“雙碳”背景下上海城市能源互聯(lián)網(wǎng)構建技術需求分析

潘愛強，杜鳳青

(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上作出我國“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(xiàn)碳中和”的承諾，彰顯出我國應對氣候變化的決心和雄心。目前我國二氧化碳排放量雖居世界首位，但從碳達峰到碳中和的目標期限僅有30年，遠低于歐美發(fā)達國家50～70年的期限[1]。

能源行業(yè)是減碳的主力軍。據(jù)統(tǒng)計，能源燃燒二氧化碳排放占總的二氧化碳排放的比例達到88%，2020年12月12日，習近平總書記在氣候雄心峰會上進一步宣布，到2030年，中國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kWh以上，對能源發(fā)展提出了明確要求。

城市是減碳的主戰(zhàn)場。據(jù)統(tǒng)計，我國城市能源消費量占全國能源消費總量的85.1%，IEA數(shù)據(jù)顯示，世界范圍內占一半人口的城市消費了約三分之二的能源，貢獻了70%與能源相關的碳排放。能源是一座城市正常運轉不可或缺的要素，城市也是能源消費的主體，隨著經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化的加速，城市能源需求不斷增長，化石能源的大范圍使用，給城市帶來了嚴重的污染問題。

城市能源清潔供應、高效利用是實現(xiàn)“雙碳”的關鍵一環(huán)，決定了“雙碳”目標能否實現(xiàn)。“雙碳”目標的提出，對城市能源發(fā)展提出了更高的要求，能源互聯(lián)網(wǎng)的構建至關重要。本文以上海為例，梳理雙碳背景下上海城市用能需求和特點，分析雙碳目標對能源供應傳輸消費的影響，對比國內外典型的案例和舉措，提出構建能源互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術需求和建議。

1 “雙碳”背景下上海城市用能特點及面臨的形勢

上海提出全市碳排放總量與人均碳排放量于2025年前達到峰值，2035年萬元GDP能耗控制在0.22噸標準煤以下。但總體看來，目標任務艱巨，時間窗口短。

(1)上海能源消費總量、能耗密度目前均居全國前列。2019年綜合能源消費總量約1.17億t，位列全國城市首位，上海能耗密度18 454 t標準煤/平方公里，40倍于全國平均水平。

(2)上海全口徑碳排放總量持續(xù)增長。由2015年的2.05億t增加到2019年的2.12億t，萬元GDP碳排放量由2015年的0.762 t下降到2019年的0.610億t。單位GDP碳排放雖在全國省級行政區(qū)中處于較低水平，但距世界先進水平仍有差距，約為紐約、倫敦、東京的5～7倍。

(3)上海本地能源資源匱乏，現(xiàn)有能源結構對降碳帶來較大壓力。上海非化石能源資源稟賦差。非化石能源利用主要依賴外來電，2019年非化石能源發(fā)電量為591億kWh，占一次能源比重為17.54%，其中本地風電、光伏發(fā)電25億kWh，其他非化石能源發(fā)電32億kWh。能源消費仍以化石能源為主。2019年上海全市能源消費總量1.17億噸t標準煤，終端能源消費中，煤炭占比11.5%，油品占比53.0%，天然氣占比8.5%，電力占比19.97%，終端電氣化水平低于香港(48.2%)、東京(35.45%)、巴黎(33.33%)、新加坡(21.77%)、北京(24.83%)等全球發(fā)達城市。

2 “雙碳”目標對城市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求

能源燃燒碳排放是溫室氣體排放的主體，而電力行業(yè)占了其中近一半。電網(wǎng)連接電力生產和消費，是能源轉型的中心環(huán)節(jié)，是電力系統(tǒng)碳減排的核心樞紐，目前95%左右的非化石能源主要通過轉化為電能加以利用。電力系統(tǒng)既要保障新能源大規(guī)模開發(fā)和高效利用，又要滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的用電需求，承擔著巨大壓力。然而，雙碳目標對電力系統(tǒng)帶來了全新挑戰(zhàn)和要求，具體體現(xiàn)在五個方面，他們將對電力系統(tǒng)產生深遠的影響。

(1)需要接納更高比例的新能源。根據(jù)權威機構研究，2040年，非化石能源占比超過一半，2060年，化石能源全部退出。到那個時候，核能、風能、太陽能的裝機容量將是現(xiàn)在的5倍、12倍和70倍，新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是氣象驅動的，電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是顛覆性的。

(2)存在更高比例的電力電子設備。源-網(wǎng)-荷端引入了高比例電力電子設備，電力系統(tǒng)基本特性由旋轉電機主導的機電穩(wěn)態(tài)過程演變?yōu)殡娏﹄娮釉O備主導的電磁暫態(tài)過程，系統(tǒng)特性由強轉動慣量向弱轉動慣量轉變。低慣性電力系統(tǒng)支撐力度弱、頻率調節(jié)能力和阻尼特性差，使得頻率穩(wěn)定問題日益凸顯。2019年8月的英國大停電的一個主要原因就是電力電子化引起的弱轉動慣量。

