碳排放项目清单与核算方法研究与实践

碳排放项目清单与核算方法研究与实践

自20世纪60年代和70年代以来，气候变化、粮食危机、人口压力等环境压力因素引起了国际社会的广泛关注。1979年,第一届哥本哈根大会首次将气候变化提到了国际事务性合作的高度。随着全球变化科学研究的深入,各国政府逐渐将焦点放在碳排放问题上。人类活动通过化石燃料的燃烧,工业原材料加工和将森林、草原转换成低生物量的生态系统3种主要方式,使固定的碳元素以气体分子的形式释放到大气中,从而增加大气碳含量。自工业革命以来,人类活动使大气中的CO2体积分数增加了25%~30%,甲烷体积分数增加了100%。人类活动的温室气体排放被认为是气候变暖的直接要因之一;工业革命以来的累积碳排放已使全球平均气温上升了2℃。在可预见的未来,由人类经济活动导致的温室气体增加所引起的气候变化,及其一系列影响将相继显现。政府间气候变化专门委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange,简称IPCC)是由世界气象组织(WMO)和联合国环境署(UNEP)在1988年共同建立的,尝试从科学与政治2个角度推进碳排放领域的研究与实践,以达到各国政府合作减少碳排放的目的。1992年该委员会就气候变化问题达成了作为纲领性文件的《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),专门负责控制CO2等温室气体排放工作,以应对全球气候变化带给经济和社会的不利影响。1997年,公约缔约方第3次会议制定了《<联合国气候变化框架公约>京都议定书》,简称《京都议定书》(KyotoProtocol),为发达国家规定了有法律约束力的定量化减排和限排指标。2007年,为解决《京都议定书》承诺期结束后没有法律性文件约束各成员国这一问题,制定了“巴厘岛路线图”(BaliRoadmap),敦促各方进一步紧密合作。2009年底,缔约国十五次会议在丹麦首都哥本哈根召开,发达国家与发展中国家正式形成两大阵营,经过12d的艰苦谈判,最终达成了不具法律约束力的《哥本哈根协议》(CopenhagenAccord),在一定程度上反映了碳排放问题已经日益与国际政治关系联系在一起,成为政治地理的新问题。IPCC在碳排放领域的研究主要集中于提出和构建碳排放量核算的范式与框架;公布全球气候变化的研究报告;出版温室气体排放源的指导性清单,并分别附带计算方法。除此之外,世界各国的学者也根据本国情况开展碳排放研究,主要工作有:制定更具倾向性的碳排放清单;构造更有针对性的碳排放计算方法;在国家、省级行政区、城市、住区乃至单体建筑等多个尺度开展实践性工作。可以看出,目前碳排放的研究体系可以归纳为3大部类:研究主体、研究内容与引申探讨。IPCC、各国政府和独立研究机构是该研究的主体,3者之间相互指导和借鉴。制定碳排放清单(也即碳排放源普查)和碳排放量计算方法构建是主要的研究内容,其中碳排放量计算方法的研究又可分为针对不同地域尺度的碳排放量核算、针对不同客体的碳排放量核算和方法论探讨3个领域:针对具体计算对象的不同空间尺度构建核算方法,从方法学理论出发构建具体核算方法,依据核算工作开展的不同方向和领域进行探讨。相关的引申探讨包括对于碳减排、碳交易和低碳城市等领域的研究(图1)。1碳源传统碳源温室气体排放清单包括一套标准的温室气体排放统计表,涵盖所有相关气体;还包括一份说明估算温室气体排放量所使用的方法学问题和数据的报告。其包括的温室气体主要有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟烃(HFCs)等。由于碳素是温室气体的主要元素,因此该清单又称为碳排放清单。