李治：碳視角下區(qū)域能源互聯網規(guī)劃思路

碳視角下區(qū)域能源互聯網規(guī)劃思路清茅大學清華四川能源互聯網研究院清茅大學清華四川能源互聯網研究院李治二○二三年八月目錄背景介紹2零碳視角下區(qū)域能源規(guī)劃思路3面向碳中和的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)構建4零碳園區(qū)數字化解決方案清華四川能源互聯網研究院清華四川能源互聯網研究院TslnaUnevnay√中國將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和；√到2030年中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，碳中和下中國能量平衡圖(2060)碳中和下中國能量平衡圖(2060)Aclepr資料來源：清華大學研究成果—3—SichumSichumEnybuamerRcech天府永興實驗室■全面深化電力體制改革并推動新型電力系統(tǒng)建設口2021年10月24日國務院發(fā)布《2030年前碳達峰行動方案》口2022年1月29日國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《“十四五”現代能源體系規(guī)劃》《規(guī)劃》提出推動電力系統(tǒng)向適應大規(guī)模高比例新能源方向演進，統(tǒng)籌高比例新能源發(fā)展和電力安全穩(wěn)定運行，加快電力口2022年5月30日國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《關于促進新時代新能源高質量發(fā)展的實施方案》《方案》提出要實現到2025年，公共機構新建建筑屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%;到2030年，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上的目標，加快構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)?？?022年10月16日中國共產黨第二十次全國代表大會《報告》強調加快規(guī)劃建設新型能源體系，加強能源產供儲銷體系建設，確保能源安全。完善碳排放統(tǒng)計核算制度，健全碳排放權市場交易制度。提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。積極參與應對氣候變化全球治理?？?023年7月11日中央全面深化改革委員會第二次會議會議審議通過《關于深化電力體制改革加快構建新型電力系統(tǒng)的指導意見》,強調要深化電力體制改革，加快構建清潔低一、背景介紹1茅大學清華四川能源互聯網研究院一、背景介紹1茅大學清華四川能源互聯網研究院TANFUYONGXINGLABOR■新型電力系統(tǒng)——將“雙碳”目標內化后的電力系統(tǒng)演進的優(yōu)化路徑外力驅動核心驅動力一、背景介紹2035年遠期目標基本實現社會主義現代化經濟社會發(fā)展綜合清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室2050年遠景目標建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現代化強國戰(zhàn)略碳達峰、碳中和：廣泛而深刻的經濟社會系統(tǒng)性變革高質量發(fā)展順應全球低碳大勢，倒逼經濟走高質高質量發(fā)展順應全球低碳大勢，倒逼經濟走高質量發(fā)展道路深度轉型政策，占據全球經濟發(fā)展制高點具體具體能源是構建清潔低碳、安全高效的能源體系能源轉型支撐經濟高質量發(fā)展能源變革助力社會經濟發(fā)展動能轉變傳統(tǒng)動能：靠能源消耗拉動經濟增長綠色低碳：以碳中和為目標的發(fā)展模式兩件大事技術支撐構建新型電力系統(tǒng)構建新型電力系統(tǒng)建設全國統(tǒng)一電力市場體系機制支撐建設全國統(tǒng)一電力市場體系一、背景介紹浦著大告一、背景介紹浦著大告■數、智化是能源系統(tǒng)變革的重要技術支撐，助力中國現代化建設rwmi"