碳中和专辑（二）｜CCUS项目的温室气体排放核算方法学思考

2022-05-07 15:08:17
来源：中国国土资源经济
作者：高炜马劲风等
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导读

二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术是国际认可的实现碳达峰碳中和目标所必需的负碳技术。CCUS技术减排的核心在于地质封存的安全性与实际地质封存量的核实、量化与验证，这是重点排放企业盘查实际减排量、确定碳配额、进入碳市场交易、标定碳足迹和获取政府补贴的重要依据。文章针对CCUS全流程项目，从直接排放、间接排放、全生命周期排放三种核查边界方式，分析了CO2捕集、运输、注入与封存系统的核算边界，讨论了可能的排放和泄漏源，针对性地提出了各系统的核算方法，构建适合我国的CCUS全流程碳排放核算方法体系。

本文引用信息

高炜，白平，王鸿，王浩璠，马劲风，李琳，赵季中，CCUS项目的温室气体排放核算方法学思考[J].中国国土资源经济,2022，35（4）:12-21.

引言

二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术作为国际能源署（IEA）和联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）等国际机构认可和推崇的，能大规模实现低碳和净零排放最有效且必需的技术手段之一，对实现“双碳”目标具有重要的现实意义，必然会在碳达峰碳中和的变革中找到立足之处并做出贡献。因此，碳中和目标下CCUS技术发展亟需重新定位。CCUS技术对整体碳减排的实际贡献量也需要尽快核算和报告。开展CCUS技术实际减排量的量化、核算与验证研究，建立CCUS全流程碳核查方法体系，是检验减排效果、开展碳市场交易、兑现政府激励及惩戒违规排放的基础。

2007年12月，《联合国气候变化框架公约》第13次缔约方大会达成的《巴厘岛路线图》中，明确提出各国气候变化减缓行动要符合“可测量或可监测、可报告、可核查”（MRV）要求，这是气候变化国际谈判的重要议题之一。对我国开展CCUS的企业来说，碳排放MRV体系则是构建碳市场的最基础环节，是企业对内部碳排放水平和相关管理体系进行系统摸底盘查的重要依据。良好的MRV体系可以为碳交易主管部门制定相关政策与法规提供数据支撑，可以提高温室气体排放数据质量，为配额分配提供重要保障，同时有效支撑企业的碳资产管理。

目前在CCUS温室气体排放核算领域只有一些指导性的、框架式的规范或方法指南。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》第2卷《能源》提供了CCUS实施中的碳排放核算方法指南。《二氧化碳捕集、运输和地质封存的量化和审核技术报告》（ISO/TR 27915：2017）梳理了国际上几种关于CCUS核算的方法学，并分别讨论了它们的差异与适用条件。2018年12月19日，欧盟委员会出台《温室气体排放监测和报告条例》（欧盟EU2018/2066），其中第21至第23条中给出指令2009/31/EC确定二氧化碳捕获活动、运输及地质封存产生的温室气体排放量。美国《加州CCUS执行报告》梳理了CCUS技术在加利福尼亚州的实施现状，报告第5章提到了二氧化碳地质封存的监测、验证和报告（MVR）方法。《澳大利亚设施排放评估技术指南》中给出了计算澳大利亚设施层面排放量的方法，其中包含了CCS各环节的泄漏排放量化方法和对于数据的监测要求。由澳大利亚政府发布并于2021年10月1日生效的《2021年碳信用（碳农业倡议-碳捕集和封存）方法学》中给出CCS各环节排放量的初步计算方法。加拿大Blue Source Canada ULC 2010年发布《Quest 碳捕集与封存项目》，其中第1卷附录K《量化Quest碳捕集与封存(CCS)项目的温室气体减排效益》中给出Quest项目CCS全流程碳排放核算边界和核算结果。Ma等（2018）针对中石化胜利油田开展的CCUS项目，讨论了中国CCUS项目验证和量化地下封存CO2的方法并给出核算步骤。

