研究分析 | 污水余温热能存在潜在碳交易额
2021年可谓中国“碳中和”元年。为缓解全球变暖趋势，控制CO2等温室气体排放已成为国际组织、各国政府、乃至全社会的共识。与此同时，中国已经下定决心并正迈着坚定步伐奔向2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”之伟大目标。污水处理虽然是国民经济中规模较小的行业，但却属于能源密集型高能耗行业，其碳排放量约占全社会总排放量的1~3%。《巴黎协定》正式生效后，污水处理厂碳减排亦受到相当重视，“碳中和”也将成为污水处理厂运行所追求的终极目标。因此，碳减排将是污水处理行业未来发展的“必由之路”，污水处理行业今后无疑也应该纳入碳交易市场。
1 碳交易机制
《京都议定书》规定需要控制6种温室气体排放：二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)、氢氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)以及六氟化硫(SF6)。受这一规定的约束，一种通过市场调控温室气体减排的政策手段——碳排放权交易出现，即，碳排放权，它就如同“商品”一样可以进行交易。
自全球首个碳排放交易体系——欧盟碳排放交易体系(European Emission Trading Scheme, EUETS)建立以来，到目前为止已存在遍布四大洲的31个碳交易系统(表1)。随着越来越多国家考虑采纳碳交易机制作为碳减排的政策工具，碳交易机制已逐渐成为应对全球气候变化的重要政策手段。
通常，排放单位实际碳排放量往往会超过其碳配额，而超出的碳排放可通过从碳交易市场购买，亦可通过开展碳减排技术改造，实现排放单位碳排放量减少而获得核证减排量(Certified Emission Reductions, CERs; 国内为Chinese Certified Emission Reductions, CCERs)，以此抵消部分超额碳排放(图2)。
碳排放单位可通过技术改造提高其能源利用效率、或使用非化石清洁能源调整其能源结构来实现碳减排，由此而产生富余碳配额。排放单位因此可向政府申请核证减排量(CERs)，每单位CERs 相当于1 tCO2-eq (以下符号CO2均表示为碳当量)；CERs可用于抵消碳配额超出碳排放部分，多出的CERs亦可用来在碳交易市场进行交易，从而为排放单位带来经济收益。
2 余温热能应纳入碳交易机制
污水处理领域存在较多碳减排机会，如，运行优化产生的节能降耗可间接减少温室气体排放，污泥厌氧消化产生的甲烷(CH4)发电可间接减少厂外发电导致的间接温室气体排放，污水余温热能利用亦可减少化石燃料加温需要。传统上，国内外与污水处理相关碳减排努力均聚焦于通过污泥厌氧消化对污水有机能(CH4)回收。实际上，污水余温热能回收具有更大碳减排潜力。
污水余温约占城市总废热排放量的40%，且污水热能占污水可利用总能量的90%。因此，污水余温热能利用应该被列入碳交易机制下的碳减排清单。
3 余温热能潜在CERs计算
余温热能用于供热时，水源热泵提取的热量与化石燃料燃烧产生热量可视为等同；供热时，取代燃煤锅炉消耗化石燃料产生碳减排量；制冷时，水源热泵比空气源热泵节省电能，产生碳减排量。
水源热泵理论碳减排量(碳额)可根据等量燃煤锅炉以及空调消耗的化石能源碳排量计算，分别为23 408 与13 837 kJ/m3，折算供热/制冷碳额分别为1.91与0.33 kg CO2/m³。
案例分析
污水余温热能碳额与水量以及是否能多次提取有关。以日处理水量为100万 m3/d市政污水处理厂为案例进行计算：
提取温差为4 ℃时，水源热泵提取一次，供热/制冷碳额分别为1 910 t与330 tCO2/d，相当于1 910与330个核证减排量(CERs)。按照9个月供热、3个月制冷计算，全年实际碳额为54.5万tCO2/a。若全年供热时，碳额可高达69.7万tCO2/a。
不同地区试点碳交易价格不尽相同，北京等大城市碳价最高，北京目前为80~100 元/tCO2。以北京为例，污水处理厂出水余温热能一次提取最大可获得碳额(供热工况)市场价值高达≥6 000万元/a。
北京夏季出水温度22~25 ℃，冬季10~16 ℃。水源热泵提取温差为4 ℃时，出水余温热能在夏季可提取2次，而冬季则可提取2~3次；热泵机组COP发生变化，约降2~3%；每年可获得195万个(5 340 tCO2/d×365 d)核证减排量(CERs)，可带来高达1.56~1.95亿元/a碳交易市场价值。
4 余温热能碳交易市场潜力
在碳交易市场机制之下，污水余温热能利用完全可借助以下模式实施：污水处理行业纳入碳交易体系或是通过开发相关碳减排项目获得相应CERs；同时，需要政府部门通过相关政策、法规完善碳交易机制，助力污水余温热能在碳市场推动下开发利用，实现经济、环境双重效益。
《欧洲绿色新政》碳中和目标贯穿欧盟所有政策领域。欧洲国家须提高碳减排力度，扩大减排范围、加快减排进程，这就给欧洲地区碳交易市场交易体量、规模、碳定价等方面带来了新的发展契机。我国以发电行业为突破口率先启动全国碳排放交易体系，分阶段逐步扩大碳交易市场覆盖范围。生态环境部完善《碳排放权交易管理暂行条例》，将充分利用市场机制控制温室气体排放，以推动全国碳市场的建设和发展。
碳交易市场涵盖的碳排放量与日俱增，碳市场体量及价值稳定上升，尤其是在中国碳交易市场建立之后(图4)。污水处理行业今后应该也会纳入碳交易市场。虽然污水处理厂自身存在诸多节能降耗实现碳减排的方法，但通过回收利用污水余温热能则可实现更多碳减排量，可“事半功倍”地使污水处理厂运行实现碳中和并实现碳交易获利。
中国预计碳价在2025年为75元/tCO2，2030年将升至116元/tCO2，最终在2050年达到186元/tCO2。污水余温热能利用碳交易市场价值将会翻倍增加；到2050年，案例水厂(Q=100万m³/d)碳额市场理论价值将超过3.5 亿元/a (图5)。
5 碳交易机制下余温热能利用
污水余温热能集中利用，可避免水源热泵换热器结垢、堵塞、腐蚀等问题，亦可解决冬季线上大规模利用导致对集中式污水生物处理不利现象。集中利用出水热能可形成规模，便于市政供热统一规划利用；原位分散式热交换系统投资多、占地多、影响后续集中生物处理。污泥分散式干化、集中式焚烧（用于发电），可实现低品位热能向高品位热能的“华丽转变”。
6 结论
● 污水中热能含量巨大，有效利用不仅可使污水处理运行实现“碳中和”目标，而且可获得较多潜在碳交易额；
● 一旦污水余温热能被列入“核证减排量(CERs)”清单，碳交易获利空间很大；
● 碳交易价格定会不断攀升，这会促进污水处理余温热能利用。
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