基于多市場聯動的區域能源系統低碳路徑研究

趙國濤，丁泉，付軍華，錢國明，陳穎，黃超

(1.國電南京自動化股份有限公司, 南京市 210032；2.山東省濟南生態環境監測中心，濟南市 250101；3.廣州賽寶認證中心服務有限公司，廣州市 510610)

0 引 言

作為“可期的未來能源系統形態[1]”和“集能源組合供應式、新技術融合式、一體集成式3種業務形態于一體的新的能源模式[2]”，能源互聯網背景下的區域綜合能源系統，正日益成為各方關注的焦點。目前有關該系統的研究，主要集中在3個方向：體系的評價與規劃方面[3]、仿真建模方面[4]和系統優化調度方面[5]。

大致上，國內多數研究尚處于自身體系理論設計階段[6]，至多開始嘗試由概念導入、市場孵化到市場驗證的轉變。國外的區域能源系統，一般以發展新能源為重點，以分布式發電和聯產聯供(如美國)為主要特點，著重體現系統的開放性與靈活性(如丹麥[7])，發展系統內部信息流(如德國)和系統間能量流(如英國)的集成技術，關注能源系統與社區服務的一體化集成(如日本)，重視氫能等新能源應用[8]。

綜合來看，國內外的研究多集中于區域能源系統自身的建設，而對于系統之外市場的關聯分析以及在環境效益方面的專題性討論，則是鮮有觸及。少數涉及環境效益評價方面的研究，一般也是結合經濟收益分析，從能效利用、開放共享等角度，對指標體系進行綜合性評判，以考察其建立的合理性，從而為系統規劃階段提供前置性指導[9-10]。這些研究在評價角度的選取方面，尚存在一定的局限性，沒有更多體現綠色發展的理念。因此有必要從“綠色、低碳”角度，研究區域能源系統的環境效益問題。畢竟，“多源多網泛在互聯、多源協同與低碳高效都是能源互聯網的基本特征”[11-12]。

要研究系統的“低碳”問題，首先要確定低碳目標實現的量化指標。按照聯合國氣候變化政府間專家委員會每年發布的《氣候變化報告》，通常以研究區域內人均碳排放量作為量化指標。其次要確定實現低碳目標的方式，包括一些因客觀因素無法量化的信息，也需要納入區域內“低碳”問題規劃與評估。

本文在已有項目實踐(新能源微電網+園區多類型能源管理平臺)的基礎上，以市場交易與區域能源系統的關聯為切入點，關注系統的環境效益問題，以CO2減排量的量化分析為主線，建立區域能源服務“碳中和”信息管理系統；并以此為基礎，提出在多交易市場聯動機制下，系統運行過程中低碳目標的實現路徑。進而，構建有關區域能源系統的特定應用場景，用例證進一步闡述低碳目標的實現過程，為研究系統的低碳經濟運行問題提供思路與借鑒。

1 “碳中和”信息管理系統

為研究區域內低碳目標的實現，而建立的“碳中和”信息管理系統，主要由碳排放源清單、減碳量核算與評估機制、碳排放信息管理平臺以及各種技術和管理措施等4個方面的內容組成，其設計思想如圖1所示。分別介紹這4個方面內容如下。

1)碳排放源清單。

通過對研究區域內生產企業、商業服務和生活區域等方面的調查，建立區域碳排放源清單。按照方法學的要求，對影響整體碳排放水平的重點單位進行監測和碳排放量核算，并確定有減排潛力的環節。對于暫時無法準確獲得排放信息的排放源，可通過估算，盡可能完成統計拼圖。

2)減碳量的核算與評估機制。

根據地域和應用場景選擇相應的參數，確定項目基準線與邊界條件，按照國家已經頒布的各類方法學的規定，對項目碳減排量進行計算，并通過第三方機構的審核后，在管理部門進行備案。另外，系統中各能源主體須通過技術進步和管理創新，不斷挖掘減碳潛力，建立相應的評估制度，以檢驗技術改進的成效。這些核算與評估過程，可通過“碳中和”信息管理系統進行運作。

圖1 “碳中和”信息管理系統思路設計圖Fig.1 Design drawing of “carbon neutrality” information management system

