碳中和背景下中国甲烷减排策略研究

屠霄霞 , 胡继妹

(浙江生态文明干部学院 生态文明教研室, 浙江 湖州 313003)

2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会上首次提出,中国将努力争取在2060年前实现碳中和。目前,全球2/3以上的国家和地区已经提出了碳中和愿景[1]152。碳中和是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等所有温室气体的中和。长期以来,中国温室气体减排以与能源相关的二氧化碳减排为主[2]37,甲烷等其它温室气体的减排措施相对缺乏。

甲烷是全球第二大温室气体。虽然甲烷在大气中的含量不到二氧化碳的0.5%,但是,它的辐射效率远远高于二氧化碳。甲烷排放后20年水平的全球温增潜势是二氧化碳的84倍,100年水平则是二氧化碳的28倍。甲烷的寿命则远远低于二氧化碳,只能在空气中留存约12年[3]75-91。因此,甲烷减排可以产生近乎即时的气候效应,为能源的清洁化和经济的低碳化转型提供时间和空间。与单一采取二氧化碳减排手段相比,在2050年前,如对甲烷等短期气候污染物采取减排手段,全球气候温升速度将明显降低[4]1-2。2021年,全球大气中甲烷浓度已达到有记录以来的最高水平[5],甲烷对全球升温的贡献率达到30%左右[4]1。因此,仅控制二氧化碳的排放是无法完成《巴黎协定》所设定的将全球温升控制在1.5 ℃以内的目标的。

中国是世界第一甲烷排放国。2021年11月,在格拉斯哥气候变化大会期间,包括15个主要排放国在内的103个国家签署了《全球甲烷承诺》。签署国承诺,到2030年甲烷排放量将比2020年减少30%。中国虽然没有签署,但是与美国联合发布了《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》。《宣言》特别强调了甲烷的控制问题,表示“争取在21世纪20年代取得控制和减少甲烷排放的显著效果”。因此,甲烷将是继二氧化碳后中国重点控制的第二种温室气体。大气中甲烷的来源分为自然来源和人为来源。本文主要探讨能源活动、农业生产和废弃物处理等人为来源的甲烷减排策略。

一、中国甲烷排放的现状

《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》(以下简称《报告》)是目前中国官方发布的最新温室气体排放报告。《报告》显示:2014年中国甲烷排放总量为5 529.2万吨,可折算成11.61亿吨二氧化碳当量,占温室气体排放总量的10.4%[2]12-114。能源活动、农业生产和废弃物处理是中国甲烷的主要排放源(参见表1)。

表1 中国、欧盟、美国甲烷主要人为排放源排放情况比较表 (单位:%)

(一)能源活动是甲烷的主要排放源

2014年,中国能源活动排放甲烷2 475.7万吨,占总排放量的44.8%,比重明显高于欧美国家。在细分上,中国与欧美国家差异更为明显,中国能源活动中的甲烷排放主要来源于煤炭行业(占总排放量的38%,占能源行业排放量的85%),而美国能源行业的甲烷排放主要来自油气行业,这与中国的能源结构有关(参见表1)。2014年,中国原煤占一次能源生产总量的比重为73.5%(2020年依然高达67.6%)[7]。煤炭开采过程中甲烷的无组织排放也增加了其减排的难度。油气行业甲烷排放量目前虽然不高,但随着中国能源结构的调整,煤炭占一次能源的比重已经开始下降,天然气的比重则在不断提高[7]。而天然气的主要成分就是甲烷。同时,油气行业的甲烷泄露也不能忽视。

(二)农业生产是甲烷的第二大排放源

2014年,中国农业生产的甲烷排放量为2 224.5万吨,占总排放量的40.2%,高于美国但低于欧盟。细分上也与欧美国家不同,欧美国家农业领域的甲烷排放主要来自牛羊等家畜养殖,而中国主要来自水稻种植和家畜养殖。这与饮食习惯有关:欧美国家牛奶和牛羊肉的食用量较多,而65%以上的中国人以大米为主食;水稻是中国主要的粮食作物,中国的水稻播种面积超过3亿公顷。因此,中国稻田甲烷的排放量占总排放量的16.1%,而欧美国家稻田甲烷的排放量普遍不到总排放量的1%(参见表1)。

