我國碳排放總量絕大部分來自能源活動和工業(yè)生產(chǎn)過程排放,能源活動碳排放約占我國碳排放的86.5%,能源數(shù)據(jù)與能源活動具有物理相關(guān)性,并且與碳排放核算密切相關(guān),基于能源數(shù)據(jù)能準確計算能源生產(chǎn)、傳輸、消費等各個環(huán)節(jié)碳排放量,而碳排放核算又是“雙體系以及碳排放核算方法,然后聚焦基于能源大數(shù)據(jù)的直接與間接碳排放核算方法。5.1國內(nèi)外碳排放核算體系5.1.1國際碳排放核算體系政府間氣候變化專門委員會(IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC)是牽頭評估氣候變化的國際組織,它是由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)168劃署(UnitedNationsEnviromentProgramme,UNEP)和世界氣象組織(WorldMeteorologicalOrganization,WMO)于1988年建立的,旨在向世界提供當(dāng)前氣候變化及其潛在環(huán)境和社會經(jīng)濟影響的科學(xué)觀點。20世紀90年代末,大多數(shù)國家的溫室氣體排放量只能粗略估計,不能準確測量,因此需要一個普遍認同、適用的測量方法,《IPCC國家溫室氣體清單指南》應(yīng)運而生。該指南是IPCC為各國建立國家溫室氣體清單和減排履約提供的最新方法和規(guī)則,是迄今為止接受度最高、應(yīng)用范圍最廣的國家層面溫室氣體排放清單指南。核算范圍主要包括能源、工業(yè)過程和產(chǎn)品使用、農(nóng)業(yè)林業(yè)和其他土地利用、廢棄物以及其他5大分類、20個二級排放分類,在數(shù)據(jù)收集、方法學(xué)選擇、不確定性、質(zhì)量保證等方面進行了系統(tǒng)性指導(dǎo),為《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約國履行國際義務(wù),依據(jù)本國國情開展清單編制提供了依據(jù)。《IPCC國家溫室氣體清單指南》根據(jù)核算方法的復(fù)雜程度與數(shù)據(jù)的可獲取程度,將方法學(xué)分為3個層級,準確性和精度逐層提高。歐盟、美國是國際上較早開展應(yīng)對氣候變化工作的地區(qū)或組織,在碳排放監(jiān)測核算上積累了豐富的經(jīng)驗,歐洲環(huán)境署(EuropeanEnvironmentAgency,EEA)及美國環(huán)境保護署(U.S.EnvironmentalProtectionAgency,EPA)已基于IPCC核算體系發(fā)布了符合自身情況的歐洲溫室氣體清單指南和美國溫室氣體清單指南。EPA作為美國國家溫室氣體清單編制的領(lǐng)導(dǎo)組織,統(tǒng)籌建設(shè)了包EPA編制的美國國家溫室氣體清單被認為“所提供的準確和完整的數(shù)據(jù),能夠在適當(dāng)情況下向美國國內(nèi)和國際氣候變化政策提供執(zhí)行依據(jù)和文本,并且通過參與聯(lián)合國氣候變化框架公約(UnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange,UNFCCC)和IPCC進程以及通過自身清單編制能力建設(shè)來國際化地改進溫室氣體清單”。美國國家溫室氣體清單在IPCC體系基礎(chǔ)上形成6大分類(農(nóng)業(yè)單獨分169類)、25個二級排放分類,主要使用結(jié)合AP-42《空氣污染物排放系數(shù)匯編》的排放因子法,編制過程有成熟標準的組織模式、系數(shù)開發(fā)管理模式、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理模式和不確定管理模式。同時編制工作還得到先進的大氣監(jiān)測技術(shù)的支持,并建成了IPCC認可的統(tǒng)一碳排放數(shù)據(jù)庫。清單披露周期為每年一次,數(shù)據(jù)滯后一年半左右。EEA是歐盟下屬機構(gòu),是提供有關(guān)環(huán)境的可靠獨立信息,參與制定、采用、實施和評估環(huán)境政策的重要部門。歐盟于1990年通過并建立EEA的法規(guī),1993年年底生效的EMEP/EEA排放清單指南(以前稱為EMEPCORINAIR排放清單指南)為估算人為和自然排放源的排放提供了指導(dǎo)(IPCC只提供人為源排放評估方法),之后轉(zhuǎn)換為氣候公約秘書處所要求溫室氣體的IPCC格式。該指南將排放源整體分為自然源和人為源,在IPCC體系的基礎(chǔ)上將農(nóng)業(yè)單獨分類,并納入火山、林火等,形成6大分類、24個二級排放分類,成員國按國情基于IPCC選擇方法,以排放因子法為主,該指南在數(shù)據(jù)收集方法、方法學(xué)選擇、不確定性等方面進行了系統(tǒng)指導(dǎo)。清單每年更新一次,數(shù)據(jù)滯后一年半左右。歐美現(xiàn)有碳排放核算體系較為完善,對于中國碳排放統(tǒng)計核算有一定參考借鑒意義,但并不完全適用。一是因為歐洲已結(jié)束了能源為主的高耗能高排放的重工業(yè)發(fā)展排放時代,取而代之的是以汽油為主的交通運輸航空業(yè)碳排放,而中國正處于工業(yè)化升級轉(zhuǎn)型階段,煤炭燃燒產(chǎn)生碳排放在一段時間內(nèi)仍占比很大;二是碳核算的具體過程雖然是客觀的測量與計算,但其測量范圍的劃定及具體標準的制定,仍存在巨大的空間差異性,也帶來了不確定性;三是中國各區(qū)域發(fā)展不一,碳排放差異明顯,中國企業(yè)生產(chǎn)裝備工藝更新改造、產(chǎn)能更新?lián)Q代對實際碳排放總量的影響較大。中國為履行好《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的國際義務(wù),需要基于IPCC指南標準,借鑒發(fā)達國家的先進經(jīng)驗,結(jié)合自身國情編制適配性的方法體系。1705.1.2中國碳排放核算體系我國碳排放核算體系也遵循IPCC清單指南的整體框架,主要遵循《1996年指南》、部分參考《2006年指南》,結(jié)合國情制定了區(qū)域及行業(yè)的溫室氣體排放核算方法與指南。在區(qū)域?qū)用?我國于2011年發(fā)布了《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》,采用排放因子法,給出了能源活動、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)、土地利用變化和林業(yè)、廢棄物處理五大領(lǐng)域的溫室氣體排放核算方法。當(dāng)前,31個一級行政區(qū)均已完成2005年、2010年、2012年和2014年省級溫室氣體清單編制。在行業(yè)及企業(yè)層面,國家發(fā)展改革委組織制定了適用于全國范圍的企業(yè)碳排放核算技術(shù)規(guī)范和指南,2013—2015年先后發(fā)布24個行業(yè)的企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行),涵蓋發(fā)電、電網(wǎng)、鋼鐵、化工、電解鋁、鎂冶煉等重點行業(yè)。按照《巴黎協(xié)定》要求,發(fā)展中國家可以兩年發(fā)布一次溫室氣體排放信息。我國于2004年首次發(fā)布1994年排放信息,后續(xù)又接連發(fā)布了2005年、2010年、2012年和2014年的國家溫室氣體排放信息。開展省級溫室氣體清單編制既是提高國家溫室氣體清單質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),也是編制省級應(yīng)對氣候變化規(guī)劃或低碳發(fā)展規(guī)劃的客觀需要。我國編寫《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》,旨在加強省級清單編制的科學(xué)性、規(guī)范性和可操作性,為編制方法科學(xué)、數(shù)據(jù)透明、格式一致的省級溫室氣體清單提供有益指導(dǎo)。