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薛濤:碳減排三角下,地方水務集團的應對策略思考

  碳中和是國之大計,推進碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,近兩年在水務環保領域的探討也越來越豐富。2022(第七屆)供水高峰論壇上,E20研究院執行院長、湖南大學兼職教授、華北水利水電大學客座教授薛濤以“碳減排三角下,地方水務集團的應對策略思考”為題,進行了精彩分享。

  兩分鐘要覽速讀:

  1. 2020年,我國城鎮供水系統碳排放量超過0.22億噸CO2。供水行業的碳排放在全行業中大約占0.2%,供水、污水處理和固廢處理加起來占3.5%左右,占比雖小,但并不意味著現在不值得關注和采取措施。水務環保單體項目的碳排放量較小,但項目數量多,加起來具有一定的影響作用,適合政府有關部門從整體層面對行業制定統一的監管要求,對其碳排放量和能源消耗進行約束,以提升單個企業碳減排的動力。

  2. E20研究院認為,碳減排需要從三個維度進行系統考量:政策強度、跟蹤評價、國際認可。三個維度必須同時滿足,某個領域的碳減排工作才能快速有效的推動;如果三角缺一甚至缺二,就會造成該領域的碳減排推進過程受到阻礙,這也正是當前很多細分領域面臨困境的原因。

  3. 用“二分法”分析,企業控碳的路徑不外乎四種,首先第一層,兩種選擇:降低碳排放或者提升碳吸收,再分別對應演化出第二層的四種方式:①提效節能減排、②改變能源結構、③生態固碳、④技術吸收。在落地實踐中,企業控碳需要找到“突破點”和“切入點”,而現有的能源結構變化需要時間的積累,這就決定了“提效節能減排”是企業控碳最常見、最容易實現、最立竿見影的方式。

  4. 對產業來說,碳減排的有效落地,離不開商業模式的進一步形成與演化,這就需要從行業管理視角和企業競爭視角展開交叉分析,找到業務對應的位置,在此基礎上,企業才能提煉出有價值的商業邏輯。

  5. 從長遠來看,“碳指標”有望成為綠色發展的“度量衡”。換言之,碳排放將成為衡量一個產業綠色發展水平的重要評價標尺,企業的技術路線選擇、管理水平、社會責任等方面必須遵循正確的價值方向,才能在市場中獲得持續的競爭優勢。一方面,水務環保企業不要對當前的碳市場抱有過高的期待,另一方面,企業也要積極謀劃、布局研究,盡早為未來的變化有所準備,尋找降碳的整體最優解。

  碳中和是國之大計,推進碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,近兩年在水務環保領域的探討也越來越豐富。2022(第七屆)供水高峰論壇上,E20研究院執行院長、湖南大學兼職教授、華北水利水電大學客座教授薛濤以“碳減排三角下,地方水務集團的應對策略思考”為題,進行了精彩分享。

  E20研究院執行院長、湖南大學兼職教授、華北水利水電大學客座教授 薛濤

  01供水行業碳排放的基本情況

  在2021年“雙十一”的時候,威立雅宣稱SEDIF成為了世界上第一家實現碳中和的自來水廠,打響了零碳供水方案的“第一槍”,在業內引起廣泛關注。那么,自來水廠的能耗情況和供水行業的碳排放量,究竟是什么樣的?

  眾所周知,供水行業的碳排放主要來源于電力消耗。根據年鑒和E20供水研究中心的數據,業內最關心的兩個能耗指標:“制水單位電耗”和“配水單位電耗”,其平均值分別為266 kWh/km3、365 kWh/(km3·MPa) ,先進值分別為179 kWh/km3、248 kWh/(km3·MPa)。據此,我們可以估算出城鎮供水系統的碳排放量(包括制水、輸配水、二次供水環節,不包括遠距離引調水)。隨著城鎮供水總量的穩步提升,碳排放量也隨之逐年增多。2020年,我國城鎮供水系統碳排放量超過0.22億噸CO2。

  如上圖所示,2021年中國碳排放總量約為119億噸,供水行業的碳排放量占全行業的比例約為0.2%,而污水處理通常認為占1%~2%,固廢處理占1.8%左右。因數據來源和統計口徑不同,這些比例會略有差異。從中國當前的現狀來看,發電和工業端以及交通部門是碳排放的主要來源,農業、居民、商業和公共服務等行業的碳排放相對較低;工業端中,高耗能的能源加工、鋼鐵、化學原料制造等產業尤為突出。供水行業的碳排放占比雖小,但并不意味著不重要,更不等同于現在可以放任自流、不加約束。事實上,在我國八大碳排放交易試點地區的控排企業名單中,不少涉及供水業務的企業已經被納入管控范圍。如北京自來水集團、深圳水務集團、上海城投水務、重慶自來水、武漢水務集團等。另外,也和我們接下來要談的管理時序和管理策略相關。

