“雙碳”背景下高?！董h境監測》課程融入“碳監測”初探

周 旋,王營茹,楊光忠,郭 力

(武漢工程大學化學與環境工程學院,湖北 武漢 430205)

全球異常氣候頻發,作為大國擔當,中國向全世界作出莊嚴承諾,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和[1]。2021年7月,教育部制定了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》,旨在發揮高?；A研究主力軍和重大科技創新策源地的作用,為實現碳達峰碳中和(雙碳)目標提供科技支撐和人才保障[2]。2021年10月24日,國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案》,強調創新人才培養模式,鼓勵高校加快新能源、儲能、碳減排等學科建設和人才培養。因此,探索解決“雙碳”高質量人才培養難題,對“雙碳”目標的實現具有現實性和緊迫性。為此,自2020年以來,我國多所高校成立了以碳中和為主題的學院、研究院[3]。2020年,上海交通大學與國家電力投資集團有限公司共同成立了上海交通大學國家電投智慧能源創新學院;2021年,華東理工大學圍繞碳中和技術創新和人才培養, 成立了國內首個碳中和未來技術學院[3];同年,清華大學正式成立碳中和研究院,依托環境相關學科優勢、人才積累、研發技術為國家“雙碳”戰略實施提供支撐[4];2022年,中國石油大學(北京)、四川大學等碳中和未來技術學院相繼揭牌成立[3]。由此可見,我國高校必將圍繞國家“雙碳”戰略需求逐步形成新一輪課程變革高潮,而環境類專業的課程改革更是“責無旁貸”。2023年伊始,天津大學舉辦環境工程專業發展與人才培養研討會,對新的人才培養方案明確提出了將碳中和、碳達峰納入新課程的設置和相關課程的內容[5];同濟大學的王林等[6]對“雙碳”背景下環境類專業實踐課程的教學改革進行了探索;華中科技大學的梁莎等[7]對“雙碳”戰略背景下《環境工程原理》課程的教學改革進行了思考。然而針對“雙碳”背景下《環境監測》課程的教學改革少見報道,《環境監測》課程是環境類專業的核心課程之一,目前我國高校對該課程的教學改革主要集中在教學方式[8-9]、課程思政[10]、實驗方法及實踐能力培養[11-12]、教學模式[13-14]等方面,針對“碳監測”知識的融入未見報道。此外,一些國外高校如加州大學伯克利分校[15]、密歇根大學安娜堡分校[16]、佐治亞理工學院[17]等高校環境類本科專業并沒有設置《環境監測》課程,而是將“碳監測”教學內容納入《環境化學》《環境生物學》《空氣污染》《大氣污染控制工程》或《環境測量與儀器儀表》等課程中,其在這些課程中重點突出理論與實踐操作相結合,強調衛星遙感碳監測新技術的應用,以及全球氣候變化碳監測數據的系統分析等,這些都值得我們學習借鑒。

