溫室氣體的過量排放問題，已經(jīng)引起了世界的廣泛關注，而CO2氣體的過量排放是造成全球變暖的主要原因之一。CO2排放主要是由電力、水泥和鋼鐵等高排放行業(yè)的化石能源消耗所造成，2022年由能源使用造成的碳排放達34.3 Gt，其中中國貢獻近1/3，排放量達10.5 Gt。“十四五規(guī)劃”中就重點提出要控制化石能源消費。

《中國電力》2024年第7期刊發(fā)了劉含笑等撰寫的《基于生命周期法的煤電碳足跡評估》一文。文章研究以河北省某燃煤電廠項目為例，基于生命周期評價法（life cycle assessment，LCA）進行了燃煤發(fā)電產(chǎn)品碳足跡評價，從上游和核心2個環(huán)節(jié)分析燃煤機組的電力碳足跡及影響因素，對燃煤發(fā)電的溫室氣體排放進行完整的生命周期評價，同時與傳統(tǒng)煤電碳核查的考核對象和指標進行對比，為煤電減碳提供數(shù)據(jù)支撐和思路方向。

（來源：中國電力 作者：劉含笑 單思珂 魏書洲 于立元 王帥 劉美玲 崔盈）

碳足跡是量化碳排放的重要工具，能夠為燃煤發(fā)電碳減排提供數(shù)據(jù)支撐。為研究燃煤機組的電力碳足跡及影響因素，基于生命周期法進行了實際案例計算及敏感性分析。碳足跡計算結果顯示，300 MW燃煤發(fā)電機組的單位上網(wǎng)電量碳足跡為0.932 kgCO2e/(kW·h)，主要排放源為煤炭燃燒，占比約為79%，其次是煤炭的上游生產(chǎn)和加工，占比約為20%。碳足跡和碳核查的對比分析結論表明，減碳不僅應從燃煤電廠的常規(guī)減碳方式入手，降低上游的煤炭供給階段排放仍是一種有效方案。

01評價方法

1.1 生命周期法

生命周期法是一種“自下而上”的碳足跡評價方法，評價的內(nèi)容包括產(chǎn)品或服務在原材料開采、生產(chǎn)、加工、儲運、使用和廢棄處理等過程中的溫室氣體排放。一個完整的LCA過程應至少包括目標與范圍的界定、清單分析、影響評價和結果解釋4個步驟。基于LCA的基本步驟，建立燃煤發(fā)電碳足跡的生命周期評價流程，如圖1所示。

圖1 燃煤發(fā)電碳足跡生命周期評價流程

Fig.1 LCA evaluation process of carbon footprint of coal-fired power generation

1.2 目標與范圍的界定

1.2.1 功能單位

功能單位的選取考慮了以下因素。

1）根據(jù)《環(huán)境管理 生命周期評價 原則與框架》(GB/T 24040—2008)，功能單位的首要目的是為相關的輸入和輸出提供參考，應當保證結果的可比性。

2）功能單位及研究邊界需要基于研究目標確定，本研究目標為核算燃煤發(fā)電產(chǎn)品的碳足跡，以挖掘煤電生命周期減碳潛力，為電力行業(yè)碳雙控提供數(shù)據(jù)支持。

3）以往的燃煤發(fā)電生命周期評價案例中，發(fā)電產(chǎn)品的功能單位對象一般選取機組的發(fā)電量或供電量，數(shù)量為1 kW·h。

基于以上原因以及本案例所能收集到的數(shù)據(jù)種類，確定本案例中功能單位選取為整個燃煤發(fā)電廠生產(chǎn)的1 kW·h供電量。

1.2.2 邊界劃分

產(chǎn)品碳足跡的研究邊界要基于產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程劃分，應包括原材料的開采、制造、加工、包裝、儲存、使用和廢棄等。燃煤發(fā)電的工藝流程如圖2所示。