(三)废弃物处理过程中的甲烷排放明显偏低

2014年,中国废弃物处理过程中的甲烷排放量为656.4万吨,占总排放量的11.9%,明显低于欧美国家,不到欧盟的一半。中国废弃物处理中垃圾填埋和污水处理产生的甲烷排放占比分别为6.9%和4.9%(参见表1)。但是,随着中国生活垃圾焚烧处理比例的不断上升[7],今后垃圾填埋产生的甲烷排放量会不断降低,而污水处理产生的甲烷排放量占比会不断提高。

二、中国甲烷减排面临的问题

(一)甲烷监测能力薄弱,排放数据缺乏

《报告》中的甲烷排放量是根据IPCC推荐的方法估算得到,然而甲烷排放存在很大的不确定性,不同的估算方法得出的结果存在较大差异。以污水处理为例,IPCC和EDGAR甲烷排放的核算结果相差近3倍[8]3 810-3 816。因此,需要通过监测进行校准。但是,目前中国甲烷监测能力薄弱。在环境本底监测方面,中国虽然已经在世界气象组织全球大气观测网(WMO/GAW)项目框架下,逐步建设地基观测站网,开展典型区域大气甲烷本底监测[9]1-8,各省也陆续建设温室气体观测站,如江西省自2017年已陆续在南昌、景德镇、赣州、九江建设4个温室气体观测站[10]5 485-5 494,但是站点并未覆盖所有城市。已有站点的观测表明,各站点的甲烷浓度存在较大的差别,比如,临安站浓度明显高于瓦里关站[11]1-7。因此,有必要增加观测站点以了解全国甲烷浓度的本底值。在污染源监测方面,因为甲烷不同于二氧化碳,大多为无组织排放,监控难度比较大,大多数污染源没有开展监测。

目前,中国温室气体排放核算主要针对二氧化碳,甲烷排放数据缺乏。国家发改委已经公布了24个行业的温室气体排放核算方法与报告指南,但仅煤炭、石油、天然气等6个行业有甲烷排放的核算要求;国家市场监督管理总局(原国家质量监督检验检疫总局)发布了12个行业的《温室气体排放核算与报告要求》(GB/T 32151),其中涉及甲烷排放核算的仅煤炭和纺织服装2个行业。

(二)甲烷减排缺乏法律依据,排放标准低

中国的《大气污染防治法》并没有像美国的《清洁空气法》一样,将甲烷等温室气体作为大气污染物,煤炭、油气等行业的甲烷排放限制大多是出于安全考虑。中国部分国家标准中虽已经涉及甲烷排放浓度限制,但是仍有一定的局限性,例如:《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准》(GB21522-2008)禁止煤层气和甲烷浓度高于30%的高浓度瓦斯的排放[12]1-3。《陆上石油天然气开采工业大气污染物排放标准》(GB39728-2020)针对油气行业的主要甲烷泄露源(放空、火炬和逃逸)规定:对油气田放空的天然气应予以回收;不能回收或难以回收的,应经燃烧后放空;不能燃烧直接放空的,应报生态环境主管部门备案;天然气进入火炬应能及时点燃并充分燃烧;设备与管线组件密封点天然气泄漏认定浓度为2 000 ppm[13]4-10。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)规定厂区最高体积浓度一级标准为0.5%[14]6-7;《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)规定填埋工作面上2 m以下高度范围内甲烷的体积分数应不大于0.1%,导气管排放口的甲烷体积分数不大于5%[15]170-171。上述标准中,GB39728-2020没有完全禁止放空,泄露认定浓度也明显低于美国的500 ppm[16]。

(三)甲烷减排起步晚,各领域差异大

欧盟在1996年就颁布了第一份甲烷减排战略,其2016年的甲烷排放量较1990年已经下降了37%[6]67。而中国至今未制定甲烷减排战略规划,2014年甲烷的排放量比1994年增加了61%[2]12-20(参见图1)。