“碳監測”是通過綜合觀測并結合數值模擬、統計分析等手段,獲取溫室氣體排放強度、環境中濃度、生態系統碳匯等碳源匯狀況及其變化趨勢等信息,為應對氣候變化研究和管理提供服務支撐。其主要監測對象為《京都議定書》和《多哈修正案》中規定控制的7種人為活動排放的溫室氣體,包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟化碳(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)和三氟化氮(NF3)[18-19]?！疤急O測”是確保碳排放數據準確性的基礎,而準確的碳排放數據是初始碳排放量分配的重要依據,它關系著控排對象從事碳減排活動的積極性、 氣候效益的確定性以及碳交易市場的公平性,對碳排放交易的正常運行、“雙碳”目標的有效達成極其重要[20]?？梢?在《環境監測》課程中融入“碳監測”的教學內容非常迫切和重要。目前我國很多高校采用的《環境監測》教材都較全面地介紹了環境監測的基本理論與監測技術,其系統性強,涉及面廣[3]?！董h境監測》教材中雖然有排放源(污染源)監測內容,但是其主要內容還是圍繞常規的監測因子和技術方面,實驗實訓也很少涉及到溫室氣體監測的相關內容,而筆者近期收集的我國多所高校的培養方案及《環境監測》課程的考核內容也均未涉及碳監測的相關內容。此外,該課程學生能力培養的理念還是突出“污染控制及治理”,學生不能直觀地理解環境治理怎么才能為“雙碳”目標的達成作出積極貢獻,顯然教學內容與社會發展脫節,當務之急就是要進行課程改革,增加或強化“碳監測”相關知識內容的教學和訓練。因此,本研究在對“碳監測”能力培養的必要性論述基礎上,探討《環境監測》課程的教學內容拓展和改革,首次提出增加“碳監測”的理論及實踐訓練等相關知識,采取選修、第二課堂、課外課程設計、實習基地聯合培訓、參觀、線上+線下及專家講座等多種授課訓練方式,探究高校環境工程專業學生碳監測能力的培養途徑,以期對新工科“雙碳”人才培養提供一定參考。 通過碳監測技術能力知識的學習和訓練,學生能夠實現所學專業知識的靈活運用,做到真正理解“污染控制及治理”對“雙碳”目標實現的意義,增強專業學習的使命感和責任感。

1 碳監測教學的必要性及存在的困難

1.1 碳監測教學的必要性

1.1.1 助力減污降碳協同增效

通過碳監測,可服務我國碳減排控制,支持督促各層級落實減污降碳、源頭治理要求;服務國際履約,支持國家溫室氣體清單編制和國際談判;主動適應氣候變化需求,加強氣候變暖對我國承受力脆弱地區影響的觀測和評估等[21]。依據《碳監測評估試點工作方案》(環辦監測函〔2021〕435號)(以下簡稱《試點方案》)文件要求,要將碳監測納入常規生態環境監測網絡統籌設計,發揮對減污降碳協同增效的支撐服務作用。2022年5月,教育部印發的《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》(以下簡稱《方案》)中鼓勵相關院校在共建共管共享優質資源基礎上,充分發展現有專業人才培養體系作用,完善課程體系、強化專業實踐、深化產學協同,加快培養專門人才。總的來說,該《方案》將高校教育與社會教育進行結合,系統地提出了未來一段時間內我國人才培養的路徑與舉措,為 “雙碳”人才培養指明了方向。

1.1.2 為綠色新職業開辟方向

未來的碳達峰、碳中和既是推動綠色革命的一次大考,更是推進行業綠色低碳轉型升級、創建國際競爭新優勢的難得機遇。而要實現行業的綠色低碳轉型,人才是最關鍵的因素之一,因此碳排放管理師職業由此應運而生,而且已被列入國家職業序列(在《中華人民共和國職業分類大典》中編碼為4-09-07-04)[22]。據中國石油和化學工業聯合會數據顯示,“十四五”期間,我國需要的“雙碳”人才在55萬至100萬名。而目前的相關從業者僅為10萬名左右,存在較大的人才缺口[3]。業界普遍認為,與碳相關的崗位要求從業者具有跨領域解決問題的能力,既要掌握節能降碳相關理論,也要積累碳監測、統計核算等實踐經驗,同時具備能源、金融等細分行業知識[23]。因此,在“雙碳”人才極度缺乏之際,高校作為人才儲備及培養的搖籃,必當勇往直前、開拓創新,急國家之所急,開展“雙碳”人才的儲備和培養。

1.2 碳監測教學中存在的困難

目前,開展碳監測教學和能力培訓還存在很多困難,例如:教材和教學資料缺乏;碳排放管理相關學科的師資缺乏;碳監測相關儀器設備等的軟、硬條件不足;在原有學時不變的情況下,如果增加碳監測教學內容必然會擠占其他內容的學時,造成相關教學安排的矛盾;實踐平臺及場地、教學經費、實習經費等其他教學資源也相對不足。

