地理信息系统在碳排放核算中的应用.pdf

Aug.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.4 地理信息系统在碳排放核算中的应用Application of Geographic Information System in Carbon Emission Accounting张启元（复旦大学 环境科学与工程系，上海 200433）ZHANG Qiyuan（School of Environmental Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China）摘要：在中国“双碳”目标、碳排放量和增长速度等背景下，采用制造业调查、文献研究、定量分析、描述性研究等方法，以 Q 汽车厂商为例，对企业“碳达峰”“碳中和”方案展开分析。针对汽车行业投资大、供应链长、能耗高、核算因子复杂等特点，通过了解目前的核算因子及其在地理信息系统中的展现方式，研究汽车制造在整个供应链中将地理信息系统与碳排放相结合的方式，阐述了地理信息系统在碳排放核算中应用时的其他影响因素。关键词：碳排放；双碳；地理信息系统；汽车行业Abstract：In the context of China s carbon peaking and carbon neutrality goals，carbon emissions and growth rate，this paper adopts manufacturing investigation，literature research，quantitative analysis，descriptive research and other methods，taking Q automobile manufacturer as an example，to analyze the enterprise s“carbon peak”and“carbon neutral”plan.Based on the characteristics of the automobile industry，such as large investment，long supply chain，high energy consumption and complex accounting factors，this paper aims to study how the automobile manufacturing combines geographic information system（GIS）with carbon emissions in the entire supply chain through an analytical review of the current accounting factors and their presentation in GIS，and to preliminarily analyze other influencing factors when GIS is applied in carbon emissions accounting.Key words：carbon emissions；double carbon；geographic information system；car中图分类号：X 322 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）04-0102-071前言气候变化是现今人类面临的严重危机之一，为避免人类受气候变暖的威胁，联合国气候变化框架公约 缔约方通过了 2 部具有法律效力的气候协议，即 1997 年通过的 京都议定书 和 2015 年通过的 巴黎协定，进而在法理层面控制温室气体排放。条约中，大多数发达国家赞同设定 6 种主要温室气体排放的法律约束目标，大多数成员国同意设定排放配额（即“分配数量”）。一直以来，中国政府高度重视气候变化问题，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平主席向世界郑重宣示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳（CO2）排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和。”根据国际能源署（International Energy Agency，IEA）发布的 2022年二氧化碳排放报告，2022 年，我国 CO2排放量为1 147 700万 t，相较 2021年下降 2 300万 t，占总排放量的 0.2%，基本持平。另外有数据显示，碳排放总量排名前 10 的企业 2020 年排放量均超过 1 亿 t，总量几乎接近剩余所有企业排放量总和。