江亿 | 建筑领域的绿色低碳转型

2022年4月22日,中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿院士做客第七期“清华五道口绿色金融讲座”,线上举办,全网直播。


江亿院士围绕“建筑领域的绿色低碳转型”这一主题,介绍了我国建筑部门的碳排放状况、实现建筑运行碳中和的路径、建筑运行低碳转型的主要任务,分享了对新能源领域一些问题的观点,并且建议我国低碳发展应该分两步走,即“先电力、后其他;先建筑交通、后工业”。最后,江亿院士在问答环节耐心解答了场外观众提出的问题。


主要观点如下:


1. 在推进碳中和过程中,一是要避免大拆大建,把建设的重点从新建转为维修和功能提升,发展建筑低碳的延寿和功能提升技术,实现建设领域的战略转移;二是降低建筑运行中产生的碳排放。


2. 实现2060碳中和目标意味着,我国能源结构需要向低碳化转型,需要由煤、燃气、燃料等化石能源逐渐转向核电、水电、风电、光风、生物质燃气等零碳能源。


3. 有效落实农村零碳新型能源系统的建设,一方面需要建立适配的融资机制,梳理各类有关农村的补贴政策(农电、农灌、农机油,清洁取暖),集中财力,建成农村基于屋顶光伏的微网系统;另一方面需要提供政府担保,以低息贷款方式,让农户无偿用电,靠发电上网还本付息。


4. 通过在城镇建立“光、储、直、柔”调节机制,实现建筑内容柔性用电的灵活负载。通过建筑内部直流微网调动各个柔性用电和储能环节,响应电网要求,为电网削峰填谷。


5. 实现北方供暖热源结构转型,一方面需要对北方高能耗的老旧建筑进行节能改造,将平均供热能耗由目前的0.3GJ/平方米降低至0.25GJ/平方米以下;另一方面需要挖掘利用各类余热资源进行供热。


6. 我国能源的低碳转型可分为两步走:先电力、后其他;先建筑交通、后工业。转型任务的核心要点是要建设零碳的新型电力系统,先立后破,主要是为了解决储能问题,破解电源侧与用电侧不匹配的难题。



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图为 江亿

我国建筑部门碳排放状况

建筑碳排放是指建筑物在与其有关的建材生产及运输、建造及拆除、运行阶段产生的温室气体排放的总和,以二氧化碳当量表示。放眼全球,世界通常是将碳排放分为工业、交通和建筑运行,而对建筑部门的碳排放核算主要是从全生命周期各个阶段所产生的碳排放进行分类核算与控制。其中,工业碳排放包括了建材的生产和盖房子的过程,交通碳排放包括了建筑材料的运输。

聚焦我国的建筑部门碳排放的情况,江亿指出,优化建筑碳排放管理需要从全生命周期进行碳排放总量的核算与控制,而不是使用常用的清单法核算当年的碳排放。


假设一栋建筑的寿命为70年,那么建筑材料生产过程中贡献的碳排放约占该建筑全生命周期碳排放总量的15%,运输与建造过程产生碳排放量占比3%,运行过程占比70%,维护维修占比7%,拆除处理占比5%。由此可见,在全生命周期中,建筑在各阶段产生碳排的差距较大。因此,我们要分别统计、控制和管理各个阶段的碳排放。


江亿强调,在推进碳中和的过程中,一是要避免大拆大建,把建设的重点从新建转为维修和功能提升,发展建筑低碳的延寿和功能提升技术,实现建设领域的战略转移;二是降低建筑运行中产生的碳排放

建筑运行过程导致的碳排放和建筑的建材生产、建造、维修以及后期拆除过程产生的碳排放的特征、问题都不相同,应该分别管理,而不宜混在一起。

实现建筑运行碳中和的路径

1. 实现能源结构的低碳化转型
目前,我国的能源消耗以化石能源(煤、燃气、燃料)为主。实现2060碳中和目标意味着,我国能源结构需要向低碳化转型,需要由化石能源逐渐转向零碳能源。

江亿表示,零碳能源未来将主要依靠核电、水电、风电(海上和陆上发电)、光电(包括屋顶光伏)以及生物质燃气等。按照国家资源情况,未来的能源结构将会是生物质燃料占比10%-15%,其余为核电、水电、风电光电等电力资源。需求侧则需要通过电力替代化石能源,逐步实现电气化。

2. 解决零碳能源与用电负荷的不匹配问题


从用电侧全年的情况来看,电力供需不平衡主要分为三种情况:季节差、旬差和日内差。


季节差是指,春天水电、光电的发电量充足甚至高于用电量,但冬天却会出现电力短缺的情况。对此,江亿指出,采用生物质燃料、燃煤、燃气作为燃料的火电力发电,不仅可以在冬季和其他电力不足时调峰,还可以提高供电可靠性;同时冬季采用热电联产方式,还可以获得可观的热量供建筑冬季采暖使用。使用CCUS技术将这些火电排放的烟气中的二氧化碳作捕捉利用封存处理。这种方式与储氢等各种跨季节储能方式相比,经济性更好。


