面向清潔能源消納的電氣化碼頭碳排放測算及影響因子研究

陳業，王大偉，于鵬飛，馬曉慧

（1.天津港（集團）有限公司，天津 300450；2.天津港電力有限公司，天津 300450；3.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300110）

在雙碳目標的引領下，提升港口碳排放的能效管理水平，對實現運輸行業節能減排和能源轉型具有重要意義。

從國家層面而言，我國出臺《關于建設世界一流港口的指導意見》[1]，提出“構建清潔低碳的港口用能體系”，天津市出臺《天津市碳達峰碳中和促進條例》，“支持天津港建設零碳碼頭，低碳港區示范區”；從國際層面而言，國際能源署[2]提出港口航運業務電氣化的趨勢已日益明顯，歐盟[3]議會投票將碳排放交易系統(ETS)擴展到航運業，促使航運業加大脫碳力度。

在碼頭碳排放測算方面，目前主流的方法為碳排放因子法。我國于2020 年發布《GB/T21339-2020 港口能源消耗統計及分析方法》，從裝卸生產、輔助生產、能源消耗、用能設備消耗等角度給出能源消耗量和折標準煤系數等指標。然而，雖然關于港口碳排放的測算方法已形成規模，但針對碼頭新能源消納的測算仍未明確，且通常按年度計算而無法準確反映不同時空因素對碳排放量的影響。在碼頭降碳減排應用方面，目前國內外主流措施是采用清潔能源替代、高度電氣化、節能改造、智能化應用和碳捕集利用封存等技術。而當前針對新能源電氣化碼頭碳排放測算研究較少。本研究通過指數分解法將碳排放分為表征凈下網電量碳排放、清潔能源發電能力、碼頭裝卸耗能水平的三種因子，并對碳排放影響因素進行實例分析。

1 電氣化碼頭碳排放核算邊界

1.1 電氣化碼頭碳排放邊界分析

本文以高比例清潔能源供電和負荷電氣化全覆蓋的碼頭為研究對象，由于該碼頭無燃油、燃氣等耗能設備，因此核算邊界僅考慮港口對外購買的電力，不考慮非碼頭當局所屬設備造成的其他間接排放。同時，碳排放時間邊界劃定在碼頭運行階段，碳排放邊界如圖1 所示。

圖1 電氣化碼頭碳排放邊界

1.2 電氣化碼頭運行場景分析

碼頭的主要耗能設備集中在運輸和裝卸兩個層面。現有電氣化碼頭采用電動集卡作為自動化運輸的主要設備，其與岸橋、軌道橋及自動充電裝置形成自動交互，碼頭還配有冷藏箱、高桿燈、電采暖、空調等輔助用電裝置。

1.3 電氣化碼頭碳排放參數依據

由此可見，電氣化碼頭的碳排放核算邊界清晰，其碳排放量可按照下式進行計算：

式中：ET為電氣化碼頭在T 時段內產生的碳排放量；為第t 時段第n 種排放源的碳排放因子；為第n 類排放源在第t 時段的耗電量。其中參考生態環境部[4]提出的全國電網排放因子0.5810tCO2/MWh，該值與2019 年度[5]0.8952tCO2/MWh 相比，下降了約35.09%，根據上述排放因子的變化規律，計算出月度平均碳排放因子下降幅度為0.97%。

2 構建計及新能源消納的碼頭碳排放模型

2.1 計及清潔能源的碼頭碳排放模型

由于已劃定碳排放統計時間邊界，將式（1）改進為：

2.2 基于LMDI 進行碳排放總量因素分解

基于上述分析，本文基于指數分解法[6]構建碳排放模型，其核心思想是：利用指數方法將受多因素影響的復雜體系表現為若干因素的乘積，從而反映出各因素在時間和空間上對總體系的驅動程度和規律特性。

將式（3）代入式（2），按照碼頭碳排放總量和影響因素分解為：

通過將碳排放總量分解為表征耗電量的碳排放因子、清潔能源消納因子、碼頭裝卸耗能因子，并且為了分析出t=T1基期和t=T2時期之間各個因素的變化量對碳排放總量的影響，根據指數分解加法形式：

最終式（12）等于式（9）至式（11）的求和：

由此實現了對各個因素的拆解，對于T 時段內的碳排放而言，碳排放因子越小說明單位時間內耗電量的碳排放越小；消納因子越小說明清潔能源出力越多；耗能因子越小說明碼頭完成裝卸作業的耗能越低。

3 典型算例分析

3.1 A 碼頭基本情況介紹

本算例以集裝箱A 碼頭為例進行實例驗證，該碼頭所有類型的港機如岸橋、軌道橋、電動集卡等裝卸運輸設備均使用電力進行驅動。現有2 臺單機容量為4.5MW 風電機組和0.44MWp 的光伏用于碼頭用電。

通過統計2022 年3 月至7 月碼頭用電數據，對所有設備耗電量進行采集，并統計各負荷耗能占比如圖2所示。如圖2 可知，該碼頭的主要耗能設備集中在軌道橋、冷藏箱、充電樁、輔助用電裝置和岸橋設備上。

圖2 電氣化碼頭耗電占比分布圖

為進一步得出該碼頭風光出力與負荷之間源荷互補特性，對2022 年3 月至7 月的電量進行對比，如圖3 所示。

圖3 電氣化碼頭源荷互補特性圖

如圖3 所示，隨著集裝箱的增加，電氣化碼頭源荷互補特性呈從供大于求到供小于求的變化趨勢，說明：在源、荷、集裝箱三者耦合匹配度協調的情況下，具備實現零碳碼頭的潛能，但隨著集裝箱數量的增加，現有的風光出力無法滿足負荷的需求，網購電量也隨之加大。

3.2 計及新能源消納的碼頭碳排放測算實證

為了進一步論證碼頭碳排放測算模型實例效果，結合碼頭實際貨物吞吐量情況，選取A 碼頭2022 年5 月至7 月的生產數據，根據公式（7）至式（9），對碳排放因子、消納因子、耗能因子進行分析計算，得出結果如圖4 所示。

圖4 碳排放因子分解圖

結果表明：隨著集裝箱吞吐量的提升，單位碳排放量呈上升趨勢，且月度碳排放差值與碳排放因子、消納因子和耗能因子的變化量之和滿足式（12），驗證所提方法的可行性。

三種因子中對碼頭單位吞吐量的碳排放影響占比最大的是消納因子，平均占比約為71.36%，說明風電出力特性是影響碼頭碳排放的重要因素；耗能因子表征了單位集裝箱數量的耗電總量的變化值，隨著碼頭貨物吞吐量的穩定增加，大型電氣化負荷的啟停動作次數減少，由此提升了碼頭裝卸效率；碳排放因子反映出公共電網的節能效果。

4 結論與建議

本研究通過指數分解法將碳排放分為表征凈下網電量碳排放、清潔能源發電能力、碼頭裝卸耗能水平的三種因子，并量化得出碼頭源荷波動是決定碳排放的關鍵因素。