能源生產系統共生產品清單分配問題研究

＊陳馬駿 孫博學 王鴻韜 周心怡 晁思聰

（工業大數據應用技術國家工程實驗室，北京工業大學材料與制造學部 北京 100124）

我國能源資源總量豐富，但人均占有量和優質能源相對較少[1]，同時我國已是世界上最大的碳排放國，2018年我國由能源使用造成的碳排放達95億噸，占到世界排放總量的28%[2]。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是國際通用的產品環境負荷評估方法，已被國內外學者廣泛應用于分析材料及能源產品生產過程的資源消耗與環境排放問題研究。梁田[3]采用Gabi v.8.7軟件研究了鋼鐵企業在產品生產過程的典型能耗和各類環境影響，樸文華等人[4]對水泥生產過程的生命周期評價研究中發現，水泥熟料煅燒階段生產電力和煤炭開采等過程排放的CO2最嚴重。Wang等人[5]結合LCA和經濟成本分析方法研究了我國燃煤電廠在火電發電過程的各類污染物排放和單位火電的生產成本。Liu等人[6]對我國石油精煉過程的生命周期評價研究表明，原油的開采和運輸過程主導了大多數環境影響類別。

綜合上述國內外研究可以發現，能源的消耗對產品整個生命周期的環境影響貢獻較大，因此能源產品的清單數據質量將直接影響各類LCA研究的準確性。本研究通過對能源生產系統共生產品的清單分配問題進行建模計算，獲得符合我國能源生產實際的本土化上游清單，為各行業能耗碳排放的計算提供理論數據支持。

1.分配方法及計算模型

(1)系統邊界與功能單位

本研究的對象主要是能源系統中會產生共生產品的各生產環節，包括熱電聯產過程、原油精煉過程、石油和天然氣開采過程、煤炭開采和洗選過程等。以上環節共生產品的功能單位確定為生產得到1MJ各產品，研究的系統邊界及產品如圖1所示。

圖1 材料供能產品生產系統邊界

(2)數據收集及分配方法

本研究針對能源生產系統收集獲得了各生產環節的能耗數據，主要來源于《中國能源統計年鑒2020》、權威機構如中電聯、中國煤炭工業協會等公布數據、企業報告、相關技術書籍和研究文獻數據。各產品的運輸距離和運輸損耗參考國家統計局數據[7]，各類運輸方式占比參考丁寧等人[8]的研究成果。

根據ISO14044 Allocation部分的定義，并依據能源產品的使用屬性，本研究對能源生產系統共生產品采取質量、熱值、經濟價值三種方法進行分配。

質量分配過程依據公式（1），其中各共生產品產量來自《中國能源統計年鑒2020》中的國家統計數據和相關機構的發布數據。

式中，Cxmass表示共生產品x的質量分配系數；Px表示共生產品x的產量（kg，m3）；P表示生產環節某共生產品的產量（kg，m3）。

熱值分配計算依據公式（2），其中平均低位發熱量來自GB/T 2589-2020《綜合能耗計算通則》[9]，共生產品產量來自《能源統計年鑒2020》和國家統計局發布數據。

式中，Cxenergy表示共生產品x的熱值分配系數；LHVx表示共生產品x的平均低位發熱量（kJ/kWh，kJ，kg）；Px表示共生產品x的總產量（kg）；αx表示共生產品x的轉換效率修正因子；LHV表示生產環節某產品的平均低位發熱量（kJ/kWh，kJ，kg）；P表示生產環節某產品的總產量（kg）。

經濟價值分配的分配系數計算依據公式（3），其中全國電力價格來自2019年國家能源統計局公布的燃煤機組平均上網電價，全國熱力價格來自于使用熱力省份的熱力價格計算均值，其他能源產品價格數據來自于國家商務部的能源化工商品價格數據庫。

