基于碳夹点技术的株洲市能源结构优化研究.pdf

2023 年 11 月2023 年第 11 期能源是社会经济发展的基础和动力，当今世界经济快速发展，能源需求随之增加，引起的气候变暖问题成为各国长期关注的焦点。为了解决经济增长产生的能源消耗与生态保护之间的矛盾，中国于 2020 年提出了 CO2排放力争在 2030 年前达到峰值，争取 2060年前实现碳中和的“双碳”目标。株洲市作为第三批国家低碳示范城市，为了助力国家“双碳”目标实现，制定了 CO2排放于 2025 年达到峰值的目标，比国家要求提前了 5 年。为了实现碳达峰目标，株洲市政府出台了 株洲市低碳城市试点工作实施方案 ，提出了以清水塘老工业基地低碳转型和城市智慧低碳交通体系为特色的低碳发展模式。在调整产业结构、降低能源需求的同时，在能源消耗方面，减少化石能源的使用量，不断提高清洁能源的使用比率，优化调整能源结构是降低碳排放量的关键。本研究以株洲市为研究对象，采用碳夹点技术分析株洲市的能源消费情况，在碳达峰目标下确定能源结构的优化调整方案。1株洲市能源利用情况分析1.1株洲市能源概况株洲市位于湖南省东部，湘江中下游，具有丰富的各类能源资源。攸县煤炭资源丰富，以无烟煤为主，储量约达 4.3108t；株洲市年平均风速在 5.56.5 m/s 之间，低风速风电潜力巨大；太阳能方面，全市年平均辐射量为 4 390 MJ/m2，年平均日照时长 1 677 h，平均每天 4.6 h，具有较好的开发利用价值；株洲市位于湘江下游，境内有 23 条河流，建有 16 座大中型水库，拥有丰富的水能资源。另外，株洲市农作物秸秆资源非常丰富，每年农产品加工剩余物达 1.748105t，林业剩余物约为 1.634 5106t，城市生活垃圾约 7.0105t，为生物质和垃圾发电提供了丰富的原料资源。1.2株洲市近年能源消耗结构和碳排放量分析根据 20152020 年株洲市统计年鉴中的能源统计数据，对株洲市的能源消耗数据进行整理分析，如表 1所示。收稿日期：2023-04-12基金项目：株洲市 2022 年度社科课题 渊 ZZSK2022163 冤第一作者简介：席莉袁 1982 年生袁 女袁 河南洛阳人袁 硕士袁 讲师袁 主要从事储能电池材料及节能环保方向的教学与研究遥基于碳夹点技术的株洲市能源结构优化研究席莉1袁 高鹏1袁 王红亮1袁 罗燕1袁 龙建平2（1.湖南有色金属职业技术学院，湖南 株洲 412006；2.湖南大唐先一科技有限公司，湖南 长沙 410007）摘要：株洲市作为第三批国家低碳示范城市袁 制定了 CO2排放于 2025 年达到峰值的目标遥 在碳达峰目标约束下袁 减少传统化石能源的使用量袁 优化能源结构对降低碳排放具有重要意义遥 以株洲市为研究对象袁 分析了 2015要2020 年株洲市的能源消耗和碳排放情况袁 基于碳夹点技术确定了碳达峰目标约束下的清洁能源在一次能源中的最小占比袁 提出了能源结构优化方案袁 并结合株洲区域优势袁 在调整 4 类能源占比方面给出可行性建议遥关键词：碳夹点曰 能源结构曰 株洲市曰 清洁能源中图分类号：F206文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)11-0049-04Optimization of Energy Structure in Zhuzhou City Based on CarbonPinch TechnologyXI Li1,GAO Peng1,WANG Hongliang1,LUO Yan1,LONG Jianping2(1.Hunan Non-ferrous Metals Vocational and Technical College,Zhuzhou 412006,Hunan,China;2.Hunan Datang XianyiTechnology Co.,Ltd.,Changsha 410007,Hunan,China)Abstract:Zhuzhou City,as the third batch of national low-carbon demonstration cities,has set a goal of peaking CO2emissionsby 2025.Reducing the use of traditional fossil fuels and optimizing energy structure under the constraint of carbon peaking targetsare of great significance for reducing carbon