2025零碳园区研究现状、挑战与未来展望

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2025年7月13日 零碳园区 研究现状、挑战与未来展望 构建可持续发展的绿色未来 陈艳波、张宁、李嘉祺、方哲、吴适存、梅生伟、陈来军 华北电力大学 | 清华大学 | 青海大学 引言：碳中和背景与园区重要性 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。" 园区是落实我国"双碳"战略的重要抓手和天然试验田 2 / 18 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 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 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 3 / 18 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 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 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 交通 全面推动电气化与充电站配置 碳汇 CCS/CCUS、藻类生物反应器等 管理 数字化、精细化、智能化管控 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 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 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。 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 园区通过五大方面的协同作用，形成完整的零碳减排体系 4 / 18 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。 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 5 / 18 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 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 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 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 园区零碳操作系统架构 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 零碳操作系统是园区实现碳中和的核心管理平台 6 / 18 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 7 / 18 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 8 / 18 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 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 9 / 18 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 激励继续减碳 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 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 10 / 18 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 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 11 / 18 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 效益实现 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 能源利用效率 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 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 12 / 18 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 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 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 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 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 能量转换技术 CCHP (冷热电联产) CHP (热电联产) P2G (电转气) 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 13 / 18 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：压缩空气、飞轮储能 建筑材料 外墙材料 有机保温材料： 抗压性好，导热系数低， 但燃点较低 无机保温材料： 保温性好，但吸水后性能 降低 有机无机复合材料： 强度高、保湿隔声性 能高且耐火性好，但成本较高 门窗材料 门窗能耗占建筑能耗约40% 中空玻璃：应用广泛，成本较低，节能保温 效果较差 真空玻璃：节能效果好，但成本较高 低辐射玻璃：大幅降低热量传递，节能效果 极佳 CCUS技术 碳捕集技术 燃烧前捕集： 华能集团建成世界最大规模装 置，二氧化碳回收率达90% 燃烧中捕集： 瑞典已建成世界首例示范装 置，中国、意大利等建成试验平台 燃烧后捕集： 吸收法最成熟但污染大能耗 高，吸附法和膜分离法能耗低污染小 碳利用与封存 化学利用： 通过化学键精准调控将CO₂转化 为甲烷、甲醇等化学资源 生物利用： 藻类碳汇吸收固定作用强，福 建已建设微藻固碳科技项目 地质利用与封存： CO₂强化驱油和海底咸水 层地质封存技术较为成熟 零碳园区运行调度 园区运行调度需考虑多种因素的协同优化，实现零碳目标与经济效益的平衡 14 / 18 减碳设备运行机理 灵活运行的碳捕集电厂(FCCPP)：具有下 调峰能力，但上旋备用不足 电转气技术(P2G)：可在可再生能源高峰期 将多余电量转化为甲烷 两阶段P2G模型：直接利用氢气燃烧供电供 热，提高减排潜力 需求响应机制 分为价格型和激励型两大类需求响应 动态碳排放因子引导用户参与需求响应，促 进绿电消纳 碳交易价格嵌入系统节点边际电价中激励需 求响应 多能互补协调运行 能源耦合设备和输能线路的精细化建模与变 工况特性 能源梯级利用：将热能负荷分为高级、中级 和低级热能 氢能网络与电-气-热-冷多能体系的融合 多重不确定性条件 分布式可再生能源、电动汽车等资源的随机 性与波动性 网侧多能流在流体惯性及耦合设备效率不确 定性影响下的变化 碳商品市场发展导致的价格波动 园区多主体博弈 博弈模型可应用于碳效益分配和运行机制 富余电园区可通过能量销售给缺电园区，实 现互惠共赢 园区能源销售商和负荷聚合商的经济调度博 弈 碳商品市场影响 碳交易机制将环境效益以碳排放量和价格形 式转化为经济效益 阶梯式碳交易价格机制减排效果优于传统单 一价格机制 市场出清价格机制在自主性和优化市场资源 配置方面具有优势 需求响应与多能互补协调运行 零碳园区需求响应研究现状对比 未来展望：构建园区广义需求响应管理系统，促进多能互补一体化发展 15 / 18 需求响应研究现状 价格型需求响应 动态碳排放因子引导 动态市场碳配额变化引导 碳交易价格嵌入节点边际电 价 激励型需求响应 经济补偿机制 碳补偿机制 源侧和枢纽侧碳补偿激励 研究不足 缺乏构建激励型低碳需求响应的补偿机制 不同引导信号下的碳效益、经济效益量化比较不足 需进一步研究能量转换、存储设备和电动汽车的综合需求响应能力 多能互补协调运行研究进展 多能耦合研究 电 气 热 冷 氢 研究重点与进展 设备变工况特性建模： 需平衡计算效率与模型精确度 能源梯级利用： 主要针对热能的阶梯式利用研究，其他能源利用不足 氢能研究： 被称为21世纪的"终极能源"，但园区普及度不高，研究集中于氢 燃料电动车、氢燃料电池等 多时间尺度优化： 多能流动态特性差异大，需考虑不同能源操作系统的多时 间尺度特征 零碳园区建设的挑战 科学维度 技术维度 科学挑战 技术挑战 园区碳中和是涉及自然与社会、科学与技术以及政策等多维度的转型发展难题 16 / 18 1 经济发展、能源消费与碳排放之间的相互作用机理 如何从理论上揭示经济发展、能源消费与碳排放之间的相互作用机 理，在保证经济发展和践行"双碳"的前提下，实现科学发展、绿色发 展与可持续发展的平衡 这是突破零碳园区形态模式、路径优化和关键技术需解决的首要问题 2 多能流-碳平衡机制与全生命周期碳循环机理 能否从理论上揭示多主体联合和多环节融合形态下园区多能流-碳平衡 机制与全生命周期碳循环机理，研究多主体联合和多环节融合形态下 园区多能域物理量和碳的传递、耦合和转换的普遍规律 这是实现零碳园区规划配置和能源高效管控的又一科学问题 1 多时空碳排放流建模方法与计量工具 可再生能源并网和储能技术应用带来碳排放流时空特性的挑战，需要研 发可实时计量、可溯源、可追踪的碳表设备与园区碳排放流信息一体化 平台 2 零碳园区分层控制架构体系 传统集中式控制方式在高比例可再生能源、分布式资源和产消者并存的 园区中面临挑战，需要构建适用于多种主体并存的分层控制架构体系 3 面向"双碳"目标的多市场耦合机制 碳交易市场、绿电市场、绿证市场等多市场耦合机制亟待完善，如何优 化多市场机制以促进零碳园区建设是当前面临的重要挑战 零碳园区研究展望 图 7 零碳园区研究挑战与展望 未来发展趋势 智能化 一体化 电气化 零碳园区是我国实现碳中和目标的重要抓手和实践平台 17 / 18 分层控制架构体系构建 零碳园区需要构建适用于多种主体并存的分层控制架构体系。 上层控制：通过园区零碳操作系统进行集中式调控 下层控制：各分布式资源进行分布式控制，共享信息并能独自决策 智能化算法：不同层级控制器依赖不同算法，满足复杂系统的智能化需求 多市场耦合机制设计 面向"双碳"目标的多市场耦合机制研究是零碳园区建设的重要方向。 碳配额方案：寻找适合中国国情的绿电配额方案，推进配额制落地 跨区域传输：解决绿电跨区域传输问题，构建多区域公平定价机制 市场协同：研究碳交易、绿电交易、绿证交易等多市场协同运行机制 低碳管控政策完善 完善低碳管控政策，促进园区可持续低碳发展。 广义需求侧响应：研究面向广义需求侧响应的综合技术 政策体系：建立健全