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朱寧 | 綜合能源發展脈絡、技術特點和未來趨勢
發布日期:2019-09-25 信息來源:中谘研究 訪問次數: 字號:[ ]

進入新時代的中國,隨著京津冀協同發展和長江經濟帶發展的持續推進以及粵港澳大灣區建設的加快,多項國家戰略全麵實施,產業轉型升級、經濟高質量發展相關的一係列政策不斷發布。

能源是國家戰略實施的基礎。我國能源領域的高強度建設時代已經過去,為構建綠色低碳、安全高效的能源供給體係,為實現生態良好、美麗中國目標,中國能源行業從能源生產、能源基礎設施、能源消費,到能源技術和產業導入,都亟需找準能源高質量發展的新動力源。中谘公司雄安新區規劃編製團隊提出的綜合能源(係統)這一新業態新模式,被讚許是一種“很先進的理念”,已經在雄安新區能源規劃和實施方案中全麵推行,將成為能源高質量發展的重要著力點。

一、我國能源發展的主要方向

清潔、低碳、高效已經成為世界能源發展大勢,新一輪科技革命和產業變革均聚焦能源領域,主要體現在三個方麵:一是發達國家在高度重視能源安全前提下,紛紛製定能源轉型戰略和低碳政策,發布更高的能源發展指標,不斷提高可再生能源占比,逐步降低煤炭占比,持續提升電氣化水平;二是能源科技創新進入高度活躍期,重點集中在氫能及新一代核能技術研發、大規模儲能和智慧能源技術示範、先進分布式能源與智能微電網技術廣泛應用等領域;三是能源供應和服務方式加快轉變,綜合能源係統逐步普及,先進能源設備及關鍵材料不斷湧現。

改革開放以來,我國能源生產和消費總量持續增長,一次能源生產總量從 6.3億噸標準煤增長到2018年的37.7億噸標準煤,能源消費總量從 5.7億噸標準煤增長到 2018年的46.4億噸標準煤。與能源發展同步,進入新世紀以來,我國全社會用電量快速增長,2018年全社會用電量達到68449億千瓦時。為滿足電力需求高增長,我國電力裝機規模不斷擴大。截至2018年底,發電裝機規模達到19.0億千瓦,其中火電11.44億千瓦、水電3.52億千瓦、核電4466萬千瓦、風電1.84億千瓦、太陽能發電1.75億千瓦,實現人均裝機規模1.36千瓦。我國已形成覆蓋華北、華中、華東、東北、西北、西南、南方等區域的500千伏和750千伏交流主網架,除台灣外已實現全部省級電網交直流互聯。截至2018年底,全國220千伏及以上輸電線路總長度達到73.3萬公裏, 220千伏及以上公用變設備容量402255萬千伏安。中國無論是能源生產和消費總量,還是發電裝機規模、電網規模,均居世界首位。

經曆了大電網、大電源、大煤礦等的高強度建設後,我國能源結構和布局正在深度調整。今後較長一段時期內,雖然一次能源稟賦造成的“煤炭依賴”現象難以消除,但我國能源結構必將持續優化,煤炭占比將逐步下降,可再生能源消費比重將逐步上升。伴隨城鎮化和數字化城市建設,新一代信息技術、現代生命科學、生物醫藥和先進電子材料等戰略性新型產業對供電強度和質量的更高要求,以及今後軌道和公路交通、居民生活的高度電氣化特征,將使得我國電能占終端能源消費比重大幅提高。

當前我國能源領域存在的主要問題之一,是能源產業鏈條不長、層次不高,能源生產性服務等配套產業發展滯後,產業體係全但短板較多。在新發展理念指引下,為深入推進能源供給側結構性改革,我國能源發展正在由主要依靠資源投入向創新驅動轉變,能源政策注重節約高效、結構優化、清潔替代、創新動能、安全可靠。推動能源向清潔化和智能化方向發展,積極發展和培育能源新技術、新業態和新模式,創新能源體製機製,已經成為能源行業共識。

二、綜合能源的發展脈絡、概念和特點

1、綜合能源發展脈絡

歐美、日本等發達國家早期發展階段以及我國十九世紀80年代以來,在城市和開發區逐步普及熱電聯產, 90年代進一步興起分布式發電供熱,這些能源加工轉換和供應形式基本上是利用單一能源生產熱能向用戶供應。90年代初,北歐、日本開始采用海水源熱泵技術,將低品位的海水能源與高品位的電能結合,向點用戶供熱供冷。2003年,廣州大學城開始進行熱泵技術應用嚐試,開展了區域集中製冷,但未實現能源來源多元化和能源供應多樣化。

之後,在完善的電網、天然氣管網有力支撐下,以能源來源從單一轉向多元化、能源供應(供熱)從高溫轉向中低溫為兩個主要技術特征,國際上城市能源供應開始向多元多樣方向發展。近十幾年,我國能源行業跟蹤世界能源發展,把握綠色低碳轉型大勢,開始了綜合能源(係統)的嚐試。2008年,我國哈爾濱、江蘇等地,出現了采用熱泵技術、利用多種能源實現區域供熱供冷的綜合能源站。在國家推進能源革命大背景下,北京、上海、江蘇、浙江、貴州、青島、雄安等許多城市實施了綜合能源工程和開展相關規劃,綜合能源這一能源新業態新模式開始受到各地重視。

