摘要：

本项目主要研究工业企业双碳管理仿真模型，基于企业能耗数据监测、分析，结合企业生产及用能特征，分析各类能源与碳排放数据的关联关系及转换算法，构建企业碳效仿真模型，形成企业碳效值评价体系，打造企业碳画像，以满足企业“双碳”目标实现的需求，促进企业开展节能降碳行动，提升企业清洁能源利用率，降低企业碳排成本，助力国家“双碳”目标实现。

关键词：双碳碳排管理碳效评估

一、需求分析

（一）项目背景

实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。

新型电力系统是以承载实现碳达峰碳中和，贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求为前提，确保能源电力安全为基本前提、以满足经济社会发展电力需求为首要目标、以最大化消纳新能源为主要任务，以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑，具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动基本特征的电力系统。近年来随着电气化程度的提高、环保压力的增大、科学技术的支撑和相关政策的推动，电力系统逐步向“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”方向发展。绝大多数可再生能源通过电力电子接口并网，而“双碳”战略落地可以有效提高可再生能源利用率及电力电子设备应用，实现相辅相成、共助共赢、协同发展。

为深入贯彻落实党中央国务院关于碳达峰碳中和的重大决策部署，推动能源绿色低碳转型，本项目以“双高”新型电力系统核心，以科技创新为手段，以节能降碳为目标，开展工业企业碳效模型研究工作，为企业提供高效碳服务，助力能源领域数字经济发展，服务国家智慧能源体系构建。

（二）项目简介

本项目主要研究工业企业双碳管理仿真模型，基于企业能耗数据监测、分析，结合企业生产及用能特征，分析各类能源与碳排放数据的关联关系及转换算法，构建企业碳效仿真模型，形成企业碳效值评价体系，打造企业碳画像，以满足企业“双碳”目标实现的需求，促进企业开展节能降碳行动，提升企业清洁能源利用率，降低企业碳排成本。

实现以“数字驱动”方式促推企业清洁替代、电能替代、节能降碳，持续提升能效管理水平，全局渗透引导产业结构绿色低碳转型，着力集聚清洁低碳生产，带动产业链、供应链上下游，共同推动能源消耗从高碳向低碳，从以化石能源为主向以清洁能源为主转变，助力国家“双碳”目标实现。

（三）产业现状

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。

2021年10月国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》，提出全面提升节能管理能力，从源头推进节能降碳。提高节能管理信息化水平，完善重点用能单位能耗在线监测系统，推动高耗能企业建立能源管理中心。

2022年8月，科技部、国家发展改革委、工业和信息化部等9部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》，统筹提出支撑2030年前实现碳达峰目标的科技创新行动和保障举措，并为2060年前实现碳中和目标做好技术研发储备。

2011年，按照“十二五”规划纲要关于“逐步建立碳排放交易市场”的要求，逐步在全国多地启动碳排放权交易试点工作，2021年7月16日，全国碳排放权交易开市，我国碳市场将成为全球覆盖温室气体排放量规模最大的市场。我国碳市场基本框架初步建立，促进企业减排温室气体和加快绿色低碳转型的作用初步显现，有效发挥了碳定价功能，是推动经济发展方式绿色低碳转型的一项重要创新。

随着我国碳市场机制的不断完善，已有多个省市出台碳中和补贴相关政策，鼓励企业积极参与碳市场交易，进一步推进碳达峰碳中和的重大战略决策，助力实现“双碳”目标。

（四）实际需求

碳达峰、碳中和是一项经济社会的系统变革，涉及能源、工业、建筑、交通、农业、居民生活等领域的各个方面，目前没有统一的企业碳排放管理系统，针对企业碳排放管理存在两方面问题。一方面，一般企业智能化管理系统只实现了企业的能耗数据监测、分析，还需专业团队完成企业碳排放数据采集、分析，形成碳排放报告。另一方面，对于不同企业，涉及的能源类型、生产工艺、生产流程等均有差异，碳排放存在数据繁杂且分布离散、企业排放高却难以量化、企业想减排但缺乏引导等系列问题。随着我国“双碳”战略决策的推进，以及碳减排治理机制的不断完善，亟需专业碳效模型服务企业碳排数据分析，支撑企业完成碳核查，降低碳排管理成本，提升企业节能降碳能力。

