韩晓平

中国能源网首席信息官

中国能源网

国家发改委和国家能源局2016年7月4日曾联合发布了《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》(发改能源〔2016〕1430号)文件(以下简称1430号文件),旨在“提高能源系统效率,增加有效供给,满足合理需求,带动有效投资,促进经济稳定增长。”

推进多能互补的目的是要通过多种能源技术相互弥补彼此的缺陷,实现“集成优化”,充分兼容和利用间歇性的可再生能源,降低终端能耗。这就形成了以下几种优化模式:一是供给侧优化;二是近需求侧优化;三是需求侧优化;四是供需协同优化。而从维度看,存在同步优化与异步优化;集成优化与协同优化;单一维度优化与跨界优化等。

供给侧优化模式

根据1430号文件,供给侧优化模式就是“利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源组合优势,推进风光水火储多能互补系统建设运行。”这是在能源的供给侧进行大系统优化。这样的项目不少,例如前些年,国家能源局推进了千万千瓦级的“风电三峡”和“光伏三峡”,国家电网为了将这些超大规模的可再生能源电力输送到东部经济发达地区,建设了特高压输电线路,但是接踵而来的是不稳定的可再生电力时有时无,难以维持特高压输电线路的电压稳定。为了解决这一矛盾,要在新疆及西北煤炭丰富地区大规模建设燃煤火电集群,以发展“风火打捆”或“风光火打捆”模式,这是典型的供给侧多能互补。国电投蒙东能源公司是一个既拥有燃煤火电和热电,也拥有大型风电的企业,早在1430号文件发布之前许多年,就将风电和火电实现互补,集成优化配置资源,是一个比较成功的实例。

近需求侧多能互补模式

1430号文件对于“近需求侧多能互补”模式是这样界定的:“面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求,因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源,优化布局建设一体化集成供能基础设施,通过天然气热电冷三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式,实现多能协同供应和能源综合梯级利用”。首先,它是一个传统能源和新能源“一体化集成供能基础设施”,不是用户侧用户分布式能源系统与用户侧用能系统一体化的集成优化;其次,它的侧重点仍然是提升能源供给侧一次能源系统的转换效率,而不是将帮助用户“节能降耗省钱”作为出发点。它与前一种的区别是更加靠近需求,但没有彻底融入需求侧。协鑫智慧能源在苏州开发区推进能源互联网,强调能源的“六位一体”,将分布式天然气冷热电三联供、区内的光伏电站和微风发电、地热和工业废热回收利用、储能和节能服务等六个系统统筹配置,构筑新的清洁高效的区域能源供应体系,实现协调优化,形成区域的能源互联网系统,提升区域的能源综合供给效率。

需求侧多能互补模式

“需求侧多能互补”是完全从需求侧出发,其目的是为能源终端用户直接参与“节能降耗省钱”。实现这一目标,需要完全服务和融入用户一侧,用户具有极高的参与度和自主性,在能源用户一侧实现对于节能减排的“人人参与、人人尽力、人人享有”。用户侧分布式能源和用户侧分布式储能实现协同优化,重点在用户侧实现多种二次能源的协同提效。在此方面,埃隆·马斯克为世界提供了一个极具想象力的模式。特斯拉将用户分布式屋顶光伏、“电源墙”分布式户用储能电池和用户的电动汽车组成了一个“移动能源互联网”,让《第三次工业革命》作者杰米里·里夫金梦想的“可再生能源随需求流动”变为可能。

美国居民用电占电力消费总量的37.4%,是最大的电力消费市场。居民电价为每千瓦时13.8~22.2美分,折合人民币0.96~1.54元/千瓦时。居民用电由于分散,低压输送造成电损很大,且用电主要集中在用电高峰时段,故电价最高。高电价使安装分布式屋顶光伏的居民可以节省一大笔电费开销,从参与中分享乐趣。购置“电源墙”分布式储能电池的用户可将白天多余的光伏电力存储起来,供夜间或阴天时的用电需求,若有更多的富裕电力还可充进电动汽车的动力电池,解决交通能源需求。

这三件东西是三个分布式能源装置,组合起来就是多能互补。它们完全是由用户自主购置的,与传统能源供给侧毫无关系。它们组合起来能满足用户各种用电需求,确保用户供电可靠性;而且让电能供应完全脱离电网系统,随需求流动。依靠可再生能源在没有任何污染排放的前提下,为用户节约了能源开销。马斯克说,美国有4500万个屋顶,全球是其20倍,未来每一个家庭都可实现能源自给自足。

国家电网公司也已经开始尝试中国版的“三位一体”的需求侧多能互补模式。计划为一些拥有屋顶分布式光伏的用户配置储能电池,并配置智能双向充电桩。充电桩中的智能电表不仅可以记录光伏电站的发电量、用户自己的用电量、电动汽车的充放电量、应该获得的可再生能源发展基金补贴以及相应电费,还能将光伏发电的绿色证书记录下来,为未来的绿证交易提供依据。用户不仅可以使用和销售自己的绿色电力,为自己和邻里的电动汽车充电,还能够出售自己的绿证进行补偿。双向充电桩具有充电和向用户或电网输电的功能,让电动汽车成为可移动的储能电源,在必要时向电网反向供电,成为需求侧多能互补系统中的重要组成部分。所有的数据都会通过互联网上传到云端,大数据系统帮助电网和用户实现大范围的多能互补。

