“近零碳”目標下港區多能互補標準體系研究

王晶 趙魯華 王偉 史硯磊 周紫君 侯鍵菲

關鍵詞：多能互補，近零碳港區，標準體系，清潔能源

0 引言

能源安全是關系國家經濟社會發展的全局性、戰略性問題，對國家繁榮發展、人民生活改善、社會長治久安至關重要。2022年國家能源局發布《能源碳達峰碳中和標準化提升行動計劃》，明確到2030年建立結構優化、先進合理的能源標準體系[1]。在“雙碳”背景下，我國清潔能源的發展將迎來歷史性機遇[2]，而提高新能源的消納水平，是我國能源轉型階段為實現“雙碳”目標亟待攻克的瓶頸問題。實施多能互補運行管理、跨區域電力消納以及增加儲能設施是促進新能源消納的3個主要途徑[3]。

港口是交通運輸基礎設施的重要組成部分，也是交通運輸行業能源消費和碳排放的重點環節，《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》《綠色交通“十四五”發展規劃》提出了在港區、交通樞紐場站等建設近零碳交通示范區的任務要求。近零碳港區是指通過優化運輸結構和工藝、應用節能減排技術、實施清潔能源替代、強化碳排放管理，實現運營期年度二氧化碳排放量趨近于零的港區。“近零碳”目標下，利用港區承載的可再生能源自然稟賦與清潔能源應用，實現港區多能互補勢在必行。

本文通過分析多能互補發展現狀和標準現狀，結合我國主要沿海港口能源應用情況，提出了港區多能互補標準體系架構，為近零碳港區建設提供標準化技術支撐。

1 多能互補發展現狀

當今世界，以風能、太陽能為代表的新能源發展迅速，利用多種能源之間的互補特性，實現多能互補協同高效應用受到廣泛關注。多能互補主要有兩種模式：（1）能源消費側的電、氣、熱、冷等多種能源的協同配置、相互轉化和梯級利用[4]，主要包括光伏、風電、熱泵、儲能設備等單元，通常適用于園區、樞紐、城區等小范圍、小規模的應用場景[5]；（2）能源生產側的風、光、水、火發電以及電制氫和儲能等多種能源的互補開發、轉化、存儲和輸配，適用于大范圍、大規模的應用場景[6]。

1.1 港區多能互補內涵

港區多能互補側重于能源消費側開發，結合港區資源條件和能源特點，因地制宜采取風能、太陽能、氫能、熱能、電能、化石燃料等多能源品種協調互補，并適度增加一定比例儲能，統籌各類能源的規劃、設計、建設、運營，提高可再生能源消納比重。通過整合港區內多種能源系統之間的協調規劃、協同管理、優化運行、多機制相互作用，從系統集成、優勢互補和結構優化的角度，最大化發揮能源側靈活調節作用，達到提升能源利用效率和促進能源可持續發展的效果[7]。

1.2 多能互補技術發展現狀

20世紀70年代中期，美國率先產生傳統能源服務，主要針對已建項目的節能改造、節能設備推廣等[8]。20世紀70年代末期，美國又出現基于分布式能源的能源服務，推廣熱電聯供、光伏、熱泵、生物質等可再生能源。美國注重多能互補系統相關理論研究，在2001年就提出多能互補系統發展計劃，促進冷熱電聯供和分布式能源技術的進步和推廣。2008年起，美國國家可再生能源實驗室開展能源系統協調和優化研究。

歐洲最早提出綜合能源系統概念，開展了分布式發電并網項目、微網項目等多項綜合能源管理項目研究，在傳統能源和可再生能源的協同互補方面積累了經驗，為多能互補發展奠定了基礎。瑞士于20 03年提出了“未來能源網絡愿景”項目[9]，研究電、氣、熱、冷等多種能源的耦合應用。2007年，GEIDL M等人提出了能量樞紐的概念，為多種能源供應和能源需求端提供能源轉化和平臺接口 [10]。

在多能互補方面，日本重視能源結構優化和能效提升，致力于智能社區技術的研究與示范，利用多種方式實現用戶側節能[11]。

2016年7月，國家發改委、國家能源局發布《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》[12]，利用大型綜合能源基地風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優勢，推進風光水火儲多能互補系統建設運行。2017年，國家能源局公布首批多能互補集成優化示范工程共23個項目[13]，包括17個終端一體化集成項目和6個風光水火儲多能互補項目。2021年3月，國家發改委、國家能源局發布《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》[14]提出了推進電力源網荷儲一體化和多能互補的總體要求、實施路線和政策措施等。

