溫室氣體的過量排放問題，已經(jīng)引起了世界的廣泛關(guān)注，而CO2氣體的過量排放是造成全球變暖的主要原因之一。CO2排放主要是由電力、水泥和鋼鐵等高排放行業(yè)的化石能源消耗所造成，2022年由能源使用造成的碳排放達(dá)34.3 Gt，其中中國貢獻(xiàn)近1/3，排放量達(dá)10.5 Gt。“十四五規(guī)劃”中就重點(diǎn)提出要控制化石能源消費(fèi)。

《中國電力》2024年第7期刊發(fā)了劉含笑等撰寫的《基于生命周期法的煤電碳足跡評估》一文。文章研究以河北省某燃煤電廠項(xiàng)目為例，基于生命周期評價(jià)法（life cycle assessment，LCA）進(jìn)行了燃煤發(fā)電產(chǎn)品碳足跡評價(jià)，從上游和核心2個(gè)環(huán)節(jié)分析燃煤機(jī)組的電力碳足跡及影響因素，對燃煤發(fā)電的溫室氣體排放進(jìn)行完整的生命周期評價(jià)，同時(shí)與傳統(tǒng)煤電碳核查的考核對象和指標(biāo)進(jìn)行對比，為煤電減碳提供數(shù)據(jù)支撐和思路方向。

（來源：中國電力 作者：劉含笑 單思珂 魏書洲 于立元 王帥 劉美玲 崔盈）

碳足跡是量化碳排放的重要工具，能夠?yàn)槿济喊l(fā)電碳減排提供數(shù)據(jù)支撐。為研究燃煤機(jī)組的電力碳足跡及影響因素，基于生命周期法進(jìn)行了實(shí)際案例計(jì)算及敏感性分析。碳足跡計(jì)算結(jié)果顯示，300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組的單位上網(wǎng)電量碳足跡為0.932 kgCO2e/(kW·h)，主要排放源為煤炭燃燒，占比約為79%，其次是煤炭的上游生產(chǎn)和加工，占比約為20%。碳足跡和碳核查的對比分析結(jié)論表明，減碳不僅應(yīng)從燃煤電廠的常規(guī)減碳方式入手，降低上游的煤炭供給階段排放仍是一種有效方案。

01評價(jià)方法

1.1 生命周期法

生命周期法是一種“自下而上”的碳足跡評價(jià)方法，評價(jià)的內(nèi)容包括產(chǎn)品或服務(wù)在原材料開采、生產(chǎn)、加工、儲運(yùn)、使用和廢棄處理等過程中的溫室氣體排放。一個(gè)完整的LCA過程應(yīng)至少包括目標(biāo)與范圍的界定、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋4個(gè)步驟。基于LCA的基本步驟，建立燃煤發(fā)電碳足跡的生命周期評價(jià)流程，如圖1所示。

圖1 燃煤發(fā)電碳足跡生命周期評價(jià)流程

Fig.1 LCA evaluation process of carbon footprint of coal-fired power generation

1.2 目標(biāo)與范圍的界定

1.2.1 功能單位

功能單位的選取考慮了以下因素。

1）根據(jù)《環(huán)境管理 生命周期評價(jià) 原則與框架》(GB/T 24040—2008)，功能單位的首要目的是為相關(guān)的輸入和輸出提供參考，應(yīng)當(dāng)保證結(jié)果的可比性。

2）功能單位及研究邊界需要基于研究目標(biāo)確定，本研究目標(biāo)為核算燃煤發(fā)電產(chǎn)品的碳足跡，以挖掘煤電生命周期減碳潛力，為電力行業(yè)碳雙控提供數(shù)據(jù)支持。

3）以往的燃煤發(fā)電生命周期評價(jià)案例中，發(fā)電產(chǎn)品的功能單位對象一般選取機(jī)組的發(fā)電量或供電量，數(shù)量為1 kW·h。

基于以上原因以及本案例所能收集到的數(shù)據(jù)種類，確定本案例中功能單位選取為整個(gè)燃煤發(fā)電廠生產(chǎn)的1 kW·h供電量。

1.2.2 邊界劃分

產(chǎn)品碳足跡的研究邊界要基于產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程劃分，應(yīng)包括原材料的開采、制造、加工、包裝、儲存、使用和廢棄等。燃煤發(fā)電的工藝流程如圖2所示。