emissions.Taking Zhuzhou City as the research object,this paper analyzed the energyconsumption and carbon emissions of Zhuzhou City from 2015 to 2020.Based on carbon pinch technology,the minimumproportion of clean energy in primary energy under the constraint of carbon peaking target was determined,and an energystructure optimization plan was proposed.Combining the advantages of Zhuzhou region,feasible suggestions were given foradjusting the proportion of four types of energy.Key words:carbon pinch;energy structure;Zhuzhou City;clean energy（总第 218 期）能源产业492023 年第 11 期2023 年 11 月由株洲市近年能源消耗趋势（见图 1）可知，20152020 年间，随着株洲市 GDP 增长，各类能源消耗量都呈上升趋势，以煤炭、石油等化石能源为主。其中，煤炭的消耗量仍然保持最大比例，而其他清洁能源所占比例不大，但逐年增加，由 2015 年的 0.724 8106吨标准煤增加到 2020 年的 2.335 7106吨标准煤，所占比例也由 6.9%增加到 16.2%，增加了 9.3%。从上述分析数据可知，近年株洲市大力发展清洁能源，效果显著。图 1株洲市 20152020 年能源消耗量趋势图根据表 1 中的各类能源消耗量，计算燃料的 CO2排放量，其计算公式为：C=Qiai44/12，(1)式中：C为能源消耗 CO2排放量的数值，单位 104t；Qi为第i种能源消耗量（折算为标准煤）的数值，单位104t；ai为第i种能源相对单位标准煤的碳排放系数。根据国家发展和改革委员会能源研究所的数据，煤炭、石油、天然气 3 种能源的碳排放系数为：煤炭0.747 6 t/t，石油 0.591 0 t/t，天然气 0.443 5 t/t。其他能源类型包括太阳能、风能、生物质能、水能等可再生的清洁能源，将其 CO2排放系数取为零。利用上述公式计算所得的株洲市近年的 CO2排放量如表 2 所示。分析株洲市近年 CO2排放量趋势（见图 2）可知，20152020 年，株洲市 CO2排放量随着能源消耗的增长也呈现上升趋势，分析原因主要是 CO2的产生与煤炭、石油等化石能源的消耗有关，而株洲市能源结构中煤炭、石油的比例较高，对 CO2的排放影响较大，在 2020 年 CO2的排放中，煤炭和石油的 CO2排放比例分别达到了 74.8%和 20.4%。2碳夹点技术实例分析2.1碳夹点技术简介在碳排放目标约束下，目前常采用碳夹点分析技术来进行能源结构优化。该技术来源于夹点技术，由英国学者 LINNHOFF B 于 1982 年提出1，主要用于研究回收换热网络的能源优化问题。随着夹点技术的发展，其应用范围不断扩大，相继提出了水夹点、氧夹点、氢夹点、碳夹点等概念。随着中国低碳经济发展路线的实施，国内学者也开始研究碳夹点技术在优化能源结构中的应用。胡晓岑等2运用碳夹点分析对湖北省的能源消费结构进行优化研究，以 2020 年碳排放量为目标，确定了最小低碳（零碳）能源需求；梁琳琳等3运用碳夹点方法分析能源消费瓶颈，通过能源替代确定满足碳排放约束的清洁能源量，对中国整体能源结构优化进行了实证分析；向波等4以四川省为例，运用碳夹点图解法计算了 CO2排放总量限制下的可再生能源最小利用量，并确定了各部门可再生能源和常规能源的分配方案。2.2碳夹点分析模型关于碳夹点分析方法，根据国内外学者的研究5-6，可以构建以下理论模型，主要目标是在给定能源总量和 CO2排放量条件下，求得清洁能源的最小供应量。表 1株洲市近年能源消耗量统计单位：104吨标准煤年份能源消耗量煤炭石油天然气其他总量2015663.00248.0563.8672.481 047.42016664.29252.0256.0498.241 070.62017666.81260.3962.55124.251 114.02018675.86282.1967.77152.631 178.52019674.93316.7471.68187.451 250.82020692.39326.3474.28233.571 326.6煤炭；石油；天然气；其他。