中國網/中國發展門戶網訊 近年來，應對溫室氣體排放所帶來的氣候變化，已成為各國關注的焦點。2020年9月，國家主席習近平在第75屆聯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年前實現碳中和”（即“雙碳”目標），不僅體現了我國作為世界大國的擔當，同時也符合我國經濟產業結構轉型的需要。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，單位國內生產總值能耗和二氧化碳排放要分別降低13.5%和18%。

城市作為人類經濟生產活動的集中區域與能源消耗的主體，在實現“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展趨勢，并與國內外其他城市進行對比，指出了深圳實現碳中和所面臨的挑戰；分析長三角區域內主要城市碳排放特點，為無錫市實現“雙碳”目標提出建議；總結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。實現城市的碳中和，是一個長期的、系統性的復雜目標，必須提前做好完善的技術路徑規劃。然而，目前與城市相關的研究多為政策性綜述為主，關于具體技術路徑的研究較少。

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

城市是實現碳中和目標的主戰場

城市是人類經濟生產活動的主要聚集地，在全球能源消耗、碳排放等方面均占據主導地位。在我國，城市容納了64%的人口，消耗了85%的能源，貢獻了約85%碳排放。未來，伴隨著中國城市化進一步發展，這一比例將進一步擴大。因此，城市毫無疑問是我國實現“雙碳”目標的主戰場。

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

設計城市的碳中和路徑，要求著重考慮針對需求側的節能減排技術。大部分城市作為生產活動的中心，在國家的整個能源體系中，屬于需求側。一般而言，需求側的能源消費量遠高于生產量；因此，與能源的“開源”相比，“節流”顯得更為關鍵。同時，城市內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，采用城市不同領域能源消費的技術革新，結合先進的需求側資源調度方法，可促進城市碳中和的實現。

設計城市的碳中和路徑，應注重發展分布式新能源。對于許多高人口密度都市（如澳門）而言，城市用地規劃較為緊張。因此，一般沒有足夠的空間建立大規模、集中式的新能源發電站。考慮到城市樓宇眾多，具備發展屋頂光伏等分布式新能源的有利條件。然而，分布式新能源一般在空間上較為分散，實現協同優化運行的難度較大。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，實現分布式新能源的就地高效消納，從而降低本地電力生產的碳排放。

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地的碳排放。如果一座城市只關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。

澳門城市能源消費與碳排放分析

澳門是粵港澳大灣區的中心城市之一，澳門特區政府積極響應國家“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，澳門特別行政區首席長官賀一誠強調：“澳門將認真做好碳達峰、碳中和的工作”；特區政府在2022年施政報告中指出要積極配合國家環保總體戰略，制訂長期減排策略。本文后續章節，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。澳門是一個高度發展的沿海小微城市，在我國東南沿海經濟發達區域（特別是以旅游業等第三產業為主的城市中）具有一定的代表性，相關研究成果對其他相似城市也具有重要的借鑒意義。

澳門經濟與能源消費總覽

由于澳門在2020與2021年受新冠肺炎疫情影響嚴重，其經濟能耗數據不具備代表性。因此，本文將主要以2019年的經濟能耗數據進行分析。澳門總面積32.9平方公里，總人口約68萬，其每平方公里平均人口超過2萬，人均國內生產總值（GDP）高達54萬元人民幣（2019年），是世界上人口密度最高、人均GDP最高的地區之一。澳門的經濟結構具有以第三產業為主體的發達城市的典型特征：在2019年，第三產業貢獻了超過95%的GDP；而第二產業占比不足5%（圖1）。

回歸20多年以來，澳門經濟取得了高速發展，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，其經濟增長不完全依賴于能耗增長，這為澳門率先實現碳中和提供了良好的基礎條件。

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1.6866億千瓦時/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能減排壓力。

澳門能耗消費結構分析

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%，多用于本地發電。

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、垃圾焚化發電組成（圖6）。大量的外購電力將城市碳排放轉移到了城市外部。