地理信息系统（Geographic Information System，GIS）作为实际应用效果良好的系统方法，因其呈现出的企业化、社会化、全球化、大众化等特点，所以在企业碳排放核算的应用中，具有关键作用。受样本及时间的限制，本文以 Q 汽车厂商为例，研究汽车制造在整个供应链中，将地理信息系统与碳排放相结合，并应用于企业生产过程的方式。2碳核算概述我国学者对于碳核算研究有过不少成果。其中，王廷章认为绿色低碳经济作为一种新兴的经济模式，在我国经济发展中发挥着举足轻重的作用。这对于我国经济可持续发展来说，既是机遇，也是挑战1。陈红敏指出我国碳体系在核算范围、生命周期核算环节、处理碳抵消活动、信息报告要求等方面还存在些许不足。此可以对自下而上的碳核算体系加以合理运用，加大我国全社会的节能减排 1022023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）动力2。碳核算是指计算各类工业生产行为通过直接或间接的方式，向外环境排放 CO2及其当量气体的方式，可核算直接与间接碳排放的总量。在其计算过程中，更易发现潜在的减排环节和方式，有益于“碳中和”目标的实现，以及碳交易市场的运行。2021 年 10 月 25 日，联合国政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）颁布了以碳排放对全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）影响度的指标。其中，常见气体的 GWP 值如下：CO2为 1、甲烷（CH4）为 21、一氧化二氮（N2O）为 310、六氟化硫（SF6）为 23 900、氢氟碳化物（HFCS）为 1 211 700、全氟化氮（PFCS）为 65 009 200。2.1碳排放的核算方法碳核算的主要形式为实际测量和分析计算两种，排放因子法、质量平衡法和实际测量测法是其具体计算方法。2.1.1排放因子法（基于计算）目前，排放因子法的适用范围较广，其应用较为普遍，ISO 16064标准中碳排放基本量化公式为温室气体排放量=ADEFGWP（1）式中：活动数据（AD）为某一项排放源的全年消耗量，比如用电总量、天然气使用量、汽油使用量等，在进行统计的时候相关人员需要保证活动数据的范围都在基准年里；排放因子（EF）为单位活动的排放量系数，它与活动数据相乘后就可以得到“每使用 1 kg 汽油会造成多少温室气体排放”的具体数字；全球变暖潜值（GWP）为气体的温室效益指数，其可以用来测定选定的时间范围内（一般为 100 a），某种温室气体对应于相同效应的 CO2的变暖影响。排放因子法适用于较大尺度范围的计算，如国家、省市层面，可在一定程度上进行宏观把控。但在实际运用过程中，由于能源品质、机组燃烧效率等因素的不同，各类能源消费统计与 EF 测度经常出现偏差，这也成为该方法误差的主要来源。2.1.2质量平衡法（基于计算）质量平衡法是根据国家每年在生产生活中的新化学物质与设备，核算为满足新设备能力或替换去除气体而消耗的新化学物质份额。因此，该方法的计算公式如下：温室气体排放量=（AD1EF1AD2EF2AD3 EF3）3.67（2）式中：AD1为原料投入量，t；AD2为产品产出量，t；AD3为废物输出量，t；EF1为原料含碳量，%；EF2为产品含碳量，%；EF3为废物含碳量，%。本方法对直接反映属地的实际排放量，特别是对分辨各类设备之间的区别具有重要的作用。因此，质量平衡法特别适用于设备涉及不断更新的情况，而且在某些非化石燃料燃烧过程（如脱硫、化工生产过程等）中，也可选择该方法。2.1.3实测法（基于测量）实测法是指通过实际测量，监测、调查排放源，进而获取碳排放量数据。其主要类型为现场测量和非现场测量两种。现场测量主要通过在烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）中搭载监测模块，连续监测浓度和流速；非现场测量主要是通过一定技术手段开展现场采集，进而获取样品，并送至有关专业部门，采用专门的检测设备和分析技术进行定量检测。但后者在应用时，往往会出现采样气体发生吸附反应或解离等情况。因此，现场测量的准确性更佳。2.2中国汽车行业的指标低碳已成为全球汽车产业竞争力的关键所在，我国汽车产业发展的低碳之路，将以新能源汽车（New Energy Vehicle，NEV）发展为主。根据国务院碳达峰行动方案相关要求和指导目标，未来新能源、清洁能源动力的交通工具将持续增加，即在2025年绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，在2030 年时经济社会发展全面绿色转型并取得显著成效，当 2060年时绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳。