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助力碳中和 空管系统减碳措施浅析

全部评论 放大字体  缩小字体 发布日期:2022-02-22  浏览次数:2948
核心提示:一、双碳目标气候的变化关乎人类生存,全球应对气候变化形势空前紧迫,积极应对已经成为全球共识,从1992年《联合国气候变化框架

一、双碳目标 


气候的变化关乎人类生存,全球应对气候变化形势空前紧迫,积极应对已经成为全球共识,从1992年《联合国气候变化框架公约》,1997年《京都议定书》到2016年《巴黎协定》确立了到本世纪末将全球气温升幅控制在工业化前水平2℃以内,并努力将气温升幅控制工业化前水平在1.5℃以内的长期目标。全球有超过30个国家和地区明确了碳中和的时间表,欧盟、加拿大、英国、日本、韩国、南非等国家明确提出了2050年实现碳中和的目标。中国作为负责任的发展中国家,在20209月,习近平主席在第七十五届联合国大会一般辩论上宣布:我国将提高国家自主贡献的力度,采取更加有力的政策和措施,使二氧化碳的排放力争2030年之前达到峰值,努力争取2060年之前实现碳中和。 

 

二、碳中和空管系统的必要性 


应对气候变化将加速世界经济发展方式根本变革和竞争格局。2030碳达峰和2060碳中和已经成为我国经济发展的重要紧迫任务之一,并列入十四五时期重点应对问题。为我国今后民航业节能低碳发展指明了方向。空管系统在民航系统率先实现碳中和具有先行意义,有利于提高民航业国际竞争力、树立良好社会形象。 

 

(一)是大国空管展现大国担当的需要。中国民航安全水平全球第一,新冠肺炎疫情下中国民航业在全球率先触底反弹,世界见证中国民航的一个又一个奇迹,空管系统做出了突出贡献。在全球共同应对气候变化的行动中,中国民航必将再创佳绩,空管系统有必要,也有能力发挥头部作用率先促进碳中和。世界有很多领域头部的企业都做出了表率,例如苹果公司2030年碳中和、微软公司2030年将实现碳负排放,并到2050年将从大气环境中消除1975年公司成立至今所有排放量总和的碳。大国空管应展现大国担当,有序有力推进零碳空管系统的建设,将中国空管系统建成世界标杆。

 

(二)是高标准目标呼唤高标准行为的需要。全球已有一百余个国家承诺碳中和,欧盟2006年已经碳达峰,并提出2050年实现碳中和,碳达峰到碳中和用44年。美国2007年碳达峰,承诺2050年实现碳中和,碳达峰到碳中和用43年。2020年中国碳排放总量超过100亿吨,位列全球第一。作为发展中国家,承诺2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,碳达峰到碳中和仅用30年。这样的高标准目标需要在各领域有高标准的行动反馈。乌拉圭APM港口码头接近零碳排放,90%的设备能源消耗由太阳能光伏提供,为打造零碳空管系统提供经验借鉴。 

 

三、空管系统实现“碳中和”有效措施浅析 


(一)空管系统温室气体排放和减碳方法分析 

温室气体是指能反射太阳辐射光,而使地球温度逐渐升高的一类气体,在ISO14064(温室气体排放分析技术标准依据国际标准ISO14064:温室气体排放和清除的数据管理、汇报和验证规范及指南)温室气体盘查体系中共有6种温室气体,包括CO2CH4N2O(泛指氮氧化物)、HFCSPFCSSF6。空管系统运行主要依靠雷达,欧洲猫及配套用电设备,每个空管单元每年都要消耗大量的电能,参照表1所列碳排放类别和活动,外购电力为主要能源,其他碳排放源如天然气、汽油、中央空调等,按照ISO14064标准中提供的量化方法,碳排放值均相对很小。可得出对于空管系统,间接GHG(温室气体)排放中外购电力是空管系统的主要排放源。


1 碳排放源识别 

类别 

设施/活动 

排放源 

排放物 

  

  

  

直接GHG排放 

能源类(E) 

