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

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

[1]	State of the global climate 2020[R]. Geneva:World Meteorological Organization, 2021.
[2]	KEELING C D, PIPER S C, BACASTOW R B, et al. Exchanges of atmospheric CO₂ and 13CO₂ with the terrestrial biosphere and oceans from 1978 to 2000. I:Global aspects [R]. San Diego: Institution of Oceanography, 2001.
[3]	JOUZEL J, MASSON-DELMOTTE V, CATTANI O, et al. Orbital and millennial antarctic climate variability over the past 800 000 years[J]. Science, 2007, 317(5839):793-796. doi: 10.1126/science.1141038
[4]	LÜTHI D, LE FLOCH M, BEREITER B, et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650 000—800 000 years before present[J]. Nature, 2008, 453:379-382. doi: 10.1038/nature06949
[5]	ROGELJ J, ELZEN MDEN, HÖHNE N, et al. Paris agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2 ℃[J]. Nature, 2016, 534:631-639. doi: 10.1038/nature18307
[6]	RAFTERY A E, ZIMMER A, FRIERSON D M W, et al. Less than 2 ℃ warming by 2100 unlikely[J]. Nature Climate Change, 2017, 7:637-641. doi: 10.1038/nclimate3352
[7]	Emissions gap report 2020 [R]. Nairobi: UNEP, 2020.
[8]	RITCHIE H, ROSER M. CO₂ and greenhouse gas emissions[DB/OL]. (2021-05-10)[2021-08-10]. https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions.
[9]	Which countries have a net zero carbon goal [EB/OL]. (2019-06-14)[2021-08-10]. https://www.climatechangenews.com/2019/06/14/countries-net-zero-climate-goal.
[10]	Global warming of 1.5 ℃: Glossary [R]. IPCC.
[11]	解振华:中国碳达峰是二氧化碳达峰,碳中和包括全部温室气体[EB/OL].(2021-07-26)[2021-08-10]. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_13746034.
[12]	Climate watch: Historical GHG emissions [DB/OL]. (2021-05-10)[2021-08-10]. https://www.climatewatchdata.org/ghg-emissions.
[13]	国家统计局. 中国统计年鉴2020 [M]. 北京: 中国统计出版社, 2020.
[14]	Project drawdown: Table of solutions [DB/OL]. (2021-05-10)[2021-08-10]. https://www.drawdown.org/solutions.
[15]	张胜杰, 齐琛冏, 张金梦. 节能提效应是“碳中和”首要举措[N]. 中国能源报, 2020-12-21(26).
[16]	李元丽. 减碳第一优选是节能提效[EB/OL].(2021-05-25)[2021-08-10]. http://www.rmzxb.com.cn/c/2021-05-25/2863841.shtml.
[17]	史琳, 安青松. 基加利修正案生效后替代制冷剂的选择与对策思考[J]. 制冷与空调, 2019, 19(9):50-58.
	SHI Lin, AN Qingsong. Low GWP refrigerants options and countermeasures discussion after the entry into force of Kigali Amendment[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2019, 19(9):50-58.
[18]	袁伟. 我国新能源形势及“十四五”发展的几个关键问题[R]. 北京: 国网能源研究院有限公司, 2021.
[19]	CRIPPA M, SOLAZZO E, GUIZZARDI D, et al. Food systems are responsible for a third of global anthropogenic GHG emissions[J]. Nature Food, 2021, 2:198-209. doi: 10.1038/s43016-021-00225-9
[20]	POORE J, NEMECEK T. Reducing food's environmental impacts through producers and consumers[J]. Science, 2018, 360(6392):987-992. doi: 10.1126/science.aaq0216
[21]	MCCARTHY N. Oil firms spend millions on climate lobbying [EB/OL].(2019-03-26)[2021-08-10]. https://www.statista.com/chart/17467/annual-expenditure-on-climate-lobbying-by-oil-and-gas-companies/.
