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　　摘要:园区级综合能源系统具有源-网-荷-储一体化、多能互补、节能高效的特点，是实现园区减碳的重要手段，然而园区级综合能源系统怎么来实现碳中和的发展路径并不清晰。本文基于碳中和园区综合能源系统的基本概念，从清洁能源技术、资源高效利用技术、固碳技术、系统规划技术和系统运营技术的方面出发提出了碳中和园区综合能源系统的发展路径，系统的阐述了碳中和园区综合能源系统关键技术的研究现状，并且通过两个实际案例验证了本文所提出的发展路径的可行性。

　　面对全球气候平均状态随时间的变化这一严峻挑战，国际社会已经采取了一系列措施来应对温室气体排放问题。我国也采取了积极行动，于2020年明白准确地提出，力争在2030年达到“碳达峰”，并朝着2060年实现“碳中和”的宏伟目标迈进。在此背景下，落实“双碳”发展的策略，积极探索各种场景的绿色化，低碳化发展模式十分重要。

　　在我国经济快速地发展的背景下，工商业园区作为集聚产业和企业的重要载体，不仅极大推动了社会生产力的提升，也带来了资源和能源的集中消耗，成为碳排放的重要来源。据统计，园区直接贡献了超过80%的国内生产总值和90%的创新成果，同时也产生了69%的全国能源消耗和31%的碳排放。面对这一现状，我国已经从国家层面上制定了一系列政策文件，鼓励园区能源系统优化和循环化改造，推动园区向零碳园区转型。作为园区发展的最终目标，零碳园区的概念实际上并非是指该园区完全无碳排放，而是通过碳排放与碳吸收的平衡，达到净碳排放为零的状态。

　　能源系统是贯穿于园区生产生活各项经济社会活动的核心要素，因此零碳目标的实现需要整个能源系统的配合。从供给侧到消费端，不论是能源结构优化还是用能模式升级，所有的环节和主体都应该要依据碳中和理念做调整和创新。

　　综合能源系统(Integratedenergysystem，IES)是基于园区终端需求和减排目标优化提出的能源系统规划，集技术创新、量化指标为一体，强调源网荷储”的相互协同，注重多种能源的互联瓦济旨在构筑与区域协调的高效、清洁、安全的能源体系。综合能源系统的示意图1所示。对于产业园区来说，综合能源系统提供了一个实现园区碳中和的有效方式。从“能源利用”角度，综合能源系统通过源侧、网侧以及用户侧的高效互动，可以在一定程度上完成能源的梯级与综合利用，以及多能互补与联动。这种系统模块设计优化了能源的配置，发挥了各类能源的综合优势，明显提升了能源使用效率有实际效果的减少了资源浪费。从“系统减碳”角度，综合能源系统可以通过优化配置和运行调度，明显降低园区的碳排放。也能够最终靠引入碳交易、需求响应等机制，实现低碳经济运行。

　　碳中和园区综合能源系统的构建是一个系统工程，需从能源结构、资源利用、碳吸收技术、园区规划、低碳运营几个维度入手为碳中和园区综合能源系统的构建提供支持，具体如图2所示。

　　(1)在能源结构方面，需要结合园区的自然资源禀赋，合理部署和利用绿色能源，以此来实现源头减碳;

　　(2)在资源利用方面，需要采用高效资源利用技术和储能技术，以提高资源利用的效率，同时减少系统不确定性对园区运行的影响;

　　(3)在碳吸收技术方面，需合理考虑园区产业和CCUS技术耦合的可能性，通过碳汇实现碳排放的抵消;

　　4)在园区规划方面，应该要依据园区的能源和资源结构，考虑风光等可再次生产的能源的不确定性和电、气、冷、热、氢等多种异质能源的耦合和协同，合理配置相关设备，保证系统的低碳性和经济性；

