双碳目标下地级市实现碳中和可行性分析——以珠三角某工业城市为例

曾金灿，陈爱忠，吕 松，王曦巍，屈加豹

（1.南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510700；2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100041；3.国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室，北京 100041；4.航天科工海鹰集团有限公司，北京100071）

1 引言

工业革命以来，人类向大气中排放温室气体逐年增加，据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）中显示，地球表面平均温度自19世纪以来升高了约（1～1.5）℃[1]。随之而来的，全球气候变暖引发了海平面上升、淹没沿海低地等一系列环境问题，因此，实现各国间温室气体减排刻不容缓[2-4]。我国作为世界第二大经济体和负责任的大国，致力于推进温室气体减排。2020年，“双碳目标”被提出，我国将力争于2030年前达到碳排放峰值，2060年前争取实现碳中和[5-6]。城市作为人类生产生活的主要载体，是温室气体排放的主要来源。据学者统计，城市的能源消耗、城市建筑、交通和工业生产等活动消耗了全球67%～76%的化石能源，排放了71%～76%的能源相关的CO2。其产生的碳排放占据了全国碳排放的85%以上[7-8]。因此，城市正面临巨大的温室气体减排压力。

核算城市温室气体排放量是我国目前的重点工作之一，同时也是开展城市低碳研究的基础性工作[9]。我国当前城市温室气体核算主要参考国际组织的编制体系如《IPCC 国家温室气体清单指南》《ICLEI方法学》或我国的《省级温室气体清单编制指南》[10]。覃小玲[11]等参考《IPCC 国家温室气体清单指南》建立了深圳市温室气体排放清单。白卫国[12]等基于《省级温室气体清单编制指南》并借鉴了《ICLEI方法学》的部分思想编制了2010广元市温室气体排放清单。Bi[13]等建立了南京市温室气体排放清单。周秀娟[14]等通过《省级温室气体清单编制指南》和《IPCC 国家温室气体清单指南》编制了南宁市能源活动温室气体排放清单。韦良焕[15]等基于IPCC和我国《省级温室气体编制指南》编制了我国西北五省的温室气体排放清单。赵先贵[16]等基于《IPCC 指南》和《省级指南》编制了西安市温室气体排放清单，并对西安市温室气体排放等级进行了评估。刘蕊[17]通过《IPCC指南》和《省级指南》编制了北京市温室气体排放清单，并基于Kaya恒等式和LMDI指数分解法分析了温室气体的主要影响因素。武晓琪[18]等根据《2006 IPCC指南》和《省级指南》编制了邯郸市2010—2019年温室气体排放清单，并基于Tapio脱钩模型分析了邯郸市碳排放和经济增长的关系。上述学者的研究为我国城市低碳化发展提供了广泛的研究基础，但大部分研究对于城市生态系统碳汇量核算仍有不足。碳汇核算方法多采用指南推荐的生物量转换因子法，该种方法较为成熟，适用于区域尺度的碳汇核算；但核算过程需要大量基础数据支撑，且由于转换因子的一致性无法较好地反应核算区域的碳汇量[19]。随着遥感通信技术的不断发展，借助遥感影像数据建立估算模型实现碳汇测算受到越来越多人的关注。该种方法通常基于卫星遥感数据、气象数据等计算出植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP），再考虑土壤呼吸消耗估算生态系统的碳汇量。我国NPP估算方法主要有统计模型、参数模型和过程模型，其中以基于光能利用率的过程模型（CASA）应用最为广泛。凌思源[20]等基于MODIS数据、气象数据和植被类型数据，利用CASA模型估算了2011—2020年天津地区的植被净生态系统生产力。龚泊舟[21]基于NDVI数据、气象数据和植被数据，利用CASA模型估算了昆明市各生态系统的碳汇量。胡蝶[22]利用CASA模型对海林林业局的历史碳汇能力进行了评估。CASA模型正被广泛应用于描述陆地生态系统碳汇、碳源解析等工作中。

