李治：碳视角下区域能源互联网规划思路

碳视角下区域能源互联网规划思路清茅大学清华四川能源互联网研究院清茅大学清华四川能源互联网研究院李治二○二三年八月目录背景介绍2零碳视角下区域能源规划思路3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清华四川能源互联网研究院TslnaUnevnay√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，碳中和下中国能量平衡图(2060)碳中和下中国能量平衡图(2060)Aclepr资料来源：清华大学研究成果—3—SichumSichumEnybuamerRcech天府永兴实验室■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》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。口2022年10月16日中国共产党第二十次全国代表大会《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1茅大学清华四川能源互联网研究院一、背景介绍1茅大学清华四川能源互联网研究院TANFUYONGXINGLABOR■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核心驱动力一、背景介绍2035年远期目标基本实现社会主义现代化经济社会发展综合清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室2050年远景目标建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国战略碳达峰、碳中和：广泛而深刻的经济社会系统性变革高质量发展顺应全球低碳大势，倒逼经济走高质高质量发展顺应全球低碳大势，倒逼经济走高质量发展道路深度转型政策，占据全球经济发展制高点具体具体能源是构建清洁低碳、安全高效的能源体系能源转型支撑经济高质量发展能源变革助力社会经济发展动能转变传统动能：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两件大事技术支撑构建新型电力系统构建新型电力系统建设全国统一电力市场体系机制支撑建设全国统一电力市场体系一、背景介绍浦著大告一、背景介绍浦著大告■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rwmi"r国务限T甲夏胃I”BH函复证wuNUa中共中央国务院印发《数字中国建设整体布局规划》m口2021年12月31日，国务院印发《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》《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i态新模式，壮大经济发展新引擎。《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，推动行业企业、平台企业和数字技术服务企业创新发展。国务院印发《数字中国建设整体布局规划》《规划》指出，推动数字技术和实体经济深度融合，在农业、工业、能源等重点领域，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。目录背景介绍2零碳视角下区域能源规划思路3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着大学清着大学天府永兴实验室总体目标：碳达峰、碳中和明晰碳中和目标下的能源发展路径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新型电力系统、新型能源体系形态特征新型电力系统、新型能源体系能源配置方案浦華大学清华四川能源互联网研究院浦華大学清华四川能源互联网研究院SicuEneyLua天府永兴实验室■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管理创新技术创新管理创新清洁替代(结构)能源消费清洁替代(结构)能源消费领域减排氢能替代清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室TupUmen■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以上数据源于上位规划、手册、发达地区发展规划……电冷热解耦，常规电负荷扣除供冷热用电……汽车保有量×年行驶里程×百公里能耗÷100商用车=单位GDP拥有量×规划水平年起步区GDP乘用车=干人保有量×规划水平年起步区人口数量·建筑建筑电气电代气清洁能源替代_工业工业节能技术终端节能气电代气交通业绿色交通绿色交通(淘汰油、气使用)(能效技术进步_(汽车发展进步)起步区终端能源需求清华四川能源互联网研究院清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■本地能源供应：最大化挖掘本地可再生能源供应潜力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能源消费类型本地能源资源能源消费类型本地能源资源能风能生物质能能电热冷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%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适宜利用清著大学天府永兴实验室清著大学天府永兴实验室估标准，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。式筛选太阳能风能生物质地热光伏发电风电生物质热电热泵屋顶立面车棚农业地源热泵污水源热泵资源量风速、风功率、风向、可败设地埋管数量、I污水处理量、I开发思路35年基本开发50年完全开发25年桑梓店小规模试点，35年完全开发随生物质电厂扩改建规模，35年完全开发r随城市发展进度逐步解决能源需求电热冷天府永兴实验室天府永兴实验室■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运行策略、能源投入产出以及碳排、经济指标。x,各类一次能源b,各类终端能源需求外电、外氢、冷、热、电、石油、天然气氢、气、油维护成本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电碳系数投资成本能源成本转换效率氢碳系数浦著大学清华四川能源互联网研究院浦著大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■能源供需匹配：模型求解方法能量输出节点能量输出节点V.=[Vm郎v₁Jv₂/…p,T在能量输入节点，端口能量向量vim由：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Vex由：周期内输出的不同能源向量p决定；在系统负载节点，端口能量向量由：周期内用户端负载plt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设备经济参数边界运行条件主要优化输出结果：>全年8760运行策略模拟；C₁为各设备的总投资成本，C₂为各典型运行场景的运行成本，通过设定合理的目标权重A、B,完成多目标优化的计算。