多能互補技術也應用于創新示范區以及重大項目建設，如：北京延慶智能電網創新示范區建設工程應用了新能源多能互補就地消納方法和管理模式；雄安新區利用地熱資源開發實現區域多能互補利用；國家電網張北風光熱儲輸多能互補集成優化示范工程，實現了規模化的風光儲多能互補，并為2022年北京冬奧會提供了綠色電力[7]。

在一系列政策的推動下，我國多能互補項目和相關研究取得了較快的發展，加快了可再生能源規模化開發的步伐，也帶動了可再生能源發電、儲能、微電網、能源服務等相關產業發展。

1.3 多能互補標準現狀

國際上很多國家都非常重視能源管理體系研究和實踐，在本世紀初陸續制定并實施了基于自身國家特點、符合自身國情的能源管理體系國家標準（見表1）。

2016年，ISO成立了新的ISO/TC 301能源管理和能源節約技術委員會，包括56個成員國和12個觀察國，已發布包括ISO 50001在內的20余項國際標準，將能源效率納入管理框架中，評估并確定新能源技術的實施和優先級，提出能源管理行為和管理改進等。

日本的綜合能源管理模式以法制體系為主導，發布了《替代石油能源法》《新能源法》《新能源產業遠景目標》《新能源開發計劃》《日本戰略能源計劃》等一系列綜合能源管理的法律和計劃。

我國在整體的能源管理體系上有較為完善的標準和實施指南，我國主要的能源管理體系標準見表2。對于一些重要的耗能行業，如：鋼鐵、水泥、煤炭、火力發電、造紙、紡織等，依據不同行業的耗能特點而制定了相應的能源管理實施指南。

在多能互補標準化進程方面，當前國際標準化組織尚未提出多能互補技術標準架構，I EC（International Electrotechnical Commission）發布的智能電網核心標準、徐澄瑩等人開展的綜合能源服務標準體系需求分析及布局研究[16]和李娜等人開展的綜合能源服務標準化技術路線研究[15]具有一定借鑒價值。我國多能互補相關標準數量較少，主要為能源和電力的行業標準，集中在農村住宅和養殖等采暖系統，以及工程規劃報告編制、系統功能和技術要求、能效評估等方面。

2 我國主要港口能源應用情況

隨著全球能源結構的轉型，綠色低碳理念已經獲得共識，各國環保政策根據既定目標不斷趨嚴。我國港口能源應用情況也發生了深刻的變化，太陽能、風能、地熱能等清潔能源的應用日益廣泛。

我國港口能源消耗量較大，尤其是一些大型港口和繁忙港口的能源消耗量尤為突出。其中，北方港口由于冬季供暖需求，能源消耗主要集中在煤炭和燃油，南方港口則以電力為主。調研發現，部分港口已經開始嘗試使用太陽能、風能等清潔能源；不同港口的能效水平存在較大差異。典型港口的清潔能源利用情況見表3。

總體來說，我國港口在能源應用方面已經取得了一定的進展，但仍需要進一步拓展能源應用的領域和范圍，加強技術創新和環保意識，注重能源應用標準化頂層設計以及關鍵技術標準研制，以實現港口能源的可持續發展。

3 港區多能互補標準體系構建

本文以系統工程學理念為基礎，選用標準化系統工程六維模型[18]，通過工作分解法和平行分解法，構建港區多能互補標準體系框架，從整體布局，考慮港區多能互補的內、外部要素，使得標準體系上下層級與平行關系之間環環相扣，具有緊密的邏輯對應關系。

3.1 標準體系構建方法

系統工程是用于系統設計、產品實現、技術管理、運行使用和報廢的專業學科方法論。系統工程的理論方法包括系統設計、產品實現、技術管理、評估與決策分析等內容。標準化系統工程是系統工程的一個分支，它除了具有整體性、綜合性、有效性、動態性、社會性等系統工程的普遍特征，還有強制性和依存性兩個獨特的屬性。考慮到標準化系統具有依存性，即任何標準化活動都有一個依存主體，這個依存主體就成為標準化系統工程的研究對象之一。港區多能互補標準化系統的依存主體為港區多能互補系統及其全生命周期活動。港區多能互補標準化系統工程不僅是技術和管理工作，還包括經濟學和管理學等領域的標準化活動。

標準化系統工程六維模型從時間、邏輯、條件、級別、對象和性質6個維度對標準精確定位。其特點是將霍爾三維結構中的知識維擴展為條件維（知識、人才、資金、物資等），并增加級別維（國家標準、行業標準、地方標準、團體標準等）、對象維（基礎標準、方法標準、工作標準、產品標準）、性質維（技術標準、經濟標準、管理標準）。

工作分解法是一種把系統或產品逐層逐級分解為任務項目或分系統，以描述任務項目或分系統與系統目標之間從屬關系的組織圖表。此方法需要根據項目的自身特點進行分析、歸類，厘清其內在邏輯關系。

