分布式能源技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

國旭濤，蔡潔聰，韓高巖，謝 娜，呂洪坤

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

由于人口快速增長和生活水平不斷提高，世界各地的能源問題日益嚴(yán)重，尤其是我國的能源市場正在面臨巨大的壓力[1]。根據(jù)國際能源署(International energy agency，IEA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年我國的年總用電量為5.177×1012kW·h，排名全球第一。BP Statistical (2018)報告顯示，按照目前的一次能源消耗趨勢進(jìn)行估算，現(xiàn)有的石油儲量最多能夠維持全球能源消耗至2050年。在過去10年中，電力需求顯著增長，燃料成本以及相關(guān)設(shè)備價格大幅提高，這導(dǎo)致能源短缺問題更加突出[2-3]。同時，全球的競爭關(guān)系、氣候問題對能源形勢造成了較大的壓力。因此，除了節(jié)約能源之外，促進(jìn)可持續(xù)或可再生能源發(fā)展，提高能源系統(tǒng)的綜合效率都是優(yōu)化能源使用、解決能源短缺問題的重要方法[4]。

分布式能源(distributed energy resources, DERs)是靠近用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以并網(wǎng)運(yùn)行。一次能源采用氣體燃料或可再生能源；二次能源以靠近用戶側(cè)的冷熱電為主，通過能源梯級利用的方式，實(shí)現(xiàn)直接滿足用戶多種能源需求的目的。在傳統(tǒng)的能源供應(yīng)模式中，由電網(wǎng)滿足電力需求，由燃?xì)饣蛘呤侨加湾仩t提供熱能。先進(jìn)燃煤電廠的供電效率通常可達(dá)40%[5]，傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐只有70%左右的熱效率[6]，使用化石能源的傳統(tǒng)能源利用方式導(dǎo)致大量的溫室氣體排放，電力與熱能分開生產(chǎn)的方式效率低下，對環(huán)境的污染較大。分布式能源系統(tǒng)則是將冷熱電三者聯(lián)合生產(chǎn)，一次能源利用效率可達(dá)80%～90%[7-8]，而且具有能效梯級利用、損耗小、污染低、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，被認(rèn)為是解決能源瓶頸的有效方案，從而被各個國家廣泛應(yīng)用。為了深入分析分布式能源的技術(shù)原理和發(fā)展現(xiàn)狀，本文通過文獻(xiàn)綜述著重介紹不同類型分布式能源系統(tǒng)的特點(diǎn)。

1 分布式能源技術(shù)

分布式能源系統(tǒng)可以利用包括天然氣、生物質(zhì)、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿榷喾N能源，還可以與余熱、余壓、余氣等能源形式耦合互補(bǔ)。由于采用的能源形式不同，分布式能源系統(tǒng)形式多樣，結(jié)構(gòu)各不相同。根據(jù)原動機(jī)為分類標(biāo)準(zhǔn)，分布式能源系統(tǒng)主要包含以下幾種技術(shù)：熱電聯(lián)產(chǎn)、可再生能源、儲能以及燃料電池等，其技術(shù)框圖如圖 1所示[9]。其中，使用天然氣的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速。根據(jù)BP Statistical (2018)公布的數(shù)據(jù)，2016年我國的一次能源消耗量為3.047×109t石油當(dāng)量，占當(dāng)年經(jīng)合組織國家一次能源消耗量的54.9%。圖 2為2017年國際能源署公布的2000—2016年期間經(jīng)合組織國家各種能源發(fā)電量情況。從圖 2可以發(fā)現(xiàn)，2000—2016年經(jīng)合組織國家的能源消耗穩(wěn)步上升，尤其是天然氣消耗量逐年增大。

圖1 分布式能源技術(shù)組成框圖Fig.1 Different DERs technologies

圖2 2000—2016年經(jīng)合組織國家各種能源發(fā)電量情況Fig.2 Electricity generation of different energy in OECD countries during 2000—2016

1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)

熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power, CHP)是利用熱機(jī)或者電站從單一燃料或能量源在靠近用戶側(cè)同時生產(chǎn)電力和熱能，以滿足用戶變化的熱電需求。在單獨(dú)的電力生產(chǎn)中，通常有一定比例的熱量作為廢熱被放棄，但是在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，低位熱量可以被回收，達(dá)到能量最大化利用的目的。如前文所述，我國先進(jìn)燃煤發(fā)電廠的供電效率一般為40%，熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合能源利用效率在70%以上。一般，熱電聯(lián)系統(tǒng)被分為蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、斯特林機(jī)。表1為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不同技術(shù)特點(diǎn)匯總[10-11]。

熱電聯(lián)產(chǎn)蒸汽輪機(jī)是一項成熟的能源利用技術(shù)，能夠同時承擔(dān)供熱和發(fā)電兩種任務(wù)，主要有凝汽式、背壓式和抽汽背壓式等幾種型式。將汽輪機(jī)改造設(shè)計成一次調(diào)節(jié)抽汽或二次調(diào)節(jié)抽汽式，從而實(shí)現(xiàn)能源梯級利用，做到“能質(zhì)匹配”。與其他幾種熱電聯(lián)產(chǎn)方式相比較，蒸汽輪機(jī)具有較低的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。雖然蒸汽輪機(jī)的發(fā)電效率只有7%～30%，但是系統(tǒng)的綜合效率較高，可達(dá)80%以上。同時，蒸汽輪機(jī)具有較大的單機(jī)容量(0.05～500 MW)，因此蒸汽輪機(jī)被廣泛應(yīng)用于負(fù)荷調(diào)節(jié)波動不大的工業(yè)對象。

表1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不同技術(shù)特點(diǎn)匯總表Table 1 Different characteristics of CHP technologies

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高技術(shù)含量的發(fā)電設(shè)備，具有高效率、低能耗、無環(huán)境污染、啟動快等優(yōu)點(diǎn)[12]。由于天然氣價格較低且儲量較大，因此大容量的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)較多地應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率要高于蒸汽輪機(jī)的發(fā)電效率，同時燃?xì)廨啓C(jī)的安裝費(fèi)用也低于蒸汽輪機(jī)。另外，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度較高，可作為二次能源進(jìn)行利用，如作為溴化鋰吸收式制冷劑的熱源。燃?xì)廨啓C(jī)主要分為開式燃?xì)廨啓C(jī)、閉式燃?xì)廨啓C(jī)以及微型燃?xì)廨啓C(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)具有體積小、無污染、無噪聲，便于攜帶和安裝的特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于汽車等設(shè)備。

往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)通過活塞往復(fù)直線運(yùn)行將壓力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，氣缸內(nèi)發(fā)生的燃燒反應(yīng)主要是天然氣和汽油的火花點(diǎn)火，或是柴油等燃料的壓縮點(diǎn)火。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)分為高速(1 000～3 600 r/m)、中速(274～1 000 r/m)和低速(58～275 r/m)。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)采用缸套水冷卻系統(tǒng)和潤滑油冷卻系統(tǒng)降低原動機(jī)部件的溫度，避免出現(xiàn)由于高溫造成系統(tǒng)故障。缸套水冷卻系統(tǒng)和潤滑油冷卻系統(tǒng)，以及高溫排氣所含熱量占一次能源熱量的50%～60%，這部分熱量可作為二次能源進(jìn)行利用，從而提高系統(tǒng)綜合效率(可達(dá)90%以上)[13]。由于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)具有單機(jī)負(fù)荷較小、啟動快等優(yōu)點(diǎn)，因此常被用作調(diào)峰設(shè)備。

斯特林機(jī)是一種能夠以多種燃料為能源的閉循環(huán)回?zé)崾桨l(fā)動機(jī)，目前尚處于開發(fā)階段。斯特林機(jī)適用于各種能源，噪音小，NOx排放低，具有90%以上的理論高效率。但是，受限于材料等技術(shù)，斯特林機(jī)目前并沒有得到廣泛應(yīng)用。