二、创新特点

（一）建设目标

利用企业能耗数据，融合各类能源产值、行业标签等外部数据，构建企业碳效模型，形成企业碳效值评价体系，打造企业碳画像，实现企业碳排放数据、碳排放指标分析，形成企业碳排放报告。以“碳数字驱动”方式，支撑企业挖掘节能降碳空间，优化用能结构，更好实现企业碳排动态监测和碳效评价，助力企业实现绿色低碳发展，推进节能降碳，优化用能结构。

（二）建设原则

1.统筹规划、集约共享原则

统筹各类工业企业基于碳排放数据感知的需求，以及已有能源数据资源及规范，建立统一接入、统一汇聚、统一管理、统一运维等标准规范和运行机制，实现各个信息系统互联、信息资源共享和管理服务协作，确保集约高效的发展道路。

2.集成创新、适度超前原则

通过数据融合集成，探索技术创新、业务创新，充分引入AI、大数据、深度学习等新技术成果并做规划预留，为共享和安全的持续增强，为感知数据应用创新创造及范畴持续扩大做好技术路径规划。

3.开放兼容、长效优化原则

开放兼容，要求总体规划和标准规范中，即要支持多厂家多解决方案的接入融合、共同建设，又要兼顾与各垂直业务系统在标准规范流程上的衔接，以实现整体无缝融合。

可迭代、可持续成长，在技术路径规划上，结合边缘计算、云端计算、大数据等先进技术，不断进行感知赋能、持续演进迭代，从而最大效益地逐步实现企业降碳、国家“双碳”目标。

（三）拟解决问题

1.助力企业侧形成有效碳排管理手段

当前企业侧缺少相应的碳排管理手段，无法第一时间掌握自身碳排量、碳排强度、碳排结构等碳排信息，对企业相应节能减排及碳资产管理工作无法形成有效支撑。本项目通过构建碳效模型，实时动态监测企业碳排指标，分析企业碳排数据，助力企业双碳监督、管理、规划工作。

2.构建企业侧碳排管理评估体系

当前企业侧缺少有效碳排评估体系，缺少行业间、企业间的对标分析手段。本项目借助碳排仿真等手段，构建企业碳画像，通过分析评估企业电、煤、油、气、热等能耗产生碳排，构建企业侧碳排管理评估体系，辅助企业掌握自身碳排放水平报告，为企业优化产业结构调整提供参考。

三、仿真体现

（一）整体构架

新型电力系统下企业双碳管理仿真平台整体架构包括云端、网端、边端三个部分。

1.云端系统主要包括业务应用、仿真模型、数据服务、物联接入几大模块。整体基于微服务框架来支撑整个服务体系的构建，松解系统服务之间的耦合关系，沉淀、汇聚各类应用服务能力，将服务能力转化为可重用、可共享、可演进的公共服务。

（1）业务应用：企业碳排管理、企业碳排结构、企业碳画像、企业碳效等级等业务应用通过调用企业仿真模型公共服务能力，快速构建应用形成业务支撑。

（2）仿真模型：主要提供碳排管理、碳效评价两类仿真模型，碳效仿真模型包括电碳仿真模型、煤碳仿真模型、热碳仿真模型、油碳仿真模型、气碳仿真模型等计算仿真体系，重点为企业用能碳效提供数据支撑；碳效评价模型包括碳效水平计算仿真模型、碳效评价指标模型，重点支撑企业碳排画像以及碳效等级评估等。