2 碳監測教學目標及要求探討

2.1 碳監測教學目標

《試點方案》中明確指出現階段須開展“(一)重點行業溫室氣體排放監測試點、(二)城市大氣溫室氣體及海洋碳匯監測試點、(三)區域大氣溫室氣體及生態系統碳匯監測試點”工作,由于篇幅受限,本文結合現有課程內容,選擇(一)重點行業(代表名單見表1)溫室氣體排放監測模塊作為碳監測初步的教學內容及目標。

表1 碳監測試點重點行業名單及集團公司代表

2.2 碳監測教學要求

1) 了解國家“雙碳”目標,了解什么是碳監測及監測對象,了解國內外應對氣候變化、低碳發展相關政策。熟悉《試點方案》《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》《固定源廢氣監測技術規范》《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》《企業溫室氣體排放報告核查指南(試行)》等相關規范、標準體系。

2) 熟悉重點行業(火電、鋼鐵、化工等)溫室氣體排放監測基本程序,初步了解碳排放在線監測系統組成。

3) 了解工業企業溫室氣體排放數據質量管理技術要求。

4) 熟悉表1中相關溫室氣體指標(CO2、CH4)的監測分析方法,了解其在線監測儀器及操作方法。

3 碳監測教學內容初步探討

3.1 碳監測理論教學內容

依據碳中和背景下環境類專業人才需求的特點和人才培養中存在的問題,需重新審視和構建《環境監測》課程大綱及教案,通過研究《試點方案》及《重點行業溫室氣體排放監測試點技術指南》(環辦氣候函〔2021〕130號)的監測內容及要求可知,碳排放監測教學內容總體上還是圍繞基本概念、監測項目、布點方法、監測方法(含自動在線監測方法)、質量控制等模塊內容,主要內容涉及《環境監測》教材(奚旦立主編,第五版)中部分章節,表2展示了如何在這些模塊中融入相關新內容的探索。

表2 碳監測教學內容融入示例[以《環境監測》教材(第五版)為例]

3.2 碳監測實踐教學形式及內容

碳監測的實踐教學建議以課程設計(或調研報告)、課外實驗實習、參觀及專家講座和實習實踐等方式進行,課時不夠的話,可以采取課外興趣小組、第二課堂或者自由選修的方式開設實踐教學課,也可以在已有的認識實習、生產實習、畢業實習三大實習環節中增加相關實習實訓的內容。

3.2.1 課程設計

指導學生選擇某一重點排放單位進行碳排放監測方案設計訓練,具體設計流程可參見圖1。

圖1 重點排放單位的碳排放監測方案設計流程Fig.1 Design process of carbon emission monitoring schemes for key emission units

本文以發電企業[28]為例對碳排放監測方案設計的流程進行說明:

1) 資料收集。資料收集應盡可能全面(部分資料可由指導老師給定),包括企業基本信息(至少包括成立時間、所有權狀況、法人代表、組織機構圖和廠區平面分布圖)、主營產品(至少包括主營產品的名稱及產品代碼)、主營產品的生產工藝(至少包括每種產品的生產工藝流程圖及工藝流程描述,并在圖中標明溫室氣體排放設施,對于涉及化學反應的工藝需寫明化學反應方程式)等。

2) 確定監測邊界。發電企業溫室氣體監測主體應以獨立法人企業或視同法人的獨立核算單位為邊界,監測在運營上受其控制的所有生產設施產生的溫室氣體排放相關參數。發電企業根據發電生產過程的異同,其溫室氣體監測范圍包括以下部分或全部排放類型:化石燃料燃燒產生的二氧化碳排放、脫硫過程的二氧化碳排放、購入電力產生的二氧化碳排放[28]。

3) 確定監測方法。發電企業溫室氣體監測方法主要有核算法、直接連續監測法(包括人工及自動在線監測,一般為自動在線連續監測),其中化石燃料燃燒產生的二氧化碳排放需要監測的數據包括化石燃料消耗量、化石燃料低位發熱值等;脫硫過程產生的二氧化碳排放需要監測的數據包括脫硫劑消耗量、脫硫劑中碳酸鹽含量,其均可以選擇核算法或者直接連續監測法;購入電力產生的二氧化碳排放數據,以發電企業結算電表記錄的讀數進行核算測定。發電企業溫室氣體監測方法的選擇主要參考表3。

