实现中国双碳目标 水利行业可以做什么

2020年9月22日,中国国家主席习近平在第75届联合国大会代表中国政府郑重承诺,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和(简称“双碳”目标)。

水资源与气候变化紧密相关,应对气候变化,水利行业应该有什么担当?实现“双碳”目标,水利行业能够为之作出什么贡献?

为什么要加快实现“双碳”目标

要理解“双碳”目标的必要性,首先需要先理解两个概念——温室气体和温室效应。温室气体(greenhouse gas)指大气中能吸收地面反射的长波辐射,并重新发射辐射的一些气体。它们的作用是使地球表面变得更暖。1860年以来,由燃烧矿物质燃料排放的二氧化碳等温室气体,平均每年增长率为4.22%,而近30年各种燃料的总排放量每年达到50亿吨左右。中国是世界第一排放大国,2019年排放量占全球碳排放的29%左右。温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”(Greenhouse Effect),主要是因为现代化工业社会过多燃烧化石燃料,释放出大量的二氧化碳等温室气体而造成的。二氧化碳等温室气体具有吸热和隔热功能,它在大气中增多,使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间散发,因而导致地球表面逐渐变热。温室效应最突出的特征是全球变暖。由此可以看出,全球变暖的核心症结在于控制温室气体排放,也就是控制碳元素的排放

理解了温室气体和温室效应的概念,就不难理解“碳达峰”和“碳中和”这两个目标。碳达峰(carbon emission peak)指在某一个时点,二氧化碳等温室气体的的排放不再增长,达到峰值。碳中和(carbon neutrality)是减源增汇之间的平衡,即排出的温室气体被植树造林、节能减排等形式抵消,表达为碳吸收量等于碳排放量。

2015年12月,196个国家在法国巴黎通过了《巴黎协议》,一致同意利用当前最先进的科学技术进行减排,消灭贫穷,促进人类的可持续发展,在公平的基础上,在21世纪下半叶实现温室气体吸收与排放之间的平衡。据英国能源与气候智库(Energy & Climate Intelligence Unit)统计,截止至目前,苏里南和不丹已经率先实现碳中和,另外全球有53个国家和地区通过立法、官方政策等形式承诺实现碳中和目标。

但是人类应对气候变化的时间窗口正在变得越来越窄。全球因新冠疫情按下了暂停键,但并未阻止全球变暖的脚步。2020年,尽管疫情造成的经济大封锁使得全球碳排放下降了6.4%,但大气中温室气体的浓度还在继续上升。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2020年12月发布的报告指出,2020年1至12月全球平均气温较1850-1990年均温高出1.2(±0.1)°C,据巴黎协议的控制目标1.5°C仅剩0.2°C

IPCC本月发布的第6次评估报告指出,人类活动影响造成地球大气、海洋和陆地系统变暖已经非常明确(unequivocal)。预计未来20年(2040年前后)地表变暖将达到1.5度或1.6度。科学家高信度地认为人类活动是更频繁和强烈的热浪、冰川融化、海洋变暖和酸化的主要驱动力。地球气候正接近不可逆转的转折点,全球变暖程度越高,发生低可能性、高影响结果的概率就越大,不排除气候系统的突然反应。甲烷减排是一个重要的途径,生态系统对全球变暖的反应,如冻土融化和野火,极有可能进一步增加大气中的甲烷浓度,大力迅速减少甲烷排放量可以遏制全球变暖的趋势。

气候变化给人类和自然系统产生不可恢复的影响。全球变暖,两极冰川的融化和海水热胀冷缩是导致海平面上升的主要原因,海平面上升使得许多沿海地区的防洪形势日趋严峻,海平面的继续上升,虽然不会发生电影《后天》描述的情景,但地势低平的岛屿,如瑙鲁、图瓦卢、马尔代夫等国家将会面临生存危机。

