基于企業能源實采數據的碳足跡評級體系建設探究

石 佳,嚴竹菁,賴昶志,朱 婷,吳 璽,3

(1.國網蘇州供電公司,江蘇 蘇州215004; 2.瑯潤達檢測科技有限公司,江蘇 蘇州215131;3.蘇州大學,江蘇 蘇州 215006)

0 引言

隨著全球氣候問題日益嚴重,各國開始謀求以國際合作方式應對氣候變化危害。2016年生效的《巴黎氣候變化協定》提出,全球各國盡快實現溫室氣體排放達到峰值,21世紀下半葉實現溫室氣體凈零排放的發展目標[1]。我國在第75屆聯合國大會上提出“碳達峰、碳中和”的目標[2]。作為協同各國碳減排的重要政策工具,碳邊境調節稅已成為歐盟等發達國家與地區避免“碳泄漏”、提升自身產業國際競爭力的重要手段[3]。

歐盟碳邊境調節機制(CBAM)、《新電池法》及美國清潔競爭法(CCA)相繼頒布,并已進入實施階段。CBAM規定經過三年報告過渡期,碳關稅征收范圍將由鋼鐵、水泥、化肥、鋁、電力與氫6個行業逐步擴大至歐盟碳市場體系覆蓋的所有領域?！缎码姵胤ā穼ν斗艢W盟市場的所有電池提出了更高要求。CCA明確征收碳密集型產品的碳稅,涵蓋行業包括精煉石油產品、化石燃料、肥料、石化產品等13種。我國經濟發展正處于要素與投資驅動型向創新驅動型轉換的變革期,成本優勢依然是我國出口產品的核心競爭力之一,歐美碳關稅政策將使我國出口型企業面臨更大的轉型壓力。故我國亟需了解歐美碳關稅的適用范圍、碳稅計算方法、實施細則及碳核算過程中對數據的要求,以便在國際碳關稅博弈中贏得一席之地。

精準科學的碳足跡核算是應對歐美碳排放限制法案與實現“雙碳”目標的有效手段?；诖?在闡述歐美CBAM、《新電池法》、CCA法案內容的基礎上,從工業企業生產碳數據管理體系、工業企業產品碳足跡核算模型與工業企業碳足跡評價體系建立等三個方面出發開展研究,以為我國工業企業應對歐美碳限制法案提供理論與技術支撐。

1 歐美碳限制法案及應對之策

1.1 歐盟CBAM法案

歐盟CBAM的概念最早可追溯至2009年其提出的碳關稅計劃,該計劃旨在解決歐盟境內的碳泄露問題,但因多個國家反對未能實施。隨著全球氣候問題不斷加劇,2019年12月,歐盟再次提出CBAM概念,旨在推動歐盟碳排放交易體系(EU ETS)改革,消除相關方的反對意見,加強對歐盟企業碳排放的限制,提升其在全球氣候治理體系中的領導力與話語權。歐盟碳關稅計算規則如下[4]:

TaxCBAM=(TaxEU-Taxout)×(CEproduct-CEfree)

(1)

式中,TaxEU為EU ETS碳價,指上一周歐盟碳排放權拍賣的周平均結算價格;Taxout為歐盟碳市場認定下的出口國碳價,目前我國國內碳市場還沒有與歐盟碳市場銜接,出口國碳價為0;CEproduct為歐盟認證下的產品碳排放量;CEfree為出口產品在歐盟碳市場中對應的免費配額。

可以看出,產品碳排放量是關鍵要素,出口國必須建立規范的碳排放核算體系,并實現與歐盟碳市場的雙邊互認。為此,我國需擴大碳市場的覆蓋范圍,以得到CBAM的碳稅豁免。目前,我國碳排放權交易市場的成交價明顯低于歐盟碳市場的碳價。2022年8月,歐盟碳價接近100歐元/t,而我國碳排放權交易市場碳價在40～60元/t浮動,遠低于歐盟碳價格。這意味著即便我國對歐出口的商品已在國內承擔了碳成本,但由于雙邊碳市場碳價不對等,歐盟進口商仍需購買CBAM證書[5]。

1.2 歐盟《新電池法》法案

2020年12月10日,歐盟委員會發布了新電池法規提案(2020/353 COD),2022年1月1日起《新電池法》正式實施,逐步替代原電池指令(2006/66/EC),法律等級也由“指令”變為“法規”[6]?！缎码姵胤ā芬蟪隹跉W洲的電池提供有害物質、碳足跡、再生原材料、電化學性能與耐用性、可拆卸與可替換性、安全、標簽、廢棄物管理等信息[7],尤其是要求所有容量超過 2 kWh 的電動汽車電池、LMT 電池與可充電工業電池都必須具有“清晰易讀且不可磨滅”的碳足跡聲明與標簽,這對國內眾多電池出口商的碳數據管理與碳足跡分析提出了新的挑戰。