浦茅大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室浦茅大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■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年地热终端热力制热设备终端热力终端氢能制氢设备终端氢能交通风光生物质2风光生物质8终端天然气天然气终端电力外来电力工业清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■区域碳中和发展典型路径区域碳排放减碳路径分析区域碳排放常规路径转型路径转型路径2025年2030年2025年2030年2035年2040年常规碳排终端消费本地供应其他手段常规碳排终端消费本地供应其他手段消费侧能效提升、本地供给最大化，转换路径优化是实现净零碳的主要路消费侧能效提升使二氧化碳排放下降本地绿色能源最大化供给使二氧化碳排放量下降8%。供需转换路径优化使二氧化碳排放量进一步下降62%。通过在工业领域、生物展核能等技术，可进一步实现负碳排放清华四川能源互联网研究院SichumEney清华四川能源互联网研究院SichumEneyLuanRehTsinpuUrevniy天府永兴实验室新能源发电生物质储能低谷电制氢，电力高峰氢转电氢网电网氢网跟据电负荷、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；外电住宅住宅道著大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室道著大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室LinpUnvnay■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。●将风险管理融入区域能源规划的过程，优化分析中加入能源安全考量。●区域能源规划需要考虑区域外环境，考虑区域间互济等，提高应对风险能力。美国德州2021供电危机欧洲能源危机极端气象基础设施损坏规划缺失、应对失当极端气象国际政治形势，突发事件]战略误判目录背景介绍2零碳视角下区域能源规划思路3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浦茅大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室浦茅大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■面向碳中和的园区综合能源系统构建思路构建涵盖能源产-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。区域综合能源系统综合能源供应供电供气供热供水实现园区碳减排碳中和实现园区碳减排碳中和能源供应能源消费能源供需匹配能源供应能源消费电力节能降耗清洁替代构建多目标源网荷储电力节能降耗清洁替代能源站、地热能建筑节能技术光伏、风电、氢能、储能电能替代供需高效匹配能源站、地热能建筑节能技术光伏、风电、氢能、储能电能替代改变能源/碳排结构提高能源利用率、降低能耗改变能源/碳排结构提高能源利用率、降低能耗燃气直接碳排和外来电力间接碳排最大化减少TsinghuUneveni天府永兴实验室■综合能源系统总体架构流O土O380/220Y交流母线管控中枢-信息流冷机信息流交流负荷建筑屋顶光伏±110V直流母线直流负荷能源生产侧能源生产侧口尽可能开发太阳能、地热能等可在生资源，提高可再生能源应用比例，降低园区碳排放能源消费侧口节能应用：空调、照明等节能、智能设备应用口电能替代：充电桩等灵活负荷合理配置能源分配侧口应用节能智能配电设备，降低能耗口建设低压交直流配电系统，提高能效水平照明路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能源调节侧口合理配置新型储能，提高可再生能源消纳比例口聚合园区柔性资源，开展需求响应道著大学道著大学天府永兴实验室TANFUYONGXING综合能源系统规划仿真基于园区资源禀赋、负荷等条件，应用综合能源仿真规划平台，以碳排放、经济性最优为目标，搭建包含电-气-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。年度夏季时序仿真结果(电功率)年度面季时序仿真结果热功率)仿真结果分析年度冬季时序仿真结果(电功率e年宦冬季时序仿真结果(热功丰)综合能源拓扑搭建清華大学清华四川能源互联网研究院SicuEney清華大学清华四川能源互联网研究院SicuEneyLuanrRe天府永兴实验室■光储充子系统体化设备为核心，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。>分布式光伏应用◆利用光储充电站附近屋顶和停车场雨棚，建设分布式光伏◆有效解决光伏发电、供电及能量在传输过程中的转化问题，保证发电的可靠、高效、安全>分布式储能应用◆采用集成储能电池、PCS、能量管理系统等一体化集装箱设计◆占地面积小，集中化程度高，便于控制和维护>充电桩应用◆通过扫码充电方式与用户交互◆系统包括智能监控和智能计量，可根据优化调度完成电能的充放，提高使用效率浦華大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室浦華大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■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峰平电段结合热泵的高效运行行电费峰平电段蓄热地源热泵的高效运行，行电费费用，提高能效余热_→供令需求际究目录2零碳视角下区域能源规划思路3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清华四川能源互联网研究院TinhuUurven天府永兴实验室围绕园区产、配、储、用各个环节，核算园区碳排放和能耗现状，应用智能化、数字化、低碳化设备，以净零碳为目标，开展全景监测、优化运行、智能运维，实现对园区全链路碳排放管理和精细化分析，推动园区实现碳中和目标。>电化学储能>储能分布式终端>储热、氢能▶智能配电柜、开关柜节能变压器>分布式光伏>冷热源优化系统>外来绿色电力智慧照明>电化学储能>储能分布式终端>储热、氢能▶智能配电柜、开关柜节能变压器>分布式光伏>冷热源优化系统>外来绿色电力>Al智慧冷热节能方案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27-浦莱大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室浦莱大学清华四川能源互联网研究院天府永兴实验室■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，具备园区总览、能源运行、碳排监测、运行优化及智慧运维等功能应用，通过数字化手段助力园区发展与碳排放脱钩。零碳园区数字化管理运行平台业务应用