智慧城市能源系統(tǒng)邁向碳中和的典型路徑研究
——以澳門特別行政區(qū)為例

宋永華 張洪財 陳 戈

澳門大學 智慧城市物聯(lián)網(wǎng)國家重點實驗室 澳門 999078

近年來，應對溫室氣體排放所帶來的氣候變化，已成為各國關(guān)注的焦點。2020 年 9 月，國家主席習近平在第 75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上莊嚴承諾中國“二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和”（即“雙碳”目標），不僅體現(xiàn)了我國作為世界大國的擔當，同時也符合我國經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的需要。為具體推動“雙碳”目標的落實，2020 年底，習近平總書記在中央經(jīng)濟工作會議提出，要抓緊制定 2030 年前碳排放達峰行動方案，支持有條件的地方率先達峰；2021 年《政府工作報告》中提出，在“十四五”期間，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放要分別降低 13.5% 和 18%。

城市作為人類經(jīng)濟生產(chǎn)活動的集中區(qū)域與能源消耗的主體，在實現(xiàn)“雙碳”目標中有著舉足輕重的地位。部分學者對此開展了一定的研究。例如：分析深圳能耗與碳排放的特點與發(fā)展趨勢，并與國內(nèi)外其他城市進行對比，指出了深圳實現(xiàn)碳中和所面臨的挑戰(zhàn)[1]；分析長三角區(qū)域內(nèi)主要城市碳排放特點，為無錫市實現(xiàn)“雙碳”目標提出建議[2]；總結(jié)國外不同城市碳中和政策，為我國城市碳中和提出政策性建議[3]。實現(xiàn)城市的碳中和，是一個長期的、系統(tǒng)性的復雜目標，必須提前做好完善的技術(shù)路徑規(guī)劃。然而，目前與城市相關(guān)的研究多為政策性綜述為主，關(guān)于具體技術(shù)路徑的研究較少。

本文將研究城市能源系統(tǒng)碳中和的技術(shù)路徑問題，為推動我國城市碳中和進程提供參考依據(jù)。首先，本文分析了城市能源系統(tǒng)的特點，探討城市實現(xiàn)碳中和的具體挑戰(zhàn)；然后，以澳門特別行政區(qū)（簡稱“澳門”）為例分析城市能源消耗與碳排放結(jié)構(gòu)的特點與發(fā)展趨勢；最后，提出針對城市實現(xiàn)碳中和的智慧化技術(shù)路徑。

1 城市是實現(xiàn)碳中和目標的主戰(zhàn)場

城市是人類經(jīng)濟生產(chǎn)活動的主要聚集地，在全球能源消耗、碳排放等方面均占據(jù)主導地位。在我國，城市容納了 64% 的人口①國家統(tǒng)計局. 第七次全國人口普查公報（第七號）. (2021-05-11)[2022-04-19]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202105/t20210510_1817183.html.，消耗了 85% 的能源[4]，貢獻了約 85% 碳排放[5,6]。未來，伴隨著中國城市化進一步發(fā)展，這一比例將進一步擴大。因此，城市毫無疑問是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的主戰(zhàn)場。

設計城市能源系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和的技術(shù)路徑必須考慮城市在能源系統(tǒng)中的特點，主要包括：① 城市為能源系統(tǒng)的需求側(cè)；② 城市用地規(guī)劃較為緊張；③ 外購電力在城市能源消費中占比明顯。這對城市實現(xiàn)碳中和帶來巨大挑戰(zhàn)和更高要求，主要包括以下 3 個方面。

（1）設計城市的碳中和路徑，要求著重考慮針對需求側(cè)的節(jié)能減排技術(shù)。大部分城市作為生產(chǎn)活動的中心，在國家的整個能源體系中，屬于需求側(cè)[7]。一般而言，需求側(cè)的能源消費量遠高于生產(chǎn)量；因此，與能源的“開源”相比，“節(jié)流”顯得更為關(guān)鍵。同時，城市內(nèi)能源消費的形式多種多樣且一般包含大量靈活性資源。因此，采用城市不同領(lǐng)域能源消費的技術(shù)革新，結(jié)合先進的需求側(cè)資源調(diào)度方法，可促進城市碳中和的實現(xiàn)。