圖2 燃煤發(fā)電工藝流程

Fig.2 Process flow of coal-fired power generation

本文選取了GHG protocol所規(guī)定的范圍1、范圍2和部分范圍3包含的排放類別，根據(jù)燃煤發(fā)電的工藝流程劃分邊界，除圖2所示工藝流程中的所有生產(chǎn)單元過程外，還包括單元過程的能源輸入、水的輸入、廢物處理及再利用，最終劃分生命周期評價邊界，如圖3所示。同時參考國際環(huán)境產(chǎn)品認證所發(fā)布的電力相關產(chǎn)品種類規(guī)則（product category rules，PCR）《Electricity, steam and hot cold water generation and distribution》，并結合案例數(shù)據(jù)來源，將燃煤發(fā)電產(chǎn)品生命周期被分為上游和核心2個環(huán)節(jié)，不計算電力在電網(wǎng)的輸送及用戶使用，也不考慮電廠的建設退役回收階段，屬于“從搖籃到大門”式的生命周期邊界。

圖3 燃煤發(fā)電生命周期評價邊界

Fig.3 LCA boundary of coal-fired power generation

1.3 排放清單

根據(jù)排放方式不同，溫室氣體排放可以分為直接排放和間接排放。因此，依據(jù)物質流和能量流，對上游環(huán)節(jié)和核心環(huán)節(jié)分別進行直接排放和間接排放分析，排放清單如圖4所示。

圖4 燃煤發(fā)電產(chǎn)品生命周期碳排放清單

Fig.4 Carbon emission list of the life cycle of coal-fired power generation products

上游環(huán)節(jié)主要涉及的排放可以分為煤炭供給、輔料供給2個過程。煤炭供給過程中，涉及的直接排放有煤炭開采及礦后的甲烷（CH4）逸散和炸藥爆破、化石燃料使用、煤炭自燃等，間接排放包括電力使用、煤炭運輸?shù)取］o料供給過程中，涉及的直接排放有輔料原料開采排放、制造加工和化石燃料使用等，間接排放包括電力使用、輔料運輸?shù)?，輔料包括助燃劑、脫硫劑等煙氣處理輔料、潤滑油等機組運行輔料等。

核心環(huán)節(jié)主要涉及的排放可以分為運行發(fā)電、廢物處理2個過程。運行發(fā)電過程涉及的直接排放包括煤炭、助燃劑燃燒等，間接排放包括外購電力使用、廠內(nèi)運輸。燃煤電廠的廠自用電和并網(wǎng)電耗由于來自燃燒排放，為避免重復計算，不列入排放清單中。廢物處理過程涉及的直接排放包括廢物預處理、濕法脫硫、化石燃料使用等，間接排放包括電力使用、廢物運輸?shù)?，廢物包括廢氣、廢水和粉煤灰等固體廢棄物。有些廢物（如脫硫石膏）在再利用時進入了其他產(chǎn)品的生命周期，替代掉了原有的生產(chǎn)原料，從而產(chǎn)生了碳抵扣，這部分碳抵扣將作為負碳排放計入廢物處理過程的直接排放中。

1.4 計算方法

02結果與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

排放計算數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)2種?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)主要包涵企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括通過測量和調查等方式取得的清單上的所有的輸入輸出。背景數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)庫、相關文獻和已發(fā)布的標準指南等。

2.1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源

現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源為河北省某燃煤電廠生產(chǎn)過程中實測，該燃煤電廠有2×300 MW和2×315 MW共4臺凝汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機組，以及共用的1套煙氣處理設備，煤炭來自中國陜西省神東礦區(qū)。數(shù)據(jù)時間尺度選取2022年全年，獲得方式為電廠自查，涉及主要現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃煤發(fā)電的現(xiàn)場數(shù)據(jù)

Table 1 Field data for the coal-fired power generation

2.1.2 背景數(shù)據(jù)

