲烷控排聯盟，推進全產業鏈甲烷控排行動”，標志著中國由2015 年之前的鼓勵能源領域煤礦瓦斯、放空天然氣、伴生氣回收利用， 進入到了開展全產業鏈甲烷管控的新階段^[5-6]。

甲烷排放量的準確評估與中長期減排技術的應用規模對于行業實現甲烷管控目標至關重要。隨著近年來國際油氣行業對甲烷排放管控逐漸重視，新的行業數據核算體系、甲烷排放監測技術體系相繼發布，國內外能源公司也相繼制訂了中長期甲烷排放強度（油氣生產過程甲烷排放總量與生產商品天然氣量的比值）的目標^[7]。中國對油氣行業甲烷排放量估算的相關研究多集中在對歷史年份基線排放量測算方面，如采用《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南》缺省值和部分實際可得排放因子及油氣活動數據^[8-13]， 對1980—2020 年中國油氣行業甲烷排放量進行分析對比等，而針對行業中長期減排技術發展及應用的溫室氣體排放量預測則較少。國際上多采用固定排放因子和部分年度更新排放因子與活動水平相乘的核算方法。美國國家環境保護局 （U.S. Environmental Protection Agency ，U.S. EPA） 發布《美國溫室氣體報告計劃》（Greenhouse Gas Reporting Program，GHGRP）要求油氣生產企業上報企業級溫室氣體排放量數據并每年更新，再按照《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》編制每年國家溫室氣體清單指南（GHGI）^[14]。加拿大按照《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》第三層級（Tier 3）編制國家清單，采用自下而上設施級別排放因子的核算結果能更好地反映國家實際甲烷排放情況^[15]。相較于國外，中國油氣行業甲烷排放清單體系還有待完善，估算結果存在較大不確定性。

針對甲烷減排成本的測算對于制定切實可靠的中長期控排目標至關重要。國際能源署（International Energy Agency，IEA）針對中國甲烷減排成本的估算結果表明，中國油氣行業72%的減排技術具有負效益^[2]。由于相關估算基于全球甲烷減排技術成本及碳稅等開展，與中國實際存在一定偏差。為此，擬通過估算中國中長期甲烷排放量變化趨勢，結合甲烷減排技術開發、應用、迭代更新等信息，分析減排目標下技術減排潛力和減排成本，以期為中國油氣行業甲烷減排技術實施、研發，以及減排財稅政策制定提供參考。

1 　基于時間框架的甲烷排放量

1.1 　甲烷排放量估算方法

針對行業甲烷排放量的估算是開展減排潛力評估的基礎?！?/span>IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》是相關研究中使用較為廣泛的一類方法，該指南提供了 3 種估算方式^[16] ：①采用適用于全球的平均排放因子和特定國家的能源活動水平進行核算；②采用特定國家的排放因子和活動水平估算排放量；③基于自下而上的方法檢測和監測數據。中國國家溫室氣體清單在石油天然氣逃逸排放類別采用了清單中本國特定排放因子與指南中缺省排放因子結合，即方法1 與方法3 結合的方式核算， 但僅有的行業甲烷排放總量數據并不能區分不同排放環節，也無法針對各排放環節開展甲烷減排潛力評估^[15]。

由于中國油氣行業尚未開展大規模的排放檢測和監測，實測數據仍較為缺乏^[17]，基于數據的可獲取性、一致性與可靠性等考量，研究采用《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》層級1（Tier 1） 方法開展時間框架內中國石油系統勘探、生產、煉制和儲運環節及天然氣系統勘探、生產、處理、儲運和分銷環節的甲烷排放量估算，基于《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》方法1 兩種情景排放因子和中國統計活動水平^[18]，估算2000— 2020 年中國油氣行業甲烷排放量（石油系統與天然氣系統甲烷排放量之和）；參考中國中長期（2021— 2050 年）油氣生產預測水平^[19]，2021—2050 年油氣行業甲烷排放量，并采用內插法得到2050—2060 年油氣活動數據。針對各環節的排放量計算方法如下：

針對各環節中逸散源、放空源和火炬不完全燃燒^[20]3 類排放源，主要參考油氣田企業現場資料調查與文獻數據確定邊遠井和井組、含烴和含硫伴生氣占比等內容^[21-26]。

1.2 　2000—2020 年歷史甲烷排放量回溯

當前已有研究主要針對2000—2020 年間的行業甲烷排放量進行估算，而國家溫室氣體清單數據公布年份有限且缺乏連續性。因此，本研究首先基于式（1）～（2）開展同一時段的排放量回溯，以驗證針對排放源、活動水平、油氣資源比例等數據取值開展計算的準確性。通過使用高、低兩類排放因子進行歷史排放量回溯，分別得到高、低兩種情景下的排放量水平，并與已有研究估算的中國油氣行業甲烷排放量，以及國家溫室氣體清單數據進行對比，初步驗證采用《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》進行排放量測算的可靠性（圖1）。2000— 2015 年，石油系統甲烷排放量持續上升，自2015 年之后排放量下降。2000—2015 年生產環節甲烷排放量占產業鏈排放總量保持在90% 以上，2015 年中國石油系統甲烷排放總量約為82×10⁴ t，2018 年之后出現下降并穩定保持在約73×10⁴ t 水平。2000—2020 年期間， 天然氣系統甲烷排放量隨產量增加從32×10⁴ t 上升至2020 年的296×10⁴ t，年均增速約11.3%。