（2）設計城市的碳中和路徑，應注重發(fā)展分布式新能源。對于許多高人口密度都市（如澳門）而言，城市用地規(guī)劃較為緊張。因此，一般沒有足夠的空間建立大規(guī)模、集中式的新能源發(fā)電站。考慮到城市樓宇眾多，具備發(fā)展屋頂光伏等分布式新能源的有利條件[8]。然而，分布式新能源一般在空間上較為分散，實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化運行的難度較大。因此，設計城市的碳中和路徑，應在考慮推廣分布式新能源的同時，著重輔以高效的運行控制手段，實現(xiàn)分布式新能源的就地高效消納，從而降低本地電力生產(chǎn)的碳排放。

（3）設計城市碳中和的路徑，必須將外購電力等的間接碳排放納入考慮，實現(xiàn)真正意義的碳中和。城市大量外購以電力為主的二次能源，雖然不造成本地直接碳排放，但是如果所購買電力源自化石能源燃燒，則也將造成電力生產(chǎn)地的碳排放。如果一座城市只關(guān)注自身化石能源消費帶來的直接碳排放，而忽略因為外購電力等造成的間接碳排放，則顯然無法達到名副其實的碳中和，也不利于國家“雙碳”目標的實現(xiàn)。

2 澳門城市能源消費與碳排放分析

澳門是粵港澳大灣區(qū)的中心城市之一，澳門特區(qū)政府積極響應國家“雙碳”目標。在 2021 年 7 月舉行的第 12 屆國際基礎設施投資與建設高峰論壇上，澳門特別行政區(qū)首席長官賀一誠強調(diào)：“澳門將認真做好碳達峰、碳中和的工作”；特區(qū)政府在 2022 年施政報告中指出要積極配合國家環(huán)?？傮w戰(zhàn)略，制訂長期減排策略。本文后續(xù)章節(jié)，以澳門為例分析城市能源消費與碳排放的特點，并設計相應的碳中和路徑。澳門是一個高度發(fā)展的沿海小微城市，在我國東南沿海經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域（特別是以旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)為主的城市中）具有一定的代表性，相關(guān)研究成果對其他相似城市也具有重要的借鑒意義。

2.1 澳門經(jīng)濟與能源消費總覽

由于澳門在 2020 與 2021 年受新冠肺炎疫情影響嚴重，其經(jīng)濟能耗數(shù)據(jù)不具備代表性。因此，本文將主要以 2019 年的經(jīng)濟能耗數(shù)據(jù)進行分析。澳門總面積 32.9 平方公里，總?cè)丝诩s 68 萬，其每平方公里平均人口超過 2 萬，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）高達 54 萬元人民幣（2019 年），是世界上人口密度最高、人均 GDP 最高的地區(qū)之一。澳門的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)具有以第三產(chǎn)業(yè)為主體的發(fā)達城市的典型特征：在 2019 年，第三產(chǎn)業(yè)貢獻了超過 95% 的 GDP；而第二產(chǎn)業(yè)占比不足 5%（圖 1）。

圖1 2019年澳門GDP結(jié)構(gòu)Figure 1 GDP structure of Macao, China in 2019

回歸 20 多年以來，澳門經(jīng)濟取得了高速發(fā)展，但其單位 GDP 能耗呈逐年下降趨勢（圖 2）；同時，澳門的人均能耗顯著低于世界主要經(jīng)濟體，甚至低于我國平均水平（圖 3）。澳門整體單位能效較高，其經(jīng)濟增長不完全依賴于能耗增長，這為澳門率先實現(xiàn)碳中和提供了良好的基礎條件。

圖2 1999——2019年澳門能源消耗量與GDP的變化趨勢Figure 2 Trends in energy consumption and GDP in Macao, China form 1999 to 2019

圖3 2019年澳門與世界主要經(jīng)濟體人均能耗與人均本地生產(chǎn)總值的比較Figure 3 Comparison of energy consumption per capita versus GDP per capita of Macao, China with world major economies in 2019

然而，由于澳門人口密度較高，其單位面積能耗較大。例如，澳門單位面積年用電量達 1.686 6 億千瓦時 /平方公里，約為深圳的 3 倍，香港的 4 倍（圖 4）。因此，澳門仍然面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。

圖4 2019年澳門單位面積用電量Figure 4 Annual electricity consumption per unit area in Macao, China in 2019

2.2 澳門能耗消費結(jié)構(gòu)分析

澳門能源消費以電力為主（圖 5）。在 2019 年，電力消費占全澳能源消費總量的 56.13%。此外，輕柴油、車用汽油等交通能源消費占比明顯，分別達到 11.01% 和 9.70%；天然氣消耗占比達 14.33%，多用于本地發(fā)電。

