“双碳”背景下高校《环境监测》课程融入“碳监测”初探

周 旋,王营茹,杨光忠,郭 力

(武汉工程大学化学与环境工程学院,湖北 武汉 430205)

全球异常气候频发,作为大国担当,中国向全世界作出庄严承诺,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和[1]。2021年7月,教育部制定了《高等学校碳中和科技创新行动计划》,旨在发挥高校基础研究主力军和重大科技创新策源地的作用,为实现碳达峰碳中和(双碳)目标提供科技支撑和人才保障[2]。2021年10月24日,国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》,强调创新人才培养模式,鼓励高校加快新能源、储能、碳减排等学科建设和人才培养。因此,探索解决“双碳”高质量人才培养难题,对“双碳”目标的实现具有现实性和紧迫性。为此,自2020年以来,我国多所高校成立了以碳中和为主题的学院、研究院[3]。2020年,上海交通大学与国家电力投资集团有限公司共同成立了上海交通大学国家电投智慧能源创新学院;2021年,华东理工大学围绕碳中和技术创新和人才培养, 成立了国内首个碳中和未来技术学院[3];同年,清华大学正式成立碳中和研究院,依托环境相关学科优势、人才积累、研发技术为国家“双碳”战略实施提供支撑[4];2022年,中国石油大学(北京)、四川大学等碳中和未来技术学院相继揭牌成立[3]。由此可见,我国高校必将围绕国家“双碳”战略需求逐步形成新一轮课程变革高潮,而环境类专业的课程改革更是“责无旁贷”。2023年伊始,天津大学举办环境工程专业发展与人才培养研讨会,对新的人才培养方案明确提出了将碳中和、碳达峰纳入新课程的设置和相关课程的内容[5];同济大学的王林等[6]对“双碳”背景下环境类专业实践课程的教学改革进行了探索;华中科技大学的梁莎等[7]对“双碳”战略背景下《环境工程原理》课程的教学改革进行了思考。然而针对“双碳”背景下《环境监测》课程的教学改革少见报道,《环境监测》课程是环境类专业的核心课程之一,目前我国高校对该课程的教学改革主要集中在教学方式[8-9]、课程思政[10]、实验方法及实践能力培养[11-12]、教学模式[13-14]等方面,针对“碳监测”知识的融入未见报道。此外,一些国外高校如加州大学伯克利分校[15]、密歇根大学安娜堡分校[16]、佐治亚理工学院[17]等高校环境类本科专业并没有设置《环境监测》课程,而是将“碳监测”教学内容纳入《环境化学》《环境生物学》《空气污染》《大气污染控制工程》或《环境测量与仪器仪表》等课程中,其在这些课程中重点突出理论与实践操作相结合,强调卫星遥感碳监测新技术的应用,以及全球气候变化碳监测数据的系统分析等,这些都值得我们学习借鉴。

