“双碳”目标下城市能源系统的形态结构和发展路径

别朝红，任彦哲，李更丰，闫泽辉，王 昀，孙思源

（西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市 710049）

0 引言

21 世纪以来,环境污染、气候变化、能源短缺已经成为威胁人类社会发展的巨大挑战。为解决由此引发的温室效应和极端自然灾害频发等问题,推动构建人类命运共同体,实现可持续发展,2020 年9 月22 日,中国在第七十五届联合国大会一般性辩论上向世界庄严承诺,将采取更加有力的政策和措施,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［1］。

作为世界上最大的碳排放国,2020 年中国的二氧化碳排放量达到98.99 亿t［2］,其中,能源活动的排放量占比约为87%［3］。因此,能源行业是中国碳排放的主要来源,同时,也已经成为绿色低碳转型发展的中心环节和碳减排的核心。面对经济社会快速发展过程中能源需求持续增长与能源短缺之间的矛盾、能源利用与环境保护之间的矛盾,综合能源系统通过对电力系统、热力系统和天然气系统等各类型能源系统进行整体协调、配合和优化,成为实现能源低碳可持续发展、安全可靠供给经济高效利用的必然选择［4-5］。而城市作为人类经济社会活动的中心,以中国五分之三的人口、五分之四的GDP 消耗了四分之三的能源,产生了三分之二的碳排放［6-7］。因此,城市能源系统（urban energy system,UES）将在能源绿色低碳转型发展中起到至关重要的作用。

UES 是指在城市能源生产、传输和消费等环节中,实现电、气、热、冷和氢能等多种能源互济互补和高效利用的物理耦合网络。通过对UES 中各类型能源系统进行整体协调、配合和优化,不仅可以满足低碳性和环保性的要求,提高能源供给的安全性和可靠性,还能实现能源利用的高效性和UES 规划运行的经济性。不少国内外学者也从这几方面展开了研究与展望。在低碳性方面,文献［8］从碳排放分析、规划运行和市场机制设计这3 个层面对低碳UES 的研究进行展望；文献［9］总结了碳捕集和可再生能源消纳两个低碳能源系统关键要素的建模方法,并详细阐述了考虑多类型分布式清洁能源和考虑多类型灵活性资源的低碳UES 规划的研究现状。在安全性方面,文献［10］从一次系统和网络安全两个层面归纳了弹性电力系统研究的关键技术,并展望了弹性能源系统的发展。在高效性和经济性方面,文献［11］展望了电转气（power to gas,P2G）技术在配电系统中的应用,通过减少电力线路扩容的需求来降低UES 建设成本；文献［12］通过能量的梯级利用实现了城市能源利用效率的提升；文献［13］基于地理信息系统优化城市分布式储能的部署,从而提高储能的利用效率,降低了储能系统的运行成本。同时,UES 分析工具的研究和应用也在进行中。文献［14］对UES 的规划设计和能耗分析工具进行综述。具体来说,丹麦的奥尔堡自治市［15］和弗雷德里克港［16］使用EnergyPLAN 验证了100%可再生能源系统的可行性。文献［17］和文献［18］分别使用LEAP 和TIMES 软件对不同情景下中国上海市和北京市的能源消费和碳排放趋势进行分析。

在“双碳”目标下,随着建设以新能源为主体的新型电力系统［19-20］等愿景的提出,可再生能源、电力电子设备越来越多地出现在UES 中,这也带来了更多的机遇和挑战。为此,本文首先从功能结构、空间结构两个角度分析UES 多能耦合、层级分布的形态结构,并阐明其典型特征；然后,从协同规划和优化运行两个方面对UES 的关键问题展开讨论；最后,从一次能源供给环节、二次能源转换环节、终端能源消费环节和碳移除环节等4 个环节展望UES 的发展路径。

1 UES 的形态结构

“双碳”目标下,UES 在功能结构、空间结构上正在发生深刻变化,也展现出了许多典型特征。

1.1 多能耦合的功能结构

UES 是电、气、热、氢能等多种能源的复杂耦合系统,由数量众多、种类丰富的元件组成。从元件功能出发,按照能源生产环节（源）、能源传输环节（网）、能源消费环节（荷）进行划分［21-22］,各环节包含的元件如图1 所示。

