工程师马文·卡特（Marvin Carter）（左）和研究员玛丽莲·布朗（Marilyn Brown）（右）在佐治亚理工学院设备前。图片来源：罗伯特·费尔特（Robert Felt），佐治亚理工学院
佐治亚理工公共政策学院的最新研究表明，如果佐治亚州越来越多的能源密集型产业和商业建筑采用热电联产（combined heat and power，CHP），该州温室气体排放量将会大幅减少，同时能够创造新的就业机会，使公众的健康水平得以提升。
近期，这篇论文在《应用能源》(Applied Energy) 杂志上发表（已有数字版）。该研究发现，热电联产(CHP) ，或称为废热发电（cogeneration），不仅可以创造环保就业机会（green jobs），还能显著减少佐治亚州的碳排放量。根据美国能源信息署（U.S. Energy Information Administration）的数据，佐治亚州总净发电量在所有50个州中排名第8，二氧化碳总排放量排名第11。
佐治亚理工公共政策学院可持续系统的理事长布鲁克·拜尔斯教授、首席研究员玛丽莲•布朗教授说：“热电联产这个机会潜力巨大，可以为各行业节省资金，使其更具竞争力，同时减少空气污染，有助于创造就业机会、改善公众健康。”
助力环境、经济和公众健康
研究发现，如果乔治亚州在9374个适合热电联产的地点增加热电联产系统，可以减少该州13%的碳排放。若将CHP推广到乔治亚州的34个工厂——以每个工厂的发电能力为25兆瓦计算——可以减少2%的温室气体排放。该研究的作者使用了自主研发的建模工具，发现这一“可实现的”CHP方案可以为该州创造2000个就业机会;而若CHP系统全面部署，则可创造1.3万个新就业岗位。
根据布朗教授的说法，与传统热电系统45%-60%的效率相比，热电联产系统的效率能够达到85%-90%。热电联产比太阳能和风能等可再生能源更有优势，而后者只能提供间歇性的电力。
热电联产技术可一同发电，产生的电力用于加热和冷却，从而提高系统效率、清洁空气、降低能源价格。乔治亚州的工业领域中，涵盖了化工、纺织、纸浆和造纸以及食品生产都将从CHP受益。大型商业建筑、校园和军事基地也可以受益于CHP。通过同时利用单一电源的电和热，能源系统将更加可靠灵活高效。
布朗教授解释说，在满足相同需求的前提下，热电联产系统可以以减少总能耗、提高效率，同时降低地区公用事业电网的需求峰值。此外，如果一个社区的电网停电或中断，在当地拥有自己发电设施的公司能够继续供电。
单个CHP成本和收益核算
该研究利用乔治亚州每个工业站点的数据库，确定了已用于或可用于热电联产系统设施，后又确定了还未引进CHP系统的工厂所适用的CHP系统类型。为了帮助评估热电联产系统是否是合理的财务投资，他们开发了一个模型来评估每个热电联产系统的效益和成本，包括设备安装、操作和维护、燃料和融资成本。布朗教授解释说，计算结果是每个系统的估算“净现值”，即反映未来成本和收益的现值。
这项研究的首席研究员，玛丽莲·布朗，在佐治亚理工学院校园中心的地区供热和冷却工厂工作。虽然佐治亚理工学院还没有运行CHP系统，但目前它正在研究减少校园碳排放的选择方案。
图片来源：罗伯特·费尔特，佐治亚理工学院
该论文还通过数据分析，预测了CHP对乔治亚州的经济和健康效益。布朗教授提到，根据热电联产系统广泛采用的程度，换用热电联产的工厂可使该州的清洁能源劳动力增加2000到13000人。根据2020年第11次全国太阳能就业人口普查的数据，目前，该州电动汽车制造业的工作岗位大约有2600个，而太阳能行业的岗位不足5000个。
布朗教授强调，除了促进就业，CHP还可显著改善该州弱势群体的健康状况。她指出:“企业利用废热发电，便能够代替更多的污染发电。”
该研究估计，如果CHP“得以实现”，那么到2030年，人们因健康消费和生态破坏导致的花费将减少近1.5亿美元，如果研究中所有在乔治亚州确定的工厂都采用CHP，产生的健康和生态效益将达10亿美元左右。“改善公共卫生意义巨大——会挽救许多生命，同时避免儿童哮喘和心脏问题，”布朗教授说。
此次佐治亚理工学院的研究由“缩减佐治亚”(Drawdown Georgia)赞助。缩减佐治亚是一项覆盖全州范围的提案，旨在提出能够在近十年内有利于佐治亚扩大市场规模、产生深远影响的气候解决方案。该组织已经制定了20个解决方案的规划，包括电力解决方案，如CHP。