2、綜合能源概念和特點

2015年,聯合國環境規劃署提出了區域能源的概念(圖一),即通過整合能源生產、公共衛生、汙水處理、運輸和廢棄物處理等市政服務設施,建設現代區域能源係統,協同生產供應熱量、冷量、熱水和供電。

圖一 聯合國環境規劃署提出的區域能源係統架構示意圖

中谘公司雄安新區規劃編製團隊提出的綜合能源概念與聯合國環境規劃署提出的區域能源概念基本契合。綜合能源(圖二)充分利用屬地低品位能源,以電力、天然氣、氫能等為主供高品位能源,采用智慧能源技術,通過建立綜合能源站工程+智慧能源微網工程(包括源網荷儲智能微電網和智能微熱網),實現多能互補,實現能源的梯級利用循環利用,實現冷熱電氣水一站式服務。其整體能源利用效率和供能可靠率得以大幅度提高,用戶可享受多種能源套餐式服務,政府可創新能源管理方式,是一種安全先進的城市供能模式。

圖二 綜合能源係統架構示意圖

相較於聯合國提出的區域能源概念,綜合能源更強調能源與城市融合發展,強調能源供應和環境治理相結合,強調多能互補、梯級利用、循環利用,強調源網荷儲協同聯動,強調能源一站式服務,它具有四個鮮明特點:

一是實現環境優先的可持續發展。綜合能源通過智能微電網、智能微熱網和儲能技術的應用,最大限度地使用可再生能源。通過統籌規劃和建設處理城市汙廢(包括汙水、生活垃圾、餐廚垃圾、汙泥等)的市政基礎設施,使能源供應與城市基礎設施相融合,與環境治理相結合,將城市汙廢、餘熱等原本廢棄的資源轉變為可以利用的能源。

二是實現能源供應的可靠安全經濟。綜合能源重視可靠安全經濟的用能策略,改變以往過分依賴或強調某一種能源的做法,根據不同能源的稟賦,按照多能互補、冷熱電氣水一體化的思路,優先利用當地可再生能源(城市汙廢能源、太陽能、淺層地熱能、中深層地熱能等),盡量減少化石能源使用量。綜合能源站工程+智慧能源微網係統采用供熱、供冷、供電、供氣、供水的一體化設計,相較於冷熱電氣水分別建設一套係統,不僅可有效降低設施投資和運維成本,而且可大幅提高能源利用效率。對同一個供能係統,根據不同能源的稟賦、數量和價格,利用智慧能源微網係統,靈活調整用能策略,實現較高的運行效率,做到安全運行和經濟運行的動態平衡。

三是實現能源基礎設施的分布網格化布局。綜合能源改變以往能源基礎設施大集中的做法,根據城市功能和布局以及冷熱負荷分布特點,分區規劃和建設能源供應基礎設施,形成以綜合能源站為節點的網格化布局,最大程度的接近用能負荷中心,縮短供能距離。網格化的綜合能源係統,既可以單網運行,也能夠多網並行,不僅提高整個供能係統安全性,減少冗餘,而且可以根據城市建設布局和進度分塊建設分步運行,降低投資強度。

四是實現多種能源在源、網、荷、儲的緊密互動。為提高能源係統的環境可持續性和安全可靠性,並降低能源價格,綜合能源係統的生產、傳輸、存儲和使用,充分利用不斷進步的智慧能源技術,達到規劃、設計、運行和管理的係統化、集成化和精細化。

三、智慧能源技術是綜合能源的關鍵

綜合能源是一種能源加工轉換方式,是一種新型基礎設施,是一種全新服務模式。綜合能源發展與智慧能源技術發展緊密相關。目前智慧能源技術研究和應用還處於起步階段(表一),國內外學者將智慧能源技術的機理理解為:多類負荷關聯、耦合元件互補、能源網絡互動、新型商業模式、人為幹擾因素,完成多種能流耦合互動。

表一 智慧能源技術的國內外研究計劃表(不完全統計)

從目前國內外研究成果看,智慧能源技術應用,需要建立多種能源信息采集和傳輸設施、智能能源管理係統(適應各類能源調度係統需求的支撐平台)。整個係統軟件由商用數據庫軟件、係統綜合平台、應用子係統等部分組成,采用開放式分布應用環境,通過數據采集和監控、實時建模與狀態感知、優化調度控製、安全分析和預警等軟硬件,實現供能安全保障、多種能源數據監測、多種能源耦合管理、綜合能源優化調度、經濟效益分配和合同能源管理的目標。

能源信息采集、傳輸和數據處理設施,采用互聯網、高速寬帶移動通信網絡、物聯網等技術,建設冷熱電氣水等多種能源信息采集裝置和通訊傳感網絡,構成綜合能源係統運行的中樞神經,為智慧能源管理係統提供數據支持。同時,建設綜合能源數據中心,協同處理多能流數據。

