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观点丨陈吕军:工业园区综合能效提升现状、挑战与展望

引  言

能源效率通常用能耗强度表达,国际能源署(IEA)将其视为全球可持续能源系统的第一燃料。工信部发布数据显示,我国工业部门的能源消费量为全社会能源消费量的65%,在已过去的两个五年规划期间,全国规模以上工业企业单位增加值能耗分别下降28% 和16%,“十四五”第一年进一步下降5.6%。提升工业用能效率,对减少化石能源使用,减少二氧化碳排放将起到重要作用。工业园区是工业能效提升的关键载体。建立工业园区是全球工业发展的重要举措之一,推动工业企业向园区集中,能显著提升生产效率与能源效率。《中国开发区审核公告目录》(2018年版)显示,列入名录的国家级和省级园区有2543家。经估算,这些园区的工业产值占全国工业产值的比例超过50%,园区在推动中国实体经济发展和城镇化发展中发挥了关键作用,是支撑制造强国战略的主战场。园区具有企业集聚性、规模性优势,产业链、供应链协同创新条件好,产业共生潜力大,集中式基础设施普及率高,管理体系高效等综合优势。但同时,工业园区也是资源能源集中消耗的大户,研究显示园区温室气体排放约占全国的31%(郭扬等,2021)。因此,加强企业与园区能效提升、提高用能质量与可靠性、降低用能成本、促进单一设备及企业能效提升向系统化、平台化综合能效提升与服务转变,对推动园区能源产出率和碳生产率倍增,实现绿色低碳高质量发展,支撑工业领域节能降碳将发挥关键作用。《2030年前碳达峰行动方案》《“十四五”节能减排综合工作方案》《工业能效提升行动计划》等文件明确提出了园区节能降碳的任务要求。本文在分析工业园区能源消耗及节能工作现状的基础上,识别园区综合能效提升的主要挑战,进一步提出园区节能降碳的工程建议

一、工业园区能源消耗及节能工作现状

(一)工业园区用能特征工业园区能源使用呈现五大特点:1. 园区以工业负荷为主,终端用能形式主要为电、热、气、冷等,生产端涉及煤、燃气、生物质等多种能源的加工、转化和供给,能源系统复杂;2. 园区发展阶段、产业结构各异,呈现出流程型、离散型、新兴研发型等不同用能特征,负荷需求具有多样性、时空异质性;3. 园区集聚大量企业,对冷、热、电等能源品种及气、水等载能公共产品的需求量大且集中,对供应可靠性、质量要求较高;4. 园区能源负荷特性复杂,对供能可靠性、稳定性要求苛刻,输配送系统的运行调度复杂,清洁、高效、可靠、经济的综合能源供应服务需求强烈;5. 大部分园区内建有热电联产、热力厂、发电厂等能源基础设施

(二)工业园区碳排放现状作者团队建立了包括1600多家国家级和省级园区能源基础设施数据库,以2014年为基准年,研究发现园区在役的能源基础设施装机容量达515 GW,占全国该年发电总装机容量的38%,这些设施的温室气体排放量占到全国的21%,SO2排放占12%,NOx排放占15%,新鲜水消耗为全国工业新鲜水用量的5%(Guo et al.,2021)。

园区能源基础设施有三个特点:1. 以煤为原料的机组装机容量占比高达87%;2. 小机组,尤其是单机50 MW以下机组数量占比达62%,而小机组普遍能源效率较低;3. 能源基础设施的温室气体排放量平均占园区排放量的75%(Guo et al., 2018a)。基础设施的一个特征是服役时间长一旦投运其排放量基本被锁定,既是园区的基础排放,也是园区节能降碳的关键节点。以我国两类最重要的国家级园区为例,其涵盖国家高新技术产业开发区和国家级经济技术开发区,能耗具有代表性和典型性。全国有169家高新区,2019年高新区GDP占全国的12.3%。2015-2020年国家高新区能耗强度持续下降,平均值从0.584吨标准煤/万元工业增加值下降到2020年的0.451吨标准煤/万元(周力,2021)。2020年国家高新区能耗约占同年全国终端能源消费总量的5%。《国家高新区绿色发展专项行动实施方案》(国科发火[2021]28号)提出,2025年国家高新区工业增加值能耗强度预期目标为0.4吨标准煤/万元,其中50%的高新区将努力降至0.3吨标准煤/万元以下。2021年,217家国家级经济技术开发区贡献了全国GDP的11%。Guo Yang等针对210多家国家级经开区的分品种能源进行分析显示(Guo et al., 2018b),2015年国家级经开区煤炭消耗总量占园区能源消费总量的74%,而当年中国工业部门燃煤消费的比例为56%,表明国家级经开区一次能源结构中煤炭占比较高。近年来,国家级经开区能源结构多样化进展较快,在余热利用的同时,非常规能源如以生物质、生活垃圾和工业固废等为原料的能源基础设施在东部地区发展尤为迅速,同时园区太阳能光伏屋顶也成为一个亮点。

