CN117744901A - 一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法与系统，所述方法包括：根据给定碳排量与碳汇量目标值生成碳排量和碳汇量时序轨迹；以碳排量时序轨迹为输入，通过各部门/行业间碳排放预算的优化分配以及各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化，进行减排措施统筹协调；以碳汇量时序轨迹为输入，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径上的协调和优化，进行碳增汇途径的统筹协调；构建目标函数，基于碳减排路径和碳增汇路径优化结果进行碳轨迹寻优和碳终态寻优。本发明利用碳减排与碳增汇的时空互补特性降低转型期总经济代价，能够反映复杂非线性因素的影响，且优化结果不易随参数微小变化而出现大幅改变。
Description
技术领域
本发明涉及低碳发展规划技术领域，尤其涉及一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法与系统。
背景技术
人类与自然和谐共存是经济、社会发展永恒的主题。然而，工业革命以来，能源利用带来的温室气体过量排放，引发了地球表面温室效应和气候失衡，对人类自身生存产生了巨大威胁，绿色低碳发展已成为全社会的共识。应对气候变化的关键在于“控碳”，对于所有面临碳中和目标的对象系统(例如中国、中国某省份或某传统能源企业)，以最优的方式实现低碳发展必须对技术-经济-环境特性存在统筹协调空间的碳减排与碳增汇措施进行优化。
低碳发展路径优化是一个复杂的非线性问题。当前，相关方法将原问题简化为混合整数线性规划问题，根据各类低碳措施的技术、经济和环境参数，逐个时步内优化低碳措施路径。上述方法的局限性主要包括：未能反映低碳发展路径优化问题的非线性因素；技术、经济和环境参数的微小变化可导致优化结果大幅改变，无法为面临低碳转型任务的决策者们提供稳健决策规划支持；在低碳发展规划时对碳减排和碳增汇不加区分，不利于两种技术类型基于各自所处发展阶段和特征匹配合适的发展目标和路径。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种根据减排和增汇技术各自发展阶段和特征匹配的反映复杂非线性因素影响的碳减排与碳增汇路径协调优化方法与系统。
技术方案：本发明所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，包括以下步骤：
(1)根据给定碳排量与碳汇量目标值生成碳排量和碳汇量时序轨迹；
(2)以碳排量时序轨迹为输入，通过各部门/行业间碳排放预算的优化分配以及各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化，构建碳减排路径优化模块，进行减排措施内部整体统筹；
(3)以碳汇量时序轨迹为输入，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径的协调和优化，构建碳增汇路径优化模块，进行增汇途径统筹协调；
(4)构建考虑各类碳减排和碳增汇相关经济代价的目标函数，基于碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块的优化结果，首先进行碳轨迹寻优，考虑碳减排与碳增汇发展路径的匹配，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定，直至无法改善目标函数值；然后进行碳终态寻优，考虑目标任务在碳减排与碳增汇间的分解，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量目标值，直至无法改善所述目标函数值。
优选地，步骤(1)中所述生成碳排量和碳汇量时序轨迹包括：
碳排放时序轨迹为由2个点和/>按照不同曲线形状外生的时序轨迹，碳汇量时序轨迹为由2个点/>和/>按照不同曲线形状外生的时序轨迹，其中，tstart、/>和/>分别为起始时间及该时间对应的碳排放量初值和碳汇量初值；tend、/>和/>分别为规划终点时间及该时间对应的碳排放量初值和碳汇量初值。
优选地，步骤(2)中所述各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化包括各部门/行业间碳减排实施路径的协调和各部门/行业内部碳减排实施路径的优化；所述各部门/行业间碳减排实施路径的协调，包括减排量任务的协调和减排措施的协调，其中减排量任务的协调是指逐年碳预算在各部门/行业的分配；减排措施的协调是指最大化发挥各部门/行业减排措施的增益效果。
