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碳中和下节能服务的多维解构——日本经验与启示

北极星售电网  来源:奇点能源  作者:解力也 王康  2020/11/19 8:44:10  我要投稿  
所属频道: 能源服务   关键词: 碳中和 碳市场 电能替代

北极星售电网讯:总书记提出“努力争取2060年前实现碳中和”目标以来,碳中和的概念在能源行业引起了广泛讨论,包括发展可再生能源、碳市场机制、发展氢能等多个方面,但是“能效是第一能源”的理念需要得到更多重视。能效是最为经济、对环境破坏最少、最为清洁的能源。能效与节能相关技术与服务通过“少用”来发挥效力,通过消耗更少的能源,产生更多的产出,与新时代高质量发展的理念高度契合。

(来源:微信公众号“奇点能源”来源:解力也 王康)

01碳中和背景下的节能重任

国际能源署(IEA)分析表明,对比既有政策情景和可持续发展情境(2℃温控目标),能效与节能措施对2030年预期碳排放减少的贡献达到一半,对2050年碳排放减少的贡献达到37%,是最有效的减排途径。其次则分别是可再生能源利用、燃料转换、核能利用、碳捕集与封存(CCUS)等途径的贡献。能效提升对于我国30、60目标的实现同样至关重要。

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图1 既有政策情景与可持续发展情境的碳排放对比

来源:IEA (2019b), World Energy Outlook.

正如我们在《节能服务生死局——能源变革中的新视界》分析的,经过多年的努力,我国节能减排工作取得了巨大成效。近期也有研究成果表明,分行业看我国能效水平已处于国际较好水平(高于加拿大、美国等国家),但不容忽视,我国单位GDP能耗仍较高,是世界平均水平的1.5倍,是美国的2.2倍,日本的2.7倍,德国的3倍。我国单位GDP能耗高的主要原因,一是产业结构不合理,第二产业占GDP的比例高达40.5%,其中高耗能产业占比又相对较高;二是在能效管理等方面,离德、日等国家确实有一定差距。

为助力实现碳中和目标,我国节能服务产业仍有较大发展空间,本文将着重分析日本的节能政策与节能技术,以期为国内节能产业进一步发展提供新思路。

02日本的节能减排目标与政策

(一)节能成效与目标

1973年世界石油危机以来,日本加大节能投入和政策引导,截至2016年实际GDP增长2.6倍,而最终能源消耗只增长了1.2倍,单位GDP能耗平均下降53.8%,约从2000年开始日本社会能耗总量已经开始呈现下降趋势。

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图2 日本各部门能耗发展图

来源:日本经济产业省

为应对气候变化,2014年左右,日本提出了两阶段节能减排目标:第一步,至2030年,整体减排与2013年相比降低26%,单位GDP能耗比2013年降低35%以上,每年能效提升约1.9%,能耗总量从2013年的3.6亿kL原油(每L原油约38.28MJ)降低至3.3亿kL。第二步,至2050年,整体减排与2013年相比降低80%,但受当前国际上主要经济体“碳中和”承诺影响,日本近期也表示2050年左右实现碳中和。

为实现第一步目标,2030年需要实现彻底节能5030万kL原油,其中各部门应实现的节能量为:工业部门节约1042万kL,商业部门节约1226万kL,运输部门节约1607万kL,居民节约1160万kL。

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图3 各部门2013年能耗量与2030年节约目标

来源:日本经济产业省

从上图可以看出,虽然工业占总能耗比重最大,但工业部门节能潜力反而是四个领域中最低的,可见日本的工业节能已经较为成熟,2014年起节能的主要增长点在建筑和交通,当前我国节能服务市场的发展也符合该趋势。

(二)节能政策

日本高度重视通过法案等手段推动全社会节能,在1979年正式制定了节能法,此后进行了十几次修订,始终保证节能法基本适应国家经济发展的实际情况。主要制度亮点如下:

1. 将标杆制度从工业部门拓展到商业部门自2009年起,对工业企业中的重点部门,如水泥、钢铁、电力等6大行业10个领域执行标杆制度,标杆指标设定为各行业名列前茅的1-2成企业达到的能耗水平,并随着整体水平的改善修订标杆指标。标杆制度在工业领域的实施非常有效,从2016年开始拓展至商业领域,目前已经在大学、国家公务机构、弹子房(即日本的街边游戏厅)引入标杆制度,并将继续推行到覆盖全产业的70%。由于商业领域不同业务形态与能耗量的关系比较复杂,因此对不同的领域采用不同的标杆设定方法:对于基本相似的便民店,采用单位GDP能耗法;对于差距较大的酒店和百货店,以能耗量实际值与考虑到规模、营业额等因素的能耗预测值之比取标杆;对于受租户影响较大的写字楼,通过用软件估算的节能率作为标杆指标。

