气候变化是当今人类面临的最根本挑战之一。虽然由于新冠疫情的冲击，全球能源有关的二氧化碳排放量在2021年下降了5.8%，但在人口和GDP增长的推动下，全球二氧化碳排放量将有可能反弹到2019年或以上的水平。未来，如果以化石燃料为基础的能源基础设施仍不断增加的话，可能会成为《巴黎协定》中所描绘的在本世纪末，努力将升温幅度控制在1.5摄氏度以内目标的关键阻碍之一。炼油业是世界上第三大固定的温室气体排放者，占所有工业温室气体排放的6%。作为能源的消费者和能源的提供者，炼油业在能源供应链和气候变化方面都发挥着关键作用，是全球二氧化碳减排的重点行业之一。了解炼油业过去和未来的发展趋势，对指导全球和区域减排工作至关重要，然而，由于相关基础数据长期不透明、不公开，目前绝大多数针对全球炼油厂排放及气候环境影响的研究只能在国家尺度开展，无法较精准地分析特定区域的二氧化碳排放增长趋势和减排的可能性，难以支撑当前精准治理的决策需求。

针对这一问题，清华大学地学系关大博教授研究组联合伦敦大学学院、北京大学等多家机构学者，首次在全球尺度上建立了以炼油厂为单元（1400+炼油厂）、具有长时间序列（2000-2050）的全球炼油行业二氧化碳排放清单（CEADs-GREI），并在此基础上从地区、炼油厂配置类型、和运营年限三个层面识别高二氧化碳排放量的炼油厂，追踪其分布的时空变化，并评估其减排潜力。研究成果以“Adaptive CO2 emissions mitigation strategies of global oil refineries in all age groups”为题，在One Earth上在线发表。

研究结果显示，2000年至2018年，全球炼油业二氧化碳排放空间分布模式显著变化，二氧化碳排放的空间热点逐渐从欧美东移至亚洲地区。中国和印度的炼油厂的二氧化碳排放量持续、稳定增长，其占全球炼油厂二氧化碳排放的比例分别从2000年的6%和3%攀升到2018年的16%和7%。相比之下，欧洲和美国炼油厂二氧化碳排放占全球的份额分别从2000年的22%和24%，下降到2018年的17%和21%。这种东移趋势首次出现在2003年前后，在2009年后更为显著。此外，2009年也是炼油厂二氧化碳贡献者年龄结构的一个关键转折点（图1.c）。2009年之前，二氧化碳排放主要来自运营年龄为50岁左右的中年炼油厂。而2009年以后，大量新建炼油厂涌现，年龄在0-19岁的炼油厂逐步成为全球炼油行业二氧化碳的主要贡献者。

图1 2000年至2018年炼油行业的二氧化碳排放趋势。

研究显示，2018全球炼油业以两类炼油厂为主，即中国、印度和中东的年轻炼油厂（运营年龄小于等于40年）和发达地区、欧洲、美国和日本的老炼油厂（已经运营40年以上）。上述两类炼油厂的炼油能力分别占2018年总炼油能力的22%和35%，其二氧化碳排放量分别占炼油行业二氧化碳总排放量的22%和37%。发展中国家及地区炼油厂的年轻化、大型化十分显著，对于中国来说(图2.c)，其拥有全球近一半的，在2000年至2018年间投产的、年产能达千万吨级的大型炼油厂；这些年轻的大型炼油厂装备先进的工艺技术，运营效率高，可精炼重质原油，生产多类型轻质油产品，单位产品碳强度低于欧美国家同类产品。

与此相反，2018年，日本(图2.d)、欧洲(图2.e)和北美(图2.b)在营炼油厂的平均运营年龄均在50年以上，已经接近或超过其对应地区炼油厂的平均使用寿命，因此可以推断，尽管日本、欧洲和美国的老炼油厂在2018年仍在大量排放二氧化碳，但这些老旧炼油厂很可能已达运营寿命，从生产效率的角度来说，他们应在未来几年尽快关闭。而且，在2018年或之前已经关停的炼油厂(图 2中的灰色点)也是密集分布在上述三个地区。位于非洲和拉丁美洲的其他炼油厂分布在海岸线上，特别是在港口地区，它们的年龄分布复杂，工艺及技术水准参差不齐。

图2 2000年至2018年期间全球1056家正在运营的炼油厂的地理位置、运营年龄和2018年的二氧化碳排放量。运行中的炼油厂的运营年龄是指从其投产年份到2018年的时长。

在全球范围内，与浅加工炼油厂相比，深加工炼油厂通常具有更大的炼油能力、更高的二氧化碳排放量、更长的使用寿命。此外，深加工炼油厂二氧化碳排放量占比随着炼油厂的老化增加，其二氧化碳排放量分别占年轻组炼油厂(0～9岁)、中年组炼油厂(40～64岁)和老年组炼油厂(>75岁)总二氧化碳排放量的80%、88%和93%。因此，深加工炼油厂不仅在目前的二氧化碳排放中占据主导地位，而且由于其具有更长的运营寿命，在未来也将保持这一主导地位。