优选地，所述各部门/行业内部碳减排实施路径的优化，指调整该部门/行业减排措施类型和实施力度，使碳排放量满足预算要求的条件下碳减排的经济代价最小化。
优选地，步骤(3)中所述技术碳汇为通过碳捕集、利用与封存技术从工业生产、能源利用或大气中移除二氧化碳并长期储存的增汇途径；自然碳汇为提升生态碳汇能力的增汇途径。
优选地，步骤(3)中所述两类增汇途径实施路径的协调和优化包括两类增汇途径间实施路径的协调和各增汇途径内部实施路径的优化；所述两类增汇途径间实施路径的协调包括增汇量任务的协调和增汇措施的协调，其中增汇量任务的协调是指逐年碳增汇需求在两类增汇途径间的分配；增汇措施的协调是指最大化发挥两类增汇措施之间的互补增益效果。
优选地，所述各增汇途径内部实施路径的优化，指调整增汇措施的类型及实施力度，使增汇量满足碳汇需求条件下碳增汇的经济代价最小化。
优选地，步骤(4)中所述碳轨迹寻优是指在给定的碳排量和碳汇量目标下协调优化碳排量与碳汇量时序轨迹，通过计算给定碳排量与碳汇量时序轨迹下的最优碳减排与碳增汇实施路径，以最优实施路径标识该对碳轨迹，比较不同碳轨迹设定下的最优实施路径，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定，直至无法改善目标函数值。
优选地，步骤(4)中所述碳终态寻优是指碳排量与碳汇量目标值的协调优化，通过聚合碳排量和碳汇量轨迹优化的结果，以碳排量和碳汇量协调最优轨迹标识该碳排量/碳汇量目标设定值，比较不同碳排量/碳汇量目标设定值下的最优轨迹，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量目标值，直至无法改善目标函数值。
优选地，步骤(4)中所述目标函数是指计及不确定性因素的风险成本最小化或风险收益最大化。
本发明所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化系统，包括：
碳减排路径优化模块，用于在给定的碳排量时序轨迹下，通过各部门/行业间碳排放预算的优化分配以及各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化，进行减排措施内部整体统筹；
碳增汇路径优化模块，用于在给定的碳汇量时序轨迹下，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径的协调和优化，进行两类增汇途径的统筹协调；
碳减排与碳增汇协调模块，聚合碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块的优化结果，基于目标函数进行碳轨迹和碳终态寻优，考虑碳减排与碳增汇发展路径的匹配以及目标任务在碳减排与碳增汇间的分解，分别搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定和目标值设定，直至无法改善所述目标函数结果，输出最优碳减排与碳增汇实施路径。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：可以反映低碳发展路径优化问题的非线性因素；将低碳发展路径优化问题转化为碳减排路径优化、碳增汇路径优化以及碳减排路径优化与碳增汇路径优化之间的协调，能够根据减排和增汇技术各自的发展阶段和特征匹配合适的发展路径，利用碳减排与碳增汇在技术、经济和环境等方面的时空互补特性降低转型期总经济代价；本发明为基于预设轨迹的后评估方法，能够计及指定的低碳发展目标，优化结果不会因参数微小变化而出现大幅改变，可以为面临低碳转型任务的决策者们提供稳健决策规划支持。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，用于国家/地区/企业的低碳发展规划，包括构建两个内层优化子模块与一个外层协调子模块，其中两个内层优化子模块是指碳减排路径优化模块、碳增汇路径优化模块，一个外层协调子模块是指碳减排与碳增汇协调模块。具体包括以下步骤：
(1)根据给定碳排量与碳汇量目标值生成碳排量和碳汇量时序轨迹。具体包括：
针对碳排量，在以时间为横轴、碳排放量为纵轴的二维平面中，碳排放时序轨迹初值由2个点和/>之间的时序轨迹所确定，时序轨迹可按不同曲线形状外生指定；其中tstart、/>分别为起始时间及起始时间碳排放量初值；tend、/>分别为终点时间及终点时间碳排放量初值。