再以浙江省为例,浙江省120家省级以上工业园区规模以上工业增加值占全省的64%,园区在经济持续增长、创新驱动、对外开放、新业态、产城融合等方面发挥越来越大的作用。数据显示,其120家园区的能源消费总量约占全省的46%左右,基础设施中以煤炭为原料的设施规模达71%,能源结构仍倚油倚煤,低碳化转型任务艰巨。

(三)工业园区节能提效实践创新我国各级园区节能工作卓有成效,持续推动了绿色低碳发展,主要体现在五个方面一是聚焦重点领域,针对园区能源系统、产业结构、工艺过程、基础设施、交通物流、公共建筑等重点领域,全过程系统性推进节能工作,加大节能技术、产品开发应用推广。二是集中式能源基础设施升级改造,建设能源绿岛,推进热电冷多联供,开展化石能源清洁高效利用和超低排放改造,实施煤炭减量和天然气超低排放热电联产,多样化开发利用余热余压和能量多级利用。三是积极利用可再生能源,推进能源结构转型升级。“一园一策”开发利用光伏、地源/空气源热泵、沼气、生物质等,提升可再生能源比例;灵活应用用户侧高压并网和低压并网技术、电网高低压开关和传输变电技术等,实现可再生能源发电就地消纳,同时积极推进大用户直供电。四是积极开展智慧能源探索,建设数字化、智能化的能源环境综合管理平台、电能精细化管理平台,运用物联网、大数据、AI等技术对能源生产、输配、储能和使用进行实时检测,通过系统优化、数智提效实现能源全过程精细化管理

五是建立健全能源管理体系,落实能源管理、节能目标责任、节能奖惩等;完善能源消费统计制度、重点企业能源利用状况报告制度;加快信息化建设,积极开展企业清洁生产审核、能效评价、能源审计、节能考核、能源管理体系认证等工作,推进高耗能行业重点领域节能降碳改造升级;积极发挥市场机制,广泛应用阶梯电价、用能权交易、合同能源管理、第三方治理等,促进节能降碳。

二、工业园区综合能效提升的五大挑战面向双碳战略目标以及减污降碳协同增效总要求,全面深化能效提升,工业园区仍面临若干重要挑战。

(一)园区综合能效提升分类指导亟待加强

园区地域分布广,资源禀赋差异大,个性共性兼具,园区间能耗总量和强度、碳排放总量和强度差异大。按照能源消耗总量和强度双控向碳排放总量和强度双控转变的要求,不同地域不同园区差异很大,控能控碳哪个优先、如何来控,缺乏分类指导。亟需加强园区综合能效提升的分类指导,推动绿色低碳发展。

(二)园区能源基础设施规模效率结构性锁定

园区广泛推行基础设施共享,以热定电为特征的集中式热电联产能源基础设施普及推广,但同时又呈现出“规模—效率”结构性锁定,以及以化石能源为主的传统能源与新能源供给结构失衡,导致温室气体排放结构性锁定。目前,大部分基础设施服役未到设计寿命的一半,园区基础设施节能降碳改造需要解决好成本收益的平衡,能源加工转化效率及系统优化亟待提升(Guo et al., 2021)。

(三)终端电气化面临规模数量成本综合制约

终端电气化是园区深化节能降碳的关键举措。当前,园区大部分企业的装备电气化面临单体规模小、数量多的问题,节能提效技术创新及装备推广存在投入成本高等短板。课题组对某典型精细化工园区进行了专题研究(Tian et al., 2012),分析了其八大类5000台存量电机设备,总容量100 MW,单台设备的平均容量约10 kW,其中单机容量大于15 kW以上的电机设备数量仅占设备总数的35%,容量占81%,小规模电机的能效提升面临较大挑战,需要电机技术的整体提升。

(四)能效局部有效和系统整体有效需要平衡

“十一五”以来,在节能减排约束性指标的持续推动下,重点用能行业节能挖潜难度日益加大,亟待平衡好局部有效和系统整体有效,并从局部过程节能向全过程、全链条、全系统优化节能转变。以炼油行业为例,全国2020年炼油企业能效水平优于标杆水平的产能约25%,同时有20%的产能其能效低于基准水平。我国火力发电、钢铁、化工产业和垃圾焚烧热电联产自身的能效已较高,但进一步与周边城市和社区协同挖掘余热利用方面,尚有较大潜力。研究显示,中国北方地区工业余热供暖潜力约为区域热需求的1.4 倍(Zheng et al., 2020)。

(五)园区物质流能量流精细化管理短板明显

《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》(国发〔2021〕23号)要求“加强园区物质流管理”,这里物质流是广义的概念,既包括生产原料也包括能源。园区物质流能量流管理是全过程节能减污最直接、最有效、最经济的措施,是推进园区综合能效提升的重要抓手。但实践中,物质流能量流管理最基础的工作——三级计量体系建设尚存在明显短板、弱项,特别是中小规模企业。

文章转自 清华大学环境学院,由 北京承天示优科技有限公司 发布。

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