基于全生命周期的煤炭碳排放清单计算与不确定性分析

高俊莲 徐向阳 郑凤琴 霍 冉

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学(北京)管理学院，北京市海淀区，100083；3. 中国矿业大学(北京)资源与环境政策研究中心，北京市海淀区，100083)



基于全生命周期的煤炭碳排放清单计算与不确定性分析

高俊莲1,3徐向阳2，3郑凤琴2，3霍 冉2，3

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学(北京)管理学院，北京市海淀区，100083；3. 中国矿业大学(北京)资源与环境政策研究中心，北京市海淀区，100083)

2017年全国将启动统一碳市场，对温室气体排放清单的研究能为温室气体排放趋势分析、重要不确定性源的识别、份额的分配和减排方案的设计提供现实依据和技术支持。煤炭作为我国温室气体排放主要贡献者，对其进行相关研究具有重要现实意义。但目前国内外缺少对行业排放清单的研究，尤其是煤炭全生命周期的研究。根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中温室气体排放的核算方法，运用蒙特卡罗模拟，计算了煤炭生命周期各环节的碳排放及其生命周期排放清单，并对温室气体排放的不确定性进行分析。在结果分析的基础上，对煤炭全生命周期中各个环节提出相关建议。

碳排放清单 蒙托卡罗模拟 不确定性

化石能源由于燃烧过程带来的大量二氧化碳排放，成为了气候变化领域讨论的焦点。根据国际能源展望2016(IEO2016)的参考情景，全球能源相关的二氧化碳排放在2012年为323亿t，2020年及2040年将分别会提高到356亿t和432亿t。最近几十年以来，化石燃料燃烧贡献了二氧化碳排放总量的90%。煤炭作为碳排放强度最高的化石燃料，在2012年占我国化石燃料二氧化碳排放总量的四分之三，2014年煤炭消费无增长的情况下，我国二氧化碳排放相比2013年仅仅增长了0.9%，年均增长达到近十年最低值。以上说明了煤炭在我国二氧化碳排放清单中的主要贡献，对煤炭相关领域的碳排放进行研究，对我国应对气候变化、减少碳排放等具有重要意义。

目前我国关于温室气体排放清单的相关研究比较多，但尚未出版每年的碳排放估算清单，而且研究大多集中在城市层面，对分行业的温室气体排放研究较少。师华定等的研究提出了我国电力行业温室气体清单编制方法的基本原则，建立符合我国国情的电力行业温室气体清单编制方法体系框架；郑爽在研究中提出了煤层甲烷类温室气体排放清单的编制方法。目前基于生命周期对我国煤炭行业的温室气体排放清单的研究较为缺乏，根据公开文献来看，在排放清单的不确定性上也涉及很少。清单的不确定性分析是完整温室清单的基本组成之一，也是清单数据正确性和完整性的保证。基于此，为了系统全面地估算煤炭产业链温室气体排放，本文建立了基于煤炭全生命周期碳排放清单，并运用蒙特卡罗模拟的方法对其不确定性进行了分析。

1 研究方法

本文在核算煤炭行业温室气体及对计算结果进行不确定性分析时，主要参考的是《IPCC国家温室气体清单编制指南》和《IPCC国家温室气体清单优良做法指南和不确定性管理》中的“排放因子乘以活动水平数据”的计算方法，并对其进行蒙托卡罗模拟计算。该指南体系已被许多国家采用，是一套相对完整的温室气体排放理论、排放量估算方法及流程。

2 我国煤炭行业温室气体排放清单研究

煤炭的全生命周期为开采、洗选、运输、转化和利用。根据碳元素守恒，考虑到数据的可获取性，本文以2011年为例，通过计算煤炭开采、运输和利用过程的温室气体排放，估算了煤炭整个生命周期的温室气体排放清单，并对该温室气体排放清单的不确定性进行了分析，以期可以使我国煤炭行业温室气体排放清单数据更加准确，能为其他行业温室气体排放清单的编制以及不确定性分析提供借鉴意义，并能为温室气体排放趋势分析、重要不确定性源的识别、排放的总量控制、份额的分配和减排方案的设计提供现实依据和技术支持。

