碳中和背景下中國甲烷減排策略研究

屠霄霞 , 胡繼妹

(浙江生態文明干部學院 生態文明教研室, 浙江 湖州 313003)

2020年9月22日,習近平主席在第七十五屆聯合國大會上首次提出,中國將努力爭取在2060年前實現碳中和。目前,全球2/3以上的國家和地區已經提出了碳中和愿景[1]152。碳中和是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等所有溫室氣體的中和。長期以來,中國溫室氣體減排以與能源相關的二氧化碳減排為主[2]37,甲烷等其它溫室氣體的減排措施相對缺乏。

甲烷是全球第二大溫室氣體。雖然甲烷在大氣中的含量不到二氧化碳的0.5%,但是,它的輻射效率遠遠高于二氧化碳。甲烷排放后20年水平的全球溫增潛勢是二氧化碳的84倍,100年水平則是二氧化碳的28倍。甲烷的壽命則遠遠低于二氧化碳,只能在空氣中留存約12年[3]75-91。因此,甲烷減排可以產生近乎即時的氣候效應,為能源的清潔化和經濟的低碳化轉型提供時間和空間。與單一采取二氧化碳減排手段相比,在2050年前,如對甲烷等短期氣候污染物采取減排手段,全球氣候溫升速度將明顯降低[4]1-2。2021年,全球大氣中甲烷濃度已達到有記錄以來的最高水平[5],甲烷對全球升溫的貢獻率達到30%左右[4]1。因此,僅控制二氧化碳的排放是無法完成《巴黎協定》所設定的將全球溫升控制在1.5 ℃以內的目標的。

中國是世界第一甲烷排放國。2021年11月,在格拉斯哥氣候變化大會期間,包括15個主要排放國在內的103個國家簽署了《全球甲烷承諾》。簽署國承諾,到2030年甲烷排放量將比2020年減少30%。中國雖然沒有簽署,但是與美國聯合發布了《中美關于在21世紀20年代強化氣候行動的格拉斯哥聯合宣言》?！缎浴诽貏e強調了甲烷的控制問題,表示“爭取在21世紀20年代取得控制和減少甲烷排放的顯著效果”。因此,甲烷將是繼二氧化碳后中國重點控制的第二種溫室氣體。大氣中甲烷的來源分為自然來源和人為來源。本文主要探討能源活動、農業生產和廢棄物處理等人為來源的甲烷減排策略。

一、中國甲烷排放的現狀

《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》(以下簡稱《報告》)是目前中國官方發布的最新溫室氣體排放報告?！秷蟾妗凤@示:2014年中國甲烷排放總量為5 529.2萬噸,可折算成11.61億噸二氧化碳當量,占溫室氣體排放總量的10.4%[2]12-114。能源活動、農業生產和廢棄物處理是中國甲烷的主要排放源(參見表1)。

表1 中國、歐盟、美國甲烷主要人為排放源排放情況比較表 (單位:%)

(一)能源活動是甲烷的主要排放源

2014年,中國能源活動排放甲烷2 475.7萬噸,占總排放量的44.8%,比重明顯高于歐美國家。在細分上,中國與歐美國家差異更為明顯,中國能源活動中的甲烷排放主要來源于煤炭行業(占總排放量的38%,占能源行業排放量的85%),而美國能源行業的甲烷排放主要來自油氣行業,這與中國的能源結構有關(參見表1)。2014年,中國原煤占一次能源生產總量的比重為73.5%(2020年依然高達67.6%)[7]。煤炭開采過程中甲烷的無組織排放也增加了其減排的難度。油氣行業甲烷排放量目前雖然不高,但隨著中國能源結構的調整,煤炭占一次能源的比重已經開始下降,天然氣的比重則在不斷提高[7]。而天然氣的主要成分就是甲烷。同時,油氣行業的甲烷泄露也不能忽視。

(二)農業生產是甲烷的第二大排放源

2014年,中國農業生產的甲烷排放量為2 224.5萬噸,占總排放量的40.2%,高于美國但低于歐盟。細分上也與歐美國家不同,歐美國家農業領域的甲烷排放主要來自牛羊等家畜養殖,而中國主要來自水稻種植和家畜養殖。這與飲食習慣有關:歐美國家牛奶和牛羊肉的食用量較多,而65%以上的中國人以大米為主食;水稻是中國主要的糧食作物,中國的水稻播種面積超過3億公頃。因此,中國稻田甲烷的排放量占總排放量的16.1%,而歐美國家稻田甲烷的排放量普遍不到總排放量的1%(參見表1)。

