中国油气行业甲烷排放估算与减排分析！

0　引言

甲烷是一种短寿命温室气体，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第6 次评估报告（Sixth Assessment Report，AR6）指出，甲烷在20 年尺度上的升温潜势约为二氧化碳的80.8 倍，在100 年尺度上约为二氧化碳的27.2 倍^[1]。2022 年，全球能源行业排放甲烷1.35×10⁸ t，其中石油天然气行业排放量占三分之一^[2]。中国甲烷排放量从2005 年的113×10⁴ t 增长到2014 年的5 530×10⁴ t，同期油气行业甲烷排放量占比保持同步增长趋势^[3]。2021 年，在第二十六届联合国气候变化框架公约缔约方会议（COP26）上， 包括美国、欧盟成员国等在内的100 多个国家共同签署了“全球甲烷承诺（Global Methane Pledge）”， 承诺至2030 年人为甲烷排放量相比2020 年降低30%^[4]。中国在2021 年提交的国家自主贡献文件中， 首次明确了能源领域甲烷减排的方向，同期国务院发布的《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书， 首次提到成立“中国油气企业甲烷控排联盟，推进全产业链甲烷控排行动”，标志着中国由2015 年之前的鼓励能源领域煤矿瓦斯、放空天然气、伴生气回收利用， 进入到了开展全产业链甲烷管控的新阶段^[5-6]。

甲烷排放量的准确评估与中长期减排技术的应用规模对于行业实现甲烷管控目标至关重要。随着近年来国际油气行业对甲烷排放管控逐渐重视，新的行业数据核算体系、甲烷排放监测技术体系相继发布，国内外能源公司也相继制订了中长期甲烷排放强度（油气生产过程甲烷排放总量与生产商品天然气量的比值）的目标^[7]。中国对油气行业甲烷排放量估算的相关研究多集中在对历史年份基线排放量测算方面，如采用《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南》缺省值和部分实际可得排放因子及油气活动数据^[8-13]， 对1980—2020 年中国油气行业甲烷排放量进行分析对比等，而针对行业中长期减排技术发展及应用的温室气体排放量预测则较少。国际上多采用固定排放因子和部分年度更新排放因子与活动水平相乘的核算方法。美国国家环境保护局 （U.S. Environmental Protection Agency ，U.S. EPA） 发布《美国温室气体报告计划》（Greenhouse Gas Reporting Program，GHGRP）要求油气生产企业上报企业级温室气体排放量数据并每年更新，再按照《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》编制每年国家温室气体清单指南（GHGI）^[14]。加拿大按照《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》第三层级（Tier 3）编制国家清单，采用自下而上设施级别排放因子的核算结果能更好地反映国家实际甲烷排放情况^[15]。相较于国外，中国油气行业甲烷排放清单体系还有待完善，估算结果存在较大不确定性。

针对甲烷减排成本的测算对于制定切实可靠的中长期控排目标至关重要。国际能源署（International Energy Agency，IEA）针对中国甲烷减排成本的估算结果表明，中国油气行业72%的减排技术具有负效益^[2]。由于相关估算基于全球甲烷减排技术成本及碳税等开展，与中国实际存在一定偏差。为此，拟通过估算中国中长期甲烷排放量变化趋势，结合甲烷减排技术开发、应用、迭代更新等信息，分析减排目标下技术减排潜力和减排成本，以期为中国油气行业甲烷减排技术实施、研发，以及减排财税政策制定提供参考。

1 　基于时间框架的甲烷排放量

1.1 　甲烷排放量估算方法

针对行业甲烷排放量的估算是开展减排潜力评估的基础。《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》是相关研究中使用较为广泛的一类方法，该指南提供了 3 种估算方式^[16] ：①采用适用于全球的平均排放因子和特定国家的能源活动水平进行核算；②采用特定国家的排放因子和活动水平估算排放量；③基于自下而上的方法检测和监测数据。中国国家温室气体清单在石油天然气逃逸排放类别采用了清单中本国特定排放因子与指南中缺省排放因子结合，即方法1 与方法3 结合的方式核算， 但仅有的行业甲烷排放总量数据并不能区分不同排放环节，也无法针对各排放环节开展甲烷减排潜力评估^[15]。

