专家论坛 Specialist Forum doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2020.04.001 甲烷的温室效应及排放、控制 □ 美国环保协会北京办事处（100007）汪维 高霁 秦虎 杨罕玲 解东来 摘 要： 甲 烷是具有快速增温效应的短寿命强势温室气体，甲烷的深度减排是将全球升温控制在 1.5℃以下的必要条件。现有的甲烷排放量化方法主要分为因子计算法和监测法，后者分为 “自下而上”法和“自上而下”两种方法。近几年，控制甲烷排放逐步提上一些国家的议事日 程，一些国际组织在积极推动甲烷减排。2019年是中国甲烷管控元年。 “十四五”将成为 中国将甲烷纳入温室气体控排范围、成为长期国家气候战略的重要窗口期。 关 键 词： 甲烷 温室效应 温室气体 油气 1 甲烷与气候变化 体。其在大气中寿命为12年，但在20年尺度下的全球 增温潜势（GWP 20）约为二氧化碳的84倍，在100年 甲烷作为全球第二大温室气体，排放量占全球温 尺度下则为二氧化碳的28倍[3]。甲烷排放在目前人为 室气体排放总量的16% [1]。当前大气中的甲烷浓度已 感知的温室气体全球变暖中的贡献率达到了25% [4]。 达到工业化前水平的2.5 倍[2]。 在政府间气候变化专门委员会IPCC发布的特别报告中 甲烷是具有快速增温效应的短寿命强势温室气 明确指出，甲烷等非二氧化碳温室气体的深度减排是 图1 甲烷在大气中的浓度变化（1750年~2017年） 4 城市燃气 2020 / 04 总第 542 期 汪　维等·甲烷的温室效应及排放、控制 将全球升温控制在1.5℃以下的必要条件[5]。 益；在用天然气替代汽油和柴油的情景中，天然气的 泄漏率需分别控制在1.4%和0.8%以下，才可立即收 表1 温室气体全球增温潜势值（GWP） a 获气候效益。 温室气体 生命周期（年） GWP20 GWP100 CO2 b 1 1 CH4 12.4 84 28 N2O 121 264 265 CF4 50 000 4 880 6 630 HFC-152a 1.5 506 138 注：a.全球增温潜势值来自2014年IPCC第5次评估报告 （IPCC AR5） b.二氧化碳无特定生命周期，排放出的二氧化碳约有65%~ 80%会在20年~200年间溶解在海洋里。其余的二氧化碳则是 经过缓慢的化学风化或是演示形成过程被吸收。 图2 能源转换中天然气泄漏与气候效益年限 在全球范围内，甲烷排放总量的50%~65％来自 相对于分散的农业排放源，能源行业的甲烷排放 煤矿开采、石油天然气系统、垃圾填埋、牲畜、稻 更易治理且具有较高的减排效益，减排潜力巨大。因 田、生物质燃烧等人类活动 。其中，油气行业的甲 此，控制甲烷排放已经成为能源行业应对气候变化挑 烷排放量每年达到8 000多万t，2018年美国环保协会 战的重要手段之一，制定能源行业中长期甲烷减排目 （EDF）在《科学》（Science）上发表题为《美国油 标、开展甲烷排放控制及利用技术、投融资机制的交 气行业供应链甲烷泄漏评估》的论文 指出，2015年 流与研究等对于实现全球气候目标具有重要意义。 [6] [7] 美国油气行业的甲烷实际泄漏量要比美国联邦环保局 从全球与中国各部门的甲烷排放情况来看，除农 （EPA）公布的数据高60%，美国油气行业的甲烷泄 业外，中国固体燃料（即煤炭系统）的甲烷逃逸排放 漏和排放量在20年时间尺度内对气候产生的影响逼近 量在各部门中占比最高（38%，约2 102万t） [10]；而 美国燃煤电厂二氧化碳排放造成的影响。 从全球范围来看，油气系统的甲烷逃逸排放量仅次于 国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望2019》 农业活动，占24%。 显示，2018年全球煤矿甲烷泄漏量达4 000万t，与当 前国际航空和航运业的年度总碳排放量水平大致相 2 甲烷排放核算方法 当。该报告还指出，如果按20年时间尺度内对全球气 候变化的影响来衡量，全球甲烷泄漏最严重的10% 的 目前，国际上尚未建立起标准统一的甲烷气体监 煤矿，其开采过程中排放的甲烷，与采出的煤炭全部 测体系，现有的甲烷排放量化方法主要分为两种，一 直接燃烧带来的温室效应几乎相当 。 种是因子计算法，另一种是监测法，后者主要分为“自 [8] 此外，控制甲烷排放有利于提早收获天然气作为 替代燃料带来的气候效益。EDF科学家在一项针对美 下而上”法和“自上而下”法。 2.1 因子计算法 国的甲烷泄漏研究 中描述了天然气作为燃料替代煤 因子计算法主要指各国（或地区）在参考《IPCC 炭、汽油以及柴油的情景中，天然气的泄漏率与燃料 国家温室气体清单指南》（专门为各国编制和报告温 替代产生气候效益需要的时间关系。