2.1 煤炭开采环节的温室气体排放

煤炭形成的地质过程会产生甲烷排放，直到在煤炭开采中一些残留在煤层中的瓦斯被释放出来。2011年我国煤炭开采量为38.88亿t，其中井工开采量为25.45亿t，露天开采量为13.43亿t。《IPCC国家温室气体清单优良做法指南和不确定性管理》规定，煤炭产量登记吨位有5%的误差，因此将井工开采量和露天开采量设置为三角分布，以开采量+5%为最大值，开采量-5%为最小值，查到的开采量为最可能值。井工开采的高、中、低瓦斯矿全球平均的甲烷排放系数分别为16.75 kg/t、12.06 kg/t和6.7 kg/t。露天开采的高、中、低瓦斯矿全球平均的甲烷排放系数分别为2.0 kg/t、1.2 kg/t和0.3 kg/t。其排放相关参数如表1所示，将其分别设置为三角分布。

煤炭开采环节甲烷的总排放量计算公式为：

(1)

式中：Ai——第i种开采方式的活动水平；

EFi——第i种运输方式的排放因子；

GWP——温室气体的全球增温潜势，其中二氧化碳的全球增温潜势值为1，甲烷的全球增温潜势值为21，一氧化二氮的全球增温潜势值为275。

利用Crystal Ball软件进行4000次蒙托卡罗仿真计算可得到煤炭开采环节甲烷的总排放量为8526.67万t，95%的置信区间为(4783.05, 12502.50)。

表1 煤炭开采环节甲烷排放相关参数

2.2 煤炭运输环节的温室气体排放

我国煤炭的运输主要依靠铁路、公路和水路。在我国铁路煤炭运输中，铁路机车主要有内燃机车和电力机车，分别消耗燃料油和电力。电力是二次能源消耗，因此计算中只考虑内燃机车，其燃油基本以柴油为主。公路煤炭运输中，一般用20 t及以上中重型卡车进行运输，几乎100%为柴油车。煤炭水路运输，从游艇到大型远洋货船，也主要是由柴油发动机驱动。

2011年我国铁路运煤量为22.7亿t，铁路煤炭平均运距为645 km，因此，铁路煤炭的周转量为14643.177亿t·km，其中，内燃机车占53.6%，电力机车占46.4%，由此得出，内燃机车煤炭周转量为7848.74亿t·km。铁路运输中内燃机车耗油26.8 kg/万t·km，所以铁路运输消耗柴油量为2103463.10 t。2011年我国煤炭公路货运量为3.5亿t，公路煤炭平均运距为250 km，因此，公路煤炭的周转量为875亿t·km。公路运输耗油量600 kg/万t·km，所以公路运输消耗柴油量为525万t。2011年我国煤炭水路货运量为6.5亿t，水路煤炭平均运距为1768.75 km，因此，水路煤炭的周转量为11496.88亿t·km。水路运输耗油量21.5 kg/万t·km，所以水路运输消耗柴油量为247.18万t。各种温室气体的排放因子采用IPCC(2006)中的缺省值，如表2所示。

表2 煤炭运输环节活动水平和排放因子参数

根据IPCC(2007)的推荐，煤炭运输环节耗油甲烷排放量的计算公式为：

(2)

式中：E——煤炭温室气体排放量；

Ai——第i种燃料的活动水平；

EFij——第i种燃料第j种温室气体的排放因子；

GWPij——第i种燃料第j种温室气体的全球增温潜势。

利用Crystal Ball软件进行4000次蒙托卡罗模拟可得到煤炭运输环节的温室气体排放量，结果如表3所示。

2.3 煤炭利用环节的温室气体排放

在煤炭温室气体排放清单中，煤炭燃烧是温室气体的主要来源，根据排放因子的可获得性，煤炭消费环节的温室气体排放核算过程中采用了《IPCC国家温室气体清单编制指南》推荐的参考方法和国家统计局公布的最新排放系数。将统计年鉴提供的数据作为三角分布中的最可能值，+5%上限值作为最大值，-5%下限值作为最小值。煤炭各活动水平数据如表4所示。

