分布式能源面臨重大發(fā)展機(jī)遇

吳凱檳，彭旭東，楊秀芳，朱振輝，姜遠(yuǎn)剛，陳利華

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074;2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003;3.長沙新奧遠(yuǎn)大能源服務(wù)有限公司，湖南 長沙 410100;4.泰格林紙集團(tuán)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 岳陽 414000)

0 引言

近期霧霾天氣突發(fā)籠罩了我國各省市多個(gè)地區(qū)。國際通行的空氣監(jiān)測(cè)指標(biāo)PM2.5達(dá)到嚴(yán)重污染的程度，這和我國過往粗放式的能源結(jié)構(gòu)密不可分［1］。十八大后建設(shè)“美麗中國”，大力推動(dòng)清潔能源生產(chǎn)和消費(fèi)已然成為未來經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障［2］。

1 PM2.5指標(biāo)爆表的影響

根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)顯示，北京、河北、山東等多地空氣質(zhì)量達(dá)嚴(yán)重污染，PM2.5指數(shù)直逼最大值，中國PM2.5污染情況如圖1所示。

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，直徑不到人的頭發(fā)絲的1/20大小，不易被阻擋。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量影響更大［3］。

圖1 中國PM2.5污染情況

環(huán)境方面主要是PM2.5導(dǎo)致城市人為能見度下降，產(chǎn)生陰霾天氣。大氣能見度主要是由大氣顆粒物對(duì)光的散射和吸收決定的。在大氣氣溶膠中，主要是粒徑為0.1～1.0 μm的顆粒物通過對(duì)光的散射而降低物體與背景之間的對(duì)比度，從而降低能見度［4］。在這一粒徑范圍的顆粒物中，含有 SO4－2的粒子和含有的粒子最易散射可見光，而在大多數(shù)地區(qū)，硫和氮為所觀察到的二次PM2.5的主要組分。PM2.5對(duì)光的吸收效應(yīng)幾乎全部是由碳黑(也稱元素碳)和含有碳黑的顆粒物造成的。SOA對(duì)光化學(xué)煙霧、酸雨、臭氧層破壞等都有關(guān)。大氣中的物理化學(xué)變化復(fù)雜，PM2.5的間接影響也許更多，更嚴(yán)重。

因此國際上主要發(fā)達(dá)國家以及亞洲的日本、泰國、印度等均將PM2.5列入空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［5］。2012年以前，PM2.5尚未被列入我國環(huán)境空氣質(zhì)量指標(biāo);經(jīng)過此次事件以后，政府勢(shì)必將加大減排力度，這也將進(jìn)一步促進(jìn)我國的可持續(xù)發(fā)展［6］。

2 PM2.5大氣污染原因分析與解決路徑

2.1 原因分析

根據(jù)中科院公布的“大氣灰霾追因與控制”專項(xiàng)組的最新研究結(jié)果，1月份我國中東部地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)霾污染物化學(xué)組成，是英國倫敦1952年煙霧事件和上世紀(jì)40至50年代美國洛杉磯光化學(xué)煙霧事件污染物的混合體，并疊加了我國特色的沙塵氣溶膠［7］。

但是，正所謂冰凍三尺非一日之寒，過去30年粗放型經(jīng)濟(jì)增長模式帶來的高污染問題并不是短時(shí)間內(nèi)就能夠扭轉(zhuǎn)的。特別是在進(jìn)入工業(yè)化中后期之后，新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展剛剛起步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展在很大程度上依舊依賴傳統(tǒng)高能耗、高排放行業(yè)的背景下，我國的環(huán)保事業(yè)走得舉步維艱［8］。以氮氧化物減排為例，“十二五”期間，氮氧化物減排目標(biāo)是下降10%，由于2011年氮氧化物排放量同比上升了5.73%，因此盡管去年超額完成了目標(biāo)，但今后三年氮氧化物減排壓力［9］依舊巨大。

近20年，我國能源消費(fèi)總量持續(xù)增長，原煤消費(fèi)比重一直維持在70%上下，原油在20%上下。2011年中國一次能源消費(fèi)總量達(dá)34.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長7.1%。其中原煤占68.4%，原油占18.6%，天然氣占 5%，水電、核電、風(fēng)電等僅占8%［10］。

圖2 2011年中國能源一次能源消費(fèi)比例

圖3 2011年世界能源一次能源消費(fèi)比例

由圖2、圖3可知，我國的能源結(jié)構(gòu)極不平衡，與世界能源結(jié)構(gòu)相比，存在著很大差距［11］。我國的能源消費(fèi)絕大部分集中在煤炭這一種能源上，煤炭的燃燒排放大量的污染物，這也是PM2.5接連爆表的主因。