在天然气替代煤 室气体清单而设计，以下简称《指南》）所提供的计 炭作为火力发电厂的燃料时，如将天然气泄漏率控制 算方法和基本参数的基础上，结合本国（或本地区） 在2.7%以下，则可立刻收获气候效益，但若天然气 的现实情况对计算方法和排放因子进行修正或确认， 的泄漏率高达6%时，则需在80年后方能收获气候效 编制本国或本地区的温室气体排放清单，基于清单查 [9] 城市燃气 2020 / 04 总第 542 期 5 专家论坛 Specialist Forum 询排放因子数据，从而对不同部门、不同来源的甲烷 观测收集到的甲烷浓度数据与大气传输模型相结合， 排放量进行计算的方法。 来估计场地或区域的排放。这些技术发展迅速，可以 《指南》列出了估算生产过程中甲烷排放量三 有效地量化整体排放，并可以区分排放是热成因形成 个层级的方法, 其中第一、二层为因子计算法，第三 的还是生物成因形成的甲烷（牲畜、垃圾填埋、湿地 层为实际测量法。选择哪层方法取决于可获数据的质 等等）。利用车载监测器、飞机、卫星、无人机和高 量。通常层次越高，需要的数据越详细，结果越科学 塔网络等手段，可以更方便地获得大空间尺度、全排 精确，清单质量越高；另外，国家（或地区）排放量 放源的总量数据，并为微观数据的校准提供便利。 的大小也是决定层次选取的因素之一。第一层：全球 目前，绕地球轨道运行的卫星将能够准确定位温 平均法。要求各国（或地区）选择全球平均范围的排 室气体的排放源，最新的传感器可以精确检测到油田 放因子，利用特定国家（或地区）煤炭及油气系统的 中任意单井或管道的泄漏。卫星监测数据可以向全世 活动数据，来计算排放总量。第二层：国家（或地 界揭示：哪一个国家、企业或是工厂是全球气候变暖 区）平均法。利用特定国家（或地区）的平均甲烷排 的最大贡献者。这些卫星的主要区别在于其规模大小、 放因子和相应产量来估算该区域内的甲烷排放量，且 精度高低、覆盖周期长短以及数据的使用方式等等。 平均甲烷排放系数必须考虑煤炭中的甲烷含量及其排 欧洲航天局的Sentinel-5P卫星的观测范围大、探 放特征。只要适当，各个国家（或地区）通常会制定 测限度高但空间分辨率较低，它可以用作了解全球范 自己的特征值。 围内较大排放源的甲烷排放。 2.2 “自下而上”测量方法 加拿大GHGSat公司的GHGsat卫星以及加州与 “自下而上”的测量方法指能够提供微观尺度 PlanetLab的合作计划于2022年发射的卫星观测范围较 采样数据的元件级直接测量方法。《IPCC国家温室气 窄，主要关注范围在10km~20km的已知排放源的排放， 体清单指南》中第三层级的核算方法，即为“自下而 它可以用作帮助监管机构监测特定设施的甲烷排放。 上”的测量方法。其中煤炭行业主要按各特定煤矿设 美国环保协会（EDF）的全资子公司MethaneSAT， 备对甲烷排放量采用直接的现场测量，以求和计算甲 计划于2022年发射的同名卫星MethaneSAT具有较大的 烷总排放量。油气行业主要对各个设备根据可能的排 观测范围、较高的观测频率和较高的分辨率，它能够 放源（如泄放、放散燃烧、溢散设施泄漏、蒸发损失 绘制和量化200km范围内的浓度为2ppb的甲烷排放。 和意外释放等）进行甲烷排放监测和计算。同时若能 越来越多的卫星监测数据将为全球气候变化提供 得到合理的操作数据和基础设施数据，通常还会适当 更加丰富、精准的温室气体排放数据。这些数据将精 计算临时和次要场所或井场装置的甲烷排放。 准识别温室气体排放源，帮助监管者更有效地管控温 然而，由于煤矿开采速率和气体排除速率的变 室气体排放。 化，煤矿生产的甲烷排放具有很大的天然可变性，而 对其除气系统和通风系统进行测量的位置和频率的选 3 甲烷的控制措施 择也会导致测量的不确定性，油气系统中的组件级运 行数据（例如储罐的吞吐量、各种类型的气动控制器 控制甲烷的排放，不仅有利于减缓短期气候升温 数量、往复式发动机数量等）也具有一定不确定性， 速度、协同控制空气污染、提早收获天然气作为替代 并且油气系统的基础设施包括数百万个不同的排放 燃料带来的气候效益，还能够带来可观的经济效益。 源，几乎不可能“自下而上”地完整测量每个排放源和 甲烷不仅仅是温室气体，更是宝贵的燃料资源。国际 各个组件的排放数据，因此，这种直接“自下而上”测 能源署（IEA）的研究表明，全球油气行业75%的甲 量的方法往往会低估甲烷排放量，若想得到全面、完 烷泄露可以通过现有技术得到控制，而40%~50%的 整的排放数据，通常需与“自上而下”法结合应用。 减排没有额外成本[11]。 2.3 “自上而下”测量方法 “自上而下”法主要通过地面、 飞机、塔台或卫星 6 城市燃气 2020 / 04 总第 542 期 近几年，控制甲烷排放逐步提上一些国家的议事 日程，同时，一些国际组织也在积极推动甲烷减排。 汪　维等·甲烷的温室效应及排放、控制 3.1 制度层面 议》明确提到，要减少能源相关的甲烷排放。 一方面，以甲烷为主的非CO2温室气体减排纳入 美国环保协会（EDF）是较早展开甲烷研究的国 国家自主减排承诺成为新动向。2015年巴黎协定后， 际机构之一，并开启油气研究项目，旨在减少甲烷泄 美国、加拿大、墨西哥、澳大利亚、新西兰、日本均 漏和伴生的大气污染，同时解决水和废物处理问题 对甲烷减排做出了承诺，其中，美国主要几个油气生 以及推动天然气市场改革。自2012年，EDF陆续组织 产州（包括科罗拉多、加利福尼亚、俄亥俄、宾