能源-碳-证书协同机制：在以混合天然气-氢能为驱动的区域综合能源系统中的应用

《International Journal of Hydrogen Energy》：Energy-carbon-certificate synergy mechanism: application in region integrated energy systems driven by hybrid natural-gas-hydrogen

碳绿证市场（CGCM）下区域综合能源系统（RIES）的规划与优化研究。通过构建气氢混合驱动型RIES，整合可再生能源与氢能技术，探索REC-CEQ市场转换路径。采用拉丁超立方抽样与0-1场景聚类技术处理风电不确定性，建立阶梯碳价下的随机优化模型。仿真表明，CGCM参与使经济性能提升13.73%，阶梯碳价下达15.41%，验证了市场机制与能源系统协同的有效性。

　　近年来，随着全球气候变化问题的日益严峻，碳市场和绿色证书市场（CGCM）作为推动碳减排和资源优化的重要机制，逐渐成为各国能源转型和可持续发展战略的核心组成部分。然而，当前对区域综合能源系统（RIES）在CGCM中参与机制的差异化和相关性分析仍显不足，尤其是在如何将可再生能源通过特定路径融入碳市场这一方面。本文通过构建一个以燃气-氢能燃烧驱动的RIES模型，探索了CGCM转换路径对绿色能源参与碳市场的有效性，并采用随机优化方法，结合拉丁超立方采样（LHS）和0–1场景聚类技术，应对风能的不确定性，同时优化RIES的容量和调度策略。

国际气候科学界，特别是政府间气候变化专门委员会（IPCC），已多次警告，若全球平均气温上升超过1.5°C，将可能引发严重且不可逆的生态和人类社会系统性危机。为此，全球各国纷纷采取措施以限制碳排放，如《京都议定书》和《巴黎协定》等国际协议的签署，进一步推动了全球范围内的碳减排承诺。例如，欧盟成员国已启动“欧洲绿色协议”，目标是在2050年实现气候中性。目前，欧盟正处于第四阶段（2021–2030），计划实现相对于2005年的55%碳排放削减。与此同时，为了提高市场效率，一些机制如“市场稳定储备”已被实施，以稳定碳价并控制配额供应的过剩问题。

中国也作出了重要的承诺，包括在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。为此，中国出台了多项关于碳减排的政策文件。2024年1月，中国正式颁布了《碳排放交易管理条例》，标志着其在碳市场制度化和推进碳减排战略方面迈出了坚实一步。当前，碳市场和绿色证书市场的结合已成为推动低碳转型的重要工具，通过双激励机制，鼓励企业加快对可再生能源的投资，提高能源效率，并推动高碳行业向低碳或零碳模式转型。

CGCM在推动高碳行业向低碳生产模式转型方面具有显著作用，同时，低碳行业也从中受益，获得更大的发展空间，尤其是在电力行业。例如，Maksakava和Popov提出了一种评估低碳氢供应链中可交易碳排放权（CET）的新模型，为偏远地区的新兴氢能生产者提供了重要机遇。Wu等人则设计了一种以可再生能源证书（REC）市场为核心的大规模100%太阳能子系统优化框架，并考虑了多目标优化以平衡经济和绿色能源渗透率。Yue等人则提出了季节性优化策略，用于评估可再生能源证书发行政策对市场参与者战略行为的影响。Guo等人构建了一个涵盖电力市场和CGCM的综合市场框架，用于优化虚拟电厂的调度，其模拟结果显示，该模型能够提升总收益，并有效降低可再生能源的弃风率和碳排放量。

尽管已有大量关于CGCM的研究，但目前的成果仍存在一定的碎片化问题。例如，许多研究聚焦于可再生能源发电如何参与REC市场，而对跨市场转换路径及其系统性影响的探讨较为有限。为了实现CGCM的整合，有必要深入研究转换路径，并评估其对区域能源系统设备规划和调度的影响。根据中国发布的相关政策，可再生能源单位通过出售绿色电力获得REC，而燃气单位则通过燃烧天然气获得CEQ。为了使燃气单位能够参与CEQ市场，生态环境部规定，主要以甲烷（CH?）为燃料的燃气发电机组（其他掺混燃料的热输入占比不超过10%）才具备CEQ交易资格。也就是说，如果掺混气体中的甲烷热含量超过90%，并且部分或全部掺混气体来源于可再生能源，则可以实施CGCM的转换方法。

与此同时，各种“电力转燃气”设备（如电力制甲烷、电力制氢、电力制合成气、电力制氨等）正被越来越多地引入能源系统。因此，本文提出了一种新的单向REC到CEQ的转换路径。随后，构建了一个以混合P2G和氢能注入燃气管网（HIGG）技术为基础的RIES模型，用于验证该转换路径的有效性。通过整合可再生能源和燃气发电厂，该能源系统能够参与CEQ和REC市场，满足多元化的能源需求。

