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仇保兴:城市如何实现碳达峰碳中和
发布时间:2021-07-14 作者:国检中心

 以城市为主体来实施(30·60)战略具有五大优势。一是,城市是人为温室气体排放的主角(占75%)。二是,我国城市行政区包括山水林湖田乡村和城镇,有利于因地制宜、科学布局可再生能源和碳汇基地。三是,改革开放四十年城市间的GDP竞争可转向GDP增长与减碳双轨竞争。四是,以城市为减碳主体可使“从下而上”“生成”碳中和体系,与“从上而下”“构成”行业碳中和体系进行互补协同。五是,以城市为主体的(30·60)战略能演化成最优碳中和路径。“解铃还须系铃人”,城市的问题还需要通过城市自身来解决,需要通过目标导向、问题导向和经验导向这三方面的综合演化出最佳碳中和线路图和施工图。

  一、碳汇的“负面清单”

  首先,森林的碳汇能力远没有人们所想象般巨大。我国曾公布到2020年森林面积比2005年增加4000万公顷,木材蓄积量增加13亿立方米。即每年净增加不足1亿立方米,约等于每年削减几亿吨二氧化碳排放,与我国每年超百亿吨的排放量相比,收效甚微。

  对各种碳汇进行比较,单位海域生物固碳能力是森林的10倍、草原的200倍。而森林每立方米蓄积量约吸收1.83吨CO2,释放1.62吨O2。

  仇保兴:城市如何实现碳达峰碳中和 行业动态 第1张

  海洋生物碳汇过程中,大量的贝类如牡蛎能够将二氧化碳封存后转化为牡蛎的甲壳,固碳期几乎无限,可达数千甚至上万年,属于自然固碳。大自然中大量的贝壳甲壳化学成分都是碳酸钙,由此导致海洋的碳汇量巨大。相比之下森林的碳汇量则小得多,但是其对陆地生物多样性的贡献达80%。很多人倡导通过在城外农地上种树来提高碳汇,实际上这一方案碳收益很低,例如对于沿海的深圳市,与其花费大量的人力财力种树,不如把深圳近海的红树林培养好,单位面积的红树林(包括海洋生物)的固碳量比森林固碳能力高出数倍甚至数十倍。

  其次,光伏发电综合减碳效应明显。除了自然固碳之外,还可以利用光伏进行减碳。一亩地的光伏板所减碳量和固碳量远高于一亩草原,在一些戈壁滩上建立光伏发电站,不仅能够利用光伏发电,还能挽救和改良生态,丰富物种多样性和有效阻止沙漠化蔓延。因为高原地区(昼夜)温差大,早晨的雾气可以凝结在光伏板上,使光伏板下的沙地得到滴灌,有了水后自然就会长草。

  内蒙古磴口光伏治沙项目,电站规模5万千瓦,占地面积约1700亩,板间种植苜蓿等防沙植物800余亩。自2013年并网以来,电站周围植被覆盖率从建站前5%上升到2018年77%,配合外围防护林实现了沙丘全部固定,有效阻止沙漠化蔓延。项目每年通过生态治理可实现8556吨二氧化碳的固化。

  太阳能光伏板的制造需要单晶硅原料的提炼,提炼后还需进行切割,不论是提炼还是切割都需要耗能,那么从全生命周期来看,是不是太阳能光伏板这种减碳方式并不合理?事实上,在十多年前这种顾虑是成立的,但是随着光伏技术的发展,现在的光伏板寿命和光能转化率比过去明显提升,而且全生命周期的能耗也因技术创新而成倍下降,根据当前光伏板转化效率和成本测算,一块光伏板在安装后3-5年发出来的电量就可以填补光伏板在生产过程中产生的全部能耗。

  根据测算,北京地区每亩太阳能板减碳能力相当于15.4亩林地。太阳能光伏电站当前的标杆电价是0.3元每度电,而居民用电约为0.5元/度,工业用电约为0.7元/度。因此,只要光伏发电达到一定规模就有足够的利润。

