16.碳视角下区域能源互联网规划思路-清华大学 李治

碳视角下区域能源互联网规划思路兰清华四川能源互联网研究院SichuanEnergyInteTIANFUYONGXINGLABORATORY李治二○二三年八月CONTENTS3面向碳中和的园区综合能源系统构建4零碳园区数字化解决方案清华四川能源互联网研究院stontieeryylimsnatRounchIraunateTengdhaLainriuryTIANFUYONGXINGLABORATORY√中国将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；√到2030年中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机将达到12亿干瓦以上。现阶段下中国能量平衡图(2020)coalcoal碳中和下中国能量平衡图(2060)能源是主战场电力是主力军能源是主战场电力是主力军lndusty资料来源：清华大学研究成果44天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORYskuEarpytmmeAaohIrameeTuighuthwnby■全面深化电力体制改革并推动新型电力系统建设口2021年10月24日国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》《方案》提出构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，推动清洁电力资源大范围优化配置。口2022年1月29日国家发展改革委、国家能源局发布《“十四五”现代能源体系规划》《规划》提出推动电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进，统筹高比例新能源发展和电力安全稳定运行，加快电力系统数字化升级和新型电力系统建设迭代发展，全面推动新型电力技术应用和运行模式创新，深化电力体制改革。口2022年5月30日国家发展改革委、国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》《方案》提出要实现到2025年，公共机构新建建筑屋顶光伏覆盖率力争达到50%;到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上的目标，加快构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统。《报告》强调加快规划建设新型能源体系，加强能源产供储销体系建设，确保能源安全。完善碳排放统计核算制度，健全碳排放权市场交易制度。提升生态系统碳汇能力。积极参与应对气候变化全球治理。口2023年7月11日中央全面深化改革委员会第二次会议会议审议通过《关于深化电力体制改革加快构建新型电力系统的指导意见》,强调要深化电力体制改革，加快构建清洁低一、背景介绍清事大学清华四川能源互联网研究院SikctunEmrzyfataneCiihInateTomghug天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY■新型电力系统——将“双碳”目标内化后的电力系统演进的优化路径外力驱动“双碳”新型电力系统低碳化是新型电力系统的核心驱动力—6—一、背景介绍经济社会发展综合战略清华四川能源互联网研究院SlonyltinTnghDavenly天府示兴实验室TIWnil.GLABORATORY2035年远期目标2050年远景目标主战场聚焦电力聚焦电力两件大事传统动能：靠能源消耗拉动经济增长绿色低碳：以碳中和为目标的发展模式技术支撑机制支撑一、背景介绍一、背景介绍TIANFUYONGXINGLABORATORY■数、智化是能源系统变革的重要技术支撑，助力中国现代化建设鲁中苹人共中央人民政肩新华社鲁中苹人共中央人民政肩新华社受权播发“十四五”规划和2035年远级日标纲要《规划》指出，提出加快数字化发展，建设数字中国，充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深度融合，赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，壮大经济发展新引擎。