式中，Cxeconomic表示共生產品x的經濟價值分配系數（%）；Pricex表示共生產品x的平均單價（￥/kWh，kJ，kg）；Px表示共生產品x的總產量（kWh，kJ，kg）；Price表示生產環節某產品的平均單價（￥/kWh，kJ，kg）；P表示生產環節某產品的總產量（kWh，kJ，kg）。

2.生命周期清單

(1)熱電聯產

熱電聯產行業計算的產品主要為火電和熱力，由于兩種產品的物理屬性特點，無法以質量進行表征，因此選取熱值和經濟價值作為清單分配原則。計算獲得熱電聯產過程單位火電和熱力的能耗和溫室氣體排放清單，如表1所示。

表1 熱值分配和經濟價值分配下單位火電和熱力的能耗和溫室氣體排放清單

(2)原油精煉

選取該行業的主要產品汽油、煤油、柴油、燃料油和液化石油氣，其他產品在本研究中忽略。得到計算后的原油精煉行業各共生產品的能耗和溫室氣體排放清單，如表2所示。

表2 不同分配方法下原油精煉產品的能耗和溫室氣體排放清單

(3)石油和天然氣開采

根據行業報告調研，本研究確定石油和天然氣開采業的主要產品為原油和天然氣。根據能源統計年鑒的相關數據計算原油和天然氣在三種分配方法下的能耗和溫室氣體排放清單，如表3所示。

表3 不同分配方法下原油和天然氣生產的能耗和溫室氣體排放清單

(4)煤炭開采洗選

煤炭開采洗選過程的主要產品為原煤、洗精煤，但我國煤炭開采主要以井工開采為主，在開采過程中會產生較多的礦井瓦斯逸散，因此對于本研究參考王寧等人[10]對于我國煤礦甲烷涌出量的計算結果，對甲烷的排放量進行修正。計算結果如表4所示。

表4 不同分配方法下原煤和洗精煤生產過程的能耗和溫室氣體排放清單

3.結果和討論

(1)碳排放分析

對各能源產品生產過程的碳排放進行綜合比較，如圖2所示。質量分配、熱值分配和經濟價值分配方法下，生產得到每MJ能源產品，原煤生產過程的碳排放最高，而洗精煤生產過程的碳排放最低。經濟價值分配下，原煤生產受市場價格影響產生的碳排放波動最小。

圖2 每MJ能源產品生產過程的碳排放

熱電聯產行業的火電和熱力生產過程產生的二氧化碳主要來自原煤的燃燒；其次是高爐煤氣和天然氣的使用，見圖3(a)。如圖3(b)所示，原油精煉過程的碳排放主要來自煉廠干氣、熱力、石油焦和電力，運輸過程消耗燃料油的占比最小。原油和天然氣的生產過程主要的碳排放來自天然氣和電力的消耗，其次為原油的燃燒使用。煤炭開采和洗選過程的能源使用造成的間接碳排放主要來自于電力的使用、原煤、天然氣和高爐煤氣的燃燒；對于煤炭開采過程，在考慮回收利用下由礦井瓦斯逸散造成的直接碳排放占總碳排放達74.0%。

圖3 碳排放來源

4.結論

（1）在三種分配方法下，原煤的燃燒是火電和熱力生產過程碳排放的最主要來源，其次是高爐煤氣和天然氣。其他共生產品生產過程產生的碳排放普遍與電力的使用有關，且占比較為明顯。

（2）油氣類產品在質量分配和熱值分配下的碳排放差異不大。原煤的碳排放明顯高于其他產品，主要是由礦井瓦斯（CH4）涌出造成的。受市場交易價格的影響，經濟價值分配下，能源產品間的碳排放差異較大。

（3）根據各能源產品生產過程碳排放計算結果，單位原煤生產所產生的碳排放遠大于其他產品，因此為完成碳達峰、碳中和的目標，未來我國能源結構改革方向仍是減少煤炭使用、提高清潔能源占比，實現能源行業的可持續發展。