2.对企业定期进行分级评价与督导对于工业企业,年能耗在1500kL以上企业要定期报告全年节能工作,并由国家相关机构对工作状况进行评估,主要评价标准是单位产值能耗年均削减1%以上。对于定期提交报告的工业企业和商业企业进行分级评价,对达到努力目标或者特定行业标杆目标的企业,评为节能优良企业(S级),可以得到补贴加分、减轻节能促进税等奖励。对于节能停滞不前的企业(B级)实施重点检查,其中表现尤其不佳的企业(C级)按照节能法相关条款进行处理。而对于S级和B级之间的一般企业(A级)进行发文督促。从实行效果来看,有超过一半比例的企业达到S级,A级和B级占比约30%、15%,没有企业被评为C级,说明分级评价制度起到了很好的激励和督促作用。

3.实施建筑物节能法并提倡零能耗建筑除了普适性的节能法之外,日本自2017年4月开始实施建筑物节能法,对于建筑物的开发商,根据不同的建筑面积需上报能耗性能计划或者达到相应性能标准。此外,日本还在大力推广零能耗建筑(net zero energy building, ZEB)和零能耗住宅(net zero energy house, ZEH),并利用财政补助、税金减免等手段激励其发展。零能耗住宅主要利用建筑外保温设计、高效用能设备、可再生能源发电、电力市场需求侧响应、家庭能源管理系统等技术手段的组合来实现。建筑部门的目标是在2030年前新建建筑物平均实现ZEB,新建住宅平均实现ZEH。

4.对汽车和家电等能耗设备实行领跑者制度设定汽车及家电产品等32个品类的能耗目标并促使其达成目标,这32个品类包括乘用汽车、空调、电视机、电冰箱等多种用电设备,覆盖家庭能源消耗约70%的比例。领跑者标准在设定时考虑能耗排名前1-2成产品的技术进步预期,目标是在设定标准3-10年后各企业出货产品能耗的加权平均值超过领跑者标准。从实行效果来看,领跑者制度改善了汽车油耗,在2012年就达标了相当于2020年的油耗标准,而空调耗电量在近20年间下降了约31%,实施效果显著。

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图4 日本汽车油耗变化

来源:日本经济产业省

对比来看,我国在1997年也颁布了《节约能源法》,此后分别于2007年和2016年进行了修订。2007年将单位GDP能耗降低纳入各地经济社会发展综合评价体系,自2016年开始实行能源消费总量与能源消费强度“双控”行动。

借鉴日本经验,我国能效“领跑者”制度于2014年底出台,包括终端用能产品、高耗能行业和公共机构三类。用能产品方面,2016年对冰箱、空调和电视三类产品组织了评选,2018年将洗衣机也纳入了评选范围;高耗能行业方面,2016年发布了5个行业、2018年发布了9个行业的领跑者企业名单;2018年5月发布了2017-2018公共机构能效领跑者名单。但整体来看,我国能效领跑者制度目前仍处于初级推进阶段,存在激励政策未得到落实、终端产品实施范围小、未能广泛调动节能积极性等问题。

03节能理念与技术

(一)对节能工程进行全生命周期、全成本要素的评估

日本的节能工作普遍贯彻P-D-C-A工作法,“Plan”包括掌握能源的使用状况、选择可节能的项目、讨论设备投资和运行改善等方法、选定节能措施、拟定节能实施计划等步骤;“Do”包括建立实施体制、节能措施进度管理、实施准备和正式实施等;“Check”主要是实施后的效果检测,包括测量能耗量、分析与目标的距离;“Action”是修订节能实施计划,包括对开展的节能工作重新评估、研究和修订管理方法。一个节能项目的PDCA流程一般需要1-2年的时间才能完成。

节能工作一般可以分为“改善运行”和“设备投资”两类。改善运行即对设备运行进行优化、讨论更合理的工艺、对废热进行回收利用等,设备投资则指的是更换更高效的设备、改造生产线等。对节能项目进行讨论的目标是使采取的措施实现用能单位能耗降低10%以上,同时保证节能措施回收周期在5年以内,但回收期在10年左右的节能措施都应该进行讨论。

