面向清潔能源消納的電氣化碼頭碳排放測(cè)算及影響因子研究

陳業(yè)，王大偉，于鵬飛，馬曉慧

（1.天津港（集團(tuán)）有限公司，天津 300450；2.天津港電力有限公司，天津 300450；3.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300110）

在雙碳目標(biāo)的引領(lǐng)下，提升港口碳排放的能效管理水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排和能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。

從國(guó)家層面而言，我國(guó)出臺(tái)《關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]，提出“構(gòu)建清潔低碳的港口用能體系”，天津市出臺(tái)《天津市碳達(dá)峰碳中和促進(jìn)條例》，“支持天津港建設(shè)零碳碼頭，低碳港區(qū)示范區(qū)”；從國(guó)際層面而言，國(guó)際能源署[2]提出港口航運(yùn)業(yè)務(wù)電氣化的趨勢(shì)已日益明顯，歐盟[3]議會(huì)投票將碳排放交易系統(tǒng)(ETS)擴(kuò)展到航運(yùn)業(yè)，促使航運(yùn)業(yè)加大脫碳力度。

在碼頭碳排放測(cè)算方面，目前主流的方法為碳排放因子法。我國(guó)于2020 年發(fā)布《GB/T21339-2020 港口能源消耗統(tǒng)計(jì)及分析方法》，從裝卸生產(chǎn)、輔助生產(chǎn)、能源消耗、用能設(shè)備消耗等角度給出能源消耗量和折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)等指標(biāo)。然而，雖然關(guān)于港口碳排放的測(cè)算方法已形成規(guī)模，但針對(duì)碼頭新能源消納的測(cè)算仍未明確，且通常按年度計(jì)算而無(wú)法準(zhǔn)確反映不同時(shí)空因素對(duì)碳排放量的影響。在碼頭降碳減排應(yīng)用方面，目前國(guó)內(nèi)外主流措施是采用清潔能源替代、高度電氣化、節(jié)能改造、智能化應(yīng)用和碳捕集利用封存等技術(shù)。而當(dāng)前針對(duì)新能源電氣化碼頭碳排放測(cè)算研究較少。本研究通過(guò)指數(shù)分解法將碳排放分為表征凈下網(wǎng)電量碳排放、清潔能源發(fā)電能力、碼頭裝卸耗能水平的三種因子，并對(duì)碳排放影響因素進(jìn)行實(shí)例分析。

1 電氣化碼頭碳排放核算邊界

1.1 電氣化碼頭碳排放邊界分析

本文以高比例清潔能源供電和負(fù)荷電氣化全覆蓋的碼頭為研究對(duì)象，由于該碼頭無(wú)燃油、燃?xì)獾群哪茉O(shè)備，因此核算邊界僅考慮港口對(duì)外購(gòu)買的電力，不考慮非碼頭當(dāng)局所屬設(shè)備造成的其他間接排放。同時(shí)，碳排放時(shí)間邊界劃定在碼頭運(yùn)行階段，碳排放邊界如圖1 所示。

圖1 電氣化碼頭碳排放邊界

1.2 電氣化碼頭運(yùn)行場(chǎng)景分析

碼頭的主要耗能設(shè)備集中在運(yùn)輸和裝卸兩個(gè)層面?，F(xiàn)有電氣化碼頭采用電動(dòng)集卡作為自動(dòng)化運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，其與岸橋、軌道橋及自動(dòng)充電裝置形成自動(dòng)交互，碼頭還配有冷藏箱、高桿燈、電采暖、空調(diào)等輔助用電裝置。

1.3 電氣化碼頭碳排放參數(shù)依據(jù)

由此可見(jiàn)，電氣化碼頭的碳排放核算邊界清晰，其碳排放量可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ET為電氣化碼頭在T 時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的碳排放量；為第t 時(shí)段第n 種排放源的碳排放因子；為第n 類排放源在第t 時(shí)段的耗電量。其中參考生態(tài)環(huán)境部[4]提出的全國(guó)電網(wǎng)排放因子0.5810tCO2/MWh，該值與2019 年度[5]0.8952tCO2/MWh 相比，下降了約35.09%，根據(jù)上述排放因子的變化規(guī)律，計(jì)算出月度平均碳排放因子下降幅度為0.97%。