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

澳門能源系統碳排放結構分析

本文聚焦于城市能源系統邁向碳中和的技術路徑，因此僅考慮與能源相關的碳排放。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。

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電、海陸運輸、商業家庭及服務業（圖8）。其中，本地發電產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的碳排放量已經提前達峰。

近年來，范疇2間接碳排放量約為400—500萬噸/年（根據澳門外購電量與南方電網碳排放因子估算），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）。

澳門能耗與碳排放結構總結

澳門能耗與碳排放結構的特點總結如圖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消耗，產生了約38%的本地直接碳排放。上述特點說明實現澳門碳中和必須從本地發電、外購電力、建筑、交通等關鍵方面著手。

澳門能源系統實現碳中和的路徑

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

針對范疇1碳排放的減排技術路徑

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展潛力。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約為1150小時。Melius等認為，大約60%—65%的商業樓宇屋頂和22%—27%的住宅屋頂適合發展屋頂光伏。假設澳門有約20%的屋頂面積安裝光伏板，發電量將達到約1.22億千瓦時，可減少約22.6%的本地發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化，且光電轉化效率最高可達22%。澳門高層商業建筑密集，墻體表面積較大。推廣薄膜太陽能電池，有著可觀的發展潛力。

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，實現節能減排。國內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；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。參考香港在2021年發布的電動車普及化路線，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年前后將實現陸上交通電氣化（圖12），可減少本地直接碳排放總量約19%。

陸上交通電氣化將使得未來電網與交通網緊密耦合，這極大地增加了未來城市電網與交通網絡的管理難度。未來城市應該在考慮“電網—交通網”耦合約束的前提下，優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“電網—交通網”耦合網絡的聯合優化，實現耦合網絡的良性協同。

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，氫動力技術在貨船運行中已取得了長足的發展。一方面，氫氣可以經加壓液化后實現高密度的能量存儲，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的海洋應用中。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提供動力后，將轉化為水，不產生任何直接碳排放；而氫氣可由近海風電場等新能源發電通過電解制備，從而不產生間接碳排放。因此，澳門可大力引進并推廣氫動力船舶，以實現海上交通零碳化。

發展低碳/零碳建筑

由于澳門的商業、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，發展低碳甚至零碳建筑，也是澳門實現碳中和的關鍵之一。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，應大力發展智慧樓宇能量管理，實現樓宇負荷的最優控制，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，可實現樓宇負荷的削峰填谷，提高樓宇綜合能效；采用電氣化、智慧樓宇能量管理等新技術，可實現樓宇零碳排放。發展低碳/零碳建筑在未來可減少澳門本地直接碳排放總量約17%。

城市配電網智能化改造

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，在相同配電建設條件下，大幅提升配電網的供電能力；另一方面，可利用分布式儲能、柔性負荷等技術，實現負荷削峰填谷，延緩配電網的升級改造需求。 

針對范疇2間接碳排放的技術路徑

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。以經濟手段激勵城市電力用戶積極參與外部電網的綠電交易，促進用戶從城市外部購買綠色電力，是實現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，南方電網與國家電網聯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。

為了更好地實現綠電交易，澳門需要與南方電網攜手，大力開展3方面技術研究。①大用戶綠電直購機制。企業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，根據不同大用戶的用能特性，設計獨特的綠電協議電價與直購機制，不僅可保證大用戶的用電安全與購電經濟性，同時可促進綠電交易的開展。澳門目前通過與南方電網協議購電方式，購買內地電力，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。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。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、監審機構、發/用電企業、交易平臺等主體，各主體均具有對綠電認證狀態進行實時查詢和異步更新的需求，這為綠電認證狀態的真實性和一致性帶來了挑戰。利用區塊鏈技術去中心化、高度自治、不可篡改的特點，將綠電認證的核發、轉移、核銷過程記錄在區塊鏈上，可建立安全、可信、魯棒的分布式綠電認證賬本。

