从战略高度看待分布式能源——解决中国未来20年低碳发展面临的重大战略问题

以冷热电联供为特色的分布式能源系统(DES/CCHP)是实现低碳发展的重要途径之一,是中国继续和完成工业化、城市化的能源供应保障,也是促进天然气产业链上、中、下游均衡、快速、健康发展,推动中国加速一次能源结构转型的动力。提高占总能耗50%的工业能效的关键,是以工业园区DES/CCHP替代分散的小锅炉。通过DES/CCHP项目可提高占总能耗30%的商住能效,根据估算,每年可有0.3×1012kW·h原用于生活热水的电耗被节省下来。另外,通过减少长距离输电设施的投资建设费用和输变电损耗,可以节省输电投资4160亿元,还可节省煤矿建设投资1500亿元。到2020年,中国每年天然气消耗量将在4000×108m3左右,如果其中2700×108m3都用于与电网调峰相结合的工业、商住DES/CCHP,粗略估算,可替代动力煤9.7×108t,仅此一项就可使全国总能效提高6.8个百分点。再加上其他措施,使总能效提高到接近目前世界平均水平(50%)是很有可能的,同时有可能使2020年中国的煤炭消耗总量降回到30×108t/a的水平。相应还可以减排二氧化碳19×108t/a,加上优化产业结构、提高建筑物和交通能效等方面的贡献,到2020年中国的二氧化碳排放量有可能回落到74×108t/a左右。天然气DES/CCHP路线在社会总投资方面也是低于"以煤为主"路线的,如果以解决中国的能效和碳减排问题为战略目标来看待和发展分布式能源系统,必须着眼于大型项目。发展DES/CCHP的制约因素不是技术和资金,而是各级政府的能源战略观念。     

分布式冷热电联供能源系统与经济发展的关系

“十二五”期间中国15.7万亿元的增量经济大部分将在新规划的新区实现,但从各地正在规划和建设的新区情况来看,缺少从一次能源到终端需求的冷、热、电、汽全过程高效联供的分布式供能规划.据推算,若“十二五”期间新区能效不变,工业和建筑物燃料需求将增加3×108t标煤/a,而这显然是不可能的.新规划区域能源模式创新、提高能效是“十二五”中国经济发展的关键,采用天然气分布式冷热电联供能源系统(DES/CCHP),可使能源终端供应能效成倍提高.“十二五”期间中国必须从区域经济发展的能源保障高度来规划分布式冷热电联供,规划决策中要按照具体情况,以经济性、能效和碳排放指标是否最优为判据.CCHP可以调峰换取电价,实现互利双赢.制订区域DES/CCHP规划时应注意区域能源规划先行,摆脱热电联产的思维定势,树立冷热电联供的科学理念,不可忽视向居民供应生活热水起到的提高能效的作用,以及如何确定电力负荷、装机容量和节能减排指标等问题.     

区域型分布式冷热电联供能源系统的规划设计

分布式冷热电联供能源系统(DES/CCHP)在经济效益、能效、碳减排三方面都是比较好的组合方案,因而必将成为我国工业和商住能源终端供应保障的主要模式,而中国必须从自身国情出发,在"楼宇型"和"区域型"两种DES类型中做出选择。中国目前正处于快速实现工业化和城市化的中期,未来将集中建设一大批新工业园区和新城区;居民主要集中居住于住宅小区内;城市规划多半是将工业和商住集成布置;与发达国家同时进入智能电网时代,且由于DES技术的长足进步,中国能够发挥"后发优势"。鉴于上述基本国情,中国应及时规划建设一大批"区域型"DES/CCHP项目。DES/CCHP可实现"高能高用,低能低用,温度对口,梯级利用"的科学用能,效率可达80%以上。中国特色的区域型DES/CCHP的基本模式包括:挖掘发电用天然气提高能效的潜力、向居民供应热水、热泵+电站废热供暖、区域供冷(DCS)与天然气DES相结合。以往"以热定电"的原则已不再适用,应改为"以电为龙头"。适合于中国区域型DES/CCHP的基本模式和经济输送距离,能够把工业和商住用能集成在一起,实现冷、热、电、汽联供的区域面积大致在10km2的量级,相应的DES机组规模可分为4类。推广发展区域型DES/CCHP,地方政府、各大电力集团及地方电力能源企业、国营电网公司、国有大型石油公司都有合作共赢的机会,同时也必须承担相应的责任。     

