文献阅读 | 中国天然气行业在空气质量-碳-水方面的协同效益与权衡

题目

Air quality–carbon–water synergies and trade-offs in China’s natural gas industry

作者

Yue Qin, Lena Höglund-Isaksson, Edward Byers, Kuishuang Feng, Fabian Wagner, Wei Peng & Denise L. Mauzerall

期刊

Nature Sustainability

时间

2018年9月

一作

单位

Department of Earth System Science, University of California, Irvine, CA, USA

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-018-0136-7

研究内容

大多数化石能源生产和燃烧过程都会排放空气污染物和温室气体(GHGs)，并消耗大量淡水。由于燃料类型、燃烧条件、冷却技术和当地环境压力等方面的不同，能源的选择和终端消费可能导致其产生的空气质量、碳和水的影响的重大变化。探究能源来源的选择和终端消费而导致的各种环境影响的相互关系，对于实现空气质量、碳和水的协同效益，同时避免意外的副作用至关重要。文章考察了中国的天然气行业，并系统地分析了天然气来源选择(天然气的生产方式)和终端部署策略(天然气替代煤炭的地区和行业的天然气消耗差异)对空气质量-碳-水的影响之间的协同效益和取舍关系。

研究方法

研究采用综合评估方法，结合生命周期分析，量化了用天然气替代煤炭（天然气控制在固定的300 bcm）在六种主要天然气源选择在三种不同终端部署策略下对中国空气质量-碳-水的净影响。图1显示了基于政府和产业规划的不同天然气源生产的天然气在不同省份的生产和消费分布。而对于每个气源，研究设计了三种以气换煤的终端部署策略，以反映三种不同的环境优先级，分别包括以空气质量为中心的替代方案(AS)、以碳为中心的替代方案(CS)和以水为中心的替代方案(WS)（详见表1）。本文估算了18种煤炭替代方案下中国人口加权空气污染浓度、生命周期温室气体排放量和水压力指数(WSI，范围从0到1)加权耗水量(以下简称“加权耗水量”)。天然气对煤的替代导致天然气需求的增加和煤炭需求的减少。由于能源燃烧和甲烷泄漏，天然气和煤炭的上游生产过程（即生产，加工，传输和分配）都会排放空气污染物和温室气体（CO₂当量（CO₂ e），包括CO₂和CH₄等），同时由于抑尘，洗煤，钻井和其他目的而消耗水资源。本文量化了由于上游天然气生产的增加和煤炭生产的减少所造成的相应环境影响。综合上游和终端消费，文章估算了18种天然气源选择和部署策略组合中空气污染物排放，GHG排放和加权耗水量的净变化。使用结合了化学反应机制的天气研究和预报模型（WRF-Chem v.3.6），研究进一步模拟了每种天然气源在每种终端部署下对PM2.5浓度的影响，并计算了通过人口加权后PM2.5浓度（以下简称为“人口加权PM2.5”）的最终变化。

图1  基于政府和产业规划的不同气源在不同省份的生产和消费分布

其中，a为常规天然气（Domestic Conventional Gas），b为合成天然气（Domestic SNG），c为页岩气（Domestic Shale Gas），d为液化天然气（Imported LNG），e为俄罗斯东部天然气（Imported Eastern Russia Gas），f为中亚天然气（Imported Central Asia Gas）。

表1  六种主要天然气源在三种不同终端部署策略下的分配方式

研究结果

天然气源选择对空气质量-碳-水的综合影响

文章估算了在2020年，替代煤炭后，不同天然气源上下游阶段的空气污染物排放量、温室气体排放量和加权用水量在生命周期中的净变化。图2显示了AS替代方案下的结果。如图2所示，无论采用哪种天然气源，在终端消费中通过天然气代替煤炭都会使空气污染物排放净减少。尽管天然气源的空气污染物净排放量都有所减少，但SNG上游加工流程导致生命周期中温室气体排放和加权耗水量的净增加。SNG上游加工流程的二氧化碳排放量大约是其他天然气源的4-7倍。因此，在GWP（全球变暖潜能值）100或GWP20的情况下，用SNG方法产生的天然气替代煤炭将使2020年的生命周期CO₂e排放量分别增加约2000或4000万吨。但是，假设平均甲烷泄漏率一定，以相同数量的其他天然气源生产的天然气替代煤炭，在GWP100和GWP20下，分别可以减少约60-120和70-140 Mt的CO₂e排放。类似地，SNG的加权耗水量大约是其他气源的20-190倍。到2020年，SNG将导致约200 Mm³的生命周期加权耗水量，而其他气源将减少约20-60 Mm³的加权耗水量。相比之下，SNG的耗水量(约290 Mm³)是其他气源(约10-23 Mm³)的10-30倍。实际用水量的差异远小于加权耗水量的差异，说明SNG生产一般发生在水资源相对匮乏的地区。