在已有研究中，一些学者如Hou等人开发了一种基于斯塔克尔伯格博弈的“绿色-碳”抵消机制和智能定价策略，验证了其在混合P2G基础上的综合能源系统（IES）中的有效性。Xu等人则提出了一种综合的能源-碳证书管理策略，用于IES的优化调度，结合了CGCM的互动机制和源荷不确定性分析。模拟结果显示，该策略能够显著降低总成本，并减少碳排放。Wang等人则构建了一个基于P2G和HIGG的多时间尺度优化框架，用于IES的配置和调度，其优化结果表明，不同的氢掺混比例对RIES的容量和调度策略有显著影响，其中HIGG的最大氢掺混比例为20%。因此，本文采用LHS和0–1场景聚类技术来处理风能的不确定性，并对HIGG的氢掺混比例进行从0%到20%的分析。

本文的研究成果表明，通过建立REC到CEQ的转换路径，可以有效地促进可再生能源在碳市场中的参与，从而提升整个系统的经济性和环境效益。具体而言，相较于仅使用P2G的参考案例，本文提出的RIES在不同氢掺混比例下，经济性能提升了约13.73%。而在阶梯碳价机制下，这一提升进一步增加至约15.41%。相比之下，在P2H的情况下，经济性能的提升分别为10.18%和11.49%。这些结果表明，CGCM的引入以及市场转换路径的构建，使RIES能够获得更多的市场收益，同时减少运营成本。此外，阶梯碳价的实施进一步增强了碳排放权（CEQ）的激励作用，提升了整体的经济性能。

在当前的研究中，虽然已经有许多关于RIES规划和调度的探讨，但针对CGCM转换路径与RIES之间协同机制的研究仍显不足。例如，Li等人提出了一种双向的CEQ和REC市场互动框架，通过利用REC的减排能力和CEQ对绿色电力消费的激励作用，增强了P2G和燃气发电系统的联合运行。模拟结果显示，该策略能够有效降低总成本，并减少碳排放，同时提升可再生能源的利用效率。然而，Li等人的研究并未从设备协调或运营耦合的角度深入探讨转换路径的实施方式。因此，本文旨在填补这一研究空白，重点探讨CGCM转换路径对RIES规划和调度的综合影响，并结合P2G和HIGG技术进行深入分析。

本文的研究框架主要包括以下几个部分：首先，提出了一种新的CGCM转换路径；其次，构建了一个以混合P2G和HIGG技术为基础的燃气-氢能燃烧驱动的RIES模型，用于验证该转换路径的有效性；最后，设计了一个结合LHS和0–1场景聚类技术的随机优化框架，用于应对风能的不确定性，并优化RIES的容量和调度策略。通过这些步骤，本文不仅能够系统地分析CGCM对RIES性能的影响，还能为未来的能源系统规划和政策制定提供理论支持和实践指导。

在实际应用中，本文提出的RIES模型能够满足多需求社区的多样化能源需求，包括电力、热能和燃气等。通过协调可再生能源和燃气发电设备，该系统能够在风能过剩时，将多余的电力转化为氢气和甲烷，从而有效利用可再生能源并减少碳排放。此外，本文还通过模拟不同氢掺混比例下的系统运行情况，评估其对RIES规划和调度策略的影响。结果表明，较高的氢掺混比例能够显著提升系统的经济性和环境效益，同时减少对传统化石燃料的依赖。

为了应对风能的不确定性，本文采用了LHS和0–1场景聚类技术，构建了一个随机优化框架。该框架能够有效处理风速的波动性，并在不同场景下优化RIES的容量和调度策略。通过比较不同场景下的优化结果，本文还分析了计算效率与场景代表性之间的权衡关系。结果表明，采用适当的场景聚类方法能够在保持较高场景代表性的前提下，显著减少计算资源的需求，提高优化过程的效率。

此外，本文还探讨了阶梯碳价机制对RIES经济性能的影响。通过引入阶梯碳价，企业能够获得更强的激励，以减少碳排放并提升运营效率。模拟结果显示，阶梯碳价机制能够有效增强CEQ的激励作用，同时提升整个系统的经济性和环境效益。这表明，阶梯碳价机制不仅能够促进碳排放的减少，还能增强市场参与者的积极性，从而推动更广泛的低碳转型。

综上所述，本文的研究成果表明，通过构建REC到CEQ的转换路径，并结合P2G和HIGG技术，可以有效提升RIES的经济性和环境效益。同时，采用LHS和0–1场景聚类技术，能够应对风能的不确定性，并优化RIES的容量和调度策略。阶梯碳价机制的引入进一步增强了市场激励作用，提升了系统的整体性能。这些研究不仅为未来的能源系统规划提供了理论支持，也为政策制定者和行业参与者提供了重要的实践指导，有助于推动更广泛的低碳转型和可持续发展。