　　5)在低碳运营方面，则需通过参与市场化交易等手段对园区碳减排进行激励，通过数字化管理提高系统运行效率。

　　本文从以上五个方面对碳中和园区综合能源系统发展路径和相应关键技术的发展现在的状况进行了详细的论述。

　　在构筑碳中和目标的园区综合能源系统中，清洁化与低碳化的能源结构显得很关键，这要求深入探索如何有效整合可再次生产的能源、氢能等清洁技术于园区能源系统之中。

　　可再次生产的能源包括太阳能、风能、水电、生物能、海洋能和地热能，其中风能、太阳能、生物质能、地热能是区域范围内最常用的可再次生产的能源。相关研究表明，与传统或单一来源能源供应系统相比，园区综合能源系统集成可再生能源系统能够将碳排放量减少10%至50%，并降低经营成本40%左右。为构建碳中和能源系统，需要尽可能提高可再次生产的能源在园区能源系统中的渗透率。但是，随着风光等灵活性可再次生产的能源的比例的增加，会对电网的安全稳定运行带来冲击，由此产生消纳成本。因此，园区能源系统怎么样应对高比例可再次生产的能源的消纳，减少对园区电网的冲击、减少消纳成本，是未来园区综合能源系统构建的重点。

　　不同可再次生产的能源具有不一样的特性，例如风光出力具有随机性和波动性，且风光出力在时间上具有一定的互补性;生物质能和地热能不受天气特征情况的影响，能源供应的稳定，不需要储能设备来管理电力需求的波动。因此，园区的可再次生产的能源配置方式最好采用混合模式，通过规划、调度和其他技术的协调，探索多种可再次生产的能源的组合利用方式，以最大限度地整合本地的能源潜力。

　　氢能是一种优质的储能载体，具有低自放电率和高充放电效率的特点，能够缓冲各能流之间的转换过程，平衡系统中电、热、冷等能源供应让系统更好地利用可再次生产的能源，避免各能源生产与耦合设备不合理运行造成额外的运行成本。梁涛等人提出了一种氢耦合电-热综合能源系统，氢能的加入能够有效实现能源灵活利用，提高综合能源系统的经济性和低碳性。等人利用提出的优化框架优化了一个利用可再次生产的能源和传统火电满足系统的电力、供热和制冷需求，并扩展氢存储子系统以用于重载燃料电池汽车加油的系统，结果发现氢气对系统减排效果明显。

　　目前来说，尽管氢气具有很大的潜力，但是由于制取成本依旧较高，储存和运输难度较大，基础设施并没有广泛普及等原因，氢气并没有普遍的应用于园区的能源系统，要进一步的技术突破、成本降低和基础设施建设。同时，政策支持和市场培育也是关键，以提高氢气在能源系统中的应用可行性和经济性。

　　对于园区资源利用来说，高效的资源利用方式是减少资源浪费、降低系统排放的重要方式。为实现这一目标，管需要研究储能技术和各种跨部门的能源转化技术。

　　储能作为一种高效的资源利用技术，可以通过削峰填谷，减少因供需不平衡造成的能源浪费，提高能源的利用效率，对于碳中和园区综合能源系统的构建，发挥着至关重要的作用。

　　电能存储系统作为一种灵活性可调节资源在源侧可以平抑间歇性可再次生产的能源的出力波动:在网侧能够参与电压和频率调节，改善潮流分布提高系统的稳定性;在负荷侧可以保障供能的质量和可靠性，降低供能成本;同时也能通过峰谷套利和提高系统运行效率产生经济和环境效益。因此，电能存储是构建园区综合能源系统的不可或缺的组成部分。电池储能(BatteryEnergyStorage System，BES)和电动汽车(Electricvehicle，EV)存储是最适合园区使用的电能存储技术。

　　BES具有较高的单位体积内的包含的能量和快速响应能力，是最为普遍的使用的电能储存技术，高可再次生产的能源渗透系统中最佳储能电池容量和能源管理策略的方法的研究是目前的研究重点。等人指出为了能够更好的保证BES系统调度的经济性，要解决可再次生产的能源发电和 BES 交互的不确定问题。此外，随着我们国家电动汽车的逐步普及，电动汽车的负荷规模逐渐扩大，其储能特性逐渐被人们所认知。车辆到电网(V2G)技术将车辆作为一种储能单元通过协调车辆和电网之间能量和信息的传递，能做到电动汽车充电的灵活性与可再次生产的能源的同步，更大程度的发挥电动汽车的储能特性。