(三)廢棄物處理過程中的甲烷排放明顯偏低

2014年,中國廢棄物處理過程中的甲烷排放量為656.4萬噸,占總排放量的11.9%,明顯低于歐美國家,不到歐盟的一半。中國廢棄物處理中垃圾填埋和污水處理產生的甲烷排放占比分別為6.9%和4.9%(參見表1)。但是,隨著中國生活垃圾焚燒處理比例的不斷上升[7],今后垃圾填埋產生的甲烷排放量會不斷降低,而污水處理產生的甲烷排放量占比會不斷提高。

二、中國甲烷減排面臨的問題

(一)甲烷監測能力薄弱,排放數據缺乏

《報告》中的甲烷排放量是根據IPCC推薦的方法估算得到,然而甲烷排放存在很大的不確定性,不同的估算方法得出的結果存在較大差異。以污水處理為例,IPCC和EDGAR甲烷排放的核算結果相差近3倍[8]3 810-3 816。因此,需要通過監測進行校準。但是,目前中國甲烷監測能力薄弱。在環境本底監測方面,中國雖然已經在世界氣象組織全球大氣觀測網(WMO/GAW)項目框架下,逐步建設地基觀測站網,開展典型區域大氣甲烷本底監測[9]1-8,各省也陸續建設溫室氣體觀測站,如江西省自2017年已陸續在南昌、景德鎮、贛州、九江建設4個溫室氣體觀測站[10]5 485-5 494,但是站點并未覆蓋所有城市。已有站點的觀測表明,各站點的甲烷濃度存在較大的差別,比如,臨安站濃度明顯高于瓦里關站[11]1-7。因此,有必要增加觀測站點以了解全國甲烷濃度的本底值。在污染源監測方面,因為甲烷不同于二氧化碳,大多為無組織排放,監控難度比較大,大多數污染源沒有開展監測。

目前,中國溫室氣體排放核算主要針對二氧化碳,甲烷排放數據缺乏。國家發改委已經公布了24個行業的溫室氣體排放核算方法與報告指南,但僅煤炭、石油、天然氣等6個行業有甲烷排放的核算要求;國家市場監督管理總局(原國家質量監督檢驗檢疫總局)發布了12個行業的《溫室氣體排放核算與報告要求》(GB/T 32151),其中涉及甲烷排放核算的僅煤炭和紡織服裝2個行業。

(二)甲烷減排缺乏法律依據,排放標準低

中國的《大氣污染防治法》并沒有像美國的《清潔空氣法》一樣,將甲烷等溫室氣體作為大氣污染物,煤炭、油氣等行業的甲烷排放限制大多是出于安全考慮。中國部分國家標準中雖已經涉及甲烷排放濃度限制,但是仍有一定的局限性,例如:《煤層氣(煤礦瓦斯)排放標準》(GB21522-2008)禁止煤層氣和甲烷濃度高于30%的高濃度瓦斯的排放[12]1-3?！蛾懮鲜吞烊粴忾_采工業大氣污染物排放標準》(GB39728-2020)針對油氣行業的主要甲烷泄露源(放空、火炬和逃逸)規定:對油氣田放空的天然氣應予以回收;不能回收或難以回收的,應經燃燒后放空;不能燃燒直接放空的,應報生態環境主管部門備案;天然氣進入火炬應能及時點燃并充分燃燒;設備與管線組件密封點天然氣泄漏認定濃度為2 000 ppm[13]4-10?！冻擎偽鬯幚韽S污染物排放標準》(GB18918-2002)規定廠區最高體積濃度一級標準為0.5%[14]6-7;《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889-2008)規定填埋工作面上2 m以下高度范圍內甲烷的體積分數應不大于0.1%,導氣管排放口的甲烷體積分數不大于5%[15]170-171。上述標準中,GB39728-2020沒有完全禁止放空,泄露認定濃度也明顯低于美國的500 ppm[16]。

(三)甲烷減排起步晚,各領域差異大

歐盟在1996年就頒布了第一份甲烷減排戰略,其2016年的甲烷排放量較1990年已經下降了37%[6]67。而中國至今未制定甲烷減排戰略規劃,2014年甲烷的排放量比1994年增加了61%[2]12-20(參見圖1)。

