分布式能源在能源变革中需要创新发展

发布日期:2017-10-09

分布式能源是未来世界能源技术的重要发展方向,是指将冷、热、电系统以小规模、小容量、 模块化、分散式的方式布置在用户附近,可独立地输出冷、热、电的系统,其核心在于通过冷、热、 电三联供技术,利用先进的燃气轮机或燃气内燃机燃烧清洁的天然气发电,对做功后的余热进一步回收,用来制冷、供暖和制备生活热水,从而实现对能源的阶梯利用,提高能源的综合利用效率。由于兼具发电、供热(冷)等多种能源服务功能,分布式能源可以有效地实现能源的梯级利用,达到更高的能源综合利用效率。分布式能源具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活等特点,积极推动燃气分布式能源发展,对扩大燃气利用领域、调整能源结构、促进节能减排和经济持续、健康 发展具有重要的现实意义。

但是,分布式能源在发展过程中还存在并网、供电质量、容量储存、燃料供应等问题有待解决。要实现国家在《能源发展“十二五”规划》提出的“到2020 年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机规模达到 5000 万千瓦,初步实现分布式能源装备产业化”的目标,需要共同努力推进。这是第十一次金桥会议研讨的核心问题,通过思想的交流和碰撞,我们认为,推进分布式能源在能源变革进程中发展,需要创新思路、协同合作在政策扶持、互联网技术整合、示范应用推广等方面着力推进。


一、分布式能源发展仍需要政策持续支撑

我国分布式能源系统的建设始于20 世纪末,发展至今,已历经多次政府规制改革,每次改革都是一次推动,每次改革都是一次进步。自2011 年以来,分布式能源系统建设工作得到国家和地方政府及相关部门的大力支持,先后出台多项扶持政策和管理办法。

(一)国家政策

●《关于发展天然气分布式能源的指导意见》

2011 年10 月8 日,国家发展与改革委员会、财政部、住建部、国家能源局下发发改能源〔2011〕2196号文《关于发展天然气分布式能源的指导意见》( 以下简称《意见》) 。《意见》明确指出,在“十二五”期间,我国拟建设1000 个天然气分布式能源项目,到2020 年,全国分布式能源装机容量达到50 GW。

●《分布式发电暂行管理办法》

2013 年7 月19 日,国家发展与改革委员会发布发改能源〔2013〕1381 号文《分布式发电暂行管理办法》( 以下简称《办法》) 。《办法》指出,分布式发电方式除风能、太阳能、生物质能发电和小水电等自愿综合利用发电外,综合能源利用效率高于70% 且电力就地消纳的天然气热电冷联供均适用该办法。对于以35 kV 及以下电压等级接入配电网的分布式发电,电网企业应按专门设置的简化流程办理并网申请,提供咨询、调试和并网验收等服务。分布式发电的运行管理以自发自用为主、多余电量上网,电网调剂余缺。

●《关于当前开展电力用户与发电企业直接交易有关事项的通知》

2013 年7 月29 日,国家能源局综合司发布国能总监管〔2013〕258 号文《关于当前开展电力用户与发电企业直接交易有关事项的通知》( 以下简称《通知》) 。《通知》指出,按照平稳有序的原则逐级开放用户。近期先开放用电电压等级110 kV( 66 kV) 及以上用户,有条件的可开放35 kV( 10 kV) 及以上工业用户或10 kV 及以上的高新技术企业、战略型新型产业参与直接交易。条件成熟的地区可探索商业用户与分布式发电企业之间开展直接交易,以及工业园区和独立配售电企业整体作为用户参与直接交易。

●《大气污染防治行动计划》

2013 年9 月10 日,国务院印发国发〔2013〕37号文《大气污染防治行动计划》( 以下简称《计划》) 。《计划》鼓励发展天然气分布式能源等高效利用项目,限制发展天然气化工项目; 有序发展天然气调峰电站,原则上不再新建天然气发电项目。

●《大力发展分布式发电若干意见的通知》

2013 年10 月8 日,国家能源局发布国能新能〔2013〕366 号文《大力发展分布式发电若干意见的通知》( 以下简称《通知》) 。《通知》指出了分布式发电开发建设的基本原则: 应采用“自发自用为主、多余电量上网,电网平衡调节”的运营模式,贯彻分散开发、就地消纳的方针,避免大规模集中建设和电力升压远送。及时启动修改《电力法》《可再生能源法》和《电力供应与使用条例》等法律和法规,确保分布式发电项目建设和运营模式的法律地位。全面放开用户端分布式发电市场,鼓励以“能源合同管理”模式引进投资方建设和运营分布式发电设施; 电网应完善并做好并网服务; 落实分布式发电补贴; 强化后续监管。