1996年,IPCC出版首份国家温室气体清单指南,以自然排放源、社会经济排放源2大类为基础,将碳排放源细分为6个部门:能源(Energy)、工业过程(IndustrialProcesses)、溶剂和其他产品应用(Solvents&OtherProductUse)、土地利用变化和林地(LanduseChange&Forestry)、农业(Agriculture)、废弃物(Waste),并对每个部门进一步给出明细排放项目。以1996年温室气体排放清单为基础,2006年IPCC又出版了新的清单指南;将碳源合并为4个部门,即能源(Energy)、工业过程和产品用途(IndustrialProcessesandProductUse,简称IPPU)、农业林业和其他土地利用(Agriculture,ForestryandOtherLandUse,简称AFOLU)、废弃物(Waste)。在之后的3次修订中,补充说明了如何使用该清单进行国家尺度的碳排放量估算,进一步明确了核算方法。新版本将“工业过程”与“溶剂和其他产品应用”合并为“工业过程和产品用途”,将“土地利用变化和林地”与“农业”合并为“农业林业和其他土地利用”;原因在于碳排放源是一个完整的,涉及工农业生产、日常生活和自然生态系统各个过程的巨系统,内部有十分复杂的联系,因此将较为独立的部门进行合并与划分,有利于更全面地理解和核算。该核算清单是迄今为止门类最为齐全、体系最为合理的清单,涉及人类生产生活的各个领域和各个流程,是各国政府向IPCC报告本国碳排放类型和数量的重要参考文本。世界各国也在IPCC给出的碳排放清单指导框架下,纷纷研究制定适合本国国情和更有针对性的碳排放清单,用于更为详尽的盘查本国碳排放特点和数量。应IPCC的要求,中国政府于2001年针对可代表本国碳排放清单所包含的5大部门——能源相关(能源生产、能源加工与转换、能源消费、生物质能燃烧)、工业生产、农业活动、城市废弃物处置处理、土地利用变化与林业进行明细化研究,并分别形成最终清单。该清单充分体现了中国碳排放源的特点:生物质能燃烧被单列出来加以考察,是由于中国农村地区还广泛存在着直接燃烧生物质能燃料的现象;中国农业活动在经济部门中占有较大比例,粮食主产区分布广泛,地跨多个自然带,受区域地形和小气候影响,耕作制度复杂多样,因此将农业活动碳排放单列;中国快速的城市化过程已导致的污染问题突出,城市废弃物的处理和处置亦被列入清单。2微观估算模型碳排放计算方法与模型,按照其设计思路可分为宏观和微观两大类。宏观估算模型在大尺度上对碳排放核算给出概念性解释与方法,而微观估算模型直接面对不同的排放源类型估算出碳排放量。目前,使用范围较广、兼具宏观和微观特点的方法有排放因子法、质量平衡法和实测法3种。在具体估算某些部门中某些项目时,也有一些更为适用的专门方法,如基于质量平衡法开发的自然碳库碳含量估算模型等。2.1碳排放量估算排放因子法(Emission-FactorApproach)是IPCC提出的第一种碳排放估算方法,也是目前广泛应用的方法。其基本思路是依照碳排放清单列表,针对每一种排放源构造其活动数据与排放因子(EmissionFactor),以活动数据和排放因子的乘积作为该排放项目的碳排放量估算值:式中:Emissions为温室气体排放量(如CO2、CH4等);AD为活动数据(单个排放源与碳排放直接相关的具体使用和投入数量);EF为排放因子(单位某排放源使用量所释放的温室气体数量)。其中,活动数据主要来自国家相关统计数据、排放源普查和调查资料、监测数据等;排放因子可以采用IPCC报告中给出的缺省值(即依照全球平均水平给出的参考值),也可以自行构造,获取途径见表1。目前,以排放因子法为基础,多国都提出了碳排放计算器,以面向用户的方式提供碳排放量估算的方法,从一个侧面说明排放因子法业已成为当今碳排放估算方法的主流。