指南從能源活動、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)、土地利用變化和林業(yè)、廢棄物處理、不確定性、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制七方面進行了指導(dǎo)說明。1.能源活動能源生產(chǎn)和消費活動是我國溫室氣體的重要排放源。《省級溫室171氣體清單編制指南(試行)》總體上遵循《IPCC國家溫室氣體清單指南》的基本方法,指南第1章“能源活動”,一是針對化石燃料燃燒活動排放源、生物質(zhì)燃料燃燒排放源、煤炭開采和礦后活動逃逸排放源以及石油和天然氣系統(tǒng)逃逸排放源進行了界定;二是根據(jù)清單編制方法、活動水平數(shù)據(jù)及其來源和排放因子數(shù)據(jù)及其確定方法等三方面對化石燃料燃燒活動、煤炭開采和礦后活動逃逸排放以及石油和天然氣系統(tǒng)逃逸排放進行了系統(tǒng)說明;三是詳細規(guī)范了能源部門清單報告格式;四是對電力調(diào)入調(diào)出二氧化碳間接碳排放量核算方法進行統(tǒng)一。2.工業(yè)生產(chǎn)過程工業(yè)生產(chǎn)過程溫室氣體排放指的是工業(yè)生產(chǎn)中除能源活動溫室氣體排放之外的其他化學(xué)反應(yīng)過程或物理變化過程的溫室氣體排放?！妒〖墱厥覛怏w清單編制指南(試行)》第2章“工業(yè)生產(chǎn)過程”,一是根據(jù)清單編制方法、活動水平數(shù)據(jù)及其來源和排放因子數(shù)據(jù)等酸和硝酸生產(chǎn)過程中氧化亞氮排放,一氯二氟甲烷(HCFC-22)生產(chǎn)烴等五個工業(yè)生產(chǎn)過程中其他溫室氣體排放進行了系統(tǒng)說明,其他生產(chǎn)過程或其他溫室氣體暫不報告;二是詳細規(guī)范了工業(yè)生產(chǎn)過程清單報告格式。3.農(nóng)業(yè)省級農(nóng)業(yè)溫室氣體清單包括四部分:一是稻田甲烷排放;二是農(nóng)用地氧化亞氮排放;三是動物腸道發(fā)酵甲烷排放;四是動物糞便管理甲烷和氧化亞氮排放。數(shù)據(jù)獲得的途徑優(yōu)先次序:統(tǒng)計部門數(shù)據(jù)、行業(yè)部門數(shù)據(jù)、文獻發(fā)表數(shù)據(jù)、專家咨詢數(shù)據(jù)。《省級溫室氣體清單編制172指南(試行)》第3章“農(nóng)業(yè)”,一是針對稻田甲烷排放,從清單編制方法、排放因子確定方法、活動水平數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)以及排放量計算結(jié)果四方面進行系統(tǒng)說明;二是針對省級農(nóng)用地氧化亞氮排放量,從清單編制方法、活動水平數(shù)據(jù)及來源、排放因子的確定方法以及排放量估算結(jié)果四方面進行系統(tǒng)說明;三是針對動物腸道發(fā)酵甲烷排放,從排放源界定、清單編制方法、活動水平數(shù)據(jù)及來源、排放因子確定方法及需要的數(shù)據(jù)以及排放量計算結(jié)果五方面進行系統(tǒng)說明;四是針對動物糞便管理甲烷和氧化亞氮排放,從甲烷排放、氧化亞氮排放以及溫室氣體排放量估算結(jié)果三方面進行系統(tǒng)說明;五是詳細規(guī)范了農(nóng)業(yè)部門溫室氣體清單報告格式。4.土地利用變化和林業(yè)土地利用變化和林業(yè)溫室氣體清單,既包括溫室氣體的排放,也包括溫室氣體的吸收。在清單編制年份里,如果森林采伐或毀林的生物量損失超過森林生長的生物量增加,則表現(xiàn)為碳排放源,反之則表現(xiàn)為碳吸收匯?！妒〖墱厥覛怏w清單編制指南(試行)》第4章“土地利用變化和林業(yè)”,一是對我國土地利用進行分類和定義;二是對省級土地利用變化和林業(yè)溫室氣體清單內(nèi)容與范圍進行了系統(tǒng)說明;三是針對森林和其他木質(zhì)生物質(zhì)生物量碳儲量變化和森林轉(zhuǎn)化溫室氣體排放,從清單編制方法、活動水平數(shù)據(jù)與確定方法以及排放因子與確定方法三方面進行系統(tǒng)說明;四是詳細規(guī)范了土地利用變化和林業(yè)清單報告格式。5.廢棄物處理城市固體廢棄物和生活污水及工業(yè)廢水處理過程中,可以排放甲烷、二氧化碳和氧化亞氮氣體,是溫室氣體的重要來源?！妒〖墱厥覛怏w清單編制指南(試行)》第5章“廢棄物處理”,一是對廢棄物處理溫室173氣體排放源進行界定;二是針對固體廢棄物處理,從填埋處理甲烷排放和焚燒處理二氧化碳排放兩方面進行系統(tǒng)說明;三是針對廢水處理,從生活污水處理甲烷排放、工業(yè)廢水處理甲烷排放以及廢水處理氧化亞氮排放三方面進行系統(tǒng)說明;四是詳細規(guī)范了廢棄物處理清單報告格式。6.不確定性不確定性分析是一個完整溫室氣體清單的基本組成之一。應(yīng)確定清單中單個變量的不確定性;將單個變量的不確定性合并為清單的總不確定性,進一步識別清單不確定性的主要來源,以幫助確定清單數(shù)據(jù)收集和清單質(zhì)量改進的優(yōu)先順序。同時還要認識到統(tǒng)計方面也可能會存在不確定性。《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》第6章“不確定明;二是對量化和合并不確定性的方法進行系統(tǒng)說明。7.質(zhì)量保證和質(zhì)量控制質(zhì)量控制是一個常規(guī)技術(shù)活動,用于評估和保證溫室氣體清單質(zhì)量,由清單編制人員執(zhí)行。質(zhì)量保證是一套規(guī)劃好的評審規(guī)則系統(tǒng),由未直接涉及清單編制過程的人員進行。在執(zhí)行質(zhì)量控制程序后,最好由獨立的第三方對完成的清單進行評審。質(zhì)量保證/質(zhì)量控制過程和不確定性分析彼此間提供了有價值的反饋信息。清單估算和數(shù)據(jù)來源作為影響不確定水平和清單質(zhì)量的關(guān)鍵部分,本身也是清單改進的工作重點?！妒〖墱厥覛怏w清單編制指南(試行)》第7章“質(zhì)量保證和質(zhì)量控制”,一是對質(zhì)量控制程序中一般質(zhì)量控制程序和特定類別質(zhì)量控制程序以及質(zhì)量保證程序進行解釋說明;二是對驗證、歸檔、存檔和報告四項工作進行規(guī)范指導(dǎo)。值得注意的是,根據(jù)我國遞交的國家溫室氣體清單顯示,我國目前174農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的二氧化碳暫不記錄,土地利用變化和林業(yè)為碳匯過程,廢棄物處理產(chǎn)生的二氧化碳小于全社會碳排放的1%。目前,我國也基于IPCC清單指南發(fā)布了發(fā)電、電網(wǎng)、鋼鐵、化工、化工,以及工業(yè)其他行業(yè)等24個行業(yè)、企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)。相關(guān)指南從適用范圍、引用文件和參考文獻、術(shù)語和定義、核算邊界、核算方法、質(zhì)量保證和文件存檔以及報告內(nèi)容和格式規(guī)范七方面對各行業(yè)溫室氣體排放進行了指導(dǎo)說明。對行業(yè)、企業(yè)碳排放核算有著非常重要的意義,具體排放源和核算方法與區(qū)域碳排放核算較為類似,針對不同行業(yè)的生產(chǎn)過程碳排放核算會根據(jù)企業(yè)實際的生產(chǎn)工藝進行細化,在此不再贅述。5.2碳排放核算方法總體來看,國內(nèi)外碳排放核算標準涉及的通用碳排放核算方法可分為三類,一類是實測法,通過測量儀器直接針對二氧化碳的濃度、流量等進行實時監(jiān)測,包括宏觀層面的衛(wèi)星監(jiān)測和微觀層面的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測;另一類是計算法,基于排放活動數(shù)據(jù)或物質(zhì)平衡關(guān)系,間接計算出二氧化碳排放量,分為物料平衡法和排放因子法兩種方法;另外隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷發(fā)展,依托機器學(xué)習(xí)等技術(shù),挖掘碳排放與其他解釋變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系從而構(gòu)建回歸分析方程的方法也逐漸興起,本書稱為大數(shù)據(jù)計算法。