可持续城市能源是未来的选择

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过去20年间,城市地区显著扩张。如今,有超过35亿人口居住在城市(接近全球人口的一半)。伴随着人口城市化,特别是发展中国家的经济模式正在经历从农村经济到城市经济的快速转变(人居署、倡导地区可持续发展国际理事会和环境署,2009。虽然发展中国家的城市化在规模和速度上有所不同,但是他们都必须稳定不断增加的能源需求,构筑供应、公平和增强权能的桥梁,尽可能缓解环境退化,改善人类健康和生计以及寻求新的发展方向等(德勒格,2008)。

自1960年以来,全球人口翻了一番,至2050年预计超过90亿,其中99%的人口增长以及50%的城市人口增长预计出现在发展中国家(朱和马宗达,2012;库里和皮莱,2012)。根据联合国环境规划署(环境署)统计,拉丁美洲和加勒比地区的城市化程度很高,2007年有78%的人口居住在城市,预计到2050年该地区的城市人口比例将达到89%。相比之下,非洲和亚洲的城市化程度较低,约40%的现有人口居住在城市,但是这些地区的城市人口也正高速增长,到2050年这些地区的城市人口比例预计将增长至62%(人居署、倡导地区可持续发展国际理事会和环境署,2009)。据联合国预计,到2050年将有60亿人口居住在城市。

全球能源危机和气候变化的威胁要求能源部门实施创新,也要求发达国家和发展中国家负责任地消费能源。《城市能源转变:从化石燃料到可再生能源》认为,至2030年,全球能源需求预计将增长60%至85%。政府间气候变化专门委员会(气专委)建议,如果我们要将全球升温幅度控制在比工业化前的气温水平高2°C以内,则大气温室气体浓度不得超过450 ppm。然而,2015年3月,美国国家航空航天局透露当时的温室气体浓度已经超过400 ppm。

为确保一个充满活力、健康且对环境友好的未来,全球需要开展另一场工业革命,利用负担得起的、易获得和可持续的能源推动发展。为了减少资源需求和对环境的影响,一些发达国家已经成功将经济增长和能源消费脱钩,即闭合生产中的能源循环,例如回收被释放的热能用于发电(人居署、倡导地区可持续发展国际理事会和环境署,2009)。能源效率、能源节约以及能源去碳化对这次革命至关重要。

虽然化石燃料发电在城市中仍占据主要地位,但可持续能源是未来的唯一选择,这个前景越来越清晰。例如,化石燃料在城市能源消费中的比例可能仍然很大,尽管城市常采用燃料效率较高的热电联产和区域供热。在城市中实施可再生能源战略“势在必行”。实现转型不仅仅要转换能源,还要确保具有成本效益、可持续并且有利于发展。世界各地很多城市都承诺100%使用清洁能源;哥本哈根保证至2025年实现碳中和;美国科罗拉多州的阿斯彭市预计到2015年实现100%使用可再生能源;慕尼黑计划到2025年100%利用可再生能源发电。

厌氧消化

随着城市化不断发展和城市人口不断增长,城市废物的产生和处置成为一个重大问题。厌氧消化是指可生物降解的废物在缺乏氧气的环境中产生适用于发电的富含甲烷沼气,可以为日渐严重的废物问题提供至关重要的解决方案,同时减少对外能源需求(库里和皮莱,2012)。沼气可通过内燃机、微型燃气轮机和热水采暖装置产生热能和电能,所产生的热能可以用于加热消化池或为建筑物供暖(同上)。若城市废物可用于生产沼气,则可以减少垃圾填埋场的需求,生产可持续和可再生能源,并产生可用作肥料的副产品生物泥浆。库里和皮莱发表在《可再生能源》期刊上的研究报告显示,沼气工厂数量的年增长率达20%–30%,证明厌氧消化正成为可持续能源的重要来源(2012)。