r國務限T甲夏胃I”BH函復證wuNUa中共中央國務院印發(fā)《數字中國建設整體布局規(guī)劃》m口2021年12月31日，國務院印發(fā)《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》《規(guī)劃》指出，提出加快數字化發(fā)展，建設數字中國，充分發(fā)揮海量數據和豐富應用場景優(yōu)勢，促進數字技術與實體經濟深度融合，賦能傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級，催生新產業(yè)新業(yè)i態(tài)新模式，壯大經濟發(fā)展新引擎?！兑?guī)劃》指出引導產業(yè)園區(qū)加快數字基礎設施建設，利用數字技術提升園區(qū)管理和服務!能力。積極探索平臺企業(yè)與產業(yè)園區(qū)聯合運營模式，面向重點行業(yè)和企業(yè)轉型需求，提i供數字化轉型公共服務，打造區(qū)域產業(yè)數字化創(chuàng)新綜合體，帶動傳統(tǒng)產業(yè)數字化轉型，推動行業(yè)企業(yè)、平臺企業(yè)和數字技術服務企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。國務院印發(fā)《數字中國建設整體布局規(guī)劃》《規(guī)劃》指出，推動數字技術和實體經濟深度融合，在農業(yè)、工業(yè)、能源等重點領域，加快數字技術創(chuàng)新應用。支持數字企業(yè)發(fā)展壯大，建立大中小企業(yè)融通創(chuàng)新工作機制，推動平臺企業(yè)規(guī)范健康發(fā)展。目錄背景介紹2零碳視角下區(qū)域能源規(guī)劃思路3面向碳中和的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)構建4零碳園區(qū)數字化解決方案清著大學清著大學天府永興實驗室總體目標：碳達峰、碳中和明晰碳中和目標下的能源發(fā)展路徑能源消費本地能源供應能源供需匹配能源安全挖掘各終端消費領域節(jié)能降耗潛力，深化電能、氫能對化石能源的替代通過科學的開發(fā)利用，科學確定開發(fā)時序，實現本地清潔能源資源價值最大化綠色開發(fā)綜合減碳效果和成本，確定效益最大化的能源供需轉化路徑方案，進一步降低過程碳排放高效匹配保障能源安全前提下合理規(guī)劃轉型路徑和節(jié)奏，考慮區(qū)域互濟，重視氣候、國際政治、經貿等風險因素風險管理新型電力系統(tǒng)、新型能源體系形態(tài)特征新型電力系統(tǒng)、新型能源體系能源配置方案浦華大學清華四川能源互聯網研究院浦華大學清華四川能源互聯網研究院SicuEneyLua天府永興實驗室■能源消費：節(jié)能降耗+清潔替代●按照《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》,能源活動主要排放涉及能源工業(yè)、制造業(yè)和建筑業(yè)、交通運輸及其他行業(yè)，考慮區(qū)域產業(yè)發(fā)展定位和電力生產格局，將建筑、工業(yè)、交通三大部門作為碳排放主要來源，可覆蓋區(qū)域主體能源活動?！駠@三大部門，從節(jié)能降耗和清潔替代兩方面重點發(fā)力，在能源消費領域最大化降低碳排放。通過改變能源/碳排結構實現清潔替代減少排放通過提高能源利用率降低能通過改變能源/碳排結構實現清潔替代減少排放技術創(chuàng)新管理創(chuàng)新技術創(chuàng)新管理創(chuàng)新清潔替代(結構)能源消費清潔替代(結構)能源消費領域減排氫能替代清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室TupUmen■能源消費：零碳視角下終端能源需求預測方法以常規(guī)方法為基礎計算建筑、工業(yè)、交通領域的電、冷、熱、氣、油終端能源需求，研究分析節(jié)能和替代兩大轉型措施對終端能源需求的影響，測算轉型路徑下終端能源需求。