“双碳”背景下上海城市能源互联网构建技术需求分析

潘爱强，杜凤青

(国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

习近平总书记在第75届联合国大会上作出我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的承诺，彰显出我国应对气候变化的决心和雄心。目前我国二氧化碳排放量虽居世界首位，但从碳达峰到碳中和的目标期限仅有30年，远低于欧美发达国家50～70年的期限[1]。

能源行业是减碳的主力军。据统计，能源燃烧二氧化碳排放占总的二氧化碳排放的比例达到88%，2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上进一步宣布，到2030年，中国非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kWh以上，对能源发展提出了明确要求。

城市是减碳的主战场。据统计，我国城市能源消费量占全国能源消费总量的85.1%，IEA数据显示，世界范围内占一半人口的城市消费了约三分之二的能源，贡献了70%与能源相关的碳排放。能源是一座城市正常运转不可或缺的要素，城市也是能源消费的主体，随着经济发展和城镇化的加速，城市能源需求不断增长，化石能源的大范围使用，给城市带来了严重的污染问题。

城市能源清洁供应、高效利用是实现“双碳”的关键一环，决定了“双碳”目标能否实现。“双碳”目标的提出，对城市能源发展提出了更高的要求，能源互联网的构建至关重要。本文以上海为例，梳理双碳背景下上海城市用能需求和特点，分析双碳目标对能源供应传输消费的影响，对比国内外典型的案例和举措，提出构建能源互联网的关键技术需求和建议。

1 “双碳”背景下上海城市用能特点及面临的形势

上海提出全市碳排放总量与人均碳排放量于2025年前达到峰值，2035年万元GDP能耗控制在0.22吨标准煤以下。但总体看来，目标任务艰巨，时间窗口短。

(1)上海能源消费总量、能耗密度目前均居全国前列。2019年综合能源消费总量约1.17亿t，位列全国城市首位，上海能耗密度18 454 t标准煤/平方公里，40倍于全国平均水平。

(2)上海全口径碳排放总量持续增长。由2015年的2.05亿t增加到2019年的2.12亿t，万元GDP碳排放量由2015年的0.762 t下降到2019年的0.610亿t。单位GDP碳排放虽在全国省级行政区中处于较低水平，但距世界先进水平仍有差距，约为纽约、伦敦、东京的5～7倍。

(3)上海本地能源资源匮乏，现有能源结构对降碳带来较大压力。上海非化石能源资源禀赋差。非化石能源利用主要依赖外来电，2019年非化石能源发电量为591亿kWh，占一次能源比重为17.54%，其中本地风电、光伏发电25亿kWh，其他非化石能源发电32亿kWh。能源消费仍以化石能源为主。2019年上海全市能源消费总量1.17亿吨t标准煤，终端能源消费中，煤炭占比11.5%，油品占比53.0%，天然气占比8.5%，电力占比19.97%，终端电气化水平低于香港(48.2%)、东京(35.45%)、巴黎(33.33%)、新加坡(21.77%)、北京(24.83%)等全球发达城市。

2 “双碳”目标对城市能源互联网发展的要求

能源燃烧碳排放是温室气体排放的主体，而电力行业占了其中近一半。电网连接电力生产和消费，是能源转型的中心环节，是电力系统碳减排的核心枢纽，目前95%左右的非化石能源主要通过转化为电能加以利用。电力系统既要保障新能源大规模开发和高效利用，又要满足经济社会发展的用电需求，承担着巨大压力。然而，双碳目标对电力系统带来了全新挑战和要求，具体体现在五个方面，他们将对电力系统产生深远的影响。

(1)需要接纳更高比例的新能源。根据权威机构研究，2040年，非化石能源占比超过一半，2060年，化石能源全部退出。到那个时候，核能、风能、太阳能的装机容量将是现在的5倍、12倍和70倍，新能源为主体的新型电力系统是气象驱动的，电力系统面临的挑战是颠覆性的。