虽然我国已建立温室气体清单编制的技术标准并在多个领域实施，但因排放因子的行业性、区域性差异较大，很多领域缺乏量化的技术方法而导致无法开展核算工作。我国目前颁布的24个重点行业温室气体排放核算和报告指南中，只有化工、石化等行业提到了在核算时要扣除外供给其他企业的CO2，此外并没有CO2捕集、运输、封存过程温室气体排放量化方法的描述，仍缺乏采用CCUS技术进行减排的温室气体量化方法。开发适用于我国的CO2捕集、运输、封存过程的排放核算和报告指南具有重要意义，这对未来中国的商品及国内产品标记碳足迹也十分重要。

虽然国外已有一些对CCUS全流程碳排放核算方法的初步研究，但仍存在一些问题：覆盖环节不完整，普遍缺乏对利用或驱油环节碳排放核算方法的研究；核算边界不明确，没有对核算边界作出易于判断的界定，更没有针对石化行业碳捕集活动的边界和排放源给出清晰界定；核算方法不具体，国际上现有的技术方法并未对每一项排放源给出详细具体的核算公式。因此，国外的核算方法尚不能直接用于指导我国CCUS产业链中的企业开展CO2排放核算工作。

基于以上原因，在我国石化行业开展二氧化碳捕集、运输、利用及封存过程的碳排放核算方法研究，并形成石化行业CCUS全流程的温室气体排放核算方法，对准确量化CCUS技术的减排效果，为后续采用CCUS技术的石化企业提供减排量的量化标准十分必要。在石化企业纳入碳市场后，控排企业在碳市场中可依据可靠的核算方法扣减应用CCUS技术的减排量，从而在碳市场交易盈余碳配额获利，达到降低CCUS技术成本的目的，形成良性循环后将吸引更多石化企业应用CCUS技术，加快我国石化行业的减排进程。

本文围绕我国石化行业二氧化碳捕集、运输、利用、封存过程的温室气体排放核算方法开展相关研究，针对核算边界、排放源、温室气体排放的核算方法及数据获取等，为运行中的CCUS项目提供过程碳排放核算、量化和证实方法，建立CCUS项目碳排放核算方法学和体系，推动CCUS技术发展和核算方法学标准或指南的建立。

核算边界

将CCUS项目边界界定在从阻止温室气体排放进入大气的捕集装置，到CO2被注入地下储集层并永久封存时结束，这里的CO2利用主要为可实现大规模碳减排的CO2驱油，提高采收率利用（CO2-EOR），不包括化工利用和生物利用等利用方式。在全流程CCUS项目运行中，核算的温室气体排放主要来源于四个系统，即CO2捕集系统、CO2运输系统、CO2注入系统、CO2封存系统。

开展CCUS项目碳排放核查时，首先要确定各系统的核算边界，这是完整准确地量化和验证温室气体排放量和减排量的关键；同时，建立明确清晰的边界条件，对避免温室气体排放和清除的任何遗漏或重复计算，以及开展透明的可复制的量化尤其重要。

全流程运行的CCUS项目，其温室气体减排量的量化核查计算，会因生命周期排放评估边界的定义方式而有所不同。评估边界不应仅关注直接碳排放和间接碳排放，还应关注项目运营之前、期间或之后的排放。主要有三种评估边界的方式（图1）：

图1 三种评估温室气体排放边界的方式

(1)直接碳排放：在项目运营商的指导和影响下的直接排放，通常是指因项目运行而产生的直接排放。

(2)间接碳排放/简化的全生命周期：直接碳排放与间接碳排放的总和。间接碳排放指为CCUS项目实施而必须开展的间接性行为产生的排放，通常是指为了支撑项目正常运行而必须要投入和建造的，如捕集装置、临时存储装置、各类监测装备等建造期的碳排放，以及维持项目全流程运行的，如能量、物质、材料等耗损产生的碳排放。

(3)全生命周期（LCA）：在简化的全生命周期基础上，还应加上与项目运行上游或下游产业相关的排放源，如为间接性行为提供支撑和来源的产业产生的排放。该部分排放主要来源于支撑CCUS项目运行的材料、物质、能量生产和交付过程。此外，CCUS项目建设（施工建设、土地清理、材料生产交付、土壤碳流失等）、维护、退役、设备耗损等过程的碳排放，也应在全生命周期碳核算中进行计算报告。

