水利行业低碳技术研究热点与前沿趋势.pdf
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1、随着碳达峰、碳中和“3060冶战略的实施,中国持续推进产业和能源结构调整。为适应碳达峰、碳中和“3060冶背景的战略需要,水利事业发展的总量和结构也必将并行调整、优化和完善,水利行业专业人员需要及时、准确地认识到碳达峰、碳中和“3060冶国家战略带给水利行业的影响并据此研判未来的发展趋势,这对水利行业低碳技术的发展具有重要的意义。围绕碳达峰、碳中和国家战略需求,深入推进水利工程低碳理念与技术革新,不仅可助力流域内生态环境保护、推进“十四五冶能源领域科技创新规划实施,还可促进实现“3060冶目标,完成国家能源结构转型升级。水利工程作为中国新能源发展的主要工程之一,2021 年中国水利建设投资达
2、7576 亿元。因此,当前亟河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷需针对碳中和背景下水利行业低碳技术的战略趋势进行系统研究,揭示水利行业低碳技术对碳中和战略实施的促进机制,明确未来水利行业低碳技术的革新发展方向和技术思路,进而实现碳中和背景下中国水利行业低碳技术理论和技术的跨越式发展。水利行业的碳中和主要是指在水资源、水工程等方面使所排放和产生的 CO2处于一种动态平衡的状态1。本文将针对水利行业低碳技术的研究热点,从水利行业面向碳中和的共性支撑技术、一体化技术和利用技术三类技术出发,聚焦基于碳中和的低碳模型构建与决策、智慧水电一体化技术、水资源利用与保护技术等低碳手段,探索
3、水利行业低碳技术。1摇 水利行业碳中和研究情况1.1摇 数据来源与分析方法本文基于 Cite Space 软件绘制知识图谱2,以 Web of Science(WOS)数据库和中国知网 CNKI 数据库为数据源,将时间跨度设为 20112021 年,时间分区设为1 年。在 WOS 数据库中以 TS=(carbon neutral)ANDTS=(water)为检索条件,在 CNKI 数据库中以主题=“碳中和冶和主题=“水冶为检索条件,通过检索共得到中文文献 880 篇,英文文献 372 篇。1.2摇 发文量和学科分布年度发文量能够全面反映我国水利行业碳中和技术的整体发展趋势,20112021 年
4、水利行业碳中和技术研究发文量如图 1 所示,从图 1 可以看出,水利行业的发文情况可大致分为 2 个阶段。20112021 年图 1摇 20112021 年水利行业碳中和研究发文量Fig.1摇 Number of papers on carbon neutrality inwater conservancy industry publishedfrom 2011 to 2021CNKI 和 WOS 发表文献的数量均在 0 90 篇之间,其中 20152016 年 WOS 发表文献的数量出现了较缓的增长,引起这一现象的原因可能是2015 年联合国气候变化框架公约的第21 届缔约方大会通过巴黎协定
5、;20202021 年 CNKI 和 WOS 发表文献的数量均呈指数增长趋势,主要是因为中国在 2020 年提出的“3060冶战略目标,这对水利行业碳中和技术的发展起到了重要推动作用。从整体上看,CNKI 20112021 年平均发文量为62 篇,高于同期 WOS 平均发文量24 篇;在2020 年之后,两者均快速增长,CNKI 在 2021 年的发文量达到了 253 篇,WOS 在同期也达到了 131 篇。从研究的学科分布来看,水利行业低碳技术在 CNKI 中主要集中在环境科学与资源回收、金属学及金属工艺、地质学等学科;在 WOS 中主要集中在能量燃料、化学工程、物理化学等学科。可见该技术呈
6、现出多学科交叉融合的特征。基于 CNKI 和 WOS 数据库水利行业碳中和研究学科分布如图 2 所示。图 2摇 水利行业碳中和研究学科分布Fig.2摇 Distribution maps of carbon neutrality research in water conservancy industry1.3摇 水利行业低碳技术高频词基于 Cite Space 软件通过关键词共现来分析水利行业碳中和领域的研究前沿及热点3,并绘制水利行业碳中和研究领域的关键词共现图谱。从图 3 可以看出,CNKI 关键词共现图谱中呈现出以碳中和为核心、多领域共同发展的趋势。碳中和、碳达峰、可再生能源等关键词的
7、词频最高,究其原因可能是中国在 2020 年2第 4 期贡摇 力,等摇 水利行业低碳技术研究热点与前沿趋势提出的“3060冶战略目标。与 CNKI 关键词共现图谱所不同的是,在 WOS 关键词共现图谱中,该领域呈现出多核心发展态势,其中水(water)、能源(energy)、性能(performance)频次最高。图 3摇 水利行业碳中和关键词共现网络图谱Fig.3摇 Co鄄occurrence network graph of carbon neutrality keywords in water conservancy industry2摇 水利行业面向碳中和的前沿技术“双碳冶目标的实现涉
