3万字全文！零碳园区研究综述及展望

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第 44 卷 第 14 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.44 No.14 Jul. 20, 2024 5496 2024 年 7 月 20 日 Proceedings of the CSEE ©2024 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.231293 文章编号：0258-8013 (2024) 14-5496-21 中图分类号：TM 73 文献标识码：A 零碳园区研究综述及展望 陈艳波 1，张宁 1*，李嘉祺 1，方哲 1，吴适存 1，梅生伟 2，陈来军 3 (1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206； 2．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084； 3. 新能源电力系统智慧运行教育部重点实验室(青海大学能源与电气工程学院)，青海省 西宁市 810016) Review and Prospect of Zero Carbon Park Research CHEN Yanbo1, ZHANG Ning1*, LI Jiaqi1, FANG Zhe1, WU Shicun1, MEI Shengwei2, CHEN Laijun3 (1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. Department of Electrical Engineering and Applied Electronics Technology, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 3. Key Laboratory of Intelligent Operation of New Energy Power System of Ministry of Education (School of Energy and Electrical Engineering, Qinghai University), Xining 810016, Qinghai Province, China) ABSTRACT: As an important carrier of national production and life, the park has also become an important source of carbon emissions due to its provision of huge amount of energy activities and service facilities. The park has obvious physical boundaries, independent ecosystems, clear operation and management rights, making it a natural experimental field for practicing carbon neutrality. This paper first introduces the typical composition of zero-carbon parks and the analysis of their net zero-carbon capabilities. Next, the development form of zero-carbon parks is analyzed from the four levels of physical layer, information layer, platform layer and application layer, and zero carbon operating system in the park is constructed. Then, the key technologies of zero-carbon parks are analyzed, and the existing research of zero-carbon parks is summarized in three aspects: the carbon emission accounting technology of the park, the low carbon economy system of the park, and the low carbon management technology of the park, and the shortcomings of existing research and future research directions are also analyzed. Finally, the challenges and prospects of zero-carbon park construction are proposed. KEY WORDS: zero carbon park; carbon emissions; energy transformation; carbon trading market; operations and planning 摘要：园区作为国民生产、生活的重要载体，提供了大量的 基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFB2601502)；青海省帅才 科学家项目。 National Key R&D Program of China (2021YFB2601502)；Project of Outstanding Scientists in Qinghai Province. 能源生产活动和基础服务设施，同时也成为碳排放的重要源 头。园区物理界限分明，生态系统独立，运营管理权明晰， 使得园区成为践行碳中和的天然试验田。首先，介绍零碳园 区的典型构成，并对其净零碳能力进行分析；其次，从物理 层、信息层、平台层、应用层 4 个层面分析零碳园区发展形 态，提出园区零碳操作系统的架构；然后，对零碳园区的关 键技术进行分析，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 个方面对零碳园区的研究现状进行 总结，同时分析现有研究的不足和未来研究方向；最后，提 出零碳园区研究的挑战与展望。 关键词：零碳园区；碳排放；能源转型；碳交易市场；运行 与规划 0 引言 当前，气候变化和能源危机是人类可持续发展 的关键制约因素，节能减排和绿色发展成为全球共 识。2020 年 9 月，我国提出“30⋅60”碳达峰、碳 中和目标[1]，国家相继出台多部“双碳”法律，践 行“双碳”战略成为高质量发展的必然要求[2]。 作为我国经济发展的助推器，园区是碳排放的 关键源头。从能源角度来看，工业园区耗能占全国 耗能 69%，其碳排放量占全国总碳排放的 31%[3-4]； 从民生和发展角度来看，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，各种园区也因此成为我国工业化、 低碳化、城镇化发展的高质量平台。园区作为社会 的基本单位，将国家、城市、产业、组织、企业与 个体紧密联合，其物理界限分明，运营和管理所有 第 14 期 陈艳波等：零碳园区研究综述及展望 5497 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 and storage，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 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 5498 中 国 电 机 工 程 学 报 第 44 卷 光伏 电力网 风电 配气网 冷热电三联供 电锅炉 吸收式制冷机 冰蓄冷空调 电负荷 热负荷 冷负荷 储热 储氢罐 储气 储电 P2G 电力网 热力网 天然气网 冷网 燃气锅炉 地热 氢负荷 气负荷 氢网 交通负荷 电动/燃气汽车 交通网 源 网 储 荷 园区综合能源系统 园区零碳操作系统 信息交互 模拟仿真平台 调度管理平台 交易分配平台 互联监管平台 碳商品-能源耦合市场 碳配额交易市场 绿电交易市场 绿证交易市场 能源交易市场 商品 交易 政府引导 政策保证 CCUS\CCS 碳汇 藻类生物反应器 林业碳汇 碳交互 建筑 建筑选材 建设方案 物理承 载形式 碳表安装 系统管理 图 1 零碳园区减排体系 Fig. 1 Zero-carbon park emission reduction system 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 第 14 期 陈艳波等：零碳园区研究综述及展望 5499 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 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。 应用层 用户终端 产业运营 全局诊断 零碳目标测算 平台层 模拟仿真 低碳管理平 台 运行调度 低碳经济平 台 碳商品交易 碳资产分配 优化规划 碳潜力评估 信息层 碳排放监测 信息传感 态势感知 传感器 云计算 5G 大数据 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 ... 物理层 车间 生产网 能源网 能量耦合设备 设备 发电机 电动/燃氢汽车 交通网 充电桩 消费终端 消费网 智能楼宇 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 状 态 传 达 信 息 采 纳 图 2 园区零碳操作系统架构 Fig. 2 Architecture of zero carbon operating system