基于以上三种评估边界，CO2捕集系统是指从排放源端口开始，将本该排放到大气中的温室气体进行捕集，然后处理压缩为输出状态并输入到运输装置的全过程。CO2捕集系统的下游边界是CO2被传送到运输系统的点，通常来讲，应该是到CO2进入运输装备（如管道或罐车、轮船、铁路等）入口阀的位置截止。

CO2运输系统指将CO2从捕集点运输到CO2注入封存位置的所有过程、活动和物理设备。运输方式有管道运输、车运、船运、铁路运输等。如果是管道运输，CO2运输系统则是从捕集系统边界的开始，通常是管道入口阀门处，于管道运输尽头与注入系统接头的阀门处截止。如果是车运、船运等交通运输，CO2运输系统则开始于装载点，结束于卸载点，装载过程和卸载过程的碳排放也算在运输系统的排放中。

CO2注入系统的边界从集输站输出CO2的位置开始，到地面上完成注入工作结束，主要包括注入场地的地面设施，代表了CO2从集输站开始到注入井下的全部过程，不包括注入后的泄漏。

CO2封存系统主要指注入CO2之后的所有活动，由注入场地地下封存体、地上地下所有监测装置和装备，以及确保CO2长期封存的设施和活动组成。

除了四大系统的核算边界，还应考虑核查的时间边界。CCUS项目从筹建、启动、建设、运行、关闭，其生命周期较长，一般为100年或更久，主要包括：①准备阶段。包括前期调研和勘查、现场筛选和表征、项目预研和可行性分析、设计、施工和调试。这个时期的碳排放核查对全生命周期核查（LCA）是很必要的。②运行阶段。包括CO2捕集、运输、注入和封存等全流程。这一时期的长度对于工业规模的项目来说可能是20～30年或更久。③后注入期。在此期间，捕集和运输系统处于非活动状态（或者拆除），而在CO2注入的地质封存综合体中，CO2羽流迁移、地质力学和化学反应可能会持续多年。这个时期可以进一步细分为关闭期和关闭后期：关闭期是从注入停止后开始，通常会导致捕集和运输设施的退役（除非在其他项目中重新使用）；关闭后期是从规范性地弃井（堵塞井）后开始，并将责任转移给指定机构。

因此，对CCUS项目的碳排放进行核查时，应充分考虑全生命周期的核算边界，包括项目准备、建设、运行、退役和关闭等全部阶段，也包括直接排放、间接排放和全生命周期排放等全链条的排放。建议一年核算一次，形成年度排放和量化的报告，不同阶段由不同运营商来监管和组织核算工作。

排放源

掌握CCUS项目实施过程中各环节可能存在的排放和泄露是开展核查工作的关键。本文从直接排放、间接排放、全生命周期排放三个核查界限，分析梳理了二氧化碳捕集、运输、注入和封存四个系统可能存在的排放和泄露（表1），核查人员可对照表1逐一开展核查工作。与二氧化碳捕集、运输、利用、封存过程相关的温室气体排放主要有CO2、CH4、N2O等，这三种气体在全流程CCUS的每个环节均有排放，都应计入CCUS项目温室气体排放核算的范畴中，计算时需要将CH4、N2O的排放量换算成以吨CO2当量为单位的统一度量单位。

CCUS项目温室气体排放和泄露可通过技术创新和扎实的前期工作加以避免，比如捕集和运输系统可通过改善工艺和提高能效来降低碳排放和泄露的可能性；注入和封存系统可通过科学选址和严格评估，以及建立模拟和监测系统来避免不必要的泄露。

