Оценка потенциала углеродного нейтралитета в городах с помощью моделирования окружающей среды

Городские районы занимают всего лишь 2 процента земной поверхности, но несут ответственность за примерно 70 процентов глобальных выбросов углекислого газа, связанных с энергетикой. Эта суровая асимметрия позиционирует города как основные движущие силы изменения климата и наиболее перспективные арены для быстрой декарбонизации. Стремление к городской углеродной нейтральности — равновесие между антропогенными выбросами углерода и удалением углерода в пределах муниципальной границы — поэтому стало определяющей проблемой для устойчивого развития в XXI веке. Достижение этого баланса требует больше, чем политическая воля и финансовые инвестиции; это требует строгого, основанного на данных понимания того, как городские системы взаимодействуют с окружающей средой. Экологическое моделирование обеспечивает это понимание. Экологическое моделирование обеспечивает это понимание. Эти модели позволяют политикам, планировщикам и исследователям оценить, какие пути могут реально обеспечить чистые нулевые выбросы для данного города.

В этой статье рассматривается потенциал городской углеродной нейтральности через призму экологического моделирования. В ней рассматриваются основные источники выбросов городского углерода, рассматриваются методы моделирования, используемые в настоящее время, оценивается, как модели информируют выбор стратегии, и рассматриваются реальные городские усилия, которые использовали моделирование для руководства своими дорожными картами декарбонизации. Также обсуждаются проблемы и новые возможности, с акцентом на то, как текущие достижения в области вычислений, доступности данных и интеграции моделей делают видение углеродно-нейтральных городов все более достижимым.

Понимание выбросов углерода в городах

Достоверная оценка потенциала углеродной нейтральности начинается с точного инвентаризации источников выбросов. Городские выбросы углерода обычно классифицируются в трех областях в соответствии с Глобальным протоколом для кадастров парниковых газов в масштабе сообщества (GPC). Сфера 1 охватывает прямые выбросы из источников в пределах городской границы — электростанции, промышленные объекты и транспортные средства, работающие на ископаемом топливе. Сфера 2 учитывает косвенные выбросы от приобретенной электроэнергии, отопления и охлаждения, которые генерируются за пределами города, но потребляются в нем. Сфера 3 включает все другие косвенные выбросы, такие как встроенные в импортные товары, строительные материалы и обработку отходов. Большинство городов в настоящее время сосредоточены на Сферах 1 и 2 для своих обязательств по углеродной нейтральности, но включение Сферы 3 растет, поскольку мышление жизненного цикла становится более распространенным.

В этих областях крупнейшими секторами выбросов являются транспорт, строительные работы, стационарная энергия (электричество и теплогенерация), промышленные процессы и управление отходами. Точная смесь варьируется в зависимости от города: плотный, богатый транзитом мегаполис, такой как Токио, будет иметь очень другой профиль выбросов, чем растянутый, зависимый от автомобилей город, такой как Хьюстон. Тем не менее, появляются несколько последовательных моделей:

Транспорт: Транспорт: Транспорт: Транспорт: Транспорт: Транспорт: Транспортные средства — особенно частные автомобили и легкие грузовики — составляют большинство выбросов городского транспорта. Общественный транспорт, грузовая логистика и авиация вносят дополнительные доли. Во многих городах, особенно в развивающемся мире, двух- и трехколесные транспортные средства также представляют собой значительный источник выбросов.
Строительства: Отопление, охлаждение, освещение и бытовая техника в жилых и коммерческих зданиях являются вторым по величине источником городских выбросов. Энергоемкость строительных работ в значительной степени зависит от климата, возраста здания, стандартов изоляции и интенсивности углерода в локальной сети.
Промышленность: Производство, строительство и тяжелая промышленность в пределах города могут быть основным источником прямых выбросов в результате сжигания ископаемого топлива и связанных с процессом химических реакций (например, производство цемента).
Отходы: Свалки выбрасывают метан из разлагающихся органических отходов; сжигание и очистка сточных вод производят CO2 и закись азота. Эти вклады часто меньше, но могут быть локально значительными.

Ключевым выводом из исследований моделирования является то, что городские выбросы, как правило, преобладают в потреблении энергии конечным использованием в зданиях и на транспорте, а не в производстве первичной энергии. Это означает, что такие стратегии, как электрификация автопарков и тепловых насосов, в сочетании с декарбонизацией электросети, могут решать большинство выбросов. Экологические модели захватывают эти связи, представляя как стороны спроса, так и предложения энергетической системы в городском контексте.

