江亿院士：关于碳中和的30个思考

　　碳中和背后是一场高科技竞争，这场竞争的背后并非国际社会强迫我国实行低碳，而是我国可持续发展战略要实现低碳。本文汇总了江亿院士关于碳中和的30个重要思考和观点，包含乡村、建筑、能源、供热等多领域实现碳中和的路径。

 

江亿：中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任、中国节能协会理事长

 

　　碳中和目标实现路径

　　思考01：中国能源革命将倒逼工业、交通、建筑改变自身用能结构

　　第一步，中国能源革命最主要任务是建立零碳新型电力系统。围绕整个能源结构的转型，倒逼工业、交通、建筑改变自身用能结构。第二步是城市做光储直柔改造，主要目的不是为了利用屋顶面积，而是解决柔性用电灵活调控，参与调控、成为电力系统的虚拟电厂。

 

　　思考02：碳中和背后是一场高科技竞争，是我国可持续发展战略要实现低碳

　　江院士认为，碳中和背后是一场高科技竞争，这场竞争的背后并非国际社会强迫我国实行低碳，而是我国可持续发展战略要实现低碳。

 

　　实现零碳热源必须破解三大问题，分别是热源产热与终端用热在时间上不同步、热源的分布位置与用热终端地理位置不一致、热源输出的参数与终端用热需要的参数不匹配。

 

　　消费侧的节能一方面靠发展创新的节能技术，提高用能效率；同时也不能丢掉我们绿色用能绿色生活方式的传统。一定要避免日常生活能耗随收入增加后出现的大幅度增长。

 

　　思考03：加快建设智能有序充电桩系统，全面回收各类工业余热

　　在他看来，实现能源革命，由化石能源全面转为零碳能源需要关注三大投资领域：

 

　　新型城镇建筑配电系统和智能有序电动车充电桩的建设。他建议，加快建设智能有序充电桩系统，充分挖掘利用电动车电池资源，同时尽快实现农机具电气化。

 

　　新型农村能源系统的建设，使农村有能源消费者变为零碳能源的重要产地。他建议，充分开发利用农村各类闲置屋顶资源，发展光伏发电。

 

　　使流程工业低品位余热供给系统成为建筑供暖和非流程工业生产用热源。他建议，全面回收各类工业余热，为北方建筑冬季采暖和非流程制造业提供热源。

 

　　思考04：采用“基准值法”开展生产侧排放控制试点

　　直接碳排放、间接碳排放、碳排放责任方面的相关情况。仅以直接碳排放为评价指标是存在一些问题的。实现碳排放责任分摊有两种方法：跟踪全过程各个环节碳排放量、基准值法。

 

　　并提出了工作建议：进一步推进碳排放责任核算方法的深入论证和国际交流；建立产品基准值分类和数据统计体系；采用“基准值法”开展生产侧排放控制试点；采用“基准值法”开展地区减碳工作评价和控制试点将“基准值法”用于各省市、碳排放责任的评价和控制，从而推进先进地区率先实现碳达峰碳中和。

 

　　思考05：全面的零碳改造更可以助力我国制造业真正由制造大国上升为制造强国

　　江亿指出，零碳能源建设将拉动农村以光伏屋顶为基础的新型能源系统建设、生物质能源全产业链建设、城市建筑“光储直柔”配电的建设和改造、全覆盖的智能充电桩网络建设、跨区域热网的建设改造和大型跨季节蓄热装置的建设。

 

　　届时目前的大多数制造业产能也已经收回成本，该更新换代，这就为全面的制造业结构调整和零碳化改造提供了良好的内部和外部条件。零碳电力系统可为制造业提供充足的低成本电力，全面的零碳改造更可以助力我国制造业真正由制造大国上升为制造强国。

 