食堂 

天然气 

CO2N2OCH4 

应急发电机(自有) 

柴油 

CO2N2O 

运输过程(T) 

公务车 

汽油 

CO2N2O 

  

  

逸散性(F) 

中央空调 

冷媒 

HFCS 

化粪池 

污水 

CH4 

灭火器 

CO2 

CO2 

冰箱 

HFCS 

HFCS 

高压开关 

SF6 

SF6 

间接GHG排放 

能源类(E) 

外购电力 

电力 

CO2 

  

其他间接排放 

运输过程(T) 

通勤车委外 

汽油 

CO2N2O 

废弃物委外 

汽油 

CO2N2O 

逸散性(F) 

饮料自动售货机 

冷媒 

HFCS 

  

要实现碳中和的目标,需通过科学有效的方法减少温室气体的排放。以下方法可以考虑: 

 

1、节能措施,例如使用节能灯泡、随手关灯关电脑等。此方法收效偏低,不能完成碳中和的目标,但是能够提高员工节能减排的意识。 

 

2、温室气体的固定、捕集、封存及利用。例如种植树木吸收CO2或者吸收空气中的CO2制成干冰等。此方法属于负碳技术,也就是通过回收大气中的温室气体,来抵消掉单位运行时产生的温室气体。优点是单位运行不用任何改变达到碳中和,但是需要付出高额的碳回收成本。 

 

3、提高能源使用率。通过革新技术或者更换设备,使能源使用率提升,单位能源产生更高效益。例如天然气冷热电三联供,充分利用天然气的热能,综合用能率可达到90%以上。缺点一是需要改造现有的能源系统,影响正常的运行,二是天然气属于不可再生能源,有价格不可控的风险。 

 

4、调整能源结构采用零碳排放的可再生能源,如光伏发电、风电、水电、核能、氢能和生物质能等。太阳能是空管系统现有可利用最多的资源。光伏发电减碳效率高,而且中国的光伏技术及供应链居世界前沿,太阳能光伏产能占世界的76%。虽然前期一次性投入较大,但当前市场上可采用合作方式,大幅降低前期投入,且光伏发电可“自发自用,余电上网”,长远来看可有效降低企业的运行成本。因此当前采用光伏发电的路径为主,其他措施为辅以实现空管系统碳中和目标为最优选择。 

 

(二)光伏发电应用及可行性 

 

2.1.国家可再生能源政策 

 

《可再生能源法》于20061月1号实施,明确规范了政府和社会在光伏发电开发利用方面的责任和义务,确立了一系列制度和措施,鼓励光伏产业发展,支持光伏发电并网。20091226日第十一届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议通过了全国人民代表大会常务委员会关于修改《中华人民共和国可再生能源法》的决定。修订后的可再生能源法进一步强化了国家对可再生能源的政策支持。采用光伏发电技术开发利用太阳能资源,充分利用屋顶,开发建设分布式光伏发电低压端并网自发自用,余电上网项目,符合能源产业政策发展方向。 

 

2.2.北京地区太阳能资源 

 

北京云量少,日照多,太阳辐射强度大,太阳能资源极为丰富。连续日照时数为6小时的各季日照小时数,春季为661小时,其他各季都低于550小时,全年可利用的日照小时数为2287小时,年辐射总量1500-1600kwh/m2,日辐射量相当于4.1-4.3kwh/m2。北京地区垂直面上年平均太阳辐射量为5401MJ/M2左右,实际光伏组件在安装时会有一定的倾角以尽可能多地捕捉太阳能,同时光伏电站角度选取采用“四季均衡,保证弱季”的原则,选择南向倾角35度方式安装。 

 

2.3.光伏电站选址 

 

空管系统分布式光伏发电项目的选址应充分考虑以下几点:

 

1)太阳光照资源不受影响,保证很高的发电量; 

2)靠近主干电网,以减少新增输电线路的投资; 

3)主干电网线径的承载能力; 

4)用电负荷要近,减少输电损失; 

5)便利的交通、运输条件; 