[22]	LEISEROWITZ A, MAIBACH E, ROSER-RENOUF C, et al. Trump voters & global warming [R]. New Haven: Yale Program on Climate Change Communication, 2016.
[23]	Nature-based solutions: About defining nature-based solutions [EB/OL].(2021-01-11)[2021-08-10]. https://www.iucn.org/theme/nature-based-solutions/about.
[24]	大自然保护协会. 基于自然的解决方案:研究与实践[M]. 北京: 中国环境出版集团, 2021.
[25]	Carbon cycling and biosequestration: Report from the March 2008 workshop[R]. Washington DC: U.S. Department of Energy, Office of Science, 2008.
[26]	NASA's Goddard Space Flight Center. A year in the life of earth's CO₂ [EB/OL].(2014-11-17)[2021-08-10]. https://svs.gsfc.nasa.gov/11719.
[27]	赵军, 李扬, 李浩, 等. 中低温能源在中国 [J/OL]. 太阳能学报, 2020,网络首发[2021-08-10]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2082.TK.20201113.1409.002.htm.
	ZHAO Jun, LI Yang, LI Hao, et al. Mid-/low-temperature energy in China [J/OL]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2020,Available Online[2021-08-10]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2082.TK.20201113.1409.002.html.
[28]	中国可再生能源发展报告2019 [R]. 北京: 水电水利规划设计总院, 2020.
[29]	地热能开发利用“十三五”规划[R]. 北京: 国家发展和改革委员会, 国家能源局, 国土资源部, 2017.
[30]	蔺文静. 浅部地质环境热调蓄能力及其可利用性研究[D]. 北京: 中国地质科学院, 2012.
[31]	潘进军, 江滢, 郭鹏, 等. 中国太阳能资源和环境气象因子影响分析[J]. 科技导报, 2014, 32(20):15-21.
	PAN Jinjun, JIANG Ying, GUO Peng, et al. Analysis of China's solar energy resources and environmental meteorological factors[J]. Science & Technology Review, 2014, 32(20):15-21.
[32]	Renewables 2011—2021 global status report [R]. Paris: REN21 Secretariat.
[33]	施伟勇, 王传崑, 沈家法. 中国的海洋能资源及其开发前景展望[J]. 太阳能学报, 2011, 32(6):913-923.
	SHI Weiyong, WANG Chuankun, SHEN Jiafa. Utilization and prospect of ocean energy resource in China[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011, 32(6):913-923.
[34]	郭剑波. 双碳目标下电力系统发展及挑战[R]. 北京: 中国电力科学研究院, 2021.
[35]	喻小宝, 郑丹丹, 杨康, 等. “双碳”目标下能源电力行业的机遇与挑战[J]. 华电技术, 2021, 43(6):21-32.
	YU Xiaobao, ZHENG Dandan, YANG Kang, et al. Opportunities and challenges faced by energy and power industry with the goal of carbon neutrality and carbon peak[J]. Huadian Technology, 2021, 43(6):21-32.
[36]	王永真, 张靖, 潘崇超, 等. 综合智慧能源多维绩效评价指标研究综述[J]. 全球能源互联网, 2021, 4(3):207-225.
[37]	童家麟, 洪庆, 吕洪坤, 等. 电源侧储能技术发展现状及应用前景综述[J]. 华电技术, 2021, 43(7):17-23.
	TONG Jialin, HONG Qing, LYU Hongkun, et al. Development status and application prospect of power side energy storage technology[J]. Huadian Technology, 2021, 43(7):17-23.
[38]	李廷贤. 高密度储热及能质调控的原理与方法探索[R]. 上海: 上海交通大学, 2021.
[39]	BOLLINGER B R. Malta Pumped Heat Electricity Storage (PHES) for coal exit and energy transition from fossil to renewable energies[R]. Cambridge:Malta Incorporated, 2020.
[40]	ZIEGLER M S, MUELLER J M, PEREIRA G D, et al. Storage requirements and costs of shaping renewable energy toward grid decarbonization[J]. Joule, 2019, 3(9):2134-2153. doi: 10.1016/j.joule.2019.06.012
[41]	Technology data for energy storage[R]. Copenhagen: Danish Energy Agency, 2019.

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