区域能源互联网--浅析可再生能源供热与区域热电协同.doc

区域能源互联网 浅析可再生能源供热与区域热电协同 浅析可再生能源供热与区域热电协同韩雪，胡润青（国家发展和改革委员会能源研究所，北京 100038）摘要供热制冷能源消费约占全球终端能源消费总量的50%。文章提供了国内外可再生能源供热的相关经验。讨论了区域热电互联对于提高可再生能源利用的作用和所需的相关机制。0 引言供热制冷能源消费约占全球终端能源消费总量的50%，是能源需求结构中重要的组成部分。提高可再生能源在供热中的利用比重，是实现发展绿色清洁能源系统的重要组成部分。在一些国家和地区，可再生能源已成为供热系统的主要能源来源，特别是在北欧地区， 如瑞典的可再生能源供热已占热力需求量的68%以上， 而芬兰、丹麦等国家的可再生能源供热比例也在30%以上，一些产业化的经验和机制都可以成为中国发展可再生能源供热的重要参考。清洁化的供热制冷是中国能源转型向绿色低碳能源系统的重要环节。国家提出的推动能源生产和消费革命的战略，明确提出了到2030年非化石能源在一次能源消费总量达到20%的发展目标。中国北方地区一段时期以来受到空气污染的影响，尤其是冬季供暖期。为此， 习近平总书记在中央财经领导小组第14次会议上提出了“推进北方地区冬季清洁取暖”的重要精神，2017年政府工作报告也明确了“坚决打好蓝天保卫战”重点工作任务。清洁化供暖既是中国能源转型向绿色低碳能源系统的重要环节，也是提高冬季空气质量的民生工程。近年来，中国风、光等可再生能源发电并网规模持续高速增长，然而随之而来的严重“弃风”、“弃光”问题已成为制约可再生能源电力有效利用的瓶颈。通过热电协同技术和机制，一方面可以有效地提升可再生能源消纳空间，另外一方面也为可再生能源供热提供了更加灵活的技术形式以及为整个电力系统提供更高的灵活性和可靠性。1 可再生能源供热技术可再生能源供热技术是通过将风、光、生物质、地热能等形式可再生能源转化为热力，以蒸汽、热水、供暖等形式提供供热服务。表1对常见的可再生能源供热技术种类进行了汇总，太阳能、地热能、生物质能和其他类型的热泵技术都可以实现由可再生能源向热源形式的转变，其中热泵依靠电力驱动，通过收集环境当中的热能，实现较高的电和热之间的能源转换效率，可再生能源电力供热则需建立与弃风弃光问题联动的机制。图1根据不同技术的单位投资成本和技术适用的供热规模，对不同可再生能源供热技术进行了比较。热泵技术和电锅炉主要应用的场景为分散式供热，在用户侧实现其他形式的能源向热能的转换；热电联产和中深层地热热电厂提供的热源规模较大，一般应用于集中供热场景，通过供热管道对用户供热；而太阳能供热技术的供热能力和太阳能集热器的面积成正比，理论上在集热器铺设面积满足的情况下可以提供任意容量的热源；电锅炉的规模可大可小，储热式电锅炉能较好地实现灵活性调节作用。本章将根据技术类型分别介绍常见的可再生能源供热技术。图1 可再生能源供热技术供热规模和投资汇总1.1 太阳能热利用1.1.1 太阳能热水（中低温）太阳能热水利用太阳能集热器吸收太阳辐射能、加热流经太阳能集热器的水，并将热能储存在储水罐中实现供热。太阳能供热水技术成熟，在中国已实现产业化和市场发展，每平方米集热器可产5080L热水，其主要应用领域为户用太阳能热水器，占太阳能供热水技术市场整体的90%，而宾馆、浴室等集中供热水的应用占市场整体的近8%。投资回收期约为26年，集热器投资为1 2001 500元/m2。太阳能集热器也可以应用在工业和农业领域。在工业领域，既可满足部分工业生产和工艺流程中中低温的热力需求，也可用于工艺预热和备热；在农业领域，太阳能可被用于温室、太阳房、干燥器等应用。1.1.2 太阳能供暖太阳能供暖技术成熟，但受到冬季太阳能资源强度较弱的影响，需较大的屋顶面积安装太阳能集热器，应用条件受到一定的限制，多应用在别墅、低层住宅上。单位太阳能集热器面积可满足510m2建筑的供暖需求。太阳能供暖的初始投资较大，但运行成本低。1.2 地热能1.2.1 中深层地热能供热通过人工钻井的方式开采地热水或蒸汽资源，通过供热系统将地热水或蒸汽的热能传输到用户端。由于地热水质当中通常含有大量杂质，一般采用间接供热机制，通过热介质和地热水换热再经供热系统传输出去。中深层地热能供热技术已经实现大规模商业化应用，单位建筑面积投资为90150元/m2，但存在一次性投资大、投资回收期长、运维成本较高的风险。同时，此项技术受地热资源和地理条件的约束较大。1.2.2 浅层地温能热泵浅层地热能供热是指通过热泵技术从浅层岩土体、地下水、地表水中提取低位热量，为用户提供供热制冷服务。