图2  AS（以空气质量为重点的）替代方案

除SNG外，大部分天然气源生产的天然气替代煤炭后能带来温室气体排放的净减少，因为煤炭产量减少，各种天然气源（SNG除外）的上游天然气加工过程产生的温室气体排放较大程度上被生产煤过程产生温室气体排放的减少所抵消。这是由于中国煤炭行业的温室气体排放强度高，地下煤炭的开采有着较高的甲烷排放和较低的甲烷回收率导致的。然而，如果天然气行业没有适当的甲烷泄露控制措施，即使是SNG以外的天然气源，在GWP100和GWP20下，也会导致整个生命周期温室气体排放量的净增加。

图3  CS（以碳为重点的）替代方案

图4  WS（以水为重点的）替代方案

天然气源选择对空气质量-碳-水的空间影响

除了评估总体环境影响外，研究还评估了在不同天然气源下中国的空气质量-碳-水关系的空间特征，以描述再分配效应。图5显示了AS替代方案下，不同天然气源的SO₂排放，模拟PM2.5地表浓度，温室气体排放和加权耗水量的净变化在中国大陆的空间分布情况。研究发现，在东部地区，所有天然气源产生的天然气对煤炭的替代都会带来SO₂排放的减少和PM2.5地表浓度的降低；在西北地区，SNG和常规天然气两种天然气源会给SO₂排放和PM2.5表地表浓度带来轻微增幅。虽然SNG只导致西北省份空气污染物浓度的少量增加，但却导致西北通过SNG生产天然气的省份的温室气体排放量和加权耗水量大幅增加。值得注意的是，由于这些地区以煤炭为主的能源结构和大量向中国东部(如北京和天津)出口电力，这些地区本身就面临严重的水资源短缺和较高的人均碳排放问题。而类似的负面效应也出现在CS和WS替代方案中。

图5  在不同气源下空气质量-碳-水净变化的空间分布（AS替代方案）

其中，a为SO2排放量，b为人口加权PM2.5地表浓度，c为温室气体排放量，d为加权耗水量。

天然气源的选择和终端部署对空气质量-碳-水的影响

除了天然气源的选择之外，部门和地区的天然气终端部署策略也可能导致用天然气替代煤炭对空气质量、碳和水的净影响出现巨大差异。为了充分把握天然气行业的协同作用和权衡，文章在这里整合了六种主要的气源选择和三种影响空气质量-碳-水关系的终端部署策略。如图6所示，由于SNG对空气质量-碳-水的净影响有极为突出的干扰作用，在考虑所有天然气源的情况下，气源的选择是影响空气质量-碳-水关系的最重要因素。不同于其他气源的是，无论终端部署策略如何，SNG都会加剧碳排放和水资源压力。然而，去除SNG后，终端部署策略才是决定空气质量-碳-水净影响大小的关键因素。具体体现为在相同气源下(除SNG外)，不同的部署策略可能导致中国人口加权PM2.5地表浓度降低10-50倍以上，生命周期温室气体排放量(GWP20)减少约1.5-1.6倍，中国加权耗水量减少约2-9倍。相比之下，同一终端配置策略，不同天然气源（不包含SNG）导致中国人口加权PM2.5地表浓度降低1-4倍，生命周期温室气体排放量(GWP20)减少约1-1.9倍，中国加权耗水量减少约1-3倍。

图6  空气质量、碳、水在六种天然气源和三种终端分配策略的变化比较

此外，天然气部署策略是决定不同天然气源（SNG除外）的空气质量-碳-水互联关系的关键。由于在终端消费中用天然气替代了煤炭，空气质量-碳的协同效益是十分显著的，而空气质量-水则存在权衡。这主要是因为在使用煤炭时，效率最低的燃煤恰好是最脏的，这表明煤炭向天然气的转换存在潜在的空气质量-碳的协同效益。因此，当天然气主要用于改善空气质量(AS替代方案)时，它在大多数情况下会带来可观的碳减排协同效益，但对水资源的好处微不足道。然而，如果天然气主要用于解决水资源短缺的问题（WS替代方案），在大多数情况下，它只能略微改善空气质量，尽管它仍能显著减少碳排放。而在CS替代方案下，空气质量、碳排放水平和水资源压力与AS替代方案相似。

研究结论

本文研究表明，在谨慎选取天然气源和终端消费的设计下，用天然气替代煤炭可以带来空气质量-碳-水的协同效应，但也存在权衡取舍问题。然而，由于SNG的存在，天然气源的选择可能是影响空气质量-碳-水关系的决定性因素；而在不考虑SNG气源的情况下，终端部署而非气源选择对于决定当地空气污染减轻、碳排放减少和水资源压力的缓解上起到了关键作用。此外，研究还间接显示了上游天然气开采过程的甲烷泄露率对气源的碳排放减少效果有重要影响，这可能会加大气源选择在净碳效果中的影响。对国内外天然气行业全生命周期甲烷泄露率的精确测量，将有助于了解中国天然气行业的碳影响以及天然气源选择和终端部署测量的相对重要性。

编辑：肖逸龙

排版：江琴

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