基礎設施之減碳作為與挑戰 - 林彥宇 助理教授

基礎設施之減碳作為與挑戰 - 林彥宇 助理教授

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1. 基礎設施之減碳作為與挑戰 高雄科技大學營建工程系 林彥宇 助理教授 2021.11.09
2. 大綱 • “碳”之概念 • 基礎設施之碳管理發展進程 • 基礎設施碳排放之量化 • 減碳作為與挑戰 • 結語 2 01 02 03 04 05
3. 何謂碳? https://www.freepik.com/vectors/background'>Background vector created by Harryarts - www.freepik.com</a>
4. “碳”之概念 • 全球暖化的推手 • 與能源消耗高度相關 • 溫室效應 vs. 溫室氣體 • 溫室氣體 vs. 組織型碳排放 vs. 碳足跡 4
5. 京都議定書 管制 CO2 CH4 N2 O SF6 PFCs HFCs 溫室效應與溫室氣體 • 溫室效應 • 大氣層中特定氣體可吸收及 釋出地表、大氣、雲層所釋放 的紅外線輻射，造成地球暖化 • 溫室氣體 • 京都議定書 • 蒙特婁議定書 • 水及O3 5 六氟化硫 氧化亞氮 全氟碳化物 氫氟碳化物 二氧化碳 甲烷 Source：https://multimedia.scmp.com/infographics/news/world/article/3154110/global-warming/img/ghg-d.png
6. 溫室氣體 or.排碳？ • 全球暖化潛勢(GWP) • 不同溫室氣體所造成的暖化效應不同 • 設定CO2 GWP =1 • 該溫室氣體相對於二氧化碳而言之暖化強度 • GWP越高表示該氣體對全球暖化所造成的影響越大 • 溫室氣體總排放量 • 通用單位：二氧化碳當量(CO2 e) • 碳排放量 6
7. 六大溫室氣體GWP值(100 year time period) 7 資料來源：IPCC第二次1、第四次2、第五次3及第六次4*評估報告 (Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change) *待最後確認 溫室 氣體 GWP (1995) 1 GWP (2007)2 GWP (2014)3 GWP (2021)4* CO2 1 1 1 1 CH4 fossil origin 21 25 28 29.8 CH4 non fossil origin 27.2 N2 O 310 298 265 273 PFCs 4,668~10,350 7,390~12,200 6,630~11,100 0.004~12,400 HFCs 140~13,078 124~14,800 4~12,400 4~14,600 SF6 23,900 22,800 23,500 25200
8. 溫室氣體量化範圍 8 Source: Greenhouse Gas Protocol (GHGP), the World Business Council 組織直接排放 上下游間接排放 能源間接排放 8
9. 基礎設施之碳管理進程 https://www.freepik.com/vectors/background'>Background vector created by Harryarts - www.freepik.com</a>
10. 國際溫室氣體管制進程 10 (UNFCCC) 聯 合 國 氣 候 變 化 綱 要 公 約 COP1 COP3 COP11 COP20 COP25 1995 2014 2005 氣 候 公 約 生 效 (1994/03/21) 現 有 196 個 締 約 國 通 過 京 都 議 定 書 京 都 議 定 書 生 效 (2005/02/16) 現 有 192 個 締 約 國 祕 魯 - 利 馬 氣 候 行 動 呼 籲 決 議 各 國 提 交 國 家 自 訂 貢 獻 (INDC) 1992 COP3 1997 通 過 巴 黎 協 定 COP 21 2021 通 過 哥 本 哈 根 協 議 COP 15 簽署巴黎 協議， 2020年生 效。  188國提 交INDC， 占全球排 碳量 98.7% 修改自國道新建工程局「工程碳管理教育訓練」，中興工程顧問公司 格 拉 斯 哥 - 檢 視 巴 黎 協 定 2009 2015 COP 26 2019 智 利 - 馬 德 里 行 動 時 刻 宣 言