  再次,错误的植树造林反而会增加碳排放。不同品种、不同树龄的树林,产生的碳汇量都不一样。碳四类植物由于它的光合作用比一般碳三类植物高约一倍,例如玉米、高粱等,这些植物用同样的水灌溉,但在成长的过程中吸收的碳远超其它植物。世界上碳四植物约有50多种,如果将他们中的部分进行转基因培育,使其干茎生长更快,固碳效能更高,收割后利用余热碳化,固碳的成本也将大大低于传统的CCUS法。

  此外,树木碳汇也要注意“碳负面清单”,如果采用负面清单上的方式进行种树,减碳效果不仅很少甚至会起到反作用。例如现在很多城市还在将深山老林的老树、大树移植到城市中来,其实老树大树的新增碳汇效果是比较小的,挖、运、植的过程中反而要排放大量二氧化碳。而将树木通过交通工具远距离运送,实行异地种树,也是一种高碳的行为。除此以外,还有一些非专业的种树等不仅不是低碳行为,反而会造成高碳排放。最需要注意的是不能在年降雨量小于500mm的地方植树,树木成长需要大量水份,北方许多城市用水都只能依靠南水北调,而这南水北调的水是实实在在的高碳水。特别是主张在沙漠种树种水稻这类事情,绝大多数是荒谬的,即使能种树,那也是依靠抽取大量地下水灌溉,这无异于饮鸩止渴。大家都知道胡杨的树根可以深深扎根到数十米深,这些依靠地下水灌溉的树木或水稻可能在前几年会长的很好,但是地下水水量非常有限,一旦抽取过度,水位下降,即使有着“沙漠卫士”的胡杨也无法幸免于难。

  不同种植物在成长过程中所需水量不同,对植物所浇的水,植物只可能吸收0.5%-1%用于固碳,而其它99%的水都蒸发掉了。针叶树产生1公斤生物量所需的水分最多,但水份足时,针叶树的蒸发量成倍增长、但水分少时也可以存活。而阔叶树则是水多水少都会蒸发,水少的话甚至还会死掉,综合表现来看,桉树表现的最好,所需水量最少但在北方地区无法存活。

  总结一下,通过推广光伏治沙项目,可以实现既治沙又发电,而且通过凝结的水蒸气还可以进行沙漠绿化。另一方面还可以推广的项目是发展风光电-水-土-林-汇模式,通过采取扩大人工造林和增加土壤固碳潜力两个措施来进行固碳。目前在美国等一些发达国家正专注于发展碳捕捉技术,这是固碳的有效办法,但综合其收益与成本来看,并不值得广泛普及,当前我们不能盲目学习推广美国高成本、高耗能的碳捕捉技术,而是应该促进生物质自然碳捕集与封存发展。

  二、建筑节能减碳

  第一,建筑全生命周期碳排放约占全社会排放量的一半。据《中国建筑能耗研究报告(2020)》,从2005年到2018年,我国建筑全过程碳排放变动趋势,建筑全生命周期碳排放量达到了49亿吨(约占全社会碳排放的48%),并且碳排放主要集中在建筑运行和建材生产过程,而建筑施工碳排放只占其中的很小一部分。由此可见,计算建筑碳排放,判断一个建筑是否为高耗能,或低碳建筑,不能只考虑运行阶段的碳排放,而是应该从全生命周期来衡量碳的排放。

  从当前建筑运行相关的二氧化碳排放状况来看,我国公共建筑的面积最小,但是耗能强度最大;北方采暖建筑总面积不大,但碳排放约为5.5亿吨。现在还有很多南方城市都在计划实行集中供暖,如不谨慎考虑,这将会明显增加这些城市的碳排放。我们的思想观念不能仍停留在工业文明搞大投资的传统理念上,也要更多考虑能耗和碳排放的问题。

  第二,基于三个原因,我国住宅运行耗能明显低于发达国家。我国每平方建筑平均能耗强度远远不及美国、英国、加拿大等资本主义国家。美国的人口不到我国的1/4,但是所消耗的建筑能耗远比我们要高,一个美国人的建筑能耗相当于5个中国人。为什么这么高呢?主要有三个原因:一是中国人人均面积约为40平方米,而平均每个美国人则拥有住宅达85平方米;二是我国住宅主要用的是分体空调,而美国住宅主要用集中空调;三是我国家庭不用烘干机,而烘干机在美国基本属于必需品,正是由于这几个因素,使得中国人均建筑能耗要比美国低的多。对我国建筑尤其是住宅实行每个房间安装一个空调是最节约的模式,分布式的能源供应和设施是最节能的,而“三联供”的集中供热模式从实践来看其实只适用于我国北方城市。