1755.2.1衛(wèi)星監(jiān)測法衛(wèi)星監(jiān)測法是依賴衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù),通過大氣二氧化碳濃度觀測溯源碳排放的方法,主要應(yīng)用在宏觀大氣二氧化碳濃度監(jiān)測領(lǐng)域,如圖5-1所示。圖5-1衛(wèi)星監(jiān)測法衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)主要是運用了溫室氣體的太陽光反射,其遙感觀測是基于光譜吸收特征,采用傅里葉變換紅外光譜儀從干涉強度信號中提取光源輻射的發(fā)射光譜或物質(zhì)的吸收光譜。衛(wèi)星通過觀測溫室氣體羽流吸收部分反射光譜的方式,完成對溫室氣體的監(jiān)測工作。關(guān)鍵儀器為廣角法布里-珀羅標準具,它由間隔幾微米的2塊反射板制成干涉儀。當(dāng)光通過這個干涉儀時,不同波長的光會在不同的位置產(chǎn)生干涉,形成干涉圖案。當(dāng)太陽光穿過含溫室氣體的大氣層時,紅外光譜中某些波段的光波會被吸收,然后呈現(xiàn)出其特征光譜。衛(wèi)星監(jiān)測法的優(yōu)點為:視野廣闊,可以覆蓋全球或大范圍的區(qū)域,獲取的信息量多,適合宏觀溫室氣體的監(jiān)測;瞬時成像,實時傳輸,快速處理,可以迅速獲取176信息和實時動態(tài)監(jiān)測;受地面影響小,可以探測一些人力難以到達或受干擾的區(qū)域;可以使用多種波段或多種傳感器,獲取不同類型或不同層次的信息。衛(wèi)星監(jiān)測法的缺點為:其空間分辨率較低,可能限制了對小范圍或點源碳排放的精細監(jiān)測;觀測存在周期性,對瞬時變化或短期波動不夠敏感;氣象條件、地表反射和高碳排放負荷區(qū)域可能導(dǎo)致觀測困難,且監(jiān)測成本相對較高。此外,該方法只能監(jiān)測碳排放濃度狀態(tài),難以直接量化大氣中的碳排放量,通常更適用于碳排放的校核,而不太適用于碳排放的具體治理工作。該方法適用部分區(qū)域碳排放宏觀監(jiān)測。5.2.2煙氣排放連續(xù)監(jiān)測法煙氣排放連續(xù)監(jiān)測法主要采用連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)或裝置,通過直接測量煙氣流速和煙氣中二氧化碳濃度來計算溫室氣體的排放量,主要應(yīng)用在企業(yè)的排放源設(shè)施(排口),相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息傳送到環(huán)保主管部門,以確保排放企業(yè)排放物濃度和排放總量達標,如圖5-2所示。彩圖圖5-2煙氣排放連續(xù)監(jiān)測法177針對氣態(tài)污染物,監(jiān)測系統(tǒng)共涉及3種方法,即直接測量法、稀釋取樣法和直接抽取法。直接抽取法,也稱完全抽取法,適用范圍廣,一般來講,只要氣體分析儀本身的量程覆蓋所測氣體的測量范圍,就可以采用直接抽取法。稀釋取樣法,即抽取少量煙氣經(jīng)過濾后,使用無污染的干燥空氣,按照一定比例(如1∶100)稀釋,使煙氣達到常規(guī)空氣狀態(tài)下不結(jié)露,再用普通環(huán)境空氣監(jiān)測儀分析。直接測量法又稱現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測法,不抽取煙氣,對煙氣的污染物進行直接測量,在煙道兩側(cè)分別安裝發(fā)射裝置和接收裝置,發(fā)射裝置發(fā)出一束紅外線或紫外線穿過煙道到達接收裝置,利用煙道作為樣品氣室吸收特征光譜進行測量。該方法的優(yōu)點是計量結(jié)果準確性高,且對儀器要求低;計量結(jié)果實時性強,且可使用多組分同時測量。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測法存在一定的局限性,主要是該系統(tǒng)或裝置體積大,構(gòu)成復(fù)雜,設(shè)備投資高,且不便于實現(xiàn)實驗室的校準;工作環(huán)境惡劣,工作氣體多為高塵、高溫、高濕、易腐蝕,維修成本較高。且根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)流程,任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障均會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)異常,會使估算結(jié)果存在較大誤差。該方法通常設(shè)計用于監(jiān)測特定工業(yè)點源的碳排放,在宏觀層面上難以涵蓋廣闊的區(qū)域。該方法適用于火力發(fā)電、化工等工業(yè)領(lǐng)域碳排放監(jiān)測。5.2.3物料平衡法物料平衡法是以物質(zhì)守恒和轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ),對其化學(xué)反應(yīng)過程進行物料平衡計算的方法,即輸入的物料質(zhì)量必定等于輸出的物料質(zhì)量。該方法既可以用于整個生產(chǎn)過程,也可以用于局部生產(chǎn)過程。物料平衡法可以系統(tǒng)地、全面地計算和研究碳排放,其計算方法為取一定時期內(nèi)燃料的碳平均含量和灰燼中的碳平均含量,根據(jù)差值計算碳排放量。該方法一般程序為先通過質(zhì)量基準、物料組合和未知量等來制178作生產(chǎn)流程圖,之后列出獨立方程并校驗方程數(shù)量與未知量是否一致,最后解方程組求出未知量。該方法主要應(yīng)用于企業(yè)碳排放核算,其優(yōu)點是微觀層面計算更加準確,可以有效針對生產(chǎn)過程碳排放進行系統(tǒng)、全面地分析。該方法的缺點主要體現(xiàn)在應(yīng)用范圍有限,難以應(yīng)用于宏觀層面的碳排放核算,計算結(jié)果受限于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備,準確性難以保障。碳排放核算時計算過程復(fù)雜,數(shù)據(jù)要求高,數(shù)據(jù)需求多,工作量大,需要投入的人力成本高,需要詳細了解工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)工藝等情況。且針對具體環(huán)節(jié)和工藝的能源消耗和含碳量數(shù)據(jù)測量困難,測量成本高,限制了物料平衡法的使用。該方法適用于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)較好的企業(yè),具體公式見式(5-1)E=∑(Qi×Ci)-∑(Qj×Cj)×(5-1)i∈Nj∈M式中,N為能源種類集合;M為燃燒輸出產(chǎn)品和燃燒剩余物集合;Qi為第i種能源的消耗量;Ci為第i種能源的含碳量;Qj為第j種輸出產(chǎn)品和燃燒剩余物的產(chǎn)生量;Cj第j種輸出產(chǎn)品和燃燒剩余物的含碳量;44/12是C轉(zhuǎn)換成CO2的轉(zhuǎn)換系數(shù)(即CO2/C的相對原子質(zhì)量)。5.2.4排放因子法排放因子法是IPCC提出的一種碳排放核算方法。原理是依照《IPCC國家溫室氣體清單》,針對每一種排放源的活動數(shù)據(jù)與排放因子,以活動數(shù)據(jù)和排放因子的乘積作為碳排放量。主要應(yīng)用在國家、 IPCC、EPA、EEA等權(quán)威機構(gòu)獲得。