主要技术类型有：地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统等。目前这些浅层地热能热泵技术已基本成熟，进入大规模商业化应用的阶段。热泵技术的供热容量级别可以从10kW到10MW级别，可以应用于住宅、办公楼、学校、医院、工业厂房等不同场景，但热泵的容量受到埋管面积或水域面积的限制。热泵能效比一般为34，热泵系统单位投资大约为100300元/m2，初期投入较大，但运行成本较低。1.3 生物质能1.3.1 供热锅炉生物质锅炉供热通常以生物质固体燃料为主要原料，如成型压块燃料、成型颗粒燃料、碎木燃料和农作物秸秆等。中国生物质锅炉的主要燃料形式为成型燃料，而国外生物质锅炉多以林业废弃物和农业秸秆作为主要燃料。中国目前生物质成型燃料年产量为600万t，其中约80%用于生物质燃料供热。生物质锅炉的容量一般小于20蒸吨/h，目前在运项目中，最大规模为80蒸吨/h， 可供应蒸汽50万t。生物质供热锅炉既可用于城市居民供暖的燃煤锅炉替代，也可用于农产品加工、温室、建筑设施的热力和热水供应。其单位投资大约为50万70万元/蒸吨。我国尚没有直接燃用秸杆的生物质锅炉，生物质成型燃料的价格又普遍高于煤炭价格、且产量相对较少，对于生物质供热锅炉的广泛应用和燃煤替代造成了一定障碍。1.3.2 热电联产生物质热电联产采用生物质为燃料，在发电的同时将发电余热用于供热。通过热电联供提高系统整体能源转换效率，降低运行成本。在现有的技术中，低真空 抽气供热的技术经济性较好。生物质热电联产对于生物质资源的依赖性较强，需要充足的生物质资源保证热电联产机组的稳定运行，另外和集中式供热的其他方式相似，热负荷距离热电联产机组的距离应在20km以内，以保证较小的热损失和较为合理的一次管网建设成本。对于1个130蒸吨/h、发电容量2.5万kW的热电联产机组，可以保证125万m2的供热面积，其单位投资约为50万70万元/蒸吨。1.4 热泵1.4.1 空气源热泵空气源热泵通过热泵技术从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用方便安装简单。然而此项技术受到环境温度影响较大，其系统能效比（COP）会随着环境温度的降低以及室内外温差增大急剧降低，因此在北方地区应用受到限制。低温空气源热泵通过对压缩机工作频率变化以及串并联的改变使得空气源热泵在低温情况下依然可以保持较高的系统能效比，因而在北方地区也得以适用。1.4.2 污水源热泵污水源热泵是指通过热泵技术从工业余热、污水、再生水等水源总提取低位热能，为用户提供供热制冷技术。应用上普遍使用间接式的方法，减轻水中杂质对系统的影响。由于间接式系统中供热水源和热泵机组是隔离的，因此对于热泵没有特殊要求，但对于水源条件，如水温、水量、水质有一定要求。另外，热源与用户之间的距离也是影响污水源热泵应用的重要因素，要求热源和用户之间的距离小于20km，且一次管网的投入也较高。污水源热泵技术单位投资成本约为150350元/m3，系统能效比（COP）一般为34，初期成本投入较大，但运行费用较低。2 储能技术为了使电力系统和热电协同技术更好地适应可再生能源发电以及供热的波动性和不确定性，同时提高系统运行灵活性和效率，储能技术的应用是系统中重要的组成部分。特别是在冬季，供热作为刚性需求捆绑了热电联产机组运行灵活性的时期，储能装置可以通过能量转移的方式释放系统的灵活性，放松“以热定电”的技术约束。2.1 储热技术固体储热、熔盐储热和水储热3种技术方式均进入了规模化的应用阶段。表2对于3种技术的技术特征、运行特点和成本进行了对比。2.2 电动汽车和电化学储能电动汽车不仅仅是绿色出行和实现交通部门电气化的主要手段，也是电力系统中重要的分布式储能设备。同时退役电池的梯次利用、其他商业模式的电化学储能设备也作为分布式储能资源，应用于区域能源系统中，起到平抑波动、削峰填谷的作用，成为提供系统灵活性、提高能源互联网运行效率的重要组件。在过去6年间，电动汽车动力电池的平均成本已经下降了约77%，从2010年的1 000美元/kWh下降至227美元/kWh，并且乐观分析，预计到2020年价格将低于190美元/kWh，到2030年将低于100美元/kWh。随着电化学储能电池价格的走低和其市场的不断扩大，分布式储能设备将在用户侧，尤其是区域能源互联网中作为终端的灵活性组件实现区域能源系统的协调，满足用户以及更高级别系统的要求。