引言
能源效率通常用能耗強度表達，國際能源署 (IEA)將其視為全球可持續能源系統的第一燃料。工信部發(fā)布數據顯示，我國工業(yè)部門(mén)的能源消費量為全社會(huì )能源消費量的 65%，在已過(guò)去的兩個(gè)五年規劃期間，全國規模以上工業(yè)企業(yè)單位增加值能耗分別下降28% 和16%，“十四五”第一年進(jìn)一步下降5.6%。提升工業(yè)用能效率，對減少化石能源使用，減少二氧化碳排放將起到重要作用。
一、工業(yè)園區能源消耗及節能工作現狀
(一)工業(yè)園區用能特征
工業(yè)園區能源使用呈現五大特點(diǎn): 1園區以工業(yè)負荷為主，終端用能形式主要為電、熱、氣、冷等，生產(chǎn)端涉及煤、燃氣、生物質(zhì)等多種能源的加工、轉化和供給，能源系統復雜; 2園區發(fā)展階段、產(chǎn)業(yè)結構各異，呈現出流程型、離散型、 新興研發(fā)型等不同用能特征，負荷需求具有多樣性、時(shí)空異質(zhì)性; 3園區集聚大量企業(yè)，對冷、熱、電等能源品種及氣、水等載能公共產(chǎn)品的需求量大且集中，對供應可靠性、質(zhì)量要求較高; 4園區能源負荷特性復雜，對供能可靠性、穩定性要求苛刻，輸配送系統的運行調度復雜，清潔、高效、可靠、經(jīng)濟的綜合能源供應服務(wù)需求強烈; 5大部分園區內建有熱電聯(lián)產(chǎn)、熱力廠(chǎng)、發(fā)電廠(chǎng)等能源基礎設施。
(二)工業(yè)園區碳排放現狀
作者團隊建立了包括 1600 多家國家級和省級園區能源基礎設施數據庫，以 2014 年為基準年，研究發(fā)現園區在役的能源基礎設施裝機容量達515 GW，占全國該年發(fā)電總裝機容量的 38%，這些設施的溫室氣體排放量占到全國的 21%，SO 2 排放占 12%，NOx 排放占 15%，新鮮水消耗為全 國工業(yè)新鮮水用量的5%(Guo et al., 2021)。園區能源基礎設施有三個(gè)特點(diǎn): 1以煤為原料的機組裝機容量占比高達 87%; 2小機組，尤其是單機 50 MW 以下機組數量占比達 62%，而小機組普遍能源效率較低; 3能源基礎設施的溫室氣體排放量平均占園區排放量的 75%。基礎設施的一個(gè)特征是服役時(shí)間長(cháng)，一旦投運其排放量基本被鎖定，既是園區的基礎排放，也是園區節能降碳的關(guān)鍵節點(diǎn)。
以我國兩類(lèi)最重要的國家級園區為例，其涵蓋國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區和國家級經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區，能耗具有代表性和典型性。全國有 169 家高新區，2019 年高新區 GDP 占全國的 12.3%。2015 -2020 年國家高新區能耗強度持續下降，平均值從 0.584 噸標準煤/萬(wàn)元工業(yè)增加值下降到 2020 年的 0.451 噸標準煤/萬(wàn)元。2020 年國家高新區能耗約占同年全國終端能源消費總量的 5%。《國家高新區綠色發(fā)展專(zhuān)項行動(dòng)實(shí)施方案》(國科發(fā)火 [2021]28 號)提出，2025 年國家高新區工業(yè)增加值能耗強度預期目標為0.4 噸標準煤/萬(wàn)元，其中 50% 的高新區將努力降至 0.3 噸標準煤/萬(wàn)元以下。
2021 年，217 家國家級經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區貢獻了全國 GDP 的 11%。郭揚等針對 210 多家國家級經(jīng)開(kāi)區的分品種能源進(jìn)行分析顯示，2015 年國家級經(jīng)開(kāi)區煤炭消耗總量占園區能源消費總量的74%，而當年中國工業(yè)部門(mén)燃煤消費的比例為 56%，表明國家級經(jīng) 開(kāi)區一次能源結構中煤炭占比較高。近年來(lái)，國家級經(jīng)開(kāi)區能源結構多樣化進(jìn)展較快，在余熱利用的同時(shí)，非常規能源如以生物質(zhì)、生活垃圾和工業(yè)固廢等為原料的能源基礎設施在東部地區發(fā)展尤為迅速，同時(shí)園區太陽(yáng)能光伏屋頂也成為一個(gè)亮點(diǎn)。