(2)存在更高比例的电力电子设备。源-网-荷端引入了高比例电力电子设备，电力系统基本特性由旋转电机主导的机电稳态过程演变为电力电子设备主导的电磁暂态过程，系统特性由强转动惯量向弱转动惯量转变。低惯性电力系统支撑力度弱、频率调节能力和阻尼特性差，使得频率稳定问题日益凸显。2019年8月的英国大停电的一个主要原因就是电力电子化引起的弱转动惯量。

(3)用电负荷更加柔性多变。电力负荷用电特征日趋复杂、电能消费者成为电能产销者、需求侧响应日臻成熟。一方面，改变了负荷单向、被动接受调节的历史，使得电网的运行更具弹性，另一方面，传统电力系统在双向性、高不确定性和分散性负荷大量接入的情况下，面临更大挑战。

(4)能源形式更加丰富。能源高效利用需要建设以新型电力系统为基础，与天然气、交通、建筑等多个领域互联互通的综合能源网络。而且，天然气与氢能源的储备与传输将与电力系统深度融合，发挥重要的调峰作用。

(5)市场机制更加开放。新能源发电的规模化发展对电力市场和碳市场的建设提出更高要求。分布式新能源通过电力市场实现优化配置和消纳，非化石能源通过碳市场交易实现减排价值，解决碳排放的负外部性问题。两个市场共同作用，提升能源配置效率、优化能源结构。

应对以上挑战，能源互联网是实现“双碳”的必然途径。城市能源互联网是以电为中心的城市各类能源互联互通、综合利用、优化共享的平台,是以智能电网为基础，以“互联网+”为手段，以电能为主体载体的绿色低碳、安全高效的现代能源生态系统[2]。自美国学者杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)提出能源互联网设想之后，能源互联网的理念得到了国内外的广泛认可和期待，并将其视为能源生产传输供应的必然发展形态。过去几年，中国国家能源局布局了多个示范项目推动能源互联网发展。能源互联网是能源革命和数字革命深度融合的产物，成为推动我国能源转型、提高能源利用效率、实现节能减排和可持续发展的重要途径，是双碳目标实现的枢纽。

3 “双碳”目标下能源互联网技术创新至关重要

1995年，文献[3]在总结世界各国的环境污染和人均国民收入之间关系，提出了环境库兹涅茨曲线 (EKC)假说，即环境污染和人均收入水平之间存在一个“倒 U 型”关系：随着经济的增长，环境污染一开始是不断恶化的，但当经济发展到一定水平后，两者之间的关系趋于平衡,随着人均收入水平的不断提高， 环境污染得到了有效的控制和改善。环境库兹涅茨曲线在西方国家得到了部分验证，但也受到了许多学者的质疑[4]。尤其是在中国国内，“双碳”目标的提出，决定了中国不能走欧美国家的老路，不能指望经济发展和收入增加带动环境的提升，而是必须提速，加速环境优化的过程。

但是经济社会发展仍需要能源供应保障，以上海城市为例，经济发展仍处于工业化阶段，能源电力需求还将持续攀升，经济发展与碳排放仍存在强耦合关系。预计“十四五”期间，上海综合能源消费增速为2.7%；根据经济发展情况、单位GDP能耗强度下降要求、能源消费增速和碳达峰要求，预计“十五五”期间上海综合能源消费总量增速在1.6%～2.7%之间。上海承载着我国“五大中心”建设和集成电路、生物医药等战略性新兴产业发展战略使命，对能源安全及供电可靠性提出严格要求，能源安全重要性先于能源结构优化和碳减排。

经济社会发展、能源安全供应和碳减排组成的“不平衡三角”，唯有依托科技创新实现关键技术突破，方能破解。欧盟、美国、日本均高度重视碳中和技术创新突破，已提前部署了碳中和实施路径和技术研发。2019年12月，欧盟在《欧洲绿色新政》中提出了7个重点领域的关键政策、核心技术及相应详细计划，其中包括零碳炼铁技术等。美国提出将加快清洁能源的部署，大力推动太阳能、风力发电，部署核能和水力发电，计划投入2万亿美元助力国家能源改革目标实现。日本推出了“绿色增长战略”，提出到2050年，电力供应一半以上由可再生能源提供。加快发展氢能、海上风电等清洁能源，推动开发新的小型反应堆，设立2万亿日元(190亿美元)的绿色基金，鼓励绿色技术发展[5]。

