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朱寧 | 綜合能源發(fā)展脈絡(luò)、技術(shù)特點(diǎn)和未來趨勢(shì)
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進(jìn)入新時(shí)代的中國,隨著京津冀協(xié)同發(fā)展和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)以及粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的加快,多項(xiàng)國家戰(zhàn)略全面實(shí)施,產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展相關(guān)的一系列政策不斷發(fā)布。 能源是國家戰(zhàn)略實(shí)施的基礎(chǔ)。我國能源領(lǐng)域的高強(qiáng)度建設(shè)時(shí)代已經(jīng)過去,為構(gòu)建綠色低碳、安全高效的能源供給體系,為實(shí)現(xiàn)生態(tài)良好、美麗中國目標(biāo),中國能源行業(yè)從能源生產(chǎn)、能源基礎(chǔ)設(shè)施、能源消費(fèi),到能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入,都亟需找準(zhǔn)能源高質(zhì)量發(fā)展的新動(dòng)力源。中咨公司雄安新區(qū)規(guī)劃編制團(tuán)隊(duì)提出的綜合能源(系統(tǒng))這一新業(yè)態(tài)新模式,被贊許是一種“很先進(jìn)的理念”,已經(jīng)在雄安新區(qū)能源規(guī)劃和實(shí)施方案中全面推行,將成為能源高質(zhì)量發(fā)展的重要著力點(diǎn)。 一、我國能源發(fā)展的主要方向 清潔、低碳、高效已經(jīng)成為世界能源發(fā)展大勢(shì),新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革均聚焦能源領(lǐng)域,主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是發(fā)達(dá)國家在高度重視能源安全前提下,紛紛制定能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略和低碳政策,發(fā)布更高的能源發(fā)展指標(biāo),不斷提高可再生能源占比,逐步降低煤炭占比,持續(xù)提升電氣化水平;二是能源科技創(chuàng)新進(jìn)入高度活躍期,重點(diǎn)集中在氫能及新一代核能技術(shù)研發(fā)、大規(guī)模儲(chǔ)能和智慧能源技術(shù)示范、先進(jìn)分布式能源與智能微電網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用等領(lǐng)域;三是能源供應(yīng)和服務(wù)方式加快轉(zhuǎn)變,綜合能源系統(tǒng)逐步普及,先進(jìn)能源設(shè)備及關(guān)鍵材料不斷涌現(xiàn)。 改革開放以來,我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量持續(xù)增長,一次能源生產(chǎn)總量從 6.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長到2018年的37.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,能源消費(fèi)總量從 5.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長到 2018年的46.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。與能源發(fā)展同步,進(jìn)入新世紀(jì)以來,我國全社會(huì)用電量快速增長,2018年全社會(huì)用電量達(dá)到68449億千瓦時(shí)。為滿足電力需求高增長,我國電力裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。截至2018年底,發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)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(fēng)電1.84億千瓦、太陽能發(fā)電1.75億千瓦,實(shí)現(xiàn)人均裝機(jī)規(guī)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(qū)域的500千伏和750千伏交流主網(wǎng)架,除臺(tái)灣外已實(shí)現(xiàn)全部省級(jí)電網(wǎng)交直流互聯(lián)。截至2018年底,全國220千伏及以上輸電線路總長度達(dá)到73.3萬公里, 220千伏及以上公用變?cè)O(shè)備容量402255萬千伏安。中國無論是能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量,還是發(fā)電裝機(jī)規(guī)模、電網(wǎng)規(guī)模,均居世界首位。 