根据国家的指导目标，Q 汽车集团也制定了发展路线，在 2030 年左右汽车碳排碳达峰时，NEV 新车占比 40%；在 2035年左右 NEV 新车占比超 50%；在 2040 年左右 NEV 在保有车中占比超50%；在 2050 年左右 NEV 在保有车中超 90%全生命周期碳中和；当 2060年时完成脱碳发展。“十四五”期间，到 2025年，NEV 新车占比将超过 20%；纯电动汽车(Battery Electric Vehicle，BEV)每百公里电耗降至 12 kWh；插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）每百公里综合油耗降至 2.0 L；先进混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）每百公里综合油耗达 3.5 L；重型商用车碳排比 2020年降低 15%；乘用车单位产品生产能耗和 CO2比 2020年降低 10%。“十五五”期间，到 2030年，NEV 新车占比将超过 40%；BEV 每百公里电耗降至 11 kWh；PHEV 每 103Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control百公里综合油耗降至 1 L；先进 HEV 每百公里综合油耗达 3 L；轻型商用车碳排比 2020 年降低 25%；2030年前实现碳达峰。2.3Q汽车厂商的双碳规划Q 汽车厂商是华东地区的制造业龙头，也是全国汽车制造业的排头兵，在全国多个省份设有汽车零部件及整车制造基地，部分工厂是碳排放量较高的重点企业，如铸造、焊接等。Q 汽车厂商对碳达峰行动路线规划、碳中和行动路线规划制定了 10年规划路线，其中有较多内容需与地理信息系统（Geographic Information System，GIS）结 合 进 行 核 算。其 2022年起碳排放整体思路如图 1所示。2.4汽车制造业碳排放核算汽车制造过程中，一般由分层级零件组成部件，零件的工序多样复杂，涉及冲压、锻造等工艺，如图 2 所示。这些工序由非标定制的生产设备完成，在生产过程中产生的碳排放主要来自生产设备所消耗的各类能源直接排放，以化石能源居多。汽车制造是能耗高度集中的领域，如通用汽车有多于 5 000 家的供应商，但其中占企业总数不到1%的整车厂，其能源消耗量占全行业的约 50%。因此，庞大的电厂是整车制造企业的必要支柱，如华东某发电企业，为某世界级汽车工厂项目新增 1台 350万千瓦级发电机组。随着工业 4.0 的推进，汽车制造业的自动化程度持续升高，Q 汽车厂商在最近几年的产线改造中，大量使用机器人协同，在各生产基地推广机器人装配、AI视觉质量控制、自动化无人仓库，以及黑灯工厂等，这些制造能力的迭代加大了各车间的电力需求，整车厂的 CO2排放量居高不下，其中因电力消耗导致的 CO2排放为主要因素（占 CO2排放总量的97%左右），电力消耗占首位，其他如天然气、自来水等所占比例较小，合计不足 1%；冲压和总装车间因电力消耗产生 CO2排放占各车间 CO2排放总量的比例均为 99%，涂装、焊装车间占比达到 95%以上，其份额均较高。制造 1辆 SUV的碳排放量见表 1。图 1Q汽车厂商的碳排放整体思路图 2典型的汽车制造工序表 11辆 SUV的碳排放车间冲压车间焊装车间指标自来水/t天然气/m3蒸汽/t电/kWhCO2排放量合计自来水/t年消耗量13 700004 325 20037 094CO2排放系数0.91 kg/t0.448 3 kg/m30.28 kg/t0.98 kg/kWh0.91 kg/tCO2排放量/kg12 467004 238 6964 251 16333 755.5 1042023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）3地理信息系统的作用3.1汽车制造的低碳解决方法随着汽车工业在中国的蓬勃发展，Q 汽车厂商整车制造达到新的高峰，供应链的碳排放也被纳入碳足迹的计算中。3.1.1位置和物流对低碳的影响汽车供应链较长，距离整车企业的物流路径越长，产生的温室气体越多，车间越分散，运输路径越长，物 流 环 节 会 额 外 消 耗 由 运 输 带 来 的 额 外 碳消耗。某汽车零部件企业计算的碳足迹逻辑如图 3所示。经统计，将零部件总装车间建设在整车企业附近，所产生的原材料运输，与远离整车企业，所产生的成品运输相比，两者的物流体积比是 1 20。原材料座椅、仪表盘熟料颗粒、线路板等原材料较节省空间，当加工成仪表盘总成和座椅后，体积将增大数倍，运输的车次也相应增多。因此，根据地理位置，正确分布零部件企业是前期规划低碳排放的主要方法。