“碳监测”是通过综合观测并结合数值模拟、统计分析等手段,获取温室气体排放强度、环境中浓度、生态系统碳汇等碳源汇状况及其变化趋势等信息,为应对气候变化研究和管理提供服务支撑。其主要监测对象为《京都议定书》和《多哈修正案》中规定控制的7种人为活动排放的温室气体,包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟化碳(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)和三氟化氮(NF3)[18-19]。“碳监测”是确保碳排放数据准确性的基础,而准确的碳排放数据是初始碳排放量分配的重要依据,它关系着控排对象从事碳减排活动的积极性、 气候效益的确定性以及碳交易市场的公平性,对碳排放交易的正常运行、“双碳”目标的有效达成极其重要[20]。可见,在《环境监测》课程中融入“碳监测”的教学内容非常迫切和重要。目前我国很多高校采用的《环境监测》教材都较全面地介绍了环境监测的基本理论与监测技术,其系统性强,涉及面广[3]。《环境监测》教材中虽然有排放源(污染源)监测内容,但是其主要内容还是围绕常规的监测因子和技术方面,实验实训也很少涉及到温室气体监测的相关内容,而笔者近期收集的我国多所高校的培养方案及《环境监测》课程的考核内容也均未涉及碳监测的相关内容。此外,该课程学生能力培养的理念还是突出“污染控制及治理”,学生不能直观地理解环境治理怎么才能为“双碳”目标的达成作出积极贡献,显然教学内容与社会发展脱节,当务之急就是要进行课程改革,增加或强化“碳监测”相关知识内容的教学和训练。因此,本研究在对“碳监测”能力培养的必要性论述基础上,探讨《环境监测》课程的教学内容拓展和改革,首次提出增加“碳监测”的理论及实践训练等相关知识,采取选修、第二课堂、课外课程设计、实习基地联合培训、参观、线上+线下及专家讲座等多种授课训练方式,探究高校环境工程专业学生碳监测能力的培养途径,以期对新工科“双碳”人才培养提供一定参考。 通过碳监测技术能力知识的学习和训练,学生能够实现所学专业知识的灵活运用,做到真正理解“污染控制及治理”对“双碳”目标实现的意义,增强专业学习的使命感和责任感。

1 碳监测教学的必要性及存在的困难

1.1 碳监测教学的必要性

1.1.1 助力减污降碳协同增效

通过碳监测,可服务我国碳减排控制,支持督促各层级落实减污降碳、源头治理要求;服务国际履约,支持国家温室气体清单编制和国际谈判;主动适应气候变化需求,加强气候变暖对我国承受力脆弱地区影响的观测和评估等[21]。依据《碳监测评估试点工作方案》(环办监测函〔2021〕435号)(以下简称《试点方案》)文件要求,要将碳监测纳入常规生态环境监测网络统筹设计,发挥对减污降碳协同增效的支撑服务作用。2022年5月,教育部印发的《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》(以下简称《方案》)中鼓励相关院校在共建共管共享优质资源基础上,充分发展现有专业人才培养体系作用,完善课程体系、强化专业实践、深化产学协同,加快培养专门人才。总的来说,该《方案》将高校教育与社会教育进行结合,系统地提出了未来一段时间内我国人才培养的路径与举措,为 “双碳”人才培养指明了方向。

1.1.2 为绿色新职业开辟方向

未来的碳达峰、碳中和既是推动绿色革命的一次大考,更是推进行业绿色低碳转型升级、创建国际竞争新优势的难得机遇。而要实现行业的绿色低碳转型,人才是最关键的因素之一,因此碳排放管理师职业由此应运而生,而且已被列入国家职业序列(在《中华人民共和国职业分类大典》中编码为4-09-07-04)[22]。据中国石油和化学工业联合会数据显示,“十四五”期间,我国需要的“双碳”人才在55万至100万名。而目前的相关从业者仅为10万名左右,存在较大的人才缺口[3]。业界普遍认为,与碳相关的岗位要求从业者具有跨领域解决问题的能力,既要掌握节能降碳相关理论,也要积累碳监测、统计核算等实践经验,同时具备能源、金融等细分行业知识[23]。因此,在“双碳”人才极度缺乏之际,高校作为人才储备及培养的摇篮,必当勇往直前、开拓创新,急国家之所急,开展“双碳”人才的储备和培养。

1.2 碳监测教学中存在的困难

目前,开展碳监测教学和能力培训还存在很多困难,例如:教材和教学资料缺乏;碳排放管理相关学科的师资缺乏;碳监测相关仪器设备等的软、硬条件不足;在原有学时不变的情况下,如果增加碳监测教学内容必然会挤占其他内容的学时,造成相关教学安排的矛盾;实践平台及场地、教学经费、实习经费等其他教学资源也相对不足。