經(jīng)歷了大電網(wǎng)、大電源、大煤礦等的高強(qiáng)度建設(shè)后,我國能源結(jié)構(gòu)和布局正在深度調(diào)整。今后較長一段時(shí)期內(nèi),雖然一次能源稟賦造成的“煤炭依賴”現(xiàn)象難以消除,但我國能源結(jié)構(gòu)必將持續(xù)優(yōu)化,煤炭占比將逐步下降,可再生能源消費(fèi)比重將逐步上升。伴隨城鎮(zhèn)化和數(shù)字化城市建設(shè),新一代信息技術(shù)、現(xiàn)代生命科學(xué)、生物醫(yī)藥和先進(jìn)電子材料等戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)對(duì)供電強(qiáng)度和質(zhì)量的更高要求,以及今后軌道和公路交通、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(fèi)比重大幅提高。 當(dāng)前我國能源領(lǐng)域存在的主要問題之一,是能源產(chǎn)業(yè)鏈條不長、層次不高,能源生產(chǎn)性服務(wù)等配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后,產(chǎn)業(yè)體系全但短板較多。在新發(fā)展理念指引下,為深入推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,我國能源發(fā)展正在由主要依靠資源投入向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變,能源政策注重節(jié)約高效、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、清潔替代、創(chuàng)新動(dòng)能、安全可靠。推動(dòng)能源向清潔化和智能化方向發(fā)展,積極發(fā)展和培育能源新技術(shù)、新業(yè)態(tài)和新模式,創(chuàng)新能源體制機(jī)制,已經(jīng)成為能源行業(yè)共識(shí)。 二、綜合能源的發(fā)展脈絡(luò)、概念和特點(diǎn) 1、綜合能源發(fā)展脈絡(luò) 歐美、日本等發(fā)達(dá)國家早期發(fā)展階段以及我國十九世紀(jì)80年代以來,在城市和開發(fā)區(qū)逐步普及熱電聯(lián)產(chǎn), 90年代進(jìn)一步興起分布式發(fā)電供熱,這些能源加工轉(zhuǎn)換和供應(yīng)形式基本上是利用單一能源生產(chǎn)熱能向用戶供應(yīng)。90年代初,北歐、日本開始采用海水源熱泵技術(shù),將低品位的海水能源與高品位的電能結(jié)合,向點(diǎn)用戶供熱供冷。2003年,廣州大學(xué)城開始進(jìn)行熱泵技術(shù)應(yīng)用嘗試,開展了區(qū)域集中制冷,但未實(shí)現(xiàn)能源來源多元化和能源供應(yīng)多樣化。 之后,在完善的電網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)有力支撐下,以能源來源從單一轉(zhuǎn)向多元化、能源供應(yīng)(供熱)從高溫轉(zhuǎn)向中低溫為兩個(gè)主要技術(shù)特征,國際上城市能源供應(yīng)開始向多元多樣方向發(fā)展。近十幾年,我國能源行業(yè)跟蹤世界能源發(fā)展,把握綠色低碳轉(zhuǎn)型大勢(shì),開始了綜合能源(系統(tǒng))的嘗試。2008年,我國哈爾濱、江蘇等地,出現(xiàn)了采用熱泵技術(shù)、利用多種能源實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱供冷的綜合能源站。在國家推進(jìn)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(shí)施了綜合能源工程和開展相關(guān)規(guī)劃,綜合能源這一能源新業(yè)態(tài)新模式開始受到各地重視。 2、綜合能源概念和特點(diǎn) 2015年,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出了區(qū)域能源的概念(圖一),即通過整合能源生產(chǎn)、公共衛(wèi)生、污水處理、運(yùn)輸和廢棄物處理等市政服務(wù)設(shè)施,建設(shè)現(xiàn)代區(qū)域能源系統(tǒng),協(xié)同生產(chǎn)供應(yīng)熱量、冷量、熱水和供電。 圖一 聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的區(qū)域能源系統(tǒng)架構(gòu)示意圖 中咨公司雄安新區(qū)規(guī)劃編制團(tuán)隊(duì)提出的綜合能源概念與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的區(qū)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(shù),通過建立綜合能源站工程+智慧能源微網(wǎng)工程(包括源網(wǎng)荷儲(chǔ)智能微電網(wǎng)和智能微熱網(wǎng)),實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用循環(huán)利用,實(shí)現(xiàn)冷熱電氣水一站式服務(wù)。