影响力系列白皮书第三册：城市脱碳路线图

对抗气候变化成败在于城市 序言 Mika Kulju丹佛斯传动事业部全球总裁 例如，热浪和空气污染在城市中不断加剧4。为了守住气候危机底线，需要快速深刻持续地做出改变。联合国秘书长古特雷斯指出：“我们的世界需要在各个地方对所有事项同时采取全方位的气候行动5”本文意在展示，在城市中，如何随时随地全面发力，从而实现城市的深度脱碳。 广厦摩天、交通拥堵、商贸云集、空调成组...城市之所以占到全球能耗三分之二、全球年度碳排放七成，原因显而易见1。今天，全球城市人口占比过半，到2050年预计将近七成2。如果城市不能深度脱碳，巴黎协定规定的目标就无法实现。 全球各地很多城市提出了雄心勃勃的气候目标，并采取措施降低排放。但是，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）近期报告揭示，1.5℃温升目标已经渐行渐远，如果我们“亦步亦趋而非大幅跃进”，很快就会突破这个目标3。气候变化已经对城市民生和关键基础设施产生了不利影响。 优化城区规划、加速绿色转型，城市的机遇得天独厚，兼有可得性和经济性的技术已经具备，足以实现全球气候变化目标所需的减排幅度6。通过擘画城市绿色转型路线图，可以展现城市如何奋勇当先，启迪思维，示范绿色科技，打造宜居宜业的环境。接下 来，我们将深入剖析城市生活各项主要活动的碳足迹，包括楼宇居所的供热制冷、建筑路桥的施工工地、上班通勤的交通运输、送货排污的基础设施、城 市数字化依托的数据中心。未来几年，对抗气候变化，成败将取决于城市。解决方案已经具备，但还需要政治领袖着力推广。让我们开始吧。 “我们的世界需要在各个地方对所有事项同时采取全方位的气候行动。” 联合国秘书长古特雷斯 丹佛斯《影响力系列白皮书》依托可靠信源，展现能效技术能够如何降低脱碳成本，加速各国电气化进程。 本期白皮书篇幅略长，将为城市领导者、决策者和规划者提供具体的路线图，帮助他们消除城市的主要排放源。本文将会探讨现有技术怎样既改善城市民生，又提升经济韧性、创造更多就业，全面具体地揭示城市脱碳蕴含的重大机遇。 但是，本文既不能穷尽所有解决方案，也不着重探讨可再生能源的供应和建设。可再生能源固然重要，研究分析已经非常充分。至于打造步行城市、营建公园和开放空间、开拓湿地和城市农业等城市规划措施，虽不在本文范围之内，也应贯彻实施7。 在城市里，交通和建筑是最大的碳排放源。因此，本文将着重于这两个行业脱碳的各项重要抓手，即通过提高能效降低能耗、提高电气化水平、借助行业耦合避免能源浪费。 本文由丹佛斯集团传播与可持续发展部的案例与分析组编写。如有意见或问题，敬请发至分析主管Sara Vad Sørensen: sara.sorensen@danfoss.com。 本白皮书关键要点 能源效率。如果中国、美国和欧洲所有城市区域建筑物的供暖和制冷系统都进行节能改造，这将为《巴黎协定》1.5°C温控目标贡献20%8。减少能源浪费，需要多部门合力，所需技术已经具备。 城市交通电气化需要大幅提速。与此类似，在政治层面，近期关注包括海运和重型车辆在内的交通全面电气化，也至关重要。如果中美欧所有城市区域家用车和公共运输车辆都实现电气化，那我们就可以完成实现《巴黎协定》1.5°C温控目标所需要的脱碳总量的28%9。我们将看到，不论是小汽车、巴士和卡车，还是城市游船、渡船、港机，海工装备和运输工具电气化，所需技术都已具备。 推进行业耦合，赋能能效提升和电气化，可以借助可再生能源，共同实现城区供电脱碳。在城市里，建筑、基础设施、服务业分布密集，可以对接能源供需双方，实现能源的转化和存储。无论是超市、数据中心、污水处理厂，都可以从耗能大户变为供能大户。 推动现有的建筑、交通和行业耦合技术的实施，将助力加速减排，幅度可达1.5℃温控目标所需要的减排量的一半10。 城市碳足迹路线图 第三章将围绕城市碳足迹中常被忽视的方面，例如污水处理厂、供应食品日杂的超级市场、支撑城市数字基础设施的数据中心。