中人民共和医中央人共政府m00mismta中人民共和医中央人共政府m00mismta《规划》指出引导产业园区加快数字基础设施建设，利用数字技术提升园区管理和服务!能力。积极探索平台企业与产业园区联合运营模式，面向重点行业和企业转型需求，提i供数字化转型公共服务，打造区域产业数字化创新综合体，带动传统产业数字化转型，鲁中华人民共和国中央入民政府*鲁中华人民共和国中央入民政府*0rsm加快数字技术创新应用。支持数字企业发展壮大，建立大中小企业融通创新工作机制，推动平台企业规范健康发展。m88背景介绍CONTENTS4面向碳中和的园区综合能源系统构建零碳园区数字化解决方案4二、零碳视角下区域能源规划思路请革大学清华四川能源互联网研究院SuaunkenyIimnetHosanhthamateTIANFUYONGXINGLABORATORY能源消费本地能源供应能源供需匹配能源安全挖掘各终端消费领域节能降耗潜力，深化电能、氢能对化石能源的替代降碳通过科学的开发利用，科学确定开发时序，实现本地清洁能源资源价值最大化绿色开发综合减碳效果和成本，确定效益最大化的能源供需转化路径方案，进一步降低过程碳排放高效匹配保障能源安全前提下合理规划转型路径和节奏，考虑区域互济，重视气候、国际政治、经贸等风险因素风险管理请革大学清华四川能源互联网研究院sitanIeeny请革大学清华四川能源互联网研究院sitanIeenylinatBouunhIraunateTanghaawrury天府示兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY■能源消费：节能降耗+清洁替代●按照《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》,能源活动主要排放涉及能源工业、制造业和建筑业、交通运输及其他行业，考虑区域产业发展定位和电力生产格局，将建筑、工业、交通三大部门作为碳排放主要来源，可覆盖区域主体能源活动。●围绕三大部门，从节能降耗和清洁替代两方面重点发力，在能源消费领域最大化降低碳排放。通过改变能源/碳排结构实现清洁替代减少排放通过提高能源利用率降低能通过改变能源/碳排结构实现清洁替代减少排放技术创新耗(效率)能源消费领域减排代(结构)二、零碳视角下区域能源规划思路请革大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY■能源消费：零碳视角下终端能源需求预测方法以常规方法为基础计算建筑、工业、交通领域的电、冷、热、气、油终端能源需求，研究分析节能和替代两大转型措施对终端能源需求的影响，测算转型路径下终端能源需求。常规路径负荷测算方法负荷指标×用地面积×同时系数×容积率×利用小时数×……电冷热解耦，常规电负荷扣除供冷热用电……乘用车=干人保有量×规划水平年起步区人口数量…建筑建筑电建筑本体终端节能转型建筑本体终端节能业气源替代工业节能技术终端节能源替代能效技术进步_(汽车发展进步)转型路径终端用能需求起步区终端能源需求清革大学清华四川能源互联网研究院Sutunlcnylmwnt清革大学清华四川能源互联网研究院SutunlcnylmwntHawanchnailar天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY针对典型能源受入和消费区域，重点针对电、冷、热终端能源消费需求，为尽量减少能源碳排放，首先要最大化开发本地风、光、地热、生物质等可再生能源资源；在此基础上以最大化利用可再生能源为原则选择优化供应路径，实现最高效转化，最大化减少燃气直接排放和转化利用技解决终端转化效率利用建议太阳能光伏发电电发电效率20%优先利用太阳能热水器热系统效率40%作为补充*风能风力发电电转化效率25%适宜利用生物质能生物质发电电转化效率30%不建议利用生物质供热热转化效率70%不建议利用生物质热电联产电、热综合效率80%以上优先利用地热能地源热泵冷、热制热COP4.5,制冷COP5.5适宜利用能源消费类型本地能源资源能源消费类型电电热冷能生物能请革大学清华四川能源互联网研究院请革大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室TANFUyONGXINGLABORATORY■本地能源供应：全面分析可再生能源最优利用路径根据能源情况，确定可开发利用清洁能源类型，以最高效转化为原则确定最佳转化路径。