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(wù),政府可創(chuàng)新能源管理方式,是一種安全先進(jìn)的城市供能模式。 圖二 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)示意圖 相較于聯(lián)合國提出的區(qū)域能源概念,綜合能源更強(qiáng)調(diào)能源與城市融合發(fā)展,強(qiáng)調(diào)能源供應(yīng)和環(huán)境治理相結(jié)合,強(qiáng)調(diào)多能互補(bǔ)、梯級(jí)利用、循環(huán)利用,強(qiáng)調(diào)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同聯(lián)動(dòng),強(qiáng)調(diào)能源一站式服務(wù),它具有四個(gè)鮮明特點(diǎn): 一是實(shí)現(xiàn)環(huán)境優(yōu)先的可持續(xù)發(fā)展。綜合能源通過智能微電網(wǎng)、智能微熱網(wǎng)和儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用,最大限度地使用可再生能源。通過統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)處理城市污廢(包括污水、生活垃圾、餐廚垃圾、污泥等)的市政基礎(chǔ)設(shè)施,使能源供應(yīng)與城市基礎(chǔ)設(shè)施相融合,與環(huán)境治理相結(jié)合,將城市污廢、余熱等原本廢棄的資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳玫哪茉础?/p> 二是實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的可靠安全經(jīng)濟(jì)。綜合能源重視可靠安全經(jīng)濟(jì)的用能策略,改變以往過分依賴或強(qiáng)調(diào)某一種能源的做法,根據(jù)不同能源的稟賦,按照多能互補(bǔ)、冷熱電氣水一體化的思路,優(yōu)先利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉矗ǔ鞘形蹚U能源、太陽能、淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮艿龋?,盡量減少化石能源使用量。綜合能源站工程+智慧能源微網(wǎng)系統(tǒng)采用供熱、供冷、供電、供氣、供水的一體化設(shè)計(jì),相較于冷熱電氣水分別建設(shè)一套系統(tǒng),不僅可有效降低設(shè)施投資和運(yùn)維成本,而且可大幅提高能源利用效率。對(duì)同一個(gè)供能系統(tǒng),根據(jù)不同能源的稟賦、數(shù)量和價(jià)格,利用智慧能源微網(wǎng)系統(tǒng),靈活調(diào)整用能策略,實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)行效率,做到安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)平衡。 三是實(shí)現(xiàn)能源基礎(chǔ)設(shè)施的分布網(wǎng)格化布局。綜合能源改變以往能源基礎(chǔ)設(shè)施大集中的做法,根據(jù)城市功能和布局以及冷熱負(fù)荷分布特點(diǎn),分區(qū)規(guī)劃和建設(shè)能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施,形成以綜合能源站為節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格化布局,最大程度的接近用能負(fù)荷中心,縮短供能距離。網(wǎng)格化的綜合能源系統(tǒng),既可以單網(wǎng)運(yùn)行,也能夠多網(wǎng)并行,不僅提高整個(gè)供能系統(tǒng)安全性,減少冗余,而且可以根據(jù)城市建設(shè)布局和進(jìn)度分塊建設(shè)分步運(yùn)行,降低投資強(qiáng)度。 四是實(shí)現(xiàn)多種能源在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)的緊密互動(dòng)。為提高能源系統(tǒng)的環(huán)境可持續(xù)性和安全可靠性,并降低能源價(jià)格,綜合能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和使用,充分利用不斷進(jìn)步的智慧能源技術(shù),達(dá)到規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理的系統(tǒng)化、集成化和精細(xì)化。 三、智慧能源技術(shù)是綜合能源的關(guān)鍵 綜合能源是一種能源加工轉(zhuǎn)換方式,是一種新型基礎(chǔ)設(shè)施,是一種全新服務(wù)模式。