江婷，趙雅姣

（1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心，北京 100070）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候極端變化、全球變暖、冰川消融、海平面上升等威脅人類生存與發(fā)展的問(wèn)題。2020年9月的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，我國(guó)明確提出將努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和［1-4］。電力行業(yè)是節(jié)能減排的主力軍，隨著能源領(lǐng)域改革的深入推進(jìn)，我國(guó)受資源稟賦和特性制約，原來(lái)傳統(tǒng)單一能源經(jīng)過(guò)高速發(fā)展后，現(xiàn)階段必須通過(guò)多元供應(yīng)、多能互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展的能源電力系統(tǒng)來(lái)保障能源電力供應(yīng)［5-8］?！白园l(fā)自用，就近消納”的綜合能源系統(tǒng)開始受到關(guān)注，綜合能源系統(tǒng)將打破不同能源品種單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)、單獨(dú)運(yùn)行的傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)橫向“電熱冷氣水”能源多品種之間、縱向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)用”多供應(yīng)環(huán)節(jié)之間的協(xié)同及生產(chǎn)側(cè)和消費(fèi)側(cè)的互動(dòng)[9-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)類似綜合能源系統(tǒng)碳減排及相關(guān)經(jīng)濟(jì)性均做了相應(yīng)的研究［14-15］。

李蕊［16］針對(duì)我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的發(fā)展情況和特點(diǎn)，介紹了較為適合國(guó)情的碳減排計(jì)算方法，分析了熱電聯(lián)產(chǎn)碳減排計(jì)算的難點(diǎn)及建議。王衛(wèi)權(quán)等［17-18］對(duì)國(guó)內(nèi)溫室氣體自愿減排方法學(xué)《CM-034-V01 現(xiàn)有電廠的改造和/或能效提高（第一版）》的適用條件、項(xiàng)目邊界、基準(zhǔn)線識(shí)別及減排量計(jì)算等方面進(jìn)行了分析，并將該方法學(xué)應(yīng)用到江西某燃煤電廠改造項(xiàng)目，通過(guò)案例實(shí)際應(yīng)用，得出燃煤電廠改造可獲得較好的碳減排效益，是降低燃煤電廠碳排放的有效措施之一。但是，目前針對(duì)綜合能源系統(tǒng)配置的研究較多，對(duì)于系統(tǒng)的CO2排放與減排均沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，綜合能源系統(tǒng)碳減排計(jì)算方法亟待研究。

1 基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)

基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)比常規(guī)的供能系統(tǒng)更為復(fù)雜，燃料輸入端包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芗疤烊粴獾榷喾N形式的能源，本研究針對(duì)的系統(tǒng)目前以天然氣為主要燃料，并包括容量較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)。輸出端包括電、熱、氣等多種形式的能源。圖1 為基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)，由圖1 可見(jiàn)，綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備端包括主機(jī)設(shè)備系統(tǒng)和調(diào)峰設(shè)備系統(tǒng)。

圖1 基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)Fig.1 A gas-based distributed integrated energy system

主機(jī)設(shè)備系統(tǒng)主要包括原動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、吸收式制冷換熱系統(tǒng)及低溫?fù)Q熱系統(tǒng)。天然氣輸入原動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)燃燒后發(fā)電，發(fā)電產(chǎn)生的中溫?zé)煔膺M(jìn)入制冷換熱系統(tǒng)，夏季提供冷媒水，冬季提供供暖水。換熱后的低溫?zé)煔膺M(jìn)入低溫?fù)Q熱系統(tǒng)，為用戶提供60 ℃左右的熱水。自發(fā)自用綜合能源系統(tǒng)一般配置有調(diào)峰設(shè)備系統(tǒng)，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)并連接電網(wǎng)進(jìn)行電力調(diào)峰，電制冷機(jī)進(jìn)行供冷調(diào)峰，直燃性溴化鋰機(jī)組或余熱鍋爐進(jìn)行供暖調(diào)峰，儲(chǔ)熱水罐進(jìn)行熱水調(diào)峰。