圖2 燃煤發(fā)電工藝流程

Fig.2 Process flow of coal-fired power generation

本文選取了GHG protocol所規(guī)定的范圍1、范圍2和部分范圍3包含的排放類別，根據(jù)燃煤發(fā)電的工藝流程劃分邊界，除圖2所示工藝流程中的所有生產(chǎn)單元過程外，還包括單元過程的能源輸入、水的輸入、廢物處理及再利用，最終劃分生命周期評價(jià)邊界，如圖3所示。同時(shí)參考國際環(huán)境產(chǎn)品認(rèn)證所發(fā)布的電力相關(guān)產(chǎn)品種類規(guī)則（product category rules，PCR）《Electricity, steam and hot cold water generation and distribution》，并結(jié)合案例數(shù)據(jù)來源，將燃煤發(fā)電產(chǎn)品生命周期被分為上游和核心2個(gè)環(huán)節(jié)，不計(jì)算電力在電網(wǎng)的輸送及用戶使用，也不考慮電廠的建設(shè)退役回收階段，屬于“從搖籃到大門”式的生命周期邊界。

圖3 燃煤發(fā)電生命周期評價(jià)邊界

Fig.3 LCA boundary of coal-fired power generation

1.3 排放清單

根據(jù)排放方式不同，溫室氣體排放可以分為直接排放和間接排放。因此，依據(jù)物質(zhì)流和能量流，對上游環(huán)節(jié)和核心環(huán)節(jié)分別進(jìn)行直接排放和間接排放分析，排放清單如圖4所示。

圖4 燃煤發(fā)電產(chǎn)品生命周期碳排放清單

Fig.4 Carbon emission list of the life cycle of coal-fired power generation products

上游環(huán)節(jié)主要涉及的排放可以分為煤炭供給、輔料供給2個(gè)過程。煤炭供給過程中，涉及的直接排放有煤炭開采及礦后的甲烷（CH4）逸散和炸藥爆破、化石燃料使用、煤炭自燃等，間接排放包括電力使用、煤炭運(yùn)輸?shù)取］o料供給過程中，涉及的直接排放有輔料原料開采排放、制造加工和化石燃料使用等，間接排放包括電力使用、輔料運(yùn)輸?shù)龋o料包括助燃劑、脫硫劑等煙氣處理輔料、潤滑油等機(jī)組運(yùn)行輔料等。

核心環(huán)節(jié)主要涉及的排放可以分為運(yùn)行發(fā)電、廢物處理2個(gè)過程。運(yùn)行發(fā)電過程涉及的直接排放包括煤炭、助燃劑燃燒等，間接排放包括外購電力使用、廠內(nèi)運(yùn)輸。燃煤電廠的廠自用電和并網(wǎng)電耗由于來自燃燒排放，為避免重復(fù)計(jì)算，不列入排放清單中。廢物處理過程涉及的直接排放包括廢物預(yù)處理、濕法脫硫、化石燃料使用等，間接排放包括電力使用、廢物運(yùn)輸?shù)龋瑥U物包括廢氣、廢水和粉煤灰等固體廢棄物。有些廢物（如脫硫石膏）在再利用時(shí)進(jìn)入了其他產(chǎn)品的生命周期，替代掉了原有的生產(chǎn)原料，從而產(chǎn)生了碳抵扣，這部分碳抵扣將作為負(fù)碳排放計(jì)入廢物處理過程的直接排放中。

1.4 計(jì)算方法

02結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

排放計(jì)算數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)2種。現(xiàn)場數(shù)據(jù)主要包涵企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括通過測量和調(diào)查等方式取得的清單上的所有的輸入輸出。背景數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)庫、相關(guān)文獻(xiàn)和已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)指南等。

2.1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源

現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源為河北省某燃煤電廠生產(chǎn)過程中實(shí)測，該燃煤電廠有2×300 MW和2×315 MW共4臺凝汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，以及共用的1套煙氣處理設(shè)備，煤炭來自中國陜西省神東礦區(qū)。數(shù)據(jù)時(shí)間尺度選取2022年全年，獲得方式為電廠自查，涉及主要現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃煤發(fā)電的現(xiàn)場數(shù)據(jù)

Table 1 Field data for the coal-fired power generation

2.1.2 背景數(shù)據(jù)

