文献阅读 | 全球向中国供应天然气的碳足迹

题目

Carbon footprint of global natural gas supplies to China

作者

Yu Gan, Hassan M. El-Houjeiri, Alhassan Badahdah, Zifeng Lu1, Hao Cai, Steven Przesmitzki &Michael Wang

期刊

Nature Communications

时间

2020年

一作

单位

Systems Assessment Center, Energy Systems Division, Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA.

链接

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14606-4

研究内容

几十年来，煤炭一直是我国最主要的能源来源。然而，近年来随着人们对空气污染关注度的不断增加，为提高空气质量、我国已经实施了强有力的“煤改气”政策，因此天然气也成为近几年来增长最快的化石能源。2017年，我国天然气供应达到历史最高水平2350亿标准立方米(bscm)，较2016年水平大幅增长17%。根据我国的能源规划，这一趋势将继续下去，规划指出到2030年，天然气在能源结构中的比例预计将从2016年的6%左右增长到15%。

我国承诺“到2030年将碳强度在2005年的基础上降低60-65%”。虽然用天然气替代煤炭被认为可以减少碳排放，但其有效性受到天然气生命周期排放不确定的影响。“气井到城市大门”（well-to-city-gate）排放之间的差异是天然气生命周期排放变化的主要原因，也为煤和气的气候效益对比引入了不确定性。考虑到各个气田的异质性，需要进行基于工程的分析，以确定排放差异的潜在驱动因素。本文分析104个产气地（约占2016年中国供气的96%）气体供给的“气井到城市大门”的温室气体强度。考虑到各气田目前和预期的份额，建立2016和2030年我国天然气的温室气体强度供给曲线。

研究发现

各气田天然气供给的温室气体强度。104个产气地气体供给的“气井到城市大门”的温室气体强度如图1所示。供应分为四类:国内常规气、国内非常规气、国际管道气、海外液化天然气。国内常规气具有最低的供能加权平均（supply-energy-weighted average）温室气体强度15.5 g CO2eq/MJ，但具有最大的类内异质性；国际管道气具有最高的平均强度35.9 g CO2eq/MJ。

图1  各产气地向中国供给天然气的“气井到城市大门” （well-to-city-gate）的温室气体强度(GWP100)

国内常规气。34个国内传统气田的“气井到城市大门”的温室气体强度为6.2~38.9 g CO2eq/MJ，差异主要源于气体输送和处理过程。气体输送排放为1.3~18.1 g CO2eq/MJ，主要取决于每个油田的输送距离。在中国，天然气的主要产地在西部，而需求主要来自东部沿海的大都市地区。这种需求和供应的不平衡的空间分布导致了世界上最长的管道之一，西气东输管道，长约4000千米。位于西部边境地区的迪纳和克拉等气田是西气东输的主要来源，因此它们的温室气体排放是最高的。与气体处理相关的温室气体排放源于酸性气体分离、脱水和天然气与液体分离过程中的燃料消耗和散逸活动。原料气（如二氧化碳、硫化氢等）中杂质含量越高，气体处理需要越多的能源消耗。特别是作为温室气体的二氧化碳含量，在分离后排放，进一步增加了排放。例如，东方和乐东气田具有较高的温室气体强度，主要是由于较高的CO2含量（>20 vol%）。

国内非常规气。本文包括25个国内非传统气田，覆盖多种类型：煤层甲烷、致密地层天然气和页岩气。与国内常规气相比，非常规气具有更高的供能加权平均温室气体强度21.4 g CO2eq/MJ，主要是由于开采相关的排放引起的。中国页岩气、致密地层天然气和煤层甲烷的平均开采相关的排放分别为19.1、14.7和9.0 g CO2eq/ MJ，这明显高于常规气（4.8 g CO2eq/MJ）。与常规气相比，额外的排放来自水平钻井和水力压裂从低渗透岩层中提取致密气和页岩气的能源消费以及完井和修井相关过程的散逸排放。在所有类型的温室气体中（例如，CO2、CH4、N2O），甲烷泄漏约占致密气和页岩气开采相关排放的50-70%。类似于国内常规气田，由于每个气田的原始气体成分和传输距离不同，输送和处理过程的排放具有较大差异。