2014年,中國甲烷排放量比2010年略有下降,這主要歸因于能源領域甲烷的減排。煤炭行業是中國最大的人為甲烷排放源。自2006年以來,中國出臺了提高煤層氣、煤礦瓦斯利用率等減少甲烷排放和泄露的一系列相關政策,煤層氣利用率不斷提高,2015年達86.4%。但是,煤礦瓦斯抽采規模小、集中度低、濃度變化大,多數小煤礦未建設瓦斯利用設施,大中型礦井沒有做到瓦斯的礦區聯網集中利用,2015年全國煤礦瓦斯利用率僅為35.3%[17]14。中國油氣行業的甲烷排放占比不高,減排技術相對成熟。中國油氣行業的甲烷排放量不到美國的30%,排放強度雖略高于美國,但是大大低于俄羅斯、伊朗等主要油氣生產國[18],油氣開采業的伴生氣回收利用率已達到80%以上[19]。2017年,中石油、中石化實現了0.32%的甲烷排放率目標,并且都提出到2025年甲烷排放強度要再降低50%(分別相對2017年和2020年),兩家公司還制定了0.25%的短期甲烷減排目標和0.2%的終極目標,氣候目標接近歐美石油公司[20]53-59。

中國農業領域甲烷減排還處于研究階段。在水稻種植方面,前期農業科技工作者已經選育出40多種節水抗旱水稻新品種,這些新品種不僅可以節約用水,還可以減少90%以上甲烷排放[21]84-91。但是,這些品種在產量和米質等方面不具明顯優勢,還需進一步優化。此外,研究發現采用復合種養(稻田養鴨、養魚等)、節水灌溉、生物炭還田、免耕少耕等方式也可以顯著降低甲烷排放量[22]61-74。另外,研究人員正在試圖通過研究新型飼料來減少牛羊等動物腸道的甲烷排放,通過改進牲畜糞便的資源化利用技術來降低動物糞便的甲烷排放[23]188-193。

中國固體廢物處理方式已經由填埋為主轉為焚燒為主,這大大降低了甲烷的產生量。隨著固體廢物處理產生的甲烷不斷減少,廢水處理將逐漸成為中國廢棄物處理領域的甲烷主要排放源。2005-2015年間,中國廢水處理甲烷排放量的年均增速為2.8%,如不加以控制,到2050年將增加到2 285.51萬噸二氧化碳當量[24]410-419。

三、對中國甲烷減排的建議

美國在《清潔空氣法》管制框架下制定甲烷減排措施。2014年,制定了《甲烷減排氣候行動戰略規劃》,2021年11月,發布了《美國甲烷減排行動計劃》,旨在減少污染和消費成本,增加高薪工作和國家競爭力[4]1-2。2020年10月,歐盟出臺了新的《歐盟甲烷減排戰略》,以支撐其中長期溫室氣體減排目標[25]37-43。歐美的這些計劃都已經明確了中長期的甲烷減排目標。作為世界第一甲烷人為排放國,中國必將面臨越來越大的甲烷減排壓力,急需制定一份切實可行的甲烷減排國家行動計劃。

(一)完善甲烷監測網絡和排放數據報告制度

甲烷的產生過程不同于化石燃料燃燒產生二氧化碳,不管是稻田、牛羊等動物腸道還是污水處理,有機質還原產生甲烷一般需要微生物作用,過程比較復雜,估算具有很大的不確定性。加強監測是了解甲烷實際排放的有效途徑,也可以為今后排放指數的修正提供技術支持,同時為中國參與相關國際規則的制定提供理論指導。在環境本底監測方面,可以通過在已經建成的遍布全國的大氣環境質量監測站點中增加甲烷等溫室氣體檢測設備,來實現對甲烷的實時監測;同時,通過衛星遙感設備掌握區域整體的甲烷本底數據。在污染源監測方面,對于部分重點污染源,可在現有的在線監測系統中增加甲烷監測傳感器,也可以通過遙感衛星開展實時監測;對于其他污染源,則要增加采樣頻次,以獲得較為準確的排放數據。針對重點行業和重點企業,要完善甲烷相關數據的報告制度,修訂污染排放系數,不斷提升甲烷排放數據的質量。

