碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案

doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.002

华电技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (11): 5-14.doi: 10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.002

碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案

李扬¹(), 王赫阳¹(), 王永真²(), 赵军¹^,^*()

1.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津300350
2.北京理工大学机械与车辆学院,北京100081

收稿日期:2021-09-08 修回日期:2021-10-12 出版日期:2021-11-25 发布日期:2021-11-16
通讯作者: 赵军
作者简介:李扬（1990—）,男,山东莱州人,助理研究员,博士,从事地热能及其能源系统高效利用等方面的研究（E-mail： liyangtju@tju.edu.cn）。
王赫阳（1974—）,男,黑龙江明水人,教授,博士生导师,博士,从事清洁燃烧能源技术的开发与应用等方面的研究（E-mail：heyang. wang@tju.edu.cn）。
王永真（1988—）,男,陕西富平人,副教授,博士生导师,博士,从事综合能源系统与能源高效转化及利用等方面的工作（E-mail： wyz80hou@bit.edu.cn）。
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金项目(52006114)

Background and routs of carbon neutrality and its nature-derived thermal solutions

LI Yang¹(), WANG Heyang¹(), WANG Yongzhen²(), ZHAO Jun¹^,^*()

1. Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy（Tianjin University）, MOE, Tianjin 300350,China
2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China

Received:2021-09-08 Revised:2021-10-12 Online:2021-11-25 Published:2021-11-16
Contact: ZHAO Jun

摘要/Abstract

摘要：

工业化以来的人类活动是全球气候变化尤其是全球变暖的关键因素,这已成为世界科学界的共识。为了早日实现“双碳”目标,碳替代、碳减排、碳循环、碳封存将是4个最主要的技术路径。为细化不同技术的碳中和贡献度,针对国际组织Project Drawdown给出的76种具体减碳技术进行了计算,结果表明：碳减排相关技术将发挥最重要的作用;行为改变将比技术进步产生更大的影响;与自然和热能相关技术的减碳潜力占比分别达到45.9%和35.5%。基于自然在碳循环中的重要作用及我国丰富的自然热能资源,提出了源于自然的碳中和热能解决方案,并以利用地下储热为例分析了其优势。

关键词: 双碳, 碳替代, 碳减排, 碳循环, 碳封存, 自然热能, 地下储热, 卡诺电池

Abstract:

Human activities have been the key inducement of global climate change, especially global warming, since industrialization. This has become the consensus of the scientific community in the world. Low-carbon energy, carbon emission reduction, carbon cycle and carbon storage are the four main technical routs for carbon peaking and carbon neutrality. In order to measure the contribution of different technologies to carbon neutrality accurately, 76 specific carbon reduction technologies given by the international organization Project Drawdown are analysed. The results show that carbon emission reduction related technologies will play the most important role; change of human behaviour will exert a greater impact than technological progress; the contributions of nature-derived technologies and thermal energy related technologies on carbon emission reduction potential are 45.9% and 35.5%, respectively. Then, based on the important role of nature in carbon cycle and abundant reserves of natural thermal energy resources in China, the concept of "nature-derived thermal solutions for carbon neutrality" is proposed, and its advantages are analysed by using underground heat storage as an example.

Key words: carbon peaking and carbon neutrality, low-carbon energy, carbon emission reduction, carbon cycle, carbon storage, nature-derived thermal energy, underground heat storage, Carnot battery

中图分类号:

TK01⁺9

李扬, 王赫阳, 王永真, 赵军. 碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案[J]. 华电技术, 2021, 43(11): 5-14.

LI Yang, WANG Heyang, WANG Yongzhen, ZHAO Jun. Background and routs of carbon neutrality and its nature-derived thermal solutions[J]. Huadian Technology, 2021, 43(11): 5-14.

图/表 12

图1

图2

表1

表2

图3

图4

图5

表3

2020—2050年76种碳中和技术年均减碳潜力[14]