　　思考06：先电力后其他、先农村后城市、先建筑交通后工业

　　中国能源革命的整体顺序应该是先电力后其他，重点就是电力；先农村后城市，电力也是农村先行；先建筑、交通后工业，因为建筑、交通改造不会影响我国经济发展，不会拖制造业后腿，还能形成新的工业产业的市场需求，所以能促进制造业。这些完成后再进行工业低碳转型，就会特别顺利。

 

　　思考07：充分利用农村资源，实现以屋顶光伏为基础的全民电气化

　　我国能源低碳转型要先立后破，要先建设起来零碳的新型电力系统，在通过市场逐步淘汰燃煤机组。此项任务的瓶颈在于储电，在于解决电源侧与用电侧在时间上的不匹配问题。

 

　　在农村建设新型的农村能源系统，充分开发利用农村的空间资源和储能资源，实现以屋顶光伏为基础的全民电气化，并且把大量废弃的生物质材料加工为零碳的生物质燃料进入能源市场；在城市则发展“光储直柔”建筑配电和智能有序充电桩网络，使建筑成为电网的柔性负载。

 

　　思考08：将我国的电力系统从集中变为分布式，形成新的电力网

　　“实现零碳能源，需要我们全面电气化，尽可能减少对化石燃料的依赖。”江亿认为，这一选择将推动我国的电力系统从集中变为分布式，形成新的电力网，同时，在用电终端上，将发展灵活用电的柔性负载，实现风电、光电的有效消纳。在燃料上，也将大力发展商品化生物质能源。以上这些能源方面的低碳革命将拉动相关基础设施投资和新的相关零碳产业。

 

　　乡村碳中和目标实现路径

 

　　思考09：构建以新能源为主体的新型电力系统，农村有着巨大优势

　　构建以新能源为主体的新型电力系统，光伏发电、风电等项目开发最需要空间资源，农村地区恰恰有着特别大的优势。通过高分卫星图加人工智能等方式，全面分析了全国农村屋顶状况。经统计识别，我国农村区域各类屋顶面积共有273亿平方米。”这些屋顶为农村发展光伏带来机遇。

 

　　江亿称，以目前户均可安装屋顶光伏20-40千瓦计算，农村地区实际可利用的屋顶总安装量达19.7亿千瓦，预测年发电量接近3万亿千瓦时。“对照2019年全社会用电量7.2万亿多千瓦时，3万亿千瓦时已超过1/3的量。

 

　　思考10：把农村屋顶利用好，让村民充分用电的基础上结余至少1.5万亿度电

　　江亿谈到，如果好好把农村屋顶利用好，就可以实现全面电气化。不仅可以用电力替代现在农村的燃油、燃煤、燃气，还能在让村民充分用电的基础上，结余至少1.5万亿度电。

 

　　“农村屋顶挺多，但是现在多数地方开发的方式都是企业到村里跟村民租屋顶，然后装上光伏，产权归企业。村民日常仍需正常买电用。实际上除了这种方式，可以实现农村用电自发自用。”

 

　　江亿称，目前，农村直流微网功能就是充分利用村里各种闲置屋顶，接收各户的富裕电量，储存之后上网调蓄，把全村彻底电气化，取消煤、油、气和生物质燃料。

 

　　思考11：探讨城乡能源系统的碳中和路径，首先要把边界范围定义清楚

　　探讨城乡能源系统的碳中和路径，首先要把边界范围定义清楚。城乡能源系统主要有工业、交通、建筑三大部门。

 

　　从工业来看，分成流程工业和非流程工业。流程工业以能源作为基本原料，非流程工业用能则主要是用它作为燃料提供热量，再就是用电，间接的碳排放是用电造成的。

 

　　交通主要是货运、客运，还有就是乘用车，未来乘用车将逐渐实现电气化。从交通部门管理来看，以前比较多的关注营运车辆，包括货运和客运。

 

　　从建筑领域来看，有公共建筑与居住建筑区分，城镇建筑与农村建筑区分，各自特点不同，应该把它们定义清楚。

 