1.3 美國《清潔競爭法案》

2022年6月,美國民主黨提交《清潔競爭法案》(CCA),要求以美國產品的平均碳含量為基準線,對超出基準線的進口產品與美國產品均征收碳費[8]。CCA政策包含以下信息:①碳含量基準線。通過經營數據、生產數據、能耗數據與碳排數據確定。②對高碳美國產品與進口產品均征收碳費。③進口產品征費范圍向下游延伸。④確定進口產品的碳含量。進口產品的碳含量采用原產國的行業平均碳強度,若原產國的排放數據不可靠或無法驗證,則采用該國整體經濟的碳強度,而“來自透明經濟體的生產者”可以使用自己的碳強度[9]。詳見圖1。

圖1 CCA政策解讀Fig.1 CCA policy interpretation

1.4 歐美碳限制法案的應對之策

在“碳壁壘”悄然而起的背景下,我國依賴產品出口的工業企業必須在歐美碳關稅的封鎖中尋求新的發展機會,在各進口國碳關稅政策的層層壓力下保障企業穩定生產。目前,我國企業的應對基礎較弱,智慧低碳實踐多以產業園為主,在小范圍內打造試點示范項目,產業鏈的數據完整性較差[10]。大規模數字化采集碳排放相關數據支撐碳足跡算法的可靠性是應對歐美碳關稅政策、打破產業碳核算數字化困局的基礎,但現階段不同領域企業、產業在碳數據信息化方面仍存在碳基線核算的邊界、口徑、方法等不統一,底層數據不可得、不可信、不完整等問題,上下游企業間存在明顯的信息壁壘。為有效應對各國碳關稅政策的封鎖,以企業產品為基礎構建碳足跡核算體系既可幫助我國企業實現能源與資源節約,又可提升其國際競爭實力[11]。

2 實時數據驅動的工業企業產品碳足跡核算模型

對于企業碳數據的采集,要采用自動采集為主、數據錄入為輔的方式進行。數據采集模塊應與電表、水流量計、氣體流量計、溫度傳感器、MES系統及ERP系統相連,對企業化石燃料用量、購入電力用量、購入蒸汽用量、外供電力量、外供蒸汽量、光伏發電量進行收集。數據采集模塊無法采集的數據則需采用臺賬輸入的方式進行收集。

2.1 企業產品碳足跡核查流程

在完成企業碳數據的收集后對其進行碳足跡核算,其步驟包括確定核算邊界、明確核算方法及原則、數據收集與計算碳排放量等。其中,對于化石燃料排放核算及購入電力排放核算需結合碳排放因子進行計算[12]。詳見圖2。

圖2 碳足跡核算流程Fig.2 Carbon footprint accounting process

2.2 企業產品碳足跡核算方法

企業產品碳足跡的核算應包括原料、制造、使用涉及的所有單元過程[13],計算公式如下:

(2)

式中,CFP為產品碳足跡,E原料為原材料溫室氣體排放量,E制造為產品制造階段溫室氣體排放量,E使用為產品使用階段溫室氣體排放量,E燃燒為單元過程燃料燃燒溫室氣體排放量,E外購電為單元過程電力消耗溫室氣體排放量,E外購熱為單元過程熱力消耗溫室氣體排放量,E過程為產品使用階段溫室氣體排放量,i為單元過程。

化石燃料燃燒溫室氣體排放量計算方法如下:

(3)

式中,ADi,j為單元過程i燃燒的第j種化石燃料燃燒的熱量,EFi,j為單元過程i燃燒的第j種化石燃料的排放因子。i為單元過程,j為化石燃料類型。

化石燃料活動水平數據計算方法如下:

ADi,j=FCi,j×NCVi,j

(4)

式中,ADi,j為化石燃料的活動水平數據,FCi,j為化石燃料的消費量,NCVi,j為化石燃料的低位熱值。i為單元過程,j為化石燃料類型。

化石燃料排放因子計算方法如下:

EFi=CCi×αi×ρ

(5)

式中,EFi為i燃料排放因子,CCi為i燃料單位熱值含碳量,αi為i燃料碳氧化率,ρ為CO2與碳的分子量之比,取值44/12,i為燃料類型。

電力消耗溫室氣體排放量計算方法如下:

(6)

式中,E外購電為單元過程電力消耗溫室氣體排放量,AD外購電,i為各電力消耗單元過程的電力消耗量,CEF電,i為各電力消耗單元過程的電力排放因子,i為單元過程。

熱力消耗溫室氣體排放量計算方法如下:

(7)

式中,E外購熱為單元過程熱力消耗溫室氣體排放量,AD外購熱,i為各熱力消耗單元過程的熱力消耗量,EF熱,i為各熱力消耗單元過程的熱力排放因子,i為單元過程。

生產過程溫室氣體排放計算方法如下:

(8)