图1 UES 各环节元件组成Fig.1 Components of different links in UES

随着“双碳”目标的提出,为进一步推动能源低碳可持续发展、安全可靠供给、经济高效利用,UES在生产环节、传输环节和消费环节都出现了新的变化,如表1 所示。

表1 UES 功能结构Table 1 Functional structure of UES

在能源生产环节,以传统电力、天然气大规模远距离传输为代表的能源集中供给方式一直占据着主导地位。2021 年美国得克萨斯州大停电［23］等事故的发生表明这种方式存在着巨大隐患,分布式能源的大规模接入成为较为现实和经济的一种改变。分布式能源是指在用户地点或附近的发电功能系统［24］,包括分布式可再生能源（如分布式风电［25］、分布 式 光 伏［26-27］）、电 动 汽 车［28-29］、冷 热 电 联 供（combined cooling,heating and power,CCHP）［30］机组、分布式储能［31］等多种形式的应用。它们的大规模接入既可以减少能源远距离传输过程中的损耗,从而提高能源利用效率,又可以在电网出现大面积停电时保持运行或快速恢复,提高UES 面对极端事件的弹性。同时,分布式风电和光伏的应用一方面可以减少化石能源的使用,促进UES 绿色低碳发展,另一方面也造成了可再生能源消纳困难的局面,导致弃风、弃光现象频频出现。更重要的是,分布式风电和光伏出力的波动性和间歇性、电动汽车充放电的随机性给系统带来了强不确定性,对UES 安全稳定运行带来了新的挑战［32］。随着分布式能源的大规模接入,UES 的生产环节也朝着集中式和分布式并存的能源供给方式发展。

在能源传输环节,一方面,随着各类型能源系统的扩张和能源传输距离的增加,系统控制难度不断加大；另一方面,可再生能源并网需求不断增长。因此,电力电子设备将会在UES 中广泛应用。其中,柔性交流输电技术［33］能灵活地调节电力系统的运行方式,提高输电系统的输电能力；高压直流输电技术［34］可以快速地控制线路传输功率,有效地减轻了稳定性问题。当然,电力电子设备的优势不止体现在能源传输过程中。在能源生产环节,电力电子换流器［35］可以支持各种分布式可再生能源并网并提高能源生产效率；在能源消费环节,各种传感器的使用可以满足用户多样化、个性化的需求并保证能源质量［36］。但同时,高度电力电子化使UES 惯性降低,其稳定机理更加复杂［37］。而且,电力电子设备的应用对UES 的保护提出了更高的要求,亟须探索新型继电保护原理等理论［38］。

在能源消费环节,可控负荷［39-40］的推广使用改变了传统负荷固定的、单向的、被动接受控制的历史,成为了减少UES 不确定性的有效手段。可控负荷包括双向互动性负荷（如微能源网［41］、虚拟电厂［42］等）和单向可控负荷（如价格响应［43］等）。实践中,可控负荷的应用不但可以平抑可再生能源的不确定性,保证UES 的稳定运行,还可以通过双向互动,有效提高UES 的可靠性。目前,可控负荷常常以牺牲用户的用能舒适度为代价,所以用户的体验感有待加强［40］。

在能源生产、传输和消费环节发生深刻变化的过程中,分布式能源和可控负荷的大规模使用,进一步促进了能源生产和消费环节的多能互补,也推动了源荷界限模糊化；电力电子设备的广泛应用,进一步促进了能源传输环节的多网耦合,也为网络潮流双向化流通提供了物理基础。最终,UES 形成了源荷界限模糊、网络潮流双向化的多能耦合的功能结构。

1.2 层级分布的空间结构

综合能源系统按照规模和地理范围从大到小可以划分为区域能源系统、UES 和终端能源系统［44］,如表2 所示。尽管研究对象和构成存在差异,但它们之间的关系不是独立和割裂的,而是紧密联系的,如图2 所示。

表2 综合能源系统架构Table 2 Architecture of integrated energy system

对于区域能源系统,即为图2 中绿色层,区域能源传输网络将能源从生产中心传输到消费中心。其中,能源生产中心由许多能源输出城市、天然气气井和发电厂等组成；能源消费中心由许多能源输入城市组成,每一个能源输入和输出城市均为UES。