  第三,绿色建筑能为城市碳中和提供基础性贡献。绿色建筑有一个重要的特征,即能够在建筑全生命周期体现节能、节水和节材。例如建筑材料如果是本地生产的,没有长距离的交通成本基本属于低碳,但是如果是从意大利进口的建筑材料,那就得加上运输过程中的碳排放,这显然属于高碳项目。

  绿色建筑第一次颠覆了我国传统的建筑碳排放计算标准,这也使技术人员掌握了国际通用的能耗计算标准。绿色建筑还有个别名为“气候适应性建筑”,即建筑的能源系统和围护结构能够随着气候的变化而自行调节,使建筑的用能模式发生适应性变化。例如夏天的时候可以把多余的热量储存在地底下,使土壤成为一个热储存器,到冬天的时候又把这些热量取出来用于取暖。春天、秋天为什么能耗很低?因为这时候只需要开开窗户就行了。这套系统比较适用于冬冷夏热的广大长江流域。

  值得注意的是,玻璃幕墙建筑虽被视为城市建筑现代化的标志,但是在南方地区却要谨慎大面积推广。玻璃本身的导热性能好,而隔热效果差,在夏天,太阳辐射热大,导致建筑内温度很高。但是如果这类全玻璃幕墙建筑建在哈尔滨等北方地区,由于北方城市一年中夏季时间短,常年的平均气温较低,则可以充分利用太阳光照射所能吸收的热量来调节室内温度,这时候的玻璃幕墙建筑则是节能的绿色建筑。

  第四,建筑碳中和的关键在于社区级能源微电网。需要强调的是,建筑脱碳潜力在于社区“微能源”系统。将风能、太阳能光伏与建筑进行一体化设计,同时利用电梯的下降势能和城市生物质发电,利用社区的分布式能源微电网以及电动车储能组成微能源系统。

  借助这个微能源系统,可以有效调节电网波动,例如在峰谷的时候,用电动汽车进行充电;当峰顶时,可以借用电动车所储电能反馈电网一部分电力,对电网用能进行调节。如果外部突发停电,社区也可以借助各家各户的电动车电能作为临时能源供应。但是这种模式面临的问题在于需要各地电网公司积极参与和推广这种做法。

  第五,建筑内部的“鱼菜共生”系统有可能在将来发挥重要脱碳作用。国外已经开展了大量研究,绿色建筑的高级阶段可以发展为“鱼菜共生”系统,使日常食物能够在建筑内实现并就近供应。鱼菜共生是一种新型的复合生态体系,它把水产养殖与水耕栽培两种原本完全不同的农耕技术,通过巧妙的生态系统设计,达到在建筑内科学的协同共生,从而实现养鱼不换水而无水质忧患,种菜不施肥而正常成长的生态共生效应。

  对于建筑节能减碳还需要建立一个负面清单:一是防止城市低密度发展,即防止美国式的过度郊区化;二是在南方地区或长江流域谨慎推行按建筑平方米计价的“集中供热”,以及“三联供”或“四联供”系统供能;三是在夏热冬暖或夏热冬凉地区谨慎使用大面积的玻璃幕墙;四是限制盲目建设超高层建筑,超高层建筑人均能耗要比普通建筑至少高15%;五是防止过度推行中央空调;六是农村谨慎消灭土坯房,实际上,夯土建筑每立方米比热容量约为混凝土的一倍,改良后的抗震夯土建筑不仅成本低廉也是最节能的,凝聚了过去老百姓的历史生活经验和古老的中华智慧。

  三、交通领域如何控制碳排放

  首先,城市之间的不同交通选择对碳排放强度影响显著。2018年,在交通部门的总排放量中,道路运输、铁路运输、水路运输和民航运输分别占73.5%、6.1%、8.9%和11.6%,道路运输占比最高,增长也明显高于其它运输模式。我国道路交通的碳排放在逐年升高,这一定程度上是由于私家车的使用比例在提高。日本在上世纪六十年代就做过研究,同样一吨货物,如果用小车公路运输产生的碳排放比大车运输要高出20倍,占地面积还大30倍,这一研究成果促使了后来日本大力推行新干线的建设。

