基于电碳数据的高耗能工业企业低碳运行方案研究

摘要：中国在全球气候治理中不断提高国家自主贡献度，其中高耗能工业企业的低碳转型是我国“双碳”战略的重要组成部分。首先，本文分析评估重点高耗能工业企业的降碳潜力，确定评价指标体系原则，并完成评价指标的选取。其次，建立工业企业电碳数据模型，利用电力数据的实时性、准确性、高分辨率以及广泛的采集范围等优势，提高碳排计量的效率和精确度。最后，进一步基于电碳数据研究高耗能工业企业低碳运行方案，其中第一部分为高耗能企业参与电碳市场辅助决策方案，第二部分为基于绿色低碳技术的高耗能企业低碳改造方案。

关键词：降碳潜力；电碳数据；低碳运行方案

1概述

在新的时代背景下，碳排放及其所带来的全球气候变暖等问题越来越引起全球社会的普遍重视，应对气候变化已成为全球面临的共同挑战。在高耗能工业企业碳排放优化的研究方面，目前包括我国在内的大部分国家的能源结构仍存在优化空间，碳减排优化方案未考虑电力市场和碳市场间的相关性，亟须研究考虑经济、社会、环境协调发展的高耗能工业企业低碳运行方案。

本文基于电碳数据，从以下角度开展研究：重点高耗能工业企业降碳潜力评估研究以及基于电碳数据的高耗能工业企业低碳运行方案研究。本文研究成果将为未来绿色低碳发展规划奠定相关研究基础，为推动重点高耗能行业节能减排降碳、实现“双碳”目标提供决策参考。

2重点高耗能工业企业降碳潜力评估研究

本节首先依据评价指标体系设计的理论基础，结合中国高耗能工业企业在绿色低碳发展方面的现实情况，对降低碳排放和减少能源消耗的潜力评价指标体系展开了深入研究。研究设计了与当前中国高耗能工业企业发展阶段相适应的降碳减排潜力评价指标体系。

2.1指标体系原则

结合国家相关政策法规、技术规范及高耗能工业企业碳资产管理现状，通过对国内外相关实践经验的梳理与分析，高耗能工业企业碳减排绩效评价指标体系应具备的基本要素包括以下几个方面的内容。

2.1.1管理与技术层面

实施高耗能工业企业降碳减排潜力评估时，需要综合考虑管理和技术层面的指标，通过管理和技术指标综合体现高耗能工业企业的低碳发展潜力。

2.1.2指标体系的特性

高耗能企业低碳减排潜力评估指标体系应该具备四个方面的特性实现有效评价，即指标构成的科学性、指标核算的合理性、评价结果的有效性以及指标改进的可持续性。

2.2评价指标选取

基于上述对我国高耗能工业企业低碳发展的影响因素分析，根据绩效评价指标体系的相关理论，主要从管理和技术两个层面构建我国高耗能工业企业的低碳减排潜力评价指标体系，并在专家判断的基础上侧重于技术评价及量化指标，凝练出12项评价指标，详见表1。

3基于电碳数据的高耗能工业企业低碳运行方案研究

在本节中，采用电碳分析模型来估算工业企业的碳排放量。该模型充分利用了电力大数据的实时性、准确性、高分辨率以及广泛的采集范围等优势，以期提高碳排放量估算的效率和精确度。然后基于电碳数据模型，开展高耗能工业企业低碳运行方案研究，有助于高耗能工业企业进一步节能提效、低碳转型。

3.1电碳数据模型构建

由于高耗能工业企业的用电、能耗与碳排放具有强相关性。选取中国某地区10月份高能耗企业电力用户数据，包括每日各时段用电量，通过计算日平均用电占比，以该指标进行聚类分析，结果详见表2。基于KMean聚类方法对上述典型行业用电数据聚类后结果显示为以下4类：

根据表2的数据，可以对用户的用电特征进行分类。在电力消费行为分类中，D类用户由于其平期用电量超过50%，被界定为高负荷型用户。C类用户平期用电量超过40%，被界定为较高负荷型用户。基于平期用电量的显著比例，D类和C类用户统称为负荷型用户，B类用户被归类为避峰型用户，A类用户被划分为过渡型用户。

本节针对高耗能工业企业的碳排放数据进行分析，以典型案例钢铁企业A和B为例，对高耗能行业的碳排放特征开展研究，如表3所示。

分析结果指出，炼铁系统在物质流和能量流中占据主导地位，降低CO2排放应聚焦于焦化、烧结和炼铁工序。A企业的高炉炼铁工序碳排放强度为815.89kgCO2/吨产品，主要由煤炭和副产煤气燃烧引起，占总投入的95.71%。相较于A企业，B企业的碳排放强度为511.89kgCO2/吨产品，显著较低，这主要由于B企业较少依赖外购焦炭和电力，间接碳排放强度较低。B企业在炼铁工序中每吨钢的回收量也高于A企业。

