共“碳”究竟！零碳园区综合能源规划的实施路径及关键技术研究
发布日期：2023/4/10
目前零碳园区的相关标准、法规、碳交易市场等环境尚待进一步完善。从国内外对低碳、零碳园区评价导则可以了解，我国对低碳园区评价主要包含能源（包括能源产生率、可再生能源利用率等）、建筑、交通、给排水、废弃物、碳汇等方面。因此，零碳园区的能源规划将是零碳园区建设规划中重要的一环。
大量的研究与工程实践表明，建立零碳园区的综合能源系统势在必行。目前，国内外针对园区的综合能源系统规划、多能互补、储能、建筑节能等领域均已经展开了研究，但是从零碳园区的顶层设计出发，将多学科的融合以达到实施的路径和方案缺少系统性的梳理和归纳。
本文提出零碳园区的实施路径，并对实施路径中的关键技术和现有研究成果进行总结归纳，提出多学科交叉融合的解决方案，并结合零碳园区的现状提出适合的研究思路和方向。
零碳园区综合能源规划
的现状和实施路径
零碳综合能源系统目前存在4M难题，即多源（MultiSources）、多荷（Multi Demands）、多能转换（MultiStorage）、多目标（Multi Objectives）。综合能源系统中不确定因素存在于能源生产、转换、消纳的全过程中，且不确定性相互耦合，共同影响着能源的供需平衡关系。
零碳园区要实现“零碳”的目标，实施路径可以分为三个阶段。首先能源匹配，应在“源”侧充分体现“因地制宜”的原则，尽可能更多的利用可再生能源、热电联产、氢燃料电池、P2G、热泵技术等，提高碳补偿的额度。
在“荷”侧，对需求进行精准预测，并充分考虑能源政策、需求响应、能源价格等一系列影响，优化用能效果。
其次能源交互，在“网”侧，充分考虑电、气、冷、热各类异质能源互补，提高能源使用效率。在“储”侧，考虑储电、储冷、储热以及荷侧灵活资源呈现的“虚拟储能”效应。在源网荷储协同互动的情况下，促进精准的“源荷”匹配。
最后系统优化，在多目标、多因素的情况下，设定规划的目标及优化线路，将二氧化碳净排放为零设定为约束指标，综合考虑建设成本、运营成本、能源收入等参数，采用数字化手段，对规划进行验证，最终得到经济、环保、节能的最佳规划方案。
零碳园区规划的实施关键技术
▌负荷预测
园区负荷按照负荷行业主要包括：工业负荷、建筑负荷、交通负荷等。在负荷预测中需充分考虑需求响应对负荷的影响。
工业负荷是工业园区负荷中重要的一部分，长期负荷受到区域发展、市场因素等多方面影响，短期负荷预测受到天气、季节、电价等多方面因素影响。目前国内外学者对于工业负荷预测的研究主要分为三类：基于统计模型的预测方法、基于机器学习的预测方法、基于以上预测方法的组合预测方法。
建筑负荷预测采用人均综合用电量指标法（总规阶段）和单位建筑面积负荷指标法。这样虽然可靠性较强但容易造成设计冗余。而为了方便工程人员使用，集成化的软件辅助设计工具被广泛应用在建筑优化设计中。潘毅群等提出可采用统计模型与物理模型相结合并融入情景分析法的预测方法。孙超等提出了一种改进反向传播神经网络的楼宇负荷预测方法。
交通负荷预测主要跟园区车辆类型及性能、路网结构、充电设施充足性、用户行为等因素有关。园区的储能充电桩具有良好的经济效益，投资回收期可达5—7年，另外还可以作为园区储能容量的扩充。
需求侧响应是改变用户用能方式，优化负荷分布、提高电能利用效率的重要举措。传统电力需求响应的调节方式主要为削减或在时间上平移主动负荷。随着综合能源系统技术的发展和落地，延伸出了综合需求响应的概念，将电/热/冷/气等多种能源之间的转换、互补融入到用户用能调节手段中，极大增强了用户侧调节的灵活性。
1）太阳能的应用
太阳能的利用主要分为太阳能光伏发电、太阳能光热供热利用。零碳园区中可以在光伏遮阳亭、光伏车棚、光伏采光顶、光伏玻璃幕墙、太阳能热水中有多种应用场景。太阳能利用的规划应对光伏发电、光热供热两种方案进行分析比较。
光伏利用的地理潜力分析主要包括建筑屋顶总面积估算、建筑阴影遮挡分析、不可利用屋顶面积估算、植被遮挡分析，以及建筑屋顶光伏有效利用面积估算。光热利用的潜力分析主要包括集热器总面积、集热效率、运行天数、集热面积等来进行估算。
目前，大多数设计规划单位采用的概率预测技术，即光伏的发电预测公式来分析光伏的发电性能。考虑多重不确定性的分析方法将优化综合能源规划与运行。几种常用的不确定性分析方法主要有鲁棒优化、概率方法、随机规划、模糊规划等。
2）风力发电的应用
风电通常在园区的应用以小型风电为主，然而在园区规划少量大型风电机组则具有更好的减碳效果。例如，北京的金风智慧园区、远景智慧能源产业园。由表1可以看出，园区风电具有较好的经济性。另外，不确定性的分析方法同样适用于风电的规划中。
3）地热能的应用
