基于電碳數據的高耗能工業企業低碳運行方案研究

摘要：中國在全球氣候治理中不斷提高國家自主貢獻度，其中高耗能工業企業的低碳轉型是我國“雙碳”戰略的重要組成部分。首先，本文分析評估重點高耗能工業企業的降碳潛力，確定評價指標體系原則，并完成評價指標的選取。其次，建立工業企業電碳數據模型，利用電力數據的實時性、準確性、高分辨率以及廣泛的采集范圍等優勢，提高碳排計量的效率和精確度。最后，進一步基于電碳數據研究高耗能工業企業低碳運行方案，其中第一部分為高耗能企業參與電碳市場輔助決策方案，第二部分為基于綠色低碳技術的高耗能企業低碳改造方案。

關鍵詞：降碳潛力；電碳數據；低碳運行方案

1概述

在新的時代背景下，碳排放及其所帶來的全球氣候變暖等問題越來越引起全球社會的普遍重視，應對氣候變化已成為全球面臨的共同挑戰。在高耗能工業企業碳排放優化的研究方面，目前包括我國在內的大部分國家的能源結構仍存在優化空間，碳減排優化方案未考慮電力市場和碳市場間的相關性，亟須研究考慮經濟、社會、環境協調發展的高耗能工業企業低碳運行方案。

本文基于電碳數據，從以下角度開展研究：重點高耗能工業企業降碳潛力評估研究以及基于電碳數據的高耗能工業企業低碳運行方案研究。本文研究成果將為未來綠色低碳發展規劃奠定相關研究基礎，為推動重點高耗能行業節能減排降碳、實現“雙碳”目標提供決策參考。

2重點高耗能工業企業降碳潛力評估研究

本節首先依據評價指標體系設計的理論基礎，結合中國高耗能工業企業在綠色低碳發展方面的現實情況，對降低碳排放和減少能源消耗的潛力評價指標體系展開了深入研究。研究設計了與當前中國高耗能工業企業發展階段相適應的降碳減排潛力評價指標體系。

2.1指標體系原則

結合國家相關政策法規、技術規范及高耗能工業企業碳資產管理現狀，通過對國內外相關實踐經驗的梳理與分析，高耗能工業企業碳減排績效評價指標體系應具備的基本要素包括以下幾個方面的內容。

2.1.1管理與技術層面

實施高耗能工業企業降碳減排潛力評估時，需要綜合考慮管理和技術層面的指標，通過管理和技術指標綜合體現高耗能工業企業的低碳發展潛力。

2.1.2指標體系的特性

高耗能企業低碳減排潛力評估指標體系應該具備四個方面的特性實現有效評價，即指標構成的科學性、指標核算的合理性、評價結果的有效性以及指標改進的可持續性。

2.2評價指標選取

基于上述對我國高耗能工業企業低碳發展的影響因素分析，根據績效評價指標體系的相關理論，主要從管理和技術兩個層面構建我國高耗能工業企業的低碳減排潛力評價指標體系，并在專家判斷的基礎上側重于技術評價及量化指標，凝練出12項評價指標，詳見表1。

3基于電碳數據的高耗能工業企業低碳運行方案研究

在本節中，采用電碳分析模型來估算工業企業的碳排放量。該模型充分利用了電力大數據的實時性、準確性、高分辨率以及廣泛的采集范圍等優勢，以期提高碳排放量估算的效率和精確度。然后基于電碳數據模型，開展高耗能工業企業低碳運行方案研究，有助于高耗能工業企業進一步節能提效、低碳轉型。

3.1電碳數據模型構建

由于高耗能工業企業的用電、能耗與碳排放具有強相關性。選取中國某地區10月份高能耗企業電力用戶數據，包括每日各時段用電量，通過計算日平均用電占比，以該指標進行聚類分析，結果詳見表2。基于KMean聚類方法對上述典型行業用電數據聚類后結果顯示為以下4類：

根據表2的數據，可以對用戶的用電特征進行分類。在電力消費行為分類中，D類用戶由于其平期用電量超過50%，被界定為高負荷型用戶。C類用戶平期用電量超過40%，被界定為較高負荷型用戶。基于平期用電量的顯著比例，D類和C類用戶統稱為負荷型用戶，B類用戶被歸類為避峰型用戶，A類用戶被劃分為過渡型用戶。

本節針對高耗能工業企業的碳排放數據進行分析，以典型案例鋼鐵企業A和B為例，對高耗能行業的碳排放特征開展研究，如表3所示。

分析結果指出，煉鐵系統在物質流和能量流中占據主導地位，降低CO2排放應聚焦于焦化、燒結和煉鐵工序。A企業的高爐煉鐵工序碳排放強度為815.89kgCO2/噸產品，主要由煤炭和副產煤氣燃燒引起，占總投入的95.71%。相較于A企業，B企業的碳排放強度為511.89kgCO2/噸產品，顯著較低，這主要由于B企業較少依賴外購焦炭和電力，間接碳排放強度較低。B企業在煉鐵工序中每噸鋼的回收量也高于A企業。

