2025零碳园区研究现状、挑战与未来展望

零碳园区研究现状、挑战与未来展望构建可持续发展的绿色未来陈艳波、张宁、李嘉祺、方哲、吴适存、梅生伟、陈来军华北电力大学|清华大学|青海大学2025年7月13日国家相继出台多部"双碳"法律法规践行"双碳"战略成为高质量发展的必然要求国家政策支持强调：国家政策支持强调：能源角度：工业园区耗能占全国耗能69%的31%园区是落实我国"双碳"战略的重要抓手和天然试验田2/18零碳园区的定义与发展阶段零碳园区定义关键特点零碳园区并不是指完全不排放温室气体，而是实现了净碳排放为零的园区关键特点碳排放强度为零，不包括前期建设或改造过程中的碳排放碳排放强度为零，不包括前期建设或改造过程中的碳排放本文零碳园区是指园区在生产、生活过程中动态净碳排放为零的状态零碳园区的三个发展阶段低碳园区通过绿色规划、节能以及固碳等技术，有效控制碳排放总量，使园区碳排放量小于其碳配额量近零碳园区园区净碳排放量几乎为零，可允许小幅波动零碳园区在严格意义上，实现动态净碳排放小于等于零的状态能源综合能源系统运行全过程减碳建筑节能材料与智能能源管理交通全面推动电气化与充电站配置能源综合能源系统运行全过程减碳建筑节能材料与智能能源管理交通全面推动电气化与充电站配置管理数字化、精细化、智能化管控CCS/CCUS、藻类生物反应器等零碳园区是所有园区迭代升级的最终目标3/18零碳园区减排体系结构园区碳减排方式可归结为园区碳减排方式可归结为减少碳排放与加强碳吸收两个部分，从能源、建筑、交通、碳汇与管理等五个方面协同作用，形成零碳园区减排体系。能源建筑采用节能材料和技术，在各建筑上安装智能碳表和电表，通过能源交通全面推动电气化，配置充电站，实现灵活储能和需求侧响应。"网"、"荷"及"储"端与交通系统交相融合成为园区低碳减排的碳汇通过CCS/CCUS、藻类生物反应器、林业碳汇等抵消园区碳排放，管理实现数字化、精细化、智能化能源管控和运营物流管控，为园区综园区通过五大方面的协同作用，形成完整的零碳减排体系零碳园区减排体系结构图系统融合与协同"网"、"荷"、"储"与交通系统的融合促进园区低碳减排多功能建筑从材料选择和建设方案等多方面促进节能五大方面的交互与融合共同推动园区零碳化进程园区净零碳能力分析园区的净零碳能力是指园区通过规划和管控，使得其动态碳排放强度为零的能力。以下是园区净零碳能力的四个主要特点：..对外部碳排放流可通过碳耦合接口表示对内部碳排放流可精细建模分析需明确核算边界统一问题，防止园区物理界限和经营界限矛盾导致多计、漏计情况园区内含多种分布式资源园区内部存在分布式新能源发电装置、电动汽车等分多种资源的灵活调用有利于园区通过能源互补、梯级利用、协调调控等手段减少"弃风、弃光"等新能源损失为高比例新能源并网提供了资源支撑园区净零碳能力为碳中和目标实现提供了基础支撑运营和管理所有权明晰园区作为一体化运营单位，可整体参与碳交易市场和能源子系统之间的信息隐私、操作差异和目标差异等行业壁垒大大弱化由园区统一计算碳贡献值，解决能源子系统之间的碳效益分配不均问题为园区综合管理和调控提供一体化决策方案..