本節選取了華北某地區冬季集中供暖城市為例,根據該市的實際需求,運用前文中提出的區域多行業碳排放優化模型對其進行全區域范圍內碳減排的優化設計.除第一部分給出的基礎約束外,還 增加了額外的１５年內經濟增長條件、天然氣消費總量逐年上漲約束、能源消費總量約束、可再生電 力及供熱約束、外購電約束和熱電聯產總量約束, 并根據２０２１年前三季度的能源消費情況對２０２１年的優化結果進行了一定的修正.電力和熱力歷史裝 機量數據來源于當地政府,裝機等成本數據和可再生消納能力、外購電上限等未來預測數據來源于當 地電力設計院.部分基礎設施目前成本現狀與預測 如表１所示.

該市為重工業城市,能源消費以煤為主,在實 行大面積煤改氣后,煤炭占終端能源消費的比重在 ２０１９年仍為４４％;電力以本地火電為主,２０１８年 本地火電占比為７１．３％,本地可再生電力占比接近 ４％.由于以煤為主的消費結構,該市碳排放居高 不下,２０２０年碳排放為１．７億t.

通過求解,認為該市在“２０２５年碳達峰,“十五五”期間總碳排放保持穩定并略有下降,“十六五” 期間碳排放逐年下降１％”的情景下,未來１５年內煤炭在能源消費總量中仍占較大比例,２０３０年時 煤炭總消費量占能源消費總量的３２．９％,２０３５年 時煤炭占比為２３．２％,如圖２所示.由于低碳減排 導致煤炭使用量在２０２５年后逐步下降,而石油消 費量在終端需求中只增不減,２０３５年時,石油替代 煤炭成為該市最多的能源消費品;同時,由于天然 氣消費量的逐步增加,天然氣在２０３５年時占比達到２２．１％.此外,該市２０３１—２０３５年間煤炭使用量從３０６６．１萬t下降到２４３３．１萬t,共計減少超 過６００萬t,可以看出“十六五”期間碳排放的減少 主要依靠大量減少煤炭使用量.

在本案例的設置中,外購綠電和外購煤電的成 本均為０．３６元/度,和本地發展的可再生電力相比 具有較大的價格優勢.從圖３a可以看出,從２０３０ 年起,該市外購電占總電量的比例超過３０％,并且 逐年增加,“十六五”末期時這一比例為４４％,該市 的對外電力依賴逐漸增強.該市本地供電中煤電量 在２０２１—２０２５年間保持穩定并略有增加,２０２５年 時煤電量達到峰值,和２０２１年煤電量相比增加了 ７％,此后本地煤電量在“十五五”期間逐步下降, “十六五”期間大幅下降,２０３５年時本地煤電量約 為３５０億度.氣電量在“十四五”和“十五五”期間保 持穩定,“十六五”期間迅速增長,２０３５年時發電量 約為２１３億度(１度＝１kW􀅰h).

此外,由于未來煤電量的減少和外購電量的迅 速增加,２０３５年時本地煤電量和外購煤電量基本持平,外購電量成為該市的主要供電來源.

由于該市的熱電聯產機組距離部分居民區較遠,因而僅靠熱電聯產滿足全部熱需求是不現實 的,通過近幾年的數據對比,熱電聯產機組未來可 以提供的最高供熱量被設定為總供熱量的６０％,因 此在要求減少燃煤小鍋爐的背景下,未來該市的熱 需求主要由熱電聯產滿足,如圖３b所示.同時結 合該市供電量構成的結果,認為雖然未來該市本地煤電量不多,但是以年為尺度來看,仍然能夠通過 足夠的煤電熱電聯產機組提供熱量.同時,除熱電 聯產提供熱量外,該市未來的供熱方式逐漸多元化,形成以天然氣供熱為主,煤電以及地熱和太陽能集熱為輔的結構,并且煤電、地熱和太陽能集熱 的供熱量逐漸趨于均衡.