针对碳汇量，在以时间为横轴、碳汇量为纵轴的二维平面中，碳汇量时序轨迹初值由2个点和/>之间的时序轨迹所确定，时序轨迹可按不同曲线形状外生指定。其中，tstart、/>分别为起始时间及起始时间碳汇量初值；tend、/>分别为规划终点时间及终点时间碳汇量初值。
(2)构建碳减排路径优化模块，实现减排措施内部整体统筹。以碳排量时序轨迹为输入，通过各部门(行业)间碳排放预算的优化分配以及各部门(行业)碳减排实施路径的协调和优化，得到优化后的碳减排路径，并判断是否为碳排放预算的最优分配方案，若是则输出，若不是，则返回重新进行预算分配和碳减排路径优化。
所述各部门(行业)碳减排实施路径的协调和优化包括各部门(行业)间碳减排实施路径的协调和各部门(行业)内部碳减排实施路径的优化。
其中，所述各部门(行业)间碳减排实施路径的协调，包括减排量任务的协调和减排措施的协调，其中减排量任务的协调是指逐年碳预算在各部门(行业)的分配；减排措施的协调是指最大化发挥各部门(行业)减排措施的增益效果，例如钢铁行业推行电弧炉炼钢与电力行业发展新能源具有增益效果。
所述各部门(行业)内部碳减排实施路径的优化，指调整该部门(行业)减排措施类型和实施力度，使碳排放量满足预算要求的条件下碳减排的经济代价最小化。对不同部门和行业采取差异化的减排措施，例如电力行业的减排措施主要为非化石能源发电对化石能源发电的替代、节能改造等；钢铁行业的减排措施包括节能改造、燃料转换等。
(3)构建碳增汇路径优化模块，实现两类增汇途径的统筹协调。以碳汇量时序轨迹为输入，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径的协调和优化，得到优化后的碳增汇路径，并判断是否为碳汇量需求下的最优分配方案，若是则输出，若不是，则返回重新进行碳汇量需求分配和碳增汇路径优化。
其中，技术碳汇为通过碳捕集、利用与封存技术从工业生产、能源利用或大气中移除二氧化碳并长期储存的增汇途径；自然碳汇为通过植树造林、植被恢复等措施提升生态碳汇能力的增汇途径。
所述两类增汇途径实施路径的协调和优化包括两类增汇途径间实施路径的协调和各增汇途径内部实施路径的优化。
所述两类增汇途径间实施路径的协调包括增汇量任务的协调和增汇措施的协调，其中增汇量任务的协调是指逐年碳增汇需求在两类增汇途径间的分配；增汇措施的协调是指两类增汇措施之间能互补增益，例如加强森林管护(包括对成熟林和过熟林的采伐更新)可以产生更多的农林生物质制备生物质能源，发展生物质能碳捕集与封存。
所述各增汇途径内部实施路径的优化，指调整增汇措施的类型及实施力度，使增汇量满足既定需求的条件下碳增汇的经济代价最小化。
(4)构建碳减排与碳增汇协调模块。所述碳减排与碳增汇协调模块将生成的碳排量时序轨迹和碳汇量时序轨迹分别传递给碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块，作为两个内层优化子模块的输入；聚合两个内层子模块的优化结果，并根据聚合结果优化调整碳终态(即碳排量与碳汇量的终点年目标值)和碳轨迹(即碳排量与碳汇量的时序轨迹)的设定，进行碳减排与碳增汇的协调。具体包括：
(4.1)聚合碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块的输出结果判断是否为给定碳排量和碳汇量目标下的协同最优轨迹；若是，则进入步骤(4.2)，否则进行碳排量与碳汇量时序轨迹的协调优化，即碳轨迹寻优。
所述碳排量与碳汇量时序轨迹的协调优化是在给定的碳排量和碳汇量目标下，通过调用碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块，分别计算出最优碳减排与碳增汇实施路径，以最优实施路径标识该对碳轨迹，比较不同碳轨迹设定下的最优实施路径，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定，直至无法改善目标函数值。在此过程中，需要考虑碳减排与碳增汇发展路径的匹配，即中间轨迹的协调。这是因为碳减排与碳增汇措施之间存在直接耦合关系，如某些碳捕集与封存设施(一种碳汇措施)需与碳排放源相结合，故需先确定碳排放源信息才可确定碳汇措施。
(4.2)判断是否为给定终点年目标值下的碳排量和碳汇量协同最优目标，若是则输出最优碳减排与碳增汇实施路径，否则进行碳排量与碳汇量目标值的协调优化，即碳终态寻优。在此过程中，需要考虑终点年目标值的协调，即终点年目标任务在碳减排与碳增汇两领域间的分解。其中，所述终点年目标值是指终点年净排放量，即碳排放量与碳汇量的差值。