8、及多学科、多层次、多维度的研究与改进4,本文对当前水利行业面向碳中和的低碳前沿技术进行了研究,发现水利行业面向碳中和的共性支撑技术、一体化技术和利用技术是未来三大研究热点。水利行业面向碳中和的前沿技术体系框架如图 4 所示。图 4摇 水利行业面向碳中和的前沿技术体系框架Fig.4摇 Framework of a carbon neutrality frontier technology system in water conservancy industry2.1摇 水利行业面向碳中和的共性支撑技术2.1.1摇 低碳模型构建与决策低碳模型的构建与决策对于“双碳冶目标的实现有着不可忽视的作用。近
9、年来随着各个产业的高速发展,不可避免地产生了大量的 CO2等温室气体,引起全球气候灾害频发,而搭建实时、准确的区域内成效监测体系和构建碳排放模型,可以实现 CO2排放量的动态掌握,进而为政府部门的决策提供支撑。袁鸾等5以粤港珠江三角洲为例,建立了区域空气质量监测网络的成效评估指标体系,该体系可以快速准确地获得监测数据,进而为决策者提供理论支撑;贺媛媛6通过创建系统动力学 内联决策指数法,构建了区域低碳发展政策的理论体系,该体系通过程序实现了客观决策,这就极大地避免了决策者的主观干扰,可以使成效监测体3河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷系的建立以及政府部门的决策更加全面、公
10、正。此外,沈菊琴等7针对 2021 年郑州特大暴雨,构建了碳排放测度模型和 STIRPAT 模型,研究水利工程与碳排放的关系,为政府节能减排政策的制定提供科学依据。碳中和背景下,水利行业面向碳中和的低碳模型构建与决策应向统筹化与多元化协同发展,其发展方向主要包括:淤建成面向水利行业的国家碳中和成效监测评估指标体系和决策支撑系统,包括基于水利行业特点的碳减排进程与成效监测评估指标体系、数据采集体系、碳达峰碳中和脱碳成本模型。于针对日益复杂的气候环境所导致的灾害,建立水利工程与碳排放量的模型关系。盂水利行业面向碳中和的低碳模型发展多元化。针对水、风、光等新能源的消纳问题,未来继续优化协调调度模型8
11、,进而降低新能源的弃用率,实现各类能源的高效利用。2.1.2摇 大数据下水利工程全生命周期碳排放量核算及指标构建如何基于大数据背景下对水利工程全生命周期碳排放量进行核算及指标构建是实现碳中和的关键。水利工程全生命周期碳排放量的核算是未来节能减排、实现“双碳冶目标的关键基础,而构建科学合理的水利工程全生命周期碳排放指标对评估碳排放造成的影响至关重要。此外,针对碳排放量核算和指标不易确定等问题,引入基于大数据下的云计算、人工智能、互联网等技术,可进一步提高碳排放量核算和指标构建的智慧化,进而对碳排放量进行科学预测,助力实现碳达峰碳中和。碳中和背景下,目前国际上通用的碳排放量核算方法主要有实测法、排
12、放因子法、物料衡算法9。彭琛等10研究发现,实测法和物料衡算法均不适合建筑领域碳排放量的核算,因此对其核算主要依托于排放因子法。而水利工程投资规模大、生命周期长,其碳排放量核算以碳足迹分析为基础,形成 PA鄄LCA、EIO鄄LCA法和混合生命周期评价方法11。上述方法可为工程中的碳减排提供技术和理论支撑,但在碳排放核算范围界定、数据库建立等方面还存在局限性,对此未来将展开进一步研究。碳中和背景下,有关碳排放指标的构建研究主要集中在低碳经济12、低碳城市13等方面。近年来有学者对低碳建筑构建了评价指标体系14,但对水利工程全生命周期碳排放指标的构建还缺乏相关的研究。2.1.3摇 面向碳交易的检测
13、技术碳交易作为一种新型市场化的节能机制,不仅对控制污染有着重要的作用,而且还可以促进低碳节能技术的推广。碳交易是政府根据企业的减排承诺,向企业分配碳排放配额,企业排放的 CO2若低于该配额,则企业可向外出售;若高于此配额,则需要购买额外配额或缴纳罚款15。在此背景下,企业必须发展 CO2的检测措施,从而实时、准确掌握企业自身 CO2的排放量,并以此为碳交易提供技术支撑。同时还需研究碳交易制度下对企业的精准激励措施,构建政府企业居民协同共治的碳交易机制。针对水利行业 CO2的排放,开展相应的检测对碳交易是非常必要的。目前 CO2气体的检测方法其主要有气相色谱法、电化学法、固体电解式、可调谐半导体