对于UES,即为图2 中蓝色层,城市能源输配网络将能源从生产园区传输到消费园区。以能源输入城市为例,能源生产园区由矿井、港口等能源生产终端、电力及天然气输入和分布式能源组成；能源消费园区由工厂、楼宇等能源消费终端组成,每一个能源生产和消费终端均为终端能源系统。

图2 UES 层级分布的空间结构Fig.2 Hierarchical spatial structure of UES

对于终端能源系统,即为图2 中紫色层,能源传输微网将能源传输到负荷。以能源消费终端为例,如1.1 节所说,这是一个源荷界限模糊、网络潮流双向化的多能耦合的物理系统。

综上,UES 由多个终端能源系统组成,多个UES 又组成了区域能源系统。能源从矿井、港口等终端能源系统生产后,经过能源输出城市汇集由区域能源传输网络集中运送到能源输入城市,最终分配到工厂、楼宇等终端能源系统消费。因此,UES是综合能源系统中承上启下的关键一环。相比于终端,它更加综合；相比于区域,它更加集约,最终形成了层级分布的空间结构。

1.3 典型特征

UES 在发展过程中,展现出开放互联互惠、能源交通一体化发展和信息物理高度融合等典型特征。

1.3.1 开放互联互惠

过去几十年中,以电力系统、天然气系统为代表的能源系统由于自然垄断的特性发展得相对缓慢和保守,各类型能源系统间的联系也十分薄弱。随着UES 在生产、传输和消费环节发生深刻变化,各类型能源系统内部、各类型能源系统之间逐渐打破固有壁垒,走向开放互联互惠,主要表现在以下几方面:

1）打破空间壁垒,实现能源供应和商品交易。各类型能源系统通过传输网络将能源生产和消费连接起来,实现了各类型能源的远距离供应及它们作为商品的自由交易。

2）打破行业壁垒,实现设备平等接入。随着电力电子设备的发展,UES 在生产环节将不仅能保证传统的集中式能源自由接入,而且将实现光伏和风电等分布式能源的平等接入,即插即用；在消费环节也不仅能保证传统的被动负荷的自由接入,同时,还将实现微能源网等源荷界限模糊的可控负荷平等接入,即插即用。

3）打破能源壁垒,实现异构系统互联。过去,各类型能源系统由于结构差别巨大,在扩大规模、提高可靠性的同时,垄断也得到了进一步的加强,与其他能源系统的关系相对独立。但城市低碳环保性的要求和多样化的能源需求推动着这一局面的改变,现在和未来的UES 将让异构系统的互联逐步加强,推动能源的安全可靠供给和高效利用。

随着空间、行业和能源壁垒的打破,UES 真正实现了能源生产和消费的开放、能源传输网络的开放、各类型能源系统的开放。开放促进了互联,互联创造了价值［45］,最终实现了互惠。

1.3.2 能源交通一体化发展

在城市中,因为燃油汽车的存在,交通系统和UES 一直存在紧密的联系［46］。随着能源系统间耦合的不断加深,城市交通系统与UES 之间的交互也进一步增多。一方面,电动汽车、电气化轨道交通［47-48］等的出现进一步丰富了UES 的消费环节；另一方面,城市物流系统［49］的发展也为液化天然气等能源的运输提供了便捷高效的服务。因此,交通系统既是能源的消费者也是能源的运输者,能源交通一体化发展成为了大势所趋。

城市能源交通一体化发展将不仅有助于合理规划电动汽车充电站、天然气汽车加气站的扩建,缓解充电、加气拥堵的问题,真正提高交通系统运行效率,还可以在“小概率-高风险”极端事件造成UES大规模故障时,利用城市物流系统帮助其实现快速恢复,有效增强UES 的弹性。

1.3.3 信息物理高度融合

UES 的发展离不开信息技术的支持。信息技术作为先进理念和先进生产力的代表［50］,已经深入到能源系统之中,深刻影响着UES 的结构和效率。

一方面,信息系统开放互联的理念促进UES 逐渐打破空间、行业、能源等壁垒,推动源荷的平等接入和异构系统的互联,实现UES 的开放互联互惠。

另一方面,信息技术也对UES 的二次环节的结构产生了巨大影响。通过能源系统测量、保护、监视和控制环节中信息的实时传输,信息系统在分析和决策后,再对能源系统进行调控和管理。这不仅可以纵向协调能源生产、传输、消费等环节,也能保证各类型能源系统横向互补。

