江亿院士：我国建筑的碳达峰与碳中和.pptx

我国建筑的碳达峰与碳中和 江亿 清华大学建筑节能研究中心 研究思路 • 最终目标：实现建筑部门的零碳 • 通过用能结构调整，实现建筑运行过程无直接碳排放，建筑用能电气化 • 通过发展光伏和改变用电方式，助力电力系统零碳化 • 通过与电力系统的配合、充分挖掘利用各种余热资源，实现冬季零碳供热 • 通过和建材领域合作，减少新建和维修过程使用建材导致的建材生产碳排放 , 助 力工业生产的减碳和碳中和 • 通过对空调制冷系统的创新发展，解决制冷剂等温室气体减排问题 • 碳达峰途径 • 研究在满足社会经济发展和人民生活水平提高的目标下，从目前状态通向零 碳状 态的过程，力图少走弯路、在实现零碳的过程的同时促进社会经济发展 建筑运行相关二氧化碳排放状况 2019 年 建筑总量： 644亿 m2 排碳总量： 22 亿 t CO2 占总排放比例： 22% 134亿 m2 , 228亿 m2 48 kgCOyms 16 kgCOJm2 23 kgCOym2 36 kgCOymS 152 亿 m2 北方供暖 5.5 亿 g 公共建筑 （ 除北方 釆暧） 6.5 亿 tCO2 农村住宅 商品能 5.2亿 tC02 282亿 m2 城镇住宅 （除北方釆暖） 4.6 亿 tC02 通过用能方式调整，消除建筑的直接碳排放 • 目前状况 2019年煤、天然气等化石燃料，相关的直接碳排放 6亿吨 CO? • 减排路径 • 减少使用任何化石燃料：煤、油、气 • 炊事方式的电气化：电炊具种类增多 • 生活热水的电气化：热泵热水器，电热水器 • 燃气热水锅炉的替代：热泵 • 燃气蒸汽锅炉的替代： • 取消集中蒸汽系统，汽改水 • 必须使用蒸汽者，改用小型电热蒸汽发生器 • 集中供应蒸汽用于建筑需求的系统必须被替换，集中改为分散 建筑目前用电状况 （ 2019年） • 运行总用电量 1.9万亿 kWh • 城市居住建筑 （ 282亿 m2） 5374亿 kWh • 农村居住建筑 （ 228亿 m2） 3054亿 kWh • 公共建筑 （ 134亿 m2） 9932亿 kWh • 各类办公建筑 （ 46亿 m2） 3276亿 kWh • 商业综合体等 （ 37亿 m2） 2802亿 kWh • 医院学校 （ 29亿 m2） 2020亿 kWh • 公共设施（医院体育文化交通等） （ 22亿 m2） 1834亿 kWh • 北方供热系统用电 611亿 kWh 建筑用电量的未来发展 • 未来 3亿辆电动小汽车， 2000kWh/辆， • 建筑和电动小汽车用电： • 城镇建筑和 2.5亿辆电动小汽车： 2.7万亿 +0.5万亿二 3.2万亿 kWh • 农村建筑和 0.5亿辆电动八汽车 +电动农机具： 0.7万亿 +0.3万亿二 1万亿 kWh • 建筑总量： 750亿 m%用电总量 3.5万亿 kWh,约为目前 2倍 • 居住建筑： 350亿 m2,用电强度增加 （ 30kWh/m2） ，总量 1万亿 kWh • 农村住宅： 200亿 m2,用电强度增加 （ 35kWh/m2） ，总量 0.7万亿 kWh • 公共建筑： 200亿 nV, 总量 1.6万亿 kWh • 供暖用电 （ 160亿循环 +40亿热泵） 总量 0.1万亿 kWh总量 0.6万亿 kWh • 提倡节约型生活方式，提高用电效率，避免建筑用电出现美、日、韩的狂涨现象 • 丹麦人均用电 5000kWh/A,美国人均用电 L1万 kWh,西欧 0.7〜 1万 kWh /人，建筑用 40%〜 50财 • 我国未来人均建筑用电量 2500kWh/人，在目前人均基础上增加 10% （燃气燃煤折合为电力） • 即使全面发展风电光电，如果用电需求过大，也无法解决调节与平衡问题。