2.2满足新设备能力或替换除气体量的计算质量平衡法(Mass-BalanceApproach)是近年来提出的一种新方法。根据每年用于国家生产生活的新化学物质和设备,计算为满足新设备能力或替换去除气体而消耗的新化学物质份额。该方法的优势是可反映碳排放发生地的实际排放量,不仅能够区分各类设施之间的差异,还可以分辨单个和部分设备之间的区别;尤其当年际间设备不断更新的情况下,该种方法更为简便。2.3分析方法的不足实测法(ExperimentApproach)基于排放源的现场实测基础数据,进行汇总从而得到相关碳排放量。该法中间环节少、结果准确,但数据获取相对困难,投入较大。现实中多是将现场采集的样品送到有关监测部门,利用专门的检测设备和技术进行定量分析,因此该方法还受到样品采集与处理流程中涉及到的样品代表性、测定精度等因素的干扰。目前,实测法在中国的应用还不多。综合比较,上述3种方法的优缺点、适用的尺度和对象及应用状况见表2。3自然系统的完善自然系统中的能源、原材料和水等被人类加以利用,形成各种产品和服务来维持人类社会的发展,在这一过程中,产品和服务、能源与水按照国家与省区、城市、住区、单体建筑和家庭单元的尺度层级发生流动,并伴随着含碳化合物排放到自然系统中,经过人为或自然的处置、降解而重新参与经济循环,对废弃物的处置和处理过程也发生碳排放(图2)。3.1主要部门碳排放量的估算国家是IPCC碳排放评估体系中的最高级、最重要的评估单元,也是直接接受IPCC指导的工作单元。IPCC对各国依照既有框架提交的碳排放数据进行汇总和分析,给出全球碳排放的相关研究结果。省区尺度的碳排放核算工作与国家尺度相似,是国家碳排放核算体系的重要环节。由于IPCC2006年碳排放清单指南中4个部门中所有碳排放项目均能够对应到国家、省区尺度,涵盖了包括经济生产、生活消费、废弃物处理与土地利用等各个方面,所以国家/省区尺度的核算多从4个部门的碳排放源清单出发进行核算。3.1.1核算清单1)能源部门。能源消耗是最早被纳入碳排放核算体系的排放源之一,也是碳排放的主要来源。在国家、省区尺度的碳排放核算中,能源消耗部门被划分为固定源燃烧、移动源燃烧、逸散、二氧化碳运输和注入4个子部门,并依据每个子部门中的不同行业、流程进一步加以研究,给出具体的估算公式、活动数据获取方法和排放因子值。2)IPPU部门。IPPU部门按照经济生产类别划分为采掘工业、化学工业、金属工业、非能源产品生产、电子工业、其他产品制造和使用等子部门,并进一步针对全球范围内较重要的一些工业产品,计算其制造过程中原材料加工、能源消耗和设备排放所产生的碳排放量。以工业生产过程为基础,从原材料加工出发,估算包含在工业生产过程中和工业制成品内部的碳排放。3)AFOLU部门。AFOLU部门碳排放量的核算针对因人类活动而发生覆被变化的地区或各种自然生态系统的碳排放来开展。对该部门的核算涉及与自然地理有关的多个过程,是一个复杂的体系,因此对应的核算方法也包含各种物理化学过程。4)废弃物部门。人类活动所产生的废弃物需要通过一系列技术手段进行处理,按照处理方式的不同可分为废弃物处置、固体废弃物的生物处理、废弃物的焚化和露天燃烧、废水排放和处理4个子部门;根据4种废弃物处理类型的工艺过程,分别计算其碳排放量。3.1.2核算方法对于能源部门排放量的核算,排放因子法已经得到较为成熟的应用。排放因子法也是IPPU部门计算排放量比较传统和主流的方法;但由于实际情况中存在因生产工艺更新而导致排放因子发生变化等问题,因此IPCC提出质量平衡方法,该方法能够较好地解决此类问题。基于增加-损失的自然碳库碳含量估算模型是IPCC和许多学者针对AFOLU部门专门提出的碳排放量估算宏观模型,目前得到较广泛的认可。该宏观模型首先估算土地碳库中碳含量的变化,之后将其换算为碳排放量。