  当使用不同燃料时,即使是同样的车辆交通,其产生的碳排放也有明显差别。如果以氢气作为燃料,灰氢与绿氢产生的碳排放相差数十倍,不同来源的甲烷产生的碳排放也完全不一样。

  其次,城市内部不同燃料和交通工具将决定交通碳中和的难易程度。对各类交通工具的碳排放与其占地面积进行比较后发现,单人出行的私家车人均占地面积和碳排放最大,其次是插电式电动车、拼车式私家车、摩托车等。摩托车的碳排放比地铁、巴士的碳排放还要高,而且摩托车乘用两冲程内燃机,燃烧不充分产生的污染比四冲程的一般燃油汽车更大。由此可见,自行车、电动自行车,以及共享单车显然是绿色低碳的交通方式。现在世界各国都已经陆续公布了燃油车的禁售时间。

  有相关数据表明,实际上高达90%的私家车大部分时间停在路边或者车库中,如果要满足民众出行需求,可能只需要现有车辆总量的10%左右。借助日益成熟的5G技术,在未来我国许多城市可以发展成网联车,充分提升出行、交通效率和降低交通碳排放。

  四、从废弃物处理与市政角度看减碳

  第一,垃圾微循环利用能发挥明显的减碳效果。城市与自然对立的表现就在于生产、消费、降解三者的失衡,必须要逐步实现资源使用低碳化,对废弃物进行就近降解再循环。但是我国现在流行做法是将废弃物通过长途运输,然后集中处理,这种被称之为“静脉产业”的做法仍旧属于工业文明的处理方式。

  大自然对废弃物是“处处微循环”,工业文明的处理方法是“处处长循环”。这方面科学减碳就必须使各种废弃物就近循环使用。尤其是百年高达五十亿吨的建筑垃圾,推行就地加工制成建筑材料回用是最低碳的模式。

  城市矿山是指将重要的原材料以建筑工程等形式在城市中有序贮存。经过工业革命300年的掠夺式开采,全球80%以上可工业化利用的矿产资源,已从地下转移到地上,并以“垃圾”的形态堆积在我们周围,总量高达数千亿吨,并还在以每年100亿吨的数量增加。只要采取有效的设计、建造、回收模式,工业文明时期累积起来的各种金属材料,正成为一座座永不枯竭的“城市矿山”。

  北欧一些国家在金属储存方面设置了一条警戒线,该警戒线是以第二次世界大战武器使用的钢材量为标准建立的,当金属储存量到达这一条线时即说明该国的钢材储备达到了国防安全,可以不依赖进口。对国家而言需要有一定的钢铁储备,而钢铁和其它金属材料的储备都可以以“城市矿山”的方式进行。比如,不锈钢或耐候钢建材建造的建筑,其建材在60年甚至百年以后,由于其自身特性,受腐蚀的程度很小,可以有效回收利用,从而大幅度减少钢铁行业碳排放并增强国民经济体系的韧性。

  废物处理方式中,传统的垃圾填埋方式不需要消耗能源,但是这一处理方式的占地面积很大,对地下水生态系统干扰也极大;稍好的主流办法是采取“废弃物能源化”,即燃烧处理,这一方式获得的能源是所有方式中最高的,但产生的污染和次生废弃物量也很大。最绿色的技术是垃圾就地循环使用,既不占用太大的占地面积,也不需要太高的能源产出,关键在于废物循环利用与减量减碳化。

  第二,中水多级、多次回收再利用是减少供排水碳排放的重要途径。城镇住宅和生产单位污水,目前都是通过污水管网收集长距离输送到污水处理厂进行集中处理,这是一种工业化处理的方式,碳排放强度很高。值得推广的新模式是用分散式的集装箱式再生水处理器,这种方式不仅能够实现水的“微循环”,而且更节能、节地、节省投资。事实上,水只要不蒸发就能就地实现N次循环利用。并且这类设施将单位体积的污水处理成纯净水比海水淡化成本降低一倍。

