本节选取了华北某地区冬季集中供暖城市为例,根据该市的实际需求,运用前文中提出的区域多行业碳排放优化模型对其进行全区域范围内碳减排的优化设计.除第一部分给出的基础约束外,还 增加了额外的１５年内经济增长条件、天然气消费总量逐年上涨约束、能源消费总量约束、可再生电 力及供热约束、外购电约束和热电联产总量约束, 并根据２０２１年前三季度的能源消费情况对２０２１年的优化结果进行了一定的修正.电力和热力历史装 机量数据来源于当地政府,装机等成本数据和可再生消纳能力、外购电上限等未来预测数据来源于当 地电力设计院.部分基础设施目前成本现状与预测 如表１所示.
该市为重工业城市,能源消费以煤为主,在实 行大面积煤改气后,煤炭占终端能源消费的比重在 ２０１９年仍为４４％;电力以本地火电为主,２０１８年 本地火电占比为７１．３％,本地可再生电力占比接近 ４％.由于以煤为主的消费结构,该市碳排放居高 不下,２０２０年碳排放为１．７亿t.
通过求解,认为该市在“２０２５年碳达峰,“十五五”期间总碳排放保持稳定并略有下降,“十六五” 期间碳排放逐年下降１％”的情景下,未来１５年内煤炭在能源消费总量中仍占较大比例,２０３０年时 煤炭总消费量占能源消费总量的３２．９％,２０３５年 时煤炭占比为２３．２％,如图２所示.由于低碳减排 导致煤炭使用量在２０２５年后逐步下降,而石油消 费量在终端需求中只增不减,２０３５年时,石油替代 煤炭成为该市最多的能源消费品;同时,由于天然 气消费量的逐步增加,天然气在２０３５年时占比达到２２．１％.此外,该市２０３１—２０３５年间煤炭使用量从３０６６．１万t下降到２４３３．１万t,共计减少超 过６００万t,可以看出“十六五”期间碳排放的减少 主要依靠大量减少煤炭使用量.
在本案例的设置中,外购绿电和外购煤电的成 本均为０．３６元/度,和本地发展的可再生电力相比 具有较大的价格优势.从图３a可以看出,从２０３０ 年起,该市外购电占总电量的比例超过３０％,并且 逐年增加,“十六五”末期时这一比例为４４％,该市 的对外电力依赖逐渐增强.该市本地供电中煤电量 在２０２１—２０２５年间保持稳定并略有增加,２０２５年 时煤电量达到峰值,和２０２１年煤电量相比增加了 ７％,此后本地煤电量在“十五五”期间逐步下降, “十六五”期间大幅下降,２０３５年时本地煤电量约 为３５０亿度.气电量在“十四五”和“十五五”期间保 持稳定,“十六五”期间迅速增长,２０３５年时发电量 约为２１３亿度(１度＝１kWh).
此外,由于未来煤电量的减少和外购电量的迅 速增加,２０３５年时本地煤电量和外购煤电量基本持平,外购电量成为该市的主要供电来源.
由于该市的热电联产机组距离部分居民区较远,因而仅靠热电联产满足全部热需求是不现实 的,通过近几年的数据对比,热电联产机组未来可 以提供的最高供热量被设定为总供热量的６０％,因 此在要求减少燃煤小锅炉的背景下,未来该市的热 需求主要由热电联产满足,如图３b所示.同时结 合该市供电量构成的结果,认为虽然未来该市本地煤电量不多,但是以年为尺度来看,仍然能够通过 足够的煤电热电联产机组提供热量.同时,除热电 联产提供热量外,该市未来的供热方式逐渐多元化,形成以天然气供热为主,煤电以及地热和太阳能集热为辅的结构,并且煤电、地热和太阳能集热 的供热量逐渐趋于均衡.