表 2株洲市近年 CO2排放量统计单位：104t年份CO2排放量煤炭石油天然气其他总量20151 816.62392.55104.0902 313.320161 820.16398.8491.3402 310.420171 827.05412.08101.9702 341.120181 851.87446.58110.4602 408.920191 849.31501.27116.8402 467.420201 897.16516.46121.0802 534.7图 2株洲市 20152020 年 CO2排放量趋势图7006005004003002001000201520162017201820192020年份2 8002 6002 4002 2002 0001 8001 6001 4001 2001 000201520162017201820192020年份502023 年 11 月2023 年第 11 期图 4能源需求复合曲线图目标函数为 minFj，这个目标函数需要满足以下4 个约束条件。1)能源供应平衡条件：Wi+jFj=Si，(2)式中：Wi，Si分别为能源i的供应量和剩余供应量；Fj为清洁能源供应量。2)能源需求平衡条件：Fj+iFi，j=Dj，(3)式中：Fi，j为能源i中供应能源j的供应量，Dj为能源j的需求量。3)碳排放限制条件：iCs，iFi，jDjCD，j，(4)式中：Cs，i和CD，j分别为能源i和能源j的排放因子。4)非负限制条件：Fj，Wi，Fi，j 0。2.3碳排放量约束下的能源结构优化分析 株洲市“十四五”能源发展规划 中对 2025 年株洲市能源消费情况进行了预测，消费总量为 1.6107吨标准煤，煤炭、石油、天然气的占比分别为 50.3%，22.4%，7.1%，其消耗量分别为 0.804 8107，0.358 4107，0.112 0107吨标准煤。由各种能源的消耗量和CO2排放因子可计算出 CO2的排放情况，如表 3 所示。表 32025 年株洲市能源消耗和 CO2排放 株洲市低碳城市试点工作实施方案 中提出，到2025 年，碳排放量达到峰值（4.866107t）。其中，2020 年的碳排放量制定目标为 4.658107t，与实际2.534 7107t 存在较大偏差，按照增长比例，调整2025 年的碳排放目标值为 2.653 8107t。由表 3 可知，2025 年预测的能源供给碳排放量为3.165 44107t，大于排放目标值（2.653 8107t），由于清洁能源的碳排放量为零，可通过增加清洁能源使用量、减少碳排放的方式实现碳排放目标。根据表 3 中数据，绘制 2025 年株洲市能源供给复合曲线（见图 3）和能源需求复合曲线（见图 4）。将能源供给复合曲线和需求复合曲线合并，如图 5所示，水平移动两条曲线的交点即为碳夹点，碳夹点的坐标为（1 600，2 653.80），表示当株洲市能源需求为1.600107吨标准煤时，CO2排放量为 2.653 8107t，可实现 2025 年的碳达峰目标。能源供给复合曲线水平移动的距离即为实现碳达峰目标所需要的清洁能源 5.115 3106吨标准煤，碳夹点的右上方为需要减少的煤炭量 1.867 3106吨标准煤。根据图 5 中能源供应曲线的移动距离及碳夹点的位置，在能源供给量和碳排放量双重约束下，确定各类能源的分配量，优化能源结构。具体分配方案如表 4 所示。3株洲市能源结构优化建议基于碳夹点技术针对株洲市能源结构进行优化分析，研究表明，在满足能源需求的条件下，为实现2025 年碳达峰的目标，利用低碳的清洁能源代替含碳较高的煤炭资源，清洁能源在一次能源中的消费比例建议提高到 32%。为此提出以下建议。1)降低煤炭消耗，加快煤炭的高效清洁利用。在碳达峰目标实现前后，煤炭在能源消耗中的比例逐渐降低，但仍占据主体地位，到 2025 年所占比例约为50.3%。为了降低煤炭的排碳量，一方面通过产业结构调整和节能技术推广降低煤炭的消耗量，大力发展新能源、轨道交通、生物制药、航空制造等新兴低碳产业，加大服装业、服务业、旅游业等第三产业的经济增长比例，不断优化产业结构调整，在传统耗能行业，积极推广节能技术，加快能源替代，从而降低煤炭消耗；另一方面通过煤炭的高效清洁利用提升煤炭的利用质量，大力推广煤炭的洗选加工，推行清洁煤技术，控制高硫、高灰煤及劣质煤的使用7。