Роль экологического моделирования

Экологическое моделирование для городской углеродной нейтральности — это не единая техника, а семейство взаимосвязанных подходов. Эти модели имитируют физические и социально-экономические процессы, которые приводят к выбросам, позволяя пользователям исследовать сценарии «что, если». Например, модель может спросить: как 50-процентное увеличение числа пассажиров автобусов в сочетании с ценой на углерод на бензин повлияет на общие выбросы транспорта к 2035 году? Или как реконструкция строительного фонда города до современных стандартов эффективности изменит его структуру спроса на отопление? Ответы приходят из математических представлений о потоках энергии, поведении в поездках, физике зданий, экономической деятельности и изменениях в землепользовании.

Типы моделей

Хотя существует множество классификаций, большинство городских моделей углерода подпадают под одну из следующих категорий:

Модели кадастров выбросов:] Они собирают исторические данные о деятельности (например, продажи топлива, пройденные километры транспортных средств, потребление электроэнергии) и применяют коэффициенты выбросов для получения годовых оценок эквивалента CO2. Кадастровые модели не предсказывают будущее, но они устанавливают базовые условия, определяют ключевые сектора и предоставляют данные калибровки для других моделей. Примеры включают систему Hestia, используемую для Лос-Анджелеса и Индианаполиса, которая производит постройки карт выбросов с использованием мелкомасштабных данных об энергии.
Городские климатические модели:] Они фокусируются на том, как форма и функция города влияют на местную метеорологию и качество воздуха, с вторичными последствиями для выбросов. Например, эффект городского теплового острова увеличивает потребность в энергии охлаждения летом; городская климатическая модель может количественно оценить эту обратную связь. Такие модели, как исследование погоды и прогнозирование (WRF) в сочетании с параметризацией слоя городского навеса используются для моделирования температур, ветра и энергетических потоков над городской местностью.
Интегрированные модели оценки (IAM): Это крупномасштабные структуры, которые связывают энергетические системы, землепользование, экономику и климат. На национальном или глобальном уровне такие IAM, как GCAM и IMAGE, являются общими; в масштабе города такие модели, как CITYIAM (разработанные Глобальным пактом мэров по климату и энергетике) адаптируют подход IAM для муниципального планирования. CITYIAM позволяет городам устанавливать целевые показатели сокращения выбросов, выбирать портфели действий по смягчению последствий и отслеживать прогресс с течением времени.
Модели взаимодействия между землей и транспортом (LUTI): Они имитируют двустороннюю связь между освоением земель и спросом на транспорт. Поскольку модели землепользования определяют как расстояния для проезда, так и потребности в энергии для строительства, модели LUTI ценны для оценки воздействия выбросов компактных разработок, ориентированного на транзит проектирования и изменения зонирования.
Модели на основе агентов (ABMs): Модели на основе агентов моделируют решения отдельных субъектов — домохозяйств, предприятий, арендодателей — и агрегируют их поведение к результатам на системном уровне. Они особенно подходят для изучения того, как политические стимулы (например, субсидии на солнечные батареи, цены на перегрузки) влияют на темпы принятия и возникающие изменения выбросов.Модель MATSim (Мультиагентное моделирование транспорта) широко используется для транспортировки ABM.

Эти модели не применяются изолированно; надежная оценка часто использует цепочку моделей. Например, модель инвентаризации обеспечивает базовые выбросы, модель LUTI прогнозирует будущий спрос на землепользование и транспорт, модель энергетики рассчитывает потребности в энергии зданий, а IAM объединяет все сектора в различных сценариях политики. Результатом является подробный, внутренне согласованный набор прогнозов, которые поддерживают принятие решений.

Как модели оценивают потенциал углеродного нейтралитета

Оценка потенциала города для углеродной нейтральности требует оценки не только возможности сокращения выбросов, но и способности города к удалению углерода через посадку деревьев, улавливание и хранение углерода (CCS), биоэнергию с улавливанием и хранением углерода (BECCS) или прямой улавливание воздуха (DAC). Большинство планов городской нейтральности непропорционально полагаются на сокращение выбросов, а не на удаление, просто потому, что масштаб требуемых абсорбций огромен, и современные технологии являются дорогостоящими. Модели помогают определить наименее затратную смесь сокращения и удаления.

Процесс оценки обычно включает:

Базовый сценарий: Прогнозирование бизнеса как обычно при условии продолжения существующей политики и тенденций. Это устанавливает траекторию выбросов, которая должна быть сведена к нулю.
Сценарий смягчения последствий: Амбициозный путь, включающий ряд действий: глубокое обновление зданий, полная электрификация отопления и транспорта, расширение возобновляемых источников энергии в пределах и за пределами городских границ, модальные сдвиги в сторону общественного и активного транзита, повышение эффективности промышленности и отвод отходов с свалок.
Сценарий удаления: Если остаточные выбросы остаются (например, от авиации, промышленных процессов, которые трудно электрифицировать), модель количественно определяет количество CO2, которое должно быть удалено с помощью природных решений (городские леса, водно-болотные угодья) или инженерного удаления углерода.
Анализ неопределенности и чувствительности:] Поскольку любая модель содержит неопределенные параметры — будущий экономический рост, технологические издержки, темпы изменения поведения — оценка должна включать вероятностные диапазоны.