排放因子法的一般程序為先確定目標的系統(tǒng)流程,之后通過調(diào)研、分析和整理資料來收集目標活動179水平數(shù)據(jù),然后基于前兩步工作進行清單數(shù)據(jù)分析,再根據(jù)清單分析結(jié)果標定碳排放因子數(shù)據(jù),最后對碳排放因子核算結(jié)果進行質(zhì)量控制。針對能源活動、工業(yè)生產(chǎn)過程等每種排放源將活動水平數(shù)據(jù)乘以排放因子得到碳排放量,如圖5-3所示。該方法的優(yōu)點在于原理輸入。圖5-3排放因子法該方法存在一定的局限性,主要體現(xiàn)在依賴大量統(tǒng)計數(shù)據(jù),導(dǎo)致其時效性和分辨率不高,且受其他因素影響導(dǎo)致不確定性較大。計180算時活動水平數(shù)據(jù)獲取的準確度和精度會影響碳排放核算的精度。且由于能源類型、燃燒設(shè)備、燃燒技術(shù)、制作工藝等差異,采用缺省值或區(qū)域平均水平排放因子可能導(dǎo)致碳排放核算結(jié)果與實際情況存在偏差。因此該方法適用于排放源較為穩(wěn)定的宏觀及中觀層面碳排放計算。5.2.5大數(shù)據(jù)計算法大數(shù)據(jù)計算法是基于機器學(xué)習(xí)等人工智能方法或計量經(jīng)濟學(xué)等統(tǒng)計方法,通過算法模型構(gòu)建碳排放與其他變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系,利用分析模型計算碳排放數(shù)據(jù)。目前比較主流的方法是DMSP/OLS(美國國防氣象衛(wèi)星計劃/衛(wèi)星運行的線性掃描系統(tǒng))夜間燈光數(shù)據(jù)分析法和NPP/VIIRS(對地觀測衛(wèi)星/紅外輻射成像儀)夜間燈光數(shù)據(jù)分析法。郭忻怡等基于國家溫室氣體排放清單指南提出的核算方法,利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和美國國家極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù),構(gòu)建了碳排放空間回歸模型,對原煤、原油、天然氣等9種能源消費的碳排放量進行了測算。張永年等基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù),通過Theil-SenMedian趨勢分析法與Mann-Kendall檢驗法構(gòu)建了碳排放擬合模型,對我國14年間能源碳排放量進行了預(yù)估分析。許燕燕等基于我國DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和能源統(tǒng)計數(shù)據(jù),對成渝地區(qū)碳排放進行了研究。以DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)分析碳排放時空動態(tài)為例。先對夜晚燈光數(shù)據(jù)和碳排放數(shù)據(jù)進行多重檢驗,之后輸入面板數(shù)據(jù)模型得到碳排放估計值,再通過碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)與估計值進行驗證,最后得到碳排放的時空動態(tài)。瞿植等基于DMSP-OLS與NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù),通過構(gòu)建轉(zhuǎn)換模型,將能源消費碳排放量分配到像元尺度,并進行時空變化分析。對比普通最小二乘法(Ordinary181LeastSquares,OLS)模型、地理加權(quán)回歸(Geogra生態(tài)指數(shù)(RiskScreeningEnviromentalIndicators,RSEI),以及代表性關(guān)偉等對東北三省碳排放的演變趨勢進行了動態(tài)分析,基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù),構(gòu)建東北三省的碳排放模型,從柵格級、市級及縣級模擬分析1994—2013年碳排放的時空演變特征,其詳細流程見圖5-4。該方法,優(yōu)勢在于可以讓各種數(shù)據(jù)相互之間建立數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián),之后可以根據(jù)其他維度數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)的映射關(guān)系,用質(zhì)量更高、時效性更好的數(shù)據(jù)來替換原本的輸入數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)規(guī)模越大,數(shù)據(jù)集越復(fù)雜,分析效果越好。但大數(shù)據(jù)計算法也存在局限性,通常大數(shù)據(jù)計算法輸入的特征數(shù)據(jù)沒有物理層面的實際含義,導(dǎo)致結(jié)果的可解釋性較差。除此之外,相關(guān)模型在訓(xùn)練過程中需要足夠的樣本空間容量,如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)量不足,模型可能無法捕捉到數(shù)據(jù)的變化趨勢,從而影響它在新數(shù)據(jù)上的泛化能力和準確性。此外,模型可能無法捕捉到數(shù)據(jù)中的潛在結(jié)構(gòu)或特征,從而影響它對問題的全面理解和分析能力。該方法多應(yīng)用于宏觀和中觀層面的碳排放核算。將上述五種主流碳排放核算方法從優(yōu)勢、局限性和適用尺度三方面進行了歸納總結(jié),詳情見表5-1。其中衛(wèi)星監(jiān)測法、煙氣排放連續(xù)監(jiān)測法和物料平衡法適用于企業(yè)和產(chǎn)品的微觀層面核算,對分地區(qū)、分行業(yè)的宏觀層面核算并不適用。排放因子法雖適用于分地區(qū)、分行業(yè)碳排放核算,但容易受到其他因素影響導(dǎo)致不確定性較大。而大數(shù)據(jù)計算法不僅適用于分地區(qū)、分行業(yè)碳排放核算,還可以多維度、高頻次地進行分析,且更容易和統(tǒng)計學(xué)相關(guān)算法模型結(jié)合,可以更好地推廣應(yīng)用。182圖圖5-4大數(shù)據(jù)計算法183表5-1碳排放核算方法比較方法優(yōu)勢適用尺度衛(wèi)星監(jiān)測法監(jiān)測范圍廣;實時傳輸;受地面影響小;獲得信息較多空間分辨率較低、觀測存在周期性、監(jiān)測成本相對較體治理工作宏觀煙氣排放連續(xù)監(jiān)測法計量結(jié)果準確性高;對儀器要求低;計量結(jié)果實時性強;可使用多組分同時測量差、難以涵蓋廣闊的區(qū)域微觀物料平衡法微觀層面計算更加準確;可以有效針對生產(chǎn)過程碳排放進行系統(tǒng)、全面的分析難以應(yīng)用于宏觀碳排放核算,受限于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備;計算過程復(fù)雜,數(shù)據(jù)要求高,人力成本大,測量成本高子法原理簡單易于理解、應(yīng)成熟的官方數(shù)據(jù)做支撐依賴大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù);受其他因素影響導(dǎo)致不確定性較大,且時效性和分辨率不高大數(shù)據(jù)計算法數(shù)據(jù)是實時數(shù)據(jù),質(zhì)量高且統(tǒng)計口徑一致;可以進行多維度、高頻次的分析結(jié)果的可解釋性較差;需要足夠的樣本空間容量,否則容易影響泛化能力和準確性5.3基于能源大數(shù)據(jù)的直接碳排放核算方法能源數(shù)據(jù)是碳排放核算核心的活動水平數(shù)據(jù),但目前全量能源數(shù)據(jù)采集獲取的時效性還存在不足,快速準確的碳排放核算需要具有更高時效性、分辨率、準確性的數(shù)據(jù)進行支撐。電力數(shù)據(jù)作為一種能源數(shù)據(jù),和煤、油、氣等其他數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性強,且電力行業(yè)良好的信息化基礎(chǔ),保證了電力數(shù)據(jù)在時效性、準確性等方面具有顯著優(yōu)勢。