相對於單一電力調度管理係統,智慧能源管理係統為多種能源係統的耦合提供一套完整的智能運行管理解決方案,主要特點體現在綜合、智能、安全和創新四個方麵。其中,“綜合”體現在從原來的單一電力能量管理升級為冷、熱、電、氣、水等能源的綜合管理,從電源電網能量管理升級為源-網-荷-儲協同管理 。“智能”體現在從人工到自動控製,從離線到在線管理,從粗放到精細的發展模式,通過提供能源數據服務,提高政府決策的科學性,提升用戶用能體驗和節能水平。“安全”體現在各類能源統一生產調度和供應,能源數據統一采集、研判、預測、共享,統籌節能和優化供能,實現更高水平、更高效率的安全供能。“創新”體現在緊密結合信息化前沿技術(比如雲計算平台、大數據、“互聯網+”等),以技術創新為基礎實現服務模式創新。

可以看出,智慧能源技術與綜合能源高度相關,是綜合能源實現智能化(或智慧化)的關鍵所在,是能源服務和能源管理現代化的關鍵所在。

四、綜合能源的基本構成和規劃示例

一般來講,綜合能源充分利用屬地汙水和中水能、垃圾焚燒處理餘熱、數據中心和變電站排熱、太陽能、地熱能、空氣能、河水海水能等低品位能源,以電力、天然氣、氫能等為主供高品位能源,主要通過建設綜合能源站工程+智慧能源微網工程,利用先進熱泵、微型燃機等技術對能源進行加工轉換,實現城市冷熱電氣水的綜合供給。

以國內某智慧生態小鎮的綜合能源規劃為例,基於“綠色、節能、循環、智慧”的小鎮規劃定位,能源供給考慮能源與城市融合發展,充分挖掘城市自身潛藏能量,耦合城鎮環境治理、水環境及海綿城市建設,消納城市汙廢,打造未來城市新型基礎設施的樣板,在滿足小鎮能源需求的同時實現生態和諧(表二)。

表二 生態智慧小鎮用能策略規劃

係統構成從需求側出發,按照多能互補、梯級利用形式,建設以能源中心(綜合能源站)、智能微電網、智能微熱網為核心,以智慧能源管理為紐帶的多源協調、多網融合的綜合能源係統(圖三)。

圖三 某智慧生態小鎮綜合能源規劃布局示意圖

與冷熱電氣水分開供應的城市傳統供能模式相比較,智慧生態小鎮綜合能源的規劃能源消耗總量減少10%,人均二氧化碳排放量減少30%,規劃的整體能源利用效率可提高70%以上(達80%左右);規劃的投資、成本和電力消耗可節約10%以上,並大量節約耗水量和用地量;由於采用多能互補方式,可提高小鎮能源供應可靠度,實現城市供能不中斷,規劃供電可靠率大於99.99%;政府依托綜合能源係統創新管理方式,推動能源體製機製創新,用戶享受多種能源套餐式服務、冷熱電氣水一站式服務。

規劃設計的商業模式是采用使用者付費PPP模式,通過政府授予特許經營權,向用戶收取配套費及能源使用費的方式獲得收益。

五、綜合能源是能源高質量發展的有力抓手

縱觀世界能源發展趨勢,得益於智慧能源技術發展的助力,能源生產與消費的邊界將逐漸模糊,能源消費側和供給側趨近“見麵”。為重點解決我國能源產業鏈條不長層次不高、能源生產性服務等配套產業發展滯後、能源與城市融合發展方麵基本空白的問題,未來應以推廣能源新技術新業態新模式為主要抓手。

為推動質量變革、效率變革、動力變革,為大力開發可再生能源、打好安全高效利用可再生能源的基礎條件,能源行業的轉型升級和創新發展必須注入新活力。從目前的研究和規劃成果看,在城市和開發區廣泛布局綜合能源這一新型能源基礎設施,推廣綜合能源利用服務體係和運管係統,製定和不斷完善各種類、各區域、各層級的綜合能源係統數字化標準體係,配套出台綜合能源管理辦法和體製機製創新措施,將助力提升我國能源與城市融合發展水平,大幅提高能源利用效率和服務水平,有利於在能源生產、輸送、存儲、應用和服務等全產業鏈上實現綠色、安全、高效,引領中國能源進入高質量發展階段。

 i 根據國家統計局、國家能源局、中國電力企業聯合會公布的統計數據整理。

 ii 聯合國環境規劃署《城市區域能源:充分激發能源效率和可再生能源的潛力》(2015)。

 iii 潘明明 《基於非合作博弈的能源互聯網多元主體行為分析方法》(華北電力大學,2017)。

 iv 李炳森、吳凡《能源互聯網的發展現狀與趨勢研究》(《智能計算機與應用》,2017)。

 v 高晗、劉繼春等《全球能源互聯網下輸電走廊規劃分析研究》(《四川電力技術》,2017)。

 vi 中國國際工程谘詢有限公司《基礎設施高質量發展研究》(2019)。