高质量全面发展的转型趋势园区逐渐由只追求经济高速发展的运营模式向高质量全面发展的运园区级、建筑级分布式可再生能源技术的推广，以及储能技术的低化逐步淘汰高耗能产业，通过智能化手段改造基础设备，引进低碳技术应用层应用层整合物理层运行状态、信息层分析结果和平台层调控结果反馈用户响应情况，进行系统调整实现园区环境效益、经济效益与社会效益的最大化平台层平台层园区低碳管控平台模拟仿真与优化调度信息反馈与运行指令下达园区低碳经济平台能源交易与碳配额交易绿电交易与绿证交易信息层由传感器与通信网络构成，通过5G、人工智能与云计算等技术实现整合园区生产、交通、消费、上下游等环节的能流信息核算各环节碳排放量，预测碳排放趋势物理层生产环节生产环节交通环节消费环节能源环节信息环节零碳操作系统是园区实现碳中和的核心管理平台零碳操作系统关键特点实现园区碳核算、碳管控、碳吸收与碳交易一体化集中调控园区生产、交通、消费和信息环节将园区作为一体化系统参与市场交易，提高市场竞争力零碳园区研究框架概述零碳园区研究框架类比"表盘"、"方向盘"、"油门与刹车"构成了园区向零碳方向演进的"操作系统"，三大研究框架协同作用，共同支撑零碳园区建设园区碳排放核算技术园区碳排放核算技术如同汽车的"表盘"为建设零碳园区提供数据基础量化各环节碳排放潜力实时监控运作状态园区低碳管控技术如同汽车的园区低碳管控技术如同汽车的"方向盘"为零碳园区集成基础设施协调系统低碳运行园区低碳经济体系如同汽车的园区低碳经济体系如同汽车的"油门与刹车"维持园区长期发展控制园区建设进度与速度园区碳排放核算技术碳排放核算方法比较碳排放核算要素碳排放核算方法比较田核算边界园区碳排放核算技术边界范围缺乏界定，存在地理边界和数据统计边界难以统一的矛盾核算对象层次1：园区生产运营过程中的直接排放层次2：购买的电、热等能源的间接排放层次3：上中下游一切其他间接排放核算结果表征碳排放核算系统搭建一个能精准预测碳排放状况、分析碳排放时空变化情况、理清各环节碳排放潜力、评估碳资产并核算系统碳排放核算是发展零碳园区的基础，能帮助园区经营者识别主要碳排放源并了解减排潜力8/18园区低碳经济体系低碳经济体系核心本质园区低碳经济体系的核心在于：量化园区减排能力，参与市场转化为经济效市场转化效益量化减排能力激励继续减碳市场转化效益量化减排能力园区低碳经济研究体系园区低碳经济研究体系通过量化减碳能力、合理分配责任和市场机制，实现园区碳减排与经济效益双赢减碳潜力分析与碳效益评估量化评估园区内各组件和技术对碳排放总量的影响CHP、CCHP等设备的碳减排潜力研究最为完善碳排放责任分配碳排放责任分配研究如何将发电侧碳排放责任合理分配至用电负荷侧主要方法：合作博弈分摊和节点贡献值分摊多能流高度异质性导致碳排放责任分配研究碳商品交易市场碳商品交易市场主要市场机制：碳交易、绿电交易和绿证交易碳交易市场仍处于初级阶段，亟待完善碳交易与绿电/绿证市场机制绿电交易绿电交易"证电合一"的体现，绿色电力是商品，消费证书是交易凭证现状与问题对需求侧的吸引力不足绿电地区性供需失衡，不同地区园区绿电供给量差异大对零碳园区的影响绿电不足的园区可优先考虑买绿电供能，以降低系统高碳供能的比例碳商品市场的作用在于以价格的形式引导消费者和各能源企业参与减排活动，通过经济惩罚强制园区被动减排和经济效益激励园区主动减排，不仅有助于普通园区向零碳园区发展，还可以通过市场补偿维持零碳园区的可持续性发展。