因184此構(gòu)建電力數(shù)據(jù)與能源消費、產(chǎn)品產(chǎn)量的回歸分析模型,實現(xiàn)能源活動和工業(yè)生產(chǎn)過程等活動水平月度數(shù)據(jù)的快速計算,并與碳排放因子結(jié)合計算碳排放量,是一條結(jié)合大數(shù)據(jù)計算法和排放因子法切實可行的技術(shù)路線。5.3.1理論框架將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與機器算法模型相結(jié)合來計算碳排放具有充分的研究基礎(chǔ)和良好的應(yīng)用前景。本章在IPCC碳核算指南的基礎(chǔ)上,結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法,建立基于能源大數(shù)據(jù)的碳排放核算方法學(xué)體系,并對電力數(shù)據(jù)及其他碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)填補、數(shù)據(jù)平滑降噪等預(yù)處理工作。隨后分解碳排放關(guān)鍵驅(qū)動因素,加以訓(xùn)練構(gòu)建回歸分析模型,并與國內(nèi)外權(quán)威數(shù)據(jù)庫進行對比驗證,不斷調(diào)優(yōu)參數(shù)、更新模型,如圖5-5所示。圖5-5基于能源大數(shù)據(jù)的碳排放核算理論框架1855.3.2方法體系由于能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法采用充分結(jié)合大數(shù)據(jù)計算法及排放因子法的技術(shù)路線,因此在開展計算時需要遵循碳排放核算指南及有關(guān)標準,本章介紹的能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法在IPCC碳排放核算體系基礎(chǔ)上進行了繼承和擴充,并引入機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),在方法選擇和時間序列上進行了創(chuàng)新,形成了能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)。1.數(shù)據(jù)收集IPCC碳排放核算方法學(xué)中數(shù)據(jù)收集步驟主要運用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)理論,使用數(shù)據(jù)庫采集、系統(tǒng)日志采集等方法收集現(xiàn)有數(shù)據(jù)、生成新數(shù)據(jù)和調(diào)整數(shù)據(jù)庫清單。IPCC碳排放核算方法學(xué)的數(shù)據(jù)來源包括:國家統(tǒng)計機構(gòu)、部門專家及利益相關(guān)組織、其他國際國內(nèi)專家、IPCC排放因子數(shù)據(jù)庫、出版統(tǒng)計資料的國際組織(如聯(lián)合國、歐盟統(tǒng)計局或國際能源署、經(jīng)濟合作與發(fā)展組織、國際貨幣基金組織)、環(huán)境類著作、期刊和報告中的科技論文、《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約國提交的國家清單報告等。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)的數(shù)據(jù)收集在IPCC碳排放核算方法學(xué)原有理論和方法的基礎(chǔ)上進行了擴充,主要引入了基于網(wǎng)絡(luò)理論理、可視化、數(shù)理統(tǒng)計等領(lǐng)域的綜合技術(shù),可以對Web數(shù)據(jù)資源中未知且有潛在應(yīng)用價值的信息進行提取。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)應(yīng)用Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)收集外部公開數(shù)據(jù)集。2.方法選擇IPCC方法學(xué)主要分三類:排放清單、剩余源和吸收源。排放清單是186指用于收集和記錄溫室氣體排放信息的工具。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)選擇的方法是在IPCC碳排放核算方法學(xué)原有理論和方法的基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新,具體包括運用機器學(xué)習(xí)理論、統(tǒng)計學(xué)、計量經(jīng)濟學(xué)、大數(shù)據(jù)分析等理論的基于傳統(tǒng)擬合回歸的線性回歸(LinearRegression,LR)Lagged,ARDL)模型、基于深度學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork,ANN)模型、基于機器學(xué)習(xí)的梯度提升迭代決策樹(GradientBoostingDecisionTree,GBDT)模型。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)應(yīng)用這些方法對能源活動和工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量進行測算。1)LR模型LR模型是利用數(shù)理統(tǒng)計中的回歸分析,來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法。若兩個或者多個變量之間存在“線性關(guān)系”,則可以通過歷史數(shù)據(jù),厘清變量之間的聯(lián)系,建立一個有效的模型,通過一個或多個自變量來預(yù)測因變量結(jié)果,其數(shù)學(xué)表達式可描述為y=β0+β1x1+β2x2+…+βpxp+ε(5-2)式中,p為樣本個數(shù);xi是第i個樣本;β為系數(shù);y為因變量;ε為隨機誤差項。2)ARDL模型ARDL模型是一種較新的協(xié)整檢驗?zāi)Ｐ?更加適用于小樣本集的模型訓(xùn)練,可解釋性強。ARDL模型使用因變量的滯后項和自變量的當(dāng)期及滯后項進行構(gòu)建,直接估計出變量間的長期效應(yīng)和短期的平衡關(guān)系,其數(shù)學(xué)表達可描述為式中,p≥1,q≥0,Xt-i為自變量;yt與yt-1為因變量;ut為誤差項;β為對應(yīng)自變量的系數(shù);?i表示對應(yīng)因變量滯后項的系數(shù);t表187示因變量yt取值的時間。該模型包含了自回歸和分布滯后兩種模型,因此同時考慮了序列相關(guān)性和動態(tài)影響。3)ANN模型深度學(xué)習(xí)是一種通過簡單模型的逐層堆疊獲取高層非線性特征的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,它的基本特點是試圖模仿人類大腦神經(jīng)元之間傳遞和處理信息的模式。目前應(yīng)用比較廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有反向傳播(BackPropagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。ANN模型是對人類神經(jīng)活動的一種模擬,其結(jié)構(gòu)由多個人工神經(jīng)元相互連接生成,包含3部分:輸入、激活函數(shù)與輸出。其中,輸入一般為一個n維的向量,輸出可表示為Nout=f(wNin+b)(5-4)式中,Nin表示人工神經(jīng)元的輸入;w與b分別為人工神經(jīng)元的連接權(quán)重與偏置;f為該神經(jīng)元的激活函數(shù),當(dāng)該人工神經(jīng)元接收外來輸入,經(jīng)處理大于閾值后會進行響應(yīng)并輸出。