11. 基礎設施相關碳管理制度 • 英國重大工程碳管理計畫(2009) • 美國溫室氣體減量策略(2010) • 亞洲開發銀行道路工程碳足跡計算指引(2010) • 法國開發署開發計畫碳足跡工具(2011) • 歐洲營造業碳管理議定書(2012) • 美國聯邦公路局基礎建設排碳量評估工具（2014） 11 Source: Construction CO2 e Measurement Protocol 原料製造 施工(新建) 營運 施工(整建)
12. 基礎設施碳管理標準 - PAS 2080:2016 12 Source：PAS 2080(2016)；中興工程顧問公司
13. 都市/地方政府層級 • C20  C40 • Urban 20 • the Global Covenant of Mayors for Climate & Energy (GCoM) • Local Governments for Sustainability, United Cities and Local Governments (ICLEI) • United Cities and Local Governments (UCLG) • Cities Race to Zero 13
14. 我國溫室氣體管制進程 14 修改自國道新建工程局「工程碳管理教育訓練」，中興工程顧問公司 1998 2001 2002 2005 2006 2007 2008 2009 2010 第一次 全國能源 會議 研擬溫室 氣體防制 法草案 環保署編訂 國家通訊 第二次 全國能 源會議 標檢局公告 CNS 14064標準 經濟部成立 產業溫室氣體 減量辦公室 提出溫室氣體 減量法草案 召開國家永續 發展會議 召開台灣 經濟永續 發展會議 啟動國家 溫室氣體 登錄平台 核定「永 續能源政 策綱領」 環保署溫減 管理室成立 溫室氣體 減量法草案 一讀通過 第三次 全國能源 會議 公告再生 能源發展 條例 行政院成 立節能減 碳推動會 環保署公告 溫室氣體盤查與登 錄指引 溫室氣體查證指引 產品與服務碳足跡 計算指引 先期與抵換專案推 動原則 2011 2012 2013 2014 2015 2017 2018 2021 公告鋼鐵、水泥、 電力、半導體、 薄膜電晶顯示器 業之溫室氣體排 放強度 公告碳中和實施 與宣告指引、產 品與服務碳足跡 查證技術指引 環保署將六種 溫室氣體列為 空氣污染物 溫室氣體排放 量申報管理辦 法生效：列管 發電、鋼鐵、 石油煉製、水 泥、半導體、 薄膜電晶顯示 器業 公告ISO 14064 標準 14065 標準 公告 ISO/TS 14067 產品碳足跡量化與溝 通標準原則、要求與 指引 國際碳評估 規範標準 PAS 2050:2008 產品生命週期溫室 氣體評估規範 PAS 2050:2011 產品生命週期溫室 氣體評估規範 修訂碳足跡 產品類別規 則訂定、引 用及指引 2015.06.15 「溫室氣體 減量及管理 法」立法院 三讀通過 2050年溫室氣體排放量降 為2005年的50%以下 溫室氣體減 緩及氣候變 遷調適政策 總方針 第一期溫室 氣體階段管 制目標 六大部門行 動方案 再生能源發 展條例修訂 • “氣候變遷因 應法”： 2050淨零排 放目標入法 • 預計徵收碳費
15. 我國溫管法長期減量目標 15 Source: 因應氣候變遷之低碳綠能執行策略報告，行政院環境保護署
16. 我國基礎設施(工程)碳管理推展 16 97年 98年 99年 101年 102年 永續能源政策綱領 永續公共工程 節能減碳政策白皮書 振興經濟擴大公共建設投資計畫落實 節能減碳執行方案 環保署 開發行為溫室氣體 排放增量評估及 抵換規劃計算指引 國家節能減碳總計畫 十大標竿方案 ( 八) 推動節能 減碳公共工程 公共工程委員會 公共工程綠色減碳指標 公共工程委員會 公共工程排碳量估算試辦作業 103年 各部會提出試辦案例類型 1.道路工程 2.防洪工程 3.水資源工程 4.下水道工程 5.建築工程 6.水土保持工程 各部會 節能減碳規劃設計參考原則 交通部 節能減碳規劃設計參考原則 「一般道路」「高快速公路網」 「捷運系統」「桃園航空城」「自行車路網」 104年 工程會 簡易碳排放估算工具 公路 基礎設施-道路、橋梁、 總局 隧道 CFP -PCR 環保署 溫室氣體減量及管理法 (104.07.01) 109年 105 年 ~ 環保署 電業法修正(106.01.26) 國土計畫法 (105.05.01) 碳足跡計算服務平台(105) 公路總局 碳盤查 台６１八棟寮－九塊厝 台９蘇花改 台９南迴 淡江大橋 高公局 碳盤查 國四豐潭段 頭城交流道 Source：中興工程顧問公司