本研究針對(duì)基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)的CO2排放及碳減排量計(jì)算方法，同時(shí)結(jié)合北京某綜合能源項(xiàng)目進(jìn)行碳減排潛力分析。

2 數(shù)學(xué)模型

關(guān)于不同項(xiàng)目的CO2減排量，國(guó)家發(fā)改委于2012年3月至2017年3月的5年間批準(zhǔn)了12個(gè)批次共200 個(gè)國(guó)家核證自愿減排量（CCER）方法學(xué)［19］。經(jīng)過(guò)研究，這些方法學(xué)并不能完全涵蓋基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)CO2減排量的計(jì)算。因此，根據(jù)CCER 方法學(xué)與《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施（2022年修訂版）》研究基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)的CO2減排量計(jì)算方法，可用于計(jì)算新建或已建項(xiàng)目在現(xiàn)有電力系統(tǒng)情況下的CO2減排量。

2.1 CO2減排基準(zhǔn)參照系統(tǒng)

計(jì)算發(fā)電系統(tǒng)CO2減排最主要的參數(shù)是現(xiàn)有系統(tǒng)碳排放與基準(zhǔn)參照系統(tǒng)的差值。CO2減排基準(zhǔn)參照系統(tǒng)是指在不建設(shè)該發(fā)電項(xiàng)目的情況下，所有真實(shí)可信的替代情景中可能性最大的情景?；谌?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)CO2減排基準(zhǔn)參照系統(tǒng)應(yīng)包括4 部分：電力替代系統(tǒng)、供冷替代系統(tǒng)、供暖替代系統(tǒng)與供熱水替代系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)研究，一般園區(qū)級(jí)基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)CO2減排基準(zhǔn)參照系統(tǒng)應(yīng)為：電網(wǎng)供電，電制冷機(jī)供冷，燃?xì)忮仩t供暖，熱水鍋爐供熱水。

2.2 綜合能源系統(tǒng)CO2減排計(jì)算模型

現(xiàn)有基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)CO2排放量由式（1）—（4）計(jì)算。

式中：Egrid，y為系統(tǒng)從電網(wǎng)中購(gòu)入的電量，MW·h；EFgrid為電網(wǎng)排放因子，tCO2/（MW·h）。

燃?xì)馊紵欧帕渴墙y(tǒng)計(jì)期內(nèi)基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)燃?xì)猱a(chǎn)生CO2排放量的加總。電網(wǎng)排放因子可由《CMS-002-V01聯(lián)網(wǎng)的可再生能源發(fā)電》方法學(xué)計(jì)算得出，也可采用生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的最新數(shù)值（為簡(jiǎn)便計(jì)算，可統(tǒng)一采用2020年數(shù)據(jù)0.610 1 tCO2/（MW·h）。在進(jìn)行精確計(jì)算時(shí)，可根據(jù)不同區(qū)域選擇省級(jí)電網(wǎng)公司公布的排放因子，取值不同只影響數(shù)值大小，不影響變化趨勢(shì)。

基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)的CO2減排基準(zhǔn)參照系統(tǒng)排放量的計(jì)算如式（5）—（10）所示。

式中：Eheating為基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)供暖量，GJ；ηhe為基準(zhǔn)參照系統(tǒng)采用燃?xì)忮仩t供暖的熱效率。

對(duì)于供熱水系統(tǒng)，若基準(zhǔn)參照系統(tǒng)采用燃?xì)忮仩t，用式（9）計(jì)算減排量；若采用電鍋爐，則用式（10）計(jì)算減排量。

式中：Ehw為基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)供熱水量，GJ；ηhw，gas及ηhw，ele分別為為基準(zhǔn)參照系統(tǒng)采用燃?xì)忮仩t和電鍋爐供熱水的熱效率。

綜上所述，基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)CO2減排量可由式（11）計(jì)算。

式中：ERsys，CO2為基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)CO2減排量，t。

3 案例分析

3.1 概況

北京某基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 案例項(xiàng)目系統(tǒng)Fig.2 System in a case project

