北京大学团队发表系列含氟温室气体相关研究论文

赵敏 2023-06-06

含氟温室气体（F-gases）包括氢氟碳化合物（HFCs）、六氟化硫（SF₆）、三氟化氮（NF₃）和全氟化碳（PFCs），其全球变暖潜能值可达几千甚至上万，被称为超级温室气体。F-gases均是《联合国气候变化框架公约》管控的温室气体；其中，HFCs还受到《蒙特利尔议定书（基加利修正案）》的管控。根据IPCC第六次评估报告，F-gases过去30年（1990-2019）的大气排放量增长了250%，是同期CO₂排放量增长速率的4倍，CH₄和N₂O排放量增长速率的8倍。《蒙特利尔议定书》秘书处的数据显示，2021年中国仅HFCs产品生产量就达到14.27亿吨二氧化碳当量（CO₂-eq），超过中国CH₄的年排放水平；所以，对F-gases的监测、排放和管控等方面的关注和研究是十分有必要的。

1、2023年1月，在Journal of Cleaner Production上发表题为“Coordinating to promote refrigerant transition and energy efficiency improvement of room air conditioners in China: Mitigation potential and costs” （https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134916）的论文。北京大学研究生姜鹏南为该研究论文的第一作者，胡建信教授为通讯作者。

中国的房间空调器产量约占全球产量的80%。目前，房间空调器的主要制冷剂为氢氟碳化物（HFCs）。研究如何替代制冷剂同时提高空调的能效水平是行业减排政策制定的必须解决的问题。该研究通过建立中国房间空调器“需求-排放-成本”模型，估算了一切照旧（BAU）情景，基加利能效（KAE）情景，以及加速转型能效（ATE）情景2021-2060年中国房间空调器行业的直接（排放HFCs）和间接（排放CO₂）排放量及减排成本。

主要研究结果如下：2021-2060年，KAE和ATE的累计直接减排量约为64-74亿吨CO₂-eq和85-95亿吨CO₂-eq，两种情景的累计间接减排量为16-18亿吨CO₂-eq。中国房间空调器行业可以通过进一步的政策，包括加速转型制冷剂同时提高设备能效水平的措施，在2025年实现温室气体排放达峰，到2060年实现净零排放。结合减排潜力和成本的分析表明，不同地区应因地制宜地采取不同措施，减少房间空调器行业的温室气体排放。

图1 2021-2060年各地区和各省在KAE（a）和ATE（b）情景下的成本曲线图

2、2023年2月，在Advances in Climate Change Research上发表题为“By-production, emissions and abatement cost–climate benefit of HFC-23 in China's HCFC-22 plants” （https://doi.org/10.1016/j.accre.2023.01.003）的论文。北京大学研究生赵星辰为该研究论文的第一作者，胡建信教授为通讯作者。

三氟甲烷（HFC-23）是全球变暖潜能值最高的氢氟碳化物，受到气候公约和保护臭氧层公约的双重管控；其最主要的来源是二氟一氯甲烷（HCFC-22）生产企业的副产排放。开发低成本、绿色可持续的HFC-23减排技术对维持HCFC-22生产企业的减排积极性和减排成效有重要意义。该研究估算了2006−2020年中国二氟一氯甲烷（HCFC-22）生产企业的三氟甲烷（HFC-23）副产、减排和排放量，并利用搭建的成本-气候效益分析框架评估了2021-2060年不同情景下中国HCFC-22生产企业减排HFC-23的气候效益和成本。从长远的、绿色可持续的角度分析，资源化转化技术（通过氟氯交换反应转化HFC-23）相比过去最常用的焚烧技术，兼具气候和经济效益。如果中国HCFC-22生产企业从2023年起采用该技术减排HFC-23，到2060年，可以避免全球大气辐射强迫增加10 ± 2 mW/ m²，同时获得27 ± 2亿元的收益（2021年价格）。应用资源化转化技术减排HFC-23是从纯耗资到可获利的颠覆性转变。当HFC-23减排变成收益后，可预见未来非法排放风险和监管需求会显著降低。

图 2 不同情景下HFC-23辐射强迫(a)和累积减排成本(b)

3、2023年3月，在Environmental Science & Technology上发表题为“Atmospheric Observation and Emission of HFC-134a in China and Its Four Cities”（https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07711）的论文。北京大学研究生伊丽颖和香雪莹为该研究论文的共同第一作者，北京大学胡建信教授为通讯作者。

1,1,1,2-四氟乙烷（HFC-134a）由于具有良好的安全性能与制冷效率，被广泛地应用于汽车空调制冷剂，还有部分应用于商业空调制冷剂、发泡剂、医用气雾剂等行业。目前，HFC-134a是大气浓度最高的HFCs，也是中国排放量最大的HFCs。研究近年来中国HFC-134a的大气浓度及排放变化趋势对HFCs的整体减排具有重要意义。该研究通过自下而上方法首次建立了中国以及典型城市（北京、广州、杭州、兰州）的HFC-134a历史排放清单并分析了各城市的排放特征。此外，对于城市尺度的大气观测有助于进一步了解HFC-134a的排放来源和大气传输行为。