2014年,中国甲烷排放量比2010年略有下降,这主要归因于能源领域甲烷的减排。煤炭行业是中国最大的人为甲烷排放源。自2006年以来,中国出台了提高煤层气、煤矿瓦斯利用率等减少甲烷排放和泄露的一系列相关政策,煤层气利用率不断提高,2015年达86.4%。但是,煤矿瓦斯抽采规模小、集中度低、浓度变化大,多数小煤矿未建设瓦斯利用设施,大中型矿井没有做到瓦斯的矿区联网集中利用,2015年全国煤矿瓦斯利用率仅为35.3%[17]14。中国油气行业的甲烷排放占比不高,减排技术相对成熟。中国油气行业的甲烷排放量不到美国的30%,排放强度虽略高于美国,但是大大低于俄罗斯、伊朗等主要油气生产国[18],油气开采业的伴生气回收利用率已达到80%以上[19]。2017年,中石油、中石化实现了0.32%的甲烷排放率目标,并且都提出到2025年甲烷排放强度要再降低50%(分别相对2017年和2020年),两家公司还制定了0.25%的短期甲烷减排目标和0.2%的终极目标,气候目标接近欧美石油公司[20]53-59。

中国农业领域甲烷减排还处于研究阶段。在水稻种植方面,前期农业科技工作者已经选育出40多种节水抗旱水稻新品种,这些新品种不仅可以节约用水,还可以减少90%以上甲烷排放[21]84-91。但是,这些品种在产量和米质等方面不具明显优势,还需进一步优化。此外,研究发现采用复合种养(稻田养鸭、养鱼等)、节水灌溉、生物炭还田、免耕少耕等方式也可以显著降低甲烷排放量[22]61-74。另外,研究人员正在试图通过研究新型饲料来减少牛羊等动物肠道的甲烷排放,通过改进牲畜粪便的资源化利用技术来降低动物粪便的甲烷排放[23]188-193。

中国固体废物处理方式已经由填埋为主转为焚烧为主,这大大降低了甲烷的产生量。随着固体废物处理产生的甲烷不断减少,废水处理将逐渐成为中国废弃物处理领域的甲烷主要排放源。2005-2015年间,中国废水处理甲烷排放量的年均增速为2.8%,如不加以控制,到2050年将增加到2 285.51万吨二氧化碳当量[24]410-419。

三、对中国甲烷减排的建议

美国在《清洁空气法》管制框架下制定甲烷减排措施。2014年,制定了《甲烷减排气候行动战略规划》,2021年11月,发布了《美国甲烷减排行动计划》,旨在减少污染和消费成本,增加高薪工作和国家竞争力[4]1-2。2020年10月,欧盟出台了新的《欧盟甲烷减排战略》,以支撑其中长期温室气体减排目标[25]37-43。欧美的这些计划都已经明确了中长期的甲烷减排目标。作为世界第一甲烷人为排放国,中国必将面临越来越大的甲烷减排压力,急需制定一份切实可行的甲烷减排国家行动计划。

(一)完善甲烷监测网络和排放数据报告制度

甲烷的产生过程不同于化石燃料燃烧产生二氧化碳,不管是稻田、牛羊等动物肠道还是污水处理,有机质还原产生甲烷一般需要微生物作用,过程比较复杂,估算具有很大的不确定性。加强监测是了解甲烷实际排放的有效途径,也可以为今后排放指数的修正提供技术支持,同时为中国参与相关国际规则的制定提供理论指导。在环境本底监测方面,可以通过在已经建成的遍布全国的大气环境质量监测站点中增加甲烷等温室气体检测设备,来实现对甲烷的实时监测;同时,通过卫星遥感设备掌握区域整体的甲烷本底数据。在污染源监测方面,对于部分重点污染源,可在现有的在线监测系统中增加甲烷监测传感器,也可以通过遥感卫星开展实时监测;对于其他污染源,则要增加采样频次,以获得较为准确的排放数据。针对重点行业和重点企业,要完善甲烷相关数据的报告制度,修订污染排放系数,不断提升甲烷排放数据的质量。