背景數(shù)據(jù)主要是來自Ecoinvent 3.8數(shù)據(jù)庫及相關(guān)文獻(xiàn)，并經(jīng)比較后選取的符合電廠情況的碳排放因子，不同單元過程的碳排放因子如表2所示。其中粉煤灰、脫硫石膏等固廢的排放因子采用系統(tǒng)擴(kuò)展法計(jì)算，通過對文獻(xiàn)中的單位排放結(jié)果分配后得到。系統(tǒng)擴(kuò)展法是根據(jù)廢物利用的實(shí)際用途，抵扣其所替代的產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷。例如，對脫硫石膏進(jìn)入下游建筑生命周期后，因此產(chǎn)生的碳抵扣量為其替代的石膏生產(chǎn)流程產(chǎn)生的碳排放值。

表2 碳排放因子

Table 2 Carbon emission factors

2.2 與其他文獻(xiàn)的結(jié)果對比分析

根據(jù)碳足跡的計(jì)算結(jié)果，2022年的燃煤電廠發(fā)電產(chǎn)品的上網(wǎng)電量碳足跡總量為7.4×106 tCO2e。本案例電廠的供熱比為0.244，在對燃煤發(fā)電輸出的電熱產(chǎn)品基于供熱比進(jìn)行熱電分?jǐn)偤螅玫秸麄€(gè)燃煤電廠的單位上網(wǎng)電量碳足跡結(jié)果為0.932 kgCO2e/(kW·h)。為確定碳足跡計(jì)算結(jié)果的可信程度，將碳足跡結(jié)果與文獻(xiàn)進(jìn)行對比分析，并從評價(jià)方法、機(jī)組容量及類型等方面分析差異原因。

文獻(xiàn)[36]對不同類型的機(jī)組進(jìn)行了碳足跡生命周期評價(jià)，其中300 MW的亞臨界機(jī)組和600 MW的超臨界機(jī)組的單位碳足跡結(jié)果為0.971 kgCO2e/(kW·h)和0.830 kgCO2e/(kW·h)。跟本文相比，該結(jié)果是偏低的，尤其300 MW的亞臨界機(jī)組評估結(jié)果。其原因是對上游環(huán)節(jié)的煤炭開采排放估算較低，在總排放占比8%，本文中這一結(jié)果約為15%。該文獻(xiàn)中邊界選取圍繞煤炭流向，忽略了輔料流向和廢物流向2部分，本文對此邊界清單進(jìn)行了補(bǔ)足，雖然這并不是結(jié)果差距的主要原因，但從邊界清單方面，本文劃分更加科學(xué)，對類似機(jī)組的碳足跡結(jié)果的可信性有了較大提升，對電廠碳足跡評估方法的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣可能具有較大貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[37]對山西省某電廠進(jìn)行了碳足跡的生命周期評估，結(jié)果為0.800 kgCO2e/(kW·h)，其結(jié)果大幅度偏低的原因是文獻(xiàn)計(jì)算時(shí)尚處于中國碳足跡研究不足的時(shí)間，所用的排放因子基本來自行業(yè)總值估算，并且存在和文獻(xiàn)[36]一樣的問題，對邊界的劃分僅僅集中于煤炭而失去了對燃煤發(fā)電碳足跡中其他物質(zhì)流的關(guān)注。

文獻(xiàn)[38]對韓國某500 MW超臨界燃煤電廠進(jìn)行了生命周期環(huán)境評價(jià)，結(jié)果為1.03 kgCO2e/(kW·h)，這是由于雖然電廠為超臨界機(jī)組，但建造年份久，電廠老化導(dǎo)致了熱效率的大幅度降低，直接燃燒排放很高。文獻(xiàn)[39]對385~545 MW超臨界機(jī)組進(jìn)行的碳足跡評估結(jié)果為0.970 kgCO2e/(kW·h)，工況和其他數(shù)據(jù)與本文類似，可能是由于文獻(xiàn)考察的純發(fā)電機(jī)組，而本文熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提高了電廠的熱效率，從能量利用的角度降低了碳足跡結(jié)果。這2篇文獻(xiàn)表現(xiàn)了機(jī)組狀況對于碳足跡值的影響，并顯示了電廠降低碳足跡努力的方向是提高熱效率。