碳(配额)交易将碳排放权以配额的形式参与市场分配的交易机制现状与问题我国碳交易仍处于初级阶段价格机制问题：单一定价、阶梯式定价和市场出清定价各有优缺点缺乏碳交易市场的监督体系和信用体系对零碳园区的影响恰当的碳交易价格机制能更好地引导园区各主体参与减碳，定价机制需要符合当前减排阶段和市场机制阶段的发展现状绿证交易绿色电力达成交易后上网的间接体现现状与问题我国的绿证交易属于"证电分离"的交易形式绿证不可二次交易，交易活跃性远远不够国外采用"强制性配额+绿证交易"制度，绿证交易较为活跃对零碳园区的影响绿证交易可为绿电富足的园区提供经济补偿，但未来发展方向寻找适合中国国情的绿电配额方案，加快推进配额制的落地，构建完善的碳交易市场机制，对于零碳园区的发展具有碳商品市场将环境效益转化为经济效益，促进园区减碳进程10/18园区低碳管控技术园区低碳管控过程园区低碳管控过程是将环境效益、经济效益、能源效率、运行可靠性作为规划目标，考虑园区整体负荷水平和装置设备在全生命周期内的优化运行条低碳规划运行管控效益实现园区通过低碳规划和运行管控，提高能源效率，降低减碳成高绿色工艺水平，以运行结果体现零碳零碳园区优化规划源侧规划.源侧规划.新能源电源规划传统能源减碳（CCS/CCUS）.可再生能源安全并网.能源网络建设与扩容降网损、提效率、促消纳.能量转换设备建设荷侧规划.荷侧规划.用能设备终端电气化.分布式发电资源规划.用户减排潜力挖掘.传统储能设备建设与扩容.移动储能设备建设广义储能一体化平台构建园区低碳管控技术是实现零碳园区的关键路径园区低碳管控技术研究体系零碳园区运行调度优化目标碳交易成本a碳排放量最小乡能源利用效率调度特点减碳设备多样（CCS/CCUS、P2G等）系统不确定性，多主体博弈通过碳交易机制将环境效益转化为经济效益零碳园区优化规划零碳园区能源系统规划能源网络建设：能源网络建设：规划年限内的管道、输电电路的扩容扩建，从降网损、提效率、促消纳方面探索不同网架结构耦合设备建设：通过CCHP、CHP、P2G等各能量转换设备的建设和技术新能源规划：国家提出2025年公共机构新建光伏覆盖达50%以上，2030年风电、太阳能装机容量要达到12亿kW以上传统能源减碳：主要包括CCS/CCUS与天然气发电组合，以及将原有火电机组改造为碳捕集电厂储侧规划传统储能：储侧规划传统储能：建设和扩容传统储能设备，提高系统的调峰填谷能力移动储能：兼顾电动汽车充电桩等移动储能设备的建设，实现灵活储能广义储能平台：构建广义储能一体化平台，提高园区消纳可再生能源的能力终端电气化：用能设备终端电气化，提高电气化率，减少直接碳排放产消者规划：通过园区协助规划分布式发电资源，使用户自给自足，并将需求协调：通过能源互联网协调产消者需求，提高用户满意度，促进可再生能源消纳面向零碳园区的关键技术及装置研发市场考量碳排放量市场量化技术碳交易市场到排放贸易市场的演变能量转换技术CCHP(冷热电联产)CHP(热电联产)P2G(电转气)碳捕集技术CCS(碳捕集与封存)CCUS(碳捕获、利用与封存)碳捕集电厂(FCCPP)CCUS技术碳捕集技术CCUS技术碳捕集技术置，二氧化碳回收率达90%置，中国、意大利等建成试验平台碳利用与封存建已建设微藻固碳科技项目层地质封存技术较为成熟储能技术零碳园区储能需求有效控制电压、频率稳定，平衡电力电量波动零碳园区对储能环保性要求更高主要储能技术谷建筑材料外墙材料有机保温材料：抗压性好，导热系数低，但燃点较低能高且耐火性好，但成本较高门窗材料门窗能耗占建筑能耗约40%极佳这些关键技术是构建零碳园区的重要支撑，需持续研发和推广应用13/18零碳园区运行调度需求响应机制分为价格型和激励型两大类需求响应动态碳排放因子引导用户参与需求响应，促需求响应机制分为价格型和激励型两大类需求响应动态碳排放因子引导用