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朱宁 | 综合能源发展脉络、技术特点和未来趋势
发布日期:2019-09-25 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

进入新时代的中国,随着京津冀协同发展和长江经济带发展的持续推进以及粤港澳大湾区建设的加快,多项国家战略全面实施,产业转型升级、经济高质量发展相关的一系列政策不断发布。

能源是国家战略实施的基础。我国能源领域的高强度建设时代已经过去,为构建绿色低碳、安全高效的能源供给体系,为实现生态良好、美丽中国目标,中国能源行业从能源生产、能源基础设施、能源消费,到能源技术和产业导入,都亟需找准能源高质量发展的新动力源。中咨企业雄安新区规划编制团队提出的综合能源(系统)这一新业态新模式,被赞许是一种“很先进的理念”,已经在雄安新区能源规划和实施方案中全面推行,将成为能源高质量发展的重要着力点。

一、我国能源发展的主要方向

清洁、低碳、高效已经成为世界能源发展大势,新一轮科技革命和产业变革均聚焦能源领域,主要体现在三个方面:一是发达国家在高度重视能源安全前提下,纷纷制定能源转型战略和低碳政策,发布更高的能源发展指标,不断提高可再生能源占比,逐步降低煤炭占比,持续提升电气化水平;二是能源科技创新进入高度活跃期,重点集中在氢能及新一代核能技术研发、大规模储能和智慧能源技术示范、先进分布式能源与智能微电网技术广泛应用等领域;三是能源供应和服务方式加快转变,综合能源系统逐步普及,先进能源设备及关键材料不断涌现。

改革开放以来,我国能源生产和消费总量持续增长,一次能源生产总量从 6.3亿吨标准煤增长到2018年的37.7亿吨标准煤,能源消费总量从 5.7亿吨标准煤增长到 2018年的46.4亿吨标准煤。与能源发展同步,进入新世纪以来,我国全社会用电量快速增长,2018年全社会用电量达到68449亿千瓦时。为满足电力需求高增长,我国电力装机规模不断扩大。截至2018年底,发电装机规模达到19.0亿千瓦,其中火电11.44亿千瓦、水电3.52亿千瓦、核电4466万千瓦、风电1.84亿千瓦、太阳能发电1.75亿千瓦,实现人均装机规模1.36千瓦。我国已形成覆盖华北、华中、华东、东北、西北、西南、南方等区域的500千伏和750千伏交流主网架,除台湾外已实现全部省级电网交直流互联。截至2018年底,全国220千伏及以上输电线路总长度达到73.3万公里, 220千伏及以上公用变设备容量402255万千伏安。中国无论是能源生产和消费总量,还是发电装机规模、电网规模,均居世界首位。

经历了大电网、大电源、大煤矿等的高强度建设后,我国能源结构和布局正在深度调整。今后较长一段时期内,虽然一次能源禀赋造成的“煤炭依赖”现象难以消除,但我国能源结构必将持续优化,煤炭占比将逐步下降,可再生能源消费比重将逐步上升。伴随城镇化和数字化城市建设,新一代信息技术、现代生命科学、生物医药和先进电子材料等战略性新型产业对供电强度和质量的更高要求,以及今后轨道和公路交通、居民生活的高度电气化特征,将使得我国电能占终端能源消费比重大幅提高。

当前我国能源领域存在的主要问题之一,是能源产业链条不长、层次不高,能源生产性服务等配套产业发展滞后,产业体系全但短板较多。在新发展理念指引下,为深入推进能源供给侧结构性改革,我国能源发展正在由主要依靠资源投入向创新驱动转变,能源政策注重节约高效、结构优化、清洁替代、创新动能、安全可靠。推动能源向清洁化和智能化方向发展,积极发展和培育能源新技术、新业态和新模式,创新能源体制机制,已经成为能源行业共识。

二、综合能源的发展脉络、概念和特点

1、综合能源发展脉络

欧美、日本等发达国家早期发展阶段以及我国十九世纪80年代以来,在城市和开发区逐步普及热电联产, 90年代进一步兴起分布式发电供热,这些能源加工转换和供应形式基本上是利用单一能源生产热能向用户供应。90年代初,北欧、日本开始采用海水源热泵技术,将低品位的海水能源与高品位的电能结合,向点用户供热供冷。2003年,广州大学城开始进行热泵技术应用尝试,开展了区域集中制冷,但未实现能源来源多元化和能源供应多样化。

之后,在完善的电网、天然气管网有力支撑下,以能源来源从单一转向多元化、能源供应(供热)从高温转向中低温为两个主要技术特征,国际上城市能源供应开始向多元多样方向发展。近十几年,我国能源行业跟踪世界能源发展,把握绿色低碳转型大势,开始了综合能源(系统)的尝试。2008年,我国哈尔滨、江苏等地,出现了采用热泵技术、利用多种能源实现区域供热供冷的综合能源站。在国家推进能源革命大背景下,北京、上海、江苏、浙江、贵州、青岛、雄安等许多城市实施了综合能源工程和开展相关规划,综合能源这一能源新业态新模式开始受到各地重视。