綜合能源發(fā)展與智慧能源技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)。目前智慧能源技術(shù)研究和應(yīng)用還處于起步階段(表一),國內(nèi)外學(xué)者將智慧能源技術(shù)的機(jī)理理解為:多類負(fù)荷關(guān)聯(lián)、耦合元件互補(bǔ)、能源網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)、新型商業(yè)模式、人為干擾因素,完成多種能流耦合互動(dòng)。 表一 智慧能源技術(shù)的國內(nèi)外研究計(jì)劃表(不完全統(tǒng)計(jì)) 從目前國內(nèi)外研究成果看,智慧能源技術(shù)應(yīng)用,需要建立多種能源信息采集和傳輸設(shè)施、智能能源管理系統(tǒng)(適應(yīng)各類能源調(diào)度系統(tǒng)需求的支撐平臺(tái))。整個(gè)系統(tǒng)軟件由商用數(shù)據(jù)庫軟件、系統(tǒng)綜合平臺(tái)、應(yīng)用子系統(tǒng)等部分組成,采用開放式分布應(yīng)用環(huán)境,通過數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、實(shí)時(shí)建模與狀態(tài)感知、優(yōu)化調(diào)度控制、安全分析和預(yù)警等軟硬件,實(shí)現(xiàn)供能安全保障、多種能源數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、多種能源耦合管理、綜合能源優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟(jì)效益分配和合同能源管理的目標(biāo)。 能源信息采集、傳輸和數(shù)據(jù)處理設(shè)施,采用互聯(lián)網(wǎng)、高速寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),建設(shè)冷熱電氣水等多種能源信息采集裝置和通訊傳感網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的中樞神經(jīng),為智慧能源管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí),建設(shè)綜合能源數(shù)據(jù)中心,協(xié)同處理多能流數(shù)據(jù)。 相對(duì)于單一電力調(diào)度管理系統(tǒng),智慧能源管理系統(tǒng)為多種能源系統(tǒng)的耦合提供一套完整的智能運(yùn)行管理解決方案,主要特點(diǎn)體現(xiàn)在綜合、智能、安全和創(chuàng)新四個(gè)方面。其中,“綜合”體現(xiàn)在從原來的單一電力能量管理升級(jí)為冷、熱、電、氣、水等能源的綜合管理,從電源電網(wǎng)能量管理升級(jí)為源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同管理 。“智能”體現(xiàn)在從人工到自動(dòng)控制,從離線到在線管理,從粗放到精細(xì)的發(fā)展模式,通過提供能源數(shù)據(jù)服務(wù),提高政府決策的科學(xué)性,提升用戶用能體驗(yàn)和節(jié)能水平?!鞍踩斌w現(xiàn)在各類能源統(tǒng)一生產(chǎn)調(diào)度和供應(yīng),能源數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、研判、預(yù)測(cè)、共享,統(tǒng)籌節(jié)能和優(yōu)化供能,實(shí)現(xiàn)更高水平、更高效率的安全供能。“創(chuàng)新”體現(xiàn)在緊密結(jié)合信息化前沿技術(shù)(比如云計(jì)算平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等),以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)服務(wù)模式創(chuàng)新。 可以看出,智慧能源技術(shù)與綜合能源高度相關(guān),是綜合能源實(shí)現(xiàn)智能化(或智慧化)的關(guān)鍵所在,是能源服務(wù)和能源管理現(xiàn)代化的關(guān)鍵所在。 四、綜合能源的基本構(gòu)成和規(guī)劃示例 一般來講,綜合能源充分利用屬地污水和中水能、垃圾焚燒處理余熱、數(shù)據(jù)中心和變電站排熱、太陽能、地?zé)崮?、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(shè)綜合能源站工程+智慧能源微網(wǎng)工程,利用先進(jìn)熱泵、微型燃機(jī)等技術(shù)對(duì)能源進(jìn)行加工轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)城市冷熱電氣水的綜合供給。 