　　思考12：一个个村就像是小型发电厂，输出的是优质电力

　　就是依托农村直流微网，充分利用各类闲置屋顶，接收家家户户的富裕电量，储存之后上网调蓄。”江亿解释，一户有光伏，配上3-5千瓦时蓄电池，自用电量足以解决。

 

　　进而再满足村里的公共用电、大型农机充电、农业和农副产品生产用电等。“多余电量经储存调节后，在与电网约定好的时段上网，或根据电网调度要求上网。

 

　　思考13：农村通过发展屋顶光伏，可以彻底改变农村能源结构

　　中央提出“双碳”战略给农村的能源问题找到了新的解决途径，也是一个新的机遇。从“双碳”出发，未来的主要能源是电力。电力主要由风电、光电构成，而风电、光电的开发最需要的资源是空间。

 

　　恰恰在空间资源上，农村有着特别大的优势，抓住这个优势好好发展以屋顶光伏为基础的农村新能源系统，可以彻底改变农村的能源结构，使农村的社会发展、经济发展水平能够实现跳跃式的飞跃。

 

　　思考14：零碳愿景下的能源供给方案

　　建立新型零碳电力系统，实现电力系统的革命，其中包括改变电源结构和调控方式，这是一个革命性变化。要建设带有跨季节储能设施的跨区域热网，以全面协调低品位热量的供、需、储。包括电源从现在集中电源改成集中和分布相结合的电源供给，现在电网调节靠电源侧发电机组调节，未来要变成电源和终端联合调节。

 

　　建筑碳中和目标实现路径

 

　　思考15：建筑实现全面电气化，要从目前的煤电转化为绿电

　　减少建筑运行的直接碳排放：直接碳排放：由于燃烧或是能源导致的二氧化碳的直接排放；建筑运行相关的直接碳排放：全面电气化，不再使用燃料。

 

　　减少建筑运行的间接二氧化碳排放：建筑实现全面电气化，电力要从目前的煤电为主转为绿电；绿电：核电、水电、风电、光电、生物质发电我国目前绿电占总电量30%，2030年达到一半，2045年全部绿电。

 

　　思考16：建筑配电系统将成为建筑实现‘双碳’目标的重要支撑技术。

　　“光储直柔”是在建筑领域应用光伏发电、储能、直流配电和柔性用能四项技术的简称，但并非简单的组合，而是有机融合并构成一个整体来实现柔性用能，实现建筑与电网之间的友好互动。建筑配电系统将成为建筑及相关部门实现‘双碳’目标的重要支撑技术。”

 

　　思考17：推广零碳会促进新的大量相关技术的发展进步，从而实现可持续发展

　　江亿描述了一个低碳的未来。随着低碳社会的发展，热量会越来越珍贵。“因为以前是燃料烧火提供热量，再把热量变成电，热在前面，电在末端。推行零碳后，电在前面，风电、光电、核电、水电都是电，热在末端，于是热的珍贵性就凸显出来了。”

 

　　而这个时候，大规模跨季节储热在经济上、低碳发展上等各方面变得可行了，可以把全年的余热收集起来，变废为宝，实现零碳。由于有了储能装置，储热会比储电更便宜。

 

　　他表示，通过技术革命，在2050年前后将实现建筑零碳运行，“而且很重要一点是，推广零碳并不是给自己增加障碍和成本，反而会促进新的大量相关技术的发展进步，从而实现可持续发展。”

 

　　思考18：建筑领域推进碳中和过程中要避免大拆大建

　　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。江亿强调，在推进碳中和的过程中，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；降低建筑运行中产生的碳排放。

 

　　对于如何推进农村零碳新型能源系统的建设，江亿建议：建立适配的融资机制，梳理各类有关农村的补贴政策，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；提供政府担保，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。

 

