零碳园区研究现状、挑战与未来展望

引言：碳中和背景与园区重要性园区是落实我国"双碳"战略的重要抓手和天然试验田中国"30·60"碳目标2020年9月，我国提出"30·60"碳达峰、碳中和目标国家相继出台多部"双碳"法律法规践行"双碳"战略成为高质量发展的必然要求园区：碳排放关键源头能源角度：工业园区耗能占全国耗能69%，碳排放量占全国总碳排放的31%民生与发展角度：90%以上城市居民工作生活在园区中，80%以上的GDP和90%以上的创新在园区内产生 国家政策支持《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》强调："开展碳达峰试点园区建设，推广园区多能梯级利用等节能新技术，加快'双碳'目标建设。"园区：碳中和的天然试验田物理界限分明：园区边界清晰，便于碳排放核算和管理生态系统独立：园区内外碳排放流的耦合和建模清晰运营管理权明晰：行业壁垒问题弱化，便于系统协同运行分布式资源丰富：园区内多种分布式资源可为减碳提供多种途径 2 / 18 零碳园区的定义与发展阶段零碳园区的三个发展阶段零碳园区是所有园区迭代升级的最终目标零碳园区定义零碳园区并不是指完全不排放温室气体，而是实现了净碳排放为零的园区净碳排放：在一定周期内，园区产生的碳排量与园区内碳汇吸收的碳排量之差本文零碳园区是指园区在生产、生活过程中动态净碳排放为零的状态能源综合能源系统运行全过程减碳建筑节能材料与智能能源管理低碳园区通过绿色规划、节能以及固碳等技术，有效控制碳排放总量，使园区碳排放量小于其碳配额量近零碳园区园区净碳排放量几乎为零，可允许小幅波动 交通全面推动电气化与充电站配置 关键特点碳排放强度为零，不包括前期建设或改造过程中的碳排放碳汇CCS/CCUS、藻类生物反应器等零碳园区在严格意义上，实现动态净碳排放小于等于零的状态 管理数字化、精细化、智能化管控 3 / 18 零碳园区减排体系结构园区碳减排方式可归结为减少碳排放与加强碳吸收两个部分，从能源、建筑、交通、碳汇与管理等五个方面协同作用，形成零碳园区减排体系。园区通过五大方面的协同作用，形成完整的零碳减排体系能源主要从"源-网-荷-储-市场"各环节积极减排，包括分布式能源、多能耦合、能量梯级利用，在市场引导下提高净零碳能力。建筑采用节能材料和技术，在各建筑上安装智能碳表和电表，通过能源管理对建筑碳排放进行控制。交通全面推动电气化，配置充电站，实现灵活储能和需求侧响应。"网"、"荷"及"储"端与交通系统交相融合成为园区低碳减排的重要趋势。碳汇通过CCS/CCUS、藻类生物反应器、林业碳汇等抵消园区碳排放，并通过碳汇与市场交易策略实现园区低碳性与经济性协同发展。管理实现数字化、精细化、智能化能源管控和运营物流管控，为园区综合管理和调控提供一体化决策方案。 零碳园区减排体系结构图系统融合与协同能源系统在市场引导下从"源-网-荷-储"各环节积极减排"网"、"荷"、"储"与交通系统的融合促进园区低碳减排多功能建筑从材料选择和建设方案等多方面促进节能五大方面的交互与融合共同推动园区零碳化进程 园区净零碳能力分析园区的净零碳能力是指园区通过规划和管控，使得其动态碳排放强度为零的能力。以下是园区净零碳能力的四个主要特点：园区净零碳能力为碳中和目标实现提供了基础支撑物理界限分明，生态系统独立园区的物理边界使碳排放流的耦合和建模非常清晰对外部碳排放流可通过碳耦合接口表示对内部碳排放流可精细建模分析需明确核算边界统一问题，防止园区物理界限和经营界限矛盾导致多计、漏计情况园区内含多种分布式资源园区内部存在分布式新能源发电装置、电动汽车等分布式资源多种资源的灵活调用有利于园区通过能源互补、梯级利用、协调调控等手段减少"弃风、弃光"等新能源损失为高比例新能源并网提供了资源支撑 