参考国家现行资源量评估标准，测算本地清洁能源的最大供应潜力。结合实际情况，确定最大减碳的开发利用方式。资源量测算及时序解决能源需求光伏发电地热风功率密度生物质热电圾资源量量地源热泵--污水源热泵1随城市发展进度逐步随生物质电厂扩改建规模随城市发展进度逐步随生物质电厂扩改建规模，35年完全开发35年基本开发50年完全开发r点，35年完全开发Y请革大学清华四川能源互联网研究院SwhonllepytmuneiRoouanh请革大学清华四川能源互联网研究院SwhonllepytmuneiRoouanhIrauateTaighuaLaiMruly天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY■能源供需匹配：实现能源供应最优配置以碳排放总量、经济性为目标，构建多目标函数，确定碳排放最低的整体解决方案。以电碳系数、氢碳系数、设备转换效率、投资及运行成本为边界条件，以碳排最低和经济最优为优化目标，以满足能源消费需求、各时间节点能源供需平衡为约束条件，构建混合整数线性规划模型，得到不同类型能源转化路径的最优配置规模、全年8760运混合整数线性规划模型(MILP)一次能源一次能源石油、天然气a-权重影响因子A-碳排放目标B-经济性目标能源消费需求b,各类终端能源需求边界条件维护成本电碳系数投资成本能源成本转换效率氢碳系数维护成本电碳系数投资成本能源成本转换效率氢碳系数请革大学清华四川能源互联网研究院sutuntieyylmnet请革大学清华四川能源互联网研究院sutuntieyylmnetHsanhthamaieTanghueLaiMrury天府示兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY■能源供需匹配：模型求解方法·[pPz…p,Vte在能量输入节点，端口能量向量Vim由t周期内输入的不同能源向量p决定；在能量输出节点，端口能量向量Vx由t周期内输出的不同能源向量期内用户端负载pg.决定。最后根据整个系统端口能量向量V,计算出满足系统能量流动需求的设备总容量。运营成本差值是否接受否边界运行条件设备成本差值主要优化输出结果：不同类型设备配置规模；碳排、经济指标。TE=P-E+G·ESC1为各设备的总投资成本，C2为各典型运行场景的运行成本，通过设标优化的计算。■能源供需匹配：碳排最优路径下的能源流向图形成以电为中心、冷热协同、氢为补充的能源供应消费体系。2050年地热终端热力终端热力终端氢能终端氢能2风光生物质28终端天然气24天然气终端电力外来电力请革大学清华四川能源互联网研究院skhunlieenylhnatlocanhIrautareTanghaDawasiy天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY建筑交通工业二、零碳视角下区域能源规划思路■区域碳中和发展典型路径skhunleenyylmatlocanhIrautareTanghaDaiviriiyTIANFUYONGXINGLABORATORY区域碳排放减碳路径分析2025年2030年2035年2040年节能降耗清洁替代最大化开发最高效转化最优转换2045年2050年CCUS生物质能-XX其他手段消费侧能效提升、本地供给最大化，消费侧能效提升使二本地绿色能源最大化供需转换路径优化使通过在工业领域、生物转换路径优化是实现净零碳的主要路氧化碳排放下降供给使二氧化碳排放二氧化碳排放量进一质领域推广CCUS,发量下降8%。步下降62%。展核能等技术，可进一步实现角碗—18—二、零碳视角下区域能源规划思路清华四川能源互联网研究院situnIkenylimnetHsanhthaateTanphuLaimruy天府示兴实验室TIANFUyONGXINGLABORATORY■能源高效配置：构建多网协同能源配置网络未来能源格局主要由电网、氢能网(点)、冷热网、气网及充换电网络等基础设施组成，涉及电-冷热、电-氢、新能源发电储能低谷电制氢，电力高峰氢转电氢网表生物质V2G储能跟据电负荷、冷热负荷峰谷情况，动态调整电转冷/热、气转电/冷/热的出力，满足碳排和经济最优目标；气网工业冷热网请革大学清华四川能源互联网研究院tuiloengyhmnatHtorarchIrantareTonghaDaivitiny天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY■能源安全：提高对风险因素的重视程度，将风险管理纳入能源规划过程●威胁能源安全的因素：极端气候/气象，国际经贸、政治形势，突发事件，战略误判，….,以及以上因素的组合叠加。