因此，节能是基 础 建筑用电应全部为风电光电 • 大力发展建筑表面光伏发电 • 城市建筑：装机容量 4亿 kW,发电 5000亿 kWh为建筑和充电用电的 15% • 农村建筑：装机容量 20亿 kW,发电 2.5万亿 kWh为生活用电 2.5倍 • 建筑消纳周边地区的风电光电基地的零碳电力 • 东部海上风电 • 坝上地区风电 • 吉林省风电场 • 周边地区光电基地 • 由周边风电光电基地为城镇提供 2.7万亿 kWh • 满足城镇建筑运行 （ 2.7万亿 kWh） 和 电动小汽车用电 （ 0.5万亿 kWh） 共 3.2万亿 kWh • 城乡建筑屋顶 3万亿 +周边风光电基地 2.7万共 5.7万 kWh • 关键问题：柔性用电，由建筑有效消纳风电光电 光储直柔建筑配电是发展零碳能源的重要支柱 • 柔 : 充分利用建筑表面，发展光伏 蓄电池，连接邻近停车场充电桩 内部直流配电，通过直流电压的 变 化传递对负载用电的需求 作为弹性 负载，实现柔性用电 • 建筑入口功率实现大范围可调节的柔性用 电 是最终的目的 • 每万平米办公建筑 +电动车： 0〜 1MW • 每万平米居住建筑 +电动车： 0〜 0.5MW 光储直 光储直柔建筑可以仅依靠零碳电力运行 • 在百公里内有风电、光电基地 • 每晚向风电光电控制中心提交第二天的总用电量和负载用电曲线 • 控制中心根据气象预报得到风电光电的变化，确定各个建筑第二天用电曲线 , 使 风电光电有效消纳，而各座建筑蓄能调节量最小 • 各座光储直柔建筑严格按照要求的用电曲线调节，实现零碳 建筑 “ 光储 直柔 ” 消纳风电光电 • 每万平米办公建筑 +100个智能充电桩和车：可形成 1MW调节能 力 ,5MWh的储电能力 • 每万平米居住建筑 +100个智能充电桩和车：可形成 0.5MW调节能 力和 5MWh的储电能力 • 200亿平米居住建筑、 50亿平米办公建筑和 20亿平米公共设施改 为 “ 光储直柔 ” ，并结合 2亿辆电动车，可消纳 17亿 kW外界（百公 里以内）风电光电 • 这些建筑自身光伏 4亿 kW,加上外界风电光电，共 21亿 kW,年发 电 2.5万亿 kWh,可满足除冬季三个月之外自身用电和所连接 2亿 辆电 动车用电 我国零碳能源转型时间表 • 到 2030年 : • 每年发展 1亿 kW风电光电，到 2030年达到 12亿 kW风电光电 • 每年新增 500〜 800万辆电动小汽车，到 2030年达到 7000万辆 • 每年新増建筑中， 5〜 10亿平米采用 “ 光储 直柔 ” 方式，新増〉 500万充电桩 • 新增的光储直柔建筑和与其连接的电动汽车可消纳 70%的新增风电光电 • 2030年到 2050年 • 每年发展 1.5〜 2亿 kW风电光电，到 2050年实现 40〜 50亿 kW风电光电 • 每年新增 ＞ 1000万辆电动小汽车，到 2050年达到 3亿辆 • 每年对 10亿平米施有建筑进行节能、功能提升和光储直柔改造，新增充电桩 1000 万以上，到 2050车光储直柔达 270亿平米 • 新增的光储直柔建筑和与其连接的电动汽车可消纳 70%的新增风电光电 • 巨大的建设和改造量，要实现 2060的碳中和目标，必须从现在开始加速 城镇建筑、风电光电基地及充电桩零碳改造 • 投入经费 • 每年 1亿 kW风电光电，每年投入 4000亿元 • 新建建筑采用 “ 光 储直柔 “， 增加投资 100元 /m2 （不包括充电桩），每年 增加投资 1000亿元 • 电动车及充电桩补贴 5万元 /辆，每年 1000万辆，补贴 5000亿元？ • 每年投资 1万亿元（电动车补贴逐年减少，光储直柔逐年增加） • 每年增加的节电费用 800亿元 扣除维护管理费，静态回收年限 12年 • 全部完成投资 35万亿 农村的新型能源系统 依靠房屋和设施屋顶可安装 20亿 kW光电，年发电 2.5万亿 kWh 满足农民 生活用电（包括炊事、采暖），生产用电、交通用电 对全部农机具进行 电气化改造，这些机具的电池同时可蓄能调峰 每户另安装蓄电池 3〜 5kWh,满足夜间用电 每年尚余 1万亿 kWh电力上网，且可选择合适的时间段，为电网削峰 目 前已在山西芮城县庄上村进行示范性改造 户均投资 10万，再加上村公共设施投资户均 5万，共 15万 /户 全国完成改 造总投资 15万亿，不包括农机具电气化改造费用 分期进行，每年 1〜 1.5 万个村， 20〜 25年完成 每年上网送电 1.5万亿 kWh, 1万亿 /年， 农民免费用电的基础上，静态投资回报率 6.5% 消除北方冬季建筑供暖导致的间接碳排放 • 目前状况： • 热电联产 (45%)、燃煤燃气锅炉 (35%)、分户壁挂炉 (10%)、电动热泵 (10%)等 多种形式 • 碳排放量： 5.5亿吨 CO2,占建筑总的碳排放量的四分之一 • 低碳改造路径： • 多种方式的节能改造，降低采暖热需求，从 40W/m2, 0.35GJ/m2降低到 35W/m2, 0.3GJ/m2 • 全部电气化：多种电动热泵方式，以及极严寒地区的电直热？ • 未来 200亿 m2城镇建筑，通过提升热泵效率， COP到 3.5,需增加 2亿 kW, 0.5万亿 kWh • 充分挖掘各种低品位余热资源，通过目前已有的城镇热网，集中供热？ • 160亿 m2,余热集中供热， 50亿 GJ； 40亿 m2热泵和电热， 0.4亿 kW, 0.1万亿 kWh 我国未来电力供应的季节差 • 我国水电冬季比夏季低 30〜 40% • 黄河流域为防止冰凌灾害，冬季严格限制径流 • 长江流域和三江流域：冬季枯水期，径流量减少 • 太阳能光伏电力冬季日总量平均为夏季的 40% （按照占地面积算 ） • 即使不考虑冬季全面实行电驱动采暖，冬夏电负荷相差不大 • 实际现象： • 青海省夏季依靠风光水电实现零碳且有余，冬季需从甘肃、新疆引入火电 • 电力供给侧冬夏差： • 不考虑冬季电驱动采暖：冬季缺少 5〜 6亿 kW,约 1.5万亿 kWh • 冬季全部用电动热泵或电热采暖：冬季缺少 8亿 kW,约 2万亿 kWh 最少弃风弃光 满足冬季需求 200 250 --电何魚骨 风 0.361 1227GW 光 0.639 2172GW 水电 480GW 核电 192GW 风 1966.2GW 光 3833.8GW 风电光电共 5800GW 50 16 风光水核与现有发电曲线配合 400000 200000 50 100 150 200 250 300 350 年补电量（火电发电量 亿 kWh 11865 火电装机 （ MW 638599 煤耗万 t 45978 碳排放万 t 137428 400 端斗 “（亿元 3678.73 考虑 ecus的单位发 电 量 0.8767 一可祚 .华島京 “线 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 n o b- 883 仁？ c i ci cn •? tAtniOr^r-coooOv-icicirnvr «^S99 卜 ■ 横电 ■ 风电 ■ 光电 ■ 水电 几种解决冬夏电力不平衡的途径 • 储氢：夏季电解水制氢，储氢，冬季发电或直接作为燃料 • 投资过大， 15〜 20 万亿 • 能源转换效率低• 增加风电光电装机容量满足冬季需求，夏春秋弃风弃光 • 增加风电光电装机 15亿 kW,增加电源及相关系统投资 8万亿 • 保留 5〜 6亿 kW火电作为调峰电源，年发电 1.5万亿 kWh • 生物质燃料 2亿吨，燃气 1000亿 Nm3,燃煤 1.5亿 tee • 通过 CCS或 CCUS,回收和储存利用二氧化碳 • 冬季发电的同时，北方 3亿 kW电厂还可以提供 4.5亿 kW, 38亿 GJ热量 • 作为供电保障，可在出现连阴天、静风天时补充风电光电的不足 • 增加投资 5万亿 北方冬季的建筑供暖热源 • 城镇供热建筑面积： 200亿平米 • 需要热量 :7亿 kW, 60亿 GJ • 热源： • 北方沿海核电， 1亿 kW,余热 1.5亿 kW, 16亿 GJ • 北方调峰火电， 3亿 kW,余热 4.5亿 kW, 38亿 GJ • 尚保留的冶金、化工、建材产业余热， 2亿 kW, 15亿 GJ • 垃圾焚烧、中水水源热泵等，可提供 1亿 kW, 10亿 GJ • 上述热源可利用率 65%,贝 IJ6亿 kW, 50亿 GJ • 可满足 80% 160亿平米城镇建筑供热需求 ___ • 其余 20% 40亿平米建筑采用多种分散的热泵方式， 0.4亿 kW, 0.1万亿 kWh 基于核电余热的水热联产技术 • 北方沿海地区是严重缺水区，冬季供暖又是主要碳排放源 • 利用沿海核电余热通过进行海水淡化生产热淡水 （ 95。 