●《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》

今年3 月,中共中央、国务院发布了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》,开启了大规模能源体制改革的进程,改革将从根本上扫除分布式能源项目并网难等阻碍分布式能源发展的主要障碍。《意见》赋予分布式能源公平的市场地位,充分肯定了分布式能源的必要性,要求“全面放开用户侧分布式能源市场,积极开展分布式能源项目各类试点和示范”,因地制宜投资建设可再生能源和燃气分布式能源项目,鼓励用合同能源管理模式建设分布式电源。《意见》提出了“开放电网公平接入,建立分布式电源发展新机制”;明确了“自发自用、余量上网、网调节”发展分布式电源的基本模式,以保障项目的经济性和安全性。

然而,“十二五”已近尾声,目前只有几个分布式能源示范项目通过了国家发展和改革委员会核准,这说明相关宏观政策注重表面性原则性描述,缺乏具有可操作性规范,但值得肯定的是,在地方和民间层面,各方却表现积极,期望自下而上推动一场新时代的能源革命。

(二)上海本地政策

●《上海市分布式供能系统和燃气空调专项扶持办法》

2008 年11 月15 日,上海市下发《上海市分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法》,分布式供能系统按1000 元/ 千瓦 补贴,对燃气空调按照100 元/千瓦 制冷量补贴。

●《上海市天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法》

2013 年3 月19 日, 上海市又出台沪府办发〔2013〕14 号文《上海市天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法》。对上海市医院、宾馆、工厂、大型商场、商务楼宇、综合商业中心等建筑物以及工业园区、大型交通枢纽、旅游度假区、商务区等园区建设的单机规模10MW 及以下的天然气分布式供能系统和应用燃气空调的项目给予补贴。对分布式供能项目按照1000 元/ 千瓦 给予设备投资补贴,对年平均能源综合利用效率达到70% 及以上且年利用小时在2000 及以上的分布式供能项目再给予2000 元/ 千瓦的补贴。每个项目享受的补贴金额最高不超过5000 万元,对燃气空调项目按照200 元/ 千瓦 制冷量给予设备投资补贴。燃气供应企业要优先保障天然气供应,实施优惠气价,如遇上游天然气门站价格调整,实行上下游价格联动调整。

上海,处于我国经济和社会改革的最前沿,始终发挥领头羊的作用。1998 年,上海市黄浦区中心医院建成了我国第一个冷、热、电三联供系统,开启了我国燃气分布式能源的发展征程。经过10 多年的发展,上海已充分认识到燃气分布式能源的意义所在,将其定位为上海清洁能源发电的重点方向,前后已出台了上述专项扶持政策。

图1 所示为1998 ~ 2012 年间上海建成投产的燃气分布式供能项目的数量变化。截至2013 年6 月,上海共建成29 个分布式供能项目。这些项目的系统供能方式主要为热电联供与热电冷三联供,项目总装机容量达25.68MW,平均装机规模为885.41kW。项目实施主体包括医院、酒店、工厂、交通枢纽、办公楼宇等,具体可分为商业项目21 个,教学实验与演示项目8个。其中,商业项目装机容量为24.61MW,占总装机容量的96%。从装机规模上看,规模100kW 以下的项目有7 个,规模在100 ~ 500kW 之间的有17 个,规模500kW 以上的有5 个。从原动机角度看,有微型和小型燃气轮机、内燃机及热气机等。但是,通过实地走访和多方验证发现:上海市分布式能源项目运行状况多数并不理想,很多都只作为示范或教学工程,而一些经营性项目多数停运,即使还在运行的也靠着政府的优惠支持政策勉强维持。我们该如何面对目前的现状与问题,分布式能源的供能模式该何去何从,值得我们深思和探索。

为此,政府应加快落实鼓励政策,建立气点价格联动机制;企业需结合实际,不断开发系统集成技术,扩大分布式供能系统的应用领域;能源服务公司应积极推进合同能源管理,有效整合产业链资源,使收益能惠及整个产业链,促进产业协调发展。


二、“互联网+”将引领分布式能源发展进入新时代

当今社会,互联网的成就举世瞩目,彻底改变了人们的生活方式,将很多以前不敢想象的事物变成了现实。我们在能源利用方式上也可以借鉴其诸多长处。

(一)由分布式能源系统向分布式能源互联网的迈进

就目前条件而言,还不可能一步跨入能源互联网时代,相对而言分布式能源互联网的形式现实可行性则相当高。就需求侧而言,分布式能源可将城市建筑作为主要用户,建筑物耗能特点是能源需求随季节、昼夜和使用时刻呈现多周期的变化规律,而且根据建筑功能不同呈现多样化特性。然而,对于供给侧而言,机组能量输出相对稳定,但需求侧负荷分配的灵活性有限。这种供给侧与需求侧的矛盾,使得目前国内外一些分布式能源系统面临要么停运,要么长期低效运行的尴尬局面,严重制约了分布式能源系统的应用与发展。