表3 發電企業溫室氣體監測方法選擇[28]

4) 確定監測指標及參數。發電企業排放因子監測指標:化石燃料燃燒包括熱值含碳量、碳氧化率;脫硫過程包括完全轉化時脫硫過程的排放因子和碳酸鹽的轉化率;購入電力排放因子選用主管部門最近年份公布的相應區域電網排放因子。發電企業監測參數包括煙氣流速或體積流量、煙氣中二氧化碳濃度、煙氣溫度、煙氣靜壓、煙氣濕度(或干基、濕基含氧量)、大氣壓力等。

5) 監測采樣布點位置及監測頻次。發電企業監測采樣布點位置參考《發電行業溫室氣體排放監測技術規范》(T/LCAA 01—2020)[28]中表4的具體要求;在監測頻次方面,煙氣流速或體積流量、煙氣中二氧化碳濃度、煙氣溫度、煙氣靜壓、煙氣濕度(或干基、濕基含氧量)應實現連續監測,大氣壓力應至少每分鐘監測一次。

6) 數據統計分析。對監測數據進行統計分析時要進行數據審核,并關注監測參數不確定度的要求以及數據缺省值的處理和無效時間段的數據處理。

7) 質量控制與質量保證。監測全過程要制定質量控制與質量保證程序,并關注儀器及數據的校準、比對以及監測方案的審批、評估、執行和監測數據及文件的規范管理等,具體質控要求參考表2中第十章的教學內容。

3.2.2 參觀和專家講座形式

讓學生參觀在線監測的儀器及設備生產廠家、運營及使用單位,并聘請專家進行線下或線上講座,內容包含遙感、移動、在線、走航、無人機、自動等前沿監測技術。

3.2.3 實驗演示、虛擬仿真和實際動手實驗

增加CO2、CH4和N2O的演示、虛擬仿真和實際操作測定實驗,并充分利用高校、企業和科研機構的優質資源,加強聯合培養基地建設,實現產學研良性互動,共同開設實踐課程體系,共同設立定制化人才培養項目。例如建立工程實習點、創新創業實踐基地、工程研究中心、重點實驗室等,結合化工、礦業、石油、環保、冶金、生態等相關行業,充分發揮行業力量,促進教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈緊密銜接,為開展實踐教學提供機會。

4 結語與建議

國以才興,業以才旺,人才強國一直都是國家的重大戰略,關乎國家的長遠發展,自然也關乎“雙碳”計劃的如期實現,作為高校環境工程專業更應在培養“雙碳”人才方面走在前列。在此背景下,本文強調了“碳監測”融入《環境監測》課程的必要性和重要意義,契合新工科發展和國家“雙碳”戰略目標的要求,并探索了解決“雙碳”高素質人才創新培養模式,不僅可培養國家和社會急需人才,也擴大了專業學生的就業領域。此外,提出利用課余時間、第二課堂、專家講座、選修課、線上+線下、網上教學資源、參觀、校企聯合培養、虛擬仿真等多種教學和學習方式,可以有效解決課堂教學時數和資源條件受限等問題。本課程的改革為“雙碳”目標下其他課程的改革提供了思路。

本文只是提出了碳排放監測相關的初步教學內容框架和教學方式,還需要在今后的教學實踐過程中逐步完善其具體內容,學生的具體參與和考評方式也需要進一步細化研究,教學形式和內容的改革也需要促進教學考核方式的進一步完善革新。本文只是對碳排放監測的教學內容和方式提出了初步探究,對于環境中碳濃度監測和生態系統碳匯監測等內容還需要進一步研究。另外,本文僅僅為“雙碳”人才某一方面技能培養提供參考,但“雙碳”復合人才的培養需要能源、經濟、社會、人工智能等多學科、多領域的交叉融合,因此一個學院很難具有“雙碳”人才培養需要的全部學科內容,所以在師資和教學資源等方面要體現多學科協同,實現合力。