由圖2可見(jiàn)，項(xiàng)目采用天然氣與光伏發(fā)電互補(bǔ)，站內(nèi)設(shè)2臺(tái)單機(jī)裝機(jī)容量為3 349 kW內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，內(nèi)燃機(jī)煙氣及缸套水余熱由煙氣-熱水溴化鋰機(jī)組回收利用，作為園區(qū)的分布式供能中心進(jìn)行供冷、供暖、供熱水和供電。調(diào)峰設(shè)備方面，采用2臺(tái)直燃機(jī)和2臺(tái)電制冷機(jī)，同時(shí)項(xiàng)目還配備光伏發(fā)電系統(tǒng)。該項(xiàng)目為整個(gè)園區(qū)25萬(wàn)m2供能，是典型的基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)。

3.2 設(shè)計(jì)工況碳減排分析

根據(jù)2.2 節(jié)提出的數(shù)學(xué)模型，分析該基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下供電、暖、熱水、冷量以及相應(yīng)的碳排放量。在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)全年發(fā)電量、供暖量、供熱水量以及供冷量分別為2 1462.3 MW·h，30 314 GJ，10 583 GJ 及43 661 GJ，對(duì)應(yīng)的CO2排放量分別為13 094，1 892，660 及1 479 t。

圖3 及圖4 分別為該基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下供電、暖、熱水、冷量及基準(zhǔn)參照系統(tǒng)設(shè)碳排放占比。由圖3 及圖4 可見(jiàn)，在基準(zhǔn)參照系統(tǒng)中，當(dāng)供電量占比為47.75%時(shí)，所產(chǎn)生的碳排放占比高達(dá)76.46%；而在供冷量占比為26.98%時(shí)，所產(chǎn)生的碳排放占比僅為8.64%。

圖3 基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下供電、暖、熱水、冷量Fig.3 Power supply，heating，domestic hot water supply and cooling of the gas-based distributed integrated energy system under the design condition

圖4 基準(zhǔn)參照系統(tǒng)碳排放量占比Fig.4 Proportion of carbon emissions in the baseline reference system

圖5為綜合能源系統(tǒng)與基準(zhǔn)參照系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下供電、暖、熱水、冷的碳排放占比，其中綜合能源系統(tǒng)供電、暖、熱水、冷的碳排放量按照其各自占所耗燃?xì)饪偀崃堪俜直扔?jì)算。由圖5 可見(jiàn)，綜合能源系統(tǒng)的供電碳排放遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)參照系統(tǒng)，而供冷碳排放則遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)參照系統(tǒng)，這說(shuō)明電能的產(chǎn)生是釋放碳排放的最主要路徑，而在終端制冷條件下，電制冷產(chǎn)生的碳排放較低。

圖5 綜合能源系統(tǒng)與基準(zhǔn)參照系統(tǒng)碳排放量對(duì)比Fig.5 Comparison of carbon emissions between comprehensive energy system and benchmark reference system

3.3 運(yùn)行工況碳減排分析

對(duì)該綜合能源系統(tǒng)項(xiàng)目2016—2020 年的全年運(yùn)行工況下的碳排放量及減排情況進(jìn)行分析。圖6為基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)2016—2020 年實(shí)際供電、暖、熱水、冷量。由圖6可見(jiàn)，系統(tǒng)外供各類負(fù)荷逐年升高，這是因?yàn)樵撛聪到y(tǒng)配套的用戶逐步完善，體現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)自發(fā)自用、靈活運(yùn)行的特點(diǎn)。

圖6 案例系統(tǒng)2016—2020年實(shí)際供電、暖、熱水、冷量Fig.6 Case system actual power supply，heating，hot water，cooling capacity from 2016 to 2020

圖7 為基準(zhǔn)參照系統(tǒng)2016—2020 年供電、暖、熱水、冷量對(duì)應(yīng)的碳排放量。由圖7可見(jiàn)，碳排放量的變化趨勢(shì)與供能量變化趨同，但與圖6 對(duì)比發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)參照系統(tǒng)的供冷量碳排放較低，這是由于基準(zhǔn)參照系統(tǒng)采用電網(wǎng)購(gòu)電進(jìn)行制冷，供冷碳排放計(jì)算采用的電網(wǎng)排放因子包含了可再生能源發(fā)電排放，加之目前電制冷技術(shù)較為成熟，制冷系數(shù)較高，從碳排放的角度說(shuō)明終端電氣化的趨勢(shì)較為正確。