平行分解法是對依存的標準化對象的系統層次結構進行平行分解，由標準化對象層層分解出具體標準化方向，以此為依據提出所需技術標準、管理標準等，從而發展成整個標準體系。此方法適用于具有較清晰層次結構、功能組成的復雜對象標準體系結構設計。

3.2 標準體系構建過程

將港區多能互補標準體系的構建過程視為一項工程項目，將構建過程分為4個步驟。

（1）要求定義：確定標準體系建設目標，收集分析多能互補技術現狀、標準化現狀、政策文件等相關資料，規劃設計標準體系的內容范疇、專業領域、技術要素等。

（2）需求分析：調研現有相關標準體系，將其與目標進行比對分析，發掘差異，得出標準需求。

（3）設計與實現：按照標準體系構建原則、目標和需求，進行頂層設計，構建頂層框架，進而細化具體結構層級。

（4）驗證：在港區多能互補標準體系建立后，根據標準體系需求的改變和具體應用情況，持續優化標準體系框架。

按照上述過程，港區多能互補標準體系構建過程與方法如圖1所示。采用工作分解法和平行分解法進行標準體系頂層設計和結構分層，采用標準化系統工程六維模型法進行標準子類設計，以避免標準體系中出現重復交叉的現象。

根據港區能源生產與應用情況，將傳統“物理、信息、商業”的分層方法進行改進，將港區多能互補標準按照層級分為支撐、能源、運營3個層面，如圖2所示。

將信息技術與能源、集成等技術歸為支撐層，將能源生產、調配和計量歸為能源層，將規劃建設標準、運維管理等業務標準與商業標準歸為運營層。港區多能互補體系從能源生產到能源系統運營再到最后的增值服務，由各項關鍵技術支撐貫穿各環節，以能源層作為媒介，運營層和支撐層都與其進行資源、信息等交互。

在本研究中，根據標準化系統依存主體即港區多能互補系統的技術特點和能源行業標準化特性，重新構建港區多能互補標準化系統工程六維模型，包括時間維、專業維、屬性維、性質維、級別維和狀態維，相關內容見表4。

3.3 標準體系框架

港區多能互補標準體系頂層框架分為基礎、業務、信息化、支撐技術、增值服務，是在已有研究基礎上[19]進行了擴充和調整。從3個層面進行概括，將港區多能互補標準體系內所需涵蓋的要素納入其中，對港區多能互補標準體系進行分層架構設計。采用系統工程六維模型，經過子類細化設計后，港區多能互補標準體系框架如圖3所示。

（1）基礎標準子體系

基礎標準子體系為港區多能互補標準體系提供通用性條款和規范支撐，包括術語和分類、數據和信息、能源計量等方面的標準。

（2）業務標準子體系

規劃設計子類在港區多能互補項目計劃建設階段對建設目標的資源負荷分析、勘察規劃方法等做出規范，包括資源估計與負荷分析、勘察、規劃、設計等方面的標準。

工程建設子類對港區多能互補項目建設工作和設備安裝配置進行規范，包括工程建設實施、設備配置要求、設備安裝等方面的標準。

運營和維護子類保障港區多能互補項目滿足不同負荷對能源種類和能源質量的需求，保證安全運行、可靠供能，包括運行控制、運維檢修、故障診斷等方面的標準。

驗收和評價子類對港區多能互補項目建設成果以及運行過程的評判做出規范，包括系統規劃設計評價、工程驗收、能效和碳排放測評等方面的標準。

（3）信息化標準子體系

信息化標準子體系支撐港區多能互補信息化、智能化的平臺及終端建設，是實現信息交互、開展多種能源數據監測分析以及能耗管控的重要保障，包括平臺和終端、智能應用等方面的標準。

（4）支撐技術標準子體系

支撐技術標準子體系為實現多種能源聯產、互補互濟、靈活調節，多能系統協同、穩定、安全集成以及能源存儲提供支撐，包括能源供應、多能集成、儲能等方面的標準。能源供應包括光伏、風能、氫能、熱電聯產、余熱回收等相關技術標準。

（5）增值服務標準子體系

增值服務標準子體系為港區多種能源綜合服務、能源金融等提供保障，包括優化用能、能源交易等方面的標準。

4 結語

多能互補標準化工作對推動港區有序、有效推進綠色低碳發展具有重要作用。本文在多能互補技術和標準發展現狀研究的基礎上，構建了包含基礎標準、業務標準、信息化標準、支撐技術標準和增值服務標準的港區多能互補標準體系，為相關標準的建設提供了指引。后續需要結合技術發展，細化標準需求項目，進一步完善標準體系建設。