户参与需求响应，促碳交易价格嵌入系统节点边际电价中激励需求响应减碳设备运行机理灵活运行的碳捕集电厂(FCCPP)：具有下调峰能力，但上旋备用不足电转气技术(P2G)：可在可再生能源高峰期将多余电量转化为甲烷两阶段P2G模型：直接利用氢气燃烧供电供热，提高减排潜力多能互补协调运行能源耦合设备和输能线路的精细化建模与变能源梯级利用：将热能负荷分为高级、中级和低级热能园区多主体博弈博弈模型可应用于碳效益分配和运行机制富余电园区可通过能量销售给缺电园区，实现互惠共赢园区多主体博弈博弈模型可应用于碳效益分配和运行机制富余电园区可通过能量销售给缺电园区，实现互惠共赢弈多重不确定性条件分布式可再生能源、电动汽车等资源的随机性与波动性定性影响下的变化碳商品市场发展导致的价格波动●碳商品市场影响碳交易机制将环境效益以碳排放量和价格形式转化为经济效益市场出清价格机制在自主性和优化市场资源园区运行调度需考虑多种因素的协同优化，实现零碳目标与经济效益的平衡14/18需求响应与多能互补协调运行需求响应研究现状价格型需求响应价激励型需求响应研究不足研究不足缺乏构建激励型低碳需求响应的补偿机制缺乏构建激励型低碳需求响应的补偿机制不同引导信号下的碳效益、经济效益量化比较不足需进一步研究能量转换、存储设备和电动汽车的综合需求响应能力零碳园区需求响应研究现状对比零碳园区需求响应研究现状对比未来展望：构建园区广义需求响应管理系统，促进多能互补一体化发展多能互补协调运行研究进展多能耦合研究气热电气热氢冷氢研究重点与进展设备变工况特性建模：需平衡计算效率与模型精确度能源梯级利用：主要针对热能的阶梯式利用研究，其他能源利用不足氢能研究：被称为21世纪的"终极能源"，但园区普及度不高，研究集中于氢燃料电动车、氢燃料电池等多时间尺度优化：多能流动态特性差异大，需考虑不同能源操作系统的多时间尺度特征零碳园区建设的挑战.科学维度.技术维度经济发展、能源消费与碳排放之间的相互作用机理如何从理论上揭示经济发展、能源消费与碳排放之间的相互作用机理，在保证经济发展和践行"双碳"的前提下，实现科学发展、绿色发展与可持续发展的平衡经济发展、能源消费与碳排放之间的相互作用机理如何从理论上揭示经济发展、能源消费与碳排放之间的相互作用机理，在保证经济发展和践行"双碳"的前提下，实现科学发展、绿色发展与可持续发展的平衡这是突破零碳园区形态模式、路径优化和关键技术需解决的首要问题1多能流-碳平衡机制与全生命周期碳循环机理机制与全生命周期碳循环机理，研究多主体联合和多环节融合形态下园区多能域物理量和碳的传递、耦合和转换的普遍规律这是实现零碳园区规划配置和能源高效管控的又一科学问题21多时空碳排放流建模方法与计量工具可再生能源并网和储能技术应用带来碳排放流时空特性的挑战，需要研发可实时计量、可溯源、可追踪的碳表设备与园区碳排放流信息一体化零碳园区分层控制架构体系传统集中式控制方式在高比例可再生能源、分布式资源和产消者并存的园区中面临挑战，需要构建适用于多种主体并存的分层控制架构2面向1多时空碳排放流建模方法与计量工具可再生能源并网和储能技术应用带来碳排放流时空特性的挑战，需要研发可实时计量、可溯源、可追踪的碳表设备与园区碳排放流信息一体化零碳园区分层控制架构体系传统集中式控制方式在高比例可再生能源、分布式资源和产消者并存的园区中面临挑战，需要构建适用于多种主体并存的分层控制架构2面向"双碳"目标的多市场耦合机制碳交易市场、绿电市场、绿证市场