太阳能

与生物质、水力和核能相比,利用太阳能作为能源资源的第一个益处在于不需要消耗水资源,从而减少水资源消耗和短缺所引发的环境问题。最近,太阳能技术(包括聚光太阳能发电和太阳能光伏发电)的实施成本降低,在中高纬地区利用太阳能发电的成本相对于化石燃料发电有很强的竞争力。有一项能源政策研究表明,2006年至2011年间,全球可再生能源技术中发展最迅速的是太阳能光伏发电,年增长率达58%,其后是年增长率接近37%的聚光太阳能发电,再次为年增长率为26%的风力发电(普罗希特、普罗希特和谢卡尔,2013)。太阳能可以在城市得到有效应用,因为太阳能电池板和光伏材料可以安装在建筑物屋顶,无阻塞、效率高且维修率低。全球聚光太阳能发电量预计到2020年将达147千兆瓦,到2030年将达337千兆瓦,到2050年将达1089千兆瓦(同上)。

 

高效的基础设施

未来,可再生能源就地开发利用的发展有助于实现建筑零排放以及发展高能效的低碳生态城市(伦德,2012)。创新技术的发展日新月异,使得城市可以提高能源可持续性。例如,城市中的高楼安装风能、太阳能和雨水收集器以优化能源生产。这有助于最大限度地减少当前城市使用风力涡轮机所引发的问题。

生态城市

随着技术不断进步,全球生态城市的数量在上升。建设中的“可持续城区”有阿布扎比的马斯达尔城以及葡萄牙的普兰尼特谷等。中国和新加坡的合作项目天津生态城致力于成为最大的生态城区,计划到2020年为35万名居民提供低碳绿色的住宅,城区面积将达到曼哈顿的一半。这些可持续城区的基础设施配套包括:节水装置、隔热墙体、双层玻璃窗户、建筑物朝南以优化被动采暖、太阳能光伏屋顶和墙体以及就地发电站。

在城市环境中利用可再生能源有时会受限于供需失衡,可再生能源在整个能源系统中的整合也可能形成障碍。智能电网可以提供必要的互联和控制,从而实现能源供给的有效管理。在城市中开展上述措施可以提高能源安全和可靠性,通过让能源供应接近需求地从而减少传输成本、利用现有基础设施以及减少土地需求(同上)。

结论

在城市大规模利用可再生能源至关重要,是未来既能满足城市日渐增长的能源需求又能减少排放(同上)的可持续能源选择。随着技术继续发展,可再生能源将更高效、更方便使用、成本效益更好、更容易获取和更具可持续性。

参考文献:

http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7411/full/nature11475.html.朱棣文 (Steven Chu) ,阿伦•马宗达 (Arun Majumdar).可持续能源未来的机遇和挑战[J/OL].自然,2012,488(8月):294-303. http://www.nature.com/nature/journa l/v488/n7411/full/nature11475.html.

南森•库里 (Nathan Curry)和普拉格森•皮莱 (Pragasen Pillay).沼气预测和城市厨余垃圾应用于能源系统的设计.可再生能源[J],2012,41(5月):200-209.

皮特•德勒格 (Peter Droege) 编辑.城市能源转变:从化石燃料到可再生能源[M].牛津:爱斯唯尔出版社,2008.

皮特•伦德 (Peter Lund).大规模可再生能源计划——整合和连接[J].能源转换和管理. 2012,63(11月):162-172.

伊尚•普罗希特 (Ishan Purohit) ,帕拉夫 •普罗希特 (Pallav Purohit) 和沙尚克•谢卡尔 (Sashaank Shekhar).评估在印度西北部采用聚光太阳能发电的可能性[J].能源政策.2013:157-175.

http://www.unep.org/urban_environment/PDFs/Sustainable_Energy_Handbook.pdf.人居署、倡导地区可持续发展国际理事会和联合国环境规划署. 可持续城市能源规划:发展中国家城镇使用手册[R/OL].内罗毕:环境署,2009. http://www.unep.org/urban_environment/PDFs/Sustainable_Energy_Handbook.pdf.