　　热能储存(ThermalEnergyStorage，TES)是一种成熟的概念，用于能源系统中平衡电力、供暖和制冷的需求。对于园区而言，TES提供了一种可行的可再次生产的能源节约解决方案，可以与电转热(PowetoHeat，P2H)和热电联产系统(Combined Heat andPower，CHP)进行集成，以提高能源利用效率，并提高能源系统的可靠性。但是各种储热技术结合到能源系统中的可行性、成本和实际有效性仍然没有达成共识，不同热源(包括太阳能、工业废热与发动机废热)的匹配和储能容量配置是保证储热系统运行效率的重要方式。

　　随着园区可再次生产的能源比例的逐渐增加，急需灵活性技术来实现能源系统的稳定运行，避免可再次生产的能源波动对整个能源系统的冲击。传统的吸收式制冷、CHP设备已经在很大程度上实现了不同能源形式的转化。2010年以后，随着可再次生产的能源发电成本显著下降，通过相关技术实现可再生电力大规模的向其他能源或者资源的转化，以深入耦合各个能源部门，则提供了园区能源转化的另一个处理方法。这个概念被称作Power-to-X其中x表示利用可再次生产的能源技术转化和制取的能量和合成物(即燃料、化学品、热能等最终产品)。

　　由于电解水制氢装置具有较为快速的调节能力(电解槽可以在几分钟甚至几秒钟内达到满负荷运行)、氢能远高于其他能源载体的单位体积内的包含的能量和相比来说较低的存储成本，电转气(Power to Gas;PtG)制氢技术能作为避免弃风、弃光的措施，以平衡负载或提供其他电网服务。在PtG价值链的更下游，氢可当作中间材料来合成其他产品，称为“氢到X”(HtX)。HtX的可能应用路径包括:生产合成燃料，例如甲醇或生物燃料(HtFS);通过甲烷化生产“绿色”气体(PtG-M)因此，氢可以将电力部门与其他能源密集型部门(热力、运输、工业)联系起来，以提高能源的利用效率。

　　然而PtG的应用成本高昂，电解效率的提高有限，因此PtG利用的经济性往往取决于与其他转换器的集成，需要研究电转气技术与多类型储能设备的联合配置优化问题，以提高系统风电消纳，提高系统的经济性。

　　在零碳园区的建设过程中，除了在能源结构和资源利用方面进行减碳外，还需要在生产和工艺过程中部署相应的碳捕集和利用技术，以保证系统能够容纳一定的碳排放量。

　　一种有效尝试是将碳捕获、利用和封存Carbon Capture,Utilization, and Storage, CCUS )与综合能源系统相结合。通过CCUS捕获燃料燃烧之前、期间或之后产生的二氧化碳，捕获的二氧化碳可当作相关化学反应的原料，或者与大气隔离进行封存。CCUS技术尽管潜力巨大，但目前面临技术和经济等方面的限制。技术层面不同来源的二氧化碳纯度不一，如燃煤电厂排放的二氧化碳含SOx、NOx等杂质，需严格纯化处理增加了复杂性和成本。利用方面，将二氧化碳转化为化学品或能源产品需新技术开发和市场培育，涉及大规模资产金额的投入和技术创新。未来需通过技术革新减少相关成本，并探索政策和市场机制支持，以保证技术在园区综合能源系统建设的经济可持续性。

　　在碳中和园区综合能源系统的建设过程中，能源结构、资源利用技术和负碳技术构成园区减碳的物理基础。在此之上，需要针对各种可再次生产的能源和低碳技术的相应特点，采用不一样的规划方法，以保证园区的技术、经济和环境相适应。