電力市場輔助服務

由于部分城市中經濟生產活動的特殊性質（如航空業），以目前的技術條件而言，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，以實現碳中和。常見的碳匯資源包括綠色植被、碳捕集與封存技術等。然而，考慮到澳門城市用地緊張的特點，種植綠色植被、發展碳捕集與封存技術的應用空間較小，無法大量穩定提供碳匯資源。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（如暖通空調設備、儲能、電動車等）屬于柔性可控負荷，可為電網提供靈活性資源，從而滿足城市碳匯資源需求（圖13）。

近年來，需求側靈活資源的利用成為研究的熱點。例如，Kohlhepp等總結了暖通空調作為靈活性資源參與輔助服務的優勢與挑戰，并詳細地介紹了世界范圍內16個不同的相關應用實例；Hu等總結了城市居民區內潛在的靈活性資源，并詳細地回顧了相關的優化調度方法；Gjorgievski等基于34個實際案例指出需求側的電熱轉化系統可為電網提供可觀的靈活性。由此，在未來澳門深度融入廣東電力市場的場景下，澳門可積極發展城市靈活性資源聚合與優化調度控制技術，為電網提供需求側響應、備用、調頻等輔助服務，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；假設澳門40%樓宇負荷（主要為具備靈活性的空調負荷）參與輔助服務，則可提供約4.32萬噸/年的碳匯資源。

碳中和技術路徑的智慧能源支撐技術

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

因此，為科學構建城市實現碳中和的技術路徑，必須依靠以“物聯網、大數據、人工智能”等深度應用為特征的智慧能源技術作為基礎支撐。例如，利用能源物聯網技術推動城市綜合能源系統的信息化和數字化，實現能源生產、運輸、存儲、轉換、消費各環節的全域精細化態勢感知，為綜合能源系統的建模、運行、控制等提供基礎；利用大數據挖掘技術，可發揮海量、多源、多維大數據的價值，實現能源系統精準的用戶畫像繪制和供需預測等，為能源系統的科學規劃和運行維護提供依據；利用人工智能技術，實現復雜能源系統運行優化與在線控制，促進多類型靈活資源互補互濟，提升系統綜合運行效率，進而支撐碳中和目標實現。

澳門碳排放預測

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年發布的電動車普及化路線圖，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的海洋應用中。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能在2015年已達11.7吉瓦并增長迅速。因此，本文假設薄膜太陽能技術將從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能減排措施，可在現有基礎上逐步實現樓宇零直接碳排放。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的推廣，澳門本地直接碳排放逐年下降。同時，澳門電網作為一個整體，開始積極提供南方電網輔助服務，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，實現本地的碳中和。

外購電力間接碳排放（范疇2）

如本文3.2節所述，城市外購電力的碳中和依賴于城市與外部電網的協作。參考全球能源互聯網發展合作組織在2021年4月發布的《中國2060年前碳中和研究報告》，預計在2050年前中國電力系統將實現近零排放，在2055年左右實現碳中和。考慮到澳門特區政府可通過經濟手段激勵澳門電網從外部購買綠電，因此，我們預計澳門外購電力將先于2050年實現碳中和。

城市實現碳中和的路徑總結  

城市作為人類經濟生產活動的主要聚集地，是能源消耗與碳排放的主體。因此，城市是實現國家“雙碳”目標的主戰場。本文以澳門為例，通過分析城市的經濟、能耗與碳排放結構，提出城市能源系統的碳中和技術路徑，為我國城市碳中和路徑的設計提供參考。綜合來看，實現城市能源系統碳中和的技術路徑有4個方面。

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

針對城市用地資源緊張。需要有效利用城市建筑屋頂等空間資源，發展分布式光伏等清潔能源，實現本地發電的清潔替代，降低本地發電所帶來的直接碳排放。

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，以實現城市真正意義上的碳中和。

針對現代技術運用于城市能源系統綜合管理。必須利用物聯網、大數據與人工智能技術等實現城市綜合能源系統的科學規劃、運行與控制，以先進的智慧能源技術支撐各類城市碳中和技術的有效集成與應用。

(作者：宋永華、張洪財、陳戈，澳門大學智慧城市物聯網國家重點實驗室。《中國科學院院刊》供稿）

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