序号	名称	4种分类^①	年均减碳潜力/(Mt CO₂e)	序号	名称	4种分类^①	年均减碳潜力/(Mt CO₂e)
1	减少食物浪费	减-行-×-×	2 915.00	39	高效航空	减-技-×-热	209.00
2	健康与教育	减-行-×-×	2 847.33	40	地热能利用	替-技-自-热	206.33
3	富含植物饮食	减-行-×-×	2 167.00	41	森林保护	循-行-自-×	184.00
4	制冷剂管理	循-技-×-热	1 925.00	42	回收再利用	减-行-×-×	183.33
5	热带森林恢复	循-行-自-×	1 815.00	43	沼气炊事	循-技-×-热	155.00
6	陆上风电	替-技-自-×	1 573.67	44	高效卡车	减-技-×-热	153.67
7	制冷剂替代	替-技-×-热	1 451.00	45	高效海运	减-技-×-×	146.67
8	大规模光伏	替-技-自-热	1 410.67	46	高效热泵	减-技-×-热	138.67
9	清洁炊具	减-行-×-热	1 044.67	47	多年生能源作物	循-行-自-×	133.33
10	分布式光伏	替-技-自-热	932.67	48	太阳能热水	替-技-自-热	119.67
11	林牧一体	循-行-自-×	886.00	49	草原保护	循-行-自-×	111.67
12	泥炭地保护与恢复	循-行-自-×	867.67	50	稻米集约化	循-技-自-×	92.67
13	退化土地人工林	循-行-自-×	741.33	51	核电	替-技-×-热	88.33
14	温带森林恢复	循-行-自-×	647.33	52	自行车设施	减-行-×-×	85.33
15	集中式太阳能	替-技-自-热	620.00	53	生物质能	循-技-自-热	84.00
16	隔热措施	减-技-×-热	565.67	54	肥料管理	减-技-×-×	78.00
17	放牧管理技术	循-技-自-×	547.33	55	生物炭生产	循-技-自-×	74.00
18	LED照明	减-技-×-热	535.67	56	垃圾填埋甲烷捕集	减-技-×-热	72.67
19	多年生主食作物	循-行-自-×	515.00	57	堆肥	循-技-自-×	71.33
20	树木间作	循-行-自-×	501.00	58	废物转发电	循-技-×-热	68.00
21	再生农业	循-技-自-×	484.00	59	小型水电	替-技-×-×	56.33
22	保护性农业	循-行-自-×	446.67	60	便利步行措施	减-技-×-×	48.00
23	废弃农田恢复	循-行-自-×	416.00	61	海洋能利用	替-技-自-热	46.00
24	电动车	替-技-×-热	395.67	62	小农可持续集约化	减-行-×-×	45.33
25	多层农林业	循-技-自-×	376.67	63	电动自行车	替-技-×-×	43.67
26	海上风电	替-技-自-×	348.00	64	高速火车	减-技-×-×	43.33
27	高性能玻璃	减-技-×-热	334.67	65	高效农场灌溉	减-技-自-×	37.67
28	沼气池	循-技-×-热	327.67	66	再生纸	减-技-×-×	36.67
29	提高水稻产量	减-技-自-×	314.67	67	网真	减-行-×-×	35.00
30	土著森林使用权	循-行-自-×	289.67	68	沿海湿地保护	循-行-自-×	33.00
31	竹生产	循-技-自-×	275.67	69	生物塑料	循-技-×-×	32.00
32	替代水泥	减-技-×-×	266.00	70	低流量水具	减-行-×-×	30.33
33	混合动力汽车	减-技-×-热	263.00	71	沿海湿地恢复	循-技-自-×	25.67
34	共享出行	减-行-×-×	256.67	72	配水效率	减-技-×-×	22.00
35	公共交通	减-行-×-×	250.33	73	屋顶绿化	减-技-自-×	20.00
36	智能恒温器	减-技-×-热	233.00	74	可调光玻璃	减-技-×-×	9.67
37	楼宇自动化	减-技-×-热	215.67	75	电气化铁路	减-技-×-×	3.33
38	区域供热	减-技-×-热	209.33	76	微型风电	替-技-自-×	3.00

表3

表4

图6

图7

表5

参考文献 41

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报告	年份	人类活动对全球变暖影响的结论
第1次（FAR）	1990	人类活动产生的各种排放……将使温室效应增强,平均来说就是使地表更加变暖
第2次（SAR）	1995	自19世纪末以来,全球平均地面温度上升了0.3∼0.6 ℃,这一变化不可能完全是自然产生的
第3次（TAR）	2001	新的、更强的证据表明,过去50年观察到的大部分增暖可以归咎于人类活动
第4次（AR4）	2007	自20世纪中叶以来,大部分已观测到的全球平均温度升高很可能是观测到的人为温室气体体积分数增加导致的
第5次（AR5）	2014	有95%的把握确认人类是当前全球变暖的主要原因
第6次（AR6 WGI）	2021	人类活动使大气、海洋及陆地变暖,这是毫无疑问的

对人类和生态的影响	温升1.5 ℃	温升2 ℃
海平面上升	0.26∼0.77 m	比1.5 ℃提高0.10 m
中纬度最高温度	升高3 ℃	升高6 ℃
物种损失	昆虫6%、植物8%、脊椎动物4%	昆虫18%,植物16%、脊椎动物8%
遭受酷热人口比例	14%	37%
遭受干旱人口	3.5亿	4.1亿
珊瑚礁消失	70%∼90%	99%
捕鱼量降低	150 万t	300 万t
北冰洋夏季无冰	100 年1次	10 年1次

时间	地区	事故描述
2015-07	中国新疆	哈密山北地区风电系统发生次/超同步振荡100余次,频率覆盖10~90 Hz,严重时导致3台660 MW直流配套火电机组相继跳闸
2019-08	英国伦敦	当地输电线路遭遇雷击,风电场因抗扰能力不足而脱网,故障冲击超出系统调节能力,导致频率持续跌落,引发大规模停电事故。事故时风电出力占比30%
2020-08	美国加州	持续高温使电负荷激增,夜间无光伏且风电出力显著下降,导致40 万用户停电1 h,尖峰电价达1 美元/（kW·h）
2021-02	美国德州	极端寒潮使电负荷激增,天然气发电机组故障且风电最低出力不足预期的10%,电力供应充裕度不足,导致超300 万人断电,尖峰电价达9 美元/（kW·h）
2021-02	南澳大利亚	当地遭遇极端高温天气,由于气象预报低估了气温实际值,导致实际负荷过高,备用电严重不足,造成大规模停电。事故时风电出力占比30%

项目	Ottrupgård	Sunstore 2	Sunstore 3	Sunstore 4	Vojens	Gram	Toftlund
类型	示范项目	示范项目	示范项目	示范项目	商业项目	商业项目	商业项目
建成年份	1993—1995	2003	2013	2011—2012	2014—2015	2014—2015	2016—2017
温度范围/℃	35∼60	35∼90	10∼89	17∼88	40∼90	20∼90	20∼90
储放热功率/kW	390	6 510	26 100	10 500	38 500	30 000	22 000
储热量/(MW·h)	43.5	638.0	5 400.0	6 000.0	12 180.0	12 125.0	6 885.0
总初投资/万美元	27	79	269	315	591	509	485
单位初投资/[美元·(kW·h)^-1]	6.23	1.24	0.50	0.52	0.48	0.42	0.70

碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案

Background and routs of carbon neutrality and its nature-derived thermal solutions

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