具体操作如下:1)将碳排放源划分为生物量、死有机质、土壤有机碳、生物量燃烧产生的非CO2排放4个库;2)界定目前土地分类体系中几类对碳排放而言最重要的土地类型(林地、农地、草地、湿地、聚居地、其他土地)与土地利用过程(牲畜和粪便管理、土壤与化肥排放、木产品采伐);3)采用排放因子法计算每一土地类型和土地利用过程中各个库的碳库碳含量变化,然后逐级汇总换算为整个AFOLU部门的碳排放量。需要指出的是,该部门包含的“聚居地”碳排放不包含在聚居地上人类活动所产生的碳排放,仅计算聚居地这一土地利用类型本身产生的碳排放量。但不同学者出于不同理解和具体需要,通过改造、简化等方式又给出了自己的核算方法。废弃物部门主要运用排放因子法,IPCC2006的碳排放清单指南中给出了全球各区域废弃物主要构成的缺省调查数据以及处理过程中的碳排放核算方法。该部门碳排放量的核算较多地依赖于具体处理过程的相关监测数据,因此对于国家、省区尺度的估算有一定难度,比较理想的尺度是城市或住区。3.2城市扩张导致土地碳排放由于CO2排放量的80%以上来自于城市,所以城市一直是碳排放研究的热点。近年来,低碳城市的研究和实践可谓是蔚然成风,许多组织和国家都开展了相关方面的实践。IPCC编制的碳排放清单主要针对国家尺度,城市尺度在依照该清单进行计算时需要视具体情况进行简化。3.2.1核算清单1)能源消耗。主要包括能源部门中的固定源燃烧(主要是化石燃料)和移动源燃烧(主要是交通能源)。对于IPPU部门中涉及到的相关生产过程中的排放,目前多直接归纳到能源燃烧的碳排放量估算中。齐玉春等将城市能源使用碳排放归纳为以下方面:工业生产、电力生产中的燃料燃烧;燃料加工、运输及工业利用过程中的泄漏和挥发;交通工具排放;其他零散点源碳排放。2)土地利用。城市植被以绿化树木、灌木树篱和草地为主,除自然碳排放外,也受人类日常维护措施如施肥、修剪和管理等影响。土壤能够排放碳,由于城市植被和土壤属于城市自然部分,其碳排放以自然为主,因此与自然系统碳排放的研究方法类似。城市不同土地覆被类型有不同的碳排放量。城市扩张导致建成区大量侵占水体、林地、草地和农田等其他类型的土地,导致碳排放量的变化。刘纪远等的研究表明,中国近20年来的城市用地大部分由农田转化而来,由于农田和城市土地本身的碳释放量相当,因此中国城市化自身造成的土地利用/覆被变化对生态系统碳循环的影响并不显著。而西方国家大量城市用地是由森林转化而来的,在城市化过程中造成大量的碳排放。3)废弃物处理。1965年,Wolman提出了城市代谢的概念,认为城市代谢就是将物质、能量、食物等输入城市系统,并将产品和废物从城市系统中输出的过程,其本质是将城市视为有机体,并重点考虑其排泄过程的效应。从城市代谢的角度理解废弃物处理过程中的碳排放问题,有助于更全面地挖掘废弃物处理的碳排放源,理解处理处置过程中的碳排放变化并进行核算。城市碳排放核算的对象以IPCC指南中4大部门为基础,参考城市经济生活的特点、地域范围的限制,制定出有针对性的核算清单。3.2.2核算方法目前,城市碳排放的估算以排放因子法为主,尤其是一些针对城市能源消耗、城市工业过程碳排放的研究,质量平衡法居于辅助地位。国内的研究多将各种类型的碳排放源转换为标准煤,将不同的排放因子统一为标准煤的碳排放因子,继而进行估算[23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,129,130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,140,141,142,143,144,145,146,147,148,149,150,151,152,153,154,155,156,157,158,159,160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,170,171,172,173,174,175,176,177,178,179,180,181,182,183,184,185,186,187,188,189,190,191,192,193,194,195,196,197,198,199,200,201,202,203,204,205,206,207,208,209,210,211,212,213,214,215,216,217,218,219,220,221,222,223,224,225]。