因此,信息系统对UES 的结构产生了深刻影响,并提高了整个UES 的运行效率。在未来,信息技术和能源技术进一步融合发展,信息系统和物理网络进一步融合建设,从而促进城市能源互联网［51-52］的进步,为建设智慧城市［53］做出能源行业的贡献。

2 UES 的关键问题

目前,多能耦合、层级分布的UES 的建设尚处于起步阶段,在发展中也面临着规划、运行、交易、保护和控制等一系列关键问题,其中规划和运行是基础。如图3 所示,本文将详细阐述UES 协同规划和优化运行两方面的关键问题。其中,协同规划为优化运行的研究提供了场景支撑、模型和数据基础；优化运行检验规划方案并使其进一步优化。

图3 UES 关键问题研究框架Fig.3 Research framework on key issues of UES

2.1 UES 协同规划

人口和经济的增长促进了城市的快速发展。一方面,导致能源需求的迅速增长。另一方面,也推动了城市的对外扩张。因此,原有的UES 已经不能满足现在和未来的需要,亟须进行规划和设计。

多能耦合的功能结构决定了未来的UES 将不再是电网、气网、热网等各自进行单独规划和设计。多能源网络协同规划因更高效合理成为了UES 的必由之路。尽管面向不同对象的规划模型有所差异,但仍然可以求同存异,提炼出基础模型,如式（1）至式（3）所示。

式中:xi,j,t为t时段第i种能源系统中设备j是否建设的0-1 变量；yi,j,t为t时段第i种能源系统中设备j的容量；I、J和T分别为能源系统种类总数、规划设备总数和规划总年限；E为运行约束限制；f(⋅)为UES协同规划的目标函数,可以是单目标也可以是多目标,一般包括经济性最优、可靠性最高等；g(⋅)为设备的建设施工约束函数,包括投资约束、容量约束等；h(⋅)为系统的运行约束函数,包括多能流约束、设备功率上下限约束等。0-1 变量xi,j,t和连续变量yi,j,t共同组成了该问题的决策变量。

具体而言,不同的应用场景下规划模型的研究重点也不甚相同。电网-气网协同规划方面,电网-气网耦合作为研究较为普遍的耦合方式,现阶段探索主要集中于考虑不确定性的规划模型。文献［54］在考虑风电不确定性的基础上,提出了电网-气网协同规划的多目标优化模型,在保证可靠性的前提下降低了投资成本。文献［55］建立了考虑净负荷需求不确定性的电网-气网协同规划的多阶段随机优化模型,实现了不确定性逐步显现的情况下的连续投资决策。文献［56］为了实现电网、气网和能源枢纽的独立决策性,将这些利益相关者进行区分,提出了一种考虑光伏不确定性的分布式规划框架,有助于提高规划的经济性。电网-热网协同规划方面,文献［57］和文献［58］分别研究了热泵系统和冷热电联供的建设容量和建设时间。现有研究因式（3）中供热网的运行约束较为复杂,更多地集中于耦合设备的规划,未来需要在配电网-供热网联合规划等场景中进行更为深入的研究。电网-气网-热网协同规划方面,文献［59］利用配电网网络拓扑的可重构特性,提出了配电网-配气网-供热网的扩展规划模型,但其中网络模型较为简单。而在详细考虑网络模型后会因其耦合复杂性造成规划模型变量多、求解困难,所以未来的研究重点主要集中于建模方法和求解算法方面。

“双碳”目标下,UES 的规划重点也不再只是经济性、可靠性,弹性、低碳等方面的要求也在逐渐增强。文献［60］在原有基础模型的基础上,提出了一种考虑弹性约束的电网-气网协调规划的鲁棒优化模型,提高了UES 的恢复力。文献［61］基于全生命周期法,将年二氧化碳排放量最低加入式（1）的目标函数中,与全生命周期成本最低共同作为优化目标,对微能源网进行规划。

