永續新鮮事

文章分類按鈕

城市為什麼需要能源轉型?

說到美國休士頓,人們往往想到的是 「石油之城」。這個全美第四大城市,依賴石油、天然氣而崛起、繁榮,而現在,休士頓的市長 Sylvester Turner 卻想 「摘掉」石油標籤,讓其換上綠色新顏。

圖源:Inside Philanthropy

曾經的石油與工業中心,現在已悄然成為綠色之城。

今年四月份,休士頓市與美國最大綠色電力公司 NRG Energy Inc. 簽訂一份 7 年的合約,通過利用可再生能源,每年為全市市政設施供應1百萬 MWh 以上的綠電,同時每年全市將節約超過9百萬美金的電費帳單。這也是為了回應休士頓市的應對氣候變遷行動計畫 (Climate Action Plan),從而讓這座城市朝著 100%可再生能源目標與2050年「碳中和(Carbon Neutrality)」 目標又邁進了一步。

休士頓在2018年獲得LEED城市認證,而早在2004年,該市的市議會就確立將 LEED作為政府持有的新建建築的標準。像休士頓一樣,以「能源」作為突破口,實現低碳甚至淨零目標,已成為新的城市風向標。為什麼這麼說?

在這期低碳城市主題文章中,你將看到:

1. 地球能量收支平衡與溫室效應
2. 全球可再生能源利用概況
3. 應對氣候變遷與《1.5℃控溫特別報告》
4. USGBC如何加入這場行動?
*5. 國際城市能源轉型的實踐案例
*6. 國內低碳發展現狀與城市案例
*7. 後疫情時代,綠色經濟復甦的路徑探討

* 其中 5-7 將在下篇文章中展開。

01
--------------------------------
是什麼導致「全球變暖」?

在我們談論地球能源系統與碳排放時,應當聚焦於地球表層系統,因為地球表層系統是人類賴以生存的空間,同時也是人類能源與資源利用最劇烈的場所。

地球表層系統是經過地球億萬年的演化,通過各個地球外部圈層如:岩石圈、大氣圈、水圈和生物圈之間進行大量的物質與能量交換所形成一個複雜的巨系統。
圖源:NASA Earth System Diagram

地球表層系統在能量交換方面是充分開放的系統,每分每秒都在與它的外部環境進行能量交換。其中最主要的能量來源於太陽輻射能,約占地球能量收入總量的99.98%,而剩餘的能量收入包括來自地球內部的熱能占0.018%,由天體引力帶來的潮汐能僅占0.002%。

地球表層能量收支平衡圖
地球表層淨能量收支=太陽輻射收入 - 地表輻射支出 - 地表熱量支出

圖源:The NASA Earth’s Energy Budget Poster

根據上圖中基於科學家們長期大量的研究與測算得到的數值,地球表層淨能量收支為0.6 (w/m2),接近於0,說明地球長期以來處於能量收支平衡的狀態。當地球能量收支不平衡時,例如當溫室氣體增加,地表反向逆輻射增加,地表輻射能量不再平衡,導致溫室效應加劇。

我們所說的溫室效應,到底是什麼?

儘管在全球變暖的背景下,溫室氣體和溫室效應在我們看來並不是一個 「正面」的詞彙。但事實上,正是因為溫室氣體的存在,將太陽輻射能吸收並將大部分能量通過逆輻射返還給地球表面,才維持了地球適宜人類生存的溫度,否則地表的平均溫度將低至- 15℃以下。

大氣中的溫室氣體除水汽外主要有:二氧化碳(CO2)、甲烷 (CH4)、臭氧 (O3)、一氧化二氮 (N2O)、氫氟烴 (HFCs)、全氟化碳(PFCs)以及六氟化硫(SF6)等。我們通常習慣於將其他溫室氣體折算成二氧化碳當量(CO2  equivalent)。實際上大氣中溫室氣體的含量都很低,例如 CO2 的含量僅為 355ppm,即百萬分之 355,相比於大氣中其他組分要低得多。地球碳迴圈使得大氣中 CO2 的含量長期處於動態平衡的狀態,每 20 年會完全更新一次。然而由於人類活動大量消耗化石燃料如煤炭、石油和天然氣等,打破了碳迴圈平衡,使得回歸到大氣圈層的二氧化碳排放量增加,才導致過度的溫室效應,引發全球變暖。

02
--------------------------------

可再生能源,城市能源轉型的關鍵

化石燃料占目前全球一次能源 * 需求的 80%,而全球二氧化碳排放中有三分之二來自能源系統。這也讓能源問題成為解決日益激增的溫室氣體的重中之重。能源是人類從自然資源中獲取的「能量」,尚未被開發利用的能源被稱作資源,人類可開採的地球表層系統的資源總量的有限性決定了人類可利用的能源總量的有限性。也就是說,人類所能開採的自然資源如化石燃料:煤炭、石油和天然氣終將被人類消耗殆盡,是不可再生的能源。

* 一次能源,即天然能源,指在自然界現成存在的能源,如煤炭、石油、天然氣、水能等。與其對應的是二次能源,指由一次能源加工轉換而成的能源產品,如電力、煤氣、蒸汽及各種石油製品等。