国际管道气。八个国际管道气源的平均温室气体强度为11.8 ~ 41.5 g CO2eq /MJ，供能加权平均值为35.9 g CO2eq/MJ（2016），在四种供应类型中是最高的。由于输送距离极长，与输送相关的排放增加了国际管道气体的总排放。甲烷泄露约占输送相关排放的50%。管道泄漏率是计算输送相关排放的关键因素，但该参数的估计存在较大的不确定性。

海外液化天然气。37个液化天然气源的温室气体强度为17.2 ~ 43.3 g CO2eq /MJ。开采相关排放的差异来源于不同的开采技术（常规、水平钻井和水力压裂）和生产特点。在所有的液化天然气源中，卡塔尔北部具有最低的温室气体开采强度（3.9 g CO2eq/MJ），美国中北部页岩气的开采排放是最高的（19.7 g CO2eq/MJ）。天然气处理的排放主要取决于原始气体的组成。澳大利亚的Gorgon气田的平均CO2含量是最高的（~15 vol%），因此也具有最高的处理相关的排放量（12.5 g CO2eq/MJ）。

液化天然气的管道输送包括两个部分:从气田到液化天然气工厂的输送和从液化天然气接收站到城门站或其他终端使用终端的输送。由于后一部分假设对中国境内的所有液化天然气供应都是一样的，因此传输排放的差异完全取决于前一部分。美国Sabine Pass液化天然气具有最长的输送距离，因为它收集来自落基山脉东部广大地区的各气田的天然气。

液化排放约为4.1~7.6 g CO2eq/MJ，环境温度是造成这种差异的关键因素。挪威的Snohvit液化天然气工厂是天然气液化排放水平最低的，因为其环境温度较低，有利于低温处理和提高能源效率。液化天然气的海运排放取决于到中国的距离。美国Sabine Pass液化天然气到中国（距离约为18000千米）的海运是世界上最长的海运液化天然气之一，来自亚洲太平洋地区的液化天然气的运输距离较短，更有利于减排。

温室气体强度供给曲线和供给地图。基于对104个气田的温室气体强度估计和2016年能源供给，画出2016年供给中国的天然气的温室气体强度供给曲线，如图2。图3是气源所在地及其对应的“气井到城市大门”的温室气体强度。2016年的供能加权平均温室气体强度为21.7 g CO2eq/MJ，统计百分位（5%、25%、50%、75%和95%）数值分别为6.6、17.2、19.4、28.7和41.5 g CO2eq/MJ。苏里格(Sulige)是一个国内致密气田，与陕京输气管道相连，为北京提供天然气，在所有气田供给量中的份额最大（11%），具有低于中位数的温室气体排放强度（17.3 g CO2eq/MJ）。Galkynysh和Bagtiyarlyk气田是中亚—中国管道的供气源，共占2016年中国总供给量的14%，温室气体强度分别为41.5和36.9 g CO2eq/MJ，具有高于第90百分位数的温室气体排放强度。

图2  2016年供给中国的天然气的“气井到城市大门”温室气体强度供给曲线. (a)具有单个过程排放分解的温室气体排放供给曲线, (b) 经验概率质量函数和经验累积概率函数图3  中国天然气供给地区及其对应的“气井到城市大门”温室气体强度（2016）

政策影响。2030年的供能加权平均温室气体强度为23.3 g CO2eq/MJ。不断增加的平均温室气体强度是由于温室气体密集的天然气供给增加引起的，包括俄罗斯的Urengoi 和 Nadym气田，土库曼斯坦的Galkynysh 和 Bagtiyarlyk气田，国内涪陵的页岩气，这些气源的“气井到城市大门”的温室气体强度都高于第75百分位数水平。天然气供给的“气井到城市大门”温室气体排放大大抵消了中国“煤改气”的潜在气候效益。假设2016-2030年天然气供给的增加用于替代中国煤炭发电，在平均“气井到城市大门”的温室气体强度下，总的温室气体减排效益分别为7.4 （GWP100）和7.8 gigatonne CO2 eq（GWP20），如图4所示。天然气供给的“气井到城市大门”的温室气体强度变化及其对气候效益的重要影响，说明通过有效的天然气资源管理和供应链优化的进一步减排的潜力巨大。

图4  中国“煤改气”的温室气体减排效益

编辑：任明

排版：胡卉然

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