(3)用電負荷更加柔性多變。電力負荷用電特征日趨復雜、電能消費者成為電能產銷者、需求側響應日臻成熟。一方面，改變了負荷單向、被動接受調節(jié)的歷史，使得電網(wǎng)的運行更具彈性，另一方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在雙向性、高不確定性和分散性負荷大量接入的情況下，面臨更大挑戰(zhàn)。

(4)能源形式更加豐富。能源高效利用需要建設以新型電力系統(tǒng)為基礎，與天然氣、交通、建筑等多個領域互聯(lián)互通的綜合能源網(wǎng)絡。而且，天然氣與氫能源的儲備與傳輸將與電力系統(tǒng)深度融合，發(fā)揮重要的調峰作用。

(5)市場機制更加開放。新能源發(fā)電的規(guī)模化發(fā)展對電力市場和碳市場的建設提出更高要求。分布式新能源通過電力市場實現(xiàn)優(yōu)化配置和消納，非化石能源通過碳市場交易實現(xiàn)減排價值，解決碳排放的負外部性問題。兩個市場共同作用，提升能源配置效率、優(yōu)化能源結構。

應對以上挑戰(zhàn)，能源互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)“雙碳”的必然途徑。城市能源互聯(lián)網(wǎng)是以電為中心的城市各類能源互聯(lián)互通、綜合利用、優(yōu)化共享的平臺,是以智能電網(wǎng)為基礎，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，以電能為主體載體的綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源生態(tài)系統(tǒng)[2]。自美國學者杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)提出能源互聯(lián)網(wǎng)設想之后，能源互聯(lián)網(wǎng)的理念得到了國內外的廣泛認可和期待，并將其視為能源生產傳輸供應的必然發(fā)展形態(tài)。過去幾年，中國國家能源局布局了多個示范項目推動能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。能源互聯(lián)網(wǎng)是能源革命和數(shù)字革命深度融合的產物，成為推動我國能源轉型、提高能源利用效率、實現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，是雙碳目標實現(xiàn)的樞紐。

3 “雙碳”目標下能源互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新至關重要

1995年，文獻[3]在總結世界各國的環(huán)境污染和人均國民收入之間關系，提出了環(huán)境庫茲涅茨曲線 (EKC)假說，即環(huán)境污染和人均收入水平之間存在一個“倒 U 型”關系：隨著經(jīng)濟的增長，環(huán)境污染一開始是不斷惡化的，但當經(jīng)濟發(fā)展到一定水平后，兩者之間的關系趨于平衡,隨著人均收入水平的不斷提高， 環(huán)境污染得到了有效的控制和改善。環(huán)境庫茲涅茨曲線在西方國家得到了部分驗證，但也受到了許多學者的質疑[4]。尤其是在中國國內，“雙碳”目標的提出，決定了中國不能走歐美國家的老路，不能指望經(jīng)濟發(fā)展和收入增加帶動環(huán)境的提升，而是必須提速，加速環(huán)境優(yōu)化的過程。

但是經(jīng)濟社會發(fā)展仍需要能源供應保障，以上海城市為例，經(jīng)濟發(fā)展仍處于工業(yè)化階段，能源電力需求還將持續(xù)攀升，經(jīng)濟發(fā)展與碳排放仍存在強耦合關系。預計“十四五”期間，上海綜合能源消費增速為2.7%；根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展情況、單位GDP能耗強度下降要求、能源消費增速和碳達峰要求，預計“十五五”期間上海綜合能源消費總量增速在1.6%～2.7%之間。上海承載著我國“五大中心”建設和集成電路、生物醫(yī)藥等戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略使命，對能源安全及供電可靠性提出嚴格要求，能源安全重要性先于能源結構優(yōu)化和碳減排。

經(jīng)濟社會發(fā)展、能源安全供應和碳減排組成的“不平衡三角”，唯有依托科技創(chuàng)新實現(xiàn)關鍵技術突破，方能破解。歐盟、美國、日本均高度重視碳中和技術創(chuàng)新突破，已提前部署了碳中和實施路徑和技術研發(fā)。2019年12月，歐盟在《歐洲綠色新政》中提出了7個重點領域的關鍵政策、核心技術及相應詳細計劃，其中包括零碳煉鐵技術等。美國提出將加快清潔能源的部署，大力推動太陽能、風力發(fā)電，部署核能和水力發(fā)電，計劃投入2萬億美元助力國家能源改革目標實現(xiàn)。日本推出了“綠色增長戰(zhàn)略”，提出到2050年，電力供應一半以上由可再生能源提供。加快發(fā)展氫能、海上風電等清潔能源，推動開發(fā)新的小型反應堆，設立2萬億日元(190億美元)的綠色基金，鼓勵綠色技術發(fā)展[5]。