2 碳监测教学目标及要求探讨

2.1 碳监测教学目标

《试点方案》中明确指出现阶段须开展“(一)重点行业温室气体排放监测试点、(二)城市大气温室气体及海洋碳汇监测试点、(三)区域大气温室气体及生态系统碳汇监测试点”工作,由于篇幅受限,本文结合现有课程内容,选择(一)重点行业(代表名单见表1)温室气体排放监测模块作为碳监测初步的教学内容及目标。

表1 碳监测试点重点行业名单及集团公司代表

2.2 碳监测教学要求

1) 了解国家“双碳”目标,了解什么是碳监测及监测对象,了解国内外应对气候变化、低碳发展相关政策。熟悉《试点方案》《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》《固定源废气监测技术规范》《工业企业温室气体排放核算和报告通则》《企业温室气体排放报告核查指南(试行)》等相关规范、标准体系。

2) 熟悉重点行业(火电、钢铁、化工等)温室气体排放监测基本程序,初步了解碳排放在线监测系统组成。

3) 了解工业企业温室气体排放数据质量管理技术要求。

4) 熟悉表1中相关温室气体指标(CO2、CH4)的监测分析方法,了解其在线监测仪器及操作方法。

3 碳监测教学内容初步探讨

3.1 碳监测理论教学内容

依据碳中和背景下环境类专业人才需求的特点和人才培养中存在的问题,需重新审视和构建《环境监测》课程大纲及教案,通过研究《试点方案》及《重点行业温室气体排放监测试点技术指南》(环办气候函〔2021〕130号)的监测内容及要求可知,碳排放监测教学内容总体上还是围绕基本概念、监测项目、布点方法、监测方法(含自动在线监测方法)、质量控制等模块内容,主要内容涉及《环境监测》教材(奚旦立主编,第五版)中部分章节,表2展示了如何在这些模块中融入相关新内容的探索。

表2 碳监测教学内容融入示例[以《环境监测》教材(第五版)为例]

3.2 碳监测实践教学形式及内容

碳监测的实践教学建议以课程设计(或调研报告)、课外实验实习、参观及专家讲座和实习实践等方式进行,课时不够的话,可以采取课外兴趣小组、第二课堂或者自由选修的方式开设实践教学课,也可以在已有的认识实习、生产实习、毕业实习三大实习环节中增加相关实习实训的内容。

3.2.1 课程设计

指导学生选择某一重点排放单位进行碳排放监测方案设计训练,具体设计流程可参见图1。

图1 重点排放单位的碳排放监测方案设计流程Fig.1 Design process of carbon emission monitoring schemes for key emission units

本文以发电企业[28]为例对碳排放监测方案设计的流程进行说明:

1) 资料收集。资料收集应尽可能全面(部分资料可由指导老师给定),包括企业基本信息(至少包括成立时间、所有权状况、法人代表、组织机构图和厂区平面分布图)、主营产品(至少包括主营产品的名称及产品代码)、主营产品的生产工艺(至少包括每种产品的生产工艺流程图及工艺流程描述,并在图中标明温室气体排放设施,对于涉及化学反应的工艺需写明化学反应方程式)等。

2) 确定监测边界。发电企业温室气体监测主体应以独立法人企业或视同法人的独立核算单位为边界,监测在运营上受其控制的所有生产设施产生的温室气体排放相关参数。发电企业根据发电生产过程的异同,其温室气体监测范围包括以下部分或全部排放类型:化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放、脱硫过程的二氧化碳排放、购入电力产生的二氧化碳排放[28]。

3) 确定监测方法。发电企业温室气体监测方法主要有核算法、直接连续监测法(包括人工及自动在线监测,一般为自动在线连续监测),其中化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放需要监测的数据包括化石燃料消耗量、化石燃料低位发热值等;脱硫过程产生的二氧化碳排放需要监测的数据包括脱硫剂消耗量、脱硫剂中碳酸盐含量,其均可以选择核算法或者直接连续监测法;购入电力产生的二氧化碳排放数据,以发电企业结算电表记录的读数进行核算测定。发电企业温室气体监测方法的选择主要参考表3。

