零碳园区研究综述及展望

陈艳波1，陈来军3CHEN Yanbo1, CHEN Laijunconstruction are proposed. 3科学家项目。。； 应用。如作为全球首例，鄂尔多斯零碳产业园区以“风光氢储车”能源系统实现全园区零碳供能，并构建了“能碳双控”零碳管理平台，实现园区碳足迹追溯、分析及反馈一体化闭环管理；广东状元谷电子商务产业园作为我国首批近零碳试点园区，通过在建筑中安装蒸发冷却降温设施，减少空调等高耗电设施的使用，节能率达80%[7]。在国外案例中，德国柏林欧瑞府能源科技园通过建设分布式供能、储能以及用能一体化的能源管理系统，外购沼气以供园区电热负荷需求，并在交通、建筑、碳汇环节全面建设零碳园区。尽管有以上案例，但国内外仍未形成的零碳园区基础理论和关键技术，影响到已有案例的应用[8]。本文首先从园区的典型构成和特点出发，构建园区零碳操作系统；然后，从园区碳排放核算技术、园区低碳经济体系、园区低碳管控技术3个角度分析园区低碳技术的研究现状，全面系统地分析零碳园区建设的基本框架和关键技术；最后，提出零碳园区建设的挑战与展望。1零碳园区减排体系及净零碳能力分析1.1零碳园区减排体系园区的碳减排方式可归结于减少碳排放与加强碳吸收两个部分，从能源、建筑、交通、碳汇与管理等五方面落实低碳减排方案。其中，园区在市场的引导下，从“源-网-荷-储”各环节积极减排；同时，“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；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；此外，多功能建筑作为园区建设的物理承载形式，从建筑选材和建设方案等多方面促进建筑节能，推动园区零碳化进程。因此，园区通过能源、建筑、交通、碳汇与管理等五方面的交互与融合，形成零碳园区减排体系，此体系结构如图1所示。园区的主要排放来源于能源系统，因此，主要减排途径也针对于“源-网-荷-储-市场”各环节。在源侧，典型园区综合能源系统除了向外界购电/热等，还将包括各种分布式能源；在网端，主要通过多能耦合和能量梯级利用，并与交通网融会贯通，提高消纳绿电的能力；在荷端，主要有电/热/冷/气/氢等用能需求；储侧需要配置储电、储热、储氢、冰蓄冷等储能设备；市场侧构建园区在各大碳市场下的碳资产管理系统，园区能源系统在市场引导下 权明晰。国务院发布的《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》中强调，要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。因此，园区是落实我国“双碳”战略的重要抓手和天然试验田。事实上，零碳园区在近年来得到了日益广泛的关注。值得指出的是，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(净碳排放是指在一定周期内，园区产生的碳排量与园区内碳汇吸收的碳排量之差)[5]。零碳园区是所有园区迭代升级的最终目标，而其演进过程一般可分为3个阶段：低碳园区、近零碳园区和零碳园区。低碳园区是指在园区界限内，通过绿色规划、节能以及固碳等技术，有效控制碳排放总量，争取使得园区碳排放量小于其碳配额量(即达到国家要求此阶段减碳程度)；近零碳园区指的是园区净碳排放量几乎为零，可允许小幅波动；而零碳园区则是在严格意义上，实现动态净碳排放小于等于零的状态。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，也可理解为园区碳排放强度为零，并不包括前期建设或改造过程中的碳排放。值得指出的是，由于企业生产和 居民生活过 程中的碳排 放主要由能 源使用 造成，生物碳排、生活垃圾等排放量具有固定性且数量级较少，本文暂不予分析。园区碳中和是一个系统工程，需从能源、建筑、交通、碳汇与管理等方面入手。在能源方面，需对园区综合能源系统运行全过程进行减碳，并通过参与市场交易对碳减排进行激励[6]；在建筑方面，可采用遮阳板等节能材料，并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；在交通方面，需全面推动电气化，并配置充电站，实现灵活储能和需求侧响应；在碳汇方面，可考虑碳捕捉与封存(carbon capture and storage, CCS)/碳捕获、利用与封存(carbon capture, utilization andstorage，CCUS)、藻类生物反应器、林业碳汇等抵消园区碳排放；在管理方面，需实现数字化、精细化、智能化能源管控和运营物流管控。其中，能源部分涉及源-网-荷-储-市场各环节，与交通、建筑、碳汇交相融合，共同由零碳操作系统(2节将详细阐述)统一管理。国内外在零碳园区方面已经做了一些探索和 提高净零碳能力。“源-网-荷-储-市场”各环节协调配合，共同推动园区能源系统减排进程。1.2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。园区的净零碳能力具有以下4个特点：1）园区本身物理界限分明，生态系统独立。园区作为社会的基本单位，分明的物理边界使得其内外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。但同时要明确核算边界的统一问题，防止园区物理界限和经营界限矛盾导致多计、漏计情况发生，从而为园区碳排放计量提供数据支撑[9]。2）园区运营和管理所有权明晰，各能源子系统行业壁垒问题可以弱化[10]。在减碳的同时，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，提高园区自身在市场中的碳资产竞争力，各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问题大大弱化，有助于系统协同运行，并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的问题，同时为园区综合管理和调控提供一体化决策方案。