(二)完善甲烷減排的法律法規和標準體系

甲烷類溫室氣體雖然不會對人體造成直接傷害,但其潛在危害不可忽視。因此,需在《大氣污染防治法》等相關法律法規中明確其屬性,并逐步完善相關的法律法規,提高原有甲烷排放標準。例如:提高GB21522-2008瓦斯的排放標準,并進一步制定完善瓦斯抽采率、瓦斯利用率和瓦斯排放率等強制性標準;提高GB39728-2020泄露認定濃度的標準,完善回收利用等強制性標準,逐漸減少火炬,禁止放空;提高GB18918-2002和GB 16889-2008甲烷排放的濃度限制要求,完善回收利用標準。在有甲烷排放、但未設定排放濃度要求的標準中(如《石油煉制工業污染物排放標準》)添加甲烷排放要求。逐步將企業甲烷排放納入碳排放交易市場,通過政策引導,提高企業回收利用甲烷的積極性和主動性。

(三)以油氣行業為試點,逐步開展甲烷減排

中國油氣行業的甲烷減排基礎較好,大部分國家也將油氣行業作為甲烷減排的重點。因此,油氣行業可以作為中國甲烷減排的試點行業。針對油氣行業目前的排放情況,需加強基礎設施建設以減少放空和火炬活動,提高甲烷的回收利用率;而無法避免排放的甲烷,則需經充分燃燒后排放;同時,建立管線的泄露監測和維修制度,及時發現和修復排放源;另外,還需進一步完善制度,提高油氣企業甲烷排放績效的透明度和數據準確性。

隨著能源結構的調整,煤炭的消費總量不斷下降,但受以煤為主的自然資源稟賦、新能源的穩定性不夠等因素影響,未來一段時期內中國能源生產和消費仍將以煤為主。隨著淺部煤炭資源的開采殆盡,未來中國將有更多的煤礦轉移至深部,而通常礦井越深,煤層的瓦斯含量就越高[26]311-322。因此,未來煤炭行業的開采及礦后活動仍是中國重要的甲烷排放源,煤炭行業也是甲烷減排的重點行業。針對低濃度瓦斯利用率低的現狀,需加大低濃度瓦斯利用方面的科研力度,研發低濃度瓦斯的高效利用技術,實現礦區瓦斯的聯網集中回收利用。

廢棄物處理領域應該在源頭上減少固體廢物和廢水的產生量,同時提高甲烷的回收利用率。2016年,在歐盟固體廢物處理中,甲烷的回收利用率已經達到了42%[6]790-791。北歐的污水處理廠將傳統污泥厭氧發酵產生的甲烷用熱電聯產方式回收化學能,在完成資源和能源回收的同時實現了對污泥的處理和處置;同時,通過余熱回收,實現碳中和率300%以上[27]2 849-2 857。亦有研究表明,甲烷的產量會隨著高濃度有機廢棄物負荷率及厭氧消化反應器停留時間的延長而增加[28]47-51。因此,中國國內甲烷排放量不斷提高的廢水處理行業,還需不斷改進工藝技術。

農業生產是歐美國家最大的甲烷排放源,也是中國第二大甲烷排放源。但是,農業生產與農民生計、糧食安全等相關,發達國家農業生產領域的甲烷減排目前仍以自愿為主。因此,中國現階段不宜采取強制性減排措施,要鼓勵開展農業溫室氣體減排方面的科技創新,讓農民自愿采用新的種養殖模式,逐步將農業由碳源轉化為碳匯。

四、結 語

甲烷作為第二大溫室氣體,其減排是大勢所趨。中國作為世界第一甲烷排放國,必將面臨越來越大的國際減排壓力。雖然中國的甲烷減排起步較晚,面臨的減排壓力較大,但是隨著能源結構的不斷調整、糧食產量的趨于穩定、垃圾填埋量的不斷減少,中國的甲烷可以與二氧化碳在2030年前同步實現碳達峰。

“十四五”時期是推動甲烷減排的關鍵時期?！笆奈濉鼻捌趹悦寮业诪橹?通過監測、企業上報和政府核查等手段掌握準確的排放數據,并在基礎較好且技術較為成熟的油氣和煤炭行業的新建項目中開展甲烷減排試點,建立示范項目和示范工程;應鼓勵地方和能源企業開展甲烷減排控制方面的合作,推動甲烷監測、回收利用等技術、裝備和產業的發展;農業和廢棄物處理領域應以加強科學研究為主,鼓勵重點領域開展甲烷自愿減排行動,同時積極參與甲烷減排領域的國際交流與合作?！笆奈濉焙笃趧t應根據較為準確的排放數據制定切實可行的減排方案,鼓勵行業、企業利用國際先進減排技術,并將甲烷排放納入碳交易市場。