基于燃气分布式的综合能源系统碳减排分析

江婷，赵雅姣

（1.中国华电科工集团有限公司，北京 100070；2.国家能源分布式能源技术研发中心，北京 100070）

0 引言

随着社会经济的发展，全球温室气体排放导致全球气候极端变化、全球变暖、冰川消融、海平面上升等威胁人类生存与发展的问题。2020年9月的联合国大会上，我国明确提出将努力争取2060年实现碳中和［1-4］。电力行业是节能减排的主力军，随着能源领域改革的深入推进，我国受资源禀赋和特性制约，原来传统单一能源经过高速发展后，现阶段必须通过多元供应、多能互补、协调发展的能源电力系统来保障能源电力供应［5-8］。“自发自用，就近消纳”的综合能源系统开始受到关注，综合能源系统将打破不同能源品种单独规划、单独设计、单独运行的传统模式，实现横向“电热冷气水”能源多品种之间、纵向“源网荷储用”多供应环节之间的协同及生产侧和消费侧的互动[9-13]。国内外学者对类似综合能源系统碳减排及相关经济性均做了相应的研究［14-15］。

李蕊［16］针对我国热电联产项目的发展情况和特点，介绍了较为适合国情的碳减排计算方法，分析了热电联产碳减排计算的难点及建议。王卫权等［17-18］对国内温室气体自愿减排方法学《CM-034-V01 现有电厂的改造和/或能效提高（第一版）》的适用条件、项目边界、基准线识别及减排量计算等方面进行了分析，并将该方法学应用到江西某燃煤电厂改造项目，通过案例实际应用，得出燃煤电厂改造可获得较好的碳减排效益，是降低燃煤电厂碳排放的有效措施之一。但是，目前针对综合能源系统配置的研究较多，对于系统的CO2排放与减排均没有统一的计算方法，综合能源系统碳减排计算方法亟待研究。

1 基于燃气分布式的综合能源系统

基于燃气分布式的综合能源系统比常规的供能系统更为复杂，燃料输入端包括太阳能、风能、地热能及天然气等多种形式的能源，本研究针对的系统目前以天然气为主要燃料，并包括容量较小的光伏发电系统。输出端包括电、热、气等多种形式的能源。图1 为基于燃气分布式的综合能源系统，由图1 可见，综合能源系统的设备端包括主机设备系统和调峰设备系统。

图1 基于燃气分布式的综合能源系统Fig.1 A gas-based distributed integrated energy system

主机设备系统主要包括原动机发电系统、吸收式制冷换热系统及低温换热系统。天然气输入原动机发电系统燃烧后发电，发电产生的中温烟气进入制冷换热系统，夏季提供冷媒水，冬季提供供暖水。换热后的低温烟气进入低温换热系统，为用户提供60 ℃左右的热水。自发自用综合能源系统一般配置有调峰设备系统，配置储能系统并连接电网进行电力调峰，电制冷机进行供冷调峰，直燃性溴化锂机组或余热锅炉进行供暖调峰，储热水罐进行热水调峰。

本研究针对基于燃气分布式的综合能源系统的CO2排放及碳减排量计算方法，同时结合北京某综合能源项目进行碳减排潜力分析。

2 数学模型

关于不同项目的CO2减排量，国家发改委于2012年3月至2017年3月的5年间批准了12个批次共200 个国家核证自愿减排量（CCER）方法学［19］。经过研究，这些方法学并不能完全涵盖基于燃气分布式的综合能源系统CO2减排量的计算。因此，根据CCER 方法学与《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施（2022年修订版）》研究基于燃气分布式的综合能源系统的CO2减排量计算方法，可用于计算新建或已建项目在现有电力系统情况下的CO2减排量。