　　碳中和园区综合能源系统的不确定性因素大致可分为可再次生产的能源发电的不确定性、用户负荷的不确定性、能源价格和市场规则的不确定性。可再次生产的能源发电方面，可再次生产的能源输出的日前预测误差高达装机容量的25%~40%。负荷侧，碳中和综合能源系统涵盖了电、气、热、冷等多种形式的能源，其影响因素众多。但是相较于可再次生产的能源系统的出力，负荷一般有规律可循，因此负荷预测的准确率往往远高于可再次生产的能源。除此之外，在综合能源市场中，电价、热价、冷价、碳价等充满不确定性，交易价格受多种能源供需、网络拥堵程度等影响，也与交易模式的不同发展阶段有关。最后，在多能源交易市场中不同能源的交易周期在时间尺度上不同，有可能会出现信息延迟，同时用户对不同能源价格的敏感度也不同，参与响应具有随机性和滞后性，因此都会产生一定的不确定性。

　　为了解决园区不确定性对系统的影响，需要在综合能源系统的规划阶段对系统的不确定性进行建模，以此分析不确定性对运行的影响，从而可构建最佳能源利用效率的综合能源系统。目前考虑不确定因素的综合能源系统优化运行方法大致上可以分为随机优化法、鲁棒优化法、区间优化法、模糊优化、信息间隙决策理论(IGDT)等。优化目标可分为:经济性、环保性、可靠性、灵活性或其组合。

　　碳中和园区综合能源系统的另一个特点是具有风、光、水、热、电、冷、气等多种能源。在能源系统的规划阶段，需要基于各能源子系统特性及其相互作用研究多能系统的耦合互补特性各能流特征参数间的耦合关系及不同能量品质的梯级利用机制，开展多能源的联合优化研究，建立多源异质能源系统的统一模型。

　　吕佳炜等人从互联和互动两个维度，分别分析多能流耦合、多系统融合、多区域联合的互联形态和多环节、多主体、多时间尺度的互动机制对DIES的影响，并在此基础上建立考虑互联互动的 DIES规划基础模型。孙秋野团队深入研究了IES中“三网一体”的网络结构多能源耦合全域信息共享及价值发现创造体系，并探讨了其协同管控的技术架构。等人构建了包括CHP、HP和ES的电热气联产园区综合能源系统的典型架构，并在此基础上建立了考虑运行成本能源利用效率和可再次生产的能源消纳率的多目标协同优化模型，并采用多目标粒子群优化算法(MOPSO)对问题进行求解。

　　探索绿色化的运营方式，通过引入绿电与绿证机制、应用碳交易机制、利用需求响应技术以

　　及推进数字化管理，降低园区的碳排放，提高可再次生产的能源消纳率，能够为园区的可持续发展奠定坚实的基础。

　　低碳电力市场是碳中和园区综合能源系统绿证交易-碳交易的基本背景。电力行业是碳排放的大多数来自之一，因此自《京都议定书》生效以来世界许多国家和地区采取了不同的策略和措施推动低碳电力市场改革。英国政府提出了重大电力市场改革(EMR)，以拓展现有电力市场交易机制，实现安全性、可持续性和负担能力三个目标。我国的低碳电力市场由辅助市场、绿电市场、绿证市场、碳市场四大部分所组成，如表2所示。

　　近年来，我国低碳电力市场得到了较快发展无论是交易规模还是参与人数都明显地增加。在此背景下，考虑低碳电力市场的园区综合能源系统研究慢慢的受到学术界的关注。在辅助服务市场方面，未解决高渗透率下可再次生产的能源间歇性和波动性导致系统出现不可忽略的频率偏移的问题是需要额外的监管能力来提供辅助服务。目前综合能源系统与电能存储系统(ESS)常被用作解决该问题的有效技术。经过控制综合能源系统ESS的充放电过程，能调节系统的频率和进行系统调峰，以此来获得额外的园区运营经济性激励。在绿电、绿证市场和碳市场方面，研究通过交易机制确定碳配额设定、碳交易价格和交易产品，以保证园区常态化低碳运行。黄家辉等人提出一种基于绿电指数的园区低碳运行机制，该机制的核心在于构建绿电指数的评价指标，以对区楼宇负荷和新能源的动态出力进行评价，研究根据结果得出该低碳运行机制可以在一定程度上完成同区节能减碳，有效促进新能源消纳。等人提出了一种考虑碳排放权交易(CET)机制和绿色证书交易(GCT)机制的多区综合能源系统调度模型，分析了将碳一绿色证书交易机制引入IES的可行性，并建立了碳-绿色证书联合交易市场框架，其中采用组合双重拍卖(CDA)机制对绿色证书进行投标，以确定绿色证书的最佳交易价格。