三者的共同点在于，都能运用全球存量最大的待开发能源⸺余热。 左方是一张城市脱碳路线图。 下面三章，将详述城市综合脱碳的三大抓手。 第一章将围绕供人民生活工作休闲的建筑，探讨供热制冷产生的排放。 第四章将总结城市脱碳的三大抓手。 第二章将围绕各类运输车辆，探讨减排机会，既包括重型建筑车辆，也包括通勤所需的小汽车和巴士，乃至于城市港口的基础设施和运输车辆。 第五章则会围绕加速技术落地，提出具体政策建议。 城市供热制冷脱碳 国际能源署测算，若在2050年前实现净零排放，近85%的建筑必须做好零碳准备，既要达到高能效，又要适配脱碳能源14。为此，多数现有建筑需在2050年前进行改造，且所有新建建筑必须在2030年前做到零碳就绪。但是，现在已经偏离了正轨：截止2022年9月，现有建筑的改造率仅为1%左右，需要翻一番；仅有5%的新建建筑做到零碳就绪15。但是，达到建筑能效所需水平的技术已经具备。 城市脱碳路线图的起点是工作生活休闲所在的建筑。不论是家居、写字楼、医院，还是学校和工厂，都需要能源提供电力、供热和制冷。建筑是全球能源相关碳排放的第二大来源。在全球能源相关碳排放中，有28%来自建筑的日常能耗11。在城市中，建筑往往占到排放的一半以上12。 随着气候不断变化，温度必然升高。建筑要维持适宜温度，能耗将会进一步增加。高温酷暑、热浪袭来，都会增加空调用能13。世界人口不断增长，需要更多建筑，才能安居乐业。若要达到巴黎协定的温升目标，建筑减排至关重要。 降低建筑能源强度，需要统筹主动和被动措施，涵盖供热制冷、照明通风和给排水。 采取建筑设计或改善维护等被动措施，也可以显著降低供热制冷、通风采光等高耗能流程的能耗。不过本文重点要谈的是主动措施。 建筑脱碳要想有效，须从能源供需两侧发力。务必确保建筑供热制冷能源脱碳，同时降低建筑总体能耗。 都是立竿见影，相比当前水平具有更强的经济性，而这些还尚未被充分认识到。下文将会介绍多项节能潜力巨大的技术。哪种(供热或制冷)主动措施效果更好，往往因地而异。下述实例对于建筑供热意义尤其重大。 主动措施通过计量、监测和控制建筑能耗，实现建筑节能。尽管安装节能照明或供热装置对于降低总体能耗意义重大，但也必须实施主动措施，确保照明和供热只在需要时才会开启。 不论是旧房改造还是新房建造，主动措施的节能效果 建筑 温控阀 降低公寓楼7%的终端能耗 用温控阀自动调节室温是最简单的节能方式之一。虽然貌似简单，但是暖气加装温控阀之后，可让公寓楼节能多达7%，一年就可回收成本16。但是，就是这么简单的措施，很多楼宇也还没有采用。纵观欧盟全境，暖气加装温控阀后，可在不影响住户舒适度的情况下，每年节能1300亿千瓦时17。依据住户行为习惯（例如室内无人时降低室温），采用数控电子温控阀，节能效果甚至更佳。 水力平衡 降低公寓楼10%的终端能耗 很多供热制冷装置使用水力系统，通过管路和散热器输水，调节楼宇温度。如无控制，系统内的流动阻力上下波动，导致散热器近泵端温度偏高，远泵端温度偏低。由于缺乏效率，往往水温过高，或者为保障远泵住户超配水泵。除了温控阀，安装具有压差控制的自动平衡阀，可实现室温理想调节、做到降本增效。 在公寓楼中配置水力平衡系统，可以节约终端用能多达10%，一年收回成本18。 模型预测控制助力建筑节省多达20%能源成本 模型预测控制依托人工智能，利用建筑、天气和用户数据，预测供热和通风需求。通过模型预测控制，建筑可在需求峰值到来之前预热，或在即将日晒时调低供热，从而节约能源。对在芬兰等地十万套应用这项技术的公寓的观测显示，供热和通风能耗分别平均降低7%和10%以上。 同时，通过将能源消耗移至最经济的时段，可以节约建筑的能源成本多达20%19。2021年，伦敦市地方政府为八栋公寓楼安装了模型预测控制系统。只运行了11个月，就收回了技术初装成本，节约热力60万千瓦时，相当于50户英国家庭全年的供热量。 