日本在生态城市建设中多截取生产或生活的某一侧面,或者从生产方面进行资源循环利用、能源深加工,或从生活方面进行垃圾分类回收、减少不可回收商品的使用等。3.3碳排放估算清单3.3.1核算清单住区尺度碳排放清单包含住区能源消耗、生产生活过程中的物质能源消耗、蕴含在商品中的碳排放、住区内部废弃物处理过程以及绿化地段的碳排放。目前,中国开展的相关研究较少,还没有针对该尺度较为成熟的碳排放估算清单。刘念雄等认为中国住区碳排放源主要来自建筑周期过程及住区内部植被,而未将居民生产生活所产生的碳排放包括在内。3.3.2核算方法目前,国内关于住区尺度碳排放的研究处于起步阶段,并没有成熟完整的核算方法。国外对住区碳排放量的核算,多以典型住区(生态小区、住区)为主,尤其是生活型住区[如英国的贝丁顿(BedZED)、德国的太阳区(SolarQuarter)等1],通过梳理住区的地理范围、运转模式、主要功能等,划清有针对性的排放清单后逐个核算。3.4香港建筑物成品的环保要求近年来,许多国家在建筑的规划、设计、施工及物业管理过程中都融入了低碳的理念。中国在2008年奥运会的过程中,积极开展了绿色建筑的研究和实践。2010年上海世博会主办方也与UNEP共同发布了《中国2010年上海世博会绿色指南》,系统提出筹展、参展、运营和参观的环保要求,用绿色、低碳的理念来指导世博会的具体实践。3.4.1核算清单关于单体建筑碳排放的估算,其排放源的确定应该从建筑物(成品)内部各种项目功能出发,香港建筑物碳审计报告将其划分为3个部分(图3)。1)直接排放包括固定源产生电力、热能或蒸汽时的燃烧燃料;流动源在运送物料、产品、废物或接载人员进出建筑物过程中的燃料燃烧;设备及系统运作时释放的温室气体;在建筑物边界内被绿色植物吸收的温室气体(作为负值参与碳排放计算)。2)间接排放指建筑物消耗的电力及天然气在其生产过程中所引致的温室气体排放。3)其他包括建筑物内产生的废纸在处置中排放的甲烷;建筑物污水处理耗用电力而引致的温室气体排放;蕴含在饮用水处理中的电力生产过程中的温室气体排放。3.4.2核算方法目前,在建筑碳排放领域大多采用实测法,也可以根据具体情况采用排放因子法。3.5碳排放的估计家庭单元是碳排放估算的基础单元,主要基于家庭成员的日常生活起居所引起的碳排放开展估算,可以明确国家公民的日常行为方式,指引人们以更加环保、节约的生活方式降低碳排放。由于家庭单元碳排放估算是基于消费的,所有与生产有关的过程都可以在消费中得到对应,因此可以在对国家社会结构和地域分异有充分认识的基础上,通过合理的分层、分类抽样方法在全国范围内开展家庭碳排放调查,最终自下而上汇总为建筑、住区、城市乃至国家的能源消耗、IPPU和废弃物部门碳排放,在平行估算AFOLU部门中非食物性生产子部门碳排放量的基础上,将二者进行加和,即可得到各个尺度的最终碳排放量值。这与IPCC提供的自上而下的估算体系殊途同归。3.5.1核算清单家庭单元碳排放清单涉及生活消费的方方面面,包括食物在内的几乎所有生活所需商品在制造过程中都包含了碳排放。刘晶茹等将家庭碳排放模式归纳为:家庭单元直接利用自然资源所产生的能源、原材料和水,以及三者所提供的产品和服务来维持日常生活,同时产生废弃物回归自然环境中,家庭又能够通过循环利用等方式延长相关能源、原材料、水和产品服务在自身内部的使用时间。