根据布朗教授和其他研究人员今年早些时候发表在《环境管理》(Environmental Management)杂志上的研究结果，考虑到发电占佐治亚州能源类二氧化碳排放量近37%，CHP可能会产生巨大的影响。
确定理想的CHP位置
佐治亚理工学院的研究人员在佐治亚确定了许多可以应用热电联产的工业场所。理想的地点包括已建立的大学或军事基地，以及造纸、化工和食品加工设施等大型工业场所。乔治亚州的主要产业是农业，化学制品生产和木制品生产都是该州的重要制造业务。
瓦伦蒂娜·圣米格尔（Valentina Sanmiguel) 是文章的共同作者，目前是公共政策学院可持续能源和环境管理领域的2020级硕士研究生。她表示：“乔治亚州拥有利用现有工业和商业设施建设热电联产电厂的潜力，我对这一点很感兴趣。我希望乔治亚州的工业界和政策制定者都能够意识到热电联产对环境、经济和对整个社会的好处，并采取行动，在该州更大规模地推广热电联产方案。”
英国再生能源公司ReEnergy的奥尔巴尼绿色能源生物质工厂（见上图）是乔治亚州热电联产系统实行的一个引人注目的案例。该工厂位于佐治亚州宝洁奥尔巴尼造纸工厂，供应生产Bounty纸巾和Charmin卫生纸所需的100%的蒸汽能源。它还为乔治亚电力公司发电，还为附近的海军陆战队后勤基地的8.5兆瓦蒸汽发电机供电。奥尔巴尼-多尔蒂经济发展委员会总裁亚纳·戴克（Jana Dyke）表示，该工厂“证明了奥尔巴尼可被视为创新和绿色倡议的理想场所”。
图片来源：奥尔巴尼绿色能源公司Albany Green Energy
技术应用障碍剖析
尽管CHP很有优势，但实际推行它仍存在障碍——首先，建立这些设施需要大量资本，少则需要数千万美元，只能建一个校园CHP工厂，多则高达数亿美元花费不等，用于建设工业场所的大型工厂。布朗教授解释说，这些设施一旦建成，就需要依靠自己的工作人员进行操作。
布朗教授说:“热电制冷系统的价格竞争力主要取决于两个因素——系统归客户所有还是由公用事业公司所有，以及其运行费率类型。”在这项研究中，佐治亚理工学院采用了三种方法来改善热电联产的商业应用案例:制定清洁能源组合标准、监管改革以及税收抵免等财政激励。
艾萨克·帕赛雷拉（Isaac Panzarella）是美国能源部东南热电联产技术援助伙伴关系主任，同时也是北卡罗来纳州清洁能源技术中心技术服务助理主任。帕萨雷拉指出，这些方法在北卡罗来纳州应用效果良好，其所在的北卡罗来纳州立大学最近也在校园里安装了第二个CHP设施。
他还说，北卡罗来纳州有支持使用可再生能源的政策。除了太阳能和风能，北卡罗来纳州还已将养猪和饲养家禽的废弃物转化为可再生能源。他说：“这些都花费了很长时间，但最终，越来越多的沼气池或生物质燃料设施投入运行，利用CHP从这些废弃物中发电产热。”
虽然佐治亚理工学院还没有运行CHP系统，但目前，校园可持续发展委员会正对这个能减少能源排放的方案展开探讨。“佐治亚理工学院在气候解决方案方面有着深厚的专业知识储备，在此基础上，学院准备利用布朗博士的重要研究，预计在2022年，推进全校碳中和计划和校园总体规划，”校园可持续发展办公室副主任安妮·罗杰斯(Anne Rogers)说，“校园总体规划和碳中和计划将为实施可持续的基础设施方案提供方向，推进佐治亚理工学院的战略目标。”
布朗教授强调，乔治亚州的公用事业公司应该会支持热电联产项目，以帮助该州减少碳排放。还有一个阻碍是东南部的电价相对较低，应用CHP系统获得合理回报的可能性较少。布朗教授指出，考虑到世界其他地区对可再生能源和回收能源的应用速度比美国快，乔治亚州工业界需要关注CHP，保持全球竞争力。
他说:“对于那些十分了解CHP的行业和那些根基稳固的老牌企业而言，CHP可视为一项伟大的投资，一个保持社区就业的巧妙方法，同时还对环境有好处。目前存在的障碍不在于技术;而在于政策和商业模式。”
翻译：赵颢博
审校：赵欢
引进来源：佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）
本文来自：中国数字科技馆
本文是中国数字科技馆(www.cdstm.cn)原创内容，转载请注明出处和作者，否则我们将依法追究侵权责任。
[责任编辑：环球科学]
京公网安备11010502039775号