圖7 基準(zhǔn)參照系統(tǒng)2016—2020年實(shí)際供電、暖、熱水、冷量對(duì)應(yīng)的碳排放量Fig.7 Carbon emissions from power supply，heating，hot water supply and cooling of the reference system from 2016 to 2020

圖8為綜合能源系統(tǒng)及基準(zhǔn)參照系統(tǒng)的碳排放量對(duì)比，由圖8可見(jiàn)，2016—2020年系統(tǒng)的碳減排量（CO2）基本維持在3 000 t，具有良好的節(jié)能減排潛力。碳減排量（CO2）與設(shè)計(jì)工況下6 000 t 有差距，這是由于系統(tǒng)上網(wǎng)電價(jià)較低，為了維持系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)采取少發(fā)電的模式。由圖8 可見(jiàn)，基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)在現(xiàn)有電力系統(tǒng)下仍具有良好的節(jié)能減排效應(yīng)，后續(xù)隨著光伏、光熱、地?zé)岬饶茉吹募尤?，綜合能源系統(tǒng)的碳減排能力將會(huì)更強(qiáng)。

圖8 綜合能源系統(tǒng)碳排放量與基準(zhǔn)系統(tǒng)總碳排放量對(duì)比Fig.8 Comparison between carbon emissions of comprehensive energy system and total carbon emissions of benchmark system

3.4 影響碳排放因素分析

由于本研究計(jì)算基準(zhǔn)參照系統(tǒng)電力碳排放采用電網(wǎng)排放因子，隨著可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)排放因子會(huì)持續(xù)降低，根據(jù)該綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況，研究了電網(wǎng)排放因子對(duì)基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)碳排放量影響，如圖9 所示。由圖9 可見(jiàn)，在不改變現(xiàn)有基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)運(yùn)行方式的條件下，隨著電網(wǎng)排放因子的降低，碳減排量隨之降低，當(dāng)電網(wǎng)排放因子為0.34 tCO2/（MW·h）時(shí)，該綜合能源系統(tǒng)碳減排量接近于0。但是，該綜合能源系統(tǒng)可增加可再生能源利用來(lái)提升碳減排潛力。

圖9 電網(wǎng)排放因子對(duì)系統(tǒng)碳排放量的影響Fig.9 Impact of greenhouse gas emission factor for grid on the carbon emissions of the system

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)，根據(jù)CCER 方法學(xué)與《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》，定義了CO2減排計(jì)算基礎(chǔ)參照系統(tǒng)，研究了該系統(tǒng)CO2減排數(shù)學(xué)模型，同時(shí)結(jié)合北京某燃?xì)夥植际骄C合能源項(xiàng)目，進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)碳減排潛力分析，得出結(jié)論如下。

（1）一般園區(qū)級(jí)燃?xì)夥植际骄C合能源系統(tǒng)的CO2減排基準(zhǔn)參照系統(tǒng)應(yīng)為：電網(wǎng)供電，采用電制冷機(jī)供冷，采用燃?xì)忮仩t供暖，采用熱水鍋爐供熱水。在案例中，基準(zhǔn)參照系統(tǒng)中在供電量占比為47.75% 的情況下，所產(chǎn)生的碳排放占比高達(dá)76.46%，而在供冷量占比為26.98%情況下，所產(chǎn)生的碳排放占比僅為8.64%，終端制冷條件下，電制冷產(chǎn)生的碳排放較低。

（2）基于燃?xì)夥植际降木C合能源系統(tǒng)在現(xiàn)有電力系統(tǒng)下仍具有良好的節(jié)能減排效應(yīng)，當(dāng)電網(wǎng)排放因子降至0.34 tCO2/（MW·h）以下時(shí)，現(xiàn)有項(xiàng)目方式將不再具有節(jié)能減排效應(yīng)，但仍可采取項(xiàng)目改造如增加可再生能源供能比例的方式提升碳減排能力。