(二)完善甲烷减排的法律法规和标准体系

甲烷类温室气体虽然不会对人体造成直接伤害,但其潜在危害不可忽视。因此,需在《大气污染防治法》等相关法律法规中明确其属性,并逐步完善相关的法律法规,提高原有甲烷排放标准。例如:提高GB21522-2008瓦斯的排放标准,并进一步制定完善瓦斯抽采率、瓦斯利用率和瓦斯排放率等强制性标准;提高GB39728-2020泄露认定浓度的标准,完善回收利用等强制性标准,逐渐减少火炬,禁止放空;提高GB18918-2002和GB 16889-2008甲烷排放的浓度限制要求,完善回收利用标准。在有甲烷排放、但未设定排放浓度要求的标准中(如《石油炼制工业污染物排放标准》)添加甲烷排放要求。逐步将企业甲烷排放纳入碳排放交易市场,通过政策引导,提高企业回收利用甲烷的积极性和主动性。

(三)以油气行业为试点,逐步开展甲烷减排

中国油气行业的甲烷减排基础较好,大部分国家也将油气行业作为甲烷减排的重点。因此,油气行业可以作为中国甲烷减排的试点行业。针对油气行业目前的排放情况,需加强基础设施建设以减少放空和火炬活动,提高甲烷的回收利用率;而无法避免排放的甲烷,则需经充分燃烧后排放;同时,建立管线的泄露监测和维修制度,及时发现和修复排放源;另外,还需进一步完善制度,提高油气企业甲烷排放绩效的透明度和数据准确性。

随着能源结构的调整,煤炭的消费总量不断下降,但受以煤为主的自然资源禀赋、新能源的稳定性不够等因素影响,未来一段时期内中国能源生产和消费仍将以煤为主。随着浅部煤炭资源的开采殆尽,未来中国将有更多的煤矿转移至深部,而通常矿井越深,煤层的瓦斯含量就越高[26]311-322。因此,未来煤炭行业的开采及矿后活动仍是中国重要的甲烷排放源,煤炭行业也是甲烷减排的重点行业。针对低浓度瓦斯利用率低的现状,需加大低浓度瓦斯利用方面的科研力度,研发低浓度瓦斯的高效利用技术,实现矿区瓦斯的联网集中回收利用。

废弃物处理领域应该在源头上减少固体废物和废水的产生量,同时提高甲烷的回收利用率。2016年,在欧盟固体废物处理中,甲烷的回收利用率已经达到了42%[6]790-791。北欧的污水处理厂将传统污泥厌氧发酵产生的甲烷用热电联产方式回收化学能,在完成资源和能源回收的同时实现了对污泥的处理和处置;同时,通过余热回收,实现碳中和率300%以上[27]2 849-2 857。亦有研究表明,甲烷的产量会随着高浓度有机废弃物负荷率及厌氧消化反应器停留时间的延长而增加[28]47-51。因此,中国国内甲烷排放量不断提高的废水处理行业,还需不断改进工艺技术。

农业生产是欧美国家最大的甲烷排放源,也是中国第二大甲烷排放源。但是,农业生产与农民生计、粮食安全等相关,发达国家农业生产领域的甲烷减排目前仍以自愿为主。因此,中国现阶段不宜采取强制性减排措施,要鼓励开展农业温室气体减排方面的科技创新,让农民自愿采用新的种养殖模式,逐步将农业由碳源转化为碳汇。

四、结 语

甲烷作为第二大温室气体,其减排是大势所趋。中国作为世界第一甲烷排放国,必将面临越来越大的国际减排压力。虽然中国的甲烷减排起步较晚,面临的减排压力较大,但是随着能源结构的不断调整、粮食产量的趋于稳定、垃圾填埋量的不断减少,中国的甲烷可以与二氧化碳在2030年前同步实现碳达峰。

“十四五”时期是推动甲烷减排的关键时期。“十四五”前期应以摸清家底为主,通过监测、企业上报和政府核查等手段掌握准确的排放数据,并在基础较好且技术较为成熟的油气和煤炭行业的新建项目中开展甲烷减排试点,建立示范项目和示范工程;应鼓励地方和能源企业开展甲烷减排控制方面的合作,推动甲烷监测、回收利用等技术、装备和产业的发展;农业和废弃物处理领域应以加强科学研究为主,鼓励重点领域开展甲烷自愿减排行动,同时积极参与甲烷减排领域的国际交流与合作。“十四五”后期则应根据较为准确的排放数据制定切实可行的减排方案,鼓励行业、企业利用国际先进减排技术,并将甲烷排放纳入碳交易市场。