表3 煤炭运输环节各种温室气体排放当量值 万t

表4 2011年我国煤炭消费数据的三角分布 万t

根据IPCC(2006)建议，本文温室气体排放因子采用中国工程院所提供的排放因子作为计算的依据，具体数据如表5所示。

表5 煤炭各排放因子 kg/t

煤炭利用环节温室气体排放总量的计算公式为：

(3)

式中：E——煤炭温室气体排放量；

Ai——第i种煤的活动水平；

EFij——第i种煤第j种温室气体的排放因子；

GWPij——第i种煤第j种温室气体的全球增温潜势。

利用Crystal Ball软件进行4000次仿真计算可得到煤炭消费环节的温室气体排放量，结果如表6所示。

表6 煤炭消费环节各种温室气体排放当量值 万t

2.4 煤炭行业温室气体排放总量

我国煤炭行业温室气体排放总量等于煤炭开采环节、煤炭运输环节和煤炭利用环节所产生的温室气体总和，具体结果如图1所示。

图1 煤炭行业温室气体总排放量模拟频率视图

由上述模拟结果可以看出，2011年我国煤炭行业温室气体总排放量为1367186.72万t，95%的置信区间为(1297537.98，1433468.58)。

3 不确定性分析

不确定性估算是一个完整排放清单的基本要素之一。在清单编制过程中，活动水平的确定及排放因子的测算等存在着诸多不确定因素，通过进行不确定性分析可以为确定未来改进清单准确性的优先努力方向提供帮助并指导有关方法学选择的决策。IPCC制定的《国家温室气体清单优良做法指南和不确定性管理》统一了各国编制清单中对不确定性量化的方法。

本文利用Bootstrap方法，对各源类别温室气体排放量的不确定性进行了分析。在对每组模型输入自展抽样时，抽样分布为代表该源类别模型输入的概率分布模型。每次抽取4000个随机样本，计算其平均值。重复4000次，得到4000个代表该模型输入的平均值，这4000个平均值描述了该模型输入(排放因子和活动水平)的不确定性分布。不确定性上限为(97.5分位数-平均值)/平均值×100%，下限为(2.5分位数-平均值)/平均值×100%，其结果如表7所示。

由表7可知，煤炭开采环节温室气体清单的不确定性较大，其绝对值大于40%，主要原因是输入排放因子的不确定性较大及活动水平的不确定性，其传播至开采环节的温室气体总排放量，导致该环节的温室气体清单不确定性偏大。

虽然煤炭运输环节的甲烷和氧化亚氮排放量的不确定性很大，但煤炭运输环节温室气体总排放量的不确定性较低，主要是因为煤炭运输环节甲烷与氧化亚氮的排放量较小，对总体的不确定性影响较小。

由该计算结果可知，我国2011年煤炭温室气体排放清单总的不确定性为(-5.09%,4.85%)，不确定性较低，表明该煤炭温室气体清单可较准确地反映我国2011年煤炭温室气体排放情况。

表7 煤炭温室气体排放不确定性分析

4 结语

本文研究的煤炭温室气体排放清单，是指一定时期内(通常为一年)记录和报告一国范围内因煤炭开采、运输和利用环节而产生的二氧化碳、甲烷和氮氧化物排放的详细列表。以2011年我国煤炭开采、运输和利用等环节的数据为基础，利用蒙特卡罗技术编制了我国煤炭温室气体排放清单，并进行了不确定性分析。