由于中国油气行业尚未开展大规模的排放检测和监测，实测数据仍较为缺乏^[17]，基于数据的可获取性、一致性与可靠性等考量，研究采用《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》层级1（Tier 1） 方法开展时间框架内中国石油系统勘探、生产、炼制和储运环节及天然气系统勘探、生产、处理、储运和分销环节的甲烷排放量估算，基于《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》方法1 两种情景排放因子和中国统计活动水平^[18]，估算2000— 2020 年中国油气行业甲烷排放量（石油系统与天然气系统甲烷排放量之和）；参考中国中长期（2021— 2050 年）油气生产预测水平^[19]，2021—2050 年油气行业甲烷排放量，并采用内插法得到2050—2060 年油气活动数据。针对各环节的排放量计算方法如下：

针对各环节中逸散源、放空源和火炬不完全燃烧^[20]3 类排放源，主要参考油气田企业现场资料调查与文献数据确定边远井和井组、含烃和含硫伴生气占比等内容^[21-26]。

1.2 　2000—2020 年历史甲烷排放量回溯

当前已有研究主要针对2000—2020 年间的行业甲烷排放量进行估算，而国家温室气体清单数据公布年份有限且缺乏连续性。因此，本研究首先基于式（1）～（2）开展同一时段的排放量回溯，以验证针对排放源、活动水平、油气资源比例等数据取值开展计算的准确性。通过使用高、低两类排放因子进行历史排放量回溯，分别得到高、低两种情景下的排放量水平，并与已有研究估算的中国油气行业甲烷排放量，以及国家温室气体清单数据进行对比，初步验证采用《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》进行排放量测算的可靠性（图1）。2000— 2015 年，石油系统甲烷排放量持续上升，自2015 年之后排放量下降。2000—2015 年生产环节甲烷排放量占产业链排放总量保持在90% 以上，2015 年中国石油系统甲烷排放总量约为82×10⁴ t，2018 年之后出现下降并稳定保持在约73×10⁴ t 水平。2000—2020 年期间， 天然气系统甲烷排放量随产量增加从32×10⁴ t 上升至2020 年的296×10⁴ t，年均增速约11.3%。

从各环节占比来看，在高排放量情景下，生产、运输和分配环节占比较大，低排放量情境下分销和运输环节占比降低，表明该环节有较大的减排潜力。总体而言，研究形成的2000—2020 年甲烷排放量结果与其他相关研究保持了一致，主要区别在于油气生产链环节的纳入、排放因子的选择等^{[8-9,11-12,27-28]}。本研究同之前已有的回溯研究相比，纳入了石油勘探开发、石油运输与炼制、天然气储存、天然气输配等环节，覆盖的油气产业链环节更为完整；针对逸散、放空等排放源占比，在已有公开数据基础上， 结合企业调研的排放量实际情况进行了调整。由于高、低排放情景覆盖了较宽的数据区间，如2010 年、2020 年针对天然气系统的甲烷排放估算差异分别达到76.5×10⁴ t 和204.5×10⁴ t，而高、低排放情景的平均值更接近已有其他研究结果。因此，后续讨论中主要采用高、低排放情景下的平均值进行比较分析。

1.3 　2021—2060 年甲烷排放量估算

由于尚无2021 年后的行业甲烷排放量估算相关研究，为保证时间序列的延续性，在1.2 节对计算方法与取值等进行可靠性验证的基础上，以中国石油经济技术研究院^[19]2020—2050 年中国油气产量、消费量和进出口量等预测数据为基础，通过内插后估算至2060 年的高、低排放量情境下石油、天然气系统甲烷排放量，并取其平均值（图2）。