所述碳排量与碳汇量目标值的协调优化是指通过聚合下层碳排量和碳汇量轨迹优化的结果，以碳排量和碳汇量协调最优轨迹标识该碳排量/碳汇量目标设定值，比较不同碳排量/碳汇量目标设定值下的最优轨迹，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量目标值，直至无法改善目标函数值。
其中，所述目标函数是指计及不确定性因素的风险成本最小化或风险收益最大化，包括各类碳减排措施与碳增汇措施相关经济代价以及碳排和碳汇相关业务收益和成本等。
对于国家和地区层面的低碳发展战略决策，目标函数为给定的规划时段内累积经济代价最小化：
式中，i、I为情景编号和总情景数；t、T为时步编号和转型期内时步总数；Pi为情景权重，通常取值为情景概率，各情景权重之和为1；EconCost_CERt,i为第i种情景下主要碳排放行业(如能源、交通和工业等)在时步t内的转型期成本(建设和运行成本)与各种不确定性因素引起的风险代价(如新能源高比例并网引起的电网运行风险)之和；EconCost_CESt,i为第i种情景下自然碳汇(如森林碳汇)和技术碳汇(如碳捕集利用与封存)在时步t内的增汇成本与各种不确定性因素引起的风险代价(如二氧化碳在储运和封存过程的泄露风险)之和。
对于企业层面的低碳发展战略优化，目标函数为给定的规划时段内累积经营收益最大化：
式中，OIt,i为第i种情景下企业在时步t内的经营收入，包括企业碳排相关业务收入(如发电收入等)和碳汇相关业务收入(如发展林业碳汇和CCUS获得的碳资产收入等)；OCt,i为第i种情景下企业在时步t内的经营成本，包括企业碳排相关业务成本(如发电成本和发电碳排放成本等)和碳汇相关业务成本(如发展林业碳汇和CCUS的成本)。
不同研究对象对应目标函数的构成项存在一定差异，针对具体的对象应具体分析。
本发明所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化系统，包括：碳减排路径优化模块，用于在给定的碳排量时序轨迹下，通过各部门/行业间碳排放预算的优化分配以及各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化，进行减排措施内部整体统筹；
碳增汇路径优化模块，用于在给定的碳汇量时序轨迹下，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径的协调和优化，进行两类增汇途径的统筹协调；
碳减排与碳增汇协调模块，聚合碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块的优化结果，基于目标函数进行碳轨迹和碳终态寻优，考虑碳减排与碳增汇发展路径的匹配以及目标任务在碳减排与碳增汇间的分解，分别搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定和目标值设定，直至无法改善所述目标函数结果，输出最优碳减排与碳增汇实施路径。
Claims (11)
1.一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据给定碳排量与碳汇量目标值生成碳排量和碳汇量时序轨迹；
(2)以碳排量时序轨迹为输入，通过各部门/行业间碳排放预算的优化分配以及各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化，构建碳减排路径优化模块，进行减排措施内部整体统筹；
(3)以碳汇量时序轨迹为输入，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径的协调和优化，构建碳增汇路径优化模块，进行增汇途径统筹协调；
(4)构建包括各类碳减排措施和碳增汇措施相关经济代价的目标函数，基于碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块的优化结果，首先进行碳轨迹寻优，考虑碳减排与碳增汇发展路径的匹配，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定，直至无法改善目标函数值；然后进行碳终态寻优，考虑目标任务在碳减排与碳增汇间的分解，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量目标值，直至无法改善所述目标函数值。
2.根据权利要求1所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(1)中所述生成碳排量和碳汇量时序轨迹包括：