  02剖析碳減排三角

  正如市政環保領域的發展從來都不是靠單一技術因素驅動,而是在公共管理的壓力之下,技術和商業模式的相互交融所產生的創新驅動和突破,同時后兩者會對居于上位的公管形態產生反作用力。碳減排也是同樣的道理。

  結合對行業的深入觀察和理解,E20研究院認為碳減排需要從三個維度進行系統考量:政策強度、跟蹤評價、國際認可。三個維度必須同時滿足,某個領域的碳減排工作才能有效推動;如果三角缺一甚至缺二,就會造成碳減排推進過程緩慢,這也正是當前很多細分領域面臨困境的原因。其一,政策強度,只有當政策的發起方以及政策規定本身足夠嚴格、清晰的時候,碳減排才有充分的約束力;其二,跟蹤評價,比如,業內有一個一直在討論的話題,說污泥做成肥料回歸土壤應該能實現碳減排,因為理論上土壤的有機質得到了增加,植物也獲得了養分,但其實整個過程涉及很多的細分領域和不同的學科,目前尚未開發出相應的碳核算的方法學,給跟蹤評價帶來了困難;其三,國際認可,像過去CDM機制很火的時候,當時國內很多有碳交易價格的產品在國際上都能得到快速推進,所以,如果我們自己開發的技術和模式在國際上沒有成為主流,就會限制它的商業價值和應用前景。

  碳減排三角的思路在珠海水控集團王杭州總的發言中也有所呼應。對于供水行業來說,安全一定是首要考慮的因素,這是和污水處理等其他行業不一樣的地方,任何碳減排路徑的引入,不能對供水安全帶來不確定性的影響;其次,簡單,管理、評估、或者選擇技術方向的選擇上相對簡易、明了;再次,能實現較好的減碳效果。顯然,在當前的條件下,三者同時達到非常困難。例如,現在很多在設備選型時傾向于選擇流量和揚程偏大的水泵,用這個三角就能很好的解釋原因,一方面基于對安全的考慮,另一方面可能是由于采購流程相對簡單,由此帶來了對低碳的犧牲。如果既要安全、又要減排,那它的管理一定是復雜的。因此,想要同時實現“安全-簡單-減排”三角,還需要從系統的升級、管理的迭代、智能的應用等多方面持續發力。

  下面,我們展開探討一下碳減排三角在供水領域中的具體體現和面臨的挑戰,對應三角中“兩兩交集,但另一要素無法滿足”的情形。

  首先,碳排放計算規則不統一。當前,大多數中國碳排放數據庫只統計了CO2排放量,沒有包括CH4、N2O、氟化氣體,使得碳排放的計算并不全面。同時,碳排放的測算方法有很多種,①全生命周期評價法、②國家溫室氣體清單(IPCC)指南;③CDM機制;④平衡法……每種方法各有優劣。因此,全行業、每個細分行業的碳排放量究竟有多少,每個研究機構的測算都不盡相同,而這些底層的數據不詳和測算邏輯不清、邊界不明,制約了碳指標的形成和交易,使碳減排變成了“鏡花水月”。

  其次,碳交易目前處于相對受限的狀態。一方面,很多供水(以及水務環保)業務中單體項目的碳排放量太小、太分散,碳交易的開發收益較低,對應的程序卻相對繁瑣,折算下來碳交易的成本較高,導致市場上缺乏快速推進的動力。另一方面,當前的碳交易還處于試點探索階段,存在領域分割和地域分割的現象,也就限制了交易的范圍和規模。例如,不同地區被納入控排名單的供水企業,它們碳排放配額的算法不同,圖中以上海和武漢為例進行說明。此外,碳排放和碳交易的定價機制還不完善。在起始階段,大家都認為應該是免費的配額發放給企業,隨著時間的推進和減碳的深入,當市場運行機制更加健全之后,可能會走向競拍的模式。當然,這些都需要一個發展過程。