零碳园区内的地热能要按照梯级利用的理念进行规划应用。浅层地热能的利用开发是主要的开发方向，具有开采容易、运输距离近的特点，可以为园区特别是建筑提供空调和采暖系统的稳定冷热源，最典型的工程应用有地源热泵技术等。
另外，地热能与太阳能、天然气等其他可再生能源形成的综合能源利用，可以更好的提升能源利用效率。中国最大的多能互补地源热泵工程-北京大兴国际机场，耦合了烟气余热、污水余热等可再生能源，形成了多能互补地源热泵系统，实现了可再生能源利用率10%的建设目标。
▌能源交互
1）能源转换
充分利用能源的转换及利用，将更加有效的提高能源综合利用率。如在上海世博能源站（商业楼宇）中供冷量不足时由电空调、水蓄冷来补充，供热量不足时由燃气锅炉、水蓄热来补充的集中供能方式。能源系统的一次能源综合利用率分别提高9.11%和8.79%。
2）储能
新型储能将在发电侧、用户侧和电网侧等多场合得到应用。然而，国内的储能的市场激励机制正在起步阶段。在容量价值方面，储能可以提供紧急容量支撑、减少基本电费支出等；在能量价值方面，储能可以实现削峰填谷价值、消纳弃风弃光等；在辅助服务方面，储能还能实现调峰服务、调频服务、黑启动等。
目前，储能已体现出较好的市场价值。以10kV工业用户侧，每天循环重放电2次，按充放电电能攻率为90%计算，峰谷电价差为0.9385元，每年容量收入为340元/a，按1500元计入容量成本，需4.5a收回成本。另外，广义的储能还包括储热、储冷、储气、储氢等；建筑能源中的空调系统也具备一定的热存储能力，特别是在园区的规划中应充分发挥空调系统的柔性负荷和虚拟储能作用。
3）氢能
由于氢能储存的容量大、时间长，因此可以和传统储能得到很好的互补作用。而制氢还可以用于交通领域，相关研究已经得到了广泛关注。有研究表明，在工业、加氢站、光伏、风电场等场景制氢，“富余可再生电-电解槽制氢-储氢”制氢系统内部收益率＞8%，经济可行。随着制氢设备的投资成本、制氢电价下降，制氢系统的内部收益率将持续增加，预计2030年突破15%。
▌系统优化
1）能源集成
零碳园区能源网络是一种耦合网络，包含多能域物理量(电、热/冷、气等)。根据蒸汽的流动能、电能和热能对外界做功的能力是不同的价值，从而引出了㶲以及能级的概念，可以实现节能和经济的统一。因此，在零碳园区的系统集成中可以首先根据园区的各种能源关系，建立电、冷/热、气能量和㶲的传递与转换方程；
其次提出综合能源网络损耗及能流优化计算的统一建模方法；根据能量转换的㶲经济性设定优先次序，最后构建能源网络节点间电、冷/热、气能源的传输损耗方程和多目标优化方程。实现多种能源的品位互补、时空互补、负荷互补。
2）规划模型
国内外学者在基于综合能源规划模型方面做了大量研究，取得较多突破性成果。我国工程热物理学科奠基人吴仲华院士从能量转化的基本定律出发，提出了著名的“温度对口、梯级利用”原则；
华南理工大学提出基于多目标优化和动态博弈方法的综合能源系统运行优化方法；瑞典皇家院士Andersson利用能源集线器描述多能耦合关系，并进行最优潮流计算。天津大学提出了采用全尺度模拟的两阶段规划技术，并优化了变量实现了高效运行规划。
▌零碳管理系统
园区层面通过碳核算、碳评价，形成碳资产的合理运营与价值化是是推动园区深度减排，从而实现零碳目标的关键驱动力。
1）园区碳排放核算
目前碳排放核算在全球、国家、企业、行业等层面已经有大量研究，但在园区层面的碳排放还缺乏统一的标准或指南。
碳核算主要方法分为基于计算（包括排放因子法、物料平衡法）和基于测量（即实测法）。排放因子法是采用排放数据与排放因子的乘积的方法；物料平衡法是根据质量守恒定律，用输入的含碳量减去输出的含碳量的方法；实测法则是采用设备仪器实测的数据汇总的方法。我国园区碳核算的常用的方法是基于世界资源研究所(WRI)范围划分的IPCC指南方法(WRI和WBCSD，2014)和LCA方法。
2）数字化碳管理平台
零碳园区必须建立能够实现综合能源管理和碳核算的数字化管理平台，对园区的日常管理、能源管理、零碳管理、能耗管理、金融管理等建议统一的管理架构，如图所示。
针对零碳园区的能源规划，其实施路径可以分为：能源匹配、能源优化和系统优化三步骤。关键技术包括负荷预测、能源规划、能源交互、系统优化、碳核算和数字化管理等内容。
在负荷预测时，要采用先进的规划方法对园区内的各项水、电、气等负荷进行综合预测；在能源规划时，优先使用可再生能源，屋顶光伏、分散式风电、地源热泵等均在工程实践中被证实有良好的经济效益；在能源交互时要充分考虑多种能源互补和转换的条件和优先级，充分发挥储能的作用；
在系统优化时，应建立统一综合的能源管理系统，要在规划阶段就将电、气、冷、热多种能源进行统一考虑，建立统一电气热耦合网络；要将零排放作为项目规划中重要的参考指标并在此基础上建立能够实现综合能源管理和碳核算的数字化管理平台。
来源： IESPlaza综合能源服务网