常規(guī)路徑負荷測算方法以上數據源于上位規(guī)劃、手冊、發(fā)達地區(qū)發(fā)展規(guī)劃……電冷熱解耦，常規(guī)電負荷扣除供冷熱用電……汽車保有量×年行駛里程×百公里能耗÷100商用車=單位GDP擁有量×規(guī)劃水平年起步區(qū)GDP乘用車=干人保有量×規(guī)劃水平年起步區(qū)人口數量·建筑建筑電氣電代氣清潔能源替代_工業(yè)工業(yè)節(jié)能技術終端節(jié)能氣電代氣交通業(yè)綠色交通綠色交通(淘汰油、氣使用)(能效技術進步_(汽車發(fā)展進步)起步區(qū)終端能源需求清華四川能源互聯網研究院清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■本地能源供應：最大化挖掘本地可再生能源供應潛力針對典型能源受入和消費區(qū)域，重點針對電、冷、熱終端能源消費需求，為盡量減少能源碳排放，首先要最大化開發(fā)本地風、光、地熱、生物質等可再生能源資源；在此基礎上以最大化利用可再生能源為原則選擇優(yōu)化供應路徑，實現最高效轉化，最大化減少燃氣直接排放和能源消費類型本地能源資源能源消費類型本地能源資源能風能生物質能能電熱冷太陽能光伏發(fā)電電發(fā)電效率20%優(yōu)先利用太陽能熱水器熱系統(tǒng)效率40%風能風力發(fā)電電轉化效率25%適宜利用生物質能生物質發(fā)電電轉化效率30%不建議利用生物質供熱熱轉化效率70%不建議利用生物質熱電聯產電、熱綜合效率80%以上優(yōu)先利用地熱能地源熱泵冷、熱制熱COP4.5,制冷COP5.5適宜利用清著大學天府永興實驗室清著大學天府永興實驗室估標準，測算本地清潔能源的最大供應潛力。結合實際情況，確定最大減碳的開發(fā)利用方式。式篩選太陽能風能生物質地熱光伏發(fā)電風電生物質熱電熱泵屋頂立面車棚農業(yè)地源熱泵污水源熱泵資源量風速、風功率、風向、可敗設地埋管數量、I污水處理量、I開發(fā)思路35年基本開發(fā)50年完全開發(fā)25年桑梓店小規(guī)模試點，35年完全開發(fā)隨生物質電廠擴改建規(guī)模，35年完全開發(fā)r隨城市發(fā)展進度逐步解決能源需求電熱冷天府永興實驗室天府永興實驗室■能源供需匹配：實現能源供應最優(yōu)配置以碳排放總量、經濟性為目標，構建多目標函數，確定碳排放最低的整體解決方案。以電碳系數、氫碳系數、設備轉換效率、投資及運行成本為邊界條件，以碳排最低和經濟最優(yōu)為優(yōu)化目標，以滿足能源消費需求、各時間節(jié)點能源供需平衡為約束條件，構建混合整數線性規(guī)劃模型，得到不同類型能源轉化路徑的最優(yōu)配置規(guī)模、全年8760運行策略、能源投入產出以及碳排、經濟指標。x,各類一次能源b,各類終端能源需求外電、外氫、冷、熱、電、石油、天然氣氫、氣、油維護成本邊界條件維護成本電碳系數投資成本能源成本轉換效率氫碳系數電碳系數投資成本能源成本轉換效率氫碳系數浦著大學清華四川能源互聯網研究院浦著大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■能源供需匹配：模型求解方法能量輸出節(jié)點能量輸出節(jié)點V.=[Vm郎v?Jv?/…p,T在能量輸入節(jié)點，端口能量向量vim由：周期內輸入的不同能源向量p決定；在能量輸出節(jié)點，端口能量向量Vex由：周期內輸出的不同能源向量p決定；在系統(tǒng)負載節(jié)點，端口能量向量由：周期內用戶端負載plt決定。最后根據整個系統(tǒng)端口能量向量V,計算出滿足系統(tǒng)能量流動需求的設備總容量。運營成本差值是否接受否設備經濟參數邊界運行條件主要優(yōu)化輸出結果：>全年8760運行策略模擬；C?為各設備的總投資成本，C?為各典型運行場景的運行成本，通過設定合理的目標權重A、B,完成多目標優(yōu)化的計算。浦茅大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室浦茅大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■能源供需匹配：碳排最優(yōu)路徑下的能源流向圖形成以電為中心、冷熱協(xié)同、氫為補充的能源供應消費體系。