可再生能源“產-儲-用”多功能融合的零碳單元體形態特征與方案構建

編者按在世界深度糾結碳中和的國家自主貢獻目標如何提振氣候雄心的境況下，2025年，中國正式啟動“零碳園區”“零碳工廠”建設的零碳進程。這一進程超越了廣義的綠色發展范疇，突破了傳統低碳技術的局限，直接以碳中和為終極目標構建實施體系。零碳工廠、零碳園區的建設不可能一蹴而就，而是一個能源“零碳率”不斷提升、最終實現完全脫碳的過程。在這個過程中，碳捕集與封存（CCS）以及碳匯雖有一定的輔助作用，但關鍵仍在于能源的零碳化“零碳單元體\"能源解決方案集可再生能源電力的生產、兼具消納和供電的儲能、終端消費即“產-儲-用\"多功能融合于一體，既可相對獨立于電網運行，也能與電網并網且與其形成良性互補關系。零碳單元體之間互聯互通，形成無數自下而上的扁平化的“零碳細胞”，如零碳住宅、工廠、園區、村莊，乃至鄉鎮、縣域、城市。零碳園區正是零碳單元體的一種具體實踐形態。這種“產-消融合、供-求一體\"的輕資產、高福社模式，正在改觀甚至部分顛覆重資產、層級化、壟斷型的化石燃料產業，一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革正蓬勃展開。探索和解析這一市場驅動的全新理論與發展范式，是學界的職責擔當，更是學術創新的沃土。本刊特設“零碳園區”專欄，搭建學術交流平臺，構建學術理論體系，提供決策分析。

關鍵詞可再生能源；能源轉型；零碳轉型；“產-儲-用\"融合；零碳單元體中圖分類號F206；X24 文獻標志碼A 文章編號 1002-2104（2025）05-0001-12 DOI：10.12062/cpre.20250318

氣候變化是人類社會面臨的重大全球環境外部性問題，引致極端天氣事件強度增大、頻率提高2，亟須國際社會的協同應對。1992年，《聯合國氣候變化框架公約》（以下簡稱《公約》）達成，形成應對氣候變化的國際共識；

1997年，《京都議定書》明確規定附件I國家的減排目標；2009年，《哥本哈根協議》不再區分附件I與非附件1國家并首次確認 2^°C 溫升管控目標；2015年，《巴黎協定》進一步要求努力爭取 1.5^°C 目標。全球氣候行動的目標不斷明晰、力度不斷強化，呈現出不可逆性。2023年12月，《公約》第28次締約方大會開展《巴黎協定》后第一次全球盤點并達成《阿聯首共識》，確認并強化1.5℃溫升管控目標所需的氣候雄心與行動，規定在未來關鍵十年內，以公正、有序、公平的方式轉軌脫離化石燃料，確保2050年實現全球凈零排放[3，開啟全球加速終結化石燃料的變革性進程。

經濟社會發展需要的是能源服務，而非碳排放。零碳非化石能源包括核能、水能、生物質能、風能、太陽能、潮汐能、地熱能等。核能和水能受安全、技術和地理條件等制約，盡管已經具有一定商業規模，但難以成為提供能源服務的主體。生物質能、潮汐能和地熱能雖具有可再生性，但其利用成本和規模受限。相較之下，風能、太陽能（以下簡稱風光）相對于人類的能源需求，理論上具有供給“無限性”。因而，本研究所界定的可再生能源，盡管涵蓋所有非化石能源，但主要是指源自風光的電力和熱能。2023年，全球陸上風電和太陽能光伏發電的加權平均平準化度電成本（levelizedcost of electricity，LCOE）分別比化石燃料低 67% 與 56%^[4] ，顯示出“零碳\"①對\"高碳\"替代的強勁市場競爭力。然而，風光電力存在天然的間歇性與不穩定性，產能規模尚小，在市場競爭中處于相對劣勢5，面臨發展受限、棄風棄光、政策信號不確定等問題[6-7]，嚴重阻礙零碳轉型進程。除可再生能源發電外，儲能、電動汽車、熱泵等零碳產業鏈條和體系日臻完善，但整體呈現相對割裂且碎片化的特點，并未形成系統融合。因此，破解現實困境的關鍵在于整合各項技術，以系統集成的方式展現零碳技術優勢，實現零碳可再生能源的生產、儲能和終端消費各要素的高度融合[8]。基于此，本研究從零碳風光電力“產-儲-用”多功能融合的視角，提出零碳單元體（zero-carbon energy prosumerage system，ZEPS）能源系統解決方案，闡釋其基本要素與典型形態，分析其多贏潛力與主要挑戰。2024年12月，中央經濟工作會議首次提出建設\"零碳園區\"9。從原則與理念上看，零碳園區是零碳單元體的一種具體實踐形態。因此，零碳單元體不僅有助于破解可再生能源發展的現實困境，還能為相關政策實踐提供理論支撐，從而推進零碳轉型進程。