Ключевые показатели, которые предоставляют модели, включают: пиковый год выбросов , скорость сокращения выбросов (% в год) , затраты на тонну CO2, сниженную , ] пути трансформации энергетической системы и региональные последствия для справедливости (например, несут ли районы с низким уровнем дохода непропорциональные затраты или получают непропорциональные выгоды от декарбонизации).

Тематические исследования: моделирование в действии

Несколько городов продемонстрировали, что экологическое моделирование может преобразовать амбициозные обязательства в отношении углеродной нейтральности в практические планы. В следующих примерах освещаются различные подходы к моделированию и то, как они формируют местную политику.

Копенгаген, Дания

Копенгаген установил одну из самых агрессивных целей среди крупных городов: углеродная нейтральность к 2025 году. Чтобы наметить надежный курс, город использовал модель EnergyPLAN — передовой инструмент анализа энергетической системы, который имитирует динамику почасового спроса и предложения на электроэнергию, централизованное отопление, охлаждение и транспорт. Модель помогла городу разработать стратегию, которая включает в себя массовое расширение ветровой энергии (как на суше, так и на море), преобразование угольных электростанций в энергию, интеграцию крупномасштабных тепловых насосов и переход на электромобили и велосипеды. Согласно климатическому плану города на 2020 год, эти меры, по прогнозам, позволят сократить выбросы на 82 процента к 2025 году по сравнению с уровнями 2010 года, при этом оставшиеся 18 процентов будут компенсированы за счет углеродных кредитов и технологий отрицательных выбросов. Моделирование также выявило критическую зависимость: достижение цели 2025 года требует, чтобы скандинавская электрическая сеть достигла низкоуглеродного профиля, иначе косвенные выбросы от

Более подробную информацию о моделирующей структуре Копенгагена см. в официальном плане города по климату 2025 года.

Стокгольм, Швеция

Стокгольм стремится к 2040 году стать свободным от ископаемого топлива. Подход к моделированию города опирается на инструмент STREAM (Spot-Triggered Resource Energy Analysis Model) [[Spot-Triggered Resource Energy Analysis Model]], который был разработан Шведским институтом экологических исследований. STREAM имитирует полную энергетическую цепочку от добычи ресурсов до конечного использования, включая отходы к энергии, биогаз из сточных вод и охлаждение района. Результаты моделирования показали, что наибольший потенциал сокращения выбросов заключается в модернизации многоквартирных зданий, построенных в 1960-х-1970-х годах, которые являются наиболее энергоемкими. Объединив глубокие строительные модернизации с переходом на централизованное отопление из биоэнергии и отходов, Стокгольм может сократить выбросы, связанные с строительством, более чем на 70 процентов. Модель также подчеркнула необходимость скоординированного планирования между городом и региональным поставщиком коммунальных услуг, Стокгольмом Exergi, чтобы избежать блокировки в ископаемую инфраструктуру. Особенно интересным выводом было то, что налог на выбросы углерода в размере 120

Подробнее о климатической работе Стокгольма читайте на странице климата Стокгольма .

Ванкувер, Канада

«Стратегия возобновляемых городов» Ванкувера нацелена на 100-процентную возобновляемую энергию для всех секторов к 2050 году. Город использовал модель энергии и выбросов сообщества (CEEM) , разработанную Институтом Пембины, для анализа путей. CEEM - это модель запаса снизу вверх, которая учитывает строительство тепла, использование электроэнергии и потребление топлива на душу населения. Одной из ключевых идей моделирования CEEM было то, что одной электрификации будет недостаточно, если провинциальная сеть (BC Hydro) останется зависимой от большой гидроэнергетики - которая уже является низкоуглеродистой - но будет обременять сеть пиковыми нагрузками в зимний период. Модель рекомендовала комбинацию глубокого энергетического ремонта (> 50-процентное сокращение спроса на тепло) плюс районная энергетическая система, использующая восстановление тепла сточных вод для сглаживания зимнего пика. Город также обнаружил, что, несмотря на умеренный климат Ванкувера, около 40 процентов выбросов приходилось на природный газ, используемый для отопления помещений, что сделало электрификацию зданий приоритетной задачей. Моделирование привело к политике, такой

Прогресс Ванкувера отслеживается с помощью панели управления стратегиями возобновляемого города .