圖5 2011——2020年澳門歷年能源消費結(jié)構(gòu)變化趨勢Figure 5 Energy consumption structure in Macao, China from 2011 to 2020

澳門的電力來源以外購電力為主，占比超過 90%；其他由本地燃油、天然氣、垃圾焚化發(fā)電組成（圖 6）。大量的外購電力將城市碳排放轉(zhuǎn)移到了城市外部。

圖6 2011——2020年澳門電力來源結(jié)構(gòu)Figure 6 Power settlement in Macao, China from 2011 to 2020

圖 7 展示了 2019 年澳門電力消費結(jié)構(gòu)。其中，商業(yè)電力消費占比為 73%（主要為商業(yè)樓宇消費），住戶和政府機構(gòu)耗電占比分別為 16.4% 和 6.8%。顯然，非居民建筑（包括商業(yè)建筑和政府建筑）的電力消耗，占據(jù)總電力消耗的絕大部分。

圖7 2019年澳門電力消費結(jié)構(gòu)Figure 7 Energy consumption in different fields in Macao, China in 2019

2.3 澳門能源系統(tǒng)碳排放結(jié)構(gòu)分析

本文聚焦于城市能源系統(tǒng)邁向碳中和的技術(shù)路徑，因此僅考慮與能源相關(guān)的碳排放。澳門的能源碳排放可分為 2 個最主要范疇：范疇 1，代表本地化石能源燃燒造成的本地直接碳排放；范疇 2，代表由外購電力所造成的間接碳排放[9]。

過去 10 年，范疇 1 本地直接碳排放量為 100——200萬噸/年，其主要來源為本地發(fā)電、海陸運輸、商業(yè)家庭及服務業(yè)（圖 8）。其中，本地發(fā)電產(chǎn)生本地直接碳排放的 30%——40%，占主導地位。范疇 1 的碳排放量已在 2017 年達到頂峰，此后振蕩下降。這說明澳門范疇 1 的碳排放量已經(jīng)提前達峰。

圖8 2011——2020年澳門能源系統(tǒng)碳排放結(jié)構(gòu)Figure 8 Structure of carbon emissions of energy systems in Macao, China from 2011 to 2020

近年來，范疇 2 間接碳排放量約為 400——500 萬噸/年（根據(jù)澳門外購電量與南方電網(wǎng)碳排放因子估算），相當于范疇 1 本地直接碳排放量的 3——4 倍。由于外購電力不斷增加，其總量仍呈逐年上升趨勢（圖 9）。

圖9 2011——2020年澳門外購電力所造成的碳排放Figure 9 CO2 emission of outsourcing electricity in Macao,China from 2011 to 2020

2.4 澳門能耗與碳排放結(jié)構(gòu)總結(jié)

澳門能耗與碳排放結(jié)構(gòu)的特點總結(jié)如圖 10 所示。電力消費占澳門總能源消費比重超過一半；其中，10% 的電力源自本地，帶來了約 33% 的本地直接碳排放；余下 90% 的電力為外購電力，帶來了相當于本地直接碳排放 3——4 倍的外部間接碳排放。澳門 80% 以上的電力、部分液化石油氣和天然氣被大型建筑消耗，產(chǎn)生了約 17% 的本地直接碳排放，并帶來 80% 以上的間接碳排放。輕柴油、重油、車用汽油等主要被交通行業(yè)消耗，產(chǎn)生了約 38% 的本地直接碳排放。上述特點說明實現(xiàn)澳門碳中和必須從本地發(fā)電、外購電力、建筑、交通等關(guān)鍵方面著手。

圖10 2019年澳門能耗結(jié)構(gòu)與主要碳排放來源Figure 10 Summary of energy consumption and carbon emissions in Macao, China in 2019