2、综合能源概念和特点

2015年,联合国环境规划署提出了区域能源的概念(图一),即通过整合能源生产、公共卫生、污水处理、运输和废弃物处理等市政服务设施,建设现代区域能源系统,协同生产供应热量、冷量、热水和供电。

图一 联合国环境规划署提出的区域能源系统架构示意图

中咨企业雄安新区规划编制团队提出的综合能源概念与联合国环境规划署提出的区域能源概念基本契合。综合能源(图二)充分利用属地低品位能源,以电力、天然气、氢能等为主供高品位能源,采用智慧能源技术,通过建立综合能源站工程+智慧能源微网工程(包括源网荷储智能微电网和智能微热网),实现多能互补,实现能源的梯级利用循环利用,实现冷热电气水一站式服务。其整体能源利用效率和供能可靠率得以大幅度提高,用户可享受多种能源套餐式服务,政府可创新能源管理方式,是一种安全先进的城市供能模式。

图二 综合能源系统架构示意图

相较于联合国提出的区域能源概念,综合能源更强调能源与城市融合发展,强调能源供应和环境治理相结合,强调多能互补、梯级利用、循环利用,强调源网荷储协同联动,强调能源一站式服务,它具有四个鲜明特点:

一是实现环境优先的可持续发展。综合能源通过智能微电网、智能微热网和储能技术的应用,最大限度地使用可再生能源。通过统筹规划和建设处理城市污废(包括污水、生活垃圾、餐厨垃圾、污泥等)的市政基础设施,使能源供应与城市基础设施相融合,与环境治理相结合,将城市污废、余热等原本废弃的资源转变为可以利用的能源。

二是实现能源供应的可靠安全经济。综合能源重视可靠安全经济的用能策略,改变以往过分依赖或强调某一种能源的做法,根据不同能源的禀赋,按照多能互补、冷热电气水一体化的思路,优先利用当地可再生能源(城市污废能源、太阳能、浅层地热能、中深层地热能等),尽量减少化石能源使用量。综合能源站工程+智慧能源微网系统采用供热、供冷、供电、供气、供水的一体化设计,相较于冷热电气水分别建设一套系统,不仅可有效降低设施投资和运维成本,而且可大幅提高能源利用效率。对同一个供能系统,根据不同能源的禀赋、数量和价格,利用智慧能源微网系统,灵活调整用能策略,实现较高的运行效率,做到安全运行和经济运行的动态平衡。

三是实现能源基础设施的分布网格化布局。综合能源改变以往能源基础设施大集中的做法,根据城市功能和布局以及冷热负荷分布特点,分区规划和建设能源供应基础设施,形成以综合能源站为节点的网格化布局,最大程度的接近用能负荷中心,缩短供能距离。网格化的综合能源系统,既可以单网运行,也能够多网并行,不仅提高整个供能系统安全性,减少冗余,而且可以根据城市建设布局和进度分块建设分步运行,降低投资强度。

四是实现多种能源在源、网、荷、储的紧密互动。为提高能源系统的环境可持续性和安全可靠性,并降低能源价格,综合能源系统的生产、传输、存储和使用,充分利用不断进步的智慧能源技术,达到规划、设计、运行和管理的系统化、集成化和精细化。

三、智慧能源技术是综合能源的关键

综合能源是一种能源加工转换方式,是一种新型基础设施,是一种全新服务模式。综合能源发展与智慧能源技术发展紧密相关。目前智慧能源技术研究和应用还处于起步阶段(表一),国内外学者将智慧能源技术的机理理解为:多类负荷关联、耦合元件互补、能源网络互动、新型商业模式、人为干扰因素,完成多种能流耦合互动。

表一 智慧能源技术的国内外研究计划表(不完全统计)

从目前国内外研究成果看,智慧能源技术应用,需要建立多种能源信息采集和传输设施、智能能源管理系统(适应各类能源调度系统需求的支撑平台)。整个系统App由商用数据库App、系统综合平台、应用子系统等部分组成,采用开放式分布应用环境,通过数据采集和监控、实时建模与状态感知、优化调度控制、安全分析和预警等软硬件,实现供能安全保障、多种能源数据监测、多种能源耦合管理、综合能源优化调度、经济效益分配和合同能源管理的目标。

能源信息采集、传输和数据处理设施,采用互联网、高速宽带移动通信网络、物联网等技术,建设冷热电气水等多种能源信息采集装置和通讯传感网络,构成综合能源系统运行的中枢神经,为智慧能源管理系统提供数据支撑。同时,建设综合能源数据中心,协同处理多能流数据。