上海具備科技策源、技術引領先發(fā)優(yōu)勢，可為碳排放關鍵技術突破提供有力支撐。上海作為創(chuàng)新成果“原產地”和科技創(chuàng)新策源地，可加快推動綠色低碳等領域關鍵技術實現(xiàn)重大突破，為相關領域基礎研究、技術研發(fā)、工程應用提供了方向指引和重要遵循，帶動新能源、電動汽車和環(huán)保裝備等相關低碳產業(yè)發(fā)展壯大。

4 “雙碳”背景下能源互聯(lián)網(wǎng)構建重點技術方向

能源互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新是實現(xiàn)“雙碳”目標的必要條件。實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關鍵在于減少碳排放、增加碳吸收。減少碳排放方面，圍繞綠色低碳，可大力推進能源供應清潔低碳轉型，發(fā)展可再生能源、減少化石能源使用；全面推進全社會節(jié)能減排，加強能效管理，加大電能替代；推動氫能、儲能、節(jié)能環(huán)保等領域關鍵核心技術創(chuàng)新。增加碳吸收方面，碳中和要求將生產生活所產生的二氧化碳全部消除，最終達到二氧化碳生產量和消除量的平衡，實現(xiàn)凈零排放，而目前碳捕集、利用和封存等技術并不成熟，亟需加強科技創(chuàng)新支撐引領，促進碳捕捉和封存等碳吸收技術大規(guī)模應用。

通過對發(fā)表論文的分析發(fā)現(xiàn)，“雙碳”相關技術正處于加速發(fā)展期，2015-2019年間除核能外，太陽能、風能、氫能等技術領域發(fā)文量均超過近20年總量的40%，發(fā)文量年均復合增長率約為10%。中國在“雙碳”研究領域貢獻總量較大，TOP10%的高質量研究貢獻量較高，但與美國、德國、日本等發(fā)達國家相比，中國大部分論文篇均被引頻次排名相對靠后，研究整體質量仍需提升。上海后續(xù)可重點在以下能源互聯(lián)網(wǎng)關鍵技術領域尋求突破：

(1)碳捕集利用和封存技術(CCUS)。美國、加拿大、澳大利亞等發(fā)達國家在燃煤電廠CCUS技術研究和示范方面進行了大規(guī)模投入，2020年新啟動17個CCUS商業(yè)設施。2009年，上海石洞口第二電廠啟動了12萬噸t/年CO2捕集示范項目建設，使用具有自主知識產權的燃燒后CO2捕集技術，該裝置是當時世界上最大的燃煤電廠煙氣CO2捕集裝置。由于現(xiàn)階段較高的捕獲成本及較低的利用方式達不到可觀的經(jīng)濟效益，大規(guī)模發(fā)展CCUS項目的時機還不成熟。上海后續(xù)可重點加強長三角地區(qū)CCUS創(chuàng)新及產業(yè)發(fā)展能力建設，同時積極從國內外先進示范項目中學習經(jīng)驗，促進CCUS成本下降和技術水平提升。

(2)核聚變。美國重點研究燃燒等離子體下的基本行為、面向燃燒等離子體的高功率注入以及等離子體診斷等。日本開展燃燒等離子體物理實驗，并探索螺旋場約束和激光核聚變等替代方法。中國正開展中國聚變工程試驗堆CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)項目，未來將著力解決穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體的控制，氚的循環(huán)與自持。上海后續(xù)可重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發(fā)電等技術。

(3)氫能和燃料電池。美國、日本、德國都在集中部署和推進氫能和燃料電池，并已在關鍵材料、重要工藝和設備、大型化制氫、分散化制氫、加氫站和燃料電池等方面取得了突破。中國最早將氫燃料電池汽車列為新能源汽車發(fā)展方向之一，但受制于制氫技術和氫燃料電池的高成本以及加氫站的布局等問題，氫燃料電池汽車還處于示范運營階段。上海航天氫能已掌握自主知識產權燃料電池電堆及金屬雙極板、膜電極組建等關鍵技術。上海后續(xù)可重點研究基于可再生能源的高效低成本制氫技術，攻關氫能液態(tài)、固態(tài)高效儲運技術，探索燃料電池分布式功能技術和能源轉換PTX技術等。