当涉及长期使用设备的节能时,需要对“长期使用”与“更换设备”两个选项进行全面的对比衡量。一般来说,如果维持长期使用,能耗费和维保费都会呈上升趋势,还可能会发生无法预测的故障。更新设备后由于效率提高,能耗费和维保费都会明显下降,也不容易发生故障,但是更新设备会产生一笔大的费用,因此需要对比两种方式在同一时间点的累积费用,对投资回收期的判断不是简单的收回设备投资成本,而是“更换设备”的总成本到哪一年会小于“长期使用”的总成本,如果小于3年则建议更新,3-5年内也可考虑更新,超过5年如果能获得补贴也可建议实施,体现了一种全生命周期、全要素的评估方式。

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图5 设备更新思路

来源:日本节能中心

(二)以热泵为主要方式的电能替代

热泵在日本节能领域得到了大规模的推广利用,除了应用于供热领域,还推广用于烘干、浓缩、提纯、清洗、杀菌、蒸馏等工业工艺,将原先依靠化石燃料燃烧制热转变为使用电力驱动热泵,可实现大幅度的节能和减少CO2排放。

根据统计,在工业领域的总能耗中,工厂空调(占比17%)、100℃以下的烘干(占比14%),热水(占比13%)、100℃以上的烘干、杀菌、加热(占比10%),都可以用热泵进行替代。为了应对需求较多的60-90℃的工作温度,最理想的是使用热泵热风机。产生100℃以上的蒸汽热泵属于第二类热泵,能将78℃的水升温到110℃以上,COP在0.5左右,应用在需要蒸汽的场合中。

除推广各类型热泵外,采用电力驱动压缩机替换蒸汽驱动的电机,能实现节能75%;大力推广低能耗变压器、对压缩空气管道进行泄漏管理等,也是日本产业部门在普遍推广的节能技术。

(三)统筹考虑化石燃料的原料化利用与能源化利用

化石燃料不但具有能源属性,也是化工产业的主要原料。化工产品是支撑众多工业和人们生活的重要产品,在将来仍会被大量使用。随着节能减排的进展,未来化工行业对石油的需求将超过公路客运所需石油,成为石油消费量的最大牵引者,预计2030年石油化学产业将增长3.2万桶/天,达到总增长的1/3。因此,日本的化工行业提出从能源和碳源两方面开展减轻环境负荷的工作。

为减缓全球变暖,日本化工行业提出了化学产业的解决方案,一是确立碳循环途径,实现原料的多样化,如利用生物质、天然气甲烷水合物、废弃物等,二是致力于用工艺创新提高能源效率,如用膜分离法代替蒸馏,进行原料管理等;三是致力于削减整个生命周期的温室气体排放,全生命周期管理比生产阶段的局部优化更重要,因此要为构建全球价值链的产品研发和提案贡献力量,目前已经产生较大影响的提案包括使用RO膜法的海水淡化设备、碳纤维复合材料等技术,新技术的大规模推广预计在日本可以减少1.7亿吨碳排放,在全球可以减少3.88亿吨碳排放 。

04对我国节能的启发

1. 节能工作的长远进展需要使命意识和高瞻远瞩的规划。日本通过滚动更新节能法 律、政策,制定严格的节能措施和计划,通过切实可行的路线图实现碳中和目标,对我国具有较高的借鉴价值。

2. 节能是一门统计和优化的科学。日本在行业节能统计、标杆指标下达、节能投入产出评估方面,大量使用数据分析方法,通过量化分析促进节能与经济优化、流程优化、设备优化等工作相结合,实现节能减排与社会经济发展的平衡协调,严谨的量化分析思维值得我们学习借鉴。

3.从全周期、多要素的角度全面审视节能成效。节能改造带来的效果除节能本身外,更有维保费、修理费的降低,也有能源供应可靠性的提高,这些效益应该在节能工程中充分体现,同时应将全生命周期的效益总量作为评估的依据。而在中国,采用合同能源管理的节能工程,全周期、全效益的节能效果评估方法难以被用能单位认可,制约了节能资金的投入和节能工作的深化,建议政府、行业、企业联动,以政策引导、标准指导等形式进行普及。

4.建立能源跨界融合的观点。日本专家将原料的碳、氢循环,产品轻量化、材料节约等工作作为节能的组成要素,能源和物质、能源与资产、能源和金融相互依存、促进,共同促进更高质量发展。

5.市场空间转向建筑、交通电气化。电能深度替代将引起终端能源结构最显著的变化,也是节能服务最重要的增长点。特别在建筑、交通领域趋势更加明显,电热泵普遍应用、电动汽车等进一步普及,随之而来的用户电气基础设施建设、改造、维护,以及必将到来的建筑、交通智能化将成为节能服务的主战场。

原标题:碳中和下节能服务的多维解构——日本经验与启示

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