(1)矿井瓦斯的排放和煤层气开采是造成采选环节温室效应气体排放的最主要原因。提高矿井瓦斯综合利用率是减少温室效应气体排放的主要途径，严格控制高瓦斯矿井、瓦斯突出矿井煤炭生产，不仅是实现煤炭去产能的重要手段，更有助于减少煤炭开发的碳排放。

(2)在煤炭清单编制过程中，煤炭开采环节温室气体排放的不确定性范围为(-43.90，46.63)，煤炭运输环节温室气体排放的不确定性范围(-6.96,7.38)，煤炭利用环节温室气体排放的不确定性范围(-5.21,4.87)，说明煤炭开采环节的不确定性较高，主要来源于排放因子和活动水平的不确定，加强对煤炭开采环节温室气体数据的收集是增强排放清单准确性的关键。

(3)煤炭的利用环节是煤炭全生命周期中温室气体排放最大的环节，占整个生命周期的99%，煤炭利用过程中不同的煤种意味着碳排放水平不同。因此，应提高对优质煤的开发利用，提高利用过程中煤炭使用效率。

(4)考虑到数据的可获得性，在煤炭开采环节未能考虑由于煤炭开采后复垦带来的土地利用变化引起的碳排放量变化，主要体现在森林和其他木质生物质生物量碳贮量变化，今后应加强对煤炭开采过程中土地利用变化带来的温室气体效应的计算和统计。

[1] Bala G. Digesting 400 ppm for global mean CO2concentration[J]. Current Science, 2013(11)

[2] 郑爽.我国煤层甲烷类温室气体排放及清单编制[J].中国煤炭，2002(5)

[3] 王小辉，陈报章，张慧芳.省级碳清单不确定性分析——基于陕西省2000-2012年碳排放测算[J].干旱区资源与环境，2015(7)

[4] 孙振清，汪国军，陈亚男.基于能源平衡表的碳排放清单核算不确定性分析[J].生态经济(中文版)，2015(7)

[5] 王雅捷，何永.基于碳排放清单编制的低碳城市规划技术方法研究[J].中国人口·资源与环境，2015(6)

[6] 师华定，齐永青，梁海超等.电力行业温室气体排放核算方法体系研究[J].气候变化研究进展，2010(1)

[7] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2011[M].北京：中国统计出版社，2012

[8] 铁道部统计中心.中华人民共和国铁道部2011年铁道统计公报[J].中国铁路，2012(4)

(责任编辑 宋潇潇)

Coal carbon emission inventory calculation and uncertainties analysis based on lifecycle analysis

Gao Junlian1,3, Xu Xiangyang2,3, Zheng Fengqin2,3, Huo Ran2,3

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. School of Management, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;3. Resources and Environment Policy Research Center, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

China will launch a unified national carbon market in 2017, GHG emissions inventory for greenhouse gas emissions trends analysis, identification of important carbon sources of uncertainty, share distribution and emission reduction program design play important roles in providing realistic basis and technical support. As one of the main contributors of greenhouse gas emissions, coal has important practical significance for its research. However, there is lack of research on industrial emission inventories, especially based on the whole coal lifecycle. Based on the method of accounting for greenhouse gas emissions in the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Monte Carlo simulation was used to calculate the carbon emission in each phase of coal lifecycle and analyze uncertainties of the greenhouse gas emission. Based on the analysis of results, this paper puts forward some suggestions on the whole lifecycle of coal.

carbon emission inventory, Monte Carlo method, uncertainty

高俊莲，徐向阳，郑凤琴等.基于全生命周期的煤炭碳排放清单计算与不确定性分析[J].中国煤炭，2017，43(6):22-26. Gao Junlian，Xu Xiangyang，Zheng Fengqin，et al. Coal carbon emission inventory calculation and uncertainties analysis based on lifecycle analysis [J].China Coal，2017，43(6): 22-26.

TD-9

A

高俊莲(1985-)，女，博士，中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院博士后，资源与环境政策研究中心技术负责人，主要从事能源系统建模研究。