  第三,現有降碳政策的力度還不充足,沒有形成剛性的要求和約束。展開來說,目前的各項政策并未對碳排放量進行限制,或者給出直接的減碳指標,比如近期下發的《城鄉建設領域碳達峰實施方案》(建標〔2022〕53號),對于供排水、污水處理、生活垃圾處理領域的目標任務均是通過提高基礎設施運行效率、減少浪費、提升資源重復利用率的角度來體現的,還未轉化成對減碳的強制性要求,也沒有對技術方向的選擇提供一些指引和參考。預計還需要一定的時間讓政策制定者接收到產業的反饋。隨著高耗能行業低碳轉型的有序推動,水務環保產業的碳減排也將逐漸被提上議事日程。水務環保單體項目的碳排放量雖小,但項目數量多,加起來具有一定的影響作用,適合政府有關部門從整體層面對行業制定統一的監管要求,對其碳排放量和能源消耗進行約束,以加速推動本行業碳減排的落地進程。

  03控碳路徑與措施詳解

  E20供水研究中心認為,從邏輯上分析,企業控碳的路徑不外乎2×2四種,首先第一層,兩種選擇:降低碳排放或者提升碳吸收,再分別演化出第二層:①提效節能減排、②改變能源結構、③生態固碳、④技術吸收四種方式。在落地實踐中,企業控碳需要找到“突破點”和“切入點”,而現有的能源結構變化需要時間的積累,這就決定了“提效節能減排”是企業控碳最常見、最容易實現、最立竿見影的方式。但也需要綜合考慮技術、經濟、行業特性等多方面的問題,從而達成最優的投入產出比。近些年,可再生能源對化石燃料的替代性不斷增加,相信在未來,隨著清潔能源面臨的挑戰(公共管理、自然條件、發電規模、并網成本等)逐步被解決,能源結構變革對控碳的貢獻度會大幅提升。生態固碳方面,森林碳匯對于碳排放總量來說是遠遠不夠的,好比“杯水車薪”,目前只能作為一種補充手段;而海洋碳匯,人類對它的認知還比較有限。技術固碳方面,比如碳捕獲、封存技術(CCS)以及碳捕獲、利用與封存技術(CCUS)都還有各自的局限性,有待進一步研發和孵化。

  回到開篇威立雅零碳供水的案例,其實就是通過前三條路徑實現的:降低能耗藥耗、清潔能源替代、植樹造林補充。

  我們再來看,在供水全流程中可選的一些具體降碳措施,不同顏色對應前面講的路徑選擇,混色代表采用復合路徑,不難發現,大部分都跟節能降耗密切相關。

  在水源環節,注重環境修復、源頭治理,加強水源地保護,可以在很大程度上降低飲用水處理的難度并減少藥耗能耗;同時,引入再生水、雨水、海水等非常規水源,從系統的角度滿足用水需求。對于引調水工程,通過合理的規劃盡可能減少不必要的建設和投入,以降低碳足跡。在水廠環節,可以有針對性的選擇高效低碳節能的工藝進行改造,杜絕以能耗藥耗換水質的粗放模式。

  管網輸配水和二次加壓環節,能耗在全流程中占比更大,是供水系統降碳的重中之重。漏損、爆管等事故頻發,對資源和能源產生巨大的浪費。因此,業內也在積極探索加強城市管網的貯水和調蓄功能,使其既滿足高峰時期的用水量,也能起到穩定水壓、緩沖水質變化的作用,并同步實現減少電耗的要求。同時,控漏節水技術的研究以及智慧化管理的加強、管網結構的優化,都對尋找能耗最優的解決方案提供了諸多思路,其中也不乏優秀的管道企業和水表企業。在用戶端,特別是一些分散式和小型化供水的場景,綠色高性能無機膜的使用可以在最大程度上降低藥耗,安全、高效、經濟地達成水質保障的目標。

  從優化能源結構的路徑來講,太陽能光伏發電因為其安全、清潔、低碳、可再生的優勢,近年來受到越來越多水廠的青睞。分布式光伏發電裝置可以安裝在水廠閑置空間、建筑物屋頂,大大提高了水廠的空間利用率;還可以安裝在水池上方,相當于給水池“加蓋”,阻擋陽光,防止藻類生成。同時,光伏發電能直接降低水廠用電成本,甚至在未來有可能開發成CCER項目,通過賣碳指標獲取一定的收益。

  盡管光伏發電的優勢顯著,但在自來水廠的實際應用中還存在一些值得注意的問題。一是水廠的濕度大,產品容易氧化,需要做好防銹防腐措施;二是水廠的水泵和電機多,電網環境較差,瞬時電流是額定電流的3-5倍,需選擇功率更大的逆變器以提升防電流沖擊能力。

  其實,近10年來,光伏發電項目單位千瓦平均造價已經下降了75%左右,現階段,光伏發電的價格已經可以與煤電等化石燃料發電方式競爭,甚至低于煤電價格,為什么光伏發電仍未得到大規模應用?主要有并網成本、發電規模、自然條件、儲能成本等原因,還需交給時間來解決。