L 可再生能源發展面臨的現實困境與破解思路

1.1可再生能源發展中的現實困境

1.1.1棄風棄光之憾進入21世紀，全球太陽能和風能發電邁入高速發展階段。2000一2023年，全球太陽能發電裝機容量從不足1GW增長到 1406GW ，風電裝機容量從17GW提升至1017GW^[10] ，呈現指數型增長態勢。2024年，中國新增風光裝機容量達3.6億 kW ，累計裝機規模達14.1億 kW^[11] 遠超2030年12億 kW 的國家自主貢獻目標。然而，由于缺乏靈活調配機制與儲能設施，大量具有間歇性、波動性特征的風光電力因電網容量限制或消納不足而未被充分有效利用，導致棄風棄光現象普遍存在。2018年，全球主要光伏市場中國、智利以及美國的加利福尼亞州、得克薩斯州棄光率分別為 3%，6%，1.5%，8.4% ，其中中國的光伏發電棄用量達 5490GW?h^[12] 。近年來，隨著可再生能源市場滲透率提升，棄風棄光問題愈發凸顯，如英國棄用率從2011年的 0.4% 增至2022年的 4.6% ，美國加利福尼亞州棄用率從2015年的 0.7% 增至2022年的 4.2% ，愛爾蘭2022年棄用率較2016年增加5個百分點，達 7.8%^[13] 棄風棄光的本質是電力生產與消費在時間與空間上的不匹配，導致某些時段內電力供給超出電力需求且無法傳輸或儲存。盡管可通過生產側儲能、輸電網絡和需求側管理等緩解，但缺乏系統完整的解決方案。

1.1.2不對等之爭

化石能源在全球能源消費中占據主導地位，占比超過 80%^[14] ，揭示了傳統能源部門在多數國家政府決策中的強勢地位。全球化石能源發電補貼占能源補貼總額的70% ，而可再生能源僅占 20%^[15] ，補貼的不對等加劇了二者在市場競爭中的地位不平等。例如，南非 90% 的電力來自燃煤發電，盡管其擁有豐富的可再生能源資源，但煤炭行業利益群體的阻礙使其能源轉型之路舉步維艱[16]。在中國、印度等發展中國家，煤炭、油氣等傳統化石能源企業多為國有企業，規模龐大，產業鏈完備且匹配性強，涉及生產消費的各個方面，對財政稅收和就業貢獻大，地方政府在決策時更傾向于考慮其利益訴求。相比之下，可再生能源電力企業規模尚小，在多方利益博弈中處于劣勢。在電力需求穩定的情況下，可再生能源電力需求的增加會損害火電企業利益，引發地方保護主義[17]。此外，風光電力的間歇性和波動性引發的生產與供應穩定性風險，使電力企業和投資者對其采取保守態度，進一步限制可再生能源的優勢發揮。

1.1.3不確定之憂

政策的明確性與連貫性是推動可再生能源投資和技術創新的關鍵。穩定的政策預期能夠為企業和投資者提供長期決策的確定性，相反，政策的不確定或不連貫往往成為可再生能源發展的重要阻礙。在澳大利亞，政策不確定性導致可再生能源投資緩慢甚至嚴重短缺；在美國，聯邦和州層面氣候行動的搖擺不定成為風光投資的主要障礙[18；在中國，因電網消納能力不足、電力安全保供等問題，多省份對分布式可再生能源發展按下“緩進鍵”，出臺規定暫緩或限制分布式光伏發展[19]。在可再生能源發展初期，中國形成以《中華人民共和國可再生能源法》為基礎，上網電價補貼、專項資金、保障性收購等多項措施配套的支持體系，推動可再生能源技術創新與大規模應用[20]。2021年，《國家能源局綜合司關于公布整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點名單的通知》公布，共有676個縣（市、區）被列入試點名單[21]。在政策的強力驅動下，中國分布式光伏呈現爆發式增長態勢。截至2024年，中國分布式光伏累計裝機達3.7億kW，占光伏總裝機容量的 42%^[22] 。與此同時，分布式光伏的快速擴張導致部分地區電網調節困難、反送功率受限等，多地因電網容量飽和而出現配網接網紅色預警。面對這一局面，一些地方政府進行政策“急剎車”，暫緩對分布式光伏項目的備案與接入[19]。政策的不連貫性削弱了投資者的積極性，不利于分布式可再生能源的可持續發展。

1.1.4高碳護航之困

能源結構轉型意味著能源體系的主導從高碳的化石能源轉向以風光電力為主體的零碳能源，需要加速可再生能源對化石燃料的替代，避免高碳資本鎖定風險。針對可再生能源發電的間歇性問題，許多國家通過增加備用發電容量以維持電力系統穩定。例如，在當前的技術經濟條件下，煤炭發電因在調峰方面較天然氣發電與儲能具有成本優勢，在中國被用作主要的調峰電源[23]。這種\"煤電 + 可再生能源電力\"的組合，短期內有利于電力供應穩定，但長期來看，可能鎖定對煤炭的依賴，阻礙其他靈活性解決方案的應用，延緩甚至阻礙零碳轉型進程[23]。近年來，中國、印度、印度尼西亞等發展中國家的燃煤發電仍持續增長，2023年全球煤炭發電裝機容量較2015年增長 9% ，達到 2 095GW^[23] 。在零碳轉型過程中，對可再生能源發電不穩定性以及電力調配技術復雜性的顧慮，導致許多國家難以擺脫對煤炭等化石燃料的嚴重依賴。這種以發展可再生能源為目標、卻進一步擴建煤電的項目組合與零碳轉型的初衷有所背離，從長期來看將使轉型被迫陷入新的高碳鎖定困境。