上海具备科技策源、技术引领先发优势，可为碳排放关键技术突破提供有力支撑。上海作为创新成果“原产地”和科技创新策源地，可加快推动绿色低碳等领域关键技术实现重大突破，为相关领域基础研究、技术研发、工程应用提供了方向指引和重要遵循，带动新能源、电动汽车和环保装备等相关低碳产业发展壮大。

4 “双碳”背景下能源互联网构建重点技术方向

能源互联网技术创新是实现“双碳”目标的必要条件。实现碳达峰、碳中和的关键在于减少碳排放、增加碳吸收。减少碳排放方面，围绕绿色低碳，可大力推进能源供应清洁低碳转型，发展可再生能源、减少化石能源使用；全面推进全社会节能减排，加强能效管理，加大电能替代；推动氢能、储能、节能环保等领域关键核心技术创新。增加碳吸收方面，碳中和要求将生产生活所产生的二氧化碳全部消除，最终达到二氧化碳生产量和消除量的平衡，实现净零排放，而目前碳捕集、利用和封存等技术并不成熟，亟需加强科技创新支撑引领，促进碳捕捉和封存等碳吸收技术大规模应用。

通过对发表论文的分析发现，“双碳”相关技术正处于加速发展期，2015-2019年间除核能外，太阳能、风能、氢能等技术领域发文量均超过近20年总量的40%，发文量年均复合增长率约为10%。中国在“双碳”研究领域贡献总量较大，TOP10%的高质量研究贡献量较高，但与美国、德国、日本等发达国家相比，中国大部分论文篇均被引频次排名相对靠后，研究整体质量仍需提升。上海后续可重点在以下能源互联网关键技术领域寻求突破：

(1)碳捕集利用和封存技术(CCUS)。美国、加拿大、澳大利亚等发达国家在燃煤电厂CCUS技术研究和示范方面进行了大规模投入，2020年新启动17个CCUS商业设施。2009年，上海石洞口第二电厂启动了12万吨t/年CO2捕集示范项目建设，使用具有自主知识产权的燃烧后CO2捕集技术，该装置是当时世界上最大的燃煤电厂烟气CO2捕集装置。由于现阶段较高的捕获成本及较低的利用方式达不到可观的经济效益，大规模发展CCUS项目的时机还不成熟。上海后续可重点加强长三角地区CCUS创新及产业发展能力建设，同时积极从国内外先进示范项目中学习经验，促进CCUS成本下降和技术水平提升。

(2)核聚变。美国重点研究燃烧等离子体下的基本行为、面向燃烧等离子体的高功率注入以及等离子体诊断等。日本开展燃烧等离子体物理实验，并探索螺旋场约束和激光核聚变等替代方法。中国正开展中国聚变工程试验堆CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)项目，未来将着力解决稳态燃烧等离子体的控制，氚的循环与自持。上海后续可重点研究聚变堆材料、聚变堆包层及聚变能发电等技术。

(3)氢能和燃料电池。美国、日本、德国都在集中部署和推进氢能和燃料电池，并已在关键材料、重要工艺和设备、大型化制氢、分散化制氢、加氢站和燃料电池等方面取得了突破。中国最早将氢燃料电池汽车列为新能源汽车发展方向之一，但受制于制氢技术和氢燃料电池的高成本以及加氢站的布局等问题，氢燃料电池汽车还处于示范运营阶段。上海航天氢能已掌握自主知识产权燃料电池电堆及金属双极板、膜电极组建等关键技术。上海后续可重点研究基于可再生能源的高效低成本制氢技术，攻关氢能液态、固态高效储运技术，探索燃料电池分布式功能技术和能源转换PTX技术等。