碳排放时序轨迹为由2个点[tstart,ces 0 tart]和[tend,cee 0 nd]按照不同曲线形状外生的时序轨迹，碳汇量时序轨迹为由2个点[tstart,css 0 tart]和[tend,cse 0 nd]按照不同曲线形状外生的时序轨迹，其中，tstart、ces 0 tart和css 0 tart分别为起始时间及该时间对应的碳排放量初值和碳汇量初值；tend、cee 0 nd和cse 0 nd分别为规划终点时间及该时间对应的碳排放量初值和碳汇量初值。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(2)中所述各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化包括各部门/行业间碳减排实施路径的协调和各部门/行业内部碳减排实施路径的优化；所述各部门/行业间碳减排实施路径的协调，包括减排量任务的协调和减排措施的协调，其中减排量任务的协调是指逐年碳预算在各部门/行业的分配；减排措施的协调是指最大化发挥各部门/行业减排措施的增益效果。
4.根据权利要求3所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，所述各部门/行业内部碳减排实施路径的优化，指调整该部门/行业减排措施类型和实施力度，使碳排放量满足预算要求的条件下碳减排的经济代价最小化。
5.根据权利要求1所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(3)中所述技术碳汇为通过碳捕集、利用与封存技术从工业生产、能源利用或大气中移除二氧化碳并长期储存的增汇途径；自然碳汇为提升生态碳汇能力的增汇途径。
6.根据权利要求5所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(3)中所述两类增汇途径实施路径的协调和优化包括两类增汇途径间实施路径的协调和各增汇途径内部实施路径的优化；所述两类增汇途径间实施路径的协调包括增汇量任务的协调和增汇措施的协调，其中增汇量任务的协调是指逐年碳增汇需求在两类增汇途径间的分配；增汇措施的协调是指最大化发挥两类增汇措施之间的互补增益效果。
7.根据权利要求6所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，所述各增汇途径内部实施路径的优化，指调整增汇措施的类型及实施力度，使增汇量满足碳汇需求条件下碳增汇的经济代价最小化。
8.根据权利要求1所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(4)中所述碳轨迹寻优是指在给定的碳排量和碳汇量目标下协调优化碳排量与碳汇量时序轨迹，通过计算给定碳排量与碳汇量时序轨迹下的最优碳减排与碳增汇实施路径，以最优实施路径标识该对碳轨迹，比较不同碳轨迹设定下的最优实施路径，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定，直至无法改善目标函数值。
9.根据权利要求1所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(4)中所述碳终态寻优是指碳排量与碳汇量目标值的协调优化，通过聚合碳排量和碳汇量轨迹优化的结果，以碳排量和碳汇量协调最优轨迹标识该碳排量/碳汇量目标设定值，比较不同碳排量/碳汇量目标设定值下的最优轨迹，搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量目标值，直至无法改善目标函数值。
10.根据权利要求1所述的一种碳减排与碳增汇路径协调优化方法，其特征在于，步骤(4)中所述目标函数是指计及不确定性因素的风险成本最小化或风险收益最大化。
11.一种碳减排与碳增汇路径协调优化系统，其特征在于，包括：
碳减排路径优化模块，用于在给定的碳排量时序轨迹下，通过各部门/行业间碳排放预算的优化分配以及各部门/行业碳减排实施路径的协调和优化，进行减排措施内部整体统筹；
碳增汇路径优化模块，用于在给定的碳汇量时序轨迹下，通过碳汇量需求在技术碳汇和自然碳汇间的优化分配以及两类增汇途径实施路径的协调和优化，进行两类增汇途径的统筹协调；
碳减排与碳增汇协调模块，聚合碳减排路径优化模块和碳增汇路径优化模块的优化结果，基于目标函数进行碳轨迹和碳终态寻优，考虑碳减排与碳增汇发展路径的匹配以及目标任务在碳减排与碳增汇间的分解，分别搜索使目标函数值得到改善的碳排量与碳汇量轨迹设定和目标值设定，直至无法改善所述目标函数结果，输出最优碳减排与碳增汇实施路径。
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