研究分析 | 污水余溫熱能存在潛在碳交易額
2021年可謂中國“碳中和”元年。為緩解全球變暖趨勢，控制CO2等溫室氣體排放已成為國際組織、各國政府、乃至全社會的共識。與此同時，中國已經下定決心并正邁著堅定步伐奔向2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”之偉大目標。污水處理雖然是國民經濟中規模較小的行業，但卻屬于能源密集型高能耗行業，其碳排放量約占全社會總排放量的1~3%。《巴黎協定》正式生效后，污水處理廠碳減排亦受到相當重視，“碳中和”也將成為污水處理廠運行所追求的終極目標。因此，碳減排將是污水處理行業未來發展的“必由之路”，污水處理行業今后無疑也應該納入碳交易市場。
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1 碳交易機制 水凈化www.futabashoukai.com
《京都議定書》規定需要控制6種溫室氣體排放：二氧化碳(CO?)、甲烷(CH?)、氧化亞氮(N?O)、氫氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)以及六氟化硫(SF6)。受這一規定的約束，一種通過市場調控溫室氣體減排的政策手段——碳排放權交易出現，即，碳排放權，它就如同“商品”一樣可以進行交易。
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自全球首個碳排放交易體系——歐盟碳排放交易體系(European Emission Trading Scheme, EUETS)建立以來，到目前為止已存在遍布四大洲的31個碳交易系統(表1)。隨著越來越多國家考慮采納碳交易機制作為碳減排的政策工具，碳交易機制已逐漸成為應對全球氣候變化的重要政策手段。 科曼環保www.futabashoukai.com
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通常，排放單位實際碳排放量往往會超過其碳配額，而超出的碳排放可通過從碳交易市場購買，亦可通過開展碳減排技術改造，實現排放單位碳排放量減少而獲得核證減排量(Certified Emission Reductions, CERs; 國內為Chinese Certified Emission Reductions, CCERs)，以此抵消部分超額碳排放(圖2)。 水凈化www.futabashoukai.com
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碳排放單位可通過技術改造提高其能源利用效率、或使用非化石清潔能源調整其能源結構來實現碳減排，由此而產生富余碳配額。排放單位因此可向政府申請核證減排量(CERs)，每單位CERs 相當于1 tCO2-eq (以下符號CO2均表示為碳當量)；CERs可用于抵消碳配額超出碳排放部分，多出的CERs亦可用來在碳交易市場進行交易，從而為排放單位帶來經濟收益。
2 余溫熱能應納入碳交易機制
污水處理領域存在較多碳減排機會，如，運行優化產生的節能降耗可間接減少溫室氣體排放，污泥厭氧消化產生的甲烷(CH4)發電可間接減少廠外發電導致的間接溫室氣體排放，污水余溫熱能利用亦可減少化石燃料加溫需要。傳統上，國內外與污水處理相關碳減排努力均聚焦于通過污泥厭氧消化對污水有機能(CH4)回收。實際上，污水余溫熱能回收具有更大碳減排潛力。
污水余溫約占城市總廢熱排放量的40%，且污水熱能占污水可利用總能量的90%。因此，污水余溫熱能利用應該被列入碳交易機制下的碳減排清單。
3 余溫熱能潛在CERs計算
余溫熱能用于供熱時，水源熱泵提取的熱量與化石燃料燃燒產生熱量可視為等同；供熱時，取代燃煤鍋爐消耗化石燃料產生碳減排量；制冷時，水源熱泵比空氣源熱泵節省電能，產生碳減排量。
水源熱泵理論碳減排量(碳額)可根據等量燃煤鍋爐以及空調消耗的化石能源碳排量計算，分別為23 408 與13 837 kJ/m3，折算供熱/制冷碳額分別為1.91與0.33 kg CO2/m3。
案例分析
污水余溫熱能碳額與水量以及是否能多次提取有關。以日處理水量為100萬 m3/d市政污水處理廠為案例進行計算：
提取溫差為4 ℃時，水源熱泵提取一次，供熱/制冷碳額分別為1 910 t與330 tCO2/d，相當于1 910與330個核證減排量(CERs)。按照9個月供熱、3個月制冷計算，全年實際碳額為54.5萬tCO2/a。若全年供熱時，碳額可高達69.7萬tCO2/a。
不同地區試點碳交易價格不盡相同，北京等大城市碳價最高，北京目前為80~100 元/tCO2。以北京為例，污水處理廠出水余溫熱能一次提取最大可獲得碳額(供熱工況)市場價值高達≥6 000萬元/a。
北京夏季出水溫度22~25 ℃，冬季10~16 ℃。水源熱泵提取溫差為4 ℃時，出水余溫熱能在夏季可提取2次，而冬季則可提取2~3次；熱泵機組COP發生變化，約降2~3%；每年可獲得195萬個(5 340 tCO2/d×365 d)核證減排量(CERs)，可帶來高達1.56~1.95億元/a碳交易市場價值。
4 余溫熱能碳交易市場潛力
在碳交易市場機制之下，污水余溫熱能利用完全可借助以下模式實施：污水處理行業納入碳交易體系或是通過開發相關碳減排項目獲得相應CERs；同時，需要政府部門通過相關政策、法規完善碳交易機制，助力污水余溫熱能在碳市場推動下開發利用，實現經濟、環境雙重效益。
《歐洲綠色新政》碳中和目標貫穿歐盟所有政策領域。歐洲國家須提高碳減排力度，擴大減排范圍、加快減排進程，這就給歐洲地區碳交易市場交易體量、規模、碳定價等方面帶來了新的發展契機。我國以發電行業為突破口率先啟動全國碳排放交易體系，分階段逐步擴大碳交易市場覆蓋范圍。生態環境部完善《碳排放權交易管理暫行條例》，將充分利用市場機制控制溫室氣體排放，以推動全國碳市場的建設和發展。
碳交易市場涵蓋的碳排放量與日俱增，碳市場體量及價值穩定上升，尤其是在中國碳交易市場建立之后(圖4)。污水處理行業今后應該也會納入碳交易市場。雖然污水處理廠自身存在諸多節能降耗實現碳減排的方法，但通過回收利用污水余溫熱能則可實現更多碳減排量，可“事半功倍”地使污水處理廠運行實現碳中和并實現碳交易獲利。
中國預計碳價在2025年為75元/tCO2，2030年將升至116元/tCO2，最終在2050年達到186元/tCO2。污水余溫熱能利用碳交易市場價值將會翻倍增加；到2050年，案例水廠(Q=100萬m3/d)碳額市場理論價值將超過3.5 億元/a (圖5)。
5 碳交易機制下余溫熱能利用
污水余溫熱能集中利用，可避免水源熱泵換熱器結垢、堵塞、腐蝕等問題，亦可解決冬季線上大規模利用導致對集中式污水生物處理不利現象。集中利用出水熱能可形成規模，便于市政供熱統一規劃利用；原位分散式熱交換系統投資多、占地多、影響后續集中生物處理。污泥分散式干化、集中式焚燒（用于發電），可實現低品位熱能向高品位熱能的“華麗轉變”。
6 結論
● 污水中熱能含量巨大，有效利用不僅可使污水處理運行實現“碳中和”目標，而且可獲得較多潛在碳交易額；
● 一旦污水余溫熱能被列入“核證減排量(CERs)”清單，碳交易獲利空間很大；
● 碳交易價格定會不斷攀升，這會促進污水處理余溫熱能利用。
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