项别能源消耗/（104吨标准煤）CO2排放因子/（t t-1）CO2排放量/（104t）煤炭804.82.742 205.15石油358.42.17777.73天然气112.01.63182.56清洁能源324.800总计1 600.03 165.44图 3能源供给复合曲线图席莉，等：基于碳夹点技术的株洲市能源结构优化研究3 5003 0002 5002 0001 5001 0005000112.00470.401 275.20能源量/（104吨标准煤）3 165.44960.29182.562 653.802 5002 0001 5001 0005000200400600800能源量/（104吨标准煤）1 000 1 200 1 400 1 6000512023 年第 11 期2023 年 11 月图 5碳排放约束下能源供给和需求曲线图表 4株洲市 2025 年碳排放约束下能源分配方案2)控制石油使用，推进实施低碳交通模式。据统计，2021 年，国内新能源汽车保有量达到 7.84106辆，相比传统燃油车，现有新能源汽车每年减少碳排放1.5107t 左右。株洲市可依托现有新能源汽车产业优势，大力扶持电动汽车生产项目，积极推进绿色公交和电动汽车的低碳交通模式实施。3)提高天然气的占比，加快推进“气化株洲”工程。在传统能源中，相比于煤炭和石油，天然气的含碳量相对较低，在一定时期内，可利用天然气代替煤炭降低排碳量。为了保障居民用气，加快推进“气化株洲”工程，在高能耗企业推进“煤改气”工程，提高天然气在能源消耗中的占比。4)大力发展清洁能源，加快能源结构调整。在碳中和目标实现前后，传统化石能源将逐步退出，太阳能、风能、氢能、地热能等清洁零碳能源将成为能源结构的主体，提升清洁能源的占比是实现“双碳”目标的关键。立足中国中车的风电装备制造产业和技术优势，在南部山地重点建设分散式风力发电基地；充分利用株洲市丰富的太阳能资源，大力推广分布式光伏发电系统，扩大太阳能利用规模；以建设“氢能经济示范城市”为契机，推动氢燃料电池产业的快速发展，形成氢能和燃料电池支柱产业；结合新农村社区和美丽乡村建设，因地制宜利用农林剩余物和废弃垃圾资源，大力建设生物质能源利用项目。4结束语根据株洲市能源消费情况，预测 2025 年碳排放量为 3.165 44107t。为了实现碳达峰的目标，运用碳夹点图形方法，利用低碳的清洁能源代替含碳较高的煤炭资源，得出各类能源的分配比率为：煤炭 38.6%，石油 22.4%，天然气 7.0%，清洁能源 32.0%。降低碳排放量的关键是提升清洁能源的消耗比例，基于碳夹点方法得出了碳排放量约束下清洁能源的最小使用量，给出了能源结构调整的优化方案，并结合株洲区域的能源消费特点，从降低煤炭消耗、控制石油使用、提高天然气占比、大力发展清洁能源 4 方面提出可行性建议。参考文献：1 LINNHOFF B.A user guide on process integration for theefficient use of energy M.London：Institution of Chemical En-gineers，1982.2 胡晓岑，黄栋.湖北省 2020 年能源消费结构优化路径：基于碳夹点分析 J.统计与决策，2012(18)：131-133.3 梁琳琳，卢启程.基于碳夹点分析的中国能源结构优化研究 J.资源科学，2015，37(2)：291-298.4 向波，袁艳平，杨晓娇，等.基于碳夹点分析的四川省可再生能源利用 J.制冷与空调（四川），2016，30(5)：615-621.5 陆彪，王索军，陈德敏，等.基于碳约束的区域能源结构优化实证研究 J.安徽工业大学学报（自然科学版），2022，39(1)：86-90.6 张旺，刘建文，赵先超，等.两型社会背景下株洲市创建低碳城市的战略研究 J.湖南工业大学学报，2011，16(2)：8-13.7 熊鹰，韩晓梦.“两型社会”建设试验区产业结构的节能潜力分析：以株洲市为例 J.中国人口资源与环境，2012，12(11)：222-227.（编辑：刘晓芳）项别调整前调整后能源消耗量/（104吨标准煤）碳排放量/（104t）能源消耗量/（104吨标准煤）碳排放量/（104t）煤炭804.82 205.15618.101 693.59石油358.4777.73358.40777.73天然气112.0182.56112.00182.56清洁能源324.80511.530总量1 600.03 165.441 600.002 653.883 5003 0002 5002 0001 5001 0005002 653.800200400600800能源量/（104吨标准煤）1 0001 2001 4001 6001 8003 165.443 165.44960.29960.29182.56182.56能源供给能源需求52