2.1 CO2减排基准参照系统

计算发电系统CO2减排最主要的参数是现有系统碳排放与基准参照系统的差值。CO2减排基准参照系统是指在不建设该发电项目的情况下，所有真实可信的替代情景中可能性最大的情景。基于燃气分布式的综合能源系统CO2减排基准参照系统应包括4 部分：电力替代系统、供冷替代系统、供暖替代系统与供热水替代系统。经过研究，一般园区级基于燃气分布式的综合能源系统CO2减排基准参照系统应为：电网供电，电制冷机供冷，燃气锅炉供暖，热水锅炉供热水。

2.2 综合能源系统CO2减排计算模型

现有基于燃气分布式的综合能源系统CO2排放量由式（1）—（4）计算。

式中：Egrid，y为系统从电网中购入的电量，MW·h；EFgrid为电网排放因子，tCO2/（MW·h）。

燃气燃烧排放量是统计期内基于燃气分布式的综合能源系统统计期内燃气产生CO2排放量的加总。电网排放因子可由《CMS-002-V01联网的可再生能源发电》方法学计算得出，也可采用生态环境部发布的最新数值（为简便计算，可统一采用2020年数据0.610 1 tCO2/（MW·h）。在进行精确计算时，可根据不同区域选择省级电网公司公布的排放因子，取值不同只影响数值大小，不影响变化趋势。

基于燃气分布式的综合能源系统的CO2减排基准参照系统排放量的计算如式（5）—（10）所示。

式中：Eheating为基于燃气分布式的综合能源系统供暖量，GJ；ηhe为基准参照系统采用燃气锅炉供暖的热效率。

对于供热水系统，若基准参照系统采用燃气锅炉，用式（9）计算减排量；若采用电锅炉，则用式（10）计算减排量。

式中：Ehw为基于燃气分布式的综合能源系统供热水量，GJ；ηhw，gas及ηhw，ele分别为为基准参照系统采用燃气锅炉和电锅炉供热水的热效率。

综上所述，基于燃气分布式的综合能源系统CO2减排量可由式（11）计算。

式中：ERsys，CO2为基于燃气分布式的综合能源系统CO2减排量，t。

3 案例分析

3.1 概况

北京某基于燃气分布式的综合能源系统如图2所示。

图2 案例项目系统Fig.2 System in a case project

由图2可见，项目采用天然气与光伏发电互补，站内设2台单机装机容量为3 349 kW内燃机发电机组，内燃机烟气及缸套水余热由烟气-热水溴化锂机组回收利用，作为园区的分布式供能中心进行供冷、供暖、供热水和供电。调峰设备方面，采用2台直燃机和2台电制冷机，同时项目还配备光伏发电系统。该项目为整个园区25万m2供能，是典型的基于燃气分布式的综合能源系统。

3.2 设计工况碳减排分析

根据2.2 节提出的数学模型，分析该基于燃气分布式的综合能源系统在设计工况下供电、暖、热水、冷量以及相应的碳排放量。在设计工况下，系统全年发电量、供暖量、供热水量以及供冷量分别为2 1462.3 MW·h，30 314 GJ，10 583 GJ 及43 661 GJ，对应的CO2排放量分别为13 094，1 892，660 及1 479 t。

图3 及图4 分别为该基于燃气分布式的综合能源系统设计工况下供电、暖、热水、冷量及基准参照系统设碳排放占比。由图3 及图4 可见，在基准参照系统中，当供电量占比为47.75%时，所产生的碳排放占比高达76.46%；而在供冷量占比为26.98%时，所产生的碳排放占比仅为8.64%。

图3 基于燃气分布式的综合能源系统设计工况下供电、暖、热水、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

图4 基准参照系统碳排放量占比Fig.4 Proportion of carbon emissions in the baseline reference system

图5为综合能源系统与基准参照系统设计工况下供电、暖、热水、冷的碳排放占比，其中综合能源系统供电、暖、热水、冷的碳排放量按照其各自占所耗燃气总热量百分比计算。由图5 可见，综合能源系统的供电碳排放远小于基准参照系统，而供冷碳排放则远大于基准参照系统，这说明电能的产生是释放碳排放的最主要路径，而在终端制冷条件下，电制冷产生的碳排放较低。