3 澳門能源系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和的路徑

本章考慮城市屬于能源系統(tǒng)需求側(cè)、用地資源緊張、外購電力占比高的特點，并結(jié)合澳門的實際情況，設計相應的碳中和技術(shù)路徑。

3.1 針對范疇 1 碳排放的減排技術(shù)路徑

3.1.1 分布式清潔能源利用

屋頂光伏是一種成熟的分布式新能源，在推動城市碳中和方面有著可觀的發(fā)展?jié)摿10,11]。澳門可利用豐富的屋頂資源，大力推廣屋頂分布式光伏。根據(jù)測算，澳門屋頂總面積約為 5.3 平方公里，全年光伏有效利用小時數(shù)約為 1 150 小 時。Melius 等[12]認 為，大約 60%——65% 的商業(yè)樓宇屋頂和 22%——27% 的住宅屋頂適合發(fā)展屋頂光伏。假設澳門有約 20% 的屋頂面積安裝光伏板，發(fā)電量將達到約 1.22 億千瓦時，可減少約 22.6% 的本地發(fā)電所帶來的直接碳排放量。此外，薄膜式太陽能電池可貼合在建筑墻體表面進行光電轉(zhuǎn)化，且光電轉(zhuǎn)化效率最高可達 22%[13,14]。澳門高層商業(yè)建筑密集，墻體表面積較大。推廣薄膜太陽能電池，有著可觀的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.1.2 陸上交通電氣化

目前，澳門的機動車輛絕大部分為燃油車，電動車普及率不足 1%（圖 11）。在澳門推廣陸上交通電氣化，可大幅減少化石燃料燃燒，實現(xiàn)節(jié)能減排。國內(nèi)外學者的研究也證實了陸上交通電氣化對于碳中和的顯著作用。例如，研究指出若我國采用電動車全面替代燃油車，則可減少 16% 的碳排放量[15]；還有研究分析認為美國加州采用電氣化可降低 20.3% 的碳排放量，并提升新能源的消納能力[16]。參考香港在 2021 年發(fā)布的電動車普及化路線圖②香港政府新聞網(wǎng). 首份電動車普及化路線圖公布. (2021-03-17)[2022-04-20]. https://www.news.gov.hk/chi/2021/03/20210317/20210317_142452_434.html.，假設澳門在 2035 年前后禁售燃油車（與香港一致），則澳門預計在 2050 年前后將實現(xiàn)陸上交通電氣化（圖 12），可減少本地直接碳排放總量約 19%。

圖11 2020年澳門機動車輛類型分布Figure 11 Motor vehicles by energy source in Macao, China in 2020

圖12 2050年前澳門車輛類型分布預測Figure 12 Development forecast of motor vehicles in Macao, China till 2050

陸上交通電氣化將使得未來電網(wǎng)與交通網(wǎng)緊密耦合[17]，這極大地增加了未來城市電網(wǎng)與交通網(wǎng)絡的管理難度[18,19]。未來城市應該在考慮“電網(wǎng)——交通網(wǎng)”耦合約束的前提下，優(yōu)化電動車及其充電設施的建設與運行，減低甚至避免交通電氣化對耦合網(wǎng)絡帶來的負面影響；進一步，以具備“移動儲能”特性的電動車為媒介，實現(xiàn)“電網(wǎng)——交通網(wǎng)”耦合網(wǎng)絡的聯(lián)合優(yōu)化，實現(xiàn)耦合網(wǎng)絡的良性協(xié)同。

3.1.3 推廣氫動力海上交通

作為一個港口城市，海上交通所帶來的碳排放約占澳門本地直接碳排放量的 15%。近年來，氫動力技術(shù)在貨船運行中已取得了長足的發(fā)展[20]。一方面，氫氣可以經(jīng)加壓液化后實現(xiàn)高密度的能量存儲，滿足海上交通長距離、大運量的要求，因此在海上交通中具有廣闊的應用前景。在 2018 年，全球已有超過 60 萬臺燃料電池應用在船舶或相關(guān)的海洋應用中[21]。假設澳門于 2030 年開始逐漸引進并推廣氫動力船舶，則可減少本地直接碳排放總量約 13%。另一方面，氫氣通過燃料電池技術(shù)提供動力后，將轉(zhuǎn)化為水，不產(chǎn)生任何直接碳排放；而氫氣可由近海風電場等新能源發(fā)電通過電解制備，從而不產(chǎn)生間接碳排放[22,23]。因此，澳門可大力引進并推廣氫動力船舶，以實現(xiàn)海上交通零碳化。

3.1.4 發(fā)展低碳/零碳建筑

由于澳門的商業(yè)、公共、居民等建筑等消耗了相當比例的化石能源和大部分電力，發(fā)展低碳甚至零碳建筑，也是澳門實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵之一。一方面，應大力推動建筑電氣化改造，減少建筑的化石能源消費；另一方面，應大力發(fā)展智慧樓宇能量管理，實現(xiàn)樓宇負荷的最優(yōu)控制，降低總電耗，減小間接碳排放。例如，利用建筑本身的儲熱/儲冷能力，可實現(xiàn)樓宇負荷的削峰填谷，提高樓宇綜合能效[24,25]；采用電氣化、智慧樓宇能量管理等新技術(shù)，可實現(xiàn)樓宇零碳排放[26]。發(fā)展低碳/零碳建筑在未來可減少澳門本地直接碳排放總量約 17%。