针对上述问题,为了缓解以满足某特定用户的用能需求而量身定做的传统楼宇型分布式能源系统所面临的供需不匹配的问题,一个有效的解决方案就是突破当前分布式能源“点对点”供应的局限,通过构建源-- 网--荷“分布式能源互联网”,将相邻的多个分布式能源系统( 及用户) 所产生的电和热(冷),通过连接各用户的微电网和微热网,实现电力和热(冷)力的互联互通、互相补偿,见图2。在分布式能源互联网中,每一个用户都可以看成是一个能源“产消合一者(Prosumer)”,即既是能源生产者,又是能源消费者。借助连接彼此的能源网络进行融通(Interchange),使得相互间互为补充、互为备份。这样就可以协同考虑网络内多个能源用户的不同用能特性,充分发挥其用能行为的时空互补性,通过对各种分布式供能 技术的合理布局与优化整合配置,从面域层面对能源( 冷、热、电等) 的生产、输配、储存和使用进行统筹协调,从根本上实现能源利用的网络化、系统化、高效化。

分布式能源互联网是传统单体分布式供能系统与以区域供热供冷系统为主体的区域能源系统的耦合与集成,是能够实现能量对等互联的共享网络。

(二)构建分布式能源互联网需解决的问题

分布式能源互联网的构建是一项复杂的系统工程,在构建过程中会遇到诸多问题,但总体上可以分为能源网络的优化设计及整体利益的合理分配两大类问题。

● 能源网络的优化设计

在分布式能源互联网中,由于用户间连接成网,冷、热、电均可相互调度,为了最大限度地发挥每个用户的自身产能潜力和功能,一个至关重要的问题就是如何在满足各用户负荷需求的前提下,为各用户选择合适的供能设备,合理、高效地安排各供能设备的启停和出力,并将能量有效、最佳地通过域内能源网络调配到各个需求端。

要解决该问题,科学、合理的系统规划与设计至关重要,而能源系统建模、分析与优化则是提高系统综合能效、确保供需平衡,实现系统科学规划与设计的有效手段。然而,分布式能源互联网是一个具有时空多尺度结构特性、集微观( 单元设备)、中观( 用户系统)、宏观( 面域网络) 于一体的复杂能源利用体系,其规划与设计过程中既要考虑用户系统内产能、换能、蓄能、用能等各个环节之间的相互依赖关系,又要考虑用户间冷、热、电等多元能流的互动与耦合。常规的单体分布式能源系统分析与优化方法已不能适应分布式能源互联网的规划与设计要求。因此,有必要基于分布式能源互联网互补、互动、互利的本质特征,建立有效的理论分析体系模型来解决其拓扑结构、设备配置与运行策略的协同优化问题,这是目前国内外分布式能源研究领域的最新研究动向,也是分布式能源互联网今后的主要研究内容之一。

● 利益的合理分配

合作与共赢是分布式能源互联网所形成的供能联盟得以存在的前提与基础。为了维持分布式能源互联网内用户间的合作关系,在确保系统整体利益最优的前提下,有必要协调与平衡每个独立用户的个体利益。要实现上述整体利益和个体利益的双赢,达成效率性与公平性的两全,需对用户由能源流所引发的费用流进行准确核算,并对各独立用户对网络总体的贡献度进行正确判断,进而将构建分布式能源互联网所获得的利益增益在所有用户间进行合理分配。这是分布式能源互联网概念所引出的一个全新课题,将在很大程度上影响分布式能源互联网的应用与推广。因此,如何建立最公平、合理的利益分配机制,是成功维护分布式能源互联网内用户间合作关系的关键,是基于分布式能源互联网的“利益共同体”得以存在的重要基础。

● 能源路由器将成为分布式能源互联网产业关键技术

有人预测,下一个“阿里巴巴”将会出现在能源互联网领域,不过产业兴起之前必须解决一个核心问题——能源路由器。在信息网络里,路由器控制着数据的输送、分配,相对的,能源网络里的路由器也承担着分散协同与交换能源量的重任,想要解决这一难题,就得打造一个基本实现自我调控的智能化电力系统,而这需要整合柔性直流电输电技术、储能技术、电力电子控制技术以及数据处理技术。