表3 发电企业温室气体监测方法选择[28]

4) 确定监测指标及参数。发电企业排放因子监测指标:化石燃料燃烧包括热值含碳量、碳氧化率;脱硫过程包括完全转化时脱硫过程的排放因子和碳酸盐的转化率;购入电力排放因子选用主管部门最近年份公布的相应区域电网排放因子。发电企业监测参数包括烟气流速或体积流量、烟气中二氧化碳浓度、烟气温度、烟气静压、烟气湿度(或干基、湿基含氧量)、大气压力等。

5) 监测采样布点位置及监测频次。发电企业监测采样布点位置参考《发电行业温室气体排放监测技术规范》(T/LCAA 01—2020)[28]中表4的具体要求;在监测频次方面,烟气流速或体积流量、烟气中二氧化碳浓度、烟气温度、烟气静压、烟气湿度(或干基、湿基含氧量)应实现连续监测,大气压力应至少每分钟监测一次。

6) 数据统计分析。对监测数据进行统计分析时要进行数据审核,并关注监测参数不确定度的要求以及数据缺省值的处理和无效时间段的数据处理。

7) 质量控制与质量保证。监测全过程要制定质量控制与质量保证程序,并关注仪器及数据的校准、比对以及监测方案的审批、评估、执行和监测数据及文件的规范管理等,具体质控要求参考表2中第十章的教学内容。

3.2.2 参观和专家讲座形式

让学生参观在线监测的仪器及设备生产厂家、运营及使用单位,并聘请专家进行线下或线上讲座,内容包含遥感、移动、在线、走航、无人机、自动等前沿监测技术。

3.2.3 实验演示、虚拟仿真和实际动手实验

增加CO2、CH4和N2O的演示、虚拟仿真和实际操作测定实验,并充分利用高校、企业和科研机构的优质资源,加强联合培养基地建设,实现产学研良性互动,共同开设实践课程体系,共同设立定制化人才培养项目。例如建立工程实习点、创新创业实践基地、工程研究中心、重点实验室等,结合化工、矿业、石油、环保、冶金、生态等相关行业,充分发挥行业力量,促进教育链、人才链与产业链、创新链紧密衔接,为开展实践教学提供机会。

4 结语与建议

国以才兴,业以才旺,人才强国一直都是国家的重大战略,关乎国家的长远发展,自然也关乎“双碳”计划的如期实现,作为高校环境工程专业更应在培养“双碳”人才方面走在前列。在此背景下,本文强调了“碳监测”融入《环境监测》课程的必要性和重要意义,契合新工科发展和国家“双碳”战略目标的要求,并探索了解决“双碳”高素质人才创新培养模式,不仅可培养国家和社会急需人才,也扩大了专业学生的就业领域。此外,提出利用课余时间、第二课堂、专家讲座、选修课、线上+线下、网上教学资源、参观、校企联合培养、虚拟仿真等多种教学和学习方式,可以有效解决课堂教学时数和资源条件受限等问题。本课程的改革为“双碳”目标下其他课程的改革提供了思路。

本文只是提出了碳排放监测相关的初步教学内容框架和教学方式,还需要在今后的教学实践过程中逐步完善其具体内容,学生的具体参与和考评方式也需要进一步细化研究,教学形式和内容的改革也需要促进教学考核方式的进一步完善革新。本文只是对碳排放监测的教学内容和方式提出了初步探究,对于环境中碳浓度监测和生态系统碳汇监测等内容还需要进一步研究。另外,本文仅仅为“双碳”人才某一方面技能培养提供参考,但“双碳”复合人才的培养需要能源、经济、社会、人工智能等多学科、多领域的交叉融合,因此一个学院很难具有“双碳”人才培养需要的全部学科内容,所以在师资和教学资源等方面要体现多学科协同,实现合力。