3.1.5 城市配電網(wǎng)智能化改造

交通與建筑等的電氣化改造，將進一步增大澳門的電力負荷需求，這將對配電網(wǎng)的供電能力提出更高要求。然而，澳門建筑極端密集，老舊建筑較多，升級配電網(wǎng)的難度較大且成本昂貴。因此，澳門一方面要大力推廣新型交直流混合配電技術(shù)，在相同配電建設條件下，大幅提升配電網(wǎng)的供電能力[27]；另一方面，可利用分布式儲能、柔性負荷等技術(shù)，實現(xiàn)負荷削峰填谷，延緩配電網(wǎng)的升級改造需求[28]。

3.2 針對范疇 2 間接碳排放的技術(shù)路徑

3.2.1 綠電交易

為減少甚至消除城市范疇 2 間接碳排放，必須實現(xiàn)外購電力的零碳化，即要求澳門外購的電力主要來自風能、光伏等零碳排放的綠色能源。以經(jīng)濟手段激勵城市電力用戶積極參與外部電網(wǎng)的綠電交易，促進用戶從城市外部購買綠色電力，是實現(xiàn)這一目標的重要手段。近年來，綠電交易已在我國逐步開展試點。在 2021 年 9 月 7 日，南方電網(wǎng)與國家電網(wǎng)聯(lián)合組織召開了綠電交易試點啟動會，來自 17 個省份的 259 家市場主體完成了 79.35 億千瓦時綠電交易。預計將減少標煤燃燒 243.60 萬噸，減排二氧化碳 607.18 萬噸。

為了更好地實現(xiàn)綠電交易，澳門需要與南方電網(wǎng)攜手，大力開展 3 方面技術(shù)研究。①大用戶綠電直購機制。企業(yè)等大用戶是電力消耗的主體。因此，在目前電力交易尚未充分市場化的階段，根據(jù)不同大用戶的用能特性，設計獨特的綠電協(xié)議電價與直購機制，不僅可保證大用戶的用電安全與購電經(jīng)濟性，同時可促進綠電交易的開展[29]。澳門目前通過與南方電網(wǎng)協(xié)議購電方式，購買內(nèi)地電力，在未來也可以作為一個大用戶，參與綠電直購。②綠電交易定價機制。定價機制是綠電交易的核心。針對未來電力市場逐漸成熟的場景，合理的定價機制能夠促進綠電交易各方的積極性與綠色電力的消納。目前，已有許多針對一般電力交易的定價機制的研究工作[30,31]。然而，針對綠電交易的定價機制研究較為少見。③綠色電力消費認證技術(shù)。綠電交易的過程中需要提供綠電認證以證明綠電消費的有效性。由于綠電消費過程涉及電網(wǎng)、監(jiān)審機構(gòu)、發(fā)/用電企業(yè)、交易平臺等主體，各主體均具有對綠電認證狀態(tài)進行實時查詢和異步更新的需求，這為綠電認證狀態(tài)的真實性和一致性帶來了挑戰(zhàn)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、高度自治、不可篡改的特點，將綠電認證的核發(fā)、轉(zhuǎn)移、核銷過程記錄在區(qū)塊鏈上，可建立安全、可信、魯棒的分布式綠電認證賬本[32]。

3.2.2 電力市場輔助服務

由于部分城市中經(jīng)濟生產(chǎn)活動的特殊性質(zhì)（如航空業(yè)），以目前的技術(shù)條件而言，尚無法完全消除其對應的碳排放。因此，城市同樣需要提供一定量的碳匯資源，以實現(xiàn)碳中和。常見的碳匯資源包括綠色植被、碳捕集與封存技術(shù)等。然而，考慮到澳門城市用地緊張的特點，種植綠色植被、發(fā)展碳捕集與封存技術(shù)的應用空間較小，無法大量穩(wěn)定提供碳匯資源。同時，澳門 80% 的電力都被樓宇建筑消耗，其中有相當一部分負荷（如暖通空調(diào)設備、儲能、電動車等）屬于柔性可控負荷，可為電網(wǎng)提供靈活性資源，從而滿足城市碳匯資源需求（圖 13）。