式中,E過程為產品使用階段溫室氣體排放量,E泄露,i為第i種原料泄漏產生的溫室氣體排放量,E副產品,i,j為第i種原料產生的第j種副產品導致的溫室氣體排放量,E其他過程為其他生產過程產生的溫室氣體排放量。i為原料的種類,j為副產品的種類。

原料泄漏產生溫室氣體排放計算方法如下:

E泄露,i=(1-h)×FCi×(1-Ui)×(1-aidi)×GWPi

(9)

式中,h為儲存原料容器的原料殘余比例,FCi為原料i的使用量,Ui為原料i的利用率,ai為廢棄原料處理裝置中原料i的收集效率,di為廢棄原料處理裝置對原料i的去除效率,GWPi為原料i的全球變暖潛勢,i為原料種類。

副產品不完全收集產生溫室氣體排放的計算方法如下:

E副產品,i,j=(1-h)×BPi,j×FCi×(1-ajdj)×GWPj

(10)

式中,E副產品,i,j為原料i產生的副產品j的不完全收集導致的排放量,BPi,j為原料i產生的副產品j的轉化因子,FCi為原料i的使用量,aj為廢棄原料處理裝置中原料j的收集效率,dj為廢棄原料處理裝置對原料j的去除效率,GWPj為原料j的全球變暖潛勢。i為原料種類,j為副產品種類。

使用階段溫室氣體排放可根據產品各種使用狀態的能效、使用時間與使用壽命來計算與產品使用相關的溫室氣體排放量。

3 碳足跡評價體系的構建

對基于以上方法計算出的產品碳足跡數據進行有效綜合評級,才能判斷其在同類產品中的等級。產品碳足跡的評級體系尚未有標準化方法,工業企業在進行碳足跡評價時缺乏統一的、可供參考的效法樣本?；诳赏貙哟畏治龇椒ㄅc可拓優度評價方法構建判斷矩陣,計算各評價指標的具體權重,得出各指標對應的總權重,構建產品碳足跡的評級體系。

3.1 經典域與節域的確定

經典域R是產品碳足跡在每個不同評價等級子過程碳排放量的取值范圍,可分為原料獲取、運輸與生產制造等過程。產品碳足跡最終以一組數據展示碳排放量,結合正態分布,將(μ-3σ,μ+3σ)設置為取值范圍,確定產品生產過程碳足跡評價的不同等級[14]。根據設置的碳足跡取值范圍對樣本數據進行篩選與剔除,確保樣本中產品的碳排放量都在取值區間內。根據正態分布數值將產品生產過程碳足跡評價等級劃分為A、B、C、D四個等級,根據劃分的評價等級獲取產品每個工藝過程碳排放量的經典域矩陣,根據產品生產過程碳足跡經典域的確定及等級的劃分獲取每個特征值對應的值域,得到節域模型,進而確定節域。對經典域、節域與待評價物元特征量值進行歸一化處理[14],得到評價等級對應的碳排量為A(0, 0.25)、B(0.25, 0.5)、C(0.5, 0.75)與D(0.75, 1),評價等級越接近A優度越高。

3.2 影響因素權重的確定

對產品生產過程碳足跡進行層次結構劃分后構建判斷矩陣A,求解最大特征值λmax及對應的特征向量ω,一般采用特征根或求與方法進行求解:

Aω=λmaxω

(11)

式中,λmax的值為n,所對應的特征向量為ω,對其進行標準化處理后可得各要素的權重值。再使用指標CI進行一致性檢驗[14],一般認為結果在誤差范圍內時CI≤0.1。判斷矩陣中的系數,根據用戶的認知進行賦權,通過分析影響因素間的相關性與沖突性綜合考慮影響因素的權重賦予[15]。通過計算沖突性ξi與相關系數σi得到權重ωi[14]:

(12)

3.3 關聯度與評價

根據可拓學中的關聯函數計算每個影響因素vi對最終碳排放量等級j評定的關聯度Kj(vi)[14]。計算得出每個等級影響因素的關聯度值,再將影響因素的權重與其關聯度相乘,計算公式為:

式中,ωi為各影響因素的權重值。

結合關聯函數,得到產品各生產過程產生的碳排放量對最終產品碳足跡評價等級的關聯程度。通過計算得到加工工藝或使用過程的權重、關聯函數值,即可得到產品碳足跡與各個評價等級的關聯度,進而獲得該產品的碳足跡評價等級,對不同企業生產的同類產品的碳足跡進行橫向對比。

4 結論

梳理歐美碳限制法案對我國工業企業的挑戰及其應對方式,建立實時數據驅動的工業企業產品碳足跡核算模型與基于可拓層次分析的碳足跡評級體系;該體系能夠通過實時采集工業企業產品原料、生產與使用過程的能源消耗數據,根據國際認可的標準核算碳足跡,并為產品劃分碳足跡等級,便于工業企業衡量自身產品碳足跡等級的優劣;也可為其申報碳關稅減免提供數據支撐,為我國企業產品出口消除阻礙,增強產品的國際競爭力。