基于前述分析，本节聚焦于高能耗工业企业的电力与碳排放模型，然而，目前传统的平均电碳因子已无法正确反映碳排放的时空分布特性，上级电网联络线中的功率流所涉及的碳排放计量也应当纳入考量范围。因此，时变电碳因子的确定，是在考虑联络线上火电比例及其相应的碳排放数据的基础上，进一步结合企业购买的发电机组的出力情况来综合计算得出的。

在工业企业中，时变电碳因子的数值高低是火电发电占比的一个表征指标。当火电出力在总发电量中所占比例较高时，相应的二氧化碳排放量增加，导致电碳因子数值相应升高。

3.2基于电碳数据的高耗能工业企业低碳运行方案研究

基于上述对高耗能工业企业电碳模型的研究，本节进一步研究高耗能工业区企业低碳运行方案的提出方法。碳排放优化方案主要分为两部分内容，第一部分为高耗能企业参与电碳市场辅助决策方案，第二部分为基于绿色低碳技术的高耗能企业低碳改造方案。

本节选取中国某钢铁企业作为案例，设定碳市场交易价格为50元/吨，碳排放权底价为10元/吨，吨钢电耗为500千瓦时/吨，小型钢铁厂的年度成品钢材生产目标设定为30万吨。在扣除原材料成本之后，成品钢材的销售收益为547元/吨。以1周为一个研究周期，以小时为单位进行电力和碳的交易与结算，并在结束时进行结算校对核验。

3.2.1企业参与电碳市场辅助决策方案

本文定义了7种不同的周订单量配置，每种配置针对10家具有相似参数的钢铁企业，分别用S1至S7进行标识。这70家小型钢铁企业在电力市场与碳交易市场的联合博弈框架下的生产计划，如下图所示。

标准生产计划与市场博弈环境下企业产钢计划对比图

根据电力市场与碳交易市场的定价机制对钢铁企业的既定生产计划进行动态调整。由上图分析表明，钢铁企业的实时钢铁产量曲线显示出周期性波动特性，这一现象归因于电力市场价格的周期性波动。同时，不同交易日的产量曲线间存在显著差异，这是由碳市场价格的非规律性波动所驱动。

3.2.2绿色低碳技术的高耗能企业低碳改造方案

根据能源调研及诊断，该钢铁公司低压侧空压机能耗较大，因此可做变频节能改造，从而实现高耗能工业企业低碳改造。

在空压机系统中，当气体消耗量较低时，储气罐内部压力将上升，导致压力传感As50uidf3lzru+d+8GWKRBI4B6FmPIoVIDvesLrxe6Q=器检测到的压力值增加。该值随后被反馈至比例—积分—微分（PID）控制器，与预设的压力设定值进行比较，以确定压力偏差。PID控制器根据此偏差调节输出信号，减少变频器的输出频率，从而降低电动机的转速，减少气体的排放量，使得储气罐的压力下降至预设值。相对地，当气体消耗量增加、储气罐压力下降时，PID控制器将增加变频器的输出频率，提高电动机转速，增加气体排放量，以提升出气管的压力至预设值，满足系统的气体需求；在供气量与消耗量达到平衡状态时，变频器将维持在特定的频率，确保空压机以最经济的运行状态持续运行。

3.2.3节能效益分析

（1）企业参与电碳市场辅助决策方案效益：

表4展示了5类企业在电力与碳交易市场协同作用下的收益情况。数据显示，采取策略性生产行为能够显著提高钢铁生产企业的收益，平均收益增长达到8881.6元。

该企业整体节能改造后，每年节省电量43.4232万度，相当于减少二氧化碳排放量325.265吨，相当于减少标准煤130.4976吨，节省电费为30.41万元。

结语

随着中国城镇化的迅速发展、经济的快速增长和消费水平的持续提升，不断发展的高能耗产业可能会成为阻碍实现碳减排目标的关键因素。首先，本文着力各类影响因素，健全多维降碳潜力评估体系；其次，基于电碳数据模型，研究了高耗能工业企业低碳运行方案研究，并通过算例验证了本文所提方案的可行性。

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作者简介：武文起（2005—）男，汉族，河北石家庄人，本科在读，研究方向：能源互联网。