核算方法

开展CCUS项目核查、量化研究，一方面是明确与CCUS相关的温室气体排放和泄漏，另一方面是量化CCUS项目的实际减排量。原则上来讲，所有输入和输出都需要在CCUS系统的边界进行量化。量化温室气体排放的方法主要有两种：一是使用排放因子（活动因子）方法；二是直接测量和质量平衡方法。具体实施中可以根据排放类型和可测量的可能性来选择量化方法。对石化行业开展的CCUS项目进行碳排放核算时，CO2捕集、运输环节有固定的排放方式和排放因子，可以采用排放因子法，而CO2注入和封存系统因排放和泄漏无规律且没有排放因子，因此大多采用直接测量方法来核算。

3.1 CO2捕集系统

核查CO2捕集系统的碳排放总量时，可以用捕集系统CO2耗损量与投入过程产生的排放量的总和来代表捕集过程的碳排放量。其中，CO2耗损量即为输出的CO2总量与输入过程中捕集到的CO2总量的差值；投入过程产生的排放量主要包括建设期碳排放，运行期水、电、材料等耗损碳排放，运行期间现场监测到的碳排放，以及全生命周期核查时需要计算的排放。

计算捕集总量时，首先应计算排放源排放的总量。本文根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》第二卷第三章方法学给出的具体公式，以及生态环境部办公厅2021年3月发布的《关于加强企业温室气体排放报告管理相关工作通知》（环办气候〔2021〕9号）中《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》的相关规定，得到以下核算公式。

关于化石燃料燃烧产生的CO2直接排放，采用排放因子法：

(1)

式中，ECO2燃烧为排放量（单位：吨CO2）；ADi为第i种化石燃料的活动数据，单位为吉焦（GJ）；EFi为第i种化石燃料的CO2排放因子，单位为吨二氧化碳/吉焦（tCO2/GJ）；i为化石燃料类型的代号。

活动数据ADi是统计期内燃料的消耗量与其低位发热量的乘积，即：

(2)

式中，FCi为第i种化石燃料的消耗量，对固体或液体燃料，单位为吨（t），对气体燃料，单位为万标准立方米（104Nm3）；NCVi为第i种化石燃料的低位发热量，对固体或液体燃料，单位为吉焦/吨（GJ/t）；对气体燃料，单位为吉焦/万标准立方米（GJ/104Nm3）。

化石燃料燃烧CO2排放因子EFi的计算公式为：

(3)

式中，CCi为第i种化石燃料的单位热值含碳量，单位为吨碳/吉焦（tC/GJ）；OFi为第i种化石燃料的碳氧化率，以%表示；44/12为CO2与碳分子量之比。

其中，燃煤的单位热值含碳量采用下列公式计算：

(4)

式中，C煤为燃煤的元素碳含量，以tC/t表示；NCV煤为燃煤的收到基低位发热量，单位为吉焦/吨（GJ/t）。

以上计算公式中，化石燃料的低位发热量（NCVi）、单位热值含碳量（CCi）、碳氧化率（OFi）可由表2提供，若表2不具备所需参数，可参照《2006年IPCC国家温室气体清单指南》。

在CO2捕集过程中，所需要的电力如果来自国家电网，那么净调入（调出）化石能源电力蕴含的CO2间接排放，计算公式如下：

(5)

式中，Ad为净调入（调出）化石能源电量，单位为兆瓦时（MWh）；EFd为电网排放因子，单位为吨二氧化碳/兆瓦时（tCO2/MWh）。电网排放因子采用0.5810tCO2/MWh（生态环境部2022年发布）。

3.2 CO2运输系统

核查CO2运输系统的碳排放总量时，用运输过程的碳损量加上过程投入产生的排放量来代表整个CO2运输系统的总碳排放量。其中，CO2耗损量即为捕集系统输出的CO2总量（即总装载量）减去在集输站卸载的CO2总量；投入过程产生的排放量主要包括建设期碳排放，运行期油、电、材料等耗损碳排放，现场监测到的碳排放，以及全生命周期核查时需要计算的排放。

《2006年IPCC国家温室气体清单指南》第二卷第五章给出了CO2管道运输过程的碳排放计算方法。CO2管道运输缺省排放因子可由天然气管道运输排放因子推导，经过计算得到CO2管道运输缺省排放因子（表3）是天然气排放因子的1.66倍。