從各環節占比來看，在高排放量情景下，生產、運輸和分配環節占比較大，低排放量情境下分銷和運輸環節占比降低，表明該環節有較大的減排潛力?？傮w而言，研究形成的2000—2020 年甲烷排放量結果與其他相關研究保持了一致，主要區別在于油氣生產鏈環節的納入、排放因子的選擇等^{[8-9,11-12,27-28]}。本研究同之前已有的回溯研究相比，納入了石油勘探開發、石油運輸與煉制、天然氣儲存、天然氣輸配等環節，覆蓋的油氣產業鏈環節更為完整；針對逸散、放空等排放源占比，在已有公開數據基礎上， 結合企業調研的排放量實際情況進行了調整。由于高、低排放情景覆蓋了較寬的數據區間，如2010 年、2020 年針對天然氣系統的甲烷排放估算差異分別達到76.5×10⁴ t 和204.5×10⁴ t，而高、低排放情景的平均值更接近已有其他研究結果。因此，后續討論中主要采用高、低排放情景下的平均值進行比較分析。

1.3 　2021—2060 年甲烷排放量估算

由于尚無2021 年后的行業甲烷排放量估算相關研究，為保證時間序列的延續性，在1.2 節對計算方法與取值等進行可靠性驗證的基礎上，以中國石油經濟技術研究院^[19]2020—2050 年中國油氣產量、消費量和進出口量等預測數據為基礎，通過內插后估算至2060 年的高、低排放量情境下石油、天然氣系統甲烷排放量，并取其平均值（圖2）。

2021—2030 年，石油系統甲烷排放量（圖2-a） 略有增加，2030 年中國石油行業的甲烷逃逸排放總量為78.98×10⁴ t，比2020 年多排放4.45×10⁴ t， 2030—2040 年甲烷排放量略有減少，之后20 年石油系統甲烷排放量穩步下降，2060 年相比于2030 年下降了15.4×10⁴ t，達到63.54×10⁴ t，其中生產環節是石油系統甲烷排放量最大的環節。天然氣系統甲烷排放量（圖2-b）不斷增加，2020—2030 年甲烷排放量增長較快，每年增長約16.5×10⁴ t，2030—2045 年甲烷排放量增長較慢，2045—2060 年每年增長約4×10⁴ t，是2020—2030 年年均增長率的24%。中國要在2060 年實現石油與天然氣系統的控排目標，總體甲烷減排潛力需超過80%。

2 　甲烷減排潛力估算

2.1 　邊際減排成本計算方法

邊際減排成本（Marginal Abatement Cost， 簡稱 MAC）曲線作為綜合減排潛力評估的一種有效手段^[29]，在電力行業^[30]、建筑業^[31] 和工業^[32] 領域的二氧化碳減排預測中得到了一定應用。在油氣行業， 主要通過建立甲烷邊際減排成本曲線來反映排放量和減排成本之間的關系^[33]。

2019 年美國國家環境保護局對美國油氣行業甲烷減排技術的效率變化開展了分析^[34]，筆者主要參考該方法學文件，并結合了減排技術整個使用壽命內的總成本和效益、稅率和折扣率對單位成本帶來的影響，預測單項甲烷減排技術進步因子和成本因子， 動態地研究油氣行業技術減排潛力和成本變化。通過文獻研究和油氣企業調研整理中國油氣行業甲烷排放及減排技術，基于中國現有甲烷減排技術研發及應用情況對不同年份的（如2030 年、2060 年）技術因子、成本因子參數進行了調整，綜合得到排放源比例和減排技術投資成本、回收量、減排收益和技術壽命等信息，代入成本效益模型公式估算得到甲烷減排技術單位成本。減排技術總成本和盈虧平衡價格計算方式為：

表1 　模型公式參數取值表

2.2 　假設及邊界條件

假設2030 年中國油氣行業甲烷技術實施率達100%，即全部甲烷減排技術均得到了應用，40 年內天然氣和勞動力價格不發生較大變化，并且不考慮通貨膨脹因素影響。由于生產設備腐蝕、損壞，或天然氣組成、生產條件發生改變，甲烷排放量和油氣生產、消耗等活動量可能不是嚴格線性相關的，減排技術的持續進步將進一步增強非線性特點。在甲烷減排技術方面，一般可根據成熟度分為新興技術和成熟技術， 針對單一排放源，技術實現的減排量與排放量之比小于80% 的定義為新興技術，減排量與排放量之比大于等于80% 的定義為成熟技術。為了動態化地研究中國油氣行業甲烷減排成本和潛力變化，假設在2040 年和2050 年成熟技術和新興技術成本和技術開始產生動態變化，對成本因子、技術因子進行分類（表2）。