圖13 靈活性資源聚合與優(yōu)化調(diào)控技術(shù)Figure 13 Aggregation and optimization of flexibility resources

近年來，需求側(cè)靈活資源的利用成為研究的熱點。例如，Kohlhepp 等[33]總結(jié)了暖通空調(diào)作為靈活性資源參與輔助服務的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，并詳細地介紹了世界范圍內(nèi) 16 個不同的相關(guān)應用實例；Hu 等[34]總結(jié)了城市居民區(qū)內(nèi)潛在的靈活性資源，并詳細地回顧了相關(guān)的優(yōu)化調(diào)度方法；Gjorgievski 等[35]基于 34 個實際案例指出需求側(cè)的電熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可為電網(wǎng)提供可觀的靈活性。由此，在未來澳門深度融入廣東電力市場的場景下，澳門可積極發(fā)展城市靈活性資源聚合與優(yōu)化調(diào)度控制技術(shù)，為電網(wǎng)提供需求側(cè)響應、備用、調(diào)頻等輔助服務，促進風光等新能源的消納。參考浙江省靈活性資源參與輔助服務的實例，每 1 兆瓦靈活性資源可提供約 225 噸/年的二氧化碳碳匯資源③北極星售電網(wǎng). 新型電力系統(tǒng)目標下負荷側(cè)資源開啟備用輔助服務交易市場. (2021-08-19)[2022-04-19]. https://shoudian.bjx.com.cn/html/20210819/1170947.shtml.；假設澳門 40% 樓宇負荷（主要為具備靈活性的空調(diào)負荷）參與輔助服務，則可提供約 4.32 萬噸/年的碳匯資源。

3.3 碳中和技術(shù)路徑的智慧能源支撐技術(shù)

雖然本文 3.1 和 3.2 節(jié)中探討的重要技術(shù)與方法對實現(xiàn)城市碳中和發(fā)揮著不可或缺的作用，但也為未來城市能源系統(tǒng)構(gòu)建帶來巨大挑戰(zhàn)。例如，高比例分布式清潔能源具有的間歇性和不確定性，電動車和樓宇空調(diào)等需求側(cè)柔性可控負荷單體容量小、規(guī)模龐大、行為隨機，電氣化交通網(wǎng)絡及“電——氫——熱”等多能耦合模塊含有復雜的耦合網(wǎng)絡約束，以及新型電力系統(tǒng)引入大量非線性的電力電子單元，都對城市綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運行與控制提出了更高的要求。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相關(guān)理論與技術(shù)面臨顯著局限性，難以滿足當下需求。

因此，為科學構(gòu)建城市實現(xiàn)碳中和的技術(shù)路徑，必須依靠以“物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能”等深度應用為特征的智慧能源技術(shù)作為基礎支撐。例如，利用能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動城市綜合能源系統(tǒng)的信息化和數(shù)字化，實現(xiàn)能源生產(chǎn)、運輸、存儲、轉(zhuǎn)換、消費各環(huán)節(jié)的全域精細化態(tài)勢感知，為綜合能源系統(tǒng)的建模、運行、控制等提供基礎；利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可發(fā)揮海量、多源、多維大數(shù)據(jù)的價值，實現(xiàn)能源系統(tǒng)精準的用戶畫像繪制和供需預測等，為能源系統(tǒng)的科學規(guī)劃和運行維護提供依據(jù)；利用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)復雜能源系統(tǒng)運行優(yōu)化與在線控制，促進多類型靈活資源互補互濟，提升系統(tǒng)綜合運行效率，進而支撐碳中和目標實現(xiàn)。