某市位于我国珠江三角洲，是粤港澳大湾区的重要轻工业制造基地。目前，该城市正在积极推进低碳城市的建设。因此，为摸清其温室气体排放量，早日实现“双碳”目标。本研究利用“全国排污许可证管理信息平台（以下简称许可平台）”和“全国碳排放数据报送与监管系统（以下简称碳系统）”所提供的重点企业碳排放数据，以《广东省市县（区）温室气体清单编制指南（试行）》为主要参考依据，结合CASA模型所估算的某市年度生态系统碳汇量，编制了某市2020年温室气体碳排放和碳汇清单，并进行碳减排潜力分析，助力某市早日实现“碳达峰”“碳中和”的远景目标。

2 某市温室气体排放清单

2.1 数据来源

本次某市温室气体排放清单选取2020年作为编制基准年，以《广东省市县（区）级温室气体清单编制指南》（以下简称指南）作为主要参考依据，考虑了某市能源活动、工业生产过程、农业活动和废弃物处理四个部分的温室气体排放，核算的温室气体主要包括CO2、CH4和N2O三种。

（1）能源活动 本研究通过对某市的现场调查得知，某市并无煤炭、石油和天然气等化石燃料的开采活动，因此，本次清单编制能源活动部分编制只考虑化石燃料燃烧所带来的碳排放量。本研究中化石燃料活动水平数据来源于某市2021统计年鉴。部分燃料的热值、碳氧化率和含碳量来源于《指南》，依据《指南》对统计年鉴中的各行业进行分部分分燃料计算碳排放量，其中，公用电力与热力部门、纺织业、造纸及纸制品业企业数据来源于“许可平台”和“碳系统”。

对于某市建筑业、服务业、居民生活、交通运输、仓储和邮政业及农林牧渔业活动水平数据，本次研究暂未获取到某市2020年真实数据，此处暂时使用广东省能源平衡表中省级人均数据，根据某市人口数量转换所得。调入电力活动水平数据来源于某市统计局发布的《十三五节能降耗成就报告》。

（2）工业生产活动 本研究经调研后发现，某市工业生产活动环节无温室气体排放。其中水泥企业无水泥熟料生成过程，钢铁企业无炼铁溶剂高温分解和炼钢降碳过程，电力设备生产企业生产不涉及使用SF6；半导体企业不涉及晶圆的电浆清洁和电浆蚀刻等过程；此外，某市也无涉及石灰、电石和硝酸等相关产品的工业生产过程；因此，本次某市温室气体排放清单不考虑工业生产活动部分。

（3）农业活动 农业活动涉及的温室气体主要包括CH4和N2O排放，其中CH4排放来源于稻田、动物肠道发酵和动物粪便管理等直接排放；N2O排放来源于农用地的直接排放和间接排放、动物粪便管理带来的直接排放。本研究中农业活动水平数据来源于《广东省农村统计年鉴》和某市2021统计年鉴。

（4）废弃物处理 2020年某市城市生活垃圾已经实现100%“无填埋、净焚烧”处理。废弃物处理所带来的温室气体排放主要包括焚烧所带来的CO2排放和废水处理所带来的CH4、N2O排放。废弃物焚烧处理活动水平来自《某市工业固体废物污染防治规划》。废水化学需氧量总量来源于《广东建设年鉴》，生物需氧量由《指南》中华南地区COD/BOD转换比例计算而来。

2.2 核算方法

本次某市温室气体核算方法参考《广东省市县（区）级温室气体清单编制指南》，排放因子采用指南中所推荐的缺省值进行核算，具体见表 1。

表1 某市温室气体排放核算方法

2.3 重点行业碳排放量

重点企业是指全国碳排放权交易市场内年排放总量达到2.6万tCO2e当量及以上的企业或组织。根据“许可平台”和“碳系统”，某市重点企业共计28家，其中9家为公用电厂，年度碳排放总量为1 541.86万tCO2e；17家为造纸企业自备发电厂，年度碳排放总量为1 514.80万tCO2e；2家为纺织企业自备电厂，年度碳排放总量为100.24万tCO2e；。与基于指南缺省值的碳排放计算结果对比，如图 1所示，基于指南缺省值所计算结果普遍偏小。考虑到指南中的缺省值往往只可代表广东省的平均水平，无法真实反应该地区实际碳排放水平，而“许可平台”和“碳系统”碳排放量数据是基于企业燃料实测发热量、碳氧化率和含碳量进行计算，计算结果更贴近实际值，因此本研究采用实际排放因子计算重点行业碳排放量。