而可再生能源主要是來自於地球表層系統的外部環境(大氣圈以上的宇宙空間以及岩石圈以下的地球內部圈層)的能源,例如太陽能、風能、潮汐能(由太陽和月球萬有引力作用產生)、地熱能等,可再生能源可以持續不斷地從環境中補充,是一種取之不盡,用之不竭的能源。

作者按:
根據熱力學第二定律,一個孤立系統在無外力做功或供能的情況下,必然是自發趨向於熵增(「熵」是對系統混亂度的描述,系統熵增意味著其混亂度增加),而要使得這個系統變得更加有序、實現熵減,必須依賴外部系統做功或供能。
地球本身作為一個開放系統,它孕育了生命、誕生並發展了人類文明,這相對於整個宇宙而言是一個局部熵減的過程,那麼這個過程的發生必然要借助或依賴地球系統的外部環境供應能量或做功,那麼更充分、有效地利用包括太陽能在內的可再生能源便是實現地球和人類永續發展的關鍵。

可再生能源具有巨大的減緩氣候變化的潛力,能夠帶來更廣泛的經濟和環境效益。現在,全球各國都在加快佈局可再生能源應用。根據國際能源署 (IEA) 發佈的 2019 世界能源展望,過去十年全球可再生能源的利用率有顯著的提升,尤其是光伏與風力發電。2018 年可再生能源發電量增加了 450 TWh,相比 2017 年增加 7%,同年可再生能源發電裝機容量增加了 180GW,這歸因於光伏與風力發電技術成本的下降,可見可再生能源技術的投資對於能源轉型將發揮巨大的推動作用目前,全球可再生能源的投資已超過 3,000 億美元。

03
--------------------------------

氣候變遷與 「後巴黎時代」

說到能源轉型,城市首當其衝。為什麼?

一是世界人口急劇增加,人類對能源與資源的需求迅速增加。1650 年世界人口僅為 5 億,1800 年上升到 10 億,1930 年突破了 20 億,到本世紀人口已爆炸式地增長至 70 億人,預計到 2100 年世界人口將突破 100 億人。而這個數字,被許多科學家認為是地球的最大承載負荷。  

二是城市化進展加快。在工業革命後的200年間,由於人類的生產力水準顯著提高,快速的工業化與城鎮化進程導致人類對地球資源與能源的消耗進一步提升,改變自然環境的速度和規模也迅速增加,人類活動對氣候的影響日益廣泛和嚴峻。

占全球未被冰川覆蓋的陸地面積不到3%的城市區域,集中了全球超過50%的人口,百萬甚至千萬人口以上的大城市不斷增加,城市建築物的興建、道路的鋪設使得大量的地表成為不透水下墊面,其粗糙度、反射率、輻射性能和水熱收支狀況產生巨大的變化。城市作為人類社會、經濟活動最核心的地區,全球75% 的能源消耗發生在城市,60-70% 的溫室氣體排放及90%以上的大氣污染物均來自城市的人類活動。因此,城市是應對全球氣候變遷與能源系統轉型的核心。

能源、資源、人口、全球變暖面對這些關乎人類生死存亡的問題,人們也希望 「未雨綢繆」。政府間的聯合行動至關重要,《巴黎協定》的簽署就是一個全球性的承諾。2015年12月12日,196個締約方在巴黎召開的第二十一屆聯合國氣候變化大會 (COP21) 上通過了《巴黎協定》,取代《京都議定書》,以期能共同遏阻全球暖化失控趨勢。這是繼《聯合國氣候變化框架公約》與《京都議定書》後,人類歷史上應對氣候變遷的第三個里程碑式的國際法律文本,也是有史以來首個具有普遍性和法律約束力的全球氣候變遷協定。

◉ 把全球平均氣溫升幅控制在工業革命前水準以上低於 2℃之內,並努力將氣溫升幅限制在工業化前水準以上 1.5℃之內,同時認識到這將大大減少氣候變遷的風險和影響。

◉ 提高適應氣候變遷不利影響的能力並以不威脅糧食生產的方式增強氣候抗禦力和溫室氣體低排放發展。

◉ 使資金流動符合溫室氣體低排放和氣候調適型發展的路徑。

2020 年 2 月,所有《聯合國氣候變遷框架公約》的締約方都簽訂了巴黎協定,它的簽訂構成了 2020 年後的全球氣候治理格局,也真正意義上體現了 「人類氣候命運共同體」。 

雖然《巴黎協定》所有締約國均承諾將全球升溫控制在 1.5-2℃以內,但是全球要如何實現上述控溫目標,以及如果無法實現會有怎樣的後果?這些重要問題都有待解答。2018年10月8日,聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 在韓國仁川發佈《全球升溫 1.5ºC 特別報告》,報告分析了如何實現全球升溫控制在 1. 5℃以內的目標以及升溫將帶來的影響,其中的關鍵結論包括:

