2022年3月28日20:00—22:00，由哈尔滨工业大学环境学院组织、多家单位联合协办的全球环境高峰论坛（GloBal Environmental Science SummiT, BEST）如期举行第二期讲座。应哈尔滨工业大学邀请，佐治亚理工学院的John C. Crittenden教授作了题为《应用分散式能源系统减少空气污染、水污染以及温室气体排放》的学术报告，来自环境领域的专家、学者、研究生及工程技术人员等近万人通过ZOOM网络研讨会、环境人公众号以及BEST论坛官方B站直播参加了此次会议。
报告正式开始前，BEST论坛主席、哈尔滨工业大学环境学院院长冯玉杰教授作了开场致辞，表达了主办方对主讲嘉宾的诚挚感谢及对参与嘉宾的热诚欢迎。本次讲座由哈尔滨工业大学外事事物助理孙凯教授主持，共同参与主持的主持团队包括哈尔滨工业大学贺诗欣教授，北京大学刘文教授，上海交通大学罗金明副教授，哈尔滨工业大学博士后刘国宏及梁丹丹博士，主持团成员中刘文教授和罗金明副教授均有长期在佐治亚理工学院的留学经历，John C. Crittenden教授是刘国宏、梁丹丹的博士生导师。
【精彩报告回顾】
John C. Crittenden教授以《应用分散式能源系统减少空气污染、水污染以及温室气体排放》为题阐述了分散式能源系统应用前景及其对全球气候影响的内在逻辑关系。报告从城市能源系统、分散式能源系统、冷热电联产与可再生能源及燃料电池的结合、集中式与分散式天然气系统的比较、亚特兰大实际案例分析以及空气污染的社会成本六个方面展开讲述。
城市能源系统
John C. Crittenden教授首先介绍了城市能源现状、碳预算以及电能、水能以及水处理行业所需能耗等关键问题。Crittenden教授指出城市系统消耗了2/3的能源，并且产生了全球75%的碳排；到2050年城市人口将从42亿增加至74亿，对于能源的需求也将翻倍，并指出了人类应对气候变化、缓解全球变暖的迫切性。
分散式能源系统
为应对气候变化，许多国家制定目标，期望增加可再生能源的利用并减少电能生产中温室气体的排放。随着电力系统向低碳化的转型，未来将逐步实现高比例可再生能源供电的目标，而随着可再生能源发电技术的成熟及安装成本的不断降低，小规模的分散式发电也将发挥重要作用。John C. Crittenden教授指出，分散式发电可大量减少环保压力，满足一些特殊场合的需求，为能源的综合梯级利用提供了可能，为可再生能源的利用开辟了新的方向，并在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染等方面做出突出贡献。绿色环保分散电源包括：光伏发电、风力发电、生物质能、潮汐能、水力和地热等可再生能源，也包括微型燃气轮机发电、燃料电池发电等新能源发电技术。
John C. Crittenden教授强调，燃料电池作为分散式发电系统的一种，发电效率可达40%以上，此外，基础设施技术基因组中含有很多潜在的技术，应从建筑、土地利用、气候、规章制度、资金体系、系统管理、电网运营等多种因素对其进行综合性能评价。在基础设施建设过程中，一项设施不再只是具备单一功能，而是各部分联通协作的过程。John C. Crittenden教授列举了一些具体技术，例如：传统供能系统、新能源系统、废热发电、冷热电联产、热能储存、及电能储存技术等。其中，冷热电联产的最大特点是可实现对不同品质的能量的梯级利用；温度较高的高品位热能用来发电，而温度较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。这样既能提高能源的利用率，又能减少碳排及其他有害气体的排放，体现出良好的经济效益和社会效益。
冷热电联产与可再生能源及燃料电池的结合
Crittenden教授展示了一种典型的分散式的新能源供给方案，集成了冷热电联产、光伏发电和电池能量储存系统。该案例来源于美国亚特兰大的一幢办公大楼，该大楼的供能方案设计先进，基于多技术耦合集成优化设计理念，既配有传统的电网供电系统，也有新建冷热电三联系统，甚至是配套的光伏发电系统与电池储能系统。故而，该建筑的电力供给包括电网供电、光伏发电供电、电池供电、微型涡轮机供电多条路径，热量供给来源为微型涡轮机供暖，冷气供给来源为吸收式制冷机。通过对比该办公楼增建冷热电三联系统与新能源系统前后对传统电网供电的依赖程度，研究人员拟使用参量全生命周期评估法（Parametric LCA）对该系统的能源经济效益和环境价值进行全面评估。