2.2 解決路徑

2.2.1 解決路徑的具體措施

要想從根本上緩解PM2.5的污染，需從以下幾方面入手:

(1)制定嚴(yán)格的監(jiān)控體系

世衛(wèi)組織認(rèn)為，通過采取連續(xù)、持久的污染控制措施可從根本上控制PM2.5。

自上世紀(jì)70～80年代開始，歐美國家開始發(fā)布量化指標(biāo)限制空氣中顆粒物的濃度。雖然在初期，歐美國家制定的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則對(duì)顆粒物的限定比較籠統(tǒng)，沒有對(duì)顆粒物的大小進(jìn)行細(xì)分，但隨著時(shí)間的推移這些國家對(duì)PM2.5濃度已經(jīng)提出了更為嚴(yán)格的限定標(biāo)準(zhǔn)。

但由于我國不同地區(qū)空氣污染特征、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和環(huán)境管理要求差異較大，新增指標(biāo)監(jiān)測(cè)要開展硬件和軟件的一系列準(zhǔn)備工作，因此目前在全國范圍內(nèi)立即開展PM2.5監(jiān)測(cè)工作還有一定難度，需要逐步推開。

(2)完善配套治理措施，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，切實(shí)控制PM2.5濃度

我國宜在技術(shù)、制度、資金等方面研究出臺(tái)適當(dāng)?shù)呐涮字卫泶胧?，參照國外已有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理經(jīng)驗(yàn)，降低環(huán)境執(zhí)法的難度和空氣凈化的成本。具體措施有:

(a)改變?nèi)剂蠘?gòu)成

在大氣污染聯(lián)防聯(lián)控重點(diǎn)區(qū)域積極推進(jìn)使用清潔能源，對(duì)城區(qū)重污染企業(yè)實(shí)施搬遷和節(jié)能環(huán)保技術(shù)改造。改變?nèi)剂蠘?gòu)成，選用低硫燃料，對(duì)重油和煤炭進(jìn)行脫硫處理，并同時(shí)注重對(duì)太陽能、氫燃料、地?zé)岬刃履茉撮_發(fā)和利用，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

(b)提高環(huán)境準(zhǔn)入門檻

在重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤└訃?yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)特別限值，禁止新建、擴(kuò)建除熱電聯(lián)產(chǎn)以外的燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠、大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)。

(c)深化污染減排

推進(jìn)電力行業(yè)和鋼鐵、石化等非電行業(yè)二氧化硫減排治理。加快燃煤機(jī)組脫硝設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)水泥行業(yè)氮氧化物治理。

(d)工業(yè)合理布局

改變工業(yè)的布局形式，使工業(yè)布局盡可能的合理，可方便污染物的擴(kuò)散，利于工廠之間互相利用廢氣，從而減少廢氣排放量。

(3)控制大氣污染源

減少PM2.5在大氣中的含量從根本上來說是控制大氣污染源。控制大氣污染源包括減少污染物的產(chǎn)生和治理凈化已產(chǎn)生的污染物兩個(gè)方面。主要措施有:

(a)合理利用能源;

(b)利用凈化裝置去除煙塵和各種工業(yè)粉塵;(c)利用物理、化學(xué)方法凈化尾氣中的有害成分;

(d)回收利用有用物質(zhì);

(e)加強(qiáng)監(jiān)督管理，減少事故性排放和無組織排放;

(4)實(shí)行區(qū)域集中供熱和加快實(shí)施更為嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 長期內(nèi)的重點(diǎn)發(fā)展方向

從長期來看，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色發(fā)展才是應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本出路。

在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油、天然氣和煤是三種最主要的能源消費(fèi)品種，三者所占比重相當(dāng);與世界相比，我國天然氣所占比重差距甚大，我國只有4%左右的比例，而世界的比重卻達(dá)到了23.8%;雖然我國的電能占比最近提升較快，但與世界相比，仍然存在一定的差距，世界平均水平已經(jīng)達(dá)到了12%，而我國還低于這個(gè)水平3個(gè)百分點(diǎn)左右。長期來看，化石燃料仍將是我國能源的主要來源，但其比重將逐步降低。實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)需要從三方面入手，一方面增加非化石能源比重，一方面還需推動(dòng)化石能源低碳化。另一方面，如何盡快提升天然氣、電以及新能源等在能耗結(jié)構(gòu)中的比重，是我國要解決的長期問題［12］。

十八大報(bào)告中提出了到2020年GDP相比2010年翻番目標(biāo)，意味著2010～2020年間GDP年平均增速約為7.2%，三大產(chǎn)業(yè)電力消費(fèi)也將伴隨經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長。在未來工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中，大氣污染的降低必定稱為城鎮(zhèn)化發(fā)展的要點(diǎn)之一，具有良好環(huán)保性能的能源也將得到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用［13］。