虽然管道运输产生的泄漏排放独立于流通量，但泄漏量未必与管道长度相关；相关度最大的是设备组件的数量和类型与服务类型。除非正在运输的CO2跨越非常大的距离，需要中间压缩机站，实际上CCUS系统产生的所有溢散排放会与管道起点的初始CO2捕集和压缩设施及管道终点的注入设施相关，而管道本身基本上不产生排放。

管道运输的碳排放泄漏，除了以上由排放因子法计算的直接排放之外，还应加上管道修建、集输站修建期间的间接排放，以及管道材料生产和运输交付期间的全生命周期的排放。

如果是罐车运输，运输系统的碳排放核算可以由装载量与卸载量的差值，加上集输站监测的泄漏，以及油耗、车损、集输站建设期等间接排放，再加上车辆制造和运输期间、材料生产和运输期间等全生命周期的排放。

3.3 CO2注入和封存系统

对于CO2注入和封存系统这类无法用排放因子法进行碳排放核算的排放源，一般采用直接测量法或质量平衡法，即从井口注入的量中减去任何可能的泄漏量，但前提是项目具备健全的监测、检测设备和系统，以保证能够获取可靠真实的监测数据，包括温度、压力、CO2浓度、流量等。因此在地面、井中、地下开展测量和监测评估，可验证注入的CO2羽流是否全部保留在地下封存体中，为核算碳排放量提供数据支撑。

在CO2注入与封存系统中，井筒是最重要和最有可能的潜在泄漏路径，在尽可能确保井筒完整性基础上，可通过在井筒中或储层或EOR综合设施上方的地下进行监测、检测和量化泄漏，例如可使用仪表或流量计测量生产井或用于其他提取目的的开采井的CO2排放量，如果项目中涉及大量井，则可以在收集点汇总数据，以避免在单个井口仪表处传播校准误差。此外，可通过直接测量和建模来确定例如开采、地质系统泄漏，储存或EOR综合体的迁移，以及未能隔离的井的损失等储存损失所产生的碳排放泄露。

对于地面井口的CO2喷射和产出，以及回收回注装置，因回收并回注CO2也是一个捕集、注入、封存的过程，可使用排放因子和仪表监测结合的方式来测量设备运行中消耗燃料的间接排放，并核算该过程的碳排放量。

对于无组织排放，包括注入系统中的泄漏和排气，例如管道末端的分配歧管处、到井和压缩或泵设备的分配管道及生产井口的泄漏，可以使用直接测量或通过一系列排放、活动和设备因素结合项目的实际数据来确定。

对于CO2-EOR，运营商可能还需要确定生产、分离、压缩和其他流体处理系统的损失，以及流体处理系统消耗的能量。在EOR操作中可能出现临时故障。在这种情况下，出于安全原因，气流很可能会被燃烧，因此可以根据气体成分和气体体积（质量）计算重新定向到火炬烟囱的气体体积。

关于泄漏和风险考虑，主要通过建模和监测手段来预测可能的CO2泄露源和泄漏量。例如可通过建模来确定通过现有或新的裂缝或断层、盖层、封存综合体的迁移，以及通过现有或未知的穿透盖层的钻孔，而从地质地层泄漏的量。因此有必要制定和实施一套合理的建模、监测、控制计划，以确认在场地特征描述和注入设计过程中所做预测是否正确，该计划最好规定确认预测所需的直接测量类型，包括测量的频率、时间表、精度和准确性，以及记录、传输和存档数据的机制。此外，需要确定监测期间消耗能量的排放。

因此，建立完善的CCUS监测、观测与证实体系将有效地减少和控制CCUS项目发生CO2泄露的风险，极大地提高封存安全性和可靠性，确保CCUS项目环境、生态安全。目前，三维地震监测是用于地下成像的最有效技术，在CO2注入与地质封存区域，四维或时移地震监测技术是监测注入前后储层流体饱和度、孔隙压力等参数变化差异的最有效手段，建议在CO2注入之前和注入之后的不同时间段，采集一系列与观测系统一致的三维地震数据（四维地震）来监测和解释CO2羽流的地下赋存状态和分布范围，并且与建模结果进行匹配和验证，以提高模型预测结果的准确性。此外，还需开展CCUS区域地表环境监测研究，通过土壤气体通量采样，以及浅层地下水流体采样和相关分析，以确保注入的CO2没有迁移到地表或地下水，没有对地表植物、动物、农作物、微生物等造成影响。

