在双碳目标背景下，城市能源系统转型的路径优化：以中国广州市为例

《Renewable Energy》：Pathway optimization for urban energy system transition under dual carbon goals: A case study of Guangzhou city, China

　　

周国文|李强|董福祥|白明良|刘金福|于达仁

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市150001

摘要

为实现碳达峰和碳中和目标，城市能源系统的低碳转型至关重要。然而，关于排放模式和减排潜力的不确定性给有效转型路径的制定带来了重大挑战。在此背景下，本研究开发了一个综合优化框架，用于城市碳排放的减排工作，该框架结合了碳核算、分析和轨迹设计。提出了一个参数化模型来描述符合双碳目标的城市碳排放轨迹。关键的是，所推导出的排放轨迹被作为约束条件纳入中长期电力需求预测模型中，从而为城市电力生成结构的动态规划建立了优化边界。以广州为例进行了案例研究，验证了所提出的框架。结果表明，在碳达峰期间，当地可再生能源容量迅速扩张，到2040年达到饱和。到2060年，可再生能源将占当地安装容量的86.4%，但当地供应将满足不到50%的电力需求，这意味着对区域间电力进口的依赖程度很高。此外，进口电力的可再生能源渗透率必须超过78.7%。本研究为城市在双碳目标下设计低碳转型路径提供了系统的综合优化框架和方法论支持。

引言

作为能源需求和碳排放的主要中心，城市在实现碳达峰和中和方面处于前沿。尽管全球已有500多个城市承诺实现净零排放，但在将城市减排路径与更广泛的可持续发展目标对齐方面进展有限[1]。产业结构、资源禀赋和能源系统的巨大差异导致不同城市之间的碳排放与经济增长关系各不相同，这凸显了制定特定于情境的减排目标和转型路径的必要性。现有的碳排放配额分配研究主要依赖于国家或省级方法[2,3]，这些方法已应用于建筑[4]、发电[5]、石油化工和金属冶炼[6]等城市部门。然而，直接将国家和省级碳排放配额分配方法外推到城市层面忽略了城市排放的复杂驱动因素和差异[7,8]。只有通过协调自上而下的国家和省级分配指令与自下而上的城市特征，才能实现城市各行业的有效碳排放分配。

了解城市碳排放的历史驱动因素对于设计有效的减排路径至关重要。然而，现有研究往往缺乏城市层面的碳核算数据，且倾向于关注国家或省级层面的驱动因素分解[9,10]。胡等人对G20国家的碳排放进行了加权平均结构分解分析，以识别四个关键驱动因素[11]。刘等人[12]将结构分解分析与投入产出子系统分析相结合，利用国家数据来模拟影响中国碳排放变化的因素并预测未来的减排轨迹。吴等人[13]利用中国省级碳数据的时空结构分解分析来剖析各省份的驱动因素并制定减排策略。黄等人[14]研究了发电、住宅、工业、地面交通和航空部门的日二氧化碳排放驱动因素。尽管这些研究在不同尺度上提供了有价值的见解，但它们并未系统地探讨在双碳目标下的城市碳排放减排路径。显然，关于双碳目标下城市碳排放驱动因素的研究仍不充分。

将碳排放减排路径与城市发展对齐需要准确预测未来的电力需求。最近的电力需求预测方法包括传统方法[15,16]、智能方法[17,18]和混合模型方法[19,20]。然而，这些方法主要针对在稳定历史增长模式假设下的短期至中期预测，限制了它们在转型阶段的适用性。此外，传统因素（如人口、GDP和城市化率[21]）对于预测能源转型期间的电力需求并不适用。在双碳框架下，城市能源系统正在经历消费、供应、技术和制度的深刻变化，从历史上的稳定增长转向以电气化为中心的低碳结构。因此，电力需求的决定因素已经多样化，包括研发强度、行业电气化率、产业结构、能源消费模式、新能源占比和碳强度[22]。此外，在转型期间这些因素之间的相互依赖性变得更加复杂，但现有研究缺乏针对性的建模框架。因此，在能源转型期间进行准确的电力需求预测需要全面考虑这些多方面因素并采用适当的方法。