3)碳排放信息管理平臺。

區域能源系統中產生碳排放數據的來源復雜、更新快且累積量大，需要建立一個碳排放信息管理平臺進行管理，在此平臺上，可實現對碳排放行為在不同環境下的大數據分析。平臺通過數理統計分析，找出規律性和缺陷，為區域能源系統管理提供技術性支撐，這也是能源互聯網建設的基本要求。

4)技術和管理措施。

根據排放源的規律和特點，采取相應的技術改進與管理升級手段，采取糾正和預防措施，充分挖掘系統的減排潛力，以實現碳排放信息統計的初衷和目標。

綜合上述內容，即可構成區域能源服務的“碳中和”管理系統。這個管理系統的建立與能源供應、發配售服務、能效管控和需求側響應等要素密切相關，也與新能源微電網系統、增量配電網和各類儲能系統的支撐作用緊密相連。因此，“碳中和”管理信息系統的建立，為系統內低碳路徑的實施提供了基礎與保障。

2 多交易市場聯動機制

目前，在我國能源領域存在多種交易市場，例如碳交易、綠證交易、電力市場交易、節能量交易[13]、用能權交易[14]和排污權交易[15]等。這些隸屬于不同主管部門的交易市場，基本處于相對分隔的狀態，尚無一個核心的定義與機制將其有機關聯起來。對于區域能源系統而言，可以考慮以“碳中和”概念為核心，將不同類型的市場進行連接，形成聯動機制，以實現系統范圍內碳排放信息的核算與管理過程的可控性，如圖2所示。

由圖2可看出，“碳中和”信息管理系統包括管理平臺、支撐體系和市場交易3個部分。有關市場機制設計方面的內容，簡要分析如下。

2.1 各交易市場的協同減碳

1)碳交易市場。主要是指自愿減排機制和碳普惠機制這兩種類型。按照方法學的規定，在這兩種機制下的可再生能源發電，都能夠產生相應的碳減排量。

2)電力交易市場。現有電力市場規則下，可再生能源消納基本都可以被保證優先消納。另外，在“就近消納”原則下，新能源微電網與用戶之間的交易(B→C)、微電網與微電網之間的交易(B→B)、產/耗用戶與微電網之間的交易(C→B)以及用戶與用戶之間的交易(C→C)等過程中也都存在可再生能源的消納。這些交易的可再生能源發電量，也都可以折算成減碳量。

圖2 多交易市場聯動減碳機制設計圖Fig.2 Design drawing of multi-trade market linkage mechanism for carbon reduction

3)綠證市場。作為替代財政補貼政策的一種市場形式，可再生能源證書及其電能量交易，對于在調整能源結構布局、減輕消納壓力、創新商業模式等方面都有著不可替代的作用。綠證市場所涉及的可再生能源電能量交易，在一定的市場識別規則下，可折算成減碳量。

4)節能量市場。節能量交易及其白色證書制度，本質上是在綠色發展理念下的一種節能市場約束和激勵制度。僅就項目節能量而言，市場產生的節能量配額經核證后，可以進行市場交易。而這些被交易的項目節能量，在可識別場景下，也能被折算成減碳量。

5)用能權市場。用能權市場與節能量市場存在密切的關聯，其交易的用能總量指標，在一定的場景下，可以換算成節能量，進而折算成碳減排量。

6)排污權市場。從銜接角度看，排污權交易與碳排放權交易是可以進行融合，并被統一進行監管的[16]。從定量分析角度看，企業富余的排污權配額，可折算成為處理相應當量的污染物而消耗的節能量，進而折算成減碳量。

總之，借助上述幾個市場，可完成系統條件下協同減碳的目標。在這些過程中計算或折算的減碳量，都可納入到“碳中和”信息管理系統中。

2.2 各交易市場之間的關聯分析

1)碳市場與電力交易市場。從歐美國家的實踐經驗[17]看，碳市場的價格與發電機組的邊際報價存在一定的相關性。由此產生的發電成本變化，會影響電力投資策略，進而影響可再生能源的消納能力，最終也會影響減碳量的核算。因此，有必要進行碳市場和電力交易市場的統籌設計，建立有利于綠色低碳發展的電-碳聯合市場。

2)碳市場與綠證市場。兩者都是實現溫室氣體減排的市場化手段，綠證價格的變化能夠促使火電企業能源結構的調整；而碳價的高低則會直接影響企業的減排效果[18]。具體業務中，要注意避免減碳量重復計算的問題。