再以浙江省為例，浙江省 120 家省級以上工業(yè)園區規模以上工業(yè)增加值占全省的 64%，園區在經(jīng)濟持續增長(cháng)、創(chuàng )新驅動(dòng)、對外開(kāi)放、新業(yè)態(tài)、產(chǎn)城融合等方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。數據顯示，其 120 家園區的能源消費總量約占全省的 46% 左右，基礎設施中以煤炭為原料的設施規模達 71%，能源結構仍倚油倚煤，低碳化轉型任務(wù)艱巨。
(三)工業(yè)園區節能提效實(shí)踐創(chuàng )新
我國各級園區節能工作卓有成效，持續推動(dòng)了綠色低碳發(fā)展，主要體現在五個(gè)方面。
一是聚焦重點(diǎn)領(lǐng)域，針對園區能源系統、產(chǎn)業(yè)結構、工藝過(guò)程、基礎設施、交通物流、公共建筑等重點(diǎn)領(lǐng)域，全過(guò)程系統性推進(jìn)節能工作，加大節能技術(shù)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應用推廣。
二是集中式能源基礎設施升級改造，建設能源綠島，推進(jìn)熱電冷多聯(lián)供，開(kāi)展化石能源清潔高效利用和超低排放改造，實(shí)施煤炭減量和天然氣超低排放熱電聯(lián)產(chǎn)，多樣化開(kāi)發(fā)利用余熱余壓和能量多級利用。
三是積極利用可再生能源，推進(jìn)能源結構轉型升級。“一園一策”開(kāi)發(fā)利用光伏、地源/空氣源熱泵、沼氣、生物質(zhì)等，提升可再生能源比例; 靈活應用用戶(hù)側高壓并網(wǎng)和低壓并網(wǎng)技術(shù)、電網(wǎng)高低壓開(kāi)關(guān)和傳輸變電技術(shù)等，實(shí)現可再生能源發(fā)電就地消納，同時(shí)積極推進(jìn)大用戶(hù)直供電。
四是積極開(kāi)展智慧能源探索，建設數字化、 智能化的能源環(huán)境綜合管理平臺、電能精細化管理平臺，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、AI 等技術(shù)對能源生產(chǎn)、輸配、儲能和使用進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過(guò)系統優(yōu)化、數智提效實(shí)現能源全過(guò)程精細化管理。
五是建立健全能源管理體系，落實(shí)能源管理、節能目標責任、節能獎懲等;完善能源消費統計制度、重點(diǎn)企業(yè)能源利用狀況報告制度;加快信息化建設，積極開(kāi)展企業(yè)清潔生產(chǎn)審核、能效評價(jià)、能源審計、節能考核、能源管理體系認證等 工作，推進(jìn)高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節能降碳改造升級;積極發(fā)揮市場(chǎng)機制，廣泛應用階梯電價(jià)、用能權交易、合同能源管理、第三方治理等，促進(jìn)節能降碳。
二、工業(yè)園區綜合能效提升的五大挑戰
面向雙碳戰略目標以及減污降碳協(xié)同增效總要求，全面深化能效提升，工業(yè)園區仍面臨若干重要挑戰。
(一)園區綜合能效提升分類(lèi)指導亟待加強
園區地域分布廣，資源稟賦差異大，個(gè)性共性兼具，園區間能耗總量和強度、碳排放總量和強度差異大。按照能源消耗總量和強度雙控向碳排放總量和強度雙控轉變的要求，不同地域不同園區差異很大，控能控碳哪個(gè)優(yōu)先、如何來(lái)控，缺乏分類(lèi)指導。亟需加強園區綜合能效提升的分類(lèi)指導，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。
(二)園區能源基礎設施規模效率結構性鎖定