热泵 较传统电气设备节电三分之二 热泵将储存在空气、基岩、地表或地下水中的低温热能升至可用温度水平，通过为家居办公场所供热、制备热水，让这些热能为建筑所用。热泵聚热而非生热，平均只需传统电气设备三分之一的能耗，就能保持建筑温暖。 热泵既能供热，又可制冷。到2050年，将有26亿人生活在既需供暖又需制冷的地区。有了热泵，他们就不需要单独购置空调。国际能源署预计，到2030年，热泵有望助力实现减碳至少五亿吨，这相当于今天全欧洲所有小汽车的全年排放20。近年来，热泵不断普及，但在2021年仍然只占全球供热设备销售总额不到10%，而化石燃料设备占比则为45%21，而实际上使用热泵的家庭或企业的能源成本低于使用燃气锅炉的成本22。 城市交通脱碳 无论是客运、货运还是非公路用车，交通运输业都耗能巨大，占到终端碳排放37%，化石能源占比高于其它行业23。 在大城市里，交通运输业占到排放总量的33%24，其噪声和空气污染也危害人民健康，并排放了全球约一半的氮氧化物25。每年会有七百万人死于空气污染26。 确，政府已经开始推动汽车电气化转型。例如，挪威政府的目标是，到2025年，销售的新车要么是纯电插电，要么是混合动力33。美国加州政府的目标日期则是2035年34。 本节将分析城市交通减排的挑战和机遇，具体而言，聚焦于城市三大排放源：乘用车辆、重型车辆27以及海上运输及口岸车辆。 乘用车辆电气化 近期进展固然可喜，汽车电气化转型仍需爬坡过坎，尤其是动力电池使用的关键矿产。现代电池由镍钴锰等多种矿物构成，但这些元素储量有限，可能威胁电动汽车的全球普及35。一项针对中国（这个全球最大的电动汽车市场）电动汽车普及率的分析表明，关键材料价格高企，可能阻碍中国普及电动汽车，导致2020-2060年公路运输的碳排放量增加28%。此外，如果锂钴镍锰成本持续飙升，2030年中国电动汽车占比将从此前预测的49%降至35%，到2060年则从67%降至51%36。 公路运输占到交通运输排放总量的77%28，其中多数来自乘用车辆29，全球占比超过一半30。所幸的是，电动汽车销售近年来呈现指数级增长。随着充电速度加快、成本愈发亲民、性能不断提升，在全球范围，电动汽车销售占比从2017年的仅1%，提升到2022年的14%，到2023年底有望达到18%31。国际能源署预计，到2030年，电动汽车在新车销售中的占比可达三分之一左右，可实现的减排量约等于德国排放总量。在中美欧这三大经济体，电动汽车在汽车销售总量中的比例到2030年有望达到60%32。 然而，从汽车电气化案例中可以看出，要加快电动车普及、缓解矿产资源压力，相关节能技术现已具备。 要实现可持续的城市交通运输，有成本优势的电动乘用车以及方便可及的充电基础设施就必不可少。的 然而，从汽车电气化案例中可以看出，要加快电动车普及、缓解矿产资源压力，相关节能技术现已具备。37 国际能源署总干事法提赫•比罗尔 案例研究：提升能效，加速汽车电气化 用于电动汽车的电力电子设备对汽车能效影响很大。具体而言，在电力从电池输往电机时，节电模组可以左右电力损耗38。在电动汽车中，电力存储于电池，然后经过传动系统，同时功率模组控制电池和电机之间的电流。与传统模组相比，由碳化硅制成的新一代模组（SiC功率模组）减少了热耗功率，降低了能量损失60-80%，缩小了冷却系统等组件的质量和体积，从而让新一代车辆更轻更节能。 节 能 电 源 模 组 可 以 根 据 汽 车 的 技 术 规 格 和 应用，将电池尺寸缩小5-10%。或者通过降低功率损耗，甚至无需改变电池尺寸，就可延长续航里程4-10%，从而进一步提高了社会对电动汽车的接受度39,40,41,42。 5-10% 推广能效措施可缩小电池尺寸 重型车辆脱碳 尽管电动乘用车销售迅猛加速，重型汽车却并非如此。卡车以及长途和市内客运巴士占到欧盟温室气体排放总量6%以上，在道路交通行业排放中的占比超过了25%43。在世界其它地区