国家电网公司看到了这个巨大的市场,中国还有6亿农民居住在乡村,如果每个屋顶平均安装5千瓦的分布式光伏,装机就是10亿千瓦,每年发电1.2万亿千瓦时。美国2016年太阳能的发电量56.79TWh,占当年4350.8 TWh总发电量的1.31%。根据美国能源信息署数据,当年美国太阳能发电行业新雇佣了37.38万名从业者,而全部化石能源发电行业(燃料包括石油、天然气、煤炭)仅雇佣了18.71万人。分布式可再生能源可以创造更多的就业,因为这些就业更多地集中在服务上,加之电动汽车、充电桩和数据服务,国家电网可能成为全球无与伦比的平台服务商。

供需协同优化模式

“供需协同优化”是两侧共同进行优化,效益实现共享的模式。协同优化与集成优化存在巨大的不同。所谓“集成”就是将一些孤立的事物或元素,通过某种方式集中在一起,产生相互联系,从而构成一个有机整体。而“协同”,就是指协调两个或多个不同资源或者个体,协调一致地完成某一目标的过程或能力。

大电厂、大电网、大系统的多能互补由于容量太大,不可能靠大规模储能实现错峰优化配置,所以基本上都是同步系统,所有的优化只能在同步条件下进行。同步优化存在着极大的局限性,集成优化是主要的选择。

在以分布式能源构建的系统中,在需求侧不仅可以将各种分布式能源协调起来,而且可将供给侧和需求侧协调呼应起来。让需求响应供给,而不是供给侧单方面应对需求侧的波动变化。结合分布式储能,共同实现资源的协同优化配置。能源互联网就是通过信息系统实现有效的需求响应,解决供需互动协调配置。

在用户侧建设充足的分布式储能系统,就可以实现异步优化。储能电池和各种储电技术的进步,在用户需求侧将用电低谷时段的电力储存起来,在用电高峰时段输出满足用户需求,削峰填谷,均衡用电,优化配置。

人们对于能源的需求不单是电力,还有热力和制冷需求。中国用于电力的煤炭消费占煤炭总消费量的45.2%,用于供热和终端能源消费占34.3%,其中终端能源消费也主要集中在采暖和热力系统上,而相当一部分电力也是在终端用于采暖和生活热水上。热是可以短期储存的,储热可将系统的供需实现异步优化。

目前市场上有一种相变蓄热材料,蓄热量是水的三倍以上。产品包括分布式模块化蓄热、户用蓄热和移动蓄热多种产品,可以连接城市热力管网、分布式热电冷三联供、太阳能集热系统、空气源热泵和电加热管等,蓄热72小时温度下降不到10摄氏度。在用户侧蓄热储能,将供热异步化,增强了系统协同优化的能力,而且可能跨越不同的终端二次能源进行协调优化。

冷也是可以储存的,可以蓄冰、也可蓄冷水,还可相变蓄冷;可以使用电制冷,也可通过热吸收制冷,还可将冬季的冰集中储存留到夏季使用。蓄冰也可以跨界优化,燃气轮机进气冷却是比较成熟的技术,就是将进入燃气轮机的空气降温,提升其出力和效率。如果将燃机进气温度从夏季环境温度35摄氏度,降低到15摄氏度,燃机出力可以提升18.2%,发电效率提升5.52%。2020年我国燃机发电容量将达到1亿千瓦,我们将低谷电制冰,蓄冰制冷来冷却燃机进气温度,夏季用电高峰可以增加1818万千瓦的尖峰负荷出力,对于电网调峰和供电稳定意义重大。

电、热、冷三种终端二次能源相互之间因为储能实现了异步优化,大大提升了能源系统的灵活性和对于终端需求的适用性。在马斯克三位一体的分布式能源模式上,再配置一个地源或空气源热泵以及蓄能水罐,就可以将能源自给自足扩展到供暖、供生活热水和制冷上。著名地热专家汪集旸院士将这种模式称为“地热+光伏+”。实际上,更准确地说是“光伏+储电+地热+储能+电动车+需求侧响应”模式的多能互补协同优化。

习近平总书记在十九大报告中说:中国特色社会主义进入了新时代,社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。

过去,我们的能源行业主要任务是满足经济社会发展对于能源的日益增长的需要。但是,今天能源和电力出现严重的供大于求,任务的重点已经转向“推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。而能源革命的首要任务是能源消费革命,“坚决控制能源消费总量,有效落实节能优先方针,把节能贯穿于经济社会发展全过程和各领域,坚定调整产业结构,高度重视城镇化节能,树立勤俭节约的消费观,加快形成能源节约型社会。”

由此可见,多能互补的重点要随着时代的变迁更多地转向需求侧,更多地关注分布式能源,更多地推进能效提升和污染的降低,更多地解决能源领域发展的不平衡不充分的矛盾。