表2 　中長期（2030—2060 年）甲烷減排技術

發展水平取值表

2.3 　甲烷排放源及減排技術

對各類排放源及對應甲烷減排技術進行梳理， 針對石油勘探、生產、煉制、儲運，以及天然氣勘探、生產、輸配、儲運等不同生產環節，以及排放氣量大小、氣質組分差異等條件，共計有48 類甲烷減排技術，如表3 所示。

表3　甲烷排放源類別及對應減排技術表（續）

2.4 　邊際減排成本分析

通過計算得出各項減排技術實施后產生的減排貢獻率（表4），即該項技術應用后產生的甲烷年減排量占全年總排放量比例。進而可以計算出當年減排潛力，即各項減排率之和。從2030 年中國油氣行業高、低排放量情境下甲烷平均減排成本來看，平均減排潛力為78.223%，有21.8% 的減排量能夠帶來收益。各技術實施后的平均每立方米甲烷的減排成本為22.33 元，等同于每噸二氧化碳當量的減排成本為1 184.39 元，能夠帶來收益的技術主要有壓力安全閥的測試和維修、輕烴回收—燃氣發電技術、火炬氣回收技術、增壓站的定向檢查和維護、放空氣CNG 回收利用技術等。

2060 年，在高低兩種排放量情境下，全部減排技術實施后的平均減排潛力為90.808%，具有正收益的減排潛力為44.4%，較2030 年增加了1 倍左右。平均減排成本大幅度降低至每立方米甲烷14.57 元，等同于減排每噸二氧化碳成本為773.62 元。相比2030 年，具有負效益的減排技術增加了火炬氣回收技術和儲罐輕烴回收技術等。在全產業鏈實施泄漏檢測與修復技術需要較高的投入才能夠實現減排， 主要有兩方面原因：①針對油氣開采等環節的甲烷泄漏檢測在國內處于初步開展階段，在市場單個動靜密封點定價等方面仍存在較大差異，油氣處理場站相比煉油化工裝置在動靜密封點上要少很多，現場實測過程泄漏點位相對較少，導致收費較高情況；②中國油氣生產設施在分布上較為分散，部分單井距離處理場站較遠，導致泄漏檢測修復需要投入較多的人力物力。鑒于無組織排放在推動油氣生產甲烷排放強度持續降低過程中的重要性，開發新一代的低成本泄漏檢測與量化技術至關重要。國際能源署（IEA）使用全球能源和氣候模型形成各行業溫室氣體減排邊際成本曲線^[61-62]，得出的中國油氣行業具有成本效益的技術減排潛力占總減排量的72% 的結論，是由于該結論是基于美國油氣行業的排放源分類、減排技術按比例進行計算的，因此并不能夠反映中國實際。

本研究在估算甲烷減排成本和效益方面存在的誤差主要包括：①由于甲烷減排在中國尚未形成規?；漠a業，因此對于從事相關減排技術現場應用的企業調研存在樣本量不足；②針對甲烷排放量的分布環節受當前場站級核算水平所限，在排放源的細分上參考了企業調研實際情況，可能存在偏差；③在中長期甲烷減排成本預測方面，針對減排技術的規?；瘧?、新興技術的研發等，估算相對保守。

3 　結論與建議

筆者基于中國油氣行業實際，從中長期甲烷排放量預測、甲烷減排技術應用及減排效益分析等角度開展了相關討論，以期為推動中國油氣行業甲烷排放管控工作提供借鑒。由于減排技術企業調研樣本數量有限，加之針對石油系統與天然氣系統甲烷排放量預測、井口天然氣價格、技術迭代更新因子方面進行了假設，模型結果仍存在一定的不確定性。但在當前行業全面啟動甲烷控排的背景下，本研究能夠為實施減排的重點領域，以及減排的潛在支出等提供有益參考。針對行業下一步甲烷排放管控需要開展的工作，主要有以下建議：

1）甲烷核算精度需持續提升。在現有場站級甲烷排放量核算數據基礎上，建議盡快推動建立組件級甲烷排放量核算方法學，實現指導企業開展針對性減排以及提高核算數據水平的雙重效益。

2）鼓勵利用傳感器、車載、無人機等多種檢測手段開展甲烷排放量的核查工作，持續推動改進數據核算邊界、數據核查方法。

3）在核算數據趨近準確、反映排放量實際的基礎上，針對無組織排放等典型甲烷排放源開展技術應用、示范與推廣應用，同時加大新一代泄漏檢測技術、甲烷/VOCs 協同資源化技術等攻關，有效推動油氣行業向超低甲烷排放強度方向持續發展。

4）在行業積極推動甲烷管控、開展甲烷減排行動的基礎上，通過綠色金融、中國碳減排核證方法學開發等多種方式，持續提升行業甲烷減排積極性。