4)GBDT模型GBDT模型是通過采用加法模型(即基函數(shù)的線性組合),以及不斷減小訓(xùn)練過程產(chǎn)生的殘差來達到將數(shù)據(jù)分類或者回歸的方法。GBDT模型可對多個弱分類器進行不斷迭代,形成一個強分類器。GBDT模型的基礎(chǔ)為決策樹,通過計算負梯度值不斷地對模型進行迭代,形成多個決策樹的級聯(lián),使殘差變化不斷減小,從而提升模型的計算速度與準確率。GBDT模型通過梯度提升方法實現(xiàn)多個決策樹的集成,從而解決過擬合的問題,有效提高了訓(xùn)練速度。GBDT模型可以表示為決策樹的加法模型,即映射F(x)若干分類器組成,其表達式如下:式中,P為回歸數(shù)的參數(shù),其表達式為F(x,P)={βm,am};x為輸入樣本;am為第m棵樹的參數(shù);βm為第m棵樹的權(quán)重;函數(shù)h(x,am)表示具有參數(shù)am和x的決策樹;M表示決策樹的數(shù)量。1883.時間序列能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)的時間序列在IPCC碳排放核算方法學(xué)原有理論和方法的基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新,具體包括運用機器學(xué)習(xí)理論、統(tǒng)計學(xué)、計量經(jīng)濟學(xué)、大數(shù)據(jù)分析等理論的差分整合移動平均自回歸模Average,SARIMA)模型、遺傳算法(GeneticAlgorithm,GA)、蟻群優(yōu)化(AntColonyOptimization,ACO)算法、粒子群優(yōu)化(ParticleSwarmOptimization,PSO)算法、二次規(guī)劃(QuadraticProgramming,QP)算法等方法。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)應(yīng)用ARIMA模型、SARIMA模型等時間序列預(yù)測算法對時序數(shù)據(jù)進行填補,應(yīng)用QP算法、GA算法、ACO算法、PSO算法等對年度數(shù)據(jù)進行月度拆分。1)ARIMA模型ARIMA模型又稱整合移動平均自回歸模型(移動也可稱作滑動),是時間序列預(yù)測分析方法之一。ARIMA(p,d,q)中,AR是“自回歸”,p為自回歸項數(shù),MA為“滑動平均”,q為滑動平均項數(shù),d為使之成為平穩(wěn)序列所做的差分次數(shù)(階數(shù))。ARIMA(p,d,q)模型是ARMA(p,q)模型的擴展。ARIMA(p,d,q)模型可以表示為Φ(B)(1-B)dyt=θ(B)εt(5-6)式中,B是延遲算子(LagOperator)。2)SARIMA模型SARIMA模型是基于ARIMA模型的擴展,也是時間序列預(yù)測分析方法之一。SARIMA模型在ARIMA(p,d,q)模型基礎(chǔ)上又增加了3個超參數(shù)(P,D,Q),以及一個額外的季節(jié)性周期參數(shù)s。SARIMA(p,d,q)(P,D,Q,s)總共7個參數(shù),可以分成2類,3個非季節(jié)參數(shù)(p,d,q)和4個季節(jié)參數(shù)(P,D,Q,s)。SARIMA模型的一般形式為?(B)Φ(BS)(1-B)d(1-BS)Dyt=c+θ(B)Θ(B)(5-7)189式中,S和D分別表示季節(jié)周期的長度和季節(jié)差分的階數(shù);BS表示季節(jié)后移算子。3)GA算法GA算法是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法,將染色體的一些性質(zhì)如“選擇、交叉、變異”用在了求解過程中,其原理可概述為:概率性保留當(dāng)前解,或者對當(dāng)前解進行交叉和變異處理,更新為新的解,然后用一個評價函數(shù)(適應(yīng)度)評價解的好壞,進而確定這些解在下一代解中出現(xiàn)的概率,往復(fù)迭代,直到滿足終止條件。4)ACO算法ACO算法是一種用來尋找優(yōu)化路徑的概率型算法。其靈感來源于螞蟻在尋找食物過程中發(fā)現(xiàn)路徑的行為。基本思路為:用螞蟻的行走路徑表示待優(yōu)化問題的可行解,整個螞蟻群體的所有路徑構(gòu)成待優(yōu)化問題的解空間。路徑較短的螞蟻釋放的信息素量較多,隨著時間的推進,較短路徑上累積的信息素濃度逐漸增高,選擇該路徑的螞蟻個數(shù)也越來越多。最終,整個螞蟻群體會在正反饋的作用下集中到最佳的路徑上,此時對應(yīng)的便是待優(yōu)化問題的最優(yōu)解。5)PSO算法PSO算法是一種進化計算技術(shù),源于對鳥群捕食的行為研究。該算法最初是受到飛鳥集群活動的規(guī)律性啟發(fā),進而利用群體智能建立的一個簡化模型。PSO算法在對動物集群活動行為觀察基礎(chǔ)上,利用群體中的個體對信息的共享使整個群體的運動在問題求解空間中產(chǎn)生從無序到有序的演化過程,從而獲得最優(yōu)解。PSO算法的基本思想是通過群體中個體之間的協(xié)作和信息共享來尋找最優(yōu)解。6)QP算法QP算法的對象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng),而目標函數(shù)為對象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù),其數(shù)學(xué)表達式可通常描述為190式中,xt,r以及xm,r為待優(yōu)化變量;yt,r以及ym,r為因變量;A為約束矩陣。4.不確定性IPCC碳排放核算方法學(xué)在不確定性過程中運用概率論和統(tǒng)計學(xué)等理論,使用誤差傳播、蒙特卡洛模擬等方法,為估算報告與年排放、清除量、排放和清除隨時間變化的趨勢有關(guān)的不確定性提供指導(dǎo)。1)誤差傳播誤差傳播用來估算整個清單中和關(guān)注年份與基年趨勢中單個類別的不確定性。其通過使用誤差傳播公式來計算源類別的不確定性,具體分為兩類,一是由于今年和關(guān)注年份的某一特定源類別和氣體的排放增加引起的不確定性;二是由于關(guān)注年份的某一特定源類別和氣體排放增加引起的不確定性。通過源類別不確定性的簡單合并從而估算出一年中總體的不確定性以及趨勢的不確定性。2)蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬適用于詳細的分類不確定性估算,尤其是不確定性大、分布非正態(tài)的情況。蒙特卡洛模擬的主要理論基礎(chǔ)是概率統(tǒng)計理論,主要手段是隨機抽樣、統(tǒng)計試驗。它的基本思想是:為了求解問題,首先建立一個概率模型或隨機過程,使它的參數(shù)或數(shù)字特征等于問題的解,然后通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算這些參數(shù)或數(shù)字特征,最后給出所求解的近似值,解的精確度用估計值的標準誤差來表示。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)的不確定性估算繼承了IPCC碳排放核算方法學(xué)原有理論和方法。5.質(zhì)量控制IPCC碳排放核算方法學(xué)在時間序列步驟中運用統(tǒng)計學(xué)和管理學(xué)等理論,使用質(zhì)量保證(QualityAssurance,QA)/質(zhì)量控制(QualityControl,QC)、驗證活動等方法提高國家溫室氣體清單的透明性、一致191性、可比較性及準確性。QA/QC與驗證活動應(yīng)該是清單編制過程中的重要組成部分。QA/QC與驗證的結(jié)果可能會引起對清單或類別不確定性估算的重新評估,以及排放或清除估算的后續(xù)改進。例如,QA/QC的結(jié)果可能會指出應(yīng)該成為改進工作重點的某個類別估算方法學(xué)中的特定變量。QC是一個常規(guī)技術(shù)活動系統(tǒng),用于在編制清單時評估和保持質(zhì)量。