目前，我國的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速。根據(jù)《中國區(qū)域清潔供暖發(fā)展研究報告》[14]，2016年熱電聯(lián)產(chǎn)熱覆蓋面積占集中供熱覆蓋總面積的51%，已經(jīng)成為我國最主要的集中供熱方式。其中，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)的熱覆蓋面積占比僅有3%。國務(wù)院2013年9月印發(fā)的《大氣污染防治行動計劃》中指出，鼓勵發(fā)展天然氣分布式能源等清潔高效利用項目，對工業(yè)燃煤逐步實(shí)施清潔能源替代[15]。隨著燃煤鍋爐逐漸被淘汰，我國集中供暖的燃料結(jié)構(gòu)將會不斷變化。這意味著我國的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目存在巨大的應(yīng)用前景。

圖 3為2015年部分省/直轄市熱電聯(lián)產(chǎn)供裝機(jī)容量和城鎮(zhèn)區(qū)域供暖需求[16]。由圖 3可知，如果可以充分回收利用機(jī)組的余熱，熱電聯(lián)產(chǎn)的供暖產(chǎn)能可以滿足2015年我國部分采暖地區(qū)80%左右的供暖需求。因此，通過熱電聯(lián)產(chǎn)等方式的余熱回收利用可以提高能源系統(tǒng)的綜合效率，減少大氣污染物排放，解決目前集中供熱存在的高能耗、高污染、缺乏經(jīng)濟(jì)性的問題。另外，熱電聯(lián)產(chǎn)還可以因地制宜的結(jié)合可再生能源進(jìn)行利用，發(fā)展清潔高效的集中供能系統(tǒng)，進(jìn)一步降低煤炭消費(fèi)。

圖3 2015年我國部分省/直轄市熱電聯(lián)產(chǎn)供裝機(jī)容量和城鎮(zhèn)區(qū)域供暖需求Fig.3 Installed capacity of CHP and heating demand of urban for some provinces/municipalities in 2015

1.2 可再生能源

由于可再生能源清潔無污染、開發(fā)成本低、潛力巨大，全球正在積極開展可再生能源利用的相關(guān)研究。常用的可再生能源主要有太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?。太陽能供?yīng)不穩(wěn)定，受天氣、地理位置影響較大，地?zé)崮苁艿降赜蛳拗疲蚨稍偕茉淳哂谢パa(bǔ)特性。

太陽能利用主要分為光伏和光熱兩個途徑。前者利用光伏效應(yīng)，是光-電轉(zhuǎn)換；后者采用大規(guī)模集熱器吸收太陽能，然后利用吸收的熱能將工質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，由蒸汽?qū)動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，是一種光-熱-電轉(zhuǎn)換。根據(jù)IEA報告顯示，預(yù)計在2050年前太陽能光伏(solar photovoltaic, PV)系統(tǒng)可為全球貢獻(xiàn)16%的電力，而太陽能熱力發(fā)電(solar thermal electric power generation, STE)將提供11%的電力。我國西部地廣人稀，日照資源十分豐富，這一特征滿足光熱發(fā)電方式占地面積大的缺點(diǎn)，目前我國正在大力研究光熱發(fā)電方式。截至2018年底，我國有13個商業(yè)化光熱電站已開建，總裝機(jī)容量為750 MW[17]。其中，中控德令哈50 MW塔式光熱電站、首航節(jié)能敦煌100 MW塔式光熱電站、中廣核德令哈50 MW槽式光熱電站等約200 MW的示范項目將在2018年內(nèi)建成投運(yùn)。目前，太陽能利用形式中有熱水型、蝶式與槽式發(fā)電方式都屬于靠近用戶側(cè)的能源利用方法，屬于分布式能源。

我國幅員遼闊，風(fēng)能資源非常豐富[18]。He Gang等人對我國的風(fēng)能資源進(jìn)行了評估，指出我國每年的風(fēng)力發(fā)電量可達(dá)2.0×1012～3.5×1012kW·h[19]。風(fēng)機(jī)發(fā)電是目前主要的風(fēng)能利用方式。風(fēng)機(jī)相比火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠等成本低廉，而且采用風(fēng)能沒有伴生的環(huán)境污染問題，因此，風(fēng)力發(fā)電在我國發(fā)展迅速，風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘亢驮鲩L速度處于全球領(lǐng)先地位。由國際風(fēng)能協(xié)會發(fā)布的資料顯示，截至2016年底，我國風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘繛?68.73 GW，占全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘康陌俜直葹?4.7%[20-22]。