3.4 澳門碳排放預測

3.4.1 本地直接碳排放（范疇 1）

以圖 8 中 2015——2020 年澳門本地碳排放為基礎，本節(jié)對澳門 2021——2060 年碳排放進行趨勢預測。該預測基于以下假設：① 參考中國香港在 2021 年發(fā)布的電動車普及化路線圖②，假設設澳門在 2035 年禁售燃油車。② 研究表明在 2018 年全球已有超過 60 萬臺燃料電池應用在船舶或相關(guān)的海洋應用中[21]。假設從 2030 年開始，在澳門氫動力船舶逐漸替代燃油燃氣船舶。③ 假設澳門從今年開始大力推廣屋頂光伏。同時，薄膜太陽能電池的世界總產(chǎn)能在 2015 年已達 11.7 吉瓦并增長迅速[36]。因此，本文假設薄膜太陽能技術(shù)將從 2025 年開始在澳門逐步應用。④ 假設澳門樓宇建筑等通過電氣化與節(jié)能減排措施，可在現(xiàn)有基礎上逐步實現(xiàn)樓宇零直接碳排放[26]。⑤ 假設從 2025 年開始，澳門開始作為一個整體參與廣東電力市場輔助服務市場，參與服務的負荷由零逐漸上升到當前樓宇負荷的 40%。參考浙江 178.1 兆瓦靈活性資源減少 3 日總碳排放 330 噸，單位可控負荷年均碳減排量為 225 噸/兆瓦。

根據(jù)上述假設，澳門 2021——2060 年的本地直接碳排放預測如圖 14 所示。自 2017 年碳達峰之后，澳門碳排放量在 2017——2019 年呈下降趨勢。2020 年與 2021 年受到新冠肺炎疫情的影響，澳門碳排放迅速下降。隨后，在 2021——2025 年，由于疫情得到控制，澳門碳排放逐漸上升，并再次達到峰值，但其碳排放水平的新峰值將顯著低于 2019 年。2025 年開始，隨著陸上交通電氣化、海上交通氫動力化、本地清潔能源替代、低碳建筑推廣等技術(shù)的推廣，澳門本地直接碳排放逐年下降。同時，澳門電網(wǎng)作為一個整體，開始積極提供南方電網(wǎng)輔助服務，所帶來的碳匯資源逐年上升。在 2050 年左右，澳門本地直接碳排放將與其所提供的碳匯資源相互抵消，實現(xiàn)本地的碳中和。

圖14 澳門2021——2060年本地直接碳排放趨勢預測Figure 14 Prediction of carbon emission in Macao, China from 2021 to 2060

3.4.2 外購電力間接碳排放（范疇 2）

如本文 3.2節(jié)所述，城市外購電力的碳中和依賴于城市與外部電網(wǎng)的協(xié)作。參考全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織在 2021 年 4 月發(fā)布的《中國 2060 年前碳中和研究報告》[37]，預計在 2050 年前中國電力系統(tǒng)將實現(xiàn)近零排放，在 2055 年左右實現(xiàn)碳中和?？紤]到澳門特區(qū)政府可通過經(jīng)濟手段激勵澳門電網(wǎng)從外部購買綠電，因此，我們預計澳門外購電力將先于 2050 年實現(xiàn)碳中和。

4 城市實現(xiàn)碳中和的路徑總結(jié)

城市作為人類經(jīng)濟生產(chǎn)活動的主要聚集地，是能源消耗與碳排放的主體。因此，城市是實現(xiàn)國家“雙碳”目標的主戰(zhàn)場。本文以澳門為例，通過分析城市的經(jīng)濟、能耗與碳排放結(jié)構(gòu)，提出城市能源系統(tǒng)的碳中和技術(shù)路徑，為我國城市碳中和路徑的設計提供參考。綜合來看，實現(xiàn)城市能源系統(tǒng)碳中和的技術(shù)路徑有 4 個方面。

（1）針對城市在整個能源系統(tǒng)中為用能需求側(cè)。實現(xiàn)城市碳中和需要以需求側(cè)管理為主，通過陸上交通電氣化、海上交通氫動力化、建筑低碳化技術(shù)手段，降低城市的直接碳排放。

（2）針對城市用地資源緊張。需要有效利用城市建筑屋頂?shù)瓤臻g資源，發(fā)展分布式光伏等清潔能源，實現(xiàn)本地發(fā)電的清潔替代，降低本地發(fā)電所帶來的直接碳排放。

（3）針對城市大量消費的外購電力。城市需要通過積極參與綠電交易、提供電力市場輔助服務的方式，一方面主動消費綠色電力，另一方面為外部電網(wǎng)提供碳匯資源，促進城市在整個能源供應鏈中承擔更重要責任，以實現(xiàn)城市真正意義上的碳中和。

（4）針對現(xiàn)代技術(shù)運用于城市能源系統(tǒng)綜合管理。必須利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)等實現(xiàn)城市綜合能源系統(tǒng)的科學規(guī)劃、運行與控制，以先進的智慧能源技術(shù)支撐各類城市碳中和技術(shù)的有效集成與應用。