它由清單編制人員執(zhí)行。QC系統(tǒng)旨在:(1)提供定期和一致檢驗來確保數(shù)據(jù)的內(nèi)在一致性、正確性和完整性;(2)確認和解決誤差及疏漏問題;(3)將清單材料歸檔并存檔,記錄所有QC活動。QC活動包括一般方法,如對數(shù)據(jù)采集和計算進行準確性檢驗,對排放和清除計算、測量、估算不確定性、信息存檔和報告等使用業(yè)已批其他估算參數(shù)及方法的技術(shù)評審。QA是一套規(guī)劃好的評審規(guī)則系統(tǒng),由未直接涉足清單編制/制定過程的人員進行評審。評審確認可測量目標已實現(xiàn),確保清單代表了在目前科學(xué)知識水平和數(shù)據(jù)獲取情況下排放和清除的最佳估算,而且支持QC計劃的有效性。能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué)的QC在IPCC碳排放核算方法學(xué)原有理論和方法的基礎(chǔ)上進行了擴充,具體包括運用偏差分析理論的智能偏差分析等方法。5.3.3技術(shù)路線基于能源大數(shù)據(jù)碳排放核算方法學(xué),結(jié)合電力大數(shù)據(jù),本章探索構(gòu)建了能源大數(shù)據(jù)碳排放核算模型,包括兩大步驟:一是以電算能(產(chǎn)量),將歷史電量、GDP等數(shù)據(jù)與能源活動、工業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,構(gòu)192建分析模型,通過當(dāng)月電力等數(shù)據(jù)計算出當(dāng)月能源活動和工業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù);二是以能(產(chǎn)量)算碳,將能源活動和工業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)乘以相關(guān)碳排放因子得到當(dāng)月碳排放量,如圖5-6所示。1.以電算能(產(chǎn)量)以電算能(產(chǎn)量)是模型的主要部分,包括兩個步驟。步驟一,回歸分析計算,使用電力等數(shù)據(jù)回歸分析計算能源活動及工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)量數(shù)據(jù);步驟二,頻度轉(zhuǎn)換,將年度數(shù)據(jù)拆分到月度,如圖5-7所示。1)步驟一:回歸分析回歸分析計算,主要是利用輸入和輸出量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,選用基于時間序列的ARDL模型進行計算、預(yù)測未來趨勢,是整體模型的核心。是將歷史電量、GDP等數(shù)據(jù)與能源活動、工業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,構(gòu)建回歸分析計算模型。2)步驟二:頻度轉(zhuǎn)換由步驟一計算出來的能源活動和工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)量數(shù)據(jù)是年度數(shù)據(jù),需要通過步驟二將年度的低頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為月度的高頻數(shù)據(jù)。通過二次規(guī)劃算法,將能源活動、工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)量與用電量數(shù)據(jù)之間的抽象距離作為目標函數(shù),求取每月的能源活動和工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)量數(shù)據(jù),使目標函數(shù)取最小值(即抽象距離最短),如圖5-8所示,以能源消耗數(shù)據(jù)為例,通過二次規(guī)劃算法,實現(xiàn)年度能源消耗數(shù)據(jù)拆分為月度能源消耗數(shù)據(jù),其變化趨勢和月度電量的變化趨勢相吻合。2.以能(產(chǎn)量)算碳以能(產(chǎn)量)算碳是將以電算能(產(chǎn)量)輸出的能源消費和產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù),乘以對應(yīng)的碳排放因子得到碳排放量。碳排放因子包括《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》等定義的通用因子,見圖5-9。193圖5-6“能源大數(shù)據(jù)碳排放核算模型”技術(shù)路線193194圖圖5-7以電算能(產(chǎn)量)架構(gòu)195圖圖5-8頻度轉(zhuǎn)換例圖196圖圖5-9以能(產(chǎn)量)算碳架構(gòu)1975.4基于能源大數(shù)據(jù)的間接碳排放核算方法根據(jù)國際通用做法,電力碳排放核算需要獲得電力碳排放因子。目前各國碳排放因子的選取主要參考《IPCC國家溫室氣體清單指2017年國家發(fā)展改革委首次公布全國電網(wǎng)碳排放因子,隨后生態(tài)環(huán)境部分別于2022年和2023年更新了全國電網(wǎng)平均碳排放因子值。對于區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子,目前處于長時間的停滯狀態(tài),國家發(fā)展改2013年及2014年區(qū)域碳排放因子,在此之后已有近10年未更新。區(qū)域電力碳排放因子的更新缺乏時效性,導(dǎo)致已有電力碳排放因子計算結(jié)果不夠精細,在計算空間維度方面,分時分區(qū)的計算顆粒度不夠,地理尺度上計算覆蓋區(qū)域大、計算缺乏時效性,未考慮可再生能源發(fā)電類型和數(shù)量在不同區(qū)域的發(fā)展差異;在計算時間維度方面,計算時長一年內(nèi)只有一個時段,未考慮可再生能源發(fā)電的時變特性等問題。當(dāng)前針對碳排放強度的應(yīng)用方式單一,難以直觀反映電力碳排放強度的時空演化特征。為了實現(xiàn)電力碳排放準確計量,急需開展電碳關(guān)聯(lián)分析,研究能反映綠色屬性的電力碳排放因子計算方法,提升電力碳排放因子的時空分辨率,獲得動態(tài)電力碳排放因子。本節(jié)提出動態(tài)電力碳排因子計算方法,從電碳耦合的理論框架進行介紹,對電網(wǎng)節(jié)點和分區(qū)域動態(tài)電力碳排放因子計算原理進行詳細說明,并給出應(yīng)用領(lǐng)域。1985.4.1理論框架電力碳排放因子計算方法針對兩類主體,一類是節(jié)點,另一類是區(qū)域。通常電力碳排放因子也可以稱為電力碳強度,對節(jié)點與區(qū)域又分別衍生出發(fā)電側(cè)、用電側(cè)等不同角度的電力碳強度計算方法,最終聚合并等效為節(jié)點電力碳強度的碳量平衡計算方程與區(qū)域電力碳強度計算方法。對于區(qū)域電力碳強度計算方法,本書提出了考慮特高壓綠電輸送的區(qū)域電力碳強度計算方法,以及區(qū)域電網(wǎng)與省間分層聯(lián)合的電力碳強度計算方法,如圖5-10所示。圖5-10動態(tài)電力碳排放因子計算理論框架5.4.2節(jié)點電力碳強度計算方法變電站作為電能生產(chǎn)、傳輸與消費的基本單元,也是電力碳強度計算的基本單元。變電站可分為發(fā)電廠站、傳輸廠站和負荷廠站,各類型199節(jié)點碳強度計算方式也有所不同。1.發(fā)電廠站節(jié)點定義變電站電力碳強度(SubstationCarbonIntensityofElectricity,SCIE),用來表示在該廠站消耗單位電量時,在發(fā)電側(cè)所對應(yīng)產(chǎn)生的碳排放量,其量綱為kgCO2/(kW·h),或者噸CO2/(MW·h)。對于發(fā)電廠站k,其SCIE等于發(fā)電廠的發(fā)電碳強度,對于一個連接多臺發(fā)電機組的發(fā)電廠站,其碳排放量和電力碳強度分別為SCIEk,t(5-10)式中,Fk,t為發(fā)電廠站k在時段t的總碳排放量;Gk,t為發(fā)電機組k扣除廠站用電后,在時段t的總發(fā)電量;ek為發(fā)電機組k的碳排放因子。