园区能源碳中和解决方案探析

付林

校园既是创新的集中地又是新思想的前沿，能够在新技术的研究与应用方面给全国做出示范。校园要成为碳中和的示范样板，一是要实现碳中和目标，二是要技术可行可靠，三是要经济可行。其中，经济可行是实现碳中和目标最重要的一点，也是容易被忽视的一点。本文将就山东某大学碳中和方案进行分析介绍。

聚焦电力系统碳中和

校园是能源消费侧，以建筑能源消费为主。从使用能源的种类来讲，校园用能主要为汽油、天然气和电能。其中汽油主要用于交通，通过交通用车的电气化可以实现碳中和，这是比较明确的技术路线。汽车电气化之后，车载电池对电网储能调峰可以起到积极作用。天然气除了用于炊事之外，北方地区主要用于供暖，且供暖的天然气消耗量很大。此外，空调用电占建筑用能的比例也很大。从碳排放角度来讲，供暖和空调相关碳排放约占校园碳排放量的一半。

校园碳中和的核心问题之一是电力系统如何实现碳中和。而电力系统实现碳中和的关键问题是如何在可再生能源发电和用电负荷动态波动的情况下保持电力的供需平衡，而不仅仅是总量平衡。目前，光伏发电成本已经降到很低的水平，全生命周期成本甚至已经低于火电，尽量利用身边的可再生能源资源，而不是通过西电东输获取远方来的可再生能源电力可以大幅降低电力的输送成本，从而降低用电成本。这就需要充分利用校园内的空间，建设屋顶光伏、屋面光伏等可再生能源发电设施。另一个非常重要的部分就是要实现校园的柔性用电，荷随源动，从而实现可再生能源电力的供需平衡，而其中最重要的就是储能。

通过光储直柔等技术可以较低的成本满足日内短周期的储能需求，而对于电网来说最难解决的，也是未来可能“卡脖子”的，将会是长周期储能需求。比如在几天、几周甚至跨季节的长时间尺度下的储能需求。此外，可再生能源发电季节性波动与校园电力需求变化之间存在巨大的不匹配，冬季电力缺口尤为突出，而春秋天可再生能源电力相对过剩。如何经济地满足跨季节长周期储能需求是建设以可再生能源发电为主的新型电力系统需要急迫解决的关键问题。

从成本出发考虑储能调峰

根据初步测算，可再生能源直接发电的成本约0.4元/kWh，短周期储能的单位储发电成本约1.3～1.4元/kWh，而长周期储能成本约为1.7元/kWh。这将大幅提高用电成本，给电力碳中和带来沉重的经济负担。另据测算，由于短周期储能的年充放频率高，对储电容量需求相对较低，因此用电池就可以解决该问题。而进一步地充分利用电动汽车車载电池，通过V2B等技术参与电网储能调峰，消除电负荷需求和可再生能源发电的尖峰，还可以进一步降低储能成本。

需要注意的是，长周期储能设施一年充放次数小于10次，设备利用率非常低，将导致储能设施的设备折旧成本非常高。储存燃料的能量密度远高于任何一种电储能方式，因此可以储存天然气或者生物质燃料进行长周期调峰。当可再生能源电力不足时调峰发电，满足用电负荷需求，可再生能源电力充足时停机备用。机组的全年可利用小时数将远低于现状的火电厂，降低至2000小时左右。这种方式可以将长周期储能的成本降低至1.3元/kWh左右，与电池短周期储能的成本相当。而调峰发电机组可以通过生物质燃料和氢能燃料替代以及CCS/CCUS技术实现零碳排放。

进一步地综合考虑校园的供热负荷需求的话，我们发现上述调峰发电机组在发电时还会产生大量的余热，这些余热就可以成为校园宝贵的零碳热量资源。并且，利用电动热泵在可再生能源发电出力高于校园电力负荷需求时消纳绿电，将电转化为热。上述两者结合就构成了低成本的广义储能方式。同时，还需要在校园中建设跨季节储热装置，将调峰发电机组全年产生的余热以及电热泵产生的热量储存起来，以储热代替储电，降低储能成本。

关注供热碳中和

校园碳中和的第二个核心问题是如何实现供热碳中和。目前社会上有一类供热碳中和思路，直接全面电气化，用包括空气源、地源和水源等电动热泵来供热，消耗电网的电力，借由电网的零碳来实现零碳供热。然而，这种方式会大幅增加冬季用电负荷，从而导致冬季可再生能源电力缺口加大，使电力供需平衡雪上加霜。从成本来看，按现状电价0.5元/kWh的前提下，用电动热泵供热经济性还比较合适，但从社会边际成本来看，未来满足冬季电供暖所增加的电力消耗，需要进行电源和城市电网的重构，则将导致用电成本大幅增加，因此也就会使得电热泵的供热成本大幅度增加。经过初步测算，在考虑社会边际成本的情况下，电供热的成本要远高于天然气锅炉供热。

前面分析电力系统碳中和时，我们需要配置调峰发电机组，来低成本地实现电力系统的碳中和。这些调峰发电机组发电过程中会产生大量余热。此外，校园的计算机房、办公楼、教室、实验室等公共建筑夏季空调的散热，以及学校食堂的烟气余热量也都可以回收利用。这些热量分布在全年各个时段，通过建设跨季节储热可以有效地回收储存这些宝贵的低品位余热用于冬季供暖。同时，采用深度提热技术，在冬季从跨季节储热装置中提热的同时储存低温冷水或冰浆，这些冷水或冰浆在夏天可用于集中供冷，减少空调电耗。并且，利用该储能设施，还可以实现空调系统的日调节，提高空调用电负荷的柔性，进一步降低零碳电力的成本。

通过上述技术，用电热协同的模式建立起柔性能源中心，并结合光储直柔，发电侧优先用校园自身的可再生能源发电，然后消耗电网绿电，并用柔性能源中心实现绿电供需平衡。“以山东某大学校园碳中和方案为例”，该方案校园的用电量中，有37%来自校园自身光伏发电，33%来自电网绿电，30%为调峰机组发电。供暖的热量来源方面，60%的热量来自跨季节储热装置所储存的热量。同时，夏季冷量中的47%由跨季节储热装置提供。通过测算比较，该方案比“电网+地源热泵+常规电供冷”和“电网+市政热网+常规电供冷”这两种方案的年运行成本分别低30.7%和34.8%。从而能够真正在安全可靠、经济可行的前提下实现校园的碳中和目标。