3.4 质量监控

整个CCUS系统温室气体核算完成后均需要开展质量监控工作QA。CO2捕集报告应与长期储存相联系。应检查捕集CO2的质量不超过储存CO2质量加上清单年中报告的溢散排放。理论上，捕集量+输入量=注入量+输出量+泄露量。如果（捕集量+输入量）<（注入量+输出量+泄漏量），那么需要检查是否高估了输出，或者低估了输入；如果（捕集量+输入量）>（注入量+输出量+泄漏量），那么需要检查是否低估了输出，或者高估了输入。

因CCUS项目全生命周期核算时需要考虑随时间推移的不确定性溢散排放，根据澳大利亚《2021年碳信用（碳农业倡议-碳捕集和封存）方法学》，计算净减排量时将计算结果乘以系数97%，即将每个报告期的减排量减少3%，以考虑计入期结束后注入的温室气体从封存地点释放的风险。这里的启发是，对于CCUS项目核算的减排量，建议乘以一个大于1的系数，比如1.03，来代表估算的未来可能的排放量。

案例分析

4.1 加拿大Quest项目

加拿大Quest CCS项目通过对比直接排放、间接排放、全生命周期排放三种不同的温室气体评估边界，以相关温室气体核算实践为利益相关者提供了项目温室气体减排的完整图景（图2）。流程图确定了每个相关的排放源、汇和封存库，并说明了三种不同评估场景的项目边界。根据上述三种不同的核算边界，计算每年的净减排量情况（表4）。

图2 加拿大Quest CCS项目碳排放核查边界情景评估

如表4所示，直接和间接排放占总排放的大部分，但与捕集和封存的CO2相比，差了好几个数量级。在25年的项目全生命周期中，上游、下游、建设和退役过程的碳排放相对来说是微不足道的，将这些碳排放纳入到整个全生命周期碳减排量化中引起的变化不足3.5%。

在CCUS项目实施过程中，因CO2压缩、运输、注入等每个过程导致的碳排放，保守估计约为捕集的CO2的0.1%，因CO2捕集设施、压缩装备、运输管道、注入井等每个组成部分造成的无组织CO2排放，保守估计约为CO2捕集量的0.01%。

所有这三种核算边界都表明，在计算CO2捕集、压缩、运输、注入和封存所需的能源输入所产生的温室气体排放量后，无论确定的碳核查边界是哪种，大规模的CCUS项目均能实现有效的、长久的碳减排目的，选择的核查边界不同，对减排总量的影响较小，因为大部分捕集的CO2均能实现有效的地质封存。

4.2 国内延长石油CCUS项目案例

陕西延长石油集团于2012年开展CCUS技术研发，在国家“863计划”项目“二氧化碳地质封存关键技术”（2012AA050103）支持下，建成全国首个全流程CCUS先导实验项目。2014年8月，该项目被列为“国家重点推广的低碳技术”之一；2015年6月，该项目成为国内唯一的通过碳收集国家领导人论坛（CSLF）认证的CCUS项目；2015年9月，该项目被列入《中美元首气候变化联合声明》。

延长石油的CCUS项目是在CO2驱油提高采收率驱动下开展的，2012年9月开始在靖边油田乔家洼油区三叠系长6储层注入CO2驱油提高石油采收率，2014年12月在吴起油沟开始第二个CO2-EOR试验区，CO2来源于榆林煤化工厂尾气捕集。两个实验区CO2驱油提高原油采收率8%以上，实现了驱油提高采收率和CO2地质封存的双赢。

本文从直接排放、间接排放、全生命周期核算角度出发，分别从CO2捕集、运输、注入、封存四个系统对延长石油CCUS项目提出温室气体排放核算内容的建议，详见表5。