2 構(gòu)建計(jì)及新能源消納的碼頭碳排放模型

2.1 計(jì)及清潔能源的碼頭碳排放模型

由于已劃定碳排放統(tǒng)計(jì)時(shí)間邊界，將式（1）改進(jìn)為：

2.2 基于LMDI 進(jìn)行碳排放總量因素分解

基于上述分析，本文基于指數(shù)分解法[6]構(gòu)建碳排放模型，其核心思想是：利用指數(shù)方法將受多因素影響的復(fù)雜體系表現(xiàn)為若干因素的乘積，從而反映出各因素在時(shí)間和空間上對(duì)總體系的驅(qū)動(dòng)程度和規(guī)律特性。

將式（3）代入式（2），按照碼頭碳排放總量和影響因素分解為：

通過(guò)將碳排放總量分解為表征耗電量的碳排放因子、清潔能源消納因子、碼頭裝卸耗能因子，并且為了分析出t=T1基期和t=T2時(shí)期之間各個(gè)因素的變化量對(duì)碳排放總量的影響，根據(jù)指數(shù)分解加法形式：

最終式（12）等于式（9）至式（11）的求和：

由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)因素的拆解，對(duì)于T 時(shí)段內(nèi)的碳排放而言，碳排放因子越小說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)耗電量的碳排放越?。幌{因子越小說(shuō)明清潔能源出力越多；耗能因子越小說(shuō)明碼頭完成裝卸作業(yè)的耗能越低。

3 典型算例分析

3.1 A 碼頭基本情況介紹

本算例以集裝箱A 碼頭為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，該碼頭所有類型的港機(jī)如岸橋、軌道橋、電動(dòng)集卡等裝卸運(yùn)輸設(shè)備均使用電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)有2 臺(tái)單機(jī)容量為4.5MW 風(fēng)電機(jī)組和0.44MWp 的光伏用于碼頭用電。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)2022 年3 月至7 月碼頭用電數(shù)據(jù)，對(duì)所有設(shè)備耗電量進(jìn)行采集，并統(tǒng)計(jì)各負(fù)荷耗能占比如圖2所示。如圖2 可知，該碼頭的主要耗能設(shè)備集中在軌道橋、冷藏箱、充電樁、輔助用電裝置和岸橋設(shè)備上。

圖2 電氣化碼頭耗電占比分布圖

為進(jìn)一步得出該碼頭風(fēng)光出力與負(fù)荷之間源荷互補(bǔ)特性，對(duì)2022 年3 月至7 月的電量進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示。

圖3 電氣化碼頭源荷互補(bǔ)特性圖

如圖3 所示，隨著集裝箱的增加，電氣化碼頭源荷互補(bǔ)特性呈從供大于求到供小于求的變化趨勢(shì)，說(shuō)明：在源、荷、集裝箱三者耦合匹配度協(xié)調(diào)的情況下，具備實(shí)現(xiàn)零碳碼頭的潛能，但隨著集裝箱數(shù)量的增加，現(xiàn)有的風(fēng)光出力無(wú)法滿足負(fù)荷的需求，網(wǎng)購(gòu)電量也隨之加大。

3.2 計(jì)及新能源消納的碼頭碳排放測(cè)算實(shí)證

為了進(jìn)一步論證碼頭碳排放測(cè)算模型實(shí)例效果，結(jié)合碼頭實(shí)際貨物吞吐量情況，選取A 碼頭2022 年5 月至7 月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（7）至式（9），對(duì)碳排放因子、消納因子、耗能因子進(jìn)行分析計(jì)算，得出結(jié)果如圖4 所示。

圖4 碳排放因子分解圖

結(jié)果表明：隨著集裝箱吞吐量的提升，單位碳排放量呈上升趨勢(shì)，且月度碳排放差值與碳排放因子、消納因子和耗能因子的變化量之和滿足式（12），驗(yàn)證所提方法的可行性。

三種因子中對(duì)碼頭單位吞吐量的碳排放影響占比最大的是消納因子，平均占比約為71.36%，說(shuō)明風(fēng)電出力特性是影響碼頭碳排放的重要因素；耗能因子表征了單位集裝箱數(shù)量的耗電總量的變化值，隨著碼頭貨物吞吐量的穩(wěn)定增加，大型電氣化負(fù)荷的啟停動(dòng)作次數(shù)減少，由此提升了碼頭裝卸效率；碳排放因子反映出公共電網(wǎng)的節(jié)能效果。

4 結(jié)論與建議

本研究通過(guò)指數(shù)分解法將碳排放分為表征凈下網(wǎng)電量碳排放、清潔能源發(fā)電能力、碼頭裝卸耗能水平的三種因子，并量化得出碼頭源荷波動(dòng)是決定碳排放的關(guān)鍵因素。