  04地方水務集團減碳策略思考

  對于地方水務集團而言,供水只是其業務范疇的一部分,不少企業也通過產業鏈的延伸將業務拓寬至污水處理、垃圾焚燒、環衛等領域。接下來我們就看看在這些領域的降碳措施,以及E20研究院對碳減排推進優先級的一些辯證思考,希望給到大家視野的延展和啟發。

  首先是污水處理領域,廠內的碳減排主要包括運行過程的節能降耗、建設過程中的碳減排、溫室氣體(GHG)的逸散控制以及針對減少逸散控制的新工藝的開發和應用;而廠外的碳減排重點在管網的提質增效、出水管控、污泥處理以及能源外供等方面。由于篇幅所限,在此不過多展開,只簡單分享下水源熱泵。

  污水源熱泵作為低溫余熱利用的技術之一,十多年前在我國北方地區的污水廠中就得到了推廣和應用。水源熱泵的熱交換溫度全年較為穩定,設備傳熱性好,而且具有不俗的能耗表現。數據表明,水源熱泵要比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能,比燃料鍋爐節省1/2以上的電能,符合低碳的發展方向。那么,水源熱泵在供水領域可行嗎?按道理來說,供水的水質優于污水,熱泵運行會更加穩定,為什么目前在自來水廠沒太見過水源熱泵呢?原因還是歸結為前面提到的安全問題。供水對安全非常敏感、要求極高,溫度波動對于水質帶來的影響,比如溶解氧、pH、有機質的變化,管壁生物膜的變化,沉積物的溶解和析出等等,都有不確定性,因此,業內對于水源熱泵在供水領域的應用顯得十分謹慎。

  企業通常有很多業務方向,為了預判哪些細分領域會優先推進碳減排,哪些領域會滯后,E20研究院制作了如上圖所示的二維矩陣進行分析。橫軸表示政策確定性的強弱,縱軸表示碳排放量的大小。我們認為,右上方的填埋場發電是會被優先推進的;而像左上方的污水處理和供水領域,雖然目前的政策強度不足,但隨著優先級更高的問題被逐步解決,它們也會得到更多的驅動和推進。

  中長期來看,我國能源結構將發生巨大的變化,可再生能源將從低碳轉型的生力軍成長為碳達峰碳中和的主力軍。據E20供水研究中心測算,到2035年,可再生能源占比將達到30%以上,到2060年,該比例將超過73%。有研究表明,在四種實現碳中和的路徑中,對核能、風能和生物能的需求,都已接近全國總資源的上限,只有太陽能資源充裕。這充分說明,太陽能將在實現碳中和的過程中發揮著至關重要的作用,這也是為什么我們在前面重點提及光伏發電的原因。

  同時,展望未來碳中和時期可再生能源分布的格局,可以倒推出當下的策略。因為我國能源產生與消耗存在空間不平衡的問題,需要關注并發揮能源的地區優勢。比如,以胡煥庸線作為分隔線,西北地區的太陽能和風能非常富足,可以充分利用;東南沿海地區可大規模提升陸上風能和海上風能的能源效益;而在氣候溫暖濕潤的南方地區,綠色植被生產力旺盛,水電資源相對豐富,水能、生物質能和森林碳匯被寄予更多的期待。

  薛濤強調,對產業來說,碳減排的有效落地,離不開商業模式的進一步形成與演化,這就需要從行業管理視角和企業競爭視角展開交叉分析,找到業務對應的位置,從而幫助企業提煉出有價值的商業邏輯。如圖所示,橫軸分別代表通過直接的行政管控或者通過價格機制來實現行業管理;縱軸則表明了商業機會的獲取途徑,是從政府授權獲得區域化的壟斷還是要參與充分的市場競爭。當然,不少領域兼具兩者的屬性,每個領域的位置也并非一成不變,例如:儲能會隨著新型儲能價格機制的建立,變得更加活躍;公用事業的節能降碳會隨著政策的明確獲得更大的發展。

  在最后,薛濤表示,從長遠的角度來看,碳排放將成為衡量一個產業綠色發展水平的重要評價標尺,企業的技術路線選擇、管理水平、社會責任等方面必須遵循正確的價值方向,才能在市場中獲得持續的競爭優勢。同時,碳減排納入環境監管后,很可能對水務環保企業提出更高的要求。因此,水務環保企業一方面不要對當前的碳市場和碳減排收益抱有過高的期待,另一方面也要未雨綢繆、積極研究布局,盡早對未來的行業變化有所準備。


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