◉ 從工業化前時期到現在,人類活動產生的碳排放造成的升溫將持續數百年至數千年,並將繼續造成氣候系統進一步的長期變化,如海平面上升。

◉ 全球升溫 1.5℃對人類和自然會帶來比現在更嚴重的氣候風險,但低於升溫 2℃。這些風險取決於于升溫的幅度和速度、地理位置、發展水準以及脆弱性,也取決於適應和減緩方案的選擇和實施情況。

◉ 在全球升溫限制在 1.5 ℃的模式路徑中,到 2030 年人為的 CO2 淨排放量相比 2010 年水準上減少約 45%(年均 250-300 億噸 CO2 當量),到本世紀中葉達到淨零排放。

◉ 在全球升溫限制在 1.5℃的路徑中,需要在能源、土地、城市和基礎設施(包括交通和建築)和工業系統方面進行快速而深遠的轉型。因此,人類在低碳技術和能效領域的投資必須顯著提升。其中,全球的能源系統將在 2050 年使用 70-80% 可再生能源發電,同時二氧化碳捕獲和封存(CCS)技術在化石燃料發電過程的應用將更將廣泛。

◉ 氣候變遷的影響和對策與永續發展密切相關,而永續發展可平衡社會福祉、經濟繁榮和環境保護。控制全球升溫 1.5℃的目標與實現聯合國永續發展目標 (SDGs) 有很強的協同作用,特別是對永續發展目標 3(健康)、7(清潔能源)、11(城市和社區)、12(負責任的消費和生產)和 14(海洋)。而減緩方案若對永續發展目標存在負面影響,各國則應進行權衡取捨,挑選適用於其國家背景的調適性方案實現 1.5℃控溫目標。

氣候變遷減緩方案的部門組合與永續發展目標(SDG)之間的潛在協同作用和權衡取捨。

◉ 國家、城市、私營部門和個人等所有各方都必須立刻加強行動。如果全社會不進行變革、不迅速採取雄心勃勃的減排行動,那麼在實現永續發展目標的同時,將升溫控制在1.5°C以內的目標將難以實現。

04
--------------------------------

USGBC 的綠色城市行動

應對氣候變遷的挑戰,全球範圍各個國家與地方政府、私營企業、研究機構及非盈利組織等都在積極地回應,探索合理、有效的減排路徑與節能策略,從而實現全球 1.5℃的控溫目標。

USGBC 在行動。

2016 年底,USGBC 推出 LEED 城市與社區認證體系,致力於從城市能源、水、交通、廢棄物、經濟與社會等多個維度的頂層規劃設計,並強調基於資料評估支援管理者的決策制定,鼓勵城市與社區多方利益相關者的參與,從而推動全球城市的永續發展,提升居民生活品質。

「能源與溫室氣體排放」板塊是該認證體系所評估的核心內容之一,占總得分 1/3 的權重。以下是這個板塊涵蓋的部分條款要求:

◉ 為所有居民提供穩定、可靠的電網系統

◉ 根據國際認可的溫室氣體核算協議,如 2019 IPCC Guidelines, BEI (Covenant of Mayors), GPC (WRI), IEAP (ICLEI), PAS 2070 (UNEP and World Bank),編制城市溫室氣體排放清單

◉ 提升城市公共區域能效水準,如照明、水泵以及分散式能源系統

◉ 鼓勵可再生能源的利用,包括場地內和場地外可再生能源、可再生能源證書 (RECs) 的購買以及碳交易等形式

◉ 鼓勵低碳經濟的發展模式

◉ 宣導智慧電網系統,通過分時電價、需求側回應等方式實現電網協調,提升供電效率和利用率

截止到 2020 年 6 月,全球範圍共有 180 多個城市與社區參與該認證體系,超過 110 個城市與社區獲得正式認證。這些城市與社區都分別編制了溫室氣體排放清單,並制定了相應的減排目標和應對氣候變化的策略。

參考文獻:
①https://www.houstontx.gov/mayor/press/2020/100-percent-renewable-energy.html
②自然地理學(第四版),伍光和主編
③ National Aeronautics and Space Administration, the NASA Earth’s Energy Budget, https://science-edu.larc.nasa.gov/energy_budget/
④International Energy Administration, Data and Statistic. https://www.iea.org/data-and-statisticssequence=1&isAllowed=y
⑤International Energy Administration, Data and Statistic. https://www.iea.org/data-and-statistics
⑥https://www.un.org/zh/chronicle/article/20927
⑦International Energy Administration, 2019 World Energy Outlook.https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2019/renewables#abstract
⑧城市規劃原理(第四版),同濟大學 吳志強、李德華主編
⑨聯合國氣候變化框公約 https://www.un.org/zh/documents/treaty/files/A-AC.237-18(PARTII)-ADD.1.shtml
⑩《巴黎協定》https://www.un.org/zh/documents/view_doc.asp?symbol=FCCC/CP/2015/L.9/Rev.1
⑪IPCC《全球升溫 1.5ºC 特別報告》https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/2/2019/09/IPCC-Special-Report-1.5-SPM_zh.pdf

本文作者:何淩昊
內容編輯:杜俊雅

enlightened圖片及文章來源: LEED能源與環境設計先鋒

yes編譯:台灣企業永續研訓中心(CCS)