3)碳市場與用能權市場。用能權交易機制建立在實現能耗總量控制目標之上，主要從供給側約束用能行為，實現節能降耗的目標[19]。與碳排放權交易相比，二者從本質上都能促進溫室氣體的減排，因而具備運營市場機制，是發揮協同作用進行能耗控制的基礎。

4)節能量市場與用能權市場。兩者都是針對重點用能企業，從制度上控制能耗數量和比例，以保證區域節能降耗目標的實現。如何進一步改進與融合兩種交易機制，對于企業的節能減排和降本增效十分重要，也會對系統內減碳量的折算產生影響。

5)碳市場與排污權市場。兩者在理論基礎、交易模式和監管機制上，存在實現融合互補的可能性。可以考慮在涉及碳交易和排污權交易時，將配額發放、數據核查、監測信息審核以及履約跟蹤等多個環節統一進行設計管理。

以上就是利用多交易市場聯動機制實現減碳目標的主要內容。這個機制的核心目標是綜合多種市場力量，以解決能源和環境問題為出發點，構建全方位、多層次的低碳實施路線，以實現區域能源系統內的“碳中和”。

3 應用場景下的低碳目標實現與分析

本文在已有項目實踐的基礎上，構建一個區域能源系統應用場景，針對以上研究思路，以例證方式展開進一步分析與討論。

3.1 應用場景的構建

所構建的應用場景，其能耗情況、能源供應和綜合能源服務方案，簡述如下。

1)區域內能耗概況。

選擇一個具有生產、商住、服務等完備功能的經濟技術開發區作為研究對象。該區域占地15 km2，人口約20萬，并配備區域、街區和用戶等3級能源系統；區域內用能需求主要集中在采暖、供冷、建筑電氣、炊事用氣和生活熱水，年度累計能耗約27.6萬tce；另外，每年處理垃圾量約26 000 t。

2)區域內能源供應概況。

該區域內電能供給主要來自4個方面：外購電需求(4 000 (kW·h)/(a·人))、天然氣冷熱電三聯供分布式機組(3.625×107Nm3)、光伏(裝機容量16 MW；發電量23.03 (GW·h)/a)和沼氣發電(5 400 Nm3/h)；另外，燃氣鍋爐(供熱)耗氣15 313.6×104Nm3/a，生活用氣264 000 GJ/a。

3)區域內綜合能源服務概況。

在該區域建設能源與信息深度融合的主動配電網系統，其供能方式是以“綜合能源站”為核心，并配備多類型儲能裝置，可實現高品位電能、低品位熱、冷能源的搭配利用，一次能源綜合利用效率到80%以上。該區域的綜合能源服務規劃情況如圖3所示。

3.2 低碳目標相關的可量化計算

根據前述應用場景里的基礎數據，有關研究區域內低碳控制目標的實現，可量化計算部分簡述如下。其中，對于非減排項目，選用的二氧化碳排放因子來自國家應對氣候變化戰略研究和國際合作中心發布的《2011年和2012年中國區域電網平均二氧化碳排放因子》，取華北區域電網因子0.8843 kg/(kW·h)；對于減排項目，所取二氧化碳排放因子，來自生態環境部應對氣候變化司頒布的《2019年度減排項目中國區域電網基準線排放因子》，取華北地區的參數。

圖3 與碳減排相關的綜合能源服務應用場景圖Fig.3 Scenario diagram of application for integrated energy services related to reduction of carbon emission

3.2.1區域內主要能源產生的排放量

根據用戶側負荷需求，天然氣機組運行采取“以熱定電”的原則，結合前述基礎數據，區域內主要能源碳排放情況計算如下。

1)外購電碳排放。

假定外購電中控制的比例為：清潔電力60%+傳統火電40%，此購電比例可通過電力交易市場實現，所購綠電的識別可通過購電合同進行確認。計算外購電碳排放量Q1為：

Q1=Q外購×η1

(1)

式中：Q外購為實際外購電量；η1為所在區域電力排放因子，華北地區排放因子取0.884 3。

Q1=(4 000×200 000×10-3×0.884 3 ×
40%)萬t/a=28.3萬t/a。

(2)

2)供熱燃氣鍋爐碳排放。

鍋爐用天然氣燃燒產生碳排放，屬于碳排放方法學的計算范疇。燃氣鍋爐產生的碳排放量Q2為：

(3)