中国分布式供能产业发展的几个问题

中国自2004年开始发展分布式冷热电联供(DES/CCHP),但进展缓慢,根源恐怕是现行生产关系束缚了新的生产力发展。DES/CCHP发展的外部经济边界条件主要是天然气与电的比价,驱动力是在市场机制下以提高能效而获得经济效益。中国天然气终端售价3元/m~3,CCHP项目发电燃料成本已超过0.6元/(k W·h),而上网电价仅0.5元/(k W·h)多一点,天然气与上网电的价格比与市场机制倒挂。国内天然气消费价格脱离市场经济规律的根源在于行政定价制约了上游开采的积极性,多层垄断大幅推高了中游的输配费用,利益博弈和行政干预推高了终端消费价格。而国内上网电价违背经济规律的症结在于,完全垄断电力输配的电网公司其眼前利益左右了电力价格的形成机制。另外,现行管理体制的核心是DES/CCHP项目由政策主导,驱动力是"示范项目"的财政补贴。行政管理机制不仅制约了DES/CCHP产业的发展,也束缚了我国DES/CCHP技术自主创新和系统优化的空间。DES/CCHP未来将成为以可再生能源为主的智慧能源网络的基本供能单元,将成为向低碳能源转型的主战场。未来15~20年间,应在新开发的工业园区和城区普遍推广天然气DES/CCHP,以天然气CCHP替代既有城市终端燃煤,促进互联网+智慧能源建设。     

DES/CCHP系统和区域能源利用效率计算方法及影响因素分析

天然气分布式冷热电联供(DES/CCHP)是中国“十二五”期间提高能效、保障经济发展的重要战略举措,其评价指标是能源利用效率、经济效益、碳排放.DES/CCHP实现高效的技术关键包括:把所有终端用能集成为一个“总能源系统”;科学用能,核心是尽可能减小每一级用能的(火用)损耗;尽可能安排多个冷、热、电、汽终端用户时空分布的最优组合;需要较大的系统规模.新区DES/CCHP系统能效是决定区域总能效的最主要因素,两者的区别在于交通用能、其他用能和外来电力,可在取得相应数据基础上计算得出.计算能源利用效率的一般公式是:能效=终端耗用各种能源总量之和/耗用的一次能源总量,CCHP能效计算的分子必须是全部终端用能,必须按照8650h/a不同负荷逐时累加求和计算,不能取设计工况数据;分母必须全部折算成一次能源.在计算出区域规划的能效、总能耗和一次能源构成后,便可按照规划目标年度的GDP数据,推算出能源强度、碳强度和二氧化碳排放量等低碳发展指标.影响区域能源利用效率的因素包括外部因素——天然气价格与上网电价,客观因素——产业格局、气候条件和实际进展与规划格局的差异,以及主观因素等,其中外部、客观因素是决定能效的硬性约束.     

分布式供能系统建模优化能流逻辑思维图详解

针对复杂分布式供能系统DES/CCHP建模优化中把不同子系统的目标函数形式上加合成为系统目标函数但因其相互间并不存在关联而无法求解的问题，给出了表述DES/CCHP与其各个子系统的能流关系的逻辑思维图，指出了DES/CCHP包括蒸汽动力、区域供冷、区域供暖、生活热水、可再生能源发电、工业余热利用、智能微电网、天然气微网及LNG物流、氢能等9个子系统，提出了采用分解协调优化的策略和方法；首先对拓扑结构、设备参数、各种变量之间有可描述关系的各子系统分别建模和优化求解；然后在各个子系统之间多次迭代协调优化，电力是最主要的协调变量；进而指出上图是物理模型和能流模型的集成，但也蕴含着多种功能层次模型；只有在多种运行/营销层次工况初步优化结果的基础上才能建立设计/决策层次模型，并反复迭代才能获得优化结果。强调优化的直接目标是经济性，最高能效目标来自基于科学用能原理所选择的子系统拓扑结构和参数，碳排放最少的目标则取决于能效和一次能源的构成。上述方法已用于多个天然气DES/CCHP工程的规划和建设，有重要的科学意义和实用前景。     

从燃煤热电联产到天然气冷热电联供——中国工业和建筑物从一次能源到终端利用模式的战略转型

燃煤热电联产(CHP)与天然气冷热电联供(DES/CCHP)是非常重要的能源系统技术。CHP着眼于一次能源转换效率的提高,但能采用CHP的工业有限,而建筑物用能中也只有冷季节的供暖,加之碳减排的压力,进一步压缩了燃煤CHP的发展空间。天然气的快速发展和科技进步催生了DES/CCHP技术,它以"高能高用、低能低用,温度对口、梯级利用"理论指导能源领域全过程的系统优化、能效提高,目标是高能效、经济性和碳减排。中国发展燃煤CHP和天然气CCHP都比世界迟了几十年,燃煤CHP仍将继续发挥作用,而加快发展天然气CCHP无疑更为重要。"十二五"期间新增GDP的相当大一部分是在新开发的工业园区和新城区,如果新区新增1200×108m3/a天然气用量,把发电和供冷、热、汽集成在一起,建设几百个百兆瓦级的区域型DES/CCHP,就能替代3×108t标煤/a,可比传统利用途径多替代约1×108t标煤/a。如何付诸实现,首先必须转变观念,要从能源全局和战略高度规划天然气CCHP;其次有关部门应尽快把提高能效、碳减排和碳排放份额指标分解落实到位;还要制定各种政策、法规给予支持。     