背景數(shù)據(jù)主要是來自Ecoinvent 3.8數(shù)據(jù)庫及相關文獻，并經(jīng)比較后選取的符合電廠情況的碳排放因子，不同單元過程的碳排放因子如表2所示。其中粉煤灰、脫硫石膏等固廢的排放因子采用系統(tǒng)擴展法計算，通過對文獻中的單位排放結果分配后得到。系統(tǒng)擴展法是根據(jù)廢物利用的實際用途，抵扣其所替代的產(chǎn)品的環(huán)境負荷。例如，對脫硫石膏進入下游建筑生命周期后，因此產(chǎn)生的碳抵扣量為其替代的石膏生產(chǎn)流程產(chǎn)生的碳排放值。

表2 碳排放因子

Table 2 Carbon emission factors

2.2 與其他文獻的結果對比分析

根據(jù)碳足跡的計算結果，2022年的燃煤電廠發(fā)電產(chǎn)品的上網(wǎng)電量碳足跡總量為7.4×106 tCO2e。本案例電廠的供熱比為0.244，在對燃煤發(fā)電輸出的電熱產(chǎn)品基于供熱比進行熱電分攤后，得到整個燃煤電廠的單位上網(wǎng)電量碳足跡結果為0.932 kgCO2e/(kW·h)。為確定碳足跡計算結果的可信程度，將碳足跡結果與文獻進行對比分析，并從評價方法、機組容量及類型等方面分析差異原因。

文獻[36]對不同類型的機組進行了碳足跡生命周期評價，其中300 MW的亞臨界機組和600 MW的超臨界機組的單位碳足跡結果為0.971 kgCO2e/(kW·h)和0.830 kgCO2e/(kW·h)。跟本文相比，該結果是偏低的，尤其300 MW的亞臨界機組評估結果。其原因是對上游環(huán)節(jié)的煤炭開采排放估算較低，在總排放占比8%，本文中這一結果約為15%。該文獻中邊界選取圍繞煤炭流向，忽略了輔料流向和廢物流向2部分，本文對此邊界清單進行了補足，雖然這并不是結果差距的主要原因，但從邊界清單方面，本文劃分更加科學，對類似機組的碳足跡結果的可信性有了較大提升，對電廠碳足跡評估方法的標準化和推廣可能具有較大貢獻。文獻[37]對山西省某電廠進行了碳足跡的生命周期評估，結果為0.800 kgCO2e/(kW·h)，其結果大幅度偏低的原因是文獻計算時尚處于中國碳足跡研究不足的時間，所用的排放因子基本來自行業(yè)總值估算，并且存在和文獻[36]一樣的問題，對邊界的劃分僅僅集中于煤炭而失去了對燃煤發(fā)電碳足跡中其他物質流的關注。

文獻[38]對韓國某500 MW超臨界燃煤電廠進行了生命周期環(huán)境評價，結果為1.03 kgCO2e/(kW·h)，這是由于雖然電廠為超臨界機組，但建造年份久，電廠老化導致了熱效率的大幅度降低，直接燃燒排放很高。文獻[39]對385~545 MW超臨界機組進行的碳足跡評估結果為0.970 kgCO2e/(kW·h)，工況和其他數(shù)據(jù)與本文類似，可能是由于文獻考察的純發(fā)電機組，而本文熱電聯(lián)產(chǎn)機組提高了電廠的熱效率，從能量利用的角度降低了碳足跡結果。這2篇文獻表現(xiàn)了機組狀況對于碳足跡值的影響，并顯示了電廠降低碳足跡努力的方向是提高熱效率。