三、提升分布式能源示范项目的影响力和带动力

基于上海市分布式能源项目建设和运行的现状,亟需提升分布式能源项目的产业带动力,这将对分布式能源产业发展起到四两拨千斤的重要作用。

国家会展中心就是体量巨大的分布式能源应用案例。会展场馆一般是“能耗大户”,国家会展中心采用了分布式能源中心(三联供)集中供能,实现了全馆使用“清洁能源”以及并网发电,还通过水蓄冷系统的“移峰填谷”有效缓解了区域用电紧张问题,成为国内首个全部使用“三联供”集中供能的场馆。然而,三联供一般适合于宾馆、医院等有稳定和持续用能需求的场所,而会展场馆具有间歇用能的特点,例如展览搭建与展会举办期间的用能需求差异巨大。为此,国家会展中心针对展览、会议、商业、办公、酒店、活动等六大业态用能需求不同的特点,供冷系统采用天然气冷热电联供系统余热制冷+ 水蓄冷+ 直燃型溴机制冷+ 调峰电制冷的复合能源模式,2 只钢制蓄冷水罐容积分别为1.5 万立方米,供热系统则采用天然气冷热电联供系统余热制热+ 调峰直燃型溴机制热+ 生活热水锅炉的组合模式,不仅解决了这一难题,还提高了能源利用效率。采用冷热电三联供能源中心后,预计年节约标准煤约1.6 万吨,年减少二氧化碳排放量约4 万吨。国家会展中心用电量巨大,为满足供电需求,建设了110kv 变电站,通过对110kv 和三联供发电的技术分析,还解决了两者之间的互补供应难题,并配以10KV 的配变电站,满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性。

此外,虹桥商务区核心区(一期)区域供能同样是分布式供能系统技术在商务区的成功实践。目前南北两个能源中心已顺利落成并投入运行,是国内规模最大的分布式供能项目,供能面积超过200 万平方米。能源利用效率可由传统供能系统的35% 提高到80% 左右,整个区域供能项目将每年为商务区节省近3 万吨标准煤,减排二氧化碳超8 万吨、氮氧化物超过200 吨,相当于240 公顷森林。同时,虹桥商务区采用信息化手段监控整个商务区能源消耗,今后将运用更先进的数字化技术对商务区能源生产、使用过程进行管理和评估,且对整个商务区楼宇能源使用进行实时监控,形成商务区智能能源网应用示范,是能源互联网构建的有益探索。

全面汇总、梳理这些上海有影响力、示范作用显著的分布式能源成功实践做法,积极宣传、复制、推广,真正使分布式能源成为未来能源利用的一种主要模式。


四、对策建议

随着绿色能源时代的到来,分布式供能方式是大势所趋。就上海而言,积极推动燃气分布式能源发展,对扩大分布式能源利用领域、调整能源结构、促进节能减排和经济持续、健康发展具有重要的现实意义。根据本次金桥会议成果,结合上海的基础、优势,按照统一协调、科学决策、规范实施的原则,提出加快推进上海分布式能源发展的措施建议如下:

1、确保分布式能源政策落实到位

根据“自发自用为主、多余电量上网,电网平衡调节”的运营模式,允许符合条件的工业和商业用户与分布式发电企业开展直供电交易,这些政策的真正贯彻落实,是分布式能源健康发展最有力的保障。

2、构建分布式能源的配套价格机制

分布式能源项目的建设和发展,从长远看,不能总依靠政策的补贴和扶持,要建立天然气的能效定价机制,实行气电、气热联动机制,让市场起决定性作用。在项目选址时,应关注冷热负荷相对集中、气源有保障、气电和气热价格相对合理的区域,不能在没有落实气源的地区建设分布式能源项目。

3、完善系统设计规范标准

分布式能源互联网是一个新概念,其中系统集成技术和装机匹配方案的优化是提高能源综合利用效率的关键。为此,要以分布式能源系统设计规范标准为基础,进一步做好体系化工作,了解不同原动机余热特性和典型冷热负荷特性,使能量梯级利用的优势得到充分发挥,同时考虑蓄能和调峰措施,制订有效的全工况调控运行方案,在有条件的地区可采取多能源互补的分布式供能系统,使分布式能源站的规模适当,以减少远距离能源输送的损失。

4、加大技术创新力度、提升装备自主化水平

研究建立各类分布式能源系统模型、研发运行与控制技术、智能配用电关键技术与装备,提高设备国产化率,是降低投资和运行维护成本、实现分布式能源规模化发展的必要条件。

5、开展能源路由器技术研发推动分布式能源互联网发展

能源路由器技术是分布式能源互联网中的关键技术。建议上海市科学技术委员会通过科研项目、平台建设等方式,由上海产业技术研究院牵头,整合科技资源,开展能源路由器技术研发。