1. 1. 5 斷鏈之苦

可再生能源發電、儲能和終端電力設備等盡管在單項技術上具有市場競爭優勢，但整體發展缺乏有效銜接，呈現出相對割裂和碎片化的特征。這種鏈結構的偏弱或不存在，加上高碳化石燃料的壟斷體系和社會運行機制的慣性阻力，嚴重阻礙了可再生能源對化石燃料的替代進程。動力電池和電動汽車形成了緊密的聚合優勢，但風光電力與儲能之間的鏈接在系統融合和規模上嚴重不足，能源生產、儲存與終端消費尚未實現系統整合。零碳轉型不僅涉及電力能源領域，還涵蓋交通運輸、建筑、制造等多個行業，需要多領域、跨學科的技術集成和協同互補，以系統集成控制方案克服可再生能源的間歇性和波動性挑戰[24]，提升零碳能源解決方案的可推廣性和市場競爭力。因此，應基于各單項技術優勢，形成鏈條完整的系統綜合解決方案，加強各項技術之間的協同互動，融合多領域、跨部門的技術應用，整體提速零碳轉型進程，為加速轉軌脫離化石燃料帶來新的突破。

1. 2 破解困境的方案比較

1. 2.1 供給側調節方案

為應對可再生能源發展面臨的現實困境，供給側調節策略聚焦于可再生能源發電與電網側改進，以提高可再生能源的利用和消納水平。主要包括： ① 電網基礎設施擴建。以中國為例，能源生產與消費的地理空間不匹配是可再生能源發展的主要阻礙，突出表現在資源豐富的西北地區與電力需求集中的中東部地區[25]。為應對棄風棄光問題，中國政府平均每年投資約750億美元用于電網建設13，通過特高壓輸電實現跨區域輸送，降低棄用率。然而，此類投資規模大、成本高，且存在電損和通道限制等問題，難以完全破解供求的空間錯位之困。 ② 提升電網消納能力和靈活性。通過智能電網和算法，利用氣象數據與歷史發電數據預測分布式可再生能源電力輸出，實現可再生能源資源的靈活管理和調配。然而，面對大量具有隨機性和間歇性的電源，確保電力平穩接入和高效消納的技術較為復雜且成本高，同時存在系統改造的安全風險和技術挑戰。 ③ 電源側配儲。儲能系統可在可再生能源發電過剩時儲存電力，在需求高峰或發電不足時釋放電力，平衡電網負荷。抽水蓄能作為全球儲能裝機容量中占比最高的技術[26]，在成熟度、安全性、經濟性方面優勢突出，成為電源側配儲中廣泛應用的大規模儲能技術之一，但其建設周期長、投資成本高，且受地理條件限制。

1.2.2需求側調節方案

需求側調節策略通過引導消費者調整用能行為來緩解可再生能源發展困境。需求響應能夠挖掘需求側的靈活性資源，平衡可再生能源發電的間歇性和波動性，提升可再生能源在電力系統中的滲透率[27]。該策略的核心在于利用價格信號，如峰谷價差或實時電價變動，激勵消費者調整用能時段和行為。在可再生能源發電高峰時段降低電價鼓勵用電，在發電低谷時段提高電價減少用電，通過靈活、柔性的負荷資源轉移來匹配風光發電的波動特性，優化電力需求平衡，緩解棄風棄光問題[28]。然而，需求側調節亦面臨諸多挑戰： ① 消費者獲取電價信息受限，存在滯后性，傳統電表和計費系統無法提供充足信息，導致用戶難以及時調節用能行為； ② 消費者能源使用習慣與偏好相對固定，對新興技術不熟悉，缺乏主動調整用電行為的動力； ③ 消費者在能源市場處于劣勢，被動接受電力價格，在缺乏充足信息和合理調節策略的情況下，可能因峰值電價上升而增加用電成本，不利于其用能權益的維護和福利提升。

1.2.3“產-消”一體的解決方案

單一的供給側或需求側調節雖能緩解可再生能源發展的部分阻礙，但主要基于傳統能源供需模式，以規模化能源生產滿足分散化需求，缺乏對分布式能源生產匹配分散化需求的考慮。實際上，許多大型用能企業通過自備電廠實現自發自用，而非依賴市場供給。在分布式光伏快速發展的背景下，用能實體原則上可在自有空間（如廠房頂棚、居民住宅建筑屋頂等）安裝太陽能光伏，自主發電用以滿足或彌補部分用能需求，成為能源生產者與消費者角色融合的\"產消者\"（producer and consumer，prosumer）[29]，促進可再生能源廣泛利用和社會可持續發展[30]。這一零碳電力“產-消\"融合的解決方案，具有一定技術和市場可行性，催生出多樣化的應用場景。例如，企業在廠房頂棚安裝光伏，用以部分滿足自身用電需求而非上網售電，居民家庭、學校、醫院等在其建筑屋頂安裝光伏發電，或自用或上網售電。一些個案聲稱\"零碳”，實際上是在一段時間內實現自身光伏發電量大于其電力消費量[31]。從某種意義上，這種零碳是成立的，因為其零碳電力生產大于或等于其消費。但從嚴格意義上，這種零碳并不成立，因為： ① 風光電力的間歇性使其只有量的充裕而缺乏質的保障，仍需依靠外部非零碳能源補充或保供，并非真正的零碳[32]；

② 電網為消納這些間歇性零碳電力可能增加化石能源裝機容量，實現電力“保供”，出現為了“零碳”反而“高碳”的情況； ③ “產-消”一體的方案難以獨立運行，受制于電網消納能力，不但難以與電網良性互動，反而會加劇電力系統的波動性[33]，其規模化發展必然受限。