2050年地熱終端熱力制熱設備終端熱力終端氫能制氫設備終端氫能交通風光生物質2風光生物質8終端天然氣天然氣終端電力外來電力工業(yè)清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■區(qū)域碳中和發(fā)展典型路徑區(qū)域碳排放減碳路徑分析區(qū)域碳排放常規(guī)路徑轉型路徑轉型路徑2025年2030年2025年2030年2035年2040年常規(guī)碳排終端消費本地供應其他手段常規(guī)碳排終端消費本地供應其他手段消費側能效提升、本地供給最大化，轉換路徑優(yōu)化是實現凈零碳的主要路消費側能效提升使二氧化碳排放下降本地綠色能源最大化供給使二氧化碳排放量下降8%。供需轉換路徑優(yōu)化使二氧化碳排放量進一步下降62%。通過在工業(yè)領域、生物展核能等技術，可進一步實現負碳排放清華四川能源互聯網研究院SichumEney清華四川能源互聯網研究院SichumEneyLuanRehTsinpuUrevniy天府永興實驗室新能源發(fā)電生物質儲能低谷電制氫，電力高峰氫轉電氫網電網氫網跟據電負荷、冷熱負荷峰谷情況，動態(tài)調整電轉冷/熱、氣轉電/冷/熱的出力，滿足碳排和經濟最優(yōu)目標；外電住宅住宅道著大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室道著大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室LinpUnvnay■能源安全：提高對風險因素的重視程度，將風險管理納入能源規(guī)劃過程●威脅能源安全的因素：極端氣候/氣象，國際經貿、政治形勢，突發(fā)事件，戰(zhàn)略誤判；,以及以上因素的組合疊加?！駥L險管理融入區(qū)域能源規(guī)劃的過程，優(yōu)化分析中加入能源安全考量?！駞^(qū)域能源規(guī)劃需要考慮區(qū)域外環(huán)境，考慮區(qū)域間互濟等，提高應對風險能力。美國德州2021供電危機歐洲能源危機極端氣象基礎設施損壞規(guī)劃缺失、應對失當極端氣象國際政治形勢，突發(fā)事件]戰(zhàn)略誤判目錄背景介紹2零碳視角下區(qū)域能源規(guī)劃思路3面向碳中和的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)構建4零碳園區(qū)數字化解決方案浦茅大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室浦茅大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■面向碳中和的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)構建思路構建涵蓋能源產-配-儲-用全環(huán)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)，通過能源側綠色供給，消費側減碳降碳、能源供需的高效匹配，實現園區(qū)的精細化管理，推動園區(qū)實現碳中和目標。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)綜合能源供應供電供氣供熱供水實現園區(qū)碳減排碳中和實現園區(qū)碳減排碳中和能源供應能源消費能源供需匹配能源供應能源消費電力節(jié)能降耗清潔替代構建多目標源網荷儲電力節(jié)能降耗清潔替代能源站、地熱能建筑節(jié)能技術光伏、風電、氫能、儲能電能替代供需高效匹配能源站、地熱能建筑節(jié)能技術光伏、風電、氫能、儲能電能替代改變能源/碳排結構提高能源利用率、降低能耗改變能源/碳排結構提高能源利用率、降低能耗燃氣直接碳排和外來電力間接碳排最大化減少TsinghuUneveni天府永興實驗室■綜合能源系統(tǒng)總體架構流O土O380/220Y交流母線管控中樞-信息流冷機信息流交流負荷建筑屋頂光伏±110V直流母線直流負荷能源生產側能源生產側口盡可能開發(fā)太陽能、地熱能等可在生資源，提高可再生能源應用比例，降低園區(qū)碳排放能源消費側口節(jié)能應用：空調、照明等節(jié)能、智能設備應用口電能替代：充電樁等靈活負荷合理配置能源分配側口應用節(jié)能智能配電設備，降低能耗口建設低壓交直流配電系統(tǒng)，提高能效水平照明路照明路燈動力設備充電樁插座電子儀器數據機房直流插座直流負載系統(tǒng)示意