促进储能技术与产业发展

正储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、"互联网+"智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务,是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段;储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平,支撑分布式电力及微网,是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术;储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同,是构建能源互联网,推动电力体制改革和促进能源新业态发展     

能源利用方式革命需要立法推动

在上千个新开发工业(城)区全面实行天然气热电联供(CHP)和冷热电联供(CCHP)是当前能源革命的主战场。到2020年和2035年,我国大中型天然气CHP及CCHP总装机分别可达200GW和450GW,发电量分别可达1万亿kWh/a和2万亿kWh/a,使总能效由37%提高到50%,2025年实现绝对碳减排。制订《区域能源规划法》,实现能源系统与新区产业发展、土地利用等同步规划与衔接;统一区域能效、能源强度、碳强度等指标计算方法;进一步明确执法与监督责任。深化能源体制和机制改革,取消DES/CCHP的财政补贴,强化政府的执法、规划、监管、财税金融支持、宏观调控及研发等职能。     

关于能源互联网层次架构的思考

能源利用系统包括一次能源通过载能介质的转换传输最终在工业、建筑物、交通运输三个领域以电、热和运输驱动力三种方式得以终端利用,是能源利用全过程的普遍规律。未来以可再生能源为主时代,能源互联网EI以智能电网、智能天然气管网为骨架,联结千万个基本单元—分布式供能系统DES,在高、低端储能辅助下实现高效转换和供需平衡。EI中的所有网络和单元都须先明晰其物理架构、流结构和功能层次结构等,才能建立表现为计算机软件的模型,并借助于互联网、大数据、云计算和人工智能实现规划、调度、管理和交易的优化,实现实时平衡和安全保障。     

储能技术应用场景和发展关键问题

  [目的]  储能是能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术,能够提供调峰、调频等多种服务,是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段。  [方法]  综述了现有主要储能技术的特点,分析了电源侧、用户侧和电网侧应用场景下储能的作用和需求。根据应用现状,指出影响储能进一步发展应用的安全性、经济性和商业模式关键问题。  [结果]  最后从储能应用方角度提出应加强储能运行模拟、多重组合利用、集中和分散相结合等建议。  [结论]  研究结论可为储能技术的应用研究和发展提供参考。     

关于智能电网发展的几点思考

  [目的]  为了理清智能电网作为新一代能源体系核心平台的相关概念和发展思路。  [方法]  利用文献综述法梳理了微电网、泛能网和能源互联网的概念及其与智能电网的关系。结合我国的能源发展现状和战略需求,探讨了我国智能电网的建设思路和重点。  [结果]  智能电网是传统电力系统和现代信息技术的深度融合,而能源互联网是智能电网和互联网思维模式、技术的深度融合。智能电网是能源互联网的基础平台,微电网、泛能网、智能电网和能源互联网都以实现更加清洁、高效、灵活的用能为目标。  [结论]  智能电网建设应在强调高压侧智能化控制的同时,同步建设智能配电网,鼓励以多能互补为核心的泛能网的发展。     

能源体制改革开创能源互联网时代

中国当前进入能源体制深化改革时期,业内对未来能源格局、“互联网＋能源”等纷纷解读、莫衷一是。回顾了国内外从智慧能源系统到能源互联网的发展历程,阐述了对能源互联网的认识以及能源体制改革对发展能源互联网的意义。未来能源体系由基础能源互联网及更高层级的能源互联网构成,具有开放、平等、互动、共享的特点;以人为本是能源互联网的基本出发点,互联网使得能源系统诸多环节趋于最优化,最终能为每个人提供“最佳”能源服务;能源互联网有望容纳更多可再生能源,天然气分布式能源在其中的备用、调节作用增强;能源互联网代表着先进生产力,有望解决当前能源问题,并催生新型能源服务行业,助力中国社会经济转型。     

燃气轮机和内燃机在天然气冷热电联供系统中的性能比较

天然气冷热电联供系统中驱动装置的选型对系统的运行性能至关重要.在这一背景下,分析比较了燃气轮机和内燃机在冷热电联供系统中的发电效率、热效率、一次能源利用率等性能指标以及对环境的影响,并以北京市某宾馆为例设计了天然气冷热电联供系统方案,在余电可上网出售的条件下,利用RETScreen软件分别比较了天然气价和电价对燃气轮机系统和内燃机系统运行利润的影响.