1.2.4“產-儲-用”多功能融合的系統解決方案

供給側調節依賴高成本基礎設施建設和技術創新，適用于用能需求規模大的工業化城市；需求側調節需要完善的動態或峰谷電價機制，適用于區域大電網覆蓋的用能實體；“產-消”一體的解決方案雖能促進可再生能源就地生產與消納，但規模化部署受限。綜合考慮經濟與技術可行性、能源安全性以及消費者福祉等因素，現有調節策略仍存在一定局限（表1），難以從根本上破解能源轉型困境。因此，需要探索新的解決思路，避免對電網造成額外負擔，同時保障消費者用能權益，實現各權益方共贏。綜合解決方案的關鍵在于可再生能源技術的革新與系統集成。隨著分布式儲能技術經濟性的提升，構建以零碳風光電力為主體的\"產-儲-用\"多功能融合的系統解決方案成為可能。本研究提出零碳單元體能源系統解決方案，通過集成零碳風光電力、儲能和終端能源消費技術，形成可靠、靈活的能源系統。分布式可再生能源與儲能系統的組合，能夠提高電力供應的穩定性和靈活性，與區域電網良性互動，及時響應政策環境變化，并改善系統經濟性能[34]。這一系統方案并非對傳統能源供需二元分離格局的否定，而是填補與滿足多元用能實體的能源需求，以系統集成的方式加速釋放零碳轉型潛力。

2零碳單元體能源系統解決方案

2.1 零碳單元體的內涵

零碳轉型進程中必須有足夠量級、相當品質的可再生能源，且其便捷性、經濟性、安全性都能夠滿足經濟社會系統的能源服務需求。傳統化石燃料推動并支撐了工業化與城市化進程，具有資本密集、規模巨大、壟斷可控的特點，形成了典型的能源供需二分市場格局。相較而言，風光等零碳可再生能源具有熱值密度低、間歇性強的劣勢，難以滿足能源密集型制造業和居住區的用能需求。然而，可再生能源技術的快速演進、成本下降，以及儲能電池在規模、密度、經濟性上的發展[35]，催生了可再生能源開發利用的變革式機遇，零碳風光電力生產、消費、儲能融合一體的系統集成方案展現出可行前景。

表1破解零碳轉型困境的不同解決方案比較

零碳單元體是一種集成零碳風光電力生產、消費和儲存的變革性系統解決方案，“荷”“儲”一體，“荷”隨“源”動[36]，旨在通過分布式零碳可再生能源電力的\"產-儲-用”集成而實現能源自產自用、自給自足，且與電網良性互動的能源發展新范式[37]，脫離化石能源發展軌道而實現零碳目標。具體而言，零碳單元體利用風光等自然資源，在居民住宅建筑、學校、醫院、工廠、園區、社區、鄉村等場所的頂層或其他可利用的自然空間，就地生產零碳電力，并通過儲能電池保障能源供給的穩定性與品質，滿足不同用能實體的需求。在法律邊界上，零碳單元體是一個獨立的法人實體，可以是自然人、獨立法人、合伙人、合作社，抑或聯合體;在功能邊界上，以能源自給自足與零碳排放為目標，風光發電設備的選型以“負荷需求導向\"為原則，優先滿足自身負荷需求，富余電力可外送交易；在空間邊界上，零碳單元體以終端用能場景的自然空間為載體，強調能源生產與消費的地理鄰近性，從而降低輸配電損耗并提升能源利用效率；在電力交互邊界上，零碳單元體可獨立運行或與電網互連、雙向調節，避免單純依賴電網輸電或完全電力外送。此外，評價零碳單元體能否實現零碳目標，需綜合考慮一個完整周期內單元體核算邊界內能源生產（消費）的直接排放、外購電力的間接排放，以及系統設備制造全過程的隱含碳排放是否實現零碳排放。在低碳過渡期，受限于電網碳排放、風光電力設備和儲能電池制造環節的隱含碳排放，零碳單元體通過零碳電力外送抵扣外購電力碳排放或提升零碳能源自給率，逐步趨近零碳目標；隨著電網電力結構與系統設備制造零碳化，離網或連網型零碳單元體均有望實現真正的或絕對的零碳，完全擺脫對化石燃料的依賴。

零碳單元體集能源生產、消費、儲存于一體（production，consumption，and storage，prosumerage）的模式，突破乃至于顛覆了傳統能源供需二元分離的格局。通過零碳風光電力的自產、自儲、自用，零碳單元體既可以獨立于電網運行，也可與電網連接，在電網需要或系統電力不足時相互補充和調節，從而形成與電網雙向互動的關系[38]。隨著零碳單元體的推廣應用，多個單元體可相互連接、聚合，形成局域或區域微電網，滿足更多能源密集型場景的能源服務需求。由此形成的自下而上、互聯互通的能源治理新形態，打破了傳統化石能源體系自上而下的“產-輸-配-終端用能\"壟斷治理模式，能夠充分挖掘并匯聚多元用能實體的零碳轉型潛力，加速能源轉型進程。因此，零碳單元體在落地實踐中的物理規模可彈性擴展，從單體建筑到工廠、學校、園區、社區、村鎮、縣域、城市、國家或區域級系統均可適用，但其核心特征仍在于“產-儲-用\"系統功能的集成性與治理邏輯的扁平性。