式中：V供熱為供熱用耗氣量；λ1為鍋爐燃燒效率，取值0.99；mCO2和mC分別為CO2和C的摩爾質量；γ1為天然氣燃燒熱值，取36 MJ/m3；γ2為單位熱值含碳量，取15.3 t/TJ。則，

Q2=(15 313.6×104×36×15.3×0.99×

44/12×10-6)萬t= 30.62萬t

(4)

3)居民生活用氣碳排放。

居民用天然氣燃燒產生碳排放，屬于碳排放方法學的計算范疇。假定不計入生物質制氣，按照最大負荷，根據式(3)提供的計算方法，計算居民用氣碳排放量Q3為：

Q3=(264 000×15.3×0.99×44/12×
10-6)萬t=1.47萬t

(5)

4)天然氣三聯供機組碳排放。

三聯供機組天然氣燃燒產生碳排放，屬于碳排放方法學的計算范疇。按照式(3) 提供的計算方法，計算三聯供機組碳排放量Q4為：

Q4=36 250 000×36×15.3×0.99×44/12×
106萬t =7.26萬t

(6)

5)按照方法學規定，沼氣燃燒不產生碳排放。

6)計算合計產生的總碳排放量Q總為：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4=
(28.3+ 30.62+1.47+7.26)萬t=67.65萬t

(7)

3.2.2區域內產生的可量化減排量

區域內現階段可量化計算減排量的部分，主要包括：天然氣機組相對于煤基機組發電產生的碳減排(替代外購電部分)、沼氣燃燒產生的碳減排、光伏發電產生的碳減排。這3部分內容皆屬于碳排放方法學的計算范疇。

1)天然氣替代煤基發電部分減排量P1。

按照方法學的規定，此部分計算須在相同應用場景下進行比較。現假定利用天然氣三聯供機組產出電力，熱電比為40%，滿足用戶全部的熱力需求和40%外購電力需求(假設這40%電力需求原來全部來自傳統火電)。此時產生的外購電排放量Q5=Q1= 28.3萬t。

若換為天然氣機組產出同樣電力，其用量為10 000 Nm3(發電效率按40%計)，按照式(3) 提供的計算方法，其排放量Q6為：

Q6=(100×106×36×15.3×0.99×

44/12×10-6)萬t= 19.99萬t

(8)

則天然氣替代煤基發電所產生的減排量P1：

P1=Q5-Q6=(28.3-19.99)萬t= 8.31萬t

(9)

2)沼氣發電減排量P2。

按照式(3)提供的計算方法，計算P2：

P2=(5 400×5.4×15.3×0.99×44/12×
10-6)萬t=1.44萬t

(10)

3)光伏發電產生的碳減排量P3。

按照光伏發電碳排放方法學中的規定，排放因子取華北地區參數值(電量邊際排放因子和容量邊際排放因子分別取0.75和0.25進行加權)，進行光伏發電產生的減排量P3的計算：

P3=Q光伏×(0.75×FOM,y+
0.25×FBM,y)

(11)

式中：Q光伏為光伏發電量；FgOM,y和FBM,y分別為光伏項目運行電量邊際排放因子和容量邊際排放因子，t/(MW·h)。

P3=[23 030 880×(0.75×0.941 9+0.25×
0.481 9)]×10-7萬t=1.90萬t

(12)

4)可量化計算部分的總減排量P總。

P總=P1+P2+P3=

(8.31+1.44+1.90)萬t= 11.65萬t

(13)

3.2.3區域內人均能源碳排放

區域內低碳目標實現的方式之一，可通過區域內人均能源碳排放W人均來體現。

W人均=W凈排放/總人口

(14)

其中,CO2凈排放量W凈排放：

W凈排放=Q總-P總

(15)

則研究區域內人均能源碳排放W人均：

W人均= (Q總-P總)/200 000=(67.65-11.65) t/a×
104/200 000人=2.80 t/(人·a)

(16)

根據由法國巴黎銀行基金會通過其氣候與生物多樣性計劃建立的在線平臺Global Carbon Atlas提供的統計數據，上述應用場景下計算的人均碳排放量，低于中國大陸地區人均碳排放水平(7.03 t/(人·年)(2017年))，說明在該區域能源系統的應用場景下，低碳控制目標基本得到實現。