旬差是指,受天气(连阴天、静风天)的影响,每日的供电量存在差异。对此,江亿指出,解决旬日内总量的变化可以使用水电和抽水蓄能、空气压缩储能、以及化学储能等调蓄方式解决,当然也包括通过调峰火电提供供电保障。


日内差是指,光伏电力的日内逐时变化,在一天24小时中,白天的发电量通常会高于晚上的发电量,导致晚高峰电力不足。对此,江亿指出,水电和抽水蓄能电站可以解决20%的日内差问题,但主要还是依靠化学储能,即各类电池,比如电动车的电池、建筑的“光储直柔”调节、电池储能系统等。

建筑运行低碳转型的主要任务

1. 建设农村零碳新型能源系统

农村零碳新型能源系统是指,农村实现基于屋顶光伏的全面电气化,彻底告别燃煤、燃油、燃气和秸秆,其中,秸秆、枝条、禽畜粪便可加工成生物质燃料,进入商品燃料市场。由于生物质燃料易储存、易运输,可以有效解决电力储存难、输送难的问题,农村应优先用电,置换出生物质燃料。

江亿指出,新型农村能源系统的主要功能是充分开发利用农村各类闲置屋顶资源,发展光伏发电,每户装机20kW以上。当配备一定容量的储能后,可以实现只发电上网,不从电网取电。

对于如何推进农村零碳新型能源系统的建设,江亿建议,一是建立适配的融资机制,梳理各类有关农村的补贴政策(农电、农灌、农机油,清洁取暖),集中财力,建成农村微网和生物质加工能力,实现新型能源系统公共部分的建设;二是提供政府担保,以低息贷款方式解决每个农户家庭屋顶光伏和户内用电系统的改造,实现农户无偿用电,解决生活、生产的全部用能,还能够靠剩余电力上网还本付息。

2. 建立城镇建筑+充电桩的“光储直柔”调节机制

与农村地区不同的是,城镇地区虽然房子多,但屋顶不多,安装光伏只能满足25%的需求。因此,江亿指出,城镇建筑不光是使用这些分布式光伏发电,更重要的功能是利用建筑自身的热惯性和机电系统可灵活调节的特点、并挖掘楼内配电网通过有序充电桩连接的私家车电池、以及建筑自备的分布式蓄电,帮助电网消纳外面集中的风光电,发挥消峰填谷的作用。为此,江亿提出建立城镇建筑+充电桩的“光储直柔”新型配电系统和它的调节机制。

所谓“光储直柔”,“光”是指在建筑表面安装光伏发电,“储”是指在建筑内布置分布式蓄电以及通过智能充电桩,充分利用停车场的电动车内蓄电池资源,“直”是指建筑内实行直流配电,“柔”是指让建筑成为电网的柔性负载。

江亿提出,通过建立城镇建筑与充电桩的“光、储、直、柔”系统,可以使建筑成为柔性用电的灵活负载。通过建筑内部直流微网调动各个柔性用电和储能环节,响应电网要求,为电网削峰填谷。如果全国有250亿平方米的居住建筑和100亿平方米的办公建筑建成“光储直柔”配电,则可以解决未来高比例风电光电时60%的风光电消纳任务。

3. 北方供暖热源结构的转型

目前,北方城镇建筑供热面积约为160亿平方米,供热量为50亿GJ,热量来源45%的热电联产余热,40%的燃煤燃气锅炉,以及15%的热泵和分散燃气炉。那么,如何实现北方供暖热源结构转型?零碳热源从哪儿来?

江亿指出,首先需要对北方建筑进行节能改造,将平均供热热耗由目前的0.3GJ/平方米降低至0.25GJ/平方米以下。改造对象主要针对上世纪80年代建成的房屋,这些建筑的热耗是2000年后建筑房屋的1.5至2.5倍。通过对不节能建筑进行改造之后,2060年北方城镇供热面积约为200亿平方米,供热量可在50亿GJ以下。

其次需要挖掘利用各类余热资源进行供热。一方面是通过建造跨区域大型热网,把有余热的地方和有用热需求的地方连起来。目前我国北方已有了较好的基础,未来可以进一步扩建;再一方面是要通过降低热网回水温度,以便有效回收低品位余热。同时研究开发和建成大规模跨季节储热系统,使春夏秋季的各类余热也得以充分利用,才能得到足以满足北方冬季建筑供热的零碳热源。