2.2 零碳單元體的系統性

化石燃料本身就是能源載體，具有靈活性，生產與消費分離，無須儲存。然而，零碳風光電力若遵循生產、消費二元的市場格局，顯然缺乏靈活性，難以同化石燃料競爭。與以往分布式可再生能源“全額上網”或“部分自用 + 余電上網\"的\"產消者\"模式不同，零碳單元體聚焦零碳風光電力“產-儲-用”一體化整合和系統優化控制，利用儲能的“荷”“源”二重性，使自主的能源生產和消費更加靈活和穩定，并可在電網需要時提供零碳電力，保障用戶對零碳單元體系統的所有權、使用權與收益權。這一解決方案不僅支持離網自主運行，也為電網與用戶雙贏提供新思路。零碳單元體必須具有系統性，涵蓋要素包括能源的生產、消費、儲存和管理系統等，形成一個既可相對獨立運行的自我循環系統、也可以與電網連接的開放式單元。

2.2.1 能源生產

考慮能源可獲得性、技術可行性與便利性，零碳單元體的能源生產以太陽光伏電力、太陽熱能和風電為主，少數情況也包括就地就近可利用的生物質能。需要說明的是，光伏的規模具有可分割性，可按需求容量裝機，同時滿足國家對于分布式光伏發電項目的相關要求①；風機容量需與單元體負荷相匹配，小型風機具有維護成本低、可靠性高和低風速適應性強等優勢[39，相對而言更契合分布式場景的負荷需求，而對于負荷密集且風力資源富集的區域，在可控輸電距離內的大容量風機也可納入零碳單元體范疇。從能源形態上，主要包括一次電力和熱能。對于生物質的固態、液態和氣態能源，鑒于其設備的復雜性和經濟性，多為風光能源生產的輔助。以風光為能源生產的主要類型，也是考慮到水電乃至于生物質能在以公有制為主體的制度環境下，家庭、學校、社區等不具有土地等公共資產的處置權。相對而言，屋頂、場院，盡管不具備永久所有權，但是使用者如住戶有著相對自主的用益權和收益權。

2.2.2 能源消費

零碳單元體涉及的市場主體包括具有能源消費需求且擁有自主可利用空間的居民家庭、企業、園區、社區、村莊等單個實體。在能源消費側，需重點考察能源消費總需求量、能源品質的穩定性和靈活性，以及終端消費需求的可滿足性。例如，家庭用能需求主要包括家用電器（照明、冰箱、洗衣機等）、制冷、供暖、熱水、交通工具用能和餐廚用能等。目前許多家庭的餐廚用能依賴天然氣，供熱用煤炭或天然氣，交通工具以燃油為主。實際上，這些需求均可通過家用電器、熱泵、電動汽車等實現全面電力化，而數字經濟的發展也將進一步提升家庭用電需求[40]。此外，利用零碳風光電力滿足能源需求時，常面臨電力生產與消費時間不匹配的矛盾，尤其在溫帶地區，光伏電力在夏季和白天較為充裕，但用電高峰值集中在冬季與夜間，相較而言，熱帶地區的居民因夏季制冷需求，分布式光伏生產與消費的匹配度更高[41]。面對零碳電力供需錯配問題，儲能電池提供了可行的解決方案。

2.2.3 能源儲存

儲能是零碳單元體的關鍵要素。風光等可再生能源存在能量密度低、間歇性和波動性問題，難以在特定時間提供穩定、高質量的電能。分布式儲能可在系統發電量高、需求低時儲存多余電量，并在電力需求高峰時段釋放電量，緩解電網壓力，取代化石能源調峰，降低電力碳排放[42]。零碳單元體中的儲能需滿足以下3個條件： ① 儲能必須在單元體的自主空間范圍內可控。抽水蓄能、壓縮空氣儲能等雖儲能效果好，但所需空間超出單元體自主可控范圍。 ② 儲能必須具有經濟性，滿足不同實體的生產和用能需求。抽水蓄能和壓縮空氣儲能因資本、技術和運行所需容量門檻高，于單元體而言不具有經濟性，而干電池、電動摩托車電池雖具有儲能功能，但量級和經濟性不足，難以滿足單元體的需要。 ③ 儲能裝置必須安全穩定，在單元體空間范圍內，嚴禁發生爆炸、火災等安全事故或運行不穩定的情況。實際上，零碳單元體的儲能電池不僅具備傳統的儲能功能，還兼具連網（battery-to-grid）和連負荷（bat-tery-to-load）的雙重功能，能夠與電網和負荷良性互動。除常規靜態儲能電池箱（柜）外，電動汽車V2G（vehicle-to-grid）、V2L（vehicle-to-load）等技術正成為分布式可移動儲能的創新發展方向。V2G技術實現了電動汽車與電網的雙向電量交互，V2L技術則通過動力電池為其他負載供電，進一步拓展了電動汽車電池的應用場景。此類技術推動“充-儲-放”一體化的分布式移動儲能系統構建，有效提升能源儲存的靈活性與經濟性[43]，發展潛力巨大。

2.2.4能源管理系統

零碳可再生能源的生產、終端消費和儲存是相互隔離的，需要技術集成和優化控制，也就是能源管理系統。具體而言，需考慮可再生能源發電后是直接用以滿足終端需求或儲存、滿足終端需求的優先順序排列，以及與外部系統的靈活優化對接等問題。當外部電網負荷飽和時，零碳單元體可儲存多余電能，并在電網需求回升時向外輸送電力。此外，電動汽車電池與單元體之間的互動也需優化管控。因此，零碳單元體強調基于數據分析、動態監測、人工智能預測等先進技術的智能化能源管理與優化控制，實現實時能源監測與調節，動態調整儲能設備的充放電行為，為電網提供穩定的零碳電力44。能源智能優化管控系統不僅能夠提高單元體的能源利用效率，還能平滑可再生能源供應的不穩定性，增強零碳單元體在電力市場中的韌性、適應性和協同響應能力，與電網形成良好的互補關系。