气候变化对中国的影响也是十分显著的。受气候变化影响,中国北方河流江河径流量总体上呈现显著性减少,海河、黄河辽河尤甚;在黄河流域及海河流域,气候变化对河川径流减少的贡献率约30-40%。1980-2019年,中国沿海海平面上升速率为3.4毫米/年。2019年,中国沿海海平面较常年高72毫米,比2018年高24毫米。1961~2018年,中国面平均降水量总体呈现非显著性增加趋势,平均每十年增加4.2毫米;中国的降水分布呈现西南东北方向的少雨带,进一步加剧中国北方水资源短缺的情势;另外,短历时强暴雨增多趋强,局地洪涝灾害风险增加(中国第四次气候变化国家评估报告,待发布)。今年7月17日开始,河南省发生特大暴雨洪水,最大小时雨量201.9毫米,超过75·8特大暴雨洪水,刷新了我国大陆最大小时雨量的记录;郑州多年平均年降雨量为640.8毫米,17日20时到20日20时,三天降雨量617.1毫米;全城被淹、地铁进水、因灾死亡302人、失踪50人,直接经济损失114.8亿元。有研究表示,气温上升1.5°C,中国城市人口因高温死亡人数将上升至每百万人48.8–67.1人;升温2°C死亡人数将上升至每百万人59.2–81.3人。粮食安全也将受到威胁,1.5°C升温背景下中国水稻单产平均减幅7.49%,减产面积占水稻种植总面积的68.6%,严重减产面积占水稻种植总面积的10.3%;2.0°C升温背景下中国水稻单产平均减幅12.02%,减产面积占水稻种植总面积的70.6%,严重减产面积占水稻种植总面积的18.7%。

由此可见,应对气候变化、控制碳排放是我们在本世纪面临的重大挑战之一。2021年3月15日,习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议强调,实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,拿出抓铁有痕的劲头,如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标……我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。今年3月发布的“十四五“规划纲要也指出,广泛形成绿色生产生活方式,碳排放达峰后稳中有降,生态环境根本好转,美丽中国建设目标基本实现。降低碳排放强度,支持有条件的地方率先达到碳排放峰值,制定2030年前碳排放达峰行动方案。在能源领域,国家能源局表示,“到2030年非化石能源的一次能源消费比重要达到25%左右,风电、太阳能总装机容量要达 到12亿千瓦以上,这两个目标任务非常艰巨”,需要更加积极的新能源发展目标,加快发展风电和太阳能发电,因地制宜开发水电,在确保安全的前提下发展核电,同时要加快推进抽水蓄能、新型储能等调节电源建设,增强电力系统灵活调节能力,大力提升新能源消纳水平。在科技领域,科技部已部署全球气候变化应对专项,国家基金委4月30日已公布面向国家碳中和的重大基础科学研究专项指南。

实现双碳目标,水利能作出什么贡献

2021年3月15日中央财经领导小组第九次会议指出,要坚定不移贯彻新发展理念,坚持系统观念,处理好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系,以经济社会发展全面绿色转型为引领,以能源绿色低碳发展为关键,加快形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式、空间格局,坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路;要把节约能源资源放在首位,实行全面节约战略,倡导简约适度、绿色低碳生活方式;实现碳达峰、碳中和是一场硬仗,也是对我们党治国理政能力的一场大考。参照这一部署,水利行业可以从以下几个方面给“双碳目标”贡献力量。

加大水电开发

为了落实双碳目标,国家十四五能源发展规划提出制定更加积极的新能源发展目标,加快发展风电和太阳能发电,因地制宜开发水电,在确保安全的前提下发展核电,同时要加快推进抽水蓄能、新型储能等调节电源建设,增强电力系统灵活调节能力,大力提升新能源消纳水平。同时,十四五规划和2035远景目标的建议中,明确提出了“实施雅鲁藏布江下游水电开发”。虽然中国的能源消耗结构在逐步优化,但2019年,火电仍然是电力生产的主力电源,水电的比例仅为17.8%。

如果以燃烧煤炭的火力发电为参考计算减排效益,有关研究表明:每节约1度电,就相应节约了0.4千克标准煤,同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳(CO2)、0.03千克二氧化硫(SO2)、0.015千克氮氧化物(NOX)。按照这一标准,2020年,水电发电量累计为1.21万亿千瓦时,减排二氧化碳12亿吨;仅三峡电站2020年发电量达1118亿千瓦时,减排二氧化碳1.115亿吨,水力发电的减排效益十分显著。

加快推进抽水蓄能

抽水蓄能是利用电网中负荷低谷时的电力,由下水库抽水到上水库蓄能,待电网高峰负荷时,放水回到下水库发电的水电站,又称蓄能式水电站。这一做法可以为电力安全和运行效益发挥了巨大的作用。目前,中国抽水蓄能电站装机容量已居世界第一,2020年,运行总容量约4000万千瓦,规划到2025年发展到6800万千瓦。