总的来说,UES 协同规划会随着研究对象的复杂、规划要求的增多产生规划变量多、模型规模大和求解复杂等难题,所以需要在复杂耦合网络的精确建模和高效求解算法方面开展更为深入的研究。

2.2 UES 优化运行

节能减排是推动“双碳”目标实现的一个重要途径,这就对能源的高效利用提出了更高的要求。UES 的优化运行不仅能降低能源传输损耗,还能减少不必要的能源转换损耗。这正是提高能源利用效率的关键方法,但也面临许多的挑战,主要包括高比例可再生能源接入和高度电力电子化两方面。

随着分布式能源的大规模接入,UES 中可再生能源占比显著提升。一方面,可再生能源的消纳正面临严峻局面,现有的解决方法大致分为建设储能系统、发展需求侧响应技术两类。建设储能系统角度,文献［62］建立了含压缩空气储能的电力系统日前-日内调度模型,通过压缩空气储能电站消纳风电；文献［63］使用PLEXOS 软件对比了不同场景下抽水蓄能、压缩空气储能等大规模储能系统对减少弃风弃光现象的作用,说明它们对消纳可再生能源的有效性。发展需求侧响应技术角度,文献［64］和文献［65］研究温控负荷在分钟、小时等不同时间尺度上的控制方法来适应风电出力的变化,从而促进风电消纳；文献［66］将电力需求响应进一步拓展为综合需求响应,建立了面向电力系统-天然气系统的需求侧响应程序,有效提高了UES 消纳可再生能源的能力。另一方面,可再生能源出力的波动性和间歇性给UES 带来了强不确定性,可能会造成能源生产与消费的不平衡,增加系统运行的风险。文献［37］提出了含高比例可再生能源电力系统优化运行的研究理论框架,突出了不确定性建模在其中的重要作用:它是求解优化问题的前提和关键。文献［67］和文献［68］对不确定性建模和优化调度的求解方法进行系统梳理:随机优化和鲁棒优化是最常用的两种方法。在随机优化中,需要设定随机变量的概率分布,但其难以准确刻画实际情况下不确定性因素的复杂变化情况［69］。鲁棒优化由于考虑最差场景下的最优解,可能会导致局部最优,使调度结果较为保守［70］。因此,融合这两种方法优势的分布鲁棒优化成为了未来研究的重要方向。其中,在目前考虑连续随机变量的基础上进一步探索离散随机变量的建模和UES 中各类型不确定性因素耦合机理是研究的两大难点。

信息技术和能源技术的高度融合导致UES 中出现了大量的电力电子设备,这也造成了其稳定机理的复杂化。因此,亟须研究高度电力电子化UES的稳定运行。文献［71-73］展示了电力电子化UES分析的不同角度:文献［71］从器件级、变换器级、系统级这3 个层级对电力电子系统建模方法进行对比；文献［72］从不同时间尺度对电力电子化电力系统建模方法和求解算法进行了相关性阐述；文献［73］从稳定分析与控制问题、故障分析与保护问题两方面探讨了电力电子化电力系统面临的新挑战。UES 因其异构系统多、规模大导致其电力电子设备复杂多样,且现有研究表明不同层级、不同时间尺度和不同问题下缺乏通用的电力电子化UES 分析方法和模型算法,关于高度电力电子化UES 的稳定运行问题的研究任重而道远。

综上,UES 的协调规划和优化运行中,很多难题的解决需要其他学科和领域中新的方法、新的理论和新的技术。在新方法方面,包括优化方法、评估决策方法、预测方法和分类聚类方法等数学方法；在新理论方面,包括稳定性理论等自动控制理论和市场风险等经济学理论；在新技术方面,包括能源存储技术,能源转换技术和区块链［74］、第五代移动通信（5G）、人工智能等信息技术。如图3 所示,协同规划和优化运行推动方法、理论和技术的创新,新方法、新理论和新技术又可以解决规划和运行中存在的难题,不同学科在这一过程中相互促进、共同发展。