（3）数据服务：基于接口服务、存储计算、数据运营、数据接入等基础支撑组件，向上为仿真模型提供数据支撑，向下与物联接入管理数据进行交互，获取底层基础数据。

（4）物联接入管理：提供边端多协议数据转换同时为上层服务提供数据感知、数据存储、数据计算处理等能力。

2.网端主要支撑工业企业与云端应用的数据交互，具体包括4G、5G、光纤、Lora等通信协议。

3.边端主要实现工业企业侧数据采集，包括油、气、电、煤、热等用能数据以及厂区生产、政策、地理等基础业务数据，经由能源路由器实现数据的向上转发。

（二）仿真部分

新型电力系统下企业双碳管理仿真主要包含仿真数据输入、仿真模型分析计算、仿真结果输出三个环节。各环节主要介绍如下：

1.仿真数据输入

仿真数据输入环节主要为仿真模型提供基础数据支撑。

（1）监测场景分析

新型电力系统下企业双碳管理仿真平台重点监测采集企业侧温室气体排放相关数据，具体监测场景涉及企业有设施和业务产生的温室气体排放，具体数据来源涵盖直接生产系统、辅助生产系统和直接为生产服务的附属生产系统。其中辅助生产系统包括动力、供电、供水、化验、机修、库房、运输等，附属生产系统包括生产指挥管理系统以及厂区内为生产服务的部门和单位。重点监测数据如下：

①化石燃料（原煤、洗煤、烟煤、焦炭等）燃烧CO₂排放，主要指企业用于动力、热力或生产供应的燃料燃烧过程产生的CO₂排放。

②油类（汽油、柴油、焦油等）燃料燃烧CO₂排放，主要指企业用于动力、热力或生产供应的燃料燃烧过程产生的CO₂排放。

③气类（天然气、转炉煤气、焦炉煤气等）燃料燃烧CO₂排放，主要指企业用于动力、热力或生产供应的燃料燃烧过程产生的CO₂排放。

④企业净购入电力和热力排放CO₂包括两部分，一部分是用于动力、热力或生产供应过程产生的CO₂排放；另一部分是企业净购入电力和热力隐含的CO₂排放，该部分排放实际是电力或热力的生产企业产生，但由企业消费活动引起，依照约定也计入企业碳排放量中。

⑤CO₂回收利用量，主要指企业回收燃料燃烧或工业生产过程产生的CO₂并作为生产原料自用或作为产品外供的部分，从企业碳排放总量中予扣减。

（2）数据采集分析

仿真平台通过在企业侧增加监测采集设备及边缘代理装置，实现企业侧油、气、电、煤、热等能源运行数据以及厂区生产、政策、地理等基础业务数据的全面感知及监测，汇聚并向上层物联管理平台实现温室气体排放类数据的传输。物联管理平台是整个数据采集分析的核心引擎，实现了温室气体排放数据流转的全流程功能，包括数据采集接入、数据流处理、数据整合、数据存储、数据对外发布，向上支撑碳效仿真模型、碳效评价模型的构建，助力企业建立标准的、智慧的双碳管理应用体系，提升能源使用效率，降低企业温室气体排放，最终达到节能降碳效果。

2.仿真模型分析计算

仿真模型分析计算环节主要包含计算模型与仿真算法，是整个仿真过程的核心；该环节计算基于碳排管理算法、碳效评价算法，依托计算模型对监测采集到企业温室气体类数据进行整合、存储、计算、分析，对仿真结果输出提供支撑。

（1）计算模型

计算模型主要包括数据整合、数据存储、仿真计算、仿真分析等几个环节。

①数据整合：通过数据抽取、实时数据采集、文件数据采集、数据库实时复制等多种技术，对企业温室气体排放数据进行整合，形成便于后续数据处理的标准化格式。

②数据存储：基于大数据技术实现对数据的存储管理。针对企业温室气体排放数据类型和多样计算需求，以海量规模存储、快速查询读取为特征，存储来自外部数据源的各类数据，支撑数据处理层的高级应用。

③仿真计算：依托仿真算法，对多样化的海量温室气体数据提供流计算、批量计算、内存计算、查询计算等计算能力。支持分布式存储的数据文件及内存数据的查询和计算；同时通过流计算技术提供实时分析处理的计算能力，通过离线计算提供落地数据的计算能力，实现数据的批量处理。