(4)可再生能源。國內外在太陽能燃料、光解水制氫等領域作出了很多努力，但距離應用還有一段距離，如光催化制氫仍處于實驗室研發(fā)階段。目前上海在海上風電技術研發(fā)走在全國前列，上海電氣集團牽頭研發(fā)的8兆瓦直驅式風機是國內批量運行的最大容量海上風機，提出的風電機組控制關鍵技術達到國際先進水平。上海后續(xù)太陽能研究的重點方向可包括研制新型高效晶硅電池和組件，研發(fā)鈣鈦礦、薄膜、疊層等太陽能電池，探索太陽能光催化制氫等；海上風電研究的熱點方向可集中在漂浮式海上風電機組研發(fā)、深遠海風電場精細化評估及設計建設技術、海上風電與波浪能、潮流能等海洋能綜合利用技術等。

(5)新型電力系統(tǒng)。上海可重點組織開展新型電力系統(tǒng)關鍵技術聯(lián)合攻關，開展高比例新能源的廣泛接入、電網(wǎng)靈活可靠配置資源、負荷多元互動、基礎設施多網(wǎng)融合等專題研究，推動以“云大物移智鏈邊”為代表的數(shù)字技術與能源領域先進的物理技術高度融合，最終實現(xiàn)橫向多能源互補，縱向源網(wǎng)荷儲協(xié)調，推動電力系統(tǒng)的清潔低碳、安全高效轉型。

(6)儲能。風能、太陽能等可再生能源的迅速崛起，使得大規(guī)模高效儲能技術成為全球各國亟須攻克的技術壁壘。美國、歐盟、英國、日本和我國在儲能新原理的研究開發(fā)和驗證、關鍵工藝和設備的研制、示范和應用等方面都取得了突破性進展。上海后續(xù)可重點探索靈活、分散、固定式和移動式相結合的儲能技術應用，研究提升儲能電壓穿越能力、充放電響應及轉換時間等關鍵技術指標，進一步降低儲能成本，推動儲能大規(guī)模應用。

(7)節(jié)能。美國、日本等國家已經(jīng)在工業(yè)能效提升、建筑智能化自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)中心協(xié)同控制等相關領域取得了一定成效，我國也一直將節(jié)能技術作為實現(xiàn)能源革命的重要途徑。上海可重點在工業(yè)、交通和建筑三大領域尋求技術突破，開展關鍵生產流程優(yōu)化、高效節(jié)能裝置研發(fā)、建筑能耗管理優(yōu)化等系列關鍵技術攻關，不斷提高能源精細化管理水平，持續(xù)挖掘節(jié)能潛力提升能效。

5 結語

碳達峰、碳中和本質上是綠色能源和低碳技術革命，上海可充分強化創(chuàng)新成果“原產地”和科技創(chuàng)新策源地功能，加快推動綠色能源和低碳高端制造技術突破，更好發(fā)揮科技創(chuàng)新在整個“雙碳”中的戰(zhàn)略支撐作用。

一是加快能源零碳技術的重點突破。圍繞電力能源生產消費方式深度脫碳轉型需求，研發(fā)推廣大規(guī)模低成本儲能、智能電網(wǎng)、虛擬電廠等技術，發(fā)展支撐實現(xiàn)高比例可再生能源電網(wǎng)靈活穩(wěn)定運行的相關技術，推動工業(yè)、交通、建筑電氣化進程。積極推動可再生能源發(fā)電制氫規(guī)模化技術研發(fā)，超前儲備其他氫能制備技術，推動生物質能等其他零碳非電能源技術發(fā)展。

二是繼續(xù)發(fā)展節(jié)能節(jié)材技術與資源產品循環(huán)利用技術。推動鋼鐵等基礎材料的高性能化、減量化和綠色化轉型，減少鋼鐵、化工等產品的需求量與提高材料利用效率。重點推進氫基工業(yè)、生物燃料等工藝革新技術并推廣應用，強化和加速推進以二氧化碳為原料的化學品合成技術研發(fā)。

三是超前部署增匯技術和負排放技術。發(fā)展CCUS關鍵技術及其與工業(yè)、電力等領域的集成技術，重點部署B(yǎng)ECCS以及直接空氣捕集(DAC)技術，探索太陽輻射管理等地球工程技術并開展綜合影響評估，發(fā)展減排增匯技術，研究海洋、土壤等碳儲技術，發(fā)展?jié)竦睾秃Ｑ筇紖R監(jiān)測、評估關鍵技術，開展以海草床、鹽藻為代表的海洋藍碳等技術。

四是構建研發(fā)與示范相結合的低碳基地。依托上海科創(chuàng)中心建設，打造低碳技術創(chuàng)新攻關研發(fā)基地，圍繞節(jié)能環(huán)保、清潔生產、清潔能源等領域布局一批前瞻性、戰(zhàn)略性、顛覆性科技攻關項目。培育建設一批綠色技術創(chuàng)新中心、科技資源共享服務平臺、重點實驗室和技術創(chuàng)新中心等創(chuàng)新基地平臺。