3 UES 的发展路径

为实现“双碳”目标,需要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系,但中国的基本国情和庞大的能源系统决定了这将是一个漫长的过程。如图4 所示,中国的能源种类多样,包含煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能及核能等一次能源和电能、热能及氢能等二次能源；各类型能源之间联系紧密,包括一次能源供给、二次能源转换和终端能源消费3 个环节。UES 作为综合能源系统中承上启下的关键一环,需要在这些环节共同努力来推动“双碳”目标的完成。图4 中,数值的单位为亿吨标准煤当量。

图4 2020 年中国能流图Fig.4 Diagram of China’s energy flow in 2020

3.1 在一次能源供给环节，推动可再生能源替代化石能源，从源头低碳化、清洁化

由图4 可知,中国的能源系统呈现“总量大、不清洁”的特点。推动中国的一次能源供给结构从以煤炭为代表的化石能源为主逐渐转变为以风光为代表的可再生能源为主,从源头减少碳排放,成为了一次能源供给环节的重要目标和任务。

而稳步推进中的电力现货市场为可再生能源替代化石能源提供了驱动力和平台。因为电力现货市场是一个以边际成本为竞争基础的市场,所以边际成本极低的可再生能源天然具备着极强的竞争力。但可再生能源的波动性和间歇性使其无法在市场中准确申报电量信息,因此,需要完善的电力现货市场机制在保证公平的前提下来保障可再生能源的消纳。文献［75］提出了一种可再生能源价值分层评估模型,有助于可再生能源补贴电价的制定。文献［76］和文献［77］探索了一种随机结算市场,将传统电力现货市场中日前市场和实时市场同时出清并结算,避免了日前市场出清过程中对可再生能源贡献的忽视。文献［78］发掘可再生能源因出力变动产生的成本较低的优势,提出了一种考虑开停机成本、爬坡成本的两部复合竞价机制,促进电网对可再生能源的消纳。同时,为在更大范围内优化配置资源,促进可再生能源消纳,UES 中多能源现货市场的建设也得到广泛关注。但因为不同类型能源在传输速度和存储能力上的差异,需要进一步探索多时间尺度的多能源现货市场的运行机制,包括定价机制、竞争机制和结算机制等。

3.2 在二次能源转换环节，推行绿电、绿氢生产消费，使终端电气化、氢能化

绿电［79］、绿氢［80］的生产与消费可以有效减少化石能源的直接使用,从而降低碳排放水平。如图4所示,目前,中国的电气化水平较低,终端消费电气化率仅为26.96%,氢能更是处在起步的阶段,所以UES 应该加快推进终端电气化、氢能化进程。

氢能作为一种清洁、高效的能源与载体,对于难以通过电气化实现脱碳的行业,可以成为一种新的选择,但同样需要克服诸多难题。在制氢方面,现有的氢大多来源于化石能源重整制氢及工业副产氢。而电解水制氢是未来真正具有规模化潜力的绿氢制造方式,具体包括碱性电解水制氢［81］、固体聚合物电解质电解水制氢［82］和高温固体氧化物电解水制氢［83］。目前,电解水制氢的核心问题在于能耗高、效率低,需要突破如何搭建集中式大规模生产系统、提高电解槽的能源利用效率等方面的技术瓶颈。在储氢方面,高压气态储氢是最普通、直接的储氢方式,而低温液态储氢和固态储氢因储氢密度高、安全性好具备巨大发展潜力［84-85］。但这些储氢方式都普遍存在能耗高、储氢材料昂贵的缺点,因此,降低储氢成本,实现储氢商业化成为了未来的研究重点。在输氢方面,与天然气类似,容器运输和管道运输将成为未来氢能的主要运输方式［86］。容器运输的输氢规模小,适用于短距离、用户分散的场景。对于长距离运输,纯氢管道运输初始投资成本较高。天然气掺氢管道运输由于可以利用现有成熟的天然气管网及配套设备而成为最理想的长距离输氢方式,但未来仍然需要解决相关设备和材料的氢脆现象［87］。在用氢方面,现有90%的氢都是工业原料［88］。在克服规模化、产业化难题后,绿氢还可以作为天然气、石油在燃料方面的替代者在交通部门大规模使用。总的来说,通过突破氢能在制造、存储、运输和利用等环节的瓶颈,真正实现氢能“制-储-输-用”全链条发展,推行绿氢生产与消费,对UES 绿色低碳发展具有重要意义。

