光儲(chǔ)直柔實(shí)現(xiàn)碳中和的應(yīng)用

孫偉

天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司 天津 300467

引言

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上發(fā)表了重要講話，提出我國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展提供了方向指引、描畫了宏偉藍(lán)圖，得到國(guó)際社會(huì)高度贊譽(yù)和廣泛響應(yīng)。

建筑是能源電力消費(fèi)的主體之一，實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)、全面建成社會(huì)主義強(qiáng)國(guó)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)“十四五”“十五五”期間，GDP年均增速5%以上，到2035年GDP較2020年翻一番。能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和動(dòng)力，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)一次能源需求，將增長(zhǎng)至60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增速2%，人均能源需求從2019年的3.