  第二个节水的办法是户内“中水回用”。利用户内中水集成系统可以将洗脸盆、洗衣机、淋浴产生的废水集中储存在一个装置内自动进行过滤消毒,消毒后就成为抽水马桶、拖布池的用水。这套系统可以杜绝部分居民由于不放心其它楼层居民的健康状况,导致不愿意使用中水的顾虑,因为这类户内中水回用设施用的是自己一家人的废水。

  高级别的海绵城市与低级别的海绵城市工程产生的减碳效益完全是不一样的,城市网络每一个节点采用不同的技术和措施,产生的节水、节能和碳减排的效益也都有差别。有时越是开发强度高的大拆大建项目的综合节能降碳效益反而越不好。

  低碳城市设计建设是否成功,有时取决于细节上是否科学合理。著名生态城市瑞典马尔默生态城的马路上,一般的降雨可以由地砖缝隙下排吸收,稍微大点的雨量可以流经路旁的小型湿地园由植被土壤吸收下渗,大雨时则借助该湿地园植物下渗净化作用,使污染物较高的初期污水进入河流前被小型湿地净化。由于马尔默市街道边这道利用小型湿地园下渗的细节,使其雨洪中杂质得到缓冲吸收,降低了对自然水系的干扰。这种投资很少、见效很快、景观宜人,可灵活性安排的小项目很值得在我国推广。

  第三,煤氨混烧可能是保障城市电力供给韧性和脱碳的优先选择。据日本媒体报道,日本政府2050年实现二氧化碳净零排放,燃料氨产业是重点领域之一。日本经济产业省(METI)已经制定计划,到2050年日本燃料结构中使用3000万吨可再生氨,以减少传统发电厂和航运船只的排放。日本经济产业省还计划到2030年用氨与煤炭混烧,替代日本燃煤发电站20%的煤炭供应,随着时间的推移,这一比例将上升到50%以上。最终目标是建设氨气发电厂,作为新的低碳电力结构的一部分,再加上海上风能和核能达到净零排放。

  值得指出的是:在诸多类型的燃料中,煤炭的贮存成本和安全性最好。如果我国在碳达峰、碳中和进程中采用“氨煤混烧”工艺路线,不仅能利用我国全球数量最多的燃煤电厂来脱碳供电,而且一旦出现危急状态,这些电厂或锅炉又可重新恢复燃煤发电,从而确保我国应急能源供应。

  第四,城市内部的绿化具有显著的综合减碳效应。城市内部绿化对于碳汇的作用其实很少,但这类绿化一旦合理布局就会产生间接而且巨大的综合减碳作用。行道树木和小型园林中的乔木能够通过水蒸发和遮阳效应达到明显的环境降温作用,能够促使民众减少使用空调,从而间接地实现了节能减碳。

  仇保兴:城市如何实现碳达峰碳中和 行业动态 第2张

  基于这个原理,同样一片区域内的40公顷绿地,如何布局才能使其效益最大化?绿地系统设计首先需要网格化的布局;第二,需要结合社区空间结构见缝插针,多种植占地小遮阳效果好的高大乔木;第三,社区微园林要设计成花草灌乔多层合理搭配的布局。这样减碳和美化环境效果才能达到最大化。城市内部的绿化具备减碳效应,但80%以上是通过减缓热岛效应而产生的间接减碳,通过植物作用进行直接碳汇的量很少。

  立体园林建筑是近几十年出现的建筑新模式,这种建筑可以使每户人家拥有20-50平方米的菜地花园。这些阳台菜园可以种花种菜,具有5大综合减碳效果,一是减少热岛效应,使夏天的空调有效减少,可以节省30-55%能源消耗。二是,因植物量很大,可以使小区绿化率提高到160%。三是可充分利用多余的中水和雨水在阳台园地实现水循环利用。四是将厨余垃圾简易处理后成为花草菜的肥料。五是微型园林有助居住者身心健康。2016年《英国精神病学杂志》发表的一项研究表明居住在城里患焦虑症的人口比充满绿色的农村多50%,精神分裂症则高几倍。“少得病、少吃药、增健康”也是一种间接减碳成果。

  注:配图与原文内容无关

  本文首发于《中国经济评论》杂志第11期