《Energy Conversion and Management-X》：Carbon reduction strategy based on coordination of production stages in cement manufacturing enterprises considering locational marginal carbon emission
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为应对水泥行业间接碳排放被忽视的挑战，本研究提出一种基于区位边际碳排因子(LMCEF)的两阶段随机优化方法。通过动态调控可控生产环节（如破碎、粉磨）的运行状态与速率，并利用仓库库存缓冲效应，在保证日产量目标前提下，实现了15.35%的间接碳减排。该方法有效平抑了可再生能源波动带来的不确定性，为高耗能行业低碳转型提供了创新路径。
在全球气候治理加速的背景下，高耗能行业的碳减排已成为实现《巴黎协定》温控目标的核心议题。作为世界最大的水泥生产国，中国水泥行业占全国工业碳排放总量的13%，每吨水泥的碳强度高达0.82吨CO2。更严峻的是，欧盟碳边境调节机制(CBAM)等贸易政策对水泥等建材出口征收每吨50-60欧元的潜在碳成本，严重削弱了水泥企业的出口竞争力。传统碳减排策略主要聚焦于直接排放，如碳捕集、节能技改和替代燃料，却往往忽视了外购电力产生的间接碳排放。随着工业电气化进程的推进，电力将逐步替代部分化石能源，间接碳排放占比将持续攀升，这使得现有减排策略难以适应电力替代趋势。
为突破这一瓶颈，发表在《Energy Conversion and Management-X》上的研究创新性地提出了基于区位边际碳排因子(LMCEF)协同控制水泥生产环节的碳减排策略。区别于采用平均碳因子的静态调度，该方法引入两阶段随机优化框架：日前阶段预先制定可控环节（原料破碎、输送、粉磨、熟料粉磨、包装）的启停计划；实时阶段则根据实际LMCEF波动动态调整生产速率。LMCEF能够精准反映边际电源的实时碳强度，从而引导企业将高耗电工序转移至低碳时段。同时，借助原料库、粉磨库、熟料库等仓库的库存缓冲作用，确保生产调整不会导致物料中断，维持了运营连续性。
研究团队构建了水泥企业八阶段生产流程的精细化模型，包括原料破碎、输送、粉磨、预热、煅烧、冷却、熟料粉磨及包装。关键技术创新在于将LMCEF与生产控制深度融合：一方面利用LMCEF实时反映边际电源碳强度的特性，指导可控环节的运行状态与生产速率；另一方面发挥仓库库存的缓冲效应，确保生产调整不影响物料供应。通过IEEE 30节点系统与湖南某实际水泥企业数据的验证表明，该方法在维持日产量5000吨不变的前提下，间接碳排放降低15.35%。其中，日前启停调度贡献12.49%的减排量，实时速率优化进一步贡献2.86%，展现出对可再生能源波动的强鲁棒性。
主要技术方法包括：
- 1.
建立水泥生产八阶段电力/煤耗模型，量化各环节碳排放；
- 2.
采用区位边际碳排因子(LMCEF)替代平均碳因子，精准核算间接碳排放；
- 3.
设计两阶段随机优化框架，日前阶段制定启停计划，实时阶段调整生产速率；
- 4.
基于IEEE 30节点系统进行最优潮流计算，动态更新LMCEF；
- 5.
通过仓库库存约束确保生产连续性，避免物料中断。
生产环节碳排放特性
通过建立各阶段能耗模型，揭示原料破碎、输送等可控环节可通过调节速率实现负荷转移，而预热、煅烧等高温环节需持续运行。这为协同控制提供了理论依据。
LMCEF时空分布规律
分析表明，LMCEF在凌晨风电高发期可降至0，日间负荷高峰时达1.15 kg CO2/kWh。这种时空异质性为负荷转移创造了条件。
协同控制减排效果
案例对比显示：传统平均碳因子方案（案例1）间接碳排放为733.2吨；日前优化方案（案例2）降至641.6吨；两阶段优化方案（案例3）进一步降至620.7吨，减排效果显著。
库存缓冲机制验证
各仓库库存量在低碳时段累积、高碳时段消耗，既保障了连续生产，又为负荷转移提供了操作空间，证明库存约束设计的有效性。
可再生能源波动适应性
敏感性分析表明，在风电/光伏出力±20%波动范围内，两阶段优化仍能保持13.21%-15.57%的减排率，远优于单一日前优化的6.31%-12.49%，凸显其抗干扰能力。
该研究突破了传统水泥碳减排策略聚焦直接排放的局限，开创了基于电力碳流追踪的间接排放控制新范式。通过将LMCEF这一电网侧碳计量工具与生产过程深度耦合，实现了对间接碳排放的精准感知与动态优化。所提出的两阶段随机优化方法不仅解决了可再生能源不确定性带来的挑战，更通过库存约束保障了生产稳定性，使碳减排与生产经营目标协同推进。这项研究为高耗能行业应对CBAM等碳关税机制提供了关键技术支撑，对工业领域实现"双碳"目标具有重要实践意义。未来可进一步融合厂内光伏、余热发电等分布式能源，形成多能协同的零碳生产解决方案。