　　在系统能源管理领域，供给侧和需求侧能源管理是能源控制和调节的主要重点领域。供给侧能源管理涉及能源生产和分配的调节和控制，而需求侧能源管理指用户通过价格或激发鼓励措施暂时有计划地调整能源需求，以改善系统用能结构又被称作需求响应技术。园区需求响应的主要流程分为两步:首先，对园区的各类型负荷的负载曲线做多元化的分析，确定灵活性调节资源，如办公建筑的空调负荷、企业制作的完整过程中的热负荷、园区储能和电动汽车负荷，并且根据相关指标对灵活性性调节资源进行评估。

　　其次，通过价格机制和激励机制建立园区的需求响应机制，同时建立起园区基于物理过程的能源系统仿真模型，进行系统仿真。等人构建了考虑综合需求响应的双层优化模型，根据结果得出考虑需求响应能够更好的降低系统购电成本，并有助于储能调峰。等人的研究表明积极实施需求响应计划，配电网对上游网络的依赖性降低负载曲线变得更平滑。

　　总的来说，对于碳中和园区综合能源系统采用需求响应技术能将源-荷波动性的影响控制在可控范围内，来提高能源系统的调节能力，缓解供需错配问题，并且降低系统的经营成本。除此之外，需求响应和“碳交易”市场具有天然的耦合性。需求响应能够响应“碳价格”信号，有助于减轻需求高峰期间的能源价格波动，能大大的提升效率、增强能源价格稳定性，从而形成更加可预测和可控的能源定价体系，最终使消费的人受益。

　　低碳技术实现了可再次生产的能源系统中电力、天然气和热能的灵活使用。然而，只有在园区能源网络和提供有关数据的工具之间充分互连的情况下，才能真正保证能源系统的综合能源利用效率。数字技术的发展使得基于物联网的智能解决方案的应用能够解决园区环境中的挑战。首先，园区中的所有参与者，例如制造企业、数据中心、能源中心等都可以连接起来，存储和分析其能源消耗数据。在一天中的某些时段，在当前需要更加多能源的各方和别的需要较少能源的各方之间进行平衡，能轻松实现最低的系统成本并减少拥塞或停电的风险。其次，数字技术还可以在产业价值链的多个阶段发挥优势并优化生产流程。例如，可以预先预测故障，持续筛查机器操作中的任何变化，避免生产和能源使用浪费。最后，园区能够最终靠数字技术来整合可再次生产的能源，并实现新能源相关的增值服务。对于Farmanbar等人来说，通过数字技术构建的智能电网具有兼容性、灵活性和效率的特点，是分布式能源、大规模可再次生产的能源和需求侧管理(DSM)应用系统集成的重要驱动力。

　　本节以EUREF Campus零碳园区和鄂尔多斯零碳产业园区为研究案例，详细论证了碳中和园区综合能源系统的发展路径和关键技术实际运用的可行性。

　　(1)鄂尔多斯零碳产业园区综合能源实践鄂尔多斯零碳产业园位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗蒙苏经济开发区，园区以“风光氢储车”五大产业集群为主导，集聚了动力电池与储能、电动重卡、电池材料、绿色制氢等上下游产业。区构建了融合风、光、储、余热回收以及电网支撑调节的多种能源供应系统，实现源网荷储协同管理可再次生产的能源高比例消纳。鄂尔多斯零碳产业园的综合能源实践包含以下几个方面的内容。