2021—2030 年，石油系统甲烷排放量（图2-a） 略有增加，2030 年中国石油行业的甲烷逃逸排放总量为78.98×10⁴ t，比2020 年多排放4.45×10⁴ t， 2030—2040 年甲烷排放量略有减少，之后20 年石油系统甲烷排放量稳步下降，2060 年相比于2030 年下降了15.4×10⁴ t，达到63.54×10⁴ t，其中生产环节是石油系统甲烷排放量最大的环节。天然气系统甲烷排放量（图2-b）不断增加，2020—2030 年甲烷排放量增长较快，每年增长约16.5×10⁴ t，2030—2045 年甲烷排放量增长较慢，2045—2060 年每年增长约4×10⁴ t，是2020—2030 年年均增长率的24%。中国要在2060 年实现石油与天然气系统的控排目标，总体甲烷减排潜力需超过80%。

2 　甲烷减排潜力估算

2.1 　边际减排成本计算方法

边际减排成本（Marginal Abatement Cost， 简称 MAC）曲线作为综合减排潜力评估的一种有效手段^[29]，在电力行业^[30]、建筑业^[31] 和工业^[32] 领域的二氧化碳减排预测中得到了一定应用。在油气行业， 主要通过建立甲烷边际减排成本曲线来反映排放量和减排成本之间的关系^[33]。

2019 年美国国家环境保护局对美国油气行业甲烷减排技术的效率变化开展了分析^[34]，笔者主要参考该方法学文件，并结合了减排技术整个使用寿命内的总成本和效益、税率和折扣率对单位成本带来的影响，预测单项甲烷减排技术进步因子和成本因子， 动态地研究油气行业技术减排潜力和成本变化。通过文献研究和油气企业调研整理中国油气行业甲烷排放及减排技术，基于中国现有甲烷减排技术研发及应用情况对不同年份的（如2030 年、2060 年）技术因子、成本因子参数进行了调整，综合得到排放源比例和减排技术投资成本、回收量、减排收益和技术寿命等信息，代入成本效益模型公式估算得到甲烷减排技术单位成本。减排技术总成本和盈亏平衡价格计算方式为：

表1 　模型公式参数取值表

2.2 　假设及边界条件

假设2030 年中国油气行业甲烷技术实施率达100%，即全部甲烷减排技术均得到了应用，40 年内天然气和劳动力价格不发生较大变化，并且不考虑通货膨胀因素影响。由于生产设备腐蚀、损坏，或天然气组成、生产条件发生改变，甲烷排放量和油气生产、消耗等活动量可能不是严格线性相关的，减排技术的持续进步将进一步增强非线性特点。在甲烷减排技术方面，一般可根据成熟度分为新兴技术和成熟技术， 针对单一排放源，技术实现的减排量与排放量之比小于80% 的定义为新兴技术，减排量与排放量之比大于等于80% 的定义为成熟技术。为了动态化地研究中国油气行业甲烷减排成本和潜力变化，假设在2040 年和2050 年成熟技术和新兴技术成本和技术开始产生动态变化，对成本因子、技术因子进行分类（表2）。

表2 　中长期（2030—2060 年）甲烷减排技术

发展水平取值表

2.3 　甲烷排放源及减排技术

对各类排放源及对应甲烷减排技术进行梳理， 针对石油勘探、生产、炼制、储运，以及天然气勘探、生产、输配、储运等不同生产环节，以及排放气量大小、气质组分差异等条件，共计有48 类甲烷减排技术，如表3 所示。