2.3零碳單元體的典型形態

在實踐層面，針對居民家庭、工廠、園區、社區、村莊等不同用能實體，能源生產和使用規模、特點等存在明顯差異，因此適用于不同用能實體的零碳單元體的典型形態可歸類為以下3種類型：“產-儲-用\"多功能融合一體的單體形態，多個用能實體各自進行能源生產和終端消費并共享儲能的合作社形態，以及單體和合作社互聯互通形成微網乃至于局域網的共同體形態。

2.3.1相對獨立的單體形態

相對獨立的零碳單元體單體形態多以一種單體系統的形式展現（圖1），即零碳風光電力的生產、儲存和終端能源消費，是單一經濟實體、相對獨立的核算單元，例如單體住宅、單一獨立法人的學校、醫院、獨立工廠單元等。通過安裝太陽能光伏板或小型風力發電機等可再生能源發電設備，配合高效儲能系統，用戶可以實現用能的自給自足，或減少對外部能源的依賴。這一單體形態可以不受電網消納能力的制約，自主安裝且相對獨立運行，亦不會對電網消納帶來額外負擔，單元體分散化的布局也有助于提升能源安全。零碳單元體亦可通過與電網連接實現雙向互動，當系統發電量超過自身實時需求時，可優先將多余電量存入儲能電池，或根據電網消納能力，在可消納時段直接輸送至電網，并通過市場化機制獲取售電收益；在電網電力過剩時，通過儲能系統接收電網電力，從而緩解電網消納壓力，優化電力系統整體運行效率。此外，當單體系統因天氣或其他原因導致電力生產不能滿足自身需求時，用戶仍可從電網購電，以應對短時電力供應不足的緊急情況。

2.3.2合作社共享形態

合作社共享形態是由多個經濟實體（如園區社區/村莊中的住戶）以合作社方式形成的多元一體的合作共享單元（圖2）。例如，村莊或社區中的住戶可利用自己的屋頂空間安裝太陽能光伏板或小型風機，村集體或社區可在停車場等公共空間布局可再生能源設備，并集中配置大型儲能柜。各住戶的風光發電可統一接入儲能柜，經系統優化調配后再分配至各戶，實現能源的高效共享與利用。這一合作社共享形態包含多個可再生能源“產消者”，但有且僅有一個集體共享的儲能裝置和系統集成優化控制系統，統一調控合作社內各經濟實體的電力消費，形成一個多單元能源生產實體、單一儲能優化控制系統、多單元能源消費實體的合作社形態。通過集體分攤儲能成本、擴大儲能規模，該形態能夠降低各用能實體的初始投入，優化用能成本，實現個體和整體的凈效益最優[45]。此外，合作社作為一個整體單元與電網連接，可減輕電網消納壓力，為微電網和其他合作社單元提供互利共贏的優化空間，提升電力供應的穩定性。不同集體經濟組織通過共享資源和收益，增強能源自治和市場適應性。

2.3.3共同體互連形態

共同體互連形態指相鄰或空間毗鄰的多個單體獨立形態或合作社形態，彼此之間相互連接形成的微型電網或小型局域網（圖3）。在共同體形態中，每個單體或合作社都是能源生產者、消費者和儲能的所有者，可以相互連接和交易，共享收益，形成扁平化的治理格局，顛覆傳統能源體系垂直壟斷的管理模式。共同體形態也可進一步與其他毗鄰的共同體連接，形成更大規模的微電網或局域網，或同區域大電網連接并進行交易。共同體形態由兩個及以上單體或合作社單元相互連接、支撐、共享而形成。由于不同獨立單元體所在區域的光照與風力條件存在差異，共同體形態能夠實現不同地區能源資源的相互補充，加強單元體之間的協調合作，優化能源資源配置，實現更大規模的能源共享與優化控制，從整體上提升共同體空間范圍內可再生能源的有效消納，推動更大區域層面的零碳轉型。

圖1 零碳單元體單體形態

圖2零碳單元體合作社形態

圖3零碳單元體共同體形態

零碳單元體的3種典型形態—“產-儲-用”一體的單體形態、共享儲能的合作社形態以及互聯互通的共同體形態，能夠滿足不同應用場景的多樣化需求，有助于推動構建分散扁平、互利共贏的新型能源治理體系。因此，零碳單元體能夠以系統集成的方式破解可再生能源發展受限的困境，實現零碳風光電力更加廣泛地就近就地消納，最大限度地釋放零碳技術體系和產業鏈的潛在優勢，以市場優勢驅動轉軌脫離化石燃料，加速步入零碳可再生能源和可持續發展的新軌道。

3零碳單元體能源系統解決方案的協同效益

3.1與電網形成良性互補關系

隨著居民收入增加、生活品質提升和終端用能電氣化水平提高，未來電力需求將持續快速增長。國際能源署（InternationalEnergyAgency，IEA）預測，到2050年，全球電力需求將在2023年水平基礎上實現2.0～2.5倍的增長[46]。零碳單元體的推廣既能夠加速這一進程，也將以自產自用的方式滿足新增需求，避免新建大規模電廠和輸電線路的高昂成本。獨立于電網運行的零碳單元體可實現電力自產、自用、自儲的閉環運行，原則上無須電網額外消納；與電網連接的零碳單元體則可在用電高峰時段向電網提供相對廉價、穩定的零碳電力，在低谷時幫助電網消納過剩電力。此外，零碳單元體（單體、合作社和共同體形態）能夠與區域大電網雙向交互，向電網售電獲取收益，或在緊急情況下通過電網供電保障系統安全。因此，零碳單元體與現有區域電網并非對立，而是互為補充的共贏關系。