文獻(xiàn)[40]對巴基斯坦的660 MW超臨界電廠進(jìn)行了碳足跡評估，結(jié)果僅有0.751 kgCO2e/(kW·h)，這是由于該文獻(xiàn)所研究的超臨界電廠機(jī)組熱效率高于本文的亞臨界機(jī)組，這點(diǎn)可以從電煤比的對比看出，文獻(xiàn)[40]中單位供電量的煤耗量為0.375 t/(MW·h)，本文為0.518 t/(MW·h)，差距較大的原因是文獻(xiàn)[40]中的超臨界電廠作為工業(yè)示范項(xiàng)目，投入高，即使與其他超臨界的電廠相比熱效率仍然更高，可以達(dá)到44%，而文獻(xiàn)[36,38]中這一數(shù)據(jù)分別為41%和38%。這更說明了降低熱效率對于降低碳足跡的重要性和有效性。為和本文亞臨界機(jī)組類型的熱效率比較，舉例如下。文獻(xiàn)[41]對荷蘭某460 MW亞臨界電廠進(jìn)行碳足跡評估，結(jié)果為1.092 kgCO2e/(kW·h)，和本文相比，該機(jī)組同為亞臨界類型，且容量相近，其比本文結(jié)果高的原因是因?yàn)闊嵝瘦^低，僅有35%，而本文案例為38%~39%。

綜上所述，碳足跡計(jì)算結(jié)果差異主要是邊界劃分、煤質(zhì)和機(jī)組工藝、數(shù)據(jù)來源這3方面原因所導(dǎo)致。邊界方面，由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，本案例并未將建設(shè)期納入碳足跡，導(dǎo)致總碳足跡結(jié)果理論上偏低，一般電廠建設(shè)的碳足跡值占總碳足跡的1%左右，因此建設(shè)期不納入邊界的影響是可接受的；煤質(zhì)和機(jī)組工藝方面，僅影響碳足跡計(jì)算結(jié)果，此處不做具體分析；數(shù)據(jù)來源方面，現(xiàn)場數(shù)據(jù)中均為電廠自采，且通過核查驗(yàn)證，因此現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，背景數(shù)據(jù)中，部分排放因子來自國外數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致本土性不足，影響了結(jié)果的可信度。這里選擇國外數(shù)據(jù)庫的原因是國內(nèi)缺少可靠的本土數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)雖然在籌建相關(guān)的燃煤發(fā)電排放因子數(shù)據(jù)庫，目前也存在許多排放因子的研究，但無論是系統(tǒng)性還是可信性和國際上已經(jīng)廣泛商用的數(shù)據(jù)庫相比仍然存在不小的差距。

通過文獻(xiàn)結(jié)果的對比分析，本文對邊界清單劃分的嚴(yán)謹(jǐn)性和完整性具有獨(dú)特的優(yōu)勢，對中國電廠碳足跡評估的方法標(biāo)準(zhǔn)化具有較大貢獻(xiàn)。

2.3 過程排放分析

綜合排放清單和碳足跡的計(jì)算結(jié)果，針對邊界過程進(jìn)行排放對比分析，得到燃煤發(fā)電生命周期過程排放結(jié)果，如圖5所示。燃煤發(fā)電產(chǎn)品的生命周期碳排放以直接排放為主，占總排放的99%以上，間接排放總量不足1%。直接排放中，運(yùn)行發(fā)電過程占比最大，占比接近80%。間接排放中，煤炭供給過程占比最大，占比88%左右。

圖5 燃煤發(fā)電生命周期過程排放分析

Fig.5 Emission analysis of the life cycle process of coal-fired power generation

為深度溯源過程排放，根據(jù)排放清單對碳足跡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步分析，得到本案例的燃煤發(fā)電生命周期清單排放分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 燃煤發(fā)電生命周期清單排放分析

Fig.6 Emission analysis of the life cycle inventory of coal-fired power generation

由圖5和圖6得出以下分析結(jié)論：在上游環(huán)節(jié)中，煤炭開采造成的間接排放占上游環(huán)節(jié)碳足跡絕大部分，輔料生產(chǎn)部分碳足跡占比不足3%；在核心環(huán)節(jié)中，煤炭燃燒造成的直接排放占核心環(huán)節(jié)碳足跡絕大部分，廢物利用部分碳足跡絕對值占比超過2%。整體來看，直接排放是燃煤發(fā)電生命周期的主要碳排放方式，占據(jù)總碳足跡的99%，其中煤炭燃燒造成的直接排放占絕大部分，占比在79%左右，其次是煤炭開采造成的直接排放，占比超過20%。燃煤發(fā)電廠的固體廢物再利用是燃煤發(fā)電生命周期中的唯一碳抵扣源，碳抵扣量可以達(dá)到總碳足跡的2%。