地?zé)崮芫哂匈Y源量大、利用率高、CO2減排效果明顯等特點(diǎn)。同時，相比太陽能和風(fēng)能，地?zé)崮芊浅７€(wěn)定，不會對電網(wǎng)造成太大的影響。地?zé)崮艿睦梅绞街饕袩崴秃驼羝?，地?zé)崮馨l(fā)電則包括干蒸氣發(fā)電、閃蒸蒸汽發(fā)電和二元循環(huán)發(fā)電等。一般而言，地?zé)崮艿睦门c分布式能源是脫離不開的。汪集暘院士指出，地?zé)崮芘c太陽能、風(fēng)能、或者生物質(zhì)能等可再生能源相結(jié)合建設(shè)分布式能源系統(tǒng)，可以更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)[23]。根據(jù)《中國地?zé)崮馨l(fā)展報告(2018)》，截至2017年底，我國地源熱泵裝機(jī)容量位居世界第一，達(dá)20 GW[24]。

生物質(zhì)能的利用方式主要是直接燃燒、發(fā)電、氣化和轉(zhuǎn)變成成型燃料。其中，氣化是指將秸稈等生物質(zhì)通過工業(yè)方法變成天然氣，用秸稈轉(zhuǎn)變成的天然氣在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性上相比煤氣、天然氣具有高競爭性。利用秸稈等轉(zhuǎn)化的天然氣，不僅能解決秸稈處理的問題，而且可以為天然氣分布式能源系統(tǒng)提供天然氣。近年來，生物質(zhì)能發(fā)電得到了快速發(fā)展。2016年我國生物質(zhì)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12.248 GW，發(fā)電量為634.1×108kW·h，相當(dāng)于2/3個三峽水電的年發(fā)電量。根據(jù)“十三五”生物質(zhì)能源發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量要達(dá)到30 GW[24-25]。

2000—2017年，全球可再生能源發(fā)電量情況如圖4所示，我國總發(fā)電量與可再生能源發(fā)電量占比如圖5所示[15]。在這18年間，全球風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，發(fā)電量由31.42×109kW·h增加至1.123×1012kW·h；全球太陽能發(fā)電量由1.18×109kW·h增加至442.62×109kW·h；我國可再生能源總發(fā)電量由3.15×109kW·h增加至471.68×109kW·h，可再生能源發(fā)電量占比由0.29%提高到7.26%。

圖4 2000—2017年全球可再生能源發(fā)電量變化情況Fig.4 Global renewable electricity generation during 2000—2017

圖5 2000—2017年我國總發(fā)電量與可再生能源發(fā)電量占比Fig.5 Total electricity generation and percentage of renewable generation for China

1.3 儲能

儲能技術(shù)通過儲存電能可以滿足一段時間內(nèi)電能或熱能/冷能需求，具有削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓、平滑過渡、減輕電網(wǎng)波動的作用。儲能技術(shù)可以解決間歇性可再生能源受環(huán)境因素限制的缺陷，保證能源系統(tǒng)的供需平衡。根據(jù)儲能技術(shù)能量存儲原理的不同，儲能技術(shù)可以分為物理儲能、電氣儲能和儲熱技術(shù)三種。目前，較多的儲能技術(shù)正處于技術(shù)研發(fā)和市場示范兩個階段。表 2為不同儲能技術(shù)相對發(fā)展情況的統(tǒng)計結(jié)果[26-27]。據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的不完全統(tǒng)計，截至2017年底，全球已投運(yùn)儲能項目的總裝機(jī)容量達(dá)175.4 GW。其中，商業(yè)化最成熟的抽水蓄能的裝機(jī)容量占比最大，為96%；電化學(xué)儲能的裝機(jī)容量為2.93 GW，占比僅1.7%。儲能技術(shù)比較如表3所示[28]。

表2 不同儲能技術(shù)的相對發(fā)展情況Table 2 Development of different energy storage technologies