圖能源調節(jié)側口合理配置新型儲能，提高可再生能源消納比例口聚合園區(qū)柔性資源，開展需求響應道著大學道著大學天府永興實驗室TANFUYONGXING綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃仿真基于園區(qū)資源稟賦、負荷等條件，應用綜合能源仿真規(guī)劃平臺，以碳排放、經濟性最優(yōu)為目標，搭建包含電-氣-冷-熱-儲-氫元件及管網的綜合能源仿真模型，實現“源-網-荷-儲”協(xié)同規(guī)劃與8760h運行優(yōu)化，為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃決策、運行優(yōu)化、效益評估等提供精細、靈活、高效的技術支撐。年度夏季時序仿真結果(電功率)年度面季時序仿真結果熱功率)仿真結果分析年度冬季時序仿真結果(電功率e年宦冬季時序仿真結果(熱功豐)綜合能源拓撲搭建清華大學清華四川能源互聯網研究院SicuEney清華大學清華四川能源互聯網研究院SicuEneyLuanrRe天府永興實驗室■光儲充子系統(tǒng)體化設備為核心，構建園區(qū)級智慧微網，將光伏、儲能、充電樁通過直流母線方式連接，最大化提升新能源使用效率，降低園區(qū)碳排放與用能成本。>分布式光伏應用◆利用光儲充電站附近屋頂和停車場雨棚，建設分布式光伏◆有效解決光伏發(fā)電、供電及能量在傳輸過程中的轉化問題，保證發(fā)電的可靠、高效、安全>分布式儲能應用◆采用集成儲能電池、PCS、能量管理系統(tǒng)等一體化集裝箱設計◆占地面積小，集中化程度高，便于控制和維護>充電樁應用◆通過掃碼充電方式與用戶交互◆系統(tǒng)包括智能監(jiān)控和智能計量，可根據優(yōu)化調度完成電能的充放，提高使用效率浦華大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室浦華大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■以可再生能源為主的多能耦合冷熱子系統(tǒng)結合區(qū)域的資源稟賦(自然和余熱),以可再生能源為核心，構多能耦合供暖空調典型配置方式峰平電段結合熱泵的高效運行行電費峰平電段蓄熱地源熱泵的高效運行，行電費費用，提高能效余熱_→供令需求際究目錄2零碳視角下區(qū)域能源規(guī)劃思路3面向碳中和的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)構建4零碳園區(qū)數字化解決方案清華四川能源互聯網研究院清華四川能源互聯網研究院TinhuUurven天府永興實驗室圍繞園區(qū)產、配、儲、用各個環(huán)節(jié)，核算園區(qū)碳排放和能耗現狀，應用智能化、數字化、低碳化設備，以凈零碳為目標，開展全景監(jiān)測、優(yōu)化運行、智能運維，實現對園區(qū)全鏈路碳排放管理和精細化分析，推動園區(qū)實現碳中和目標。>電化學儲能>儲能分布式終端>儲熱、氫能?智能配電柜、開關柜節(jié)能變壓器>分布式光伏>冷熱源優(yōu)化系統(tǒng)>外來綠色電力智慧照明>電化學儲能>儲能分布式終端>儲熱、氫能?智能配電柜、開關柜節(jié)能變壓器>分布式光伏>冷熱源優(yōu)化系統(tǒng)>外來綠色電力>Al智慧冷熱節(jié)能方案零碳園區(qū)智慧能源管理平臺碳足跡分析碳排放監(jiān)測碳減排優(yōu)化碳清除監(jiān)測碳達峰中和預測碳資產管理分析碳金融及碳交易應用27-浦萊大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室浦萊大學清華四川能源互聯網研究院天府永興實驗室■系統(tǒng)架構以近零碳為目標，對園區(qū)各類能源資源進行優(yōu)化規(guī)劃和整合，構建零碳園區(qū)數字孿生平臺，實現園區(qū)各類能源數據聚合和管理，應用知識驅動+數據驅動的模型算法，對能源系統(tǒng)運行和運營進行優(yōu)化，具備園區(qū)總覽、能源運行、碳排監(jiān)測、運行優(yōu)化及智慧運維等功能應用，通過數字化手段助力園區(qū)發(fā)展與碳排放脫鉤。零碳園區(qū)數字化管理運行平臺業(yè)務應用