④仿真分析：依托仿真计算结果，对多样化的温室气体数据进行加工、处理、分析、挖掘，结合上层应用输出新的业务价值，为企业碳排放管理、评估提供技术支撑。

（2）碳排管理算法

企业碳排放总量计算：

=++++-

其中：

为企业CO₂排放总量，单位为吨（tCO₂）；

为企业所有净消耗化石类燃料燃烧活动产生的CO₂排放量，单位为吨（tCO₂）；

为企业所有净消耗油类燃料燃烧活动产生的CO₂排放量，单位为吨（tCO₂）；

为企业所有净消耗化油类燃料燃烧活动产生的CO₂排放量，单位为吨（tCO₂）；

为企业净购入电力在生产活动中产生的CO₂排放量，单位为吨（tCO₂）；

为企业净购入热力在生产活动中产生的CO₂排放量，单位为吨（tCO₂）；

为企业回收燃料燃烧或工业生产过程产生的CO₂并作为生产原料自用或作为产品外供的CO₂排放量，单位为吨（tCO₂）。

企业双碳管理仿真平台重点支撑"电力、热力、燃气及水生产和供应业"、"黑色金属冶炼和压延加工业"、"计算机、通信和其他电子设备制造业"、"石油加工、炼焦和核燃料加工业"、"通用设备制造业"、"专用设备制造业"、"水泥、石灰和石膏制造"、"陶瓷制品制造"、"造纸和纸制品业"、"食品制造业"、"酒、饮料和精制茶制造业"、"烟草制品业"、"化学原料和化学制品制造业"、"煤炭开采和洗选业"、"石油和天然气开采业"、"精炼石油产品制造"、"炼焦"、"有色金属冶炼和压延加工业"等几大行业下工业企业碳排管理评估。

碳排放量包括燃料燃烧排放、原材料消耗排放、过程排放、净购入能源排放等过程中二氧化碳排放量。以黑色金属冶炼和压延加工业企业为例，相关企业温室气体核算方法如下表：

（3）碳效评价算法

企业碳效综合指数（K）=SI*0.7+TI*0.2+AI*0.1

其中：

SI为企业碳排放强度指数，

TI为企业碳排放强度趋势指数；

AI为企业碳排放总量趋势指数。

企业碳效等级分为5级（A-E），等级A、等级B表示企业碳排水平高于行业平均水平，碳效值较好，属于碳排绿色企业；等级C表示企业碳排水平处于行业平均水平，还有一定的控碳、减碳空间；等级D、等级E表示企业碳排水平高于行业平均水平，碳效值较差，属于重点控排、减排企业。

构建企业综合碳效评价体系，精准评定企业碳排水平，实现企业碳排水平评价的公平化和合理化，为企业获取政策及金融支持提供判定标准，也为管理者开展企业节能减排工作提供抓手工具。

3.仿真结果输出展现

基于新型电力系统下企业双碳管理仿真平台，现以某钢铁集团有限公司碳排计算结果为例，对相应仿真输出结果进行展现。该企业月能耗总量为177565.19吨标煤，碳排总量为468094.87tCO₂e，其中煤的碳排放量为410662.82tCO₂e，占到企业碳排总量的87.73%，电的碳排放量为56676.05tCO₂e，油的碳排放量为856tCO₂e，其碳效综合指数为0.808，碳排放强度指数为0.346，碳效等级为D级。相关成果展示如下：

四、自我评价

能源、环境问题已经日益成为制约我国经济可持续发展的一个瓶颈，实现“碳达峰、碳中和”，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择。新型电力系统是以承载实现碳达峰碳中和，贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求为前提，而“双碳”战略落地可以提高可再生能源利用率及电力电子设备应用，有效解决“双高”问题。

企业作为能源消耗主体，涉及电、煤、油、气、热等多种能源消耗，不同行业不同企业的能源消耗结构存在较大差异，企业双碳管理仿真模型研究是实现碳排监测、碳排结构分析、碳效评价的重要手段，是企业实施减排降碳的重要依据，推动企业绿色低碳发展，助力能源领域数字经济发展，服务国家智慧能源体系构建。

基于新型电力系统下企业双碳管理仿真评估研究成果，已在某市已实现100家以上重点能耗企业的碳服务应用，实时掌握企业碳排数据，为企业开展年度碳核查提供数据支撑，降低企业碳排管理成本，满足企业“双碳”目标实现的需求，促进企业开展节能降碳行动，提升企业清洁能源利用率，降低企业碳排成本，同步降低本市其他温室气体及污染物的排放，减少空气质量治理费用支出，积极推动“双碳”目标实现。