欧洲国家脱碳措施有效性评估中电力排放因子演化效应

《Sustainability》：Effect of Evolution of Electricity Emission Factor on Evaluation of Effectiveness of Decarbonization Measures in European Countries

　　

脱碳措施（尤其是通过电气化实现的脱碳）有效性与可持续性的评估并非易事。燃烧技术逐年改进幅度微小，且燃料排放因子在欧洲各国可视为恒定；然而，发电排放因子在各国并不统一，且随时间演化的趋势亦不相同。这两方面——电力排放因子演化趋势的差异及其国别非均匀性——可能导致意外结果：在对民用与工业部门大规模技术转型的长期预测中，碳减排量与可持续性的高估或低估。研究人员利用趋势观测与Myopic模型，揭示了工业部门CO2减排长期预测中可能存在的偏差。本研究聚焦高温（蒸汽压缩式）热泵(HTHP)集成于冷热电联产(CCHP)系统的综合调查，通过稳态仿真在固定边界条件与全年运行情景下详细评估系统能源性能，涵盖不同欧洲国家至2050年的建筑供热、供冷与用电需求及变化中的电力排放因子，并与常规能源生产系统比较。

研究背景方面，能源部门约占全球温室气体排放总量的76.7%，工业制造与建造活动通过直接排放再贡献12.2%，若计入用电间接排放则影响更大。欧洲能效指令（EU/2018/2002、EU/2023/1791）已将能效列为支柱，但既有文献在长期评估中常把燃料与电力排放因子、利率、通胀率视作全期不变，忽视了1990—2024年欧洲终端用电CO₂排放因子从波兰最高967 kg_CO2/MWh降至瑞典最低34.9 kg_CO2/MWh（降幅约96.4%）且各国趋势分化的事实。若长期碳核算沿用实施年固定电力排放因子，随电源结构脱碳，电气化节能措施的“避免排放量”会被逐步高估，从而在工业转型情景中产生偏差。为此，研究人员在前期针对意大利托斯卡纳某制药厂CCHP+HTHP?分析与设计优化工作基础上，将研究拓展至2024—2050年多国可变电力排放因子下的CO₂减排量化，论文发表于《Sustainability》。

关键技术方法上，研究人员采用四项方法：一、构建CCHP+HTHP系统能流模型，原动机可选磷酸酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、燃气轮机(GT)或内燃机(ICE)，回收热经吸收式制冷机（驱动份额由参数f调节）与HTHP（蒸发侧取吸收机冷凝废热、冷凝侧出90 ℃热水）联供冷热电，对照基准含分产锅炉+电制冷(SP Boiler+Chiller)、带冷凝器热回收分产、CHP+电制冷、传统CCHP共四类；二、采用电跟随(electric-demand-following)运行模式，缺电由电网补，缺热缺冷由辅锅炉与辅电制冷补；三、基于Myopic Transition Path框架对24个欧盟国（拉脱维亚、立陶宛、马耳他因历史序列震荡排除）1990—2024年Ember/OurWorldInData用电排放因子作非线性回归，得e(t)=e₀·exp(?m·t)形式（r=0），外推至2050；四、以稳态单点、全年逐时仿真计算一次能源比(PER_tot)、?效率(η_ex,tot)、一次能源节约率(PES)及运营期CO₂排放，分最小/中位/最大/意大利四类因子情景汇总。

研究结果部分，3.1节固定工况能量分析显示，在E_user=1 MW、Q_user=2 MW、C_user=0.5 MW下，MCFC原动机配高COP_HTHP时最优f=0.8，即更多回收热送吸收机再经HTHP供电加热比原动机直供热更优；CCHP+HTHP相对分产锅炉+电制冷PES最高。3.2节全年能源性能表明，CCHP+HTHP总一次能源消耗最低，相对SP(Boiler+HP/Chiller)、CHP、CCHP、SP(Boiler+Chiller)的PES分别为3.5%、5.8%、14.1%、22.2%。3.3节年与比排放显示，2024年意大利/中位因子下CCHP+HTHP年排最低（12474、13717 t_CO2/y），2050年低因子国（如瑞典、法国）分产锅炉+热泵/电制冷比排放降至0.14—0.17 t_CO2/MWh反而占优，高因子国（波兰、塞浦路斯）CHP/CCHP仍具竞争力；说明最优系统随电力因子与年份翻转。3.4节累计排放指出，低因子国分产全程最优（累计约120 kt_CO2），中位因子国CCHP+HTHP至2039年前最优（约290 kt），意大利情形CCHP+HTHP几乎全期最优（约315 kt），高因子国前期CHP/CCHP最优、后期CCHP+HTHP追平（约490 kt）；若强行用2024固定因子算全程，分产锅炉+热泵/电制冷系统CO₂累计高估6.3%—24.3%，CHP/CCHP在高因子下高估8.0%—10.5%。

讨论与结论翻译：本研究考察氨工质HTHP集成于供90 ℃工业热水的三联产系统，稳态与全年仿真表明，仅当原动机电效率足够高时CCHP+HTHP能源?性能优于基准，且吸收机分配热比f需优化；关键结论为——最优脱碳系统随电力排放因子而变：最小因子时分产锅炉+热泵/电制冷最优，中位因子下2024年CCHP+HTHP最优、2050年分产最优；忽视电力因子下降会在案例中造成1%—23%的碳节约高估；未来可拓展天然气因子变化、储热、生物质、光伏及非制药负荷。该研究意义在于警示欧洲工业电气化脱碳评估须内嵌国别化电源脱碳路径，否则长期碳核算将系统性偏误。