文獻[40]對巴基斯坦的660 MW超臨界電廠進行了碳足跡評估，結果僅有0.751 kgCO2e/(kW·h)，這是由于該文獻所研究的超臨界電廠機組熱效率高于本文的亞臨界機組，這點可以從電煤比的對比看出，文獻[40]中單位供電量的煤耗量為0.375 t/(MW·h)，本文為0.518 t/(MW·h)，差距較大的原因是文獻[40]中的超臨界電廠作為工業(yè)示范項目，投入高，即使與其他超臨界的電廠相比熱效率仍然更高，可以達到44%，而文獻[36,38]中這一數(shù)據(jù)分別為41%和38%。這更說明了降低熱效率對于降低碳足跡的重要性和有效性。為和本文亞臨界機組類型的熱效率比較，舉例如下。文獻[41]對荷蘭某460 MW亞臨界電廠進行碳足跡評估，結果為1.092 kgCO2e/(kW·h)，和本文相比，該機組同為亞臨界類型，且容量相近，其比本文結果高的原因是因為熱效率較低，僅有35%，而本文案例為38%~39%。

綜上所述，碳足跡計算結果差異主要是邊界劃分、煤質和機組工藝、數(shù)據(jù)來源這3方面原因所導致。邊界方面，由于缺乏相關數(shù)據(jù)，本案例并未將建設期納入碳足跡，導致總碳足跡結果理論上偏低，一般電廠建設的碳足跡值占總碳足跡的1%左右，因此建設期不納入邊界的影響是可接受的；煤質和機組工藝方面，僅影響碳足跡計算結果，此處不做具體分析；數(shù)據(jù)來源方面，現(xiàn)場數(shù)據(jù)中均為電廠自采，且通過核查驗證，因此現(xiàn)場數(shù)據(jù)質量較高，背景數(shù)據(jù)中，部分排放因子來自國外數(shù)據(jù)庫，導致本土性不足，影響了結果的可信度。這里選擇國外數(shù)據(jù)庫的原因是國內(nèi)缺少可靠的本土數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)雖然在籌建相關的燃煤發(fā)電排放因子數(shù)據(jù)庫，目前也存在許多排放因子的研究，但無論是系統(tǒng)性還是可信性和國際上已經(jīng)廣泛商用的數(shù)據(jù)庫相比仍然存在不小的差距。

通過文獻結果的對比分析，本文對邊界清單劃分的嚴謹性和完整性具有獨特的優(yōu)勢，對中國電廠碳足跡評估的方法標準化具有較大貢獻。

2.3 過程排放分析

綜合排放清單和碳足跡的計算結果，針對邊界過程進行排放對比分析，得到燃煤發(fā)電生命周期過程排放結果，如圖5所示。燃煤發(fā)電產(chǎn)品的生命周期碳排放以直接排放為主，占總排放的99%以上，間接排放總量不足1%。直接排放中，運行發(fā)電過程占比最大，占比接近80%。間接排放中，煤炭供給過程占比最大，占比88%左右。

圖5 燃煤發(fā)電生命周期過程排放分析

Fig.5 Emission analysis of the life cycle process of coal-fired power generation

為深度溯源過程排放，根據(jù)排放清單對碳足跡計算結果進行了進一步分析，得到本案例的燃煤發(fā)電生命周期清單排放分析結果，如圖6所示。

圖6 燃煤發(fā)電生命周期清單排放分析

Fig.6 Emission analysis of the life cycle inventory of coal-fired power generation

由圖5和圖6得出以下分析結論：在上游環(huán)節(jié)中，煤炭開采造成的間接排放占上游環(huán)節(jié)碳足跡絕大部分，輔料生產(chǎn)部分碳足跡占比不足3%；在核心環(huán)節(jié)中，煤炭燃燒造成的直接排放占核心環(huán)節(jié)碳足跡絕大部分，廢物利用部分碳足跡絕對值占比超過2%。整體來看，直接排放是燃煤發(fā)電生命周期的主要碳排放方式，占據(jù)總碳足跡的99%，其中煤炭燃燒造成的直接排放占絕大部分，占比在79%左右，其次是煤炭開采造成的直接排放，占比超過20%。燃煤發(fā)電廠的固體廢物再利用是燃煤發(fā)電生命周期中的唯一碳抵扣源，碳抵扣量可以達到總碳足跡的2%。