2.4 结果与分析

图1 重点行业碳排放量对比图

某市温室气体排放清单见表 2，依据指南要求，电力调入CO2排放量在本次清单中只作为信息项进行展示，不计入某市本地的温室气体排放。某市2020年温室气体排放总量为4 650.57万tCO2e（CH4和N2O依据指南均折算为CO2当量）。从温室气体排放构成来看，CO2占据温室气体排放的主导地位，共排放4 615.31万t，在温室气体排放总量中占比达到99.25%。其中，能源活动所产生的温室气体排放为4 470.42万tCO2e，占温室气体排放总量的95.19%。废弃物处理为某市第二大排放源，共排放238.67万tCO2e，占某市温室气体排放总量的5.13%。主要来源于某市城市生活垃圾焚烧带来的CO2排放。最后为农业活动，受地区面积与经济水平影响，某市农业活动所排放温室气体较少，仅为5.83万tCO2e，占某市温室气体排放总量的0.12%。

表2 2020年某市温室气体排放总量（万t CO2当量）

3 某市生态系统碳汇清单

3.1 数据来源

本研究中基于遥感技术手段，开展某市生态系统碳汇监测，由于某市2020年卫星遥感影像数据云量较多，故采用2022年卫星遥感数据进行替代。本研究中将某市森林系统碳汇分为森林、草地、湿地和农田四类生态系统，同时考虑火灾等扰动因素，收集了某市GF-2、ZY1E和Sentinel-2等多源卫星遥感数据，包括气温、降水和日照时数在内的气象数据及Himawari8/9火点产品以实现某市生态系统碳汇量估算。

3.2 核算方法

生态系统碳汇部分使用CASA模型利用光和有效辐射和光能利用率估算NPP值，考虑异养呼吸消耗，实现净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity，NEP）反演，并累加时间段内的时间序列NEP，实现生态系统碳汇量估算。本次清单编制核算方法如下所示。

1）植被净初级生产力NPP估算

式中，x表示像元，t表示时间；NPP（x，t）表示像元x在t月的净初级生产力，g·m-2；Ɛ（x，t）表示像元x在t月的光能利用率，g·MJ-1，APAR（x，t）表示像元x在t月植被吸收的光合有效辐射，MJ·m-2。

2）净生态系统生产力NEP估算

式中，NEP（x，t）表示像元x在t月的净生态系统生产力，g·m-2；NPP（x，t）表示像元x在t月的植被净初级生产力，g·m-2，Rh（x，t）表示像元x在t月的土壤异养呼吸消耗量，g·m-2；T（x，t）表示像元x在t月的平均温度，℃，P（x，t）表示像元x在t月的总降水量，mm。

3）生态系统碳汇量估算

式中，stmon表示起始月份，endmon表示终止月份，TH（x，stmon，endmon）表示像元x的在stmon～endmon时间范围内的生态系统碳汇量，g·m-2；NEP（x，stmon，endmon）表示像元x在stmon～endmon时间范围内的净生态系统生产力，g·m-2；d表示年内天数，dst表示起始日期对应的年内天数，dend表示终止日期对应的年内天数；fire（d，h）表示监测年度第d天第h小时的过火区；fire（stmon，endmon）表示stmon～endmon时间范围内的过火区；Forest（year）表示监测年度林地区域。