●区域能源规划需要考虑区域外环境，考虑区域美国德州2021供电危机欧洲能源危机□规划缺失、应对失当□战略误判背景介绍CONTENTS清革大学清华四川能源互联网研究院sikturEnraytmameReicnhIraa清革大学清华四川能源互联网研究院sikturEnraytmameReicnhIraaTANFuYONGXINGLABORATORY构建涵盖能源产-配-储-用全环节的综合能源系统，通过能源侧绿色供给，消费侧减碳降碳、能源供需的高效匹配，实现园区的精细化管理，推动园区实现碳中和目标。综合能源供应能源消费节能降耗建筑节能技术提高能源利用率、降低能耗清洁替代电能替代改变能源/碳排结构区域综合能源系统供电供气供热供水能源供应能源供需匹配冷热电力构建多目标源网荷储冷热电力能源站、地热能光伏、风电、氢能、储能供需高效匹配燃气直接碳排和外来电力间接碳排最大化减少碳排、经济综合最优解决方案燃气直接碳排和外来电力间接碳排最大化减少实现园区碳减排碳中和实现园区碳减排碳中和22SktuEncySktuEncytaimeJcichIramttinghuiLnwnaty天府永兴实验室■综合能源系统总体架构信息流建筑屋顶光伏信息流建筑屋顶光伏即即管控中枢碳排放流碳排放流口节能应用：空调、照明等节能、智能设备应用信息流建筑信息流建筑画储能楼宇储能楼宇直流赢請热赢請热能源分配侧380/220N交流母线380/220N交流母线交流负荷±1107直流母线直流负荷口建设低压交直流配电系统，提高能效水平能源调节侧口合理配置新型储能，提高可能源调节侧口合理配置新型储能，提高可口聚合园区柔性资源，开展需……照明路灯动力设备充电桩插座电子仪器数据机房直流插座直流负载系统示意图三、园区面向碳中和的园区综合能源系统构建清华四川能源互联网研究院SkchurEraytmaneHeicinhIniliTenghiglwaty天府永兴实验室TANFUYONGXINGLABORATORY■综合能源系统规划仿真-冷-热-储-氢元件及管网的综合能源仿真模型，实现“源-网-荷-储”协同规划与8760h运行优化，为园区综合能源系统的规划决策、运行优化、效益评估等提供精细、灵活、高效的技术支撑。仿真结果分析年度冬季时序仿真结果(电功率年度冬季时序仿真结果(热功率)综合能源拓扑搭建清弟大学清华四川能源互联网研究院sictu清弟大学清华四川能源互联网研究院sictuEntiytaineHoantlaterTANFUYONGXINGLABORATORY■光储充子系统应用光储直柔技术，以光、储、充一体化设备为核心，构建园区级智慧微网，将光伏、储能、充电桩通过直流母线方式连接，最大化提升新能源使用效率，降低园区碳排放与用能成本。◆采用集成储能电池、PCS、能量管理系统等一体◆通过扫码充电方式与用户交互25清弟大学清华四川能源互联网研究院Skau清弟大学清华四川能源互联网研究院SkauEntgytatzineRoucnhIratlarTANFUYONGXINGLABORATORY■以可再生能源为主的多能耦合冷热子系统结合区域的资源禀赋(自然和余热),以可再生能源为核心，构多能耦合供暖空调典型配置方式余热水蓄能数据中心余热垃圾焚烧发电厂余热供燃气锅炉电蓄热锅炉用气求→供冷需求5-背景介绍CONTENTS3面向碳中和的园区综合能源系统构建请革大学清华四川能源互联网研究院sunIeenylmnRouanhlranaieTonghLawrury天府永兴实验室TIANFUYONGXINGLABORATORY分布式光伏冷热源优化系统>智能配电柜、开关柜节能变压器>……..储能分布式终端储热、氢能…智慧照明智能开关…零碳园区智慧能源管理平台零碳园区智慧能源管理平台碳足迹分析碳排放监测碳减排优化碳清除监测碳达峰中和预测碳资产管理分析碳金融及碳交易应用28-四、零碳园区数字化解决方案清革大学SsotunLienyIoneBsanchihaairTinhaLaiwruly天府永兴实验室■系统架构以近零碳为目标，对园区各类能源资源进行优化规划和整合，构建零碳园区数字孪生平台，实现园区各类能源数据聚合和管理，应用知识驱动+数据驱动的模型算法，对能源系统运行和运营进行优化