运营和管理所有权明晰园区作为一体化运营单位，可整体参与碳交易市场和绿电市场能源子系统之间的信息隐私、操作差异和目标差异等行业壁垒大大弱化由园区统一计算碳贡献值，解决能源子系统之间的碳效益分配不均问题为园区综合管理和调控提供一体化决策方案高质量全面发展的转型趋势园区逐渐由只追求经济高速发展的运营模式向高质量全面发展的运营模式转变以电动汽车为典型代表的用能终端电气化的普及园区级、建筑级分布式可再生能源技术的推广，以及储能技术的低成本化逐步淘汰高耗能产业，通过智能化手段改造基础设备，引进低碳技术 5 / 18 园区零碳操作系统架构零碳操作系统是园区实现碳中和的核心管理平台应用层整合物理层运行状态、信息层分析结果和平台层调控结果引导用户生产活动、用能活动和出行活动反馈用户响应情况，进行系统调整实现园区环境效益、经济效益与社会效益的最大化平台层园区低碳管控平台模拟仿真与优化调度信息反馈与运行指令下达园区低碳经济平台能源交易与碳配额交易绿电交易与绿证交易信息层由传感器与通信网络构成，通过5G、人工智能与云计算等技术实现整合园区生产、交通、消费、上下游等环节的能流信息核算各环节碳排放量，预测碳排放趋势物理层生产环节交通环节消费环节能源环节 信息环节 零碳操作系统关键特点实现园区碳核算、碳管控、碳吸收与碳交易一体化集中调控园区生产、交通、消费和信息环节将园区作为一体化系统参与市场交易，提高市场竞争力 零碳园区研究框架概述零碳园区研究框架类比"表盘"、"方向盘"、"油门与刹车"构成了园区向零碳方向演进的"操作系统"，三者共同支撑园区转型升级。三大研究框架协同作用，共同支撑零碳园区建设 园区碳排放核算技术如同汽车的"表盘"为建设零碳园区提供数据基础量化各环节碳排放潜力实时监控运作状态园区低碳管控技术如同汽车的"方向盘"为零碳园区集成基础设施规划园区发展方向协调系统低碳运行园区低碳经济体系如同汽车的"油门与刹车"为零碳园区提供经济动力维持园区长期发展控制园区建设进度与速度 园区碳排放核算技术碳排放核算是发展零碳园区的基础，能帮助园区经营者识别主要碳排放源并了解减排潜力碳排放核算要素核算边界园区碳排放核算技术边界范围缺乏界定，存在地理边界和数据统计边界难以统一的矛盾核算对象层次1：园区生产运营过程中的直接排放层次2：购买的电、热等能源的间接排放层次3：上中下游一切其他间接排放核算结果表征CO₂量：当排放气体以CO₂为主时使用CO₂当量：考虑多种温室气体综合核算时使用碳排放强度：单位GDP/产量的CO₂排放量 碳排放核算方法比较碳排放核算系统搭建一个能精准预测碳排放状况、分析碳排放时空变化情况、理清各环节碳排放潜力、评估碳资产并连接碳市核算系统建碳 8 / 18基础 园区低碳经济体系通过量化减碳能力、合理分配责任和市场机制，实现园区碳减排与经济效益双赢低碳经济体系核心本质园区低碳经济体系的核心在于：量化园区减排能力，参与市场转化为经济效益，进而激励园区继续碳减排并提高经济效益的行为和过程。量化减排能力市场转化效益园区低碳经济研究体系图4：园区低碳经济体系研究框架 减碳潜力分析与碳效益评估量化评估园区内各组件和技术对碳排放总量的影响CHP、CCHP等设备的碳减排潜力研究最为完善当前缺乏统一的碳效益量化分析标准碳排放责任分配研究如何将发电侧碳排放责任合理分配至用电负荷侧主要方法：合作博弈分摊和节点贡献值分摊多能流高度异质性导致碳排放责任分配研究不足碳商品交易市场以价格形式引导消费者和能源企业参与减排活动主要市场机制：碳交易、绿电交易和绿证交易碳交易市场仍处于初级阶段，亟待完善 激励继续减碳 碳交易与绿电/绿证市场机制碳商品市场的作用在于以价格的形式引导消费者和各能源企业参与减排活动，通过经济惩罚强制园区被动减排和经济效益激励园区主动减排，不仅有助于普通园区向零碳园区发展，还可以通过市场补偿维持零碳园区的可持续性发展。未来发展方向寻找适合中国国情的绿电配额方案，加快推进配额制的落地，构建完善的碳交易市场机制，对于零碳园区的发展具有导向和持续性作用。