17. 行政院公共工程委員會-碳排放估算試辦工程 項次 工程類別 工程名稱 執行單位 部會 1 道路 台9線蘇花公路新建工程 公路總局 交通部 2 道路 國道5號頭城增設上下匝道改善工程 高公局 3 道路 國道4號臺中環線豐原潭子段計畫 國工局 4 水資源 石門水庫上游羅浮橋下淤積物挖裝及附屬設施 北區水資源局 經濟部 5 水資源 湖山水庫工程-湖山水庫下游梅林溪護岸修復工程 中區水資源局 6 水資源 湖山水庫工程-湖南壩左岸遷建道路水土保持工程 中區水資源局 7 防洪 新北市三芝區後厝海岸環境營造工程 第十河川局 8 防洪 新北市淡水區油車口海岸環境營造工程 第十河川局 9 防洪 鶯歌溪余厝橋上游右岸環境營造工程 第十河川局 10 道路 新竹市茄苳接西濱連絡道路新闢工程 營建署 內政部 11 下水道 新北市樹林地區污水下水道第一期工程第七標 新北市政府水利局 12 下水道 苗栗地區污水下水道系統南苗主次幹管工程(一) 營建署下水道中分處 13 下水道 臺南市永康區污水下水道系統(PB分區)管線工程 營建署下水道南分處 14 水土保持 牛欄山上游野溪整治工程 水保局 農委會 15 水土保持 龍蛟溪野溪整治六期工程 水保局 16 水土保持 萬得野溪整治工程 水保局 17 建築 內政部入出國及移民署臺中辦公廳舍新建工程 入出國及移民署 內政部 18 建築 精勤樓新建工程 臺北科技大學 教育部 19 建築 國立政治大學藏書空間暨學生宿舍興建工程 國立政治大學 20 建築 國立臺灣藝術大學多功能活動中心新建工程 國立臺灣藝術大學 17
18. 基礎設施碳排放之量化 https://www.freepik.com/vectors/background'>Background vector created by Harryarts - www.freepik.com</a>
19. 生命週期 – 傳統”工程”觀點 19 招 標 發 包 設 計 工 程 履 約 營 運 維 護 規 劃 與 可 行 性 Source: 公共工程全生命週期管控機制，公共工程委員會，2011
20. 生命週期 – “產品”觀點 20 Source: OTA, 1992
21. 生命週期評估Life Cycle Assessment, LCA • ISO 14040 • …..“Compilation and evaluation of the inputs, outputs and the potential environmental impacts of a product system throughout its life cycle.” 21 Source: http://carbonmodel.org/lca/
22. 生命週期評估之重要性 22 • 碳排放觀點 • Carbon leakage，碳洩漏 • 生命週期考量可避免污染源轉移、實質上並 未減量的減量假象 • 系統性的通盤考量 • 找出熱點 • 尋求改善 • 輔助決策
23. 評估邊界 - 完整工程生命週期 生命週期 階段 產品階段 建造階段 使用階段 壽命終了 系統邊界外的 效益和負荷 與建築結構相關 操作 相關 模組 A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 C3 C4 D 原 料 供 應 運 輸 製 造 運 輸 建 造 使 用 ( 操 作 ) 維 護 修 復 置 換 整 修 能 源 使 用 用 水 拆 除 運 輸 廢 棄 物 再 利 用 最 終 處 置 再利用/循環使 用/回收潛能 情境 EPD type 搖籃到 大門 M M M 搖籃到 大門 M M M O O O O O O O O O O O O O O 搖籃到 墳墓 M M M M M M M M M M M M M M M M O 23 • 歐盟營建產品PCR(EN15804)完整工程生命週期