评估和研究结果显示，在传统电网供电前提下，该办公楼在夏季午后时段出现耗电量的顶峰，电网供电功率远超200 kW。而采用分散式供能方案后，该办公楼从4月底至9月初，基本不需要从传统电网供电，冷热电三联耦合新能源系统可独立满足办公楼对电力、供暖、冷气的所有需求。此外，即便是冬季需从传统电网供电的情况下，供电功率峰值仅为100 kW。之后，Crittenden教授表示，经过系统计算，研究证明冷热电三联供电耦合新能源（光伏/电池）系统的环境意义显著，经济价值突出，分散式的能源供给符合未来可持续发展理念。
Crittenden教授指出分散式发电需要在环境可持续性和经济性两方面做出权衡，并以美国不同城市的大、中、小型规模办公室为例，研究了分别配置传统能源供给系统和冷热电联产技术结合可再生能源和储能系统（CCHP-RE-ESS）时，所产生的环境影响和全生命周期成本。研究发现，相比于传统能源供给系统，三种类型的办公室配置CCHP-RE-ESS时所造成的环境影响都要更低，但在全生命周期成本方面，只有中等规模的办公室中配置CCHP-RE-ESS才能使全生命周期成本低于传统能源供给系统。具体来说，在亚特兰大的中等规模办公室，传统的能源供给方案会产生32 kg/ft2 的CO2排放，并消耗2.59 gal/ft2的水，而采用CCHP-RE-ESS则仅产生19 kg/ft2 的CO2排放（减少40%），消耗0.16 gal/ft2的水（减少94%），但同时成本则会从$2.58/ft2提高到$8.24/ft2（提高320%）。因此，John教授指出进一步优化CCHP-RE-ESS中可再生能源和储能组合的筛选是必不可少的，如在迈阿密的中等规模办公室中配置燃料电池太阳能电池板结合锂离子电池是最优的供给方案。
集中式与分散式天然气系统的比较
Crittenden教授团队评估了美国16个代表性的城市中16种建筑类型中256个示例的能源系统，其中包含每栋楼8760个小时，21个CHP系统，2个制冷系统以及3 种场景下共101百万个数据采集点。通过其研发的能量平衡模型量化了温室气体（GHG）排放量、常规空气污染物排放（CAP）和天然气（NG）消耗量。结果表明，在大多数情况下，与集中式NGCC系统相比，分散式热电联产系统增加了温室气体排放，减少了CAP排放，以及减少了天然气消耗。而只有燃料电池CHP能够同时减少GHG、CAP和NG消耗，并提高整个系统的效率。
基于此研究结果，Crittenden教授还预测了2030年的温室气体排放及能耗情况，到2030年（包括人口增长），在所有新建和现有住宅和商业建筑中实施冷热电联产可减少约0.016 Gt的二氧化碳排放量，约24 kt的氮氧化物排放量，并减少亚特兰大大都会地区每年水换能源315 MGD的消费量。
亚特兰大实际案例分析
John C. Crittenden教授以亚特兰大为实例，介绍冷热电联产系统和雨水收集对该地需水量、二氧化碳和氮氧化物排放的影响。在该案例中，将微型涡轮机与冷热电联产系统（CCHP）进行结合，作为分散式能源技术，并进行屋顶雨水的收集以及低流量的分散式水处理。与MCG相比，分散式技术在二氧化碳、氮氧化物减排以及集水耗能等方面更具优势。分散式的能源系统可减少8%的二氧化碳排放，以及63%的氮氧化物排放。相比于MCG，分散式技术能够使水耗减少49%和50%。在现有建筑物以及新建筑物中安装CCHP系统能够实现二氧化碳减排50%，氮氧化物减排90%以及水耗减少75%的结果。
空气污染的社会成本
John C. Crittenden教授使用空气污染排放实验结合制定的 DES 和 CCEP排放税政策模型对空气污染物排放的社会成本进行量化。 展示了NH3、NOX、VOC、PM2.5以及SO2排放可造成的社会成本。结果表明，集中式常规能源生产的社会成本明显高于分散式能源系统。假设与能源相关的排放所产生的社会成本也被考虑作为能源生产的排放税征收，与CCEP 相比，分散式能源系统的建筑能源供应方案将变得具有成本竞争力。
结束语
John C. Crittenden教授对本次讲座内容进行总结，提出以下几个要点：（1）在能源系统改造方面，气候变化起着十分重要的作用；（2）空气污染对人类健康及气候变化都产生十分重大的影响；（3）社会成本以及能源效能政策也应纳入成本竞争力考虑的范畴；（4）燃料电池相比于CCNG系统有更优异的可持续性，缺点为价格较高；（5）燃料电池技术是温室气体排放量最少的技术，可考虑将其与可再生能源如甲烷或氢气等进行兼容、重整；（6）热电联产相比于电网组合，体现出更优异的可持续性，但其价格高于电网。John Crittenden教授指出本次讲座中所提到的并非最终解决能源问题的答案，而是提出一些可能的解决途径。
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