碳商品市场将环境效益转化为经济效益，促进园区减碳进程碳(配额)交易将碳排放权以配额的形式参与市场分配的交易机制现状与问题我国碳交易仍处于初级阶段价格机制问题：单一定价、阶梯式定价和市场出清定价各有优缺点配额分配方法主要是历史排放法，准确性、时效性、灵活性不足缺乏碳交易市场的监督体系和信用体系对零碳园区的影响恰当的碳交易价格机制能更好地引导园区各主体参与减碳，定价机制需要符合当前减排阶段和市场机制阶段的发展现状绿证交易绿色电力达成交易后上网的间接体现现状与问题我国的绿证交易属于"证电分离"的交易形式绿证不可二次交易，交易活跃性远远不够国外采用"强制性配额+绿证交易"制度，绿证交易较为活跃对零碳园区的影响绿证交易可为绿电富足的园区提供经济补偿，但目前机制下难以发挥充分作用 10 / 18绿电交易"证电合一"的体现，绿色电力是商品，消费证书是交易凭证现状与问题目前仍是自愿交易，没有与强制配额结合对需求侧的吸引力不足绿电地区性供需失衡，不同地区园区绿电供给量差异大需解决绿电跨区域传输问题，构建多区域公平定价机制对零碳园区的影响绿电不足的园区可优先考虑买绿电供能，以降低系统高碳供能的比例 园区低碳管控技术园区低碳管控技术是实现零碳园区的关键路径园区低碳管控过程园区低碳管控过程是将环境效益、经济效益、能源效率、运行可靠性作为规划目标，考虑园区整体负荷水平和装置设备在全生命周期内的优化运行条件，确定选址、定容、开工、改造等规划方案。低碳规划运行管控园区通过低碳规划和运行管控，提高能源效率，降低减碳成本，提高绿色工艺水平，以运行结果体现零碳零碳园区优化规划源侧规划新能源电源规划传统能源减碳（CCS/CCUS）可再生能源安全并网网侧规划能源网络建设与扩容降网损、提效率、促消纳能量转换设备建设荷侧规划用能设备终端电气化分布式发电资源规划用户减排潜力挖掘储侧规划传统储能设备建设与扩容移动储能设备建设广义储能一体化平台构建 园区低碳管控技术研究体系零碳园区运行调度优化目标碳交易成本碳排放量最小调度特点减碳设备多样（CCS/CCUS、P2G等）需求响应潜力大，多能源耦合系统不确定性，多主体博弈通过碳交易机制将环境效益转化为经济效益 效益实现 零碳园区优化规划零碳园区能源系统规划面向零碳园区的关键技术及装置研发源-网-荷-储全方位协同规划是零碳园区建设的关键源侧规划新能源规划：国家提出2025年公共机构新建光伏覆盖达50%以上，2030年风电、太阳能装机容量要达到12亿kW以上传统能源减碳：主要包括CCS/CCUS与天然气发电组合，以及将原有火电机组改造为碳捕集电厂荷侧规划终端电气化：用能设备终端电气化，提高电气化率，减少直接碳排放产消者规划：通过园区协助规划分布式发电资源，使用户自给自足，并将余电上网需求协调：通过能源互联网协调产消者需求，提高用户满意度，促进可再生能源消纳市场考量碳排放量市场量化技术碳交易市场到排放贸易市场的演变 网侧规划能源网络建设：规划年限内的管道、输电电路的扩容扩建，从降网损、提效率、促消纳方面探索不同网架结构耦合设备建设：通过CCHP、CHP、P2G等各能量转换设备的建设和技术更新，提高园区能量传输效率储侧规划传统储能：建设和扩容传统储能设备，提高系统的调峰填谷能力移动储能：兼顾电动汽车充电桩等移动储能设备的建设，实现灵活储能广义储能平台：构建广义储能一体化平台，提高园区消纳可再生能源的能力 能量转换技术CCHP (冷热电联产)CHP (热电联产)P2G (电转气) 12 / 18碳捕集技术CCS (碳捕集与封存)CCUS (碳捕获、利用与封存)碳捕集电厂(FCCPP) 园区低碳关键技术：储能、建筑材料与CCUS这些关键技术是构建零碳园区的重要支撑，需持续研发和推广应用储能技术零碳园区储能需求有效控制电压、频率稳定，平衡电力电量波动电动汽车等再电气化装置对电池性能要求高零碳园区对储能环保性要求更高主要储能技术锂离子电池：应用广泛，但面临延长使用寿命挑战钠硫电池：寿命长、效率高，可用于削峰填谷超级电容器：短期存储，电压平滑热储能：自放电率低，环境友好氢储能：转化形式广，可大规模存储机械储能：压缩空