表3　甲烷排放源类别及对应减排技术表（续）

2.4 　边际减排成本分析

通过计算得出各项减排技术实施后产生的减排贡献率（表4），即该项技术应用后产生的甲烷年减排量占全年总排放量比例。进而可以计算出当年减排潜力，即各项减排率之和。从2030 年中国油气行业高、低排放量情境下甲烷平均减排成本来看，平均减排潜力为78.223%，有21.8% 的减排量能够带来收益。各技术实施后的平均每立方米甲烷的减排成本为22.33 元，等同于每吨二氧化碳当量的减排成本为1 184.39 元，能够带来收益的技术主要有压力安全阀的测试和维修、轻烃回收—燃气发电技术、火炬气回收技术、增压站的定向检查和维护、放空气CNG 回收利用技术等。

2060 年，在高低两种排放量情境下，全部减排技术实施后的平均减排潜力为90.808%，具有正收益的减排潜力为44.4%，较2030 年增加了1 倍左右。平均减排成本大幅度降低至每立方米甲烷14.57 元，等同于减排每吨二氧化碳成本为773.62 元。相比2030 年，具有负效益的减排技术增加了火炬气回收技术和储罐轻烃回收技术等。在全产业链实施泄漏检测与修复技术需要较高的投入才能够实现减排， 主要有两方面原因：①针对油气开采等环节的甲烷泄漏检测在国内处于初步开展阶段，在市场单个动静密封点定价等方面仍存在较大差异，油气处理场站相比炼油化工装置在动静密封点上要少很多，现场实测过程泄漏点位相对较少，导致收费较高情况；②中国油气生产设施在分布上较为分散，部分单井距离处理场站较远，导致泄漏检测修复需要投入较多的人力物力。鉴于无组织排放在推动油气生产甲烷排放强度持续降低过程中的重要性，开发新一代的低成本泄漏检测与量化技术至关重要。国际能源署（IEA）使用全球能源和气候模型形成各行业温室气体减排边际成本曲线^[61-62]，得出的中国油气行业具有成本效益的技术减排潜力占总减排量的72% 的结论，是由于该结论是基于美国油气行业的排放源分类、减排技术按比例进行计算的，因此并不能够反映中国实际。

本研究在估算甲烷减排成本和效益方面存在的误差主要包括：①由于甲烷减排在中国尚未形成规模化的产业，因此对于从事相关减排技术现场应用的企业调研存在样本量不足；②针对甲烷排放量的分布环节受当前场站级核算水平所限，在排放源的细分上参考了企业调研实际情况，可能存在偏差；③在中长期甲烷减排成本预测方面，针对减排技术的规模化应用、新兴技术的研发等，估算相对保守。

3 　结论与建议

笔者基于中国油气行业实际，从中长期甲烷排放量预测、甲烷减排技术应用及减排效益分析等角度开展了相关讨论，以期为推动中国油气行业甲烷排放管控工作提供借鉴。由于减排技术企业调研样本数量有限，加之针对石油系统与天然气系统甲烷排放量预测、井口天然气价格、技术迭代更新因子方面进行了假设，模型结果仍存在一定的不确定性。但在当前行业全面启动甲烷控排的背景下，本研究能够为实施减排的重点领域，以及减排的潜在支出等提供有益参考。针对行业下一步甲烷排放管控需要开展的工作，主要有以下建议：

1）甲烷核算精度需持续提升。在现有场站级甲烷排放量核算数据基础上，建议尽快推动建立组件级甲烷排放量核算方法学，实现指导企业开展针对性减排以及提高核算数据水平的双重效益。

2）鼓励利用传感器、车载、无人机等多种检测手段开展甲烷排放量的核查工作，持续推动改进数据核算边界、数据核查方法。

3）在核算数据趋近准确、反映排放量实际的基础上，针对无组织排放等典型甲烷排放源开展技术应用、示范与推广应用，同时加大新一代泄漏检测技术、甲烷/VOCs 协同资源化技术等攻关，有效推动油气行业向超低甲烷排放强度方向持续发展。

4）在行业积极推动甲烷管控、开展甲烷减排行动的基础上，通过绿色金融、中国碳减排核证方法学开发等多种方式，持续提升行业甲烷减排积极性。