图5 综合能源系统与基准参照系统碳排放量对比Fig.5 Comparison of carbon emissions between comprehensive energy system and benchmark reference system

3.3 运行工况碳减排分析

对该综合能源系统项目2016—2020 年的全年运行工况下的碳排放量及减排情况进行分析。图6为基于燃气分布式的综合能源系统2016—2020 年实际供电、暖、热水、冷量。由图6可见，系统外供各类负荷逐年升高，这是因为该源系统配套的用户逐步完善，体现了综合能源系统自发自用、灵活运行的特点。

图6 案例系统2016—2020年实际供电、暖、热水、冷量Fig.6 Case system actual power supply，heating，hot water，cooling capacity from 2016 to 2020

图7 为基准参照系统2016—2020 年供电、暖、热水、冷量对应的碳排放量。由图7可见，碳排放量的变化趋势与供能量变化趋同，但与图6 对比发现基准参照系统的供冷量碳排放较低，这是由于基准参照系统采用电网购电进行制冷，供冷碳排放计算采用的电网排放因子包含了可再生能源发电排放，加之目前电制冷技术较为成熟，制冷系数较高，从碳排放的角度说明终端电气化的趋势较为正确。

图7 基准参照系统2016—2020年实际供电、暖、热水、冷量对应的碳排放量Fig.7 Carbon emissions from power supply，heating，hot water supply and cooling of the reference system from 2016 to 2020

图8为综合能源系统及基准参照系统的碳排放量对比，由图8可见，2016—2020年系统的碳减排量（CO2）基本维持在3 000 t，具有良好的节能减排潜力。碳减排量（CO2）与设计工况下6 000 t 有差距，这是由于系统上网电价较低，为了维持系统经济性系统采取少发电的模式。由图8 可见，基于燃气分布式的综合能源系统在现有电力系统下仍具有良好的节能减排效应，后续随着光伏、光热、地热等能源的加入，综合能源系统的碳减排能力将会更强。

图8 综合能源系统碳排放量与基准系统总碳排放量对比Fig.8 Comparison between carbon emissions of comprehensive energy system and total carbon emissions of benchmark system

3.4 影响碳排放因素分析

由于本研究计算基准参照系统电力碳排放采用电网排放因子，随着可再生能源发电大规模接入电网，电网排放因子会持续降低，根据该综合能源系统设计工况，研究了电网排放因子对基于燃气分布式的综合能源系统碳排放量影响，如图9 所示。由图9 可见，在不改变现有基于燃气分布式的综合能源系统运行方式的条件下，随着电网排放因子的降低，碳减排量随之降低，当电网排放因子为0.34 tCO2/（MW·h）时，该综合能源系统碳减排量接近于0。但是，该综合能源系统可增加可再生能源利用来提升碳减排潜力。

图9 电网排放因子对系统碳排放量的影响Fig.9 Impact of greenhouse gas emission factor for grid on the carbon emissions of the system

4 结束语

针对基于燃气分布式的综合能源系统，根据CCER 方法学与《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》，定义了CO2减排计算基础参照系统，研究了该系统CO2减排数学模型，同时结合北京某燃气分布式综合能源项目，进行综合能源系统碳减排潜力分析，得出结论如下。

（1）一般园区级燃气分布式综合能源系统的CO2减排基准参照系统应为：电网供电，采用电制冷机供冷，采用燃气锅炉供暖，采用热水锅炉供热水。在案例中，基准参照系统中在供电量占比为47.75% 的情况下，所产生的碳排放占比高达76.46%，而在供冷量占比为26.98%情况下，所产生的碳排放占比仅为8.64%，终端制冷条件下，电制冷产生的碳排放较低。

（2）基于燃气分布式的综合能源系统在现有电力系统下仍具有良好的节能减排效应，当电网排放因子降至0.34 tCO2/（MW·h）以下时，现有项目方式将不再具有节能减排效应，但仍可采取项目改造如增加可再生能源供能比例的方式提升碳减排能力。