表3 不同類型儲能技術(shù)比較Table 3 Comparison of different energy storage technologies

1.4 燃料電池

燃料電池(fuel cell, FC)是一種不經(jīng)過燃燒，通過電化學(xué)反應(yīng)直接將氫氣等燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[29]。由于燃料電池不涉及燃燒，不受卡諾循環(huán)的限制，因此能量轉(zhuǎn)化率高。另外，燃料電池不使用機(jī)械傳動部件，沒有噪聲污染；反應(yīng)產(chǎn)物主要為電、熱和水，排放的NOx和SOx等有害氣體極少。因此，燃料電池是一種高效、環(huán)境友好、可靠性高、安靜的能源轉(zhuǎn)換方式，是目前能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。到目前為止已研發(fā)出多種類型的燃料電池，其分類方法也很多。根據(jù)電解質(zhì)類型不同可分為堿性燃料電池(alkaline fuel cells, AFC)、磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cells, PAFCP)、質(zhì)子交換膜燃料電池(polymer electrolyte fuel cells, PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cells, MCFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cells, SOFC)五大類，其特點(diǎn)如表 4所示[10,30]。其中AFC、PEMFC屬于低溫燃料電池，啟動速度快。MCFC和SOFC工作溫度高，為余熱利用提供了有利條件。這兩者單獨(dú)的發(fā)電效率約為50%，通過余熱利用可以將綜合效率提高至60%。部分容量為100～200 kW的PAFC項目已處于示范測試階段[31-32]。

2 分布式能源經(jīng)濟(jì)性的影響因素

對于分布式能源項目方案的選擇，需要分析技術(shù)、環(huán)境等因素，但是首要考慮的是經(jīng)濟(jì)性。用戶使用分布式能源一定是追求能源和環(huán)境制約條件下利潤的最大化。如果分布式能源技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，那么用戶會首先選擇分布式能源的配置方案。如果經(jīng)濟(jì)性較差，就需要政府的政策支持或由于電網(wǎng)可靠性不高的原因，用戶才會選擇成本費(fèi)用較高的分布式能源[33]。一般而言，分布式能源的經(jīng)濟(jì)性主要受到以下因素的影響：(1)初始投資；(2)燃料成本和當(dāng)?shù)仉妰r；(3)年平均能源綜合利用率；(4)運(yùn)營和維護(hù)成本；(5)上網(wǎng)電價；(6)是否配置儲能設(shè)備；(7)考慮冗余設(shè)備；(8)相關(guān)政策[34-37]。

表4 燃料電池的分類以及特點(diǎn)Table 4 Characteristic of different fuel cells

初始投資對分布式能源項目經(jīng)濟(jì)性的影響最大。我國目前尚未實(shí)現(xiàn)分布式能源成套設(shè)備的自主生產(chǎn)，關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口。雖然設(shè)備價格逐年下降，但是仍然維持在較高的水平[38-39]。其次是燃料成本，分布式能源普遍采用天然氣等能源，相比化石能源，其價格相對較高且波動性很大。鄒道安等人[36]以樓宇型建筑為研究對象，進(jìn)行了分布式能源站反測電價的敏感性分析。結(jié)果表明，當(dāng)天然氣價格提高20%時，反測電價增大11%，對于項目經(jīng)濟(jì)性影響較大。由于我國上網(wǎng)電價受到政策影響，無法進(jìn)行商談，但是冷熱供應(yīng)的價格供需方可以進(jìn)行商討，從而平衡雙方的項目經(jīng)濟(jì)性。年平均能源綜合利用率對于項目的經(jīng)濟(jì)性也十分重要。周靈宏[37]通過對實(shí)際分布式能源項目的經(jīng)濟(jì)計算指出，只有盡可能保證能源系統(tǒng)的年利用率，才能提高項目經(jīng)濟(jì)性，減少投資資本的回收周期。

3 結(jié)論

由于全球能源緊缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重，分布式能源已成為當(dāng)下能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。本文通過技術(shù)原理和發(fā)展現(xiàn)狀對分布式能源的特點(diǎn)進(jìn)行了綜述。按照原動機(jī)不同，分布式能源可分為熱電聯(lián)產(chǎn)、可再生能源、儲能和燃料電池。對不同分布式能源的差異性進(jìn)行了總結(jié)。本文分析了影響分布式能源經(jīng)濟(jì)性的條件，其中初始投資、燃料成本以及年利用率是關(guān)系分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素。