2.4 與碳核查的對比

燃煤發(fā)電的碳排放核查和碳足跡評估的排放組成高度重合，均以直接燃燒為主。因此，碳排放核查和碳足跡結(jié)果的特征應(yīng)該有相似之處，但機(jī)組參數(shù)對結(jié)果的影響也存在細(xì)節(jié)上的不同。例如，在單位供電碳排放強(qiáng)度不變的情況下，增加供電量將導(dǎo)致使用煤炭量的增加，此時(shí)由于上游環(huán)節(jié)的煤炭供給過程的碳排放不可忽視，造成單位供電量碳足跡結(jié)果的上升。本節(jié)針對燃煤發(fā)電的機(jī)組碳排放核查和碳足跡評估的考核指標(biāo)，分析其中的聯(lián)系性和差異性。

根據(jù)過程排放分析結(jié)論，燃煤發(fā)電生命周期的碳足跡集中于煤炭燃燒和煤炭開采的直接排放，這部分排放與電廠的煤質(zhì)、煤耗量和利用率等密切相關(guān)。本節(jié)利用燃煤電廠不同機(jī)組（機(jī)組1~4）的數(shù)據(jù)，綜合理論和數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證，得到機(jī)組參數(shù)對碳足跡的關(guān)鍵影響情況。

圖7 機(jī)組1~4的單位供電碳足跡和相關(guān)系數(shù)關(guān)系

Fig.7 Carbon footprint of unit power supply and correlation coefficient of unit 1~4

根據(jù)式（6）、式（8）和圖7可以看出，單位供電碳足跡和機(jī)組的發(fā)電碳排放強(qiáng)度Sfd,i、機(jī)組的自用電量比率ωi和煤炭的各階段排放因子Fmt有關(guān)。Sfd,i說明燃煤電廠的碳核查結(jié)果和碳足跡具有相當(dāng)程度的相似性。ωi顯示了碳核查與碳足跡選取基準(zhǔn)的不同，碳核查因?yàn)橹饕己藢ο鬄槿济弘姀S，考核的最終目的是限制燃煤電廠的碳排放，故碳排放以單位發(fā)電量為基準(zhǔn)，而電力碳足跡的評價(jià)目的是為下游產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，需要從產(chǎn)品端評價(jià)，故電力碳足跡以單位供電量為基準(zhǔn)。Fmt則顯示了機(jī)組的碳排放核查與碳足跡評估的主要不同，差異是由于邊界劃分不同所導(dǎo)致。

由碳核查和碳足跡的對比可知，燃煤發(fā)電在從碳足跡角度去推進(jìn)減碳工作時(shí)，除根據(jù)碳核查分析的常規(guī)手段，如保障高負(fù)荷系數(shù)、減少供熱比等，還應(yīng)該從生命周期的角度考慮，降低機(jī)組自用電率，通過降低能耗保障燃煤供給階段的低碳排放。

03結(jié)論

本文基于生命周期理論，研究了燃煤發(fā)電的碳足跡評價(jià)方法。圍繞河北省某燃煤發(fā)電廠實(shí)際案例，通過目標(biāo)與范圍的界定、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋等步驟，完成了“從搖籃到大門”的碳足跡評價(jià)工作，得到單位上網(wǎng)電量碳足跡為0.932 kgCO2e/(kW·h)，并總結(jié)以下結(jié)論。

1）燃煤發(fā)電的碳足跡主要集中在核心階段的燃燒直接排放，占總碳足跡的80%左右，但并不是通常認(rèn)為的95%以上。這是由于煤炭開采環(huán)節(jié)存在大量耗能和逸散排放，煤炭在上游過程的碳排放量不容忽視。

2）通過文獻(xiàn)的結(jié)果對比，降低燃燒直接排放是電廠降低碳足跡的有效手段。通過CCUS等技術(shù)手段可以有效降低直接排放，推進(jìn)現(xiàn)有的CCUS技術(shù)發(fā)展，通過在建設(shè)初期提供政策補(bǔ)貼、推進(jìn)CO2的商業(yè)化利用等方式降低電廠的經(jīng)濟(jì)性損失，提高CCUS的普及率，可以有效降低電廠的直接碳排放。

3）燃煤發(fā)電的碳足跡降低不只依賴常規(guī)的電廠降碳手段。由于上游環(huán)節(jié)的煤炭相關(guān)排放也具有較高占比，建議未來的政策方向加強(qiáng)上游約束，通過碳標(biāo)簽等方式推進(jìn)煤炭生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)的降碳工作，以達(dá)到電力生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈降碳的目的。