2.傳輸廠站節(jié)點碳輸入量與電力碳強度線路作為變電站之間傳輸電能的載體,在傳輸電能的同時,也傳輸對應(yīng)的碳量。定義線路(i,j)的始端和終端有功潮流、線損分別用Pi,j,Pj,i,ΔLij表示,變電站i的電力碳強度用SCIEi表示,則有如下的線路碳量平衡方程:Pi,j,t·SCIEi,t=-P(j,i),t·SCIEi,t+ΔL(i,j),t·SCIEi,t(5-11)式中,Pi,j,t·SCIEi,t為從變電站i在線路(i,j)的始端流入的碳量;P(j,i),t·SCIEi,t為從變電站i在線路(i,j)的終端流入變電站j的碳量;ΔL(i,j),t·SCIEi,t為與線路(i,j)的線損所對應(yīng)的碳量。200對于傳輸廠站k,其輸入的總碳量等于與其相連的輸入線路碳量之和,其SCIE等于其總輸入碳量除以其總輸入有功功率,或者總輸出有功功率:式中,BIk,BOk分別為傳輸廠k輸入和輸出線路的集合。3.負荷廠站碳輸入量與電力碳強度對于負荷廠站k,其輸入的總碳量等于與其相連的輸入線路碳量之和,其SCIE等于其總輸入碳量除以其總輸入有功功率,或者總線路輸出有功功率與總負荷之和:式中,BIk,BOk分別為負荷廠k輸入和輸出線路的集合;Lk,t為負荷廠k的總負荷。201對于擁有分布式發(fā)電量Gk,t的負荷廠站,有負荷內(nèi)部平衡法和廠站總體平衡法兩種處理方式。負荷內(nèi)部平衡法:其總輸入碳量保持不變,將分布式電源發(fā)電量從總負荷中扣除,這種情況下,分布式電源只影響擁有分布式發(fā)電的那部分負荷的碳強度,其總輸入碳量和碳強度計算公式不變,把式(5-15)中的Lk,t的計算公式改為:Lk,t=L,t-Gk,t,這種情況適合于低碳園區(qū)。廠站總體平衡法:將分布式發(fā)電電量及其碳量計入廠站總輸入碳量,據(jù)此計算廠站電量碳強度:(5-17)4.基于廠站節(jié)點電力碳強度的碳量平衡方程深入探索以上變電站節(jié)點碳強度計算方法,可得到通用變電站節(jié)點碳量平衡方程。對于任何類型的變電站k,其輸出電量與輸入電量一定是平衡的:相應(yīng)地,其輸出碳量和輸入碳量也一定是平衡的,考慮到式(5-17),產(chǎn)生兩種碳量平衡方程:202對于一個具有S個變電站的系統(tǒng),SCIE的計算公式可以用一個S維的矩陣方程表示,定義:Pt是由-P(k,i),t構(gòu)成的、對角線元素為0的S×S的電能輸入下三角稀疏矩陣,SCIEt為S維用電側(cè)電力碳強度向量,則式(5-18)可寫成矩陣方程式(5-22),則方程式(5-19)可寫成矩陣方程式(5-24):Ht·SCIEt=Ft(5-22)同理,對應(yīng)于方程式(5-21),定義:H·SCIEt=Ft(5-24)對于方程式(5-21)和式(5-23),其左端矩陣中的值由線路上的潮流、發(fā)電機組發(fā)電量或者負荷廠站的負荷量確定,因而進行SCIE計算的先決條件是已知電網(wǎng)的狀態(tài)估計或潮流計算結(jié)果。在計算出SCIE后,可以計算出對應(yīng)不同空間區(qū)域的區(qū)域用電側(cè)電力碳強度(CarbonIntensityofElectricitySector,CIES):203通過以上公式也可以計算出各個電網(wǎng)區(qū)域的電能交換量,以及交換碳量。5.4.3區(qū)域電力碳強度計算方法1.區(qū)域發(fā)電側(cè)區(qū)域發(fā)電側(cè)電力碳強度與其燃料類型和發(fā)電效率有關(guān),煤電機組最高,天然氣機組次之,風(fēng)、光、水等可再生能源發(fā)電效率較小,一般取0,核電機組為低碳機組?？梢?區(qū)域發(fā)電側(cè)電力碳強度只取決于區(qū)域內(nèi)的發(fā)電量,以及隨之產(chǎn)生的碳排放量。區(qū)域內(nèi),可再生能源發(fā)電和低碳發(fā)電比例越大,區(qū)域的電力碳強度越低。CIEGa,t(5-26)式中,CIEGa,t為區(qū)域a在時段t的發(fā)電電力碳排放強度;Ga為區(qū)域a內(nèi)所有發(fā)電機的集合;Gk,t為發(fā)電機k在時段t的發(fā)電量;ek為發(fā)電機k的碳排放因子。2.區(qū)域用電側(cè)對于電能純輸出地區(qū),其發(fā)電側(cè)電力碳強度與用電側(cè)電力碳強度相同。對于電能輸入?yún)^(qū)域,其用電側(cè)電力碳強度需要考慮鄰近電網(wǎng)輸入的電量,即與鄰近區(qū)域電網(wǎng)之間的電力交易,以及隨之帶來的碳排放強度。204式中,In,a,t為在時段t從鄰近區(qū)域n輸入?yún)^(qū)域a的電量;Na是區(qū)域a輸入電能的區(qū)域集合;CIECn,t為鄰近區(qū)域n的用電電力碳強度。3.電網(wǎng)區(qū)域電能平衡方程電網(wǎng)區(qū)域電能平衡方程用來描述電網(wǎng)中各個區(qū)域之間的電能平衡關(guān)系,通常包含了發(fā)電量、傳輸損耗、區(qū)域間電能交換幾部分,用于確保電網(wǎng)中電能供需平衡,保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。隨著可再生能源和分布式發(fā)電的增加,電網(wǎng)區(qū)域電能平衡的管理和優(yōu)化將變得更加復(fù)雜,同時也為提高能源效率和減少溫室氣體排放提供了新的機遇。(5-28)(5-28)式中,In,a,t為在時段t從鄰近區(qū)域n輸入?yún)^(qū)域a的電量;Na是區(qū)域a輸入電能的區(qū)域集合;La是區(qū)域a負荷的集合;Dl,t是負荷l在時段t的用電量;NLa,t是區(qū)域a在時段t的網(wǎng)損;Ma是從區(qū)域a輸出電能的區(qū)域集合;Oa,m,t是在時段t從區(qū)域a輸出到區(qū)域m的電能。4.區(qū)域碳排放量輸入輸出平衡方程電網(wǎng)區(qū)域碳排放量輸入輸出方程表征的是區(qū)域內(nèi)輸入電能所產(chǎn)生的碳排放與輸出及網(wǎng)損電能所產(chǎn)生的碳排放的平衡關(guān)系。電力碳強度作為方程中的關(guān)鍵部分,用于衡量發(fā)電過程中的環(huán)境負荷,與區(qū)域能源結(jié)構(gòu)、能源效率、技術(shù)水平等息息相關(guān)。一般地,可以通過加大可再生能源的發(fā)電比例降低區(qū)域電力碳強度,從而使區(qū)域碳排放量維持在一個較低的水平。(5-29)(5-29)205式中,CIECn,t為區(qū)域n的輸入側(cè)電力碳強度。5.考慮特高壓綠電輸送的區(qū)域電力碳排放因子計算方法特高壓作為跨區(qū)域大容量傳輸線路,其中可再生能源輸送比例較高,目前電網(wǎng)區(qū)域電力碳排放因子未考慮綠電跨區(qū)域傳輸?shù)奶剂髁總鲗?dǎo)影響,導(dǎo)致區(qū)域電力碳排放因子計算準確度不高。為解決這一問題,本章提出了考慮特高壓綠電輸送的區(qū)域電力碳排放因子計算方法?？紤]到實際特高壓線路跨區(qū)域大容量綠電傳輸對區(qū)域間碳流量計算的影響因素,基于通用區(qū)域電力碳強度計算公式,引入特高壓綠電傳導(dǎo)因子,進一步提升區(qū)域電力碳強度計算結(jié)果精度。在應(yīng)用層面,依照數(shù)據(jù)需求從電力統(tǒng)計年鑒、能源統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)源獲取發(fā)電廠碳排放因子數(shù)據(jù),并篩選2018年各省各月數(shù)據(jù)作為測試樣本,對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一審查梳理。圖5-11考慮特高壓綠電輸送的區(qū)域電力碳強度示意圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,基于區(qū)域電網(wǎng)電量數(shù)據(jù)計算總碳排放量,而后,得出計及特高壓線路在區(qū)域間的綠電量傳輸?shù)奶剂髁繄D5-11考慮特高壓綠電