当前的低碳转型研究集中在1.5°C/2°C的目标上，各国通过国家确定的贡献来制定路径。虽然现有研究通过最小化经济、技术和需求约束下的成本来优化国家和区域系统，但这些宏观路径往往不适用于省级和城市等次国家级实体。例如，能源转型路径是使用综合能源系统规划模型（如TIMES[23]、LEAP[24]和EnergyPLAN[25]）来模拟的。然而，这些模型在城市规模应用时存在局限性：它们通常缺乏详细的本地排放数据，碳排放减排路径可能与城市的实际情况不符，基于趋势的需求预测未能反映能源转型政策的影响[26]。此外，能源转型受到多种因素的影响。一项系统分析研究了34种广泛用于发展中国家的能源规划模型的适用性，发现这些模型未能考虑发展中国家的环境目标、挑战和独特情况。宋等人[28]在该领域进行了广泛的研究，将能源系统规划分为区域性和行业性研究。他们开发的“中国区域能源供应系统优化模型”已应用于国家和区域层面的能源系统转型路径优化[29,30]。

目前关于城市能源系统低碳转型路径的研究仍不充分，需要进一步发展以适应城市现实和转型需求。本研究通过提出一个系统框架来应对城市能源系统转型规划中的关键挑战，包括碳排放数据缺口、减排目标不明确和需求预测不准确等问题，以支持城市实现双碳目标。这项工作的主要贡献是开发了一个用于双碳目标下城市能源系统转型的综合优化框架。该框架的关键组成部分和进展如下：

(1)

开发了一个优化的城市规模碳核算和减排路径生成框架。它通过整合动态碳核算、使用Kaya-LMDI模型的驱动因素分解以及参数化的碳轨迹规划模型，克服了传统自上而下目标分离的局限性。

(2)

建立了一个结合能源转型因素的新型中长期电力需求预测模型。通过基于ImPACT方程构建影响因子系统并运用系统动态学，该模型在转型阶段实现了高精度和稳健性。

(3)

提出了一个城市电力生成结构的动态规划模型。它结合了城市碳排放轨迹和电力需求预测，以实现成本最优的多阶段动态规划，确保整个转型生命周期的经济可行性。通过广州的全面案例研究验证了该框架的适用性，并提供了具体的政策启示。

本工作的其余部分结构如下：第2节详细介绍了所提出的综合方法，包括碳排放轨迹建模、电力需求预测和动态电力供应规划。然后通过中国广州的案例研究评估了该框架的有效性。最后得出结论。

章节片段

方法论

图1展示了优化城市能源系统转型的综合方法论框架，包括三个相互关联的核心组成部分。碳排放轨迹优化模型定义了总体系统约束。电力需求预测模型在此约束下运行，以预测未来负荷。最后，动态电力供应规划模型综合了排放轨迹和需求预测，以优化发电组合。

案例研究

选择广州作为案例研究的原因有三：作为主要的经济中心，其能源转型具有全国性意义；作为典型的能源进口城市，它体现了平衡本地可再生能源发展和清洁电力进口的关键挑战；其明确的碳达峰和中和目标为分析提供了具体的政策背景。

结论与未来工作

本研究解决了城市在制定符合碳达峰和中和目标的长期低碳能源转型路径时面临的关键障碍。具体而言，它解决了城市层面排放数据的缺口、减排目标不明确以及能源转型期间传统预测方法的不足。

为弥补这些缺口，开发了一个综合框架，包括三个核心方法论贡献。首先，是一个城市层面的碳核算模型

CRediT作者贡献声明

周国文：概念化、方法论、初稿撰写、审稿与编辑。李强：调查、可视化。董福祥：数据整理、可视化。白明良：数据整理、软件开发。刘金福：资金获取、监督。于达仁：资金获取、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。