因地制宜发展小水电

今年7月22日,《中共中央 国务院关于新时代推动中部地区高质量发展的意见》发布。意见提出,因地制宜发展绿色小水电、分布式光伏发电,加快农村能源服务体系建设。这是农村小水电遇到新的发展机遇和挑战。

截至2020年底,全国共有农村水电站(≤5万kW)43,957座,农村水电总装机容量达到8,133.8万kW,较2019年有所下降。年发电量达2423.7亿kW·h。相当于每年节约了7400万吨标准煤,节能减排效益显著。

小水电发展目前面临着突出的问题:首先是随着风-光电技术发展和政策影响,小水电的成本竞争优势逐步丧失;其次是部分小水电造成下游河道脱水等现象,对生态环境产生不良影响;再之是项目的目标单一,未能发挥综合效益;最后是许多项目年久失修,设备老化,效率低下。

针对少数小水电工程存在生态流量泄放与监测不到位、存在减脱水等问题,2018年末,水利部、国家发改委、生态环境部、国家能源局联合发布《关于开展长江经济带小水电清理整改工作的意见》,建立了问题核查、分类评估、一站一策、清理整改、评估验收的工作思路。

因此,在新的发展机遇面前,小水电开发需要做到:(一)坚持生态优先、绿色发展的原则,构建绿色小水电示范区。对建在自然保护区核心区和缓冲区的、严重破坏生态环境的小水电工程坚决清理;无河流生态流量下泄设施的,尽快改造,增加生态流量下泄设施;建站时间长,失修严重,效率低,论证后清理退出或按标准重建;加强生态调度运行,保障河流生态流量。(二)抓住机遇,发展农村绿色小水电,加快农村能源服务体系建设。小水电是脱贫攻坚工作的重要内容,也是美丽乡村建设的重要抓手,更是助力“双碳”目标实现的重要措施。

加大地热资源的开发利用

中国的地热能储量十分可观。据中国地质调查局资料,我国可采地热能源总量为每年26亿吨标准煤当量,超过2020年全国一次能耗的一半。地热资源的分布也十分广泛,浅层地热能源遍布全国,中低温地热能源分布于沉积盆地和隆起山区,高温地热能源分布于喜马拉雅地热带和台湾等。

地热能在建筑供热制冷领域应用潜力巨大,而建筑碳排放是全国能源碳排放的主要来源之一。根据中国建筑节能协会能耗统计专委会的研究,2017年建筑碳排放相当于20.44亿吨二氧化碳,占全国能源碳排放的20%;预计2050年将达到50%,是排放大户与平碳的重点领域。虽然2020年底,中国地热供暖面积已经接近14亿平方米,位居世界第一,但目前项目大多集中在京津冀鲁豫辽等地。

建筑供热制冷领域的地热资源利用主要可以依靠两个途径。一是浅层地热能利用,即高效节能空调技术,利用浅层地热能源既可供热又可制冷的高效节能的空调技术,实现对建筑物的能源供给,是目前浅层地热能最主要的开发利用方式。二是中深层水热型地热能利用,一般埋深在3000米以内,由地下水作为载体,可以通过抽取热水或者水汽混合物提取热量;水热型地热取暖技术通过开采井抽取地热水,通过换热站将热量传递给供热管网中的循环水,输送给用户,温度降低后的地热尾水通过回灌井注入地下。

此外,高温地热也可以用于发电。目前,西藏的羊八井(25MW)和羊易(16MW)的地热发电站是我国最大的地热发电站。西藏水热型资源拥有1GW潜力,我国高温地热发电任重道远。未来方向是天地结合,与风光发电配合,实现发电与供暖综合利用。

绿色节能发展

在水利行业,污水处理厂和抽水排灌站等都是用电大户,对陈旧设施改造,提高效率,节约用电,节能减排潜力大。

另外,倡导绿色低碳生活,反对奢侈浪费,鼓励绿色出行,营造绿色低碳生活新时尚,也是降低碳排放的有效方式。

注:本文系根据张建云院士在第五届中国—阿拉伯国家博览会水资源论坛(2021年8月18日,中国银川)的报告整理而成。

Truss towers in sunset

特写图片

Truss towers in sunset

Photo credit: Matthew Henry on Unsplash, license free

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