图2 20102016年欧洲和中国电动汽车动力电池平均价格2.3 抽水蓄能和其他储能方式抽水蓄能因其储能容量大、运行调节灵活的特性在可再生能源友好型、灵活和安全性的电力系统中扮演着重要的角色，然而抽水蓄能项目受限于地形地质条件等因素较大。截止到2016年底，全国抽蓄电站装机2 669万kW，计划“十三五”期间新投产1 700万kW左右，2020年装机达到4 000万kW。目前已建成的抽水蓄能电站单位千瓦投资在3 5004 700元之间。和飞轮储能等其他储能技术相比，抽水蓄能的技术成熟性、容量以及经济性具有明显优势。在电化学储能成本降至500元/kWh之前，抽水蓄能仍是大规模储能项目的首选。3 热电协同技术中国北方许多地区风光资源丰富，近几年“三北”（西北、东北、华北）地区风电和光伏发电装机增长迅猛，但是也面临着本地消纳能力不足、风光波动性影响电网安全运行的问题，同时风光电力外送也受到省间壁垒、外送通道容量、通道刚性运行要求的约束，弃风弃光的现象比较严重。尤其是在冬季，热电机组调峰能力受限而风电大发的事情，矛盾更加严重。面对冬季雾霾天气等环境因素对人民生活影响，在能源结构调整的背景下，中国北方地区冬季供暖面临着调整热源结构和保障供热民生的双重压力。北欧提出的第四代区域供热理念，构建清洁的分布式智能能源网。从热源结构上，充分利用可再生能源，完全摒弃化石燃料；从用户角度，其分布式可再生能源系统产生的能源可以并入区域供热网，从热力公司向用户的单向供热转为根据用户需求的双向互动选择；采用低温区域供热系统，供水温度在5060，以提高能源效率和灵活性。热电联产、热泵技术、电锅炉、储热、需求侧响应等热电协同技术是其重要组成部分。相较于热力，电力具有传输距离长、损耗小的优势，但是也有瞬时平衡、不宜储存的缺点。将电力系统和热力系统相融合、热电系统联动，可以综合二者优势，实现能源系统的资源优化配置。热电协同可以帮助热力系统改善热源结构，降低化石能源在热源结构中的比例，同时也可以提高区域能源互联网中本地电力消纳水平，在冬季供暖期为电力系统提供更多的灵活性设备，有效提高可再生能源利用比例。3.1 集中供热在集中供热系统中，热电联产机组可以作为热电协同的关键性组件实现2个系统的协调运行。通过在热电联产机组的产热回路中加入热泵、储水罐等设备，调节热电联产机组在保证其高效工况下产热量和电量比例调节的灵活性，以实现热电联产机组在电力系统中的调峰容量不受供热干扰，同时不影响整个机组的能量转换效率和机组设备的运行寿命。电力负荷低谷期，电压缩式热泵消耗过剩电，制取低温水与高温水，分别储存在蓄热罐中；而在电负荷高峰期时，释放高温水用于替代部分供热量，减少机组抽汽量，增加高峰发电能力。通过这些手段电厂发电调节范围可增至50%90%，同时可以更好地回收电厂余热。3.2 分散供热在一些热力用户相对分散的地区，集中供热的管路热损耗大、供热效果不好，通过分散供热，可以有效地减少小型采暖锅炉的应用，控制空气污染。通过各种类型的热泵技术替代小型采暖锅炉，一方面增加了本地电力需求，可在供热领域消纳更多的可再生能源电力（风电、光伏）；另一方面，以分布式热泵作为热电协同的关键性组件，结合分布式储热或储能设备，可以帮助分布式光伏和分散式风电更好地实现小范围的能源利用平衡。通过在北方地区试验，低温空气源热泵等热泵技术单位面积采暖电耗为1840kWh/m2，与其他化石能源供热相比，成本相对较高。但考虑大气污染控制、散煤替代等方面的制约因素日益提高，浅层地温能热泵技术、空气源热泵技术已成为北方地区农村清洁供暖的重要技术手段。储热式电锅炉将用电低谷时段的电力转换为热力，能有效增加低谷时段的电力消纳能力，缓解电力系统中可再生能源比例不断上升带来的挑战。在弃风严重的“三北”地区，电锅炉供热的应用规模都在不断增加，相关的政策机制也在探索中。张家口市探索建立了“政府、电网、发电企业、用户”的四方协作机制，通过政府补贴、降低电网输配电价和利用用电低谷时段供暖的方式，实现用户供暖电价为0.15元/kWh左右，2017年底前实现500万m2的电供暖。3.3 需求侧响应在用户侧通过集成多个热泵、储能、电动汽车等设备，实现联动，可以首先实现小范围内的负荷平衡，同时也可以通过多级或规模化的集成实现更高电压等级电力平衡或为电网提供辅助服务。4 热电协同项目珠海横琴新区的横琴能源站项目以1座燃气电厂、9座集中制冷站为基础，开展了光伏、电制冷、电厂余热、水蓄冷和冰蓄冷等多能互补、互联网技术集成优化的综合能源供应开发与服务，天然气一次能源利用效率达到73%，2017年总冷量需求达到20万冷吨时。对比单独采用中央空调的建筑，该区