24. 評估/比較之基準 • 功能單位(Functional Unit) • 表示最終結果之標準化/一致化的單位 • 考慮數量、功能性及使用期 • 必須包含完整生命週期 • Ex: 可使用50年、具隔熱係數2 m²/W.K、面積1m2之板材 • 宣告單位(Declaration Unit) • 無法確知功能性時 • 無法包含完整生命週期時 • 1.質量(公噸)：1公噸的石材； • 2.面積(平方公尺)：1平方公尺的地毯； • 3.長度(公尺)：1公尺的管線； • 4.體積(立方公尺)：1立方公尺的木材； • 5.項目(片)：1片散熱器。 24
25. 道路工程產品類別規則 Highways, Streets And Roads Product Category Rules • 宣告單位： • 功能單位： 25 Source: International EPD® System
26. 工程材料 – 瀝青混凝土 • 宣告單位 • 每噸(short ton) • 原料開採(A1) • 原油開採及提煉、瀝青、 骨材、RAP/RAS、高分子 改質劑之製程與分配；再 生材料蒐集及處理 • 原料運輸(A2) • 上述各項原料及能資源之 運輸 • 製程(A3) • 廠內機具及車輛、乾燥爐、 尾氣燃燒爐、瀝青加熱爐、 輸送帶等能資源 26 Source: Product Category Rules for Asphalt Mixtures, NAPA
27. 台灣道路/橋梁工程CFP-PCR • 功能單位 • 每公里-寬度之 道路修建 • 包含道路設備與 其他必要附屬設 施，以及未來50 年之營運。 • 須依據相關主管 機關頒佈之規範， 對於道路等級加 以註明。 27 Source: 環保署碳足跡資訊網
28. 排碳量計算 • 排放係數法 28 活動數據 Activity data 排放係數 Emission factor 碳排放量 GHG emissions (ton、kWh、L…) (tonCO2-e/(kg、kWh、L…) (ton CO2-e)  工程材料用量 (T、kg、m3…)  機/運具燃料用量(L)  機/運具電力用量 (kWh)  廢棄物量、廢水/氣量(T、m3…)  植被改變量 (m2、棵…)  單位電力排碳係數 0.694 kgCO2 e/kWh  單位燃油排碳係數 車用汽油(移動源) 3.01 kgCO2 e/L (環保署，2018) 各種物料重量、 能資源用量及 廢棄物量等 個別活動 單位溫室氣體排放量 (以二氧化碳當量表示)  OO噸瀝青混凝土  XX方混凝土  雙向四車道，200米長 之道路 功能/宣告單位 溫室氣體排放量 (以二氧化碳當量表示)
29. 減碳作為與挑戰 https://www.freepik.com/vectors/background'>Background vector created by Harryarts - www.freepik.com</a>
30. 30 及早啟動 Source: Infrastructure Carbon Review, HM Treasury, UK
31. 減碳作為：不同生命週期階段 • 材料製造(A1~A3) • 施工建造(A4、A5) • 使用和維護(B1~B7) • 壽命終了(C1~C4) 31 Source (bottom cropped): WBCSD Cement Sustainability Initiative, PCR for concrete, UN CPC 375, 2013-02-12
32. 全生命週期：先進的數位資訊管理 • 建築資訊模型(building information modeling, BIM) • 建立詳細的建物/基礎設施 3D模型 32 材料的替代 ⮚ 天然材料 ⮚ 回收和再利用的材料和組件 ⮚ 創新材料 減少資源使用 ⮚ 輕量化建築形式 ⮚ 佈局規劃設計 ⮚ 靈活性和適應性設計 ⮚ 低維護需求設計 ⮚ 延長使用壽命的設計 ⮚ 建築結構的再利用 減少施工影響 ⮚ 減少施工階段的影響 拆卸設計 ⮚ 可回收性設計 ⮚ 低報廢影響設計 如表所示：減少建築項目碳足跡的設計策略 32
33. 材料製造 • 材料為基礎設施主要之排碳來源：排放係數本土化 33 來源：公路總局西濱快速公路八棟寮至九塊厝計畫 Reinforcement 環保署-產品碳足跡計算服務平台
34. 材料製造-減少(高排碳)工程材料之使用 • 水泥 • 飛灰、高爐石、石灰 • 鋼材 • 高強度鋼筋 • 粒料 • 營建廢棄物、工業副產物 • 構件再利用 • I型梁 • 土方平衡 • 非僅初期減量，而是全生命週期減量 • 成效 • 耐久性 • 節費 34 材料 水泥 高爐石粉 飛灰 石灰 排碳係數 (kg CO2 e) 0.9 0.052 0.004 0.44 既有結構拆除，現地再利用