　　思考19：全面电气化是实现双碳目标的主要途径

　　建筑的低碳、降碳是指降低建筑运行过程中直接和间接排放二氧化碳量，全面电气化是实现双碳目标的主要途径，当然还必须继续开展建筑节能工作，这是实现双碳目标的基础。

 

　　除此之外，在全面践行“双碳”目标的背景之下，建筑行业应为电力系统“零碳化”作出更多的贡献。电力系统要实现革命性转变，从目前以化石能源为基础的集中式电力系统转为以可再生电力为主的集中与分布结合的新型电力系统。

 

　　新型电力系统中风电光电将占发电装机容量的80%以上，发电量的60%以上。有效消纳风电光电将成为发展风光电的最关键问题，通过一系列建筑用能技术进行削峰填谷、实现柔性用电，可以为风电光电的发展起到重大作用，这就要求建筑在配电模式方面进行变革。

 

　　思考20：把建筑物的性能提高，比把建筑物外面看着更漂亮点，可能重要得多

　　要是有一个30年建成的房子，该怎么做？首先肯定我说不会给它拆了，推倒重来，这事跟我刚才说的就矛盾了。那么提升它的质量，如果没有电梯，把电梯给补上，这个对我们老年人太有好处了。

 

　　然后维护结构的改造，尤其是在北方地区，把房子保温好了，门窗做好了，对改善屋子里的，尤其是冬天的性能，节约用能会有特别大的作用，起很大的好处。所以，把建筑物的性能提高，比把建筑物外面看着更漂亮点，可能重要得多。

 

　　思考21：公共建筑低碳转型要从四个方向发力

　　作为建筑节能重点领域的公共建筑，需要从强化能耗总量和强度双控，发展为能耗与碳排放总量和强度双双控；从进一步节能和提升建筑与系统能效，发展为提升建筑用能系统的柔性和韧性、建设光储直柔的建筑、社区、园区能源系统，提升可再生能源利用量和吸纳电网可再生电量；从制定规章制度和标准体系，到更加科学和严格的措施；要建立全过程节能低碳管理体系，尽快大幅度降低各类公共建筑的碳排放强度。

 

　　思考22：电池会是未来最宝贵的储能调节的资源

　　零碳电力发展面临的两大困难，一是空间在哪，风电、光电安装需要空间，建筑屋顶实际是一个非常好的资源，应该好好加以利用，开发屋顶光伏发电；另一个问题在于，发展风电、光电是电源侧跟用电负荷二者的匹配，灯一关，电厂就得少发电，二者要保持平衡。

 

　　但风电、光电不能人为控制，就得对用电侧进行相应的调节，在这方面，建筑能起到很大的作用，尤其将来全面推广电动车，电池会是未来最宝贵的储能调节的资源。

 

　　能源碳中和目标实现路径

　　思考23：在新型电力系统的运作规则下，终端用能设施将变成电力系统中不可或缺的一部分

　　谈到海南省实现零碳岛的关键，江亿院士指出建立零碳的新型电力系统是整体目标实现的关键因素。在新型电力系统的运作规则下，终端用能设施如建筑和汽车将变成电力系统中不可或缺的一部分。

 

　　一些节能技术的应用使建筑和汽车的性质发生了转变，在未来的能源结构中，建筑设计和汽车的选择将不仅仅要考虑其使用的效果，还要考虑为投资和使用者可以带来什么样的经济效益。

 

　　思考24：怎样处理消纳秸秆，是实现碳中和必须解决的重要任务

　　对于生物质，我们普遍认为是零碳的，但是不同的消纳方式都会产生氧化亚氮还有甲烷，这两种气体属于非二氧化碳温室气体，而且比二氧化碳产生的温室效应更厉害。

 

　　在中国生物质消纳方式中，水稻秸秆还田产生的非二氧化碳温室气体占我国的非二温室气体排放中的很大比例。因此，怎样处理消纳秸秆，使其排放最少，是实现碳中和这一目标中必须面对和解决的重要任务。