2.4 與碳核查的對比

燃煤發(fā)電的碳排放核查和碳足跡評估的排放組成高度重合，均以直接燃燒為主。因此，碳排放核查和碳足跡結果的特征應該有相似之處，但機組參數(shù)對結果的影響也存在細節(jié)上的不同。例如，在單位供電碳排放強度不變的情況下，增加供電量將導致使用煤炭量的增加，此時由于上游環(huán)節(jié)的煤炭供給過程的碳排放不可忽視，造成單位供電量碳足跡結果的上升。本節(jié)針對燃煤發(fā)電的機組碳排放核查和碳足跡評估的考核指標，分析其中的聯(lián)系性和差異性。

根據(jù)過程排放分析結論，燃煤發(fā)電生命周期的碳足跡集中于煤炭燃燒和煤炭開采的直接排放，這部分排放與電廠的煤質、煤耗量和利用率等密切相關。本節(jié)利用燃煤電廠不同機組（機組1~4）的數(shù)據(jù)，綜合理論和數(shù)據(jù)對比驗證，得到機組參數(shù)對碳足跡的關鍵影響情況。

圖7 機組1~4的單位供電碳足跡和相關系數(shù)關系

Fig.7 Carbon footprint of unit power supply and correlation coefficient of unit 1~4

根據(jù)式（6）、式（8）和圖7可以看出，單位供電碳足跡和機組的發(fā)電碳排放強度Sfd,i、機組的自用電量比率ωi和煤炭的各階段排放因子Fmt有關。Sfd,i說明燃煤電廠的碳核查結果和碳足跡具有相當程度的相似性。ωi顯示了碳核查與碳足跡選取基準的不同，碳核查因為主要考核對象為燃煤電廠，考核的最終目的是限制燃煤電廠的碳排放，故碳排放以單位發(fā)電量為基準，而電力碳足跡的評價目的是為下游產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)基礎，需要從產(chǎn)品端評價，故電力碳足跡以單位供電量為基準。Fmt則顯示了機組的碳排放核查與碳足跡評估的主要不同，差異是由于邊界劃分不同所導致。

由碳核查和碳足跡的對比可知，燃煤發(fā)電在從碳足跡角度去推進減碳工作時，除根據(jù)碳核查分析的常規(guī)手段，如保障高負荷系數(shù)、減少供熱比等，還應該從生命周期的角度考慮，降低機組自用電率，通過降低能耗保障燃煤供給階段的低碳排放。

03結論

本文基于生命周期理論，研究了燃煤發(fā)電的碳足跡評價方法。圍繞河北省某燃煤發(fā)電廠實際案例，通過目標與范圍的界定、清單分析、影響評價和結果解釋等步驟，完成了“從搖籃到大門”的碳足跡評價工作，得到單位上網(wǎng)電量碳足跡為0.932 kgCO2e/(kW·h)，并總結以下結論。

1）燃煤發(fā)電的碳足跡主要集中在核心階段的燃燒直接排放，占總碳足跡的80%左右，但并不是通常認為的95%以上。這是由于煤炭開采環(huán)節(jié)存在大量耗能和逸散排放，煤炭在上游過程的碳排放量不容忽視。

2）通過文獻的結果對比，降低燃燒直接排放是電廠降低碳足跡的有效手段。通過CCUS等技術手段可以有效降低直接排放，推進現(xiàn)有的CCUS技術發(fā)展，通過在建設初期提供政策補貼、推進CO2的商業(yè)化利用等方式降低電廠的經(jīng)濟性損失，提高CCUS的普及率，可以有效降低電廠的直接碳排放。

3）燃煤發(fā)電的碳足跡降低不只依賴常規(guī)的電廠降碳手段。由于上游環(huán)節(jié)的煤炭相關排放也具有較高占比，建議未來的政策方向加強上游約束，通過碳標簽等方式推進煤炭生產(chǎn)相關企業(yè)的降碳工作，以達到電力生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈降碳的目的。