3）园区内含多种分布式资源，可为园区提供多种减碳途径。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、协调调控等技术手段，减少“弃风、弃光”等新能源损失，这为高比例新能源并网提供了资源支撑。4）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，无不体现了园区的高质量发展趋势，在此过程中，将逐步淘汰高耗能产业，并通过智能化手段改造基础设备，以及引进低碳技术，从而为建设零碳园区提供了驱动力。2园区零碳操作系统要实现园区碳中和，就必须实现园区碳核算、碳管控、碳吸收与碳交易一体化，为此，可构建含 子及运行数据，进而核算每一个环节的时空碳排放强度曲线分布和实时碳排放强度信息，并进行碳排放量合理预测，形成以碳流信息网为主、多信息网为辅的园区信息感知层。平台层包括园区低碳管控平台和低碳经济平台。其中，低碳管控平台负责根据信息层提供的信息进行模拟仿真与优化调度，并将优化结果反馈给信息层进行采集和监视，同时将其传达给经济平台进行交易与分配，并通过信息层对物理层下放运行指令；低碳经济平台负责根据管控平台确定的优化运行结果，进行能源交易、碳配额交易、绿电交易及绿证交易，并结合实际运行状态和交易结果，进行园区碳潜力评估，同时，此平台还将通过低碳管控从市场交易中所得的效益转化为碳资产进行合理分配，最后，将各环节碳减排潜力的量化结果反馈给管控平台，进而为管控平台下个周期的运行指明方向。应用层是园区系统架构的顶层环节，它整合物理层的实时运行状态、感知层的信息分析结果及平台层的系统调控结果，对园区末端用户的生产活动、用能活动和出行活动等进行合理引导，并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。产业运营全局诊断零碳目标测算低碳经济平台碳商品交易碳资产分配碳潜力评估人工智能物联网有线网络信息传输通信技术无线传输零碳专题库信息处理智能数据使能引擎时空碳排曲线...能源网能量耦合设备发电机电动/燃氢汽车交通网充电桩数据中心信息网路由器输电线路输能管道交易命令结果反馈下达命令传达数据传达命令采集、监控结果传达系统调整图2园区零碳操作系统架构Fig. 2Architecture of zero carbon operating system in the park 碳核算、碳管控、碳吸收与碳交易的统一操作系统，如图2所示。此系统可将园区生产环节、交通环节、消费环节以及信息环节等集中调控，对内有助于核算各环节碳排放量，明晰各环节碳减排潜力，以低碳为目标调控各环节运行工况并分配碳收益，同时监视园区碳汇设备运行情况，测算碳吸收量；对外可将园区视为一体化系统进行市场交易，提高园区在市场中的竞争力。本文将此系统称为园区零碳操作系统，它由物理层、信息层、平台层与应用层组成，下文详细介绍各部分构成和功能。物理层由生产环节、交通环节、消费环节、能源环节以及信息环节的实体设备构成，包含车间、设备、电动/燃气汽车、充电桩、用户终端、智能楼宇、发电机、输能管道、输电线路、能量耦合设备、路由器和数据中心等。物理层接收上层调控命令后对各实体设备的运行状态进行调整，并为上层网络提供实时运行状态数据。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信息采集、信息传输及信息处理3大功能。信息层以园区碳排放核算贯穿始终，整合园区生产信息网、交通信息网、消费信息网、上下游信息网等环节时空分布的能流信息，汇总各环节历史及当前的碳排放量、碳排放因应用层用户终端平台层模拟仿真低碳管理平台运行调度优化规划信息层碳排放监测信息传感态势感知传感器云计算物理层车间生产网设备消费终端消费网智能楼宇状态传达信息采纳 提高零碳园区减排效率[11]。目前的碳排放核算标准主要有国家、城市、企业和行业级别[11-17]，园区级别的碳排放核算处于城市和企业之间，既不能作为一个城市来计量，也不能将多企业共生关系简单囊括为一家企业。本节从碳排放核算要素、碳排放核算方法及碳排放核算系统3方面进行阐述。4.1碳排放核算要素1）核算边界。园区碳排放核算技术边界范围目前还缺乏界定，存在地理边界和数据统计边界难以统一的矛盾[18]。园区数据统计边界往往包含园区内注册的所有达到一定规模、资质、限额的“四上企业”(规模以上工业企业、资质等级建筑业企业、限额以上批零住餐企业、规模以上服务业企业等这四类规模以上企业的统称)，而园区内部经营复杂，存在注册在园区内，经营在园区外以及与此相反的两类情况，需尽快界定园区碳排放核算技术按照物理边界还是数据统计边界进行统计。2）核算对象。《企业价值链(Scope 3)标准》划分了企业生产经营过程中温室气体排放的核算对象，具体可分为3个层次[18]，齐静等人根据已有划分研究总结出园区的温室气体排放对象[9,16,19-20]：层次1：园区进行生产运营过程中产生所有的直接排放；层次2：园区从能源链上游为生产活动所购买的电、热等能源的间接排放；层次3：园区层次2之外的上中下游一切间接排放。对于核算气体，生态环境部发行的《碳排放权交易管理办法(试行)》规定了7种温室气体[21]，园区温室效应贡献主要集中在CO2、CH4和N2O，也需考虑电解铝工业等非CO2重点排放园区的特殊性[9,22]。3）核算结果表征。碳排放核算主要有3种表征方式和评价方式：CO2量、CO2当量和碳排放强度。当排放气体以CO2为主，则使用CO2量表示；当考虑CH4、N2O等多数温室气体的综合核算时，应使用基于全球变暖潜势的CO2当量来表示；碳排放强度定义为园区整体或园区内各环节、各设备的单位GDP/产量的对应的CO2排放量，在评价园区时空分布的碳排放水平方面，碳排放强度更能体现园区当前排放现状和减 3零碳园区研究框架分析零碳园区研究框架大体可分为3个层面：园区碳排放核算技术、园区低碳经济体系与园区低碳管控技术。其中，园区碳排放核算技术首先可以准确计算园区各层级的碳排放量，其次可以量化园区整体、各能源子系统以及各设备元件的碳减排能力；园区低碳经济体系将量化后的碳减排能力进行商品化与市场化，形成经济效益并根据园区内各部分碳贡献进行合理分配；园区低碳管控技术进行低碳优化