 

　　思考25：未来建筑将是一个集发电、用电、储电于一身的新型能源综合体。

　　智能化建筑将不止要满足绿色低碳的用能需求，还要满足电力系统灵活电力平衡的需求。大型建筑从上至下的使用面积，从屋顶、外立面甚至到地下空间都将成为宝贵的资源，通过更科学和系统的设计开发，不断提高利用效率和扩展应用场景，为用户提供新的价值体验和服务。从目前的技术发展趋势可以预测光电技术、储能技术与建筑设计的融合会大有可为。

 

　　思考26：生物质合理化消纳需从干、湿两方共同发力

　　从碳中和角度看待生物质的合理化消纳，最好的方式是——对于干生物质，就是先制成成型燃料，再燃烧，整个过程就不再有非二气体排放；对于湿生物质来说，就是沼气发酵，再分离出二氧化碳，利用或填埋这部分二氧化碳，剩下的甲烷是生物燃气，沼渣、沼液是有机肥，可以顶替一部分化肥，这么综合起来，可能就是最好的处理方式。

 

　　思考27：粮食和能源的“双生产双输出”，成为我国解决三农问题的重要措施

　　我们就要建立以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统，实现全面电气化，替代所有的化石能源。全面解决环境、固废、健康问题，置换出生物质能源，与光伏电力合作制成零碳燃料，供应能源市场，给农区、林区农民增加新的收入来源，实现农村土地粮食和能源的“双生产双输出”，成为我国解决三农问题的重要措施。下沉到生物质发展方向来说，就是发展商品化生物质燃料，用来替代化石燃料，减少化石能源燃烧产生的直接碳排放。

 

　　供热碳中和目标实现路径

 

　　思考28：通过海水淡化制备热淡水，实现水热联产、水热同送

　　谈及我国北方城镇零碳供热的实现，江亿特别指出：

 

　　要开发利用沿海地区核电、火电、钢铁厂余热，通过海水淡化制备热淡水，实现水热联产、水热同送、水热同蓄、水热分离。

 

　　开发利用北方保留下来的3亿千瓦火电，获取4亿千瓦热量，通过蓄热装置和全部回收余热，为80亿平方米建筑供热。

 

　　部分钢铁、有色、化工产业和垃圾焚烧等余热，也可供热10亿平方米，建立跨季节蓄热装置，充分利用全年排放的余热。

 

　　对于30亿平方米难以连接集中热网的建筑，通过集中的中水水源、以及分散的空气源等多种电动热泵方式供热。

 

　　思考29：开发利用沿海地区核电、火电等，可为城镇80亿平方米建筑进行供热

　　开发利用沿海地区核电、火电、钢铁厂余热，通过海水淡化制备淡水，实现水热联产，再加上建设若干个大型跨季节蓄热装置，可为城镇80亿平方米建筑进行供热；

 

　　开发利用北方地区保留下的3亿千瓦火电，通过蓄热和余热回收，可为80亿平方米建筑供热；

 

　　利用部分钢铁、化工产业和垃圾焚烧及其排放余热，也可为10亿平方米建筑供热；

 

　　通过多种电动热泵方式供热，如集中的中水水源、分散的空气源等，这些可为30亿平方米难以连接集中热网的建筑供热。

 

　　思考30：社会减碳量的15%靠热泵，余热回收同时还能大幅降低烟气里的污染物

　　江亿院士在报告中指出，实现碳中和目标，须实现以可再生能源为基础的零碳能源和低碳能源结构。热泵技术的新挑战第一是做高效，第二是高温和干燥，第三是绿色工质。

 

　　整个社会减碳量的15%靠热泵。热泵在建筑领域大概能替代3.5亿吨，在集中供热大概能替代1~1.5亿吨，工业生产中能替代10亿吨。余热回收同时还能大幅降低烟气里的污染物，改善大气环境，实现碳污共治。