園區廣泛推行基礎設施共享，以熱定電為特征的集中式熱電聯(lián)產(chǎn)能源基礎設施普及推廣，但同時(shí)又呈現出“規模 - 效率”結構性鎖定，以及以化石能源為主的傳統能源與新能源供給結構失衡，導致溫室氣體排放結構性鎖定。目前，大部分基礎設施服役未到設計壽命的一半，園區基礎設施節能降碳改造需要解決好成本收益的平衡， 能源加工轉化效率及系統優(yōu)化亟待提升。
(三)終端電氣化面臨規模數量成本綜合制約
終端電氣化是園區深化節能降碳的關(guān)鍵舉措。當前，園區大部分企業(yè)的裝備電氣化面臨單體規模小、數量多的問(wèn)題，節能提效技術(shù)創(chuàng )新及裝備推廣存在投入成本高等短板。課題組對某典型精細化工園區進(jìn)行了專(zhuān)題研究，分析了其八大類(lèi) 5000 臺存量電機設備，總容量 100 MW，單臺設備的平均容量約 10 kW，其中單機容量大于 15 kW 以上的電機設備數量?jì)H占設備總數的 35%，容量占 81%，小規模電機的能效提升面臨較大挑戰，需要電機技術(shù)的整體提升。
(四)能效局部有效和系統整體有效需要平衡
“十一五”以來(lái)，在節能減排約束性指標的持續推動(dòng)下，重點(diǎn)用能行業(yè)節能挖潛難度日益加大， 亟待平衡好局部有效和系統整體有效，并從局部過(guò)程節能向全過(guò)程、全鏈條、全系統優(yōu)化節能轉變。以煉油行業(yè)為例，全國 2020 年煉油企業(yè)能效水平優(yōu)于標桿水平的產(chǎn)能約 25%，同時(shí)有 20% 的產(chǎn)能其能效低于基準水平。我國火力發(fā)電、鋼鐵、 化工產(chǎn)業(yè)和垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)自身的能效已較高， 但進(jìn)一步與周邊城市和社區協(xié)同挖掘余熱利用方面，尚有較大潛力。研究顯示，中國北方地區工業(yè)余熱供暖潛力約為區域熱需求的 1.4 倍。
(五)園區物質(zhì)流能量流精細化管理短板明顯
《國務(wù)院關(guān)于印發(fā) 2030 年前碳達峰行動(dòng)方案的通知》(國發(fā)〔2021〕23 號)要求“加強園區物質(zhì)流管理”，這里物質(zhì)流是廣義的概念，既包括生產(chǎn)原料也包括能源。園區物質(zhì)流能量流管理是全過(guò)程節能減污最直接、最有效、最經(jīng)濟的措施， 是推進(jìn)園區綜合能效提升的重要抓手。但實(shí)踐中， 物質(zhì)流能量流管理最基礎的工作 ——三級計量體系建設尚存在明顯短板、弱項，特別是中小規模企業(yè)。
三、推進(jìn)工業(yè)園區節能降碳重點(diǎn)工程
從系統工程和全局視角，推進(jìn)園區經(jīng)濟 —能源 —環(huán)境(“3E”)系統整體 優(yōu)化， 實(shí)施園區節能降碳增效工程。鼓勵優(yōu)先利用可再生能源，實(shí)施能 - 水統籌，強化節約、提效、開(kāi)源，產(chǎn)業(yè)和能源結構雙優(yōu)化、雙清潔化，優(yōu)化資源要素配置; 以園區基礎設施為重點(diǎn)，推動(dòng)能源、環(huán)境基礎設施系統優(yōu)化和循環(huán)共生;構建智慧管理平臺，推動(dòng)能源管理與園區安全、環(huán)保、物流等一體化、智慧化。為此，園區節能降碳建議優(yōu)先抓好以下重點(diǎn)工程。
(一)園區節能降碳分類(lèi)指導能力建設工程
“一園一策”，研究制定園區分類(lèi)管理方法。從綠色發(fā)展水平、經(jīng)濟規模、產(chǎn)業(yè)特征、能源結構、能源效率、碳排放等維度，對園區分級分類(lèi); 從產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化、生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)、能源系統優(yōu)化、基礎設施升級等方面，明確各類(lèi)園區能效提升重點(diǎn)。