0 • 零能耗海水淡化 • “ 水 热同送 ” ，单管输送热淡水，经济距离超过 200公里 • 终端 “ 水热分离 ” ，产生 10^15°C淡水和用于城市供热的热量 • 通过跨季节蓄能，实现冬季供热、全年供水 • 1亿 kW电厂年产 100亿吨淡水，且可为 100亿平米建筑冬季供暖 海水 供淡水 减少建筑建造相关碳排放 • 目前状况 • 2019年我国民用建筑建造相关的能耗 5.4亿 tee,碳排放 16亿吨 CO? • 民用建筑加上基础设施建造相关的碳排放高达 43亿吨 CO? • 我国已完成快速建设阶段，目前城镇每年竣工面积约 30-40亿 m2,拆除面积近 20 亿 m2 «:排放（亿 KOD 建筑设口印枳（ 3：〉 。城恨住宅。公共建筑 ■ 城琪住宅及公共建筑拆除 近年来全国建筑竣工面积和拆除面积中国民用建筑建造碳排放 （ 2004~2019年） 减少建筑建造和维修中使用建材的碳排放责任 减排路径 • 合理 控制建筑总量规模，减少过量建设，避免大拆大建 • 由大规模建设转入既有建筑的维护与功能提升 • 建筑修缮和拆除新建相比，人工费用高，但建材的用量、能耗和碳排放会大幅减少 • 以 “ 结构加固 +精细修缮 ” 模式对建筑功能提供改造，碳排放量是拆掉重建的十分之一 • 发展精细修缮模式所需要的技术，例如混凝土寿命预测和延寿技术等 • 研究发展新型低碳结构体系：如木结构？钢结构？结构优化减少含碳 量 • 研究开发新型建筑材料替代水泥，大规模减少水泥用量 • 若能够把 CCS得到的 C02固化在建筑中，将是对减碳事业的重大贡献 减排前景 • 我国大规模城镇化建设和基础设施建设已初步完成囲 • 今后建设领域的主要任务应从新建转为维修及改造升级 • 到 2050年之后，如果每年由新竣工 20亿平米转为维修升级改 造 25〜 30亿平米，建筑总量不再增加，基础设施工程也不再增加， 则的碳排放可由每年 40亿吨 CO?下降到 5亿吨（建筑和基础设施 ） • 关键问题：防止 “ 大拆 大建 ” 成为新常态！ 减少非二温室气体排放 • 目前现状 • 目前的制冷工质仍属温室气体，其 GWP远高于 1 (1000-3000) • 据某些分析认为，我国由于制冷剂泄漏导致的温室气体排放相当于建筑 运 行碳排放的三分之一，因此也是重要的减排任务 • 需要进一步定量研究排放现状，澄清事实以指明未来减排路径 • 减少制冷和热泵相关的非二气体排放的途径 • 改变制冷和热泵方式，如间接蒸发冷却，吸收式热泵，半导体，热声 • 发展绿色天然工质，如 CO?， 氨 • 降低制冷系统中的泄漏，实现无泄漏 • 近年来密封水平显著提高，真是的泄露量？不应以制冷剂使用量作为泄漏量 • 严格维修、拆除中必须有效回收，不得排放；从系统中全部回收的方法？ 值得注意的问题 • 应慎重考虑天然气的发展 • 我国目前年消费天然气 3064亿 Nm3,其中自产约 2000亿，进口 1000亿 • 目前天然气消费和未来零碳系统天然气用量的变化： • 居民及公建用户： 490亿 Nm3 200亿 Nm3 （调峰） （含炊事、生活热水、供暖） • 发电用气： 550亿 Nm3 1000亿 -2000亿 Nm， （调峰） • 作为工业燃料： 1470亿 Nm3 500 亿 Nm3 • 作为化工原料用气： 306亿 Nm3 600亿 Nm3 • 交通用气： 248亿 Nm3 0 • 未来消耗天然气上限应在 3000亿 Nm3,与未来的产气量持平 • 应慎重发展天然气工程 • 燃气下乡？燃气分布式热电冷三联产？大型燃气锅炉供热？燃气吸收制冷 ? • 慎重建设燃气供给侧工程： LNG接收站？煤制气？ 总结 • 建筑相关部门可以实现 2030年碳达峰、 2060年碳中和的目标 • 实现减碳、零碳的关键 • 建筑节能是基础，北方建筑围护结构保温，建筑系统提效 • 坚持绿色生活方式和用能模式，避免出现美、日、韩发生的能耗增长现象 • 改变用能方式，用能文化，大力推行电气化，农村的全电能源系统 • 转变建筑在电力系统中的功能：由消费者转为生产、消费、储存三位一体 • 在重视提高效率减少用电需求的同时，更要重视电力负荷侧的灵活性，柔性用电 • 加速大规模余热回收利用工程的建设和改造：水热联产，余热回收 • 加速实现小轿车的电气化，加速建设智能充电桩系统 • 能源零碳转型将带动新型产业发展，并为未来社会提供低成本能源 • 2035年前：新的投资方向，应把对房地产的投资转为支持零碳能源系统改造 • 2025年到 2040年：将拉动系列新型产业发展：电池、电动车、直流配电与电器等 -2040年以后：形成新的可再生电力系统，提供低成本电力，支撑高端制造业发展