6)利用现有建筑屋顶,不占用土地资源。 

综合以上考虑,空管系统光伏电站项目可以选择在现有建筑物的屋顶上建设。以华北局北京为例,建筑物屋顶资源比较丰富。考虑到机场附近的影响,190培训中心,区域管制中心,终端管制中心等分支机构可以提供可观的电站建设屋顶资源。 

 

2.4.光伏电站运行与影响 

 

按照“就近并网、本地消耗、低损高效”的原则,以现有建筑物结合的方式建设,每个发电单元光伏组件通过三相并网逆变器并入三相低压交流电网,通过交流配电线路给当地供电,多余电量就近并入国家电网,实现“自发自用,余电上网”的模式。可利用屋顶资源多,安装光伏阵列比较多的园区,可以考虑配置光伏阵列汇流箱,经直流线缆接入配电房内直流配电柜,再接入并网逆变器,交流输出交流配电柜至防逆流控制柜,输出三相交流电,实现并网发电。 

 

 

1 光伏并网接线简易图 

 

1中展示的是三相双向电表和三相单向电表的并网接线方式。图左侧的三相双向电表和用户配电柜与用户负载是用电单位现有的用电接线简易示意图,而右侧光伏电站,三相逆变器,三相单项电表是空管系统碳中和计划的主要部分,把太阳能转换成电能。光伏发电系统在白天发电时优先使用光伏发的电,不足的由国家电网补充,如果发的电功率比用电功率高,直接把多余的电输送到国家电网。原有用电系统不需要任何改变,只是多了一条清洁的电量来源。 

 

2 33.3kw光伏2022年1月13日发电功率分时图 

 

2为3.3kw光伏1月13日发电情况示例,早上7点30分光伏系统开始工作,10点功率达到17.14kw,12点最大功率值21.48kw,太阳辐射达到全天的最大值,然后逐渐降低,1730分左右功率为零,逆变器开始离线进入待机状态,全天总发电量128.56kwh。 

 

2 垂直面上各小时的太阳直接辐射(卡/厘米2 

注:资料来源:左大康,北京地区的太阳能资源 

 

3 2021年每月的总发电功率 

 

2为垂直面上各小时的太阳直接辐射[1],光伏发电电量与太阳辐射值有直接关系,可以看出,每年45、6、7、8月的辐射量最大,从上午4点30分光伏发电系统就开始工作,一直到1930分。考虑到阴天下雨的情况,会对发电效率产生影响,如图3中,7、8月份的总发电功率没有达到理想的状态。 

 

总而言之,充分利用建筑物的闲置屋顶,建设光伏发电项目在零碳产生的情况下在全年9点到17点之间能够提供大量的绿色电力资源,该时间段正是电网的用电高峰期,电价较高,夜晚光伏电站不发电,此时电网负荷较小,电价相对较低,因此光伏发电具有削峰填谷的作用。 

 

2.5.光伏发电系统效率分析 

 

单晶硅组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减,光伏组件光电转换率衰减速率两年2%以内,1010%以内,2520%以内,光伏电站设计寿命25年。 

 

100kw光伏电站为例分析。100kw需要700平米的屋顶面积。充分考虑逆变器效率、导线损耗,积灰遮挡损耗等情况下,折合系统效率为79%,得出北京年有效利用小时数大约为1214h,因此估算100kw的光伏电站年发电量为100*1214=121400kwh。 

 

四、憧憬未来——中国民航碳零排放 

 

国际减排压力越来越大,国际民航组织提出国际航空碳抵消和减排计划机制,欧洲发布《2050年的目标:欧洲航空零排放之路》报告,ICAO和主要国家民航碳中和战略将对成长期的我国民航业造成较大的压力。空管系统作为民航业密不可分的部分,减碳增效、率先实现零碳发展,将通过自身发展经验,带动更多的民航工作者了解“双碳”精神,带动更多的民航部门加入碳减排的行列,对树立良好社会形象、提高民航业国际竞争力、彰显大国担当具有重要意义。 (作者李伟,单位:华北空管局北京区域管制中心

 
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