　　能源结构方面，鄂尔多斯零碳产业园基于当地丰富的可再次生产的能源资源，园区建设了30MW风电、0.7MW光伏、3.7MW/7.4MWh电化学储能，确立了80%直供园区、20%上网回购的绿电供应模式，实现了100%的清洁能源供应;在资源利用方面，园区构建了工业余热回收系统，回收工业余热并提升蒸汽冷凝水回收效率，实现工业余能利用率达到70%以上，每年节约用电303万kWh:减少化石能源消费372吨标煤，减少二氧化碳排放1728吨;在园区规划方面，园区对可再生资源总量和用户负荷进行了合理的评估，对储能、光伏、风电、余热回收系统的装机容量进行了优化设计，以保证园区能源系统建成以后的经济性、稳定性和可靠性;在同区运营方面，同区构建基于EnOS系统的智慧物联能源调度平台和方舟碳管理系统。其中智慧物联能源调度平台通过源网荷储协同管理，更好的匹配出力和负荷，实现可再次生产的能源的高效利用、风光储一体化的稳定运行、工业园区负荷的精准管控，余热余能的充分回收:方舟碳管理系统追踪碳足迹，实现实时能碳核算、及时预警告警、能碳数据分析、节能降碳服务四大功能，并通过“电碳一张图”方便政府和公司进行可视化分析。

　　(2)EUREF Campus 零碳区综合能源实践德国EUREF-Campus 零碳科技园位于柏林市区西南方，占地5.5公顷，涵盖25栋建筑，约有150家创新型企业、近3500人入驻。EUREF-Campus作为欧洲首个零碳智慧园区，以能源转型赋能零碳智慧园区建设，实现了从百年前的煤气厂向零碳智慧园区的蜕变。该园区具体综合能源实践包含以下几个方面的内容能源结构方面，大规模的使用可再次生产的能源包括光伏、风电、地热，同时购买生物甲烷并入管网，在园区实现生物甲烷的热电联产，并通过热电站对园区进行供暖、制冷和供电;资源利用方面，园区能源中心配备热水、冷水储存设备和电池储能系统，实现能源的大规模储存。园区采用电制热和电制冷技术，可提升绿电消纳和园区多源化的能源供应。同时园区内交通、清洁打扫全部应用电动汽车来完，采用V2G技术，将电动车队集成到智能电网中，利用公交的时间安排固定和电池容量大的特点，探究电动公交车用于储能的可能性;园区运营方面，大规模运用数字化和智能化技术，建立零碳智慧能源体系，涵盖设备监测和采集系统，PME电能管理系统、能耗监控系统。基于园区内各类能源数据来进行综合调度和能耗管理优化，利用相关碳数据管理、碳核算模型、碳足迹溯源等指标助力决策者完成智慧决策。

　　在低碳发展背景下，碳中和园区代表了园区发展的未来方向，其建设具备深远的实践意义和研究价值，有助于深化低碳技术的研究与应用。本文深入探讨了碳中和园区综合能源系统的发展路径，从能源结构、资源利用、固碳技术、规划技术和运营技术等方面详细阐述了碳中和园区综合能源系统的研究框架。在园区能源结构方面，通过整合光伏、生物质等可再次生产的能源和氢能等清洁能源，提升园区产业的能源自给能力;在资源利用方面，通过构建高效的储能设施、应用能源转化技术，保障能源供应的连续性和稳定能力，提高能源使用效率;在规划技术方面，针对不同可再次生产的能源和低碳技术特点，采用灵活多样的规划方法，确保技术、经济和环境的协调发展;在运营技术方面，通过绿电与绿证机制、碳交易机制的引入，以及需求响应技术的应用和数字化管理的推进，提升园区的经济效益，为可持续发展提供坚实支撑。最后，我们通过两个案例的分析，论证了本文所提出的碳中和园区综合能源系统发展路径的可行性。总的来说，希望本文所提的研究框架能为未来碳中和园区综合能源系统的发展和实践提供一定的参考。