35. • 材料運輸 • 軌道 vs. 傾卸車 • 陸路 vs. 海運 • 能源種類 • 發電機 vs. 場電 35 Source: blog.xuite.net/hsu042/twblog1/585725550 Source: 公路總局西濱南工處/中興顧問公司 施工建造
36. • 機具/材料調度 • 縮短運距 • 使用排程 • 機具功率/能耗 36 Source: CATERPILLAR Source: c-h-robinson-livo-logistics Source: 羅東鋼鐵 施工建造
37. 挑戰與轉機 37
38. 38 一-1 部分生命週期 到 全生命週期 普遍已量化 未量化 部分量化 產品階段 建造施工 階段 與建築結構相關 操作 相關 壽命終了 系統邊界外 效益和負荷 A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 C3 C4 D
39. 一-2 部分生命週期 到 全生命週期 • 使用與維護(B) 39 • 壽命終了(C)、系統邊界外 的效益/負荷(D) • 何時拆? • 為何要拆? • 如何拆(才能再利用)? https://ctee.com.tw/livenews/ch/chinatimes/20211031001318-260405 https://read01.com/Dn2yeon.html#.YYnKymAzY2w
40. 二-1 碳管理的演變 40 碳估算/盤查: 量化碳排放量，但對設計過程沒有影響 碳管理: 量化碳排放並尋求減少碳的方法 碳成本管理: 量化排放量併計算潛在碳減排機會的成本， 以確保尋求最有效的選擇
41. 二-2 施工成本與排碳 41
42. 二-3 碳成本強度 (Carbon Cost Index, CCI) • CCI 是衡量每單位成本排放的碳，例如每歐元的千克二 氧化碳當量 (kgCO2 -e/€)。 42 粒狀(granular)：評估混凝土配合比選項，例如傳統 水泥或低碳水泥替代。 點 中級(mid-range)示例：評估某工程過河的線形或設 施型式選項，例如繞道或直線、橋樑或隧道。 線 面 計畫(project)：評估評估運輸模式的選擇，例如公路 或鐵路。
43. 二-4 碳成本臨界點 • 大多數情況下，碳與成本成正比 • 如果碳減少，成本也會減少 • 當需要增加成本以進一步減碳：碳成本臨界點 • 當目標為實現淨零碳排放 • 需要對碳成本臨界點進行詳細評估 • 提出環境和財政激勵措施 43
44. 三、教育：新知與改變 44 Source: https://indianapublicmedia.org/amomentofscience/brain-static-constantly-changing.php
45. 結語 https://www.freepik.com/vectors/background'>Background vector created by Harryarts - www.freepik.com</a>
46. 共同目標 46 https://www.ku.ac.ae/the-oil-and-gas-industry-in-a-net-zero-by-2050-world https://www.pinterest.com/pin/836684437015182649/
47. 基礎設施(工程)排碳評估重點 • 生命週期方法學 • 評估邊界劃定 • 評估基準 • 引用數據 47 Source: http://carbonmodel.org/lca/
48. 以工程生命週期觀點，及早評估碳足跡 48 減碳策略 可行性% 決策已造成 之排碳量% Credit: WERF, Water Research Foundation
49. 全生命週期的改變 49 產品階段 建造施工 階段 與建築結構相關 操作 相關 壽命終了 系統邊界外 效益和負荷 A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 C3 C4 D 多系統 碳成本 新思維
50. 50 Source: https://www.kaltura.com//p/2503451/embedPlaykitJs/uiconf_id/47917953?iframeembed=true&entry_id=1_1qlz6qei
51. 結語 感謝聆聽 敬請指教