在这一循环的各个环节中都伴随碳的排放。家庭尺度碳排放也可以个人为单元开展核算,陈彦玲等研究认为影响中国个人碳排放量的因素主要是经济增长、产业结构、能源消费结构及效率水平。3.5.2核算方法排放因子法是估算家庭碳排放的主要方法,目前广为流行的家庭碳排放计算器的设计原理就来自排放因子法。中国的台湾、南京等地区都曾尝试推出过各自适用的家庭碳排放清单及估算公式2。综上所述,各地域尺度单元与碳排放核算方法之间可建立起如图4的对应关系。4国内外研究4.1碳排放领域的国内外成果概括起来,国际碳排放研究的趋势可以归纳为以下4点:1)IPCC的理论与方法被各国普遍接受。IPCC聚集了全世界1000余位科学家,对全球气候变化、土地变化、碳排放估算的范式开展了为期10余年的研究工作,发表各式报告、指南等文本数10份,已大致建立起了包含各学科领域、各地域要素、各生产环节在内的碳排放估算框架体系,并给出了碳排放源清单与核算方法,成功指导了区域实践3。目前各国政府主导的碳排放核算工作大多在IPCC制定的范式指导下开展。2)宏观与微观尺度研究成果日益丰富。IPCC倡导和组织的全球政府碳排放量核算与报告工作,极大促进了宏观碳排放领域的研究,有关全球、大陆和国家尺度的碳排放数量和预测、碳减排计算、碳循环模式等方面的知识已被人们越来越多地了解;由各国独立研究机构开展的微观尺度碳源碳汇调查、人类日常行为碳排放等工作成果也日益丰富。3)与其他学科的结合、发展趋势良好。目前,碳排放领域的研究已经充分学习和吸纳了物理学、化学、数理统计、地理学、生态学等学科的研究方法和思路,日益成为一项综合性的复杂研究体系;其研究成果也因此更加具有综合指导意义和实践意义。4)与城市问题紧密结合、派生新的学术增长点。城市是人类生产生活集中的场所,城市化是经济发展最主要的地理表现之一。随着环境问题的日益突显,城市环境问题因其危害的严重性、曝光的及时性、广泛的关注性而受到各方重视。作为大气主要碳源的化石燃料燃烧和土地利用变化过程,也大多集中在城市化高度完善或迅速进行的地区,因此碳排放研究将城市作为一个重点。目前已经形成了包括城市碳循环、城市碳管理等新的研究方向和学术增长点,成为发展城市理论、指导城市实践的重要力量。4.2碳排放和碳循环随着近年来经济迅猛发展,中国碳排放量与日俱增,总量已达世界第一。在政府的推动和倡导下,中国学术界碳排放研究成果颇丰,专门的研究机构、研究人员和文献数量显著增加。2003年以来被ElsevierScience英文期刊数据库收录的中国学者关于“碳排放”“碳循环”的研究成果100余篇,且呈逐年增加趋势。利用中国期刊全文数据库(/)以“碳排放”和“碳循环”为关键词,对1998年以来的文献进行了检索。可以看出:目前对中国碳排放的历史演变过程、区域差异特点、主要影响因素,及生态系统碳排放与碳循环的模式、特点、数量等问题进行了研究(表3)。5碳排放清单及模型国际碳排放研究已基本形成以IPCC为主导,各国政府和科学组织踊跃参与的局面,并已经从单纯的科学问题上升为政治问题。IPCC报告中归纳出囊括4种主要排放源的碳排放清单,以及3种估算碳排放的模型方法。这些清单及方法在不同地域尺度单元中得到广泛应用和发展,并在城市尺度派生出新的学科增长点。中国科学界在该领域作出了一些贡献,形成了适合本国国情的碳排放核算清单,并在一些方面取得进步。5.1碳排放源边界难以界定,核算方法缺乏科学性迄今为止,以IPCC为主导、各国政府广泛参与、各独立研究机构和非政府组织普遍关注的碳排放研究取得很大进展,短短10余年时间已经发展成为一个范式清晰、方法成熟、使用范围广泛、与时代紧密结合的研究领域。但总体说来,还存在以下2点不足:1)尺度关注不均衡,中观尺度研究较少。由于城市、住区尺度的碳排放估算过程中面临2个主要