研究结果表明中国HFC-134a的排放量自2009年起以14.4%的年均增长率持续增长，在2020年达到5.31 (4.75-5.87) 万吨/年。其中汽车空调行业排放平均占中国HFC-134a总排放量的65%，之后依次是商业空调行业（25%）、医用气雾剂行业（8%）、发泡剂行业（2%）和生产过程泄露（＜0.1%）。在四座城市中，2020年北京市的HFC-134a排放量最高，达到了2.2千吨/年，兰州市的排放量最低，仅为0.2千吨/年。在北京和广州，商业空调行业的排放量逐渐超过了汽车空调行业，目前已经成为HFC-134a最主要的排放来源。

图 3 自下而上法估算的中国HFC-134a排放量及四座城市（北京、广州、杭州和兰州)HFC-134a排放量

4、2023年4月，在Environmental Science & Technology上发表题为“Pathway and cost-benefit analysis to achieve China's zero hydrofluorocarbon emissions”（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00166）的论文。北京大学博士研究生白富丽为该研究论文的第一作者，胡建信教授为通讯作者。

已有研究指出，即使缔约国完全遵守《基加利修正案》，全球HFCs在2020-2060年间的累计排放量亦将超过200亿吨CO₂-eq，对全球变暖具有不可忽视的影响。自2015年以来，氟化工制造商（含跨国公司）在中国生产的HFCs占全球产量的比例超过70%，其中约60%用于出口并在进口国排放。该研究建立了一个综合模型（DECAF模型），并应用该模型估算了三种情景（2019年基线情景、基加利修正案情景和近零排放情景）下中国国内和出口HFCs排放量、减排量以及相应的气候影响和减排成本。

研究主要结论如下：与2019年基线情景相比，HFCs近零排放路径下国内近零排放路径可在9 ± 6美元/吨CO₂-eq的平均减排成本水平下避免 2020-2060年间230 ± 40亿吨 CO₂-eq的累计国内HFCs排放。在HFCs近零排放（包括中国国内和出口）路径下，HFCs的辐射强迫峰值（60 ± 6 mW/m²）比基加利修正案情景提前了8年，峰值降低了33%。中国加速替代HFCs生产可以为全球快速减排HFCs提供可能性，并实现更大的气候效益。但是，需要全球达成限制HFCs排放的共识；也就是说，全球协同达成比《基加利修正案》更快的减排时间表（新的修正案或调整案）是有必要的。

图 4 中国HFCs国内和出口排放、气候影响和减排成本

5、2023年4月，在Science of The Total Environment上发表题为“Banks, emissions, and environmental impacts of China’s ozone depletion substances and hydrofluorocarbon substitutes during 1980−2020”（https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163586）的论文。北京交通大学吴婧副教授为该研究论文的第一作者，胡建信、吴婧和方雪坤为通讯作者。

中国于1989年加入《保护臭氧层公约》，1991年加入《蒙特利尔议定书》，开始淘汰臭氧层消耗物质（ODS）的生产和消费。该研究估算了实施《议定书》后ODS和HFCs的排放情况，并通过比较“没有《议定书》的情景”和“真实履约情景”评估了中国履行《议定书》30年带来的保护臭氧层效应和气候效应。

研究结果显示，通过履行《蒙特利尔议定书》，中国在1990-2020年已累积避免了1080 和580（480-690）万吨 CFC-11当量的ODS 消费和排放。截止到2020年，扣除HFCs排放的增加带来的温升影响、扣除平流层得到保护带来臭氧增加的温升影响，中国还协同累积避免了260（220-330）亿吨CO₂-eq的温室气体排放，相当于避免了0.031 W/m²的辐射强迫增加或0.025℃的温度增加。由此可见，中国履行《蒙特利尔议定书》30年带来了巨大的环境效益。

图 5 中国通过实施《议定书》减少和避免的 ODS 排放及实现的净气候效益

6、2023年4月，在Environmental Science & Technology上以封面文章发表题为“In Situ Observations of Halogenated Gases at the Shangdianzi Background Station and Emission Estimates for Northern China”（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00695）的论文。北京大学研究生伊丽颖为该研究论文的第一作者，复旦大学姚波研究员和北京大学许伟光工程师为本文的通讯作者。

考虑到含卤气体（包括F-gases）对气候变化的影响以及它们极低的大气环境浓度（ppt量级），因此对其进行连续高精度观测非常重要且难度极大。研究利用自主研发的高精度在线监测系统天霁 ODS5-pro系统，于2020年10月至2021年9月在北京上甸子大气本底站对36种含卤气体进行了连续的高精度监测，并对观测数据进一步筛分，得到了36种含卤气体的本底浓度和污染浓度，讨论了含卤气体抬升浓度之间的相关性。此外，中国是F-gases排放大国，并且中国北部地区人口密集，是全世界最重要的氟化工、电解铝和氯碱工业生产基地之一，是含卤气体排放的重点地区，因此对于北部地区F-gases的排放估算也十分必要。该研究根据观测数据结合种间相关法估算的2020-2021年中国北部地区HCFCs和F-gases的排放量分别为1.72亿吨CO₂-eq和1.81亿吨CO₂-eq。

图6 利用新开发的ODS5-pro在线监测系统获得的观测数据估算的中国北方F-gases的二氧化碳当量排放量

责任编辑：展源

审　　核：何发

北京大学团队发表系列含氟温室气体相关研究论文

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