(4)可再生能源。国内外在太阳能燃料、光解水制氢等领域作出了很多努力，但距离应用还有一段距离，如光催化制氢仍处于实验室研发阶段。目前上海在海上风电技术研发走在全国前列，上海电气集团牵头研发的8兆瓦直驱式风机是国内批量运行的最大容量海上风机，提出的风电机组控制关键技术达到国际先进水平。上海后续太阳能研究的重点方向可包括研制新型高效晶硅电池和组件，研发钙钛矿、薄膜、叠层等太阳能电池，探索太阳能光催化制氢等；海上风电研究的热点方向可集中在漂浮式海上风电机组研发、深远海风电场精细化评估及设计建设技术、海上风电与波浪能、潮流能等海洋能综合利用技术等。

(5)新型电力系统。上海可重点组织开展新型电力系统关键技术联合攻关，开展高比例新能源的广泛接入、电网灵活可靠配置资源、负荷多元互动、基础设施多网融合等专题研究，推动以“云大物移智链边”为代表的数字技术与能源领域先进的物理技术高度融合，最终实现横向多能源互补，纵向源网荷储协调，推动电力系统的清洁低碳、安全高效转型。

(6)储能。风能、太阳能等可再生能源的迅速崛起，使得大规模高效储能技术成为全球各国亟须攻克的技术壁垒。美国、欧盟、英国、日本和我国在储能新原理的研究开发和验证、关键工艺和设备的研制、示范和应用等方面都取得了突破性进展。上海后续可重点探索灵活、分散、固定式和移动式相结合的储能技术应用，研究提升储能电压穿越能力、充放电响应及转换时间等关键技术指标，进一步降低储能成本，推动储能大规模应用。

(7)节能。美国、日本等国家已经在工业能效提升、建筑智能化自动监测、数据中心协同控制等相关领域取得了一定成效，我国也一直将节能技术作为实现能源革命的重要途径。上海可重点在工业、交通和建筑三大领域寻求技术突破，开展关键生产流程优化、高效节能装置研发、建筑能耗管理优化等系列关键技术攻关，不断提高能源精细化管理水平，持续挖掘节能潜力提升能效。

5 结语

碳达峰、碳中和本质上是绿色能源和低碳技术革命，上海可充分强化创新成果“原产地”和科技创新策源地功能，加快推动绿色能源和低碳高端制造技术突破，更好发挥科技创新在整个“双碳”中的战略支撑作用。

一是加快能源零碳技术的重点突破。围绕电力能源生产消费方式深度脱碳转型需求，研发推广大规模低成本储能、智能电网、虚拟电厂等技术，发展支撑实现高比例可再生能源电网灵活稳定运行的相关技术，推动工业、交通、建筑电气化进程。积极推动可再生能源发电制氢规模化技术研发，超前储备其他氢能制备技术，推动生物质能等其他零碳非电能源技术发展。

二是继续发展节能节材技术与资源产品循环利用技术。推动钢铁等基础材料的高性能化、减量化和绿色化转型，减少钢铁、化工等产品的需求量与提高材料利用效率。重点推进氢基工业、生物燃料等工艺革新技术并推广应用，强化和加速推进以二氧化碳为原料的化学品合成技术研发。

三是超前部署增汇技术和负排放技术。发展CCUS关键技术及其与工业、电力等领域的集成技术，重点部署BECCS以及直接空气捕集(DAC)技术，探索太阳辐射管理等地球工程技术并开展综合影响评估，发展减排增汇技术，研究海洋、土壤等碳储技术，发展湿地和海洋碳汇监测、评估关键技术，开展以海草床、盐藻为代表的海洋蓝碳等技术。

四是构建研发与示范相结合的低碳基地。依托上海科创中心建设，打造低碳技术创新攻关研发基地，围绕节能环保、清洁生产、清洁能源等领域布局一批前瞻性、战略性、颠覆性科技攻关项目。培育建设一批绿色技术创新中心、科技资源共享服务平台、重点实验室和技术创新中心等创新基地平台。