3.3 在终端能源消费环节，强化能耗双控工作，做到能源利用节约化、高效化

如图4 所示,一次能源或是直接被消费,或是转化为二次能源间接被消费,两种过程都会产生损耗。2020 年中国的能源损耗率高达29.05%,因此,提高能源消耗强度、降低能源消耗总量的需求日益迫切。

能源梯级利用技术便是UES 中一个提升能源利用效率的有效方法。能源梯级利用技术遵循“品味对口,梯级利用”的原则［89］,既要做到按质用能,尽量不使用高品位能源去做低品位能源可以完成的工作,又要做到逐级多次利用,由高到低依次满足不同品位的能源需求。在应用方面,文献［90］和文献［91］针对工厂等终端能源系统,基于能源梯级利用的思想,分别建立了站网协同规划和多能优化运行模型；文献［92］探索了退役锂电池热管理技术,实现了退役锂电池的梯级利用,从而减少能源浪费。现有能源梯级利用技术的应用大多集中于工业领域,未来需要进一步推广其在建筑、交通等领域的发展。

除此之外,不同的终端部门还要不断强化能耗双控工作。工业领域既要对传统加工工业等进行智能化改造,又要积极发展低能耗先进制造业；建筑领域既要提升新建建筑节能标准,又要优化已有建筑用能结构；交通领域既要推广电动汽车、氢燃料汽车的使用,又要优化客运组织和物流运输；农业领域既要发展滴灌技术、精准施肥、精确杀虫技术减少自然资源和化学品消耗,又要加强废弃物循环利用；服务业领域,更多的是要全民节能,倡导绿色低碳的生活方式［93］。

3.4 在碳移除环节，提升生态系统碳汇能力，发展负排放技术，促进社会零碳化、负碳化

在城市中,能源活动以及其他人类活动必然会进行碳排放,上述环节只能做到减碳。真正达到零排放、负排放,还需要在碳移除环节进行努力。对于已经完成的碳排放,一方面,通过退耕还林、退耕还草,提升生态碳汇能力,有效发挥森林、草原、湿地、土壤的固碳作用；另一方面,需要不断推动负排放技术研发,强化深度二氧化碳减排。

作为最重要的负排放技术,碳捕集、利用与封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技术已经成为中国践行低碳发展战略的关键选择。CCUS 技术主要包括二氧化碳的捕集、运输、封存和利用这4 个技术环节,其中,最重要的是捕集和利用。文献［94］总结了碳捕集的3 种技术手段:1）燃烧前捕集,在燃烧前将碳从燃料中脱除；2）燃烧后捕集,将二氧化碳从燃烧生成的烟气中分离；3）富氧捕集。文献［95］阐述了地质应用、化工应用、生物应用、矿化应用和物理应用等碳利用的5 种方式并分析了CCUS 技术在电力（主要是火电厂）、煤化工、石油化工、水泥、钢铁等行业的示范性项目中的技术应用和显著作用。尽管CCUS 技术在国家大力推动下,已经取得了一系列丰硕成果,但仍旧需要进一步探索配额分配和碳价格等碳交易核心机制,从而推动碳交易市场的建立,促进CCUS 技术的商业化推广。

4 结语

面对气候恶化、环境污染、能源短缺等挑战,中国提出了“碳中和·碳达峰”的目标,能源行业正是碳减排的核心。城市作为人类活动的中心,UES 将在能源绿色低碳转型发展中起到至关重要的作用。

本文从UES 的形态结构入手,分析了UES 在生产、传输和消费环节中正发生的深刻变化,剖析了UES 多能耦合的功能结构和层级分布的空间结构,详细阐述了UES 开放互联互惠、能源交通一体化发展和信息物理高度融合的典型特征；进而讨论了UES 协同规划和优化运行两个关键问题；最后从一次能源供给、二次能源转换、终端能源消费和碳移除等4 个环节展望了UES 的发展路径。

UES 的建设离不开不同学科和领域的方法、理论和技术的进步,也离不开规划、运行、交易、保护和控制等关键问题的解决,更离不开设计者和相关研究人员的创新。这将是一个漫长的过程,希望本文的研究工作能提供一些思路和参考。