以國內(nèi)某智慧生態(tài)小鎮(zhèn)的綜合能源規(guī)劃為例,基于“綠色、節(jié)能、循環(huán)、智慧”的小鎮(zhèn)規(guī)劃定位,能源供給考慮能源與城市融合發(fā)展,充分挖掘城市自身潛藏能量,耦合城鎮(zhèn)環(huán)境治理、水環(huán)境及海綿城市建設(shè),消納城市污廢,打造未來城市新型基礎(chǔ)設(shè)施的樣板,在滿足小鎮(zhèn)能源需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)生態(tài)和諧(表二)。 表二 生態(tài)智慧小鎮(zhèn)用能策略規(guī)劃 系統(tǒng)構(gòu)成從需求側(cè)出發(fā),按照多能互補(bǔ)、梯級(jí)利用形式,建設(shè)以能源中心(綜合能源站)、智能微電網(wǎng)、智能微熱網(wǎng)為核心,以智慧能源管理為紐帶的多源協(xié)調(diào)、多網(wǎng)融合的綜合能源系統(tǒng)(圖三)。 圖三 某智慧生態(tài)小鎮(zhèn)綜合能源規(guī)劃布局示意圖 與冷熱電氣水分開供應(yīng)的城市傳統(tǒng)供能模式相比較,智慧生態(tài)小鎮(zhèn)綜合能源的規(guī)劃能源消耗總量減少10%,人均二氧化碳排放量減少30%,規(guī)劃的整體能源利用效率可提高70%以上(達(dá)80%左右);規(guī)劃的投資、成本和電力消耗可節(jié)約10%以上,并大量節(jié)約耗水量和用地量;由于采用多能互補(bǔ)方式,可提高小鎮(zhèn)能源供應(yīng)可靠度,實(shí)現(xiàn)城市供能不中斷,規(guī)劃供電可靠率大于99.99%;政府依托綜合能源系統(tǒng)創(chuàng)新管理方式,推動(dòng)能源體制機(jī)制創(chuàng)新,用戶享受多種能源套餐式服務(wù)、冷熱電氣水一站式服務(wù)。 規(guī)劃設(shè)計(jì)的商業(yè)模式是采用使用者付費(fèi)PPP模式,通過政府授予特許經(jīng)營權(quán),向用戶收取配套費(fèi)及能源使用費(fèi)的方式獲得收益。 五、綜合能源是能源高質(zhì)量發(fā)展的有力抓手 縱觀世界能源發(fā)展趨勢(shì),得益于智慧能源技術(shù)發(fā)展的助力,能源生產(chǎn)與消費(fèi)的邊界將逐漸模糊,能源消費(fèi)側(cè)和供給側(cè)趨近“見面”。為重點(diǎn)解決我國能源產(chǎn)業(yè)鏈條不長層次不高、能源生產(chǎn)性服務(wù)等配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后、能源與城市融合發(fā)展方面基本空白的問題,未來應(yīng)以推廣能源新技術(shù)新業(yè)態(tài)新模式為主要抓手。 為推動(dòng)質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革,為大力開發(fā)可再生能源、打好安全高效利用可再生能源的基礎(chǔ)條件,能源行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展必須注入新活力。從目前的研究和規(guī)劃成果看,在城市和開發(fā)區(qū)廣泛布局綜合能源這一新型能源基礎(chǔ)設(shè)施,推廣綜合能源利用服務(wù)體系和運(yùn)管系統(tǒng),制定和不斷完善各種類、各區(qū)域、各層級(jí)的綜合能源系統(tǒng)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系,配套出臺(tái)綜合能源管理辦法和體制機(jī)制創(chuàng)新措施,將助力提升我國能源與城市融合發(fā)展水平,大幅提高能源利用效率和服務(wù)水平,有利于在能源生產(chǎn)、輸送、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈上實(shí)現(xiàn)綠色、安全、高效,引領(lǐng)中國能源進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段。 i 根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局、國家能源局、中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)整理。 ii 聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署《城市區(qū)域能源:充分激發(fā)能源效率和可再生能源的潛力》(2015)。 iii 潘明明 《基于非合作博弈的能源互聯(lián)網(wǎng)多元主體行為分析方法》(華北電力大學(xué),2017)。 iv 李炳森、吳凡《能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究》(《智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用》,2017)。 v 高晗、劉繼春等《全球能源互聯(lián)網(wǎng)下輸電走廊規(guī)劃分析研究》(《四川電力技術(shù)》,2017)。 vi 中國國際工程咨詢有限公司《基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展研究》(2019)。 | |||||
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