3.1.2在能源产生地部署整车厂虽然我国地大物博，但是区域差异较大，东西部呈现出很大差异，华南、华东、华北较西南、西北碳排量大，且区域内，城市间差异也很大，如广东省的碳排就是广西省的数倍，当然也不能完全以经济活动及 GDP来分析碳排放当量，如内蒙古就是经济特区上海的 2 倍多。2018 年我国各省的碳排放量（单位：MWh）如图 4所示。根据 IPCC指南计算出的碳排放值，可以在 GIS地图中标识出最脆弱的区域。汽车行业是未来最有经济基础，也最能带动当地经济发展的行业，可形成规模经济，为当地政府更好地利用经济杠杆引续表 11辆 SUV的碳排放车间涂装车间总装车间各车间合计指标天然气/m3蒸汽/t电/kWhCO2 排放量合计自来水/t天然气/m3蒸汽/t电/kWhCO2 排放量合计自来水/t天然气/m3蒸汽/t电/kWhCO2 排放量合计自来水/t天然气/m3蒸汽/t电/kWhCO2排放量合计年消耗量379 3251 80011 507 800354 5801 510 32881 23523 352 15217 876008 021 765423 2501 889 65383 03547 206 917CO2排放系数0.448 3 kg/m30.28 kg/t0.98 kg/kWh0.91 kg/t0.4483 kg/m30.28 kg/t0.98 kg/kWh0.91 kg/t0.4483 kg/m30.28 kg/t0.98 kg/kWh0.91 kg/t0.448 3 kg/m30.28 kg/t0.98 kg/kWhCO2排放量/kg170 051.450411 277 64411 481 954.9322 667.8677 08022 745.822 885 10923 907 602.616 267.2007 861 329.77 877 596.9385 157.5847 131.423 249.846 262 778.747 518 317.4图 3某汽车零部件企业的碳足迹计算逻辑 105Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control导碳排放。因此在能源大省，特别是清洁能源大省建设整车组装厂，是替代高排放、高污染企业较好方法。3.1.3利用碳封存和燃料电池近年来，科学家提出了碳封存技术，陆地和海洋都可封存 CO2，封存点既可接收单一来源的 CO2，也可接收多来源的 CO2，如荷兰的 Porthos 及挪威“北极光”都是采用多源模式的案例。经运输 CO2生产出的甲烷，将迅速扩大并成为道路车辆燃料电池的需求和生产。目前，燃料电池车技术在我国的使用量较小，且仅限于商用车（卡车和巴士），截至 2020年底，中国在运的燃料电池巴士接近 5 300 辆，世界其他地区约为 360 辆；中国在运的燃料电池卡车超过 3 100 辆，世界其他地区小于 100辆。在我国，部分省市已推出相关政策，以推动中国重型卡车利用燃料电池提升续航里程，推荐的燃料电池容量达到 30 kW。3.1.4发展清洁能源近年来，中国大力支持清洁能源汽车，主要类型有纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车、压缩天然气汽车和混合动力汽车等。其中，在市场上占主导地位为混合动力汽车和纯电动汽车。目前，纯电动汽车受激励政策支持力度较大，发展迅猛。但其续航里程受限，暂无法完全替代燃油汽车。以能量密度最高的铿电池为例，其每公斤储能量比汽油少得多，且充电时间较长。氢燃料电池汽车不涉及燃料燃烧，具有高效率、低排放的优点，其原理主要为将化学能转化为电能，目前相关部分也在逐步出台关于此类汽车的支持政策。但氢燃料电池汽车技术难度较大，导致其开发周期较长，部分氢燃料电池汽车开发周期已超过 25 a 以上。与传统的燃油汽车相比，压缩天然气汽车的能源使用、CO2排放等均有不同程度的减少，与同级汽油车辆相比其碳排放量估计低约 25%。据国际能源署（International Energy Agency，IEA）估计，压缩天然气汽车市场份额会不断增长，但受相关基础设施等因素制约，现有加油基础设施并不能完全适应新的改造需求。3.2碳排放因子的核算20132015年，国家发展改革委分三批次公布覆盖 24 个行业企业温室气体排放核算方法和报告指南。3.2.1汽车行业核算企业化石燃料燃烧排放核算的表达式如下：ECO2燃烧=i=1ni(FCiNiCCiOFi3.67)（3）式中：ECO2燃烧为化石燃料因燃烧过程而产生的 CO2的排放量，t；FCi为化石燃料 i的消耗量，万 N m3或t；Ni为化石燃料 i的平均低位发热量，GJ/（万 N m3）或 GJ/t；CCi为 化 石 燃 料 i 的 单 位 热 值 含 碳 量，tC/GJ；OFi为化石燃料 i的碳氧化率，%。