我国实现能源低碳转型的建议

如何有效实现我国能源结构的低碳转型?江亿指出,转型任务的核心要点是要建设零碳的新型电力系统,先立后破,有了新的零碳电力系统才能替换以化石燃料为基础的传统电力系统。

新型电力系统的关键是解决在大比例风电光电电源下系统的调蓄问题,破解电源侧与用电侧时间不匹配的难题。发展建筑内新的配电系统,充分开发利用电动乘用车的电池资源,可以在很大程度上解决这一问题。

电力系统的改造是一项极困难的庞大工程,且又直接影响社会与经济活动的正常运行,所以可先在农村建立基于屋顶光伏的新型农村能源系统,摸索经验,且促进新农村的建设,还为全社会提供零碳电力与零碳燃料,为零碳能源系统的建设打下初步基础。


江亿建议,我国能源的低碳转型可分为两步走:先电力、后其他;先交建筑交通、后工业;而电力系统又应先农村、后城市,“农村包围城市”


第一步以新型电力系统为目标,发展私人电动车、农村新能源、以及建筑配电系统改造和智能有序充电桩系统的建设,于2035年前后建成充足的零碳电力供给系统;同时停止新建燃煤电厂和基于化石能源的新的流程工业,电力需求的增长靠新发展的零碳电源平衡,流程产业的增长(例如化工)按照新的不依靠化石能源的流程建设;对于已有的制造业,则维持其继续生产,“制造大国”是我国经济持续增长的保障。


新型电力系统的建设还会带动一大批相关的新兴产业的发展,如风电光电产业、储能产业、电力电子器件和直流配电、直流电器等。如此,预计到2035年之后,目前的制造业生产线将进入更新换代期,再对生产线按照新工艺新流程进行全面改造。这样可能就可以更好地满足适合中国的状况,从而实现最终的碳中和目标。


此外,江亿对储能、天然气、氢能源等热点问题发表了自己的观点。


储能是未来实现零碳能源的关键。“风电光电的输出由自然状况决定,而非需求决定;而各类余热热源的输出量是由其生产者的主营业务决定,与使用侧的需求无关。


因此,如果不解决储能的问题,一方面弃风弃光弃热,一方面靠化石能源补充,这是极大的浪费”江亿表示。同时,他指出,与电源、热源建设相比,储能需要更大的投资,需要制定相应的政策机制、国土利用的政策以及储能价格机制等,这其中包括如何打破常规,多部门协调、资源共享、综合利用等原则。


天然气是化石能源,天然气燃烧排放的CO2约为产生同样热量时燃煤排放的一半,但其开采、运输和终端使用过程约有5%的泄漏,其GWP为26,综合后排放与煤接近。江亿指出,目前我国燃煤技术全面世界领先,但燃气相关技术基本上落后于世界先进。


现在一些主张大力发展天然气,实行“煤改气”,把天然气在能源中的占比从目前的7%提高到15%,投入大量建设资金。二十年后再进行“气改电”,减少天然气用量。为什么要这样反复?我国目前自产2300亿m3燃气,进口1000亿m3,已完全可以满足未来工业和发电需求。现在对天然气所做的5000亿甚至6000亿m3的规划,都是考虑建筑(包括农村)的煤改气。


既然未来要实现全面电气化,那么为什么不能直接在目前的基础上对建筑用能实行全面电气化,“气改电”,取消对天然气的依赖?对于农村,更要慎重发展“煤改气”,而是应集中人力、财力重点攻关,建设零碳的新型电力系统。建筑应通过全面电气化,使天然气用量逐年缩小,直至被替换。


目前学界、业界等各界人士对氢能源的发展有不同看法,对此,江亿表示“一定要慎重对待氢能源的发展。氢气不是自然存在的,现在各种各样的制氢,比如说电解水制氢;氢反过来发电、中间储存昂贵又低效。我们一定要搞清楚为什么要制氢,需要氢能源解决什么问题。不能跟风而上,造成大量低效和无效投资,造成巨大浪费。


(以上观点根据讲座实录整理,经由嘉宾确认)


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江亿,清华大学建筑学院教授、建筑节能研究中心主任,中国工程院院士(2001),国务院能源咨询专家委员会成员,国家气候变化专家委员会成员、建设部科技委委员、北京市政府科技顾问,中国制冷学会理事长、中国城镇供热协会副理事长和技术委员会主任,IPCC(国际气候变化研究)第五次评估报告写作组成员、IEA(国际能源组织)ECBCS(建筑与社区节能)合作项目理事会成员。目前主要从事建筑节能领域的研究工作,2005年建立清华大学建筑节能研究中心,主持连续出版每年一册的《中国建筑节能年度发展研究报告》,主持举办一年一度的建筑节能学术周活动,并参与国家碳达峰碳中和技术和政策机制的研究,系统地提出我国实现碳中和的路径和相关政策机制,对中国建筑节能事业起到巨大推动作用。