總體來(lái)看，園區作為實(shí)體經(jīng)濟主戰場(chǎng)，未來(lái)隨著(zhù)經(jīng)濟持續增長(cháng)能耗總量和碳排放總量仍將繼續增長(cháng)。針對園區能源消耗及碳排放特點(diǎn)，課題組提出“以地定產(chǎn)、以產(chǎn)見(jiàn)能( 碳)、以能( 碳) 優(yōu)產(chǎn)”的碳達峰方略，將園區綜合能效提升作為關(guān)鍵，系統有序推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化、能效提升、能源結構轉型、 碳捕集等四大措施，全方位深化工業(yè)園區節能降碳。
研究顯示，通過(guò)有序實(shí)施上述四類(lèi)減排措施，2015 -2035 年和 2035 - 2050 年期間，全生命周期碳排放量可分別減排28%和51%。現階段園區應優(yōu)先實(shí)施產(chǎn)業(yè)結構調整與能效提升減碳工程，挖掘其最大減排潛力;其次是提高園區非化石能源占比和增加 CCUS 應用。從時(shí)間維度分析，2035 -2050 年期間通過(guò)產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化、能效提升、能源結構轉型的減排潛力基本釋放，進(jìn)一步深度減排則需要依靠工業(yè)生產(chǎn)的系統優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)空間布局優(yōu)化和必要的 CCUS。
推動(dòng)園區能源結構優(yōu)化，可著(zhù)力生活垃圾、生物質(zhì)和污泥能源化，并輔以工藝過(guò)程余熱高效回收，“一園一策”發(fā)展風(fēng)、光、氫能等能源。已有研究顯示，2035 年后預期對園區碳減排貢獻較大的途徑主要為氫能、 風(fēng)電和光伏，到 2050 年其潛在減排貢獻率約為 73%~81%，其中氫能在 2015 -2035 年期間有望減碳 36%~37%，預期 2035 -2050 年達到 46%~50%，將對園區深度減碳起到積極作用。
(二)園區基礎設施共生節能減污降碳提效工程
針對工業(yè)園區能源基礎設施的三大特點(diǎn)，課題組建立了年份-存量減碳模型，研究了五種主要技術(shù)措施的減碳潛力及成本效益，主要包括:天然氣替代燃煤 熱電聯(lián)產(chǎn)、垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)替代燃煤、抽凝 / 純凝式汽輪機升級為背壓式汽輪機、將小容量燃煤機組用大容量機組替代、發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)機組替代燃煤小機組。研究發(fā)現，通過(guò)五種措施綜合應用，溫室氣體可減排8%~16%，同時(shí)能減排SO2 24%~31%、 減排 NOx 10%~14%， 并有 34%~39% 的節水潛力。五種措施綜合作用情景 下，可獲得 519 元/噸CO 2 當量收益(按 2015 年可比價(jià))。
園區能源基礎設施和環(huán)境基礎設施之間建立余熱利用、污水深度處理資源化、污泥能源化等為主的能 -水耦合共生系統，可同時(shí)實(shí)現節能節水減污。課題組研究表明，全國 80% 的國家級和省級園區有集中式能源環(huán)境基礎設施，72% 的園區有集中式污水處理廠(chǎng)，園區水環(huán)境基礎設施和能源基礎設施之間建立能 -水耦合的共生關(guān)系是減污降碳的重要舉措。針對國家 級經(jīng)開(kāi)區的研究顯示，210 余家園區可建立 518 條共生關(guān)系，其中 239 條基于能源交換，279 條基于水資源交換;通過(guò)共生，能源和水資源節 約潛力分別為 7% 和 73%，可獲得的節水潛力、節能潛力、降碳潛力分別為 12.8 億立方米/年、 90.9 萬(wàn)噸標煤/年、572 萬(wàn)噸 CO 2 當量/年(Hu et al., 2020)。
(三)園區數智強鏈數字化電氣化工程
推動(dòng)數字要素、智能制造加快向園區集聚發(fā)展，促進(jìn)企業(yè)層面和園區層面數字化、智能化、 綠色化融合發(fā)展，強化電力管理智能化，提升產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈、創(chuàng )新鏈協(xié)同配套能力，提高產(chǎn)業(yè) 鏈韌性，增強產(chǎn)業(yè)鏈安全性，催生“產(chǎn)業(yè)化+數字化 + 智能制造”新業(yè)態(tài);加強園區企業(yè)生產(chǎn)計劃、工藝技術(shù)、物料配送、設備監控維護、質(zhì)量管控以及能量流物質(zhì)流智能化跟蹤管理。