3 具有良好環(huán)保性能的能源

3.1 具有良好環(huán)保性能的能源種類

具有良好環(huán)保性能的能源種類主要有:天然氣分布式能源、太陽能光伏分布式能源、風(fēng)力分布式能源、生物質(zhì)分布式能源等。根據(jù)用戶需求不同，則可分為電力單供、熱電聯(lián)產(chǎn)方式(CHP)和熱電冷三聯(lián)產(chǎn)(CCHP)等方式［14］。

天然氣分布式能源:是指以天然氣為燃料，它的煙氣中含H20多、CO2少、無 SOX、NOX，排放物相當(dāng)環(huán)保。通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式［15］。

太陽能分布式能源［16］:目前太陽能的利用形式主要有光熱利用、光伏發(fā)電利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式。光熱利用具有低成本，方便，利用效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但不利于能量的傳輸，一般只能就地使用，而且輸出能量形式不具備通用性。光化學(xué)轉(zhuǎn)換在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人類還不能很好地利用。光伏發(fā)電利用以電能作為最終表現(xiàn)形式，具有傳輸極其方便的特點(diǎn)，在通用性、可存儲(chǔ)性等方面具有前兩者無法替代的優(yōu)勢(shì)。

生物質(zhì)分布式能源［17］:生物質(zhì)能的利用主要有直接燃燒、熱化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物化學(xué)轉(zhuǎn)換等3種途徑。而從能源當(dāng)量上看，生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣，位列第四的能源，存量豐富且可以再生;在所有新能源中，生物質(zhì)能與現(xiàn)代的工業(yè)化技術(shù)和目前的現(xiàn)代化生活有最大的兼容性，它在不必對(duì)已有的工業(yè)技術(shù)做任何改進(jìn)的前提下即可以替代常規(guī)能源，對(duì)常規(guī)能源有最大的替代能力。

風(fēng)力分布式能源的主要應(yīng)用形式［18］:風(fēng)力提水:風(fēng)力提水從古至今一直得到較普遍的應(yīng)用;風(fēng)力發(fā)電:利用風(fēng)力發(fā)電已越來越成為風(fēng)能利用的主要形式，由于風(fēng)能自身清潔、環(huán)保特點(diǎn)，受到各國的高度重視。

3.2 分布式能源的其他優(yōu)越性

(1)節(jié)省輸變電投資

分布式發(fā)電裝置直接安置于用戶近旁，由于輸電距離短，沒有或僅有很低的輸配電損耗，無需建設(shè)配電站，可避免或延緩增加輸配電成本。

(2)供電可靠性提高

由于在用戶近旁直接安置的分布式能源系統(tǒng)的動(dòng)力裝置相互獨(dú)立，用戶可自行控制，與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，可有效降低電力負(fù)荷波動(dòng)對(duì)大電網(wǎng)的影響，減少發(fā)生嚴(yán)重事故的可能;電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，分布式能源系統(tǒng)可以保證用戶的供電不受影響，避免一些災(zāi)難性后果的發(fā)生。因此，分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)配合，可大大地提高整個(gè)能源系統(tǒng)尤其是電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害情況下，可維持重要用戶的供電可靠性。

(3)滿足特殊場合的需求

對(duì)無法架設(shè)電網(wǎng)的西部等邊遠(yuǎn)地區(qū)或分散的用戶，對(duì)供電安全穩(wěn)定性要求較高的醫(yī)院、銀行等特殊用戶，能源需求較為多樣化的用戶，這種供能方式最大的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行遙控和監(jiān)測(cè)區(qū)域電力質(zhì)量和性能，輸電損失少，運(yùn)行安全可靠，并可按需求方便、靈活地利用透平排氣熱量實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)或熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用率。

(4)為能源的綜合梯級(jí)利用提供了可能

當(dāng)用戶不僅僅需要電力，而且需要其它能量形式如冷能和熱能的供應(yīng)時(shí)，相同數(shù)量的電能能量品位最高，熱能品位較低，僅通過電力來滿足上述多種能源需要顯然是不經(jīng)濟(jì)的。而分布式能源系統(tǒng)可在某一個(gè)小的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)，既克服了冷能和熱能無法遠(yuǎn)距離傳輸?shù)睦щy，又為能源的綜合梯級(jí)利用提供了可能，具有較高的能源利用率。

(5)為可再生能源的利用開辟了新的途徑

相對(duì)于化石能源而言，可再生能源能流密度較低、分散性強(qiáng)，而且目前的可再生能源利用系統(tǒng)規(guī)模小、能源利用率較低，用于集中供能是不現(xiàn)實(shí)的。我國可再生能源資源豐富，發(fā)展可再生能源是減少環(huán)境污染及替代化石能源的有效措施。因此，為充分利用資源豐富的可再生能源發(fā)電，方便安全地向偏僻、缺能地區(qū)供電，建設(shè)可再生能源與分布式能源結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)受到高度重視［19］。