3.2提升能源可及性與安全性

在電網覆蓋不足或電力供應不穩定的地區，零碳單元體憑借其分散扁平的能源治理模式，展現出獨特且顯著的優勢。全球尚有6.85億人處于無電狀態[42]，零碳單元體提供的能源服務解決方案，既能夠節省電網投資成本，減少對化石能源的依賴和進口成本，同時賦予用戶更多的能源選擇權和自主權，提升用能安全性。煤炭、石油等化石能源呈點狀、集中分布，極易被資本地緣主權實體壟斷控制，能源生產和消費供需分離，因價格波動、地緣政治博弈、貿易壁壘等因素造成的能源斷供風險大。與之相反，風光等可再生能源在全球范圍內分布較為均衡，不可能被單一實體集中壟斷或摧毀，更具安全性且自主可控[47]。在零碳單元體框架下，單元體通過自產、自用、自儲的方式，以更低的成本和零碳排放的能源服務滿足用能需求，避免高碳鎖定風險，提升能源可及性和安全性。

3.3加速零碳轉型與環境改善

零碳單元體系統以零碳風光電力為核心，有效避免能源生產及使用過程中的碳排放，對全球氣候和環境安全意義重大。該方案的應用前景廣闊，尤其是考慮到太陽能光伏發電在全球范圍內的技術可用潛力。據估計，全球太陽能技術可利用潛力約為每年613萬億 kW?h^[48] 遠超2023年全球電力總需求27.68萬億 kW?h^[49] ，彰顯太陽能發電滿足甚至超越當前全球電力需求的潛力。以中國為例，Zhang等[50]以354個城市為樣本測算的結果顯示，中國屋頂光伏潛在裝機容量達4617GW，發電量可達5079TW?h ，碳減排潛力超過38億t，幾乎占電力和熱力部門碳排放的 70% ，其中一些城市的屋頂光伏發電減碳潛力甚至相當于全球最大水電廠的一半。此外， CO₂ 與PM_2.5，SO₂，NO_x 等大氣污染物具有同根同源性[51]，意味著零碳單元體的推廣還能減少大氣污染物排放。從生產側看，可再生能源替代化石燃料發電能夠直接減少有害物質排放；從消費側看，電動汽車和熱泵等設備的應用將減少燃油汽車尾氣和化石能源供暖的污染排放，改善空氣質量[52]

3.4提升消費者福祉

零碳單元體將消費者從被動接受能源價格的角色轉變為獨立的能源市場參與者，提升能源自治管理權，減少對壟斷電網的依賴。在傳統化石能源體系中，消費者處于劣勢，缺乏有效的權益保障機制。零碳單元體通過促進能源自發自用，賦予消費者更大的能源管理自主權，避免對電網供電的依賴以及電價波動風險。例如，電動汽車在油價上漲、購車補貼增加和家用智能充電技術成熟的背景下更具競爭力，全生命周期可節約成本1.0萬～2.6萬美元[53]。熱泵等新型電力設備可為低收入家庭節省2%～6% 的能源成本，保護其免受化石能源價格沖擊[54]。在化石能源體系中，生產者或資源占有者獲取壟斷利潤和資源收益，而消費者作為價格接受者，其經濟剩余易因價格波動而被壓縮。相較而言，在零碳單元體中，生產者和消費者合為一體，生產者剩余和消費者剩余均歸該經濟實體所享有。此外，零碳單元體用戶可通過向電網出售富余電力獲取售電收益，增加直接經濟收益，進而通過收入效應促進需求增長與福祉提升。

4總結與研究展望

《公約》第28次締約方大會達成的《阿聯酉共識》開啟全球加速轉軌脫離化石燃料進程。當前，風光等可再生能源發電技術已經具備與化石能源競爭的市場優勢，但仍然面臨棄風棄光、市場競爭不對等、政策信號不確定以及高碳能源鎖定等現實阻礙。同時，可再生能源發電與儲能、電動汽車、熱泵等技術之間缺乏系統集成，滯緩零碳轉型進程。為此，本研究從\"產-儲-用\"多功能融合的視角，提出零碳單元體能源系統解決方案，通過整合零碳技術，以系統集成的方式實現零碳能源的就近就地消納，加速釋放多元用能實體的零碳轉型潛力。零碳單元體包括單體形態、合作社形態和共同體形態，適用于多種場景，既能為偏遠地區提供零碳電力，也能與電網深度融合，形成良性互補關系。此外，零碳單元體在提升能源可及性與安全性、改善環境質量、減緩氣候變化和增進消費者福祉等方面具有多贏潛力，有利于維護氣候與環境安全，增強社會發展韌性，推動能源治理向分散扁平、多元互補的新型智慧能源互聯網模式轉型。