搭建數據驅動(dòng)的園區節能降碳決策支撐平臺，設計開(kāi)發(fā)園區基礎數據庫，并定期動(dòng)態(tài)更新，由專(zhuān)業(yè)機構和科研單位聯(lián)合運維并開(kāi)展數據挖掘研 究，支撐管理決策。
加強園區電氣化建設。針對園區海量中低壓小容量電力用戶(hù)，開(kāi)發(fā)終端智控裝置和資源群控平臺，建立碎片資源喚醒聚合互動(dòng)新模式，以 “小裝置”全面感知、柔性調節、本地控制用戶(hù)多類(lèi)型設備，以“大平臺”聚合可調資源，智能輔助決策，開(kāi)展分層分級響應;以“強服務(wù)”注重用戶(hù)無(wú)感體驗，拓展節能降費增值服務(wù)，實(shí)現政府、用戶(hù)、電網(wǎng)多方共贏(yíng)。
加強園區電力資源配置優(yōu)化。通過(guò)能源系統綜合規劃、多用戶(hù)互動(dòng)、電網(wǎng)協(xié)調控制及智能化改造，實(shí)現冷熱電氣協(xié)同、源網(wǎng)荷儲集群聯(lián)控; 通過(guò)優(yōu)化負荷和儲能有功控制及電力電子設備無(wú)功調控對沖有功和無(wú)功沖擊，提升園區電能質(zhì)量; 通過(guò)智慧電務(wù)，基于設備級用能數據，開(kāi)展精細化綜合能源服務(wù)。
(四)園區綜合能效提升系統工程
立足園區產(chǎn)業(yè)結構和用能特點(diǎn)，加強工業(yè)園區能源系統建設，突出系統優(yōu)化和全生命周期思想，著(zhù)力三個(gè)轉變:一是橫向多能互補，從單一能源向綜合能源轉變;二是縱向建立“源、網(wǎng)、荷、儲”協(xié)調，形成多樣化能源的供給、需求及儲能調節的動(dòng)態(tài)平衡;三是集中與分布式相協(xié)調。
以化工園區為例，首先，針對園區能源生產(chǎn) —能源供應 —化工生產(chǎn)等多系統，綜合運用生產(chǎn)工藝綠色化、電網(wǎng)系統優(yōu)化、電機設備升級、余熱回收等推進(jìn)園區系統性節能和效率提升。其次，強化生產(chǎn)過(guò)程 —產(chǎn)業(yè)鏈接 —基礎設施 —安全環(huán)境管理協(xié)同，抓住綠色化學(xué)與綠色化工技術(shù)集成的關(guān)鍵，加強短流程原子經(jīng)濟合成技術(shù)開(kāi)發(fā)， 實(shí)現源頭減污和源頭節能，通過(guò)多產(chǎn)品多過(guò)程共生耦合，實(shí)現園區整體性能效提升和減污降碳。
(五)園區三級計量精細化物質(zhì)流能量流管理提升工程
完善企業(yè)三級計量，是“加強園區物質(zhì)流管理”的重要支撐。推動(dòng)園區深入開(kāi)展精細化數字化計量工程，配齊能、水、料三級計量監測設施，實(shí)現數據驅動(dòng)精準管理;全面推行數字化智能化計量工作，建立實(shí)時(shí)數據驅動(dòng)的智慧化物質(zhì)流管理系統。
設立園區及企業(yè)能效專(zhuān)職崗位，推動(dòng)用能、 用水量大的企業(yè)配全三級計量設備，并適當超前配備數字化智能化儀表，逐步實(shí)現園區全覆蓋，實(shí)時(shí)采集能量流、物質(zhì)流信息并接入園區智慧化管理平臺，建立多源時(shí)間序列數據驅動(dòng)的園區智能分析和精細管理決策，做好園區能源和物質(zhì)平衡管理，在此基礎上建立數字化碳管理系統。
通過(guò)完善園區企業(yè)用戶(hù)側分時(shí)三級計量表計的建設改造，自下而上厘清園區多產(chǎn)品、多元素、多層級的物質(zhì)能量代謝結構、路徑、過(guò)程等特征，定量揭示全生命周期的環(huán)境影響，提出靶向減污降碳調控措施，推動(dòng)企業(yè)內、企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間物料閉路循環(huán)，并持續循環(huán)迭代優(yōu)化。