4 分布式能源發(fā)展面臨重大的歷史機(jī)遇

《我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出:以構(gòu)建安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系為目標(biāo)，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革等能源發(fā)展新要求。

在國家《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出“大力發(fā)展分布式能源”:統(tǒng)籌傳統(tǒng)能源、新能源和可再生能源的綜合利用，按照自用為主、富余上網(wǎng)、因地制宜、有序推進(jìn)的原則，積極發(fā)展分布式能源，實(shí)現(xiàn)分布式能源與集中供能系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

(1)積極發(fā)展天然氣分布式能源。根據(jù)常規(guī)天然氣、煤層氣、頁巖氣供應(yīng)條件和用戶能量需求，重點(diǎn)在能源負(fù)荷中心，加快建設(shè)天然氣分布式能源系統(tǒng)。統(tǒng)籌天然氣和電力調(diào)峰需求，合理選擇天然氣分布式利用方式，實(shí)現(xiàn)天然氣和電力優(yōu)化互濟(jì)利用。加強(qiáng)天然氣分布式利用技術(shù)研發(fā)，提高技術(shù)裝備自主化水平。

(2)大力發(fā)展分布式可再生能源。根據(jù)資源特性和用能需求，加快風(fēng)能、太陽能、小水電、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹姆植际介_發(fā)利用。因地制宜在農(nóng)村、林區(qū)、牧區(qū)、海島積極推進(jìn)分布式可再生能源建設(shè)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)生活用能問題。

(3)營造有利于分布式能源發(fā)展的體制政策環(huán)境。將分布式能源納入電力和供熱規(guī)劃范疇，加強(qiáng)配套電網(wǎng)和熱力網(wǎng)建設(shè)。創(chuàng)新體制機(jī)制，研究制定分布式能源標(biāo)準(zhǔn)，完善分布式能源價(jià)格機(jī)制和產(chǎn)業(yè)政策，努力實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電直供及無歧視、無障礙接入電網(wǎng)。

發(fā)揮分布式能源資源分布廣、技術(shù)利用形式多樣、能源產(chǎn)品豐富、可滿足多樣化能源需求的特點(diǎn)，充分利用當(dāng)?shù)氐姆植际侥茉促Y源，采用綜合利用、多能互補(bǔ)的方式，按照分散布局、就近利用的原則，建立適應(yīng)分布式可再生能源發(fā)展的市場機(jī)制和電力運(yùn)行管理體制，通過建設(shè)綜合性示范項(xiàng)目，加快分布式可再生能源應(yīng)用，不斷擴(kuò)大分布式可再生能源在本地能源消費(fèi)中的比重。

(a)綠色能源示范縣。在分布式可再生能源資源豐富地區(qū)，開展綠色能源示范縣建設(shè)，建立完善的綠色能源利用體系。到2015年，建成200個(gè)綠色能源示范縣和1000個(gè)太陽能示范村。

(b)新能源示范城市。選擇可再生能源資源豐富、城市生態(tài)環(huán)保要求高、經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較好的城市，采取統(tǒng)一規(guī)劃、規(guī)范設(shè)計(jì)、有序建設(shè)的方式，支持在城市及各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)推進(jìn)太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿刃履茉醇夹g(shù)的綜合應(yīng)用。到2015年，建設(shè)100個(gè)新能源示范城市及1000個(gè)新能源示范園區(qū)。

(c)新能源微電網(wǎng)示范工程。按照“因地制宜、多能互補(bǔ)、靈活配置、經(jīng)濟(jì)高效”的原則，到2015年，建成30個(gè)新能源微電網(wǎng)示范工程。

5 結(jié)論

通過對(duì)國內(nèi)PM2.5污染的思考，發(fā)現(xiàn)污染源主要來自于火電燃煤排放，當(dāng)前亟待改變的是中國粗獷的能源發(fā)展模式;基于分布式能源可梯級(jí)利用、潔凈環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，政府已提出了諸多對(duì)分布式能源的鼓勵(lì)政策和措施，可以預(yù)見，隨著國家落實(shí)分布式能源的相關(guān)法律法規(guī)，市場機(jī)制的不斷健全，分布式能源一定會(huì)在我國蓬勃的發(fā)展。

發(fā)展分布式能源是一個(gè)整合優(yōu)化現(xiàn)有能源系統(tǒng)，取長補(bǔ)短，達(dá)到整體平和的解決方案。它從電力供應(yīng)、環(huán)境治理、節(jié)能、采暖、制冷和熱力供應(yīng)多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)總體優(yōu)化整合，通過一條全新的思路來解決我國面臨的能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)。

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