3.3 结果与分析

经计算可得，2022年度某市生态系统碳汇量为71.80万tCO2e，其中森林生态系统碳汇量为62.76万tCO2e，草地生态系统碳汇量为0.18万tCO2e，湿地生态系统碳汇量为0.002 9万tCO2e，农田生态系统碳汇量为8.85万tCO2e。从生态系统碳汇总量来看，森林和农田为某市主要固碳系统。

4 某市碳中和可行性分析

生态系统碳汇可以一定程度上缓解某市的“碳中和”压力，但目前碳汇总量与某市自身所排放的4 578.77万t温室气体相比，仍然存在较大差距，该城市难以依靠自身的生态系统碳汇实现“碳中和”目标。应进一步探索温室气体减排路径，挖掘某市自身的减排潜力。

4.1 某市减排潜力分析

根据“许可平台”和“碳系统”，能源活动部门温室气体排放主要来自公用电厂及造纸与纺织行业的自备电厂。二者累计碳排放为3 056.7万t，累计占比达到64.98%。其中，某市电力行业燃料使用上仍以煤炭为主，燃煤机组装机容量占总发电机组的65%。排放了2 707.36万t二氧化碳，存在着较大减排潜力。由于光伏发电、生物质发电等清洁能源发电受地理、原料来源等多方面因素影响，当前在我国仍无法大面积普及；因此，本研究只考虑燃煤发电机组“煤改气”化所带来的减排潜力。

某市“十四五”期间电源规划如图 2所示，在该规划下，某市发电机组装机容量整体呈上升趋势。总装机容量于2024年达到峰值，总装机容量为17 430MW。此后，总装机容量趋于稳定，维持在16 000MW左右。在此规划下某市发电机组全面转向天然气化，天然气机组发电装机容量逐年增加，与总装机容量趋于一致。与此相对的是煤电机组的装机容量整体呈下降趋势，2020—2021年，煤电装机容量下降21%；2022—2023年，煤电装机容量下降25%；至2025年，某市公用电力部门将实现燃煤发电机组全面退役。

图2 电源规划下某市公用电厂装机容量变化图

对于企业自备电厂，电源规划并未进行规划；因此，本次研究假设企业发电机组退役趋势与公用电厂保持一致。且不在新增发电机组，装机容量始终保持于2020年的装机容量水平。

4.2 未来减排量核算方法

对于未来电厂碳排放量计算采用基于2020年的公用电厂与自备电厂单位装机容量碳排放强度进行计算，计算公式为

式中，C为二氧化碳排放量，t/MW；：ADi为燃煤或燃气机组的装机容量，MW；EFi为2020年燃煤或燃气机组的单位装机容量碳排放强度，t/MW。

4.3 结果与分析

如图 3所示，某市电厂碳排放总量相比于2020年的3 056.7万t，整体碳排放量存在大幅度下降。碳排放量呈现先增后减趋势，这主要是由于某市的电力机组装机容量不断提高。例如，某市2023年的公用电厂总装机容量为16 205MW，此时的装机容量达到了2020年的2倍以上。装机总量的提高势必会带来发电量的增加。届时某市则不会产生大量的调入电力，由调入电力所带来的间接碳排放会大幅度下降。2025年，某市完成电力行业燃煤机组退役后，碳排放量达到了最小值，相较于2020年碳排放量下降了43.15%。

图3 某市2021—2035年电厂碳排放量变化图

5 结论

目前，某市由于其自身工业特点，温室气体排放主要来源能源活动，现有温室气体排放量远大于自身生态系统碳汇量。即使在电力侧采用 “煤改气”减排措施，相较于2020年碳排放量下降了43.15%，碳排放达到了1 319万t，但与生态系统碳汇量71.80万tCO2e相比，仍然存在较大差距，难于实现碳中和目标。对于某市这种空间狭小、生态系统碳汇量趋于稳定的二线城市来说，仅依靠提高能效或清洁能源替代等路径难以顺利实现某市“碳中和”的目标，需要依靠碳捕集、利用和封存等深度脱碳或其他政策支持才能实现“碳中和”目标。