盡管零碳單元體展現出巨大潛力，但在復制、推廣和應用中仍面臨諸多挑戰，需要進一步研究和實踐探索：① 系統集成與優化控制。現有技術雖為零碳單元體管理提供了支撐，但在電力生產、儲存、終端用能與電動汽車集成優化方面仍需加強，尤其是與電網的協調互動，需進一步完善智能化管理，實現各子系統的最佳耦合，發揮協同效應。 ② 技術經濟性量化測度。當前對不同規模和應用場景的零碳單元體量化評估不足，需全面評估投資成本、運營費用、收益及社會經濟和環境影響，通過與傳統能源方案對比，量化其技術經濟可行性，為推廣提供依據。 ③ 技術規范標準構建。盡管2024年底的中央經濟工作會議和2025年《政府工作報告》提出要建立一批零碳園區、零碳工廠[55]，但零碳單元體作為一種分布式能源發展新范式，尚未被納入政策規范性文件獨立確認，需對接現行政策，以減少可能的政策障礙；需盡快建立統一的技術標準和規范體系，保障系統方案的一致性和完整性，確保不同形態單元體的可落地性和可操作性，避免資源浪費。④ 政策適配性。國家關于新能源的政策具有動態調整性，表明零碳單元體建設的政策適配需要與時俱進，如2025年初國家能源主管部門對分布式光伏裝機容量規模有所收緊[56]，以及有關新能源上網電量全面入市的規定7。面對相關政策的出臺與更新，需加強零碳單元體政策適配性研究，提升零碳單元體的適應性與競爭力。例如，零碳單元體應具備小型化、高自給率特征，并通過互聯互通形成分散式模塊化架構；需優化儲能充放電策略，提升能源智能調度和響應能力，利用峰谷價差套利對沖市場電價波動風險。 ⑤ 社會接受度。零碳單元體的設計和開發需要注重與周圍環境的和諧性，提升外觀、美學、材料等方面的協同性，提高社會接受度和市場吸引力。 ⑥ 資金問題。較高的初始投資成本是零碳單元體推廣面臨的一大障礙，需在傳統融資渠道基礎上，探索新的融資種類和模式，如零碳金融、股權參與、能源服務公司（energy service company，ESCO）等，解決資金瓶頸，推動廣泛部署。 ⑦ 治理問題。零碳單元體的扁平化治理及與電網之間的博弈，存在許多治理上的難題和困境，需在實踐中發現問題、解決問題，不斷完善治理機制。 ⑧ 試點示范研判。針對不同區域和應用場景開展先導性示范項目十分必要，通過實踐檢驗和優化，為廣泛推廣積累經驗。例如，德國Sonnen有限公司的清潔能源社區項目通過整合分布式可再生能源發電和儲能系統，聚合到大型家庭社區，將其作為虛擬微電網進行優化管理[58]，初顯成效。未來，隨著技術進步與成本降低，零碳單元體將成為能源零碳轉型的重要力量，助力全球加速轉軌脫離化石燃料，走向可持續發展的繁榮之路。

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Zero-carbon energy prosumerage system integrating renewable generation，storage andconsumption：modalities，characteristics，and system design

PAN Jiahual2，JI Zhixuan2 （1.Institute of Eco-civilization Studies，Beijing Universityof Technology，Beijing 1OO124，China; 2.FacultyofAppliedEconomics，UniversityofChineseAcademyofSocialSciences，Beijing1O2488，China）

AbstractThe28th ConferenceofthePartiestothe UnitedNationsFramework ConventiononClimateChange（COP28）deliveredthe UAEConsensus，markingatransformativeshiftfromdependenceonhighcarbonfossilfuels towardazero-carbodevelopmentrajecto rycenteredonrenewableenergysuchaswindandsolarpower.Althoughthecostcompetitivenessofwindandsolarenergycontiusto improve，heirlarge-saledeplomentremainsonstrainedbyultiplebariers，incudingetrenedrelianceonfossilenegbsed developmentpathwaysandpersistentconcersovertheadequacyandreliabilityofrenewableenergysupply.Meanwhile，emergingtech nologiessuchasenergystoragesystems，electricvhicles，ndheatpumpsdemonstraterobustmarketpotential.However，theabsence of integrationacrossthezero-carbonindustrialchainhashnderedthezero-arbonenergysystemfromralizingitssystematicadvantag esaacomprehensivesubstitutefortheigarbonfosilful-basedsystem，terebysigificantlyelaingtheprogessofzrcarbon transition.Inesponse，tisstdypropossazerocarboneegyprosumeragesystem（ZEPS）fromteperspectiveofultfunctioalin tegrationacrosswindandsolareergyproduction，storageandconsumption.TeZEPSsolutiointegrateskeycomponents，cluding renewableelectricitygeneration（ero-carbonwindandsolarpower），nergystorage（aterysystems），andend-useenergyostio （e.g，variouselectricapplianceseletrcecles，ndheatpumps）intofullfunctioalstecapableofothideedet operationandgridconnection.TisstudyfurtheranalyzsthecorecomponentsandtypicalmodaliesoftheZEPS.Asaninovativeenergysystem，theZEPSestablishsabottomupndflattnedgoverancearchitecture，representingastructuralshiftfromthecoven tionaltop-donlnearodelof“generatio-transmision-distributio-cosumption”TeZEPSisdesignedtobereplcable，alable， andadaptablerossdeseioalotetsgualefitstroughgiditercotiondmostratigulsi alvalueineacingeecessibiltandcuimprovingeonntalualityitigatingcliateang，ndieasgco sumerwelfare.TheconstructionandoperationoftheZEPSareexpectedtotriggerbroadandprofoundtransformationsacrossocico nomicsystems;owever，suchtrasitiosequeovercomigthetucturaliertimbeddedintefosilfuel-basedistitioalnd regulatory frameworks.

Keywordsrenewableenergy;energytransition;zero-carbontransition;“productionstorage-consumption”integration;zerocarbo energyprosumerage system （ZEPS）

（責任編輯：王愛萍）