14、激光吸收光谱(TDLAS)、光纤检测法、非分光型红外光谱法等。通过分析不同方法的优缺点,发现 TDLAS 和非分光型红外光谱法具有较高的检测灵敏度和高可靠性。TDLAS 可以短时间内获得被测气体完整的光谱信号16,而且采用的可调谐激光二极管成本低、可靠性高、结构稳定;非分光型红外光谱法17是国际上统一认定的 CO2检测技术,这种检测技术响应速度快、稳定性好、相较于其他检测技术成本低,而且由于其可以直接在现场检验,因此具有可行性。2.2摇 水利行业面向碳中和的一体化技术2.2.1摇 智慧水电一体化技术水力发电作为我国能源革命转型的重要保障,不仅只有良好的经济效益和社会效益,而且相较于其他发电方式
15、具有较大的优势18。水电站按其建设规模可分大水电和小水电,大水电在科学调度、能源消纳等方面存在管理和技术难题,而小水电在一定程度上可以避免此类问题,因此应该进一步加强基于物联网技术下的智慧水利建设,实现大小水电的协调管理19。一体化大数据平台作为智慧水电一体化的核心组成要素,通过融合大数据、云计算、人工智能、物联网等高新技术,为海量数据汇聚、治理、共享、服务等提供高效支撑。通过智慧调度,在汛期水量丰富时充分利用大水电的调度、蓄水等能力,使水资源得到充分利用;在枯水期利用大水电汛期蓄的水,保障区域内的用电需求。但随着风电等间歇性能源的并网,进一步加剧了输送压力,其运行管理及大规模消纳问题成为目前
16、亟须解决的关键难题。碳中和背景下,新能源并网后的运行管理问题,主要通过研发大水电、小水电、抽水蓄能电站与其他能源的智慧一体化调度系统,构建高效合理的交互运行手段等措施来解决。针对新能源大规模消纳问题,可通过4第 4 期贡摇 力,等摇 水利行业低碳技术研究热点与前沿趋势研发多能互补系统变革性技术来解决20鄄21。对于偏远山区的水电站建设,未来应因地制宜地发展离网型水风光联合运行系统22。此外,未来应根据不同区域的不同特点建立水风光储一体化的能源消纳系统,中国东部地区土地资源紧张且开发成本高,因此未来可发展水面光伏、海上发电 光伏开发和近地消纳;西部地区由于消纳能力低,且风光等能源不可储存、不可调
17、节,因此可将风光能源接入流域梯级水电系统23,最大限度地挖掘和发挥多能互补潜力和优势,再联合打捆外送,实现能源的高效利用。2.2.2摇 CO2地质封存技术CO2地质封存技术(简称 CCS)是一种成本低、效率高的减排手段24,其技术路径是通过物理吸附法、化学吸附法、富氧燃烧法、膜分离法等技术对大气中的 CO2进行捕集,经压缩处理后采用石油或天然气的钻井技术注入封闭的地下储层25。从宏观上看,地下储层上层的岩石、泥岩对封存后的 CO2迁移起到了阻滞作用;从微观上看,地质岩层中的毛细管力将封存的 CO2固定在岩层孔隙中,进而实现地质封存26;从碳的资源化角度看,封存的 CO2与地底岩石发生反应生成矿
18、物质,在一定程度上为石油、煤层气企业强化驱替增采27。对 CO2进行地质封存时还需考虑对环境的影响,主要因为封存后的 CO2存在泄露风险。Benson28发现CO2泄露风险较高的时段主要是在开始封存至封存结束的时间,因此应该对该时段进行重点监测,监测手段主要有测井法、环空压力监测等29。对可能发生的风险也需要进行精准识别和控制,目前识别方法主要有特征 事件 过程、故障模式和影响分析、故障树分析30等。根据分析结果可进一步提出易损性评估框架、筛选和排序框架、性能与风险31等评价方法。未来应该把 CO2封存技术与资源化技术相结合,并且对封存后的 CO2进行实时监测,以及对可能发生的 CO2泄露进行
19、风险识别和控制,实现监测、评价与控制风险的一体化。在 CO2地质封存技术的实际运用过程中还存在以下问题:淤CO2地质封存的可注入性;于长期安全性和封存潜力;盂CO2地质封存量计算方法;榆如何进一步提高非常规油气藏、深层地热的开采率。以上问题也是未来有关 CCS 的关键基础性问题,这些问题涉及地质学、自然地理学、化学等多学科,体现了多学科交叉融合的特征。2.2.3摇 抽水蓄能电站建设与储能一体化技术我国能源结构不断向清洁化、低碳化发展,但受地理环境等因素影响,水风光等新能源均存在一定的弃用现象。以低碳排放量为导向,解决能源消纳问题的途径主要有常规水电大规模开发、推进抽水蓄能电站建设和水风光能源一
20、体化 3 种。其中抽水蓄能电站被认为是当下最清洁的能源开发技术之一,其储能技术是解决新能源灵活性的重要手段32。与常规水电站不同的是,抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调相、事故备用和黑启动等多种功能,是目前最成熟、最可靠、最安全、最具大规模开发潜力的储能技术。碳中和背景下,抽水蓄能电站的建设向统筹化、绿色化、一体化发展,其发展方向主要包括:淤健全抽水蓄能电站开发体制和电价机制。以电力市场供需为基础进行科学定价,实现抽水蓄能电站在电量市场和辅助服务市场中具有自主选择的自由,获取投资收益。于打造抽水蓄能清洁能源系统。利用抽水蓄能的调节能力应对风光能源的间歇性、波动性和随机性,保障电能质量,同时使抽水蓄
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