需要說明的是，該人均碳排放數據是在可獲取數據的基礎上計算得來的。若要對計算結果進行深層次討論，需要借助多市場聯動機制，對暫時無法量化計算的部分進行分析。

3.3 暫時無法量化計算部分的減碳分析

在應用場景下，部分基礎數據，如核證項目節能量、核證排污配額、綠證單價以及區域內核證用能權配額等，可能暫時無法獲取而無法納入上述量化計算過程，但仍可以進行進一步減碳分析。

1)燃氣機組的優化運行。

可通過針對燃機的優化運行來實現節電，如在制冷季和制熱季不同條件下，可根據負荷情況改變燃氣機組的出力，實現最佳節能狀態。此部分所節省電能可通過節能量交易市場，實現對于碳減排量的折算。

2)光儲技術的應用。

可通過儲能設施來完成對于可再生能源電力的調節，并可參與到新能源微電網區域電力交易系統中，實現不同商業模式的可再生能源消納。此過程涉及的可再生能源電量，可納入到碳減排量的計算過程中。

3)戶用光伏的建設。

研究區域內，居民可通過自主布設小型可再生能源發電設施(屋頂、車棚光伏)，在一定程度上也能促進減碳。此部分產生的減排量可用于碳市場的自愿減排機制和碳普惠項目開發。

4)節能設施與節能技術。

通過建筑節能、設備節能等措施，可產生一定的項目節能量，經核證后進入節能量交易市場，實現對于電能量的補償，進而可折算為碳減排量。

5)環境污染物的治理。

可通過末端治理技術減少環境排污，企業獲得多余的核證排污配額。此配額的應用分為兩種渠道：一是根據排污權市場與碳市場的關聯，建立排污配額與減碳量的轉化系數；二是此配額不進入排污權市場，而是根據治理同當量污染物所耗能量，而折算節能量，進而折算成減碳量。

6)用能權市場的富余配額。

根據區域內政府用能指標分配情況，系統內產生的年度用能富余配額，可不進入交易渠道，而直接折算成目標節能量，進而折算為減碳量。

7)用戶側其他減碳潛力。

系統內用戶側可產生減碳潛力的內容還包括：生活物資的循環利用、綠色交通出行、廢能利用等，國家也都有相應的碳減排放量計算方法。

總之，在假定的應用場景下，除去可量化計算部分，還有很多碳減排的潛力。隨著各類交易市場的完善發展和節能環保技術的提高，區域內人均能源碳排放的水平將會得到進一步降低，從而真正實現或接近區域“零碳”的目標。

3.4 不同市場參與的時序與應用策略

如前所述，本文旨在闡述在多交易市場聯動機制下，實現區域綜合能源系統“碳中和”目標的過程。在此過程中，不同市場參與的時序是存在差異的。對于碳市場，尤其是有關減碳量計算的方法學應用，是貫穿整個低碳實施過程始終的。例如，前文計算中提及的天然氣機組碳排放和光伏發電碳排放等；對于電力交易市場的參與，主要是指在系統內占相當比例的外購電交易，一般集中于過程的前期計算中；綠證市場的參與和電力交易市場存在密切的關聯，但其參與過程往往后置，一般集中于過程計算的中間階段；節能量市場、用能權市場和排污權市場，一般在系統中承擔補充計算的角色，一般處于過程計算的后期。

要實現區域綜合能源系統的“碳中和”目標，從應用策略看：應該聚焦“減碳量”這個核心概念，以碳市場為主導，將能源的發、輸、配、送、用等過程進行串聯，并對這些過程中涉及碳排放的單元進行細分。同時，與用能、節能、排污和可再生能源證書管理等市場進行關聯，對不同單元涉及到的碳排放量和減碳量進行補充計算或經驗性預估，以保證“碳中和”信息管理過程的完整性與可靠性。

4 結 語

隨著國家對循環發展、低碳理念的日益重視和深入推動，國內能源領域對于綠色電力的消費也愈發關注，而聚焦用戶側需求和健全相關市場機制，是促進綠色低碳、清潔高效能源體系建立的重要途徑，也是討論區域能源系統開放性和環境收益的基礎條件。在此背景下，在以往項目實踐的基礎上，提出加強系統內外互聯互通，運用多市場交易聯動機制促進低碳路線的實施，可為區域能源系統的發展提供新的思路與方法。同時，在聯動機制下所涉及到的碳中和信息管理系統及其主體架構設計，也可為未來的項目示范提供借鑒與參考。