相对于单一电力调度管理系统,智慧能源管理系统为多种能源系统的耦合提供一套完整的智能运行管理解决方案,主要特点体现在综合、智能、安全和创新四个方面。其中,“综合”体现在从原来的单一电力能量管理升级为冷、热、电、气、水等能源的综合管理,从电源电网能量管理升级为源-网-荷-储协同管理 。“智能”体现在从人工到自动控制,从离线到在线管理,从粗放到精细的发展模式,通过提供能源数据服务,提高政府决策的科学性,提升用户用能体验和节能水平。“安全”体现在各类能源统一生产调度和供应,能源数据统一采集、研判、预测、共享,统筹节能和优化供能,实现更高水平、更高效率的安全供能。“创新”体现在紧密结合信息化前沿技术(比如云计算平台、大数据、“互联网+”等),以技术创新为基础实现服务模式创新。

可以看出,智慧能源技术与综合能源高度相关,是综合能源实现智能化(或智慧化)的关键所在,是能源服务和能源管理现代化的关键所在。

四、综合能源的基本构成和规划示例

一般来讲,综合能源充分利用属地污水和中水能、垃圾焚烧处理余热、数据中心和变电站排热、太阳能、地热能、空气能、河水海水能等低品位能源,以电力、天然气、氢能等为主供高品位能源,主要通过建设综合能源站工程+智慧能源微网工程,利用先进热泵、微型燃机等技术对能源进行加工转换,实现城市冷热电气水的综合供给。

以国内某智慧生态小镇的综合能源规划为例,基于“绿色、节能、循环、智慧”的小镇规划定位,能源供给考虑能源与城市融合发展,充分挖掘城市自身潜藏能量,耦合城镇环境治理、水环境及海绵城市建设,消纳城市污废,打造未来城市新型基础设施的样板,在满足小镇能源需求的同时实现生态和谐(表二)。

表二 生态智慧小镇用能策略规划

系统构成从需求侧出发,按照多能互补、梯级利用形式,建设以能源中心(综合能源站)、智能微电网、智能微热网为核心,以智慧能源管理为纽带的多源协调、多网融合的综合能源系统(图三)。

图三 某智慧生态小镇综合能源规划布局示意图

与冷热电气水分开供应的城市传统供能模式相比较,智慧生态小镇综合能源的规划能源消耗总量减少10%,人均二氧化碳排放量减少30%,规划的整体能源利用效率可提高70%以上(达80%左右);规划的投资、成本和电力消耗可节约10%以上,并大量节约耗水量和用地量;由于采用多能互补方式,可提高小镇能源供应可靠度,实现城市供能不中断,规划供电可靠率大于99.99%;政府依托综合能源系统创新管理方式,推动能源体制机制创新,用户享受多种能源套餐式服务、冷热电气水一站式服务。

规划设计的商业模式是采用使用者付费PPP模式,通过政府授予特许经营权,向用户收取配套费及能源使用费的方式获得收益。

五、综合能源是能源高质量发展的有力抓手

纵观世界能源发展趋势,得益于智慧能源技术发展的助力,能源生产与消费的边界将逐渐模糊,能源消费侧和供给侧趋近“见面”。为重点解决我国能源产业链条不长层次不高、能源生产性服务等配套产业发展滞后、能源与城市融合发展方面基本空白的问题,未来应以推广能源新技术新业态新模式为主要抓手。

为推动质量变革、效率变革、动力变革,为大力开发可再生能源、打好安全高效利用可再生能源的基础条件,能源行业的转型升级和创新发展必须注入新活力。从目前的研究和规划成果看,在城市和开发区广泛布局综合能源这一新型能源基础设施,推广综合能源利用服务体系和运管系统,制定和不断完善各种类、各区域、各层级的综合能源系统数字化标准体系,配套出台综合能源管理办法和体制机制创新措施,将助力提升我国能源与城市融合发展水平,大幅提高能源利用效率和服务水平,有利于在能源生产、输送、存储、应用和服务等全产业链上实现绿色、安全、高效,引领中国能源进入高质量发展阶段。

 i 根据国家统计局、国家能源局、中国电力企业联合会公布的统计数据整理。

 ii 联合国环境规划署《城市区域能源:充分激发能源效率和可再生能源的潜力》(2015)。

 iii 潘明明 《基于非合作博弈的能源互联网多元主体行为分析方法》(华北电力大学,2017)。

 iv 李炳森、吴凡《能源互联网的发展现状与趋势研究》(《智能计算机与应用》,2017)。

 v 高晗、刘继春等《全球能源互联网下输电走廊规划分析研究》(《四川电力技术》,2017)。

 vi 澳门英皇赌场网址《基础设施高质量发展研究》(2019)。




 
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