企业购入电力消费排放核算的表达式如下：ECO2净电=AD净电 EF净电（4）式中：ECO2净电为企业单位净购入的电力消费引起的CO2排放量，t；AD净电指单位净购入的电力消费，MWh；EF净电为 电 力 电 网 平 均 供 电 排 放 因 子，tCO2/MWh。3.2.2排放源分析汽车行业生产制造过程一般有冲压、焊装、涂装和总装等 4 大工艺，基于汽车行业核算公式分析能源消耗和潜在排放源时，会考虑具体的直接、辅图 42018年中国各省份碳排放量 1062023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）助和附属生产系统中机械设备等工序是否存在物理或化学反应过程的温室气体排放，如涂装工艺中的涂装前处理和施工工艺中电能使用、热水洗工序中蒸汽使用及涂装烘干工序中天然气燃烧等3。综合参考温室气体排放的相关规范和指南，得出的汽车行业排放源清单见表 24。3.3通过 GIS的碳资产管理以GIS为数据中台管理碳资产，由以下三类人员为以GIS为中台的系统提供数据、查看报告并总结：（1）工厂管理者。了解碳排放记录偏差趋势，找到原因和依赖关系，并采取可量化监测的改进行动。（2）工厂工人。快速响应和改进由不规范操作带来的能源浪费与碳排增加。（3）业务决策者。在组织内部和供应商之间推进碳减排举措。基于 GIS 的大数据平台，通过算法预测能源消耗基线和趋势，并找到异常点，在地图实时展现结果，并及时响应。Q 汽车公司基于云平台及 GIS 系统进行碳资产管理的流程如图 5所示。表 2汽车行业排放源清单排放范围直接排放间接排放温室气体排放类别移动源燃料燃烧排放固定源燃料燃烧排放工艺排放逸散排放净购人电力隐含的排放净购人热力隐含的排放碳排放源类型柴油、液化石油气或液化天然气燃烧排放汽油燃烧烟煤或/和天然气燃烧柴油燃烧CO2气体保护焊VOCs焚烧产生的排放甲烷逸散制冷剂逸散CO2逸散电热力排放设备名称生产用车公务车、试验和路试车辆工业锅炉涂装烘干工序 VOCs废气焚烧炉和食堂柴油发电机焊机焚烧炉等燃烧设备化粪池/废水处理设施加注车载制冷剂会导致的逸散排放;中央空调单体空调、制冷剂、冷干机、油冷机以及移动冷风机等逸散灭火器切割机、冲压机床、焊接涂装和装配上等企业所有用电设备涂装热水清洗工序等温室气体类别CO2、CH4及 N2OCO2、CH4及 N2OCO2、CH4及 N2OCO2、CH4及 N2OCO2CO2、CH4及 N2OCH4HFCs、PFCsCO2CO2CO2图 5GIS系统进行碳资产管理的流程 107Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control4GIS在碳核算应用中的其他影响因素4.1资本投入的问题碳减排是大势所趋，势在必行。对于汽车行业，低碳转型给企业和产业链带来成本上升的压力。为减少碳排放，企业须引入新的生产技术和工艺，并改造升级现有产线，由此带来企业综合成本的上升、综合能源成本的上升，并对能源稳定性构成威胁。对于汽车制造等产业链较长的行业，核心企业须有足够的利润空间，消化能源成本一定幅度的上升，低碳转型短期内会对产业链的盈利能力和生存空间会带来挑战，这个问题和 GIS 本身关系不大，却是影响着企业改变碳排放核算的关键因子。4.2区域人力资源的问题目前，多家汽车企业（如 Q 汽车厂商等）在兼顾减排及成本的基础上，在西部及内陆能源基地设立整车总装厂，但当地的基础教育不如沿海发达城市，整体的人才密度不如沿海发达地区，难以找到与企业需求匹配的高素质人才。同时，这些区域的生活设施和其他配套设施不如发达地区，如要吸引外来的管理、技术和研发人才难度较大，企业往往要花费更大的成本使人才留在当地。所以，在碳核算应用中，须考虑由此增加的人力成本。5结语地理信息系统在碳排放核算中具有重要意义。当前，我国尚未明确规定环境影响评价必须应用地理信息系统，然而，因其具备很强的实时性和较高的准确性，人们普遍将其应用在环境保护领域中4。对于汽车企业，通过 GIS 大数据分析，优化汽车制造链的布局，解决企业在双碳方面的行业痛点，助力中国汽车产业高质量达成双碳目标。结合我国现阶段国情及汽车制造行业特点，挖掘低碳潜力，构建汽车碳足迹核算方法和本地化碳排放因子数据库等工作，为汽车行业提供精准核算及减排服务，推动相关碳排放核算标准及体系国际互认，打破国际贸易绿色壁垒。参考文献：1 王廷章.绿色发展背景下碳会计核算与披露的再思考 J.会计之友，2020（17）：47-49.2 陈红敏.国际碳核算体系发展及其评价 J.中国人口资源与环境，2011（9）：111-116.3 汪军，程敏，陈颖雯，等.汽车制造企业温室气体排放核算和参数因子研究 J.中国汽车，2022（7）：8-16.4 黄菊.地理信息系统在环境保护中的应用 J.环境与可持续发展，2012，37（3）：110-111.108