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天然气是全球能源的支柱之一。在替代煤炭和石油等更多化石污染燃料的地方,它改善了空气质量并限制了二氧化碳的排放。
所以在很多国家,天然气被吹捧为实现碳中和的“桥梁燃料”,是从煤炭、石油转向可再生能源或氢能的过渡燃料。
比如美国能源咨询管理局(EIA)认为,燃烧天然气产生的二氧化碳比燃烧煤炭及石油产品要少一些, 天然气因此也是一种“燃烧起来相对清洁”的化石燃料。
德国也把天然气作为主要电力来源。
天然气作为过渡燃料依赖于一个基本假设:天然气的总碳排放量低于其他化石燃料来源。但近年来,一系列科学研究对这一假设提出了质疑,认为天然气发电产生的温室气体被严重低估。
特别是天然气在生产、储存、运输和加工过程中,泄露的甲烷对全球温室气体排放有深刻的影响。甲烷是一种比二氧化碳还强大的温室气体。
在COP26大会上,100多个国家承诺到2030年减少30%的甲烷排放,然而,人们没有对天然气是否可以成为实现低碳转型的“桥梁燃料”形成共识。
最近,来自加拿大麦吉尔大学的Sarah M. Jordaan联合美国康奈尔大学、卡耐基梅隆大学等世界学府的科学家研究发现,只有所有参与燃气电力生命周期的国家需采取所有的应对策略(主要是碳捕捉与封存技术、甲烷消除技术与能效提升),并平衡锁定碳密集型电力的风险,才能真正将天然气作为减排并最终实现净零排放的重要途径。这篇研究成果发表在Nature Climate Change上。
1 全球燃气发电的碳排放
研究人员以2017年为基准年、108个国家为研究对象,在国际能源署提供的世界能源数据和英国石油公司(BP)的审计统查数据的基础上,以每度电产生的二氧化碳当量为指标,来评估天然气价值链生命周期的温室气体排放(即,碳足迹)。
通过收集来自全球108个国家的数据,并对各国的排放量进行量化,不同国家排放量差异很大,从334到1389 gCO2e/kWh 不等,全球平均值为 645±197 gCO2e /kWh。预计全球燃气发电生命周期中的二氧化碳排放总量为每年36亿吨。
如果将热电联产(CHP)考虑进来,发电厂能效是造成温室气体排放强度差异的主要原因。从国家的角度来看,发电厂能效最高的国家会产生最低的天然气生命周期温室气体排放,远低于世界平均的46.3%,这些国家主要集中在欧洲(如大面积采用热电联产的法国)和亚洲-太平洋地区(如中国和新加坡)。
对俄罗斯来说,在不考虑热电联产的情况下,因发电厂的低能效以及高频率的甲烷泄漏事件,俄罗斯的温室气体排放强度最高,达到1509gCO2e/kWh,远超过以煤炭为燃料产生的平均温室气体排放强度。
如果考虑到热电联产,并将其分配到温室气体排放中,预计在俄罗斯燃气发电的整个生命周期,温室气体排放强度可达615gCO2e/kWh。
如果只考虑天然气发电,乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦和乌克兰也是拥有最高温室气体排放强度的国家。
美国和俄罗斯,这两个全球最大的天然气生产者与消费者,在天然气发电过程中分别贡献了7.22亿吨和3.48亿吨的二氧化碳当量。
在天然气生产到发电的过程中,天然气发电产生的温室气体排放(占总生命周期的84%)超过了天然气生产产生的排放(16%)。
从天然气运输的方式来看,液化天然气的温室气体排放强度最高,为49gCO2e/kWh,之后是国际管道运输(9gCO2e/kWh)和国内管道运输(0.5gCO2e/kWh)。
日本、韩国等国家依赖液化天然气进口,由于其燃气发电的电力效率较高,排放强度低于平均水平(分别为579、548gCO2e /kWh )。在日本,95%的天然气进口以液化天然气的形式进行,贡献了8.2%的温室气体排放强度。
2 为减少燃气发电排放,我们可以......
研究人员指出,如果全球一致努力减少天然气消费与生产排放强度,到2035年,可避免698亿吨的二氧化碳当量排放,到2050年,这一数据达到462亿吨。
为实现《巴黎气候协定》将全球气温上升幅度控制在1.5°C以内的目标,到2050年,累计二氧化碳排放量需在4400亿吨以下。
他们认为,如果电力行业在2035年前充分采用以下的应对措施,可避免额外产生的236亿吨当量二氧化碳排放,其中,美国、俄罗斯、伊朗、沙特阿拉伯和日本(其燃气发电产生的温室气体排放占39%)在这方面有巨大的潜力:
•在100年的全球变暖潜能情景中,天然气发电设备的升级可减少19%的天然气发电生命周期甲烷排放。在20年的全球变暖潜能情景中,则可减少26%的甲烷排放;将发电能效软件和硬件设施的效率提升3%,每年可避免近2亿吨的当量二氧化碳排放;
•通过将输电线路的技术损失降低到1.3%-6%(可采取的措施有缩短天然气输送距离),以及减少33%的非技术损失(可采取监测电力消费状况、减轻未支付的账单等措施),每年可避免或更好地控制超8000万吨的当量二氧化碳排放;
•在推动能源转型的过程中,通过升级上游的加工和天然气液化设施,可避免85%的逃逸甲烷和59%的排出的甲烷气体,可采取的手段有,安装排放监控系统、进行泄露监测与修复调研、限制甲烷燃放与排放;
•在20年和100年的全球变暖潜能情景中,通过升级天然气发电设备、提升发电能效的软件和硬件设施的效率、减少输电线路的技术与非技术损失、升级加工与液化设施,每年可分别避免5.21亿吨和1.73亿吨的当量二氧化碳排放;
•碳捕获与封存技术可收集天然气燃烧过程中产生的90%的二氧化碳,是最有效的减排方式,从国家层面看,可平均减少45%的全球碳排放强度(从645gCO2e/kWh下降至352gCO2e/kWh),加上其它应对措施,在未来20年和100年全球变暖潜能情景中,每年可避免25亿吨的当量二氧化碳排放。
•政府需识别天然气供应链中产生温室气体排放的驱动因素,采取战略化的国家自愿减排行动,以减少温室气体排放。
3 未来,燃气发电的需求将下降
国际能源署发布的《2022年世界能源前景》报告指出,未来全球电力行业净零排放的实现将带动其他行业的净零排放。
随着可持续能源,如太阳能、风能、氢能的快速推广(到2030年,可持续能源发电量占比达43%,2050年前为65%),在未来,电力行业对天然气的需求会下降:2021年到2030年间,电力行业对天然气的需求下降约3%。
到2030年,电力行业对天然气的需求较2021年下降25%,即,4500亿立方米,燃气发电厂将成为灵活的电力供应商。
联合国环境规划署(UNDP) 发布的《2022年排放差距报告:正在关闭的机会之窗》显示,为确保实现将全球气温上升幅度控制在1.5°C以内的目标,在电力行业,零碳资源的发电量在2030年和2050年需分别达到65%-92%和98%-100%。
为在2040至2050年间淘汰燃气发电,到2030年,未消减的天然气发电量到2030年需降至17%。
可采取的措施包括,避免新的化石燃料基础设施建设,消除新的化石燃料补贴,制定公正的、制定来自政府层面的化石燃料淘汰计划、投资者推动化石燃料电力公司转型或从持有的股份中撤出。
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