基于前述分析，本節聚焦于高能耗工業企業的電力與碳排放模型，然而，目前傳統的平均電碳因子已無法正確反映碳排放的時空分布特性，上級電網聯絡線中的功率流所涉及的碳排放計量也應當納入考量范圍。因此，時變電碳因子的確定，是在考慮聯絡線上火電比例及其相應的碳排放數據的基礎上，進一步結合企業購買的發電機組的出力情況來綜合計算得出的。

在工業企業中，時變電碳因子的數值高低是火電發電占比的一個表征指標。當火電出力在總發電量中所占比例較高時，相應的二氧化碳排放量增加，導致電碳因子數值相應升高。

3.2基于電碳數據的高耗能工業企業低碳運行方案研究

基于上述對高耗能工業企業電碳模型的研究，本節進一步研究高耗能工業區企業低碳運行方案的提出方法。碳排放優化方案主要分為兩部分內容，第一部分為高耗能企業參與電碳市場輔助決策方案，第二部分為基于綠色低碳技術的高耗能企業低碳改造方案。

本節選取中國某鋼鐵企業作為案例，設定碳市場交易價格為50元/噸，碳排放權底價為10元/噸，噸鋼電耗為500千瓦時/噸，小型鋼鐵廠的年度成品鋼材生產目標設定為30萬噸。在扣除原材料成本之后，成品鋼材的銷售收益為547元/噸。以1周為一個研究周期，以小時為單位進行電力和碳的交易與結算，并在結束時進行結算校對核驗。

3.2.1企業參與電碳市場輔助決策方案

本文定義了7種不同的周訂單量配置，每種配置針對10家具有相似參數的鋼鐵企業，分別用S1至S7進行標識。這70家小型鋼鐵企業在電力市場與碳交易市場的聯合博弈框架下的生產計劃，如下圖所示。

標準生產計劃與市場博弈環境下企業產鋼計劃對比圖

根據電力市場與碳交易市場的定價機制對鋼鐵企業的既定生產計劃進行動態調整。由上圖分析表明，鋼鐵企業的實時鋼鐵產量曲線顯示出周期性波動特性，這一現象歸因于電力市場價格的周期性波動。同時，不同交易日的產量曲線間存在顯著差異，這是由碳市場價格的非規律性波動所驅動。

3.2.2綠色低碳技術的高耗能企業低碳改造方案

根據能源調研及診斷，該鋼鐵公司低壓側空壓機能耗較大，因此可做變頻節能改造，從而實現高耗能工業企業低碳改造。

在空壓機系統中，當氣體消耗量較低時，儲氣罐內部壓力將上升，導致壓力傳感As50uidf3lzru+d+8GWKRBI4B6FmPIoVIDvesLrxe6Q=器檢測到的壓力值增加。該值隨后被反饋至比例—積分—微分（PID）控制器，與預設的壓力設定值進行比較，以確定壓力偏差。PID控制器根據此偏差調節輸出信號，減少變頻器的輸出頻率，從而降低電動機的轉速，減少氣體的排放量，使得儲氣罐的壓力下降至預設值。相對地，當氣體消耗量增加、儲氣罐壓力下降時，PID控制器將增加變頻器的輸出頻率，提高電動機轉速，增加氣體排放量，以提升出氣管的壓力至預設值，滿足系統的氣體需求；在供氣量與消耗量達到平衡狀態時，變頻器將維持在特定的頻率，確保空壓機以最經濟的運行狀態持續運行。

3.2.3節能效益分析

（1）企業參與電碳市場輔助決策方案效益：

表4展示了5類企業在電力與碳交易市場協同作用下的收益情況。數據顯示，采取策略性生產行為能夠顯著提高鋼鐵生產企業的收益，平均收益增長達到8881.6元。

該企業整體節能改造后，每年節省電量43.4232萬度，相當于減少二氧化碳排放量325.265噸，相當于減少標準煤130.4976噸，節省電費為30.41萬元。

結語

隨著中國城鎮化的迅速發展、經濟的快速增長和消費水平的持續提升，不斷發展的高能耗產業可能會成為阻礙實現碳減排目標的關鍵因素。首先，本文著力各類影響因素，健全多維降碳潛力評估體系；其次，基于電碳數據模型，研究了高耗能工業企業低碳運行方案研究，并通過算例驗證了本文所提方案的可行性。

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作者簡介：武文起（2005—）男，漢族，河北石家莊人，本科在讀，研究方向：能源互聯網。