Проблемы и возможности

Хотя тематические исследования демонстрируют силу экологического моделирования, сохраняются значительные проблемы. Разрешение данных и точность остаются наиболее распространенным узким местом. Модели выбросов в городах требуют данных высокого разрешения об использовании энергии, транспортных потоках, характеристиках зданий и экономической активности - данных, которых многим городам не хватает или которые хранятся в не взаимодействующих форматах. Даже в богатых данными городах неопределенность в факторах активности (например, пройденные километры транспортных средств) может привести к оценкам выбросов, которые варьируются на 10-20 процентов по моделям.

Сложность модели — это еще одна проблема. Интегрированные модели, которые сочетают в себе энергию, землепользование, транспорт и климат, содержат десятки взаимодействующих подмоделей, каждая со своими требованиями к калибровке. Такая сложность может заслонять предположения, которые приводят к результатам, снижая прозрачность для политиков. Более простые модели легче общаться, но могут пропустить критические петли обратной связи — например, как поведение жильцов здания меняется в ответ на повышение энергоэффективности (эффект отскока).

Неопределенность политики также бросает вызов моделированию. Цели нейтралитета на уровне городов зависят от стимулирующих действий на национальном и международном уровнях — декарбонизации сетей, ценообразования на углерод, технологических стандартов — которые находятся вне муниципального контроля. Модели, предполагающие благоприятные внешние условия, могут преувеличивать реальный потенциал города. И наоборот, модели, которые игнорируют возможность разрушительных инноваций (например, дешевый зеленый водород), могут недооценивать потенциал.

Тем не менее, возможности быстро расширяются. Распространение больших данных и машинного обучения улучшает калибровку моделей. Например, спутниковые снимки (например, из миссии EMIT НАСА) теперь могут оценивать альбедо поверхности здания и интенсивность городского теплового острова в масштабе блока, питаясь непосредственно в модели городского климата. Интернет вещей (IoT) предоставляет данные о потреблении энергии в реальном времени из интеллектуальных счетчиков и систем управления зданиями, позволяя обновлять динамические модели. Кроме того, инициативы моделирования на уровне сообщества — такие как Глобальная сеть моделирования городов Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP) — создают модели с открытым исходным кодом, которые могут быть адаптированы к любому городу, резко снижая начальные затраты на моделирование в городах с низким и средним уровнем дохода.

«Дорожная карта города по углеродной нейтральности должна основываться на фактических данных, а не на аспирации. Экологическое моделирование обеспечивает эту доказательную базу, но она должна постоянно совершенствоваться по мере появления новых данных и технологий».
— Адаптировано из Шестого оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), глава 17: Смягчение уровня города

Достижения в ex-ante анализе политики также укрепляют полезность моделирования. Вместо того, чтобы просто прогнозировать результаты в фиксированных сценариях, новые модели включают поведенческую микросимуляцию , которая предсказывает, как отдельные лица и фирмы реагируют на изменения политики, что позволяет более реалистично оценивать темпы принятия для электромобилей, солнечных панелей и энергетических модернизаций. Результатом является более надежная оценка истинного потенциала города для углеродной нейтральности.

Для всестороннего обзора области в главе 17 МГЭИК по смягчению последствий изменения климата в городах содержится подробный синтез типов моделей, приложений и пробелов в исследованиях.

Заключение

Экологическое моделирование перешло от нишевого академического упражнения к незаменимому инструменту планирования для городов, стремящихся к углеродной нейтральности. Систематически моделируя городские системы и тестируя стратегии смягчения последствий, модели показывают не только то, что возможно, но и то, что требуется с точки зрения инвестиций, инфраструктуры и координации политики. Пример Копенгагена показывает, что даже самые амбициозные цели могут быть информированы посредством детального моделирования энергетических систем; Стокгольм и Ванкувер иллюстрируют, как модели помогают расставлять приоритеты действий и предвидеть ограничения сети. Тем не менее моделирование не является хрустальным шаром. Это инструмент для снижения неопределенности, а не ее устранения. Города должны сочетать идеи моделирования с адаптивными структурами управления, прозрачным обменом данными и инклюзивным взаимодействием заинтересованных сторон для перехода к нулевым выбросам.

Потенциал городской углеродной нейтральности реален, но он не является автоматическим. Он зависит от строгой количественной оценки выбросов, честного учета остаточных выбросов и дисциплинированного применения моделей, которые фиксируют взаимосвязанность энергии, транспорта, зданий и землепользования. По мере расширения вычислительных ресурсов и увеличения объема данных точность и актуальность этих моделей будут только улучшаться. Для политиков, планировщиков и граждан послание ясно: путь к чистому городу начинается с надежной модели настоящего, честного исследования будущего и обязательства действовать на основе того, что показывают доказательства.