各地区炼油厂的年龄结构也清楚的揭示了全球炼油业的发展趋势：炼油业首先在20世纪30年代和40年代在美国发展（75岁以上的炼油厂），然后在50年代在欧洲发展（中年炼油厂），90年代以来在亚洲和中东兴起，进而导致深加工和浅加工炼油厂二氧化碳排放占比的地区差异。

研究发现，在炼油行业起步较早的地区，炼油厂深加工构型特征更为明显，且主要为40岁以上的中老年炼油厂。而在炼油业起步较晚的中国、印度和中东地区，深加工的炼油厂数量和二氧化碳排放量占比例相对较小，年龄较轻。然而，中国、印度和中东地区年轻深加工炼油厂的平均排放量增长较快。由分布在亚洲地区较年轻的深加工厂将是未来全球炼油业的二氧化碳排放的重点区域。

图3 2018年全球深加工炼油厂（图3a）和浅加工炼油厂（图3b）二氧化碳排放量的年龄结构。

2018年～2050年间，在营炼油厂锁定的二氧化碳将高达11.5Gt。进一步展望至2070年，全球将在2025年前计划投产的炼油厂又会额外锁定7.2Gt的二氧化碳排放，进一步缩小《巴黎协定》在本世纪末，努力将温升幅度控制在1.5摄氏度目标下的剩余碳预算。分地区来看，欧洲和美国等传统炼油地区的锁定排放量将在未来保持稳定。而印度和非洲等发展中国家未来锁定的二氧化碳排放将成倍增加。考虑到这些新兴地区对石油相关产品需求的快速增长，这些地区的炼油工业发展可能面临比发达地区更大的二氧化碳减排和快速扩张的压力。

图4 2018年和2025年全球炼油行业的承诺排放量和地区分布。

提高炼油厂效率，炼油厂重油加工技术低碳化升级是减少全球炼油厂二氧化碳排放量的关键途径，而炼油厂配置结构向深度精炼转型可能会导致全球炼油行业二氧化碳排放量的增加。年轻炼油厂（0-19岁，主要分布在亚洲和中东）和中年炼油厂（40-59岁，主要分布在欧洲和日本）是未来全球二氧化碳减排的重点。考虑到不同地区精制油的需求、技术发展、减排策略以及炼油厂年龄结构、配置结构特征等，未来全球炼油业的减排需要根据炼油厂其年龄、炼油配置结构、区位等特点采取不同的适应性策略。

图5 在不同的炼油厂改进假设下，全球各地区炼油厂2020-2030年二氧化碳排放变化。

研究组根据全球范围内已知现有和拟建的炼油厂构建全球炼油厂点源尺度二氧化碳排放清单（CEADs-GREI），在炼油厂级层面确定了炼油行业锁定的二氧化碳排放基线。这既有助于量化特定区域的二氧化碳排放趋势，也有助于评估不同政策和技术手段所带来的减排潜力，为炼油厂减排的精准施策提供了科学依据。

研究结果表明，近二十年来，炼油厂呈现出大规模、复杂的发展趋势。2000年至2018年，全球炼油厂的平均产量逐渐增加。此外，在此期间关闭或停产的110家炼油厂中，有49家是日产能低于6万桶的炼油厂，其中22家位于欧洲和美国。从年龄段来看，主要分布在亚太和中东地区的年轻炼油厂（0-19岁）的平均产能大幅增加，而其他年龄段的炼油厂的平均产能变化不大。考虑到年轻炼油厂剩余的长运营时间将会带来更大的承诺排放量，迫切需要采用低碳/零碳技术来减少其二氧化碳排放。对于中老年炼油厂来说，提高运营效率、淘汰落后产能、完成炼油配置升级是平衡不断增长的轻质成品油需求和减少二氧化碳排放的关键手段。考虑到不同地区精制油的需求、技术发展、减排策略以及炼油厂实际情况等，未来全球炼油业的减排仍需要根据炼油厂的年龄结构、工艺流程、技术配置、区位差异等特点采取因地制宜、精准施策的减排策略。

清华大学地学系博士生雷天扬为论文第一作者。地学系关大博教授为论文的通讯作者。合作者包括清华大学地学系张强教授，清华大学深圳国际研究生院郑博助理教授，荷兰格罗宁根大学单钰理研究员，伦敦大学学院梁希教授和孟靖副教授，以及北京大学城市与环境学院陶澍教授。本研究得到了国家自然科学基金（41921005）和英国自然环境研究委员会（NE/P019900/1）的支持。

文章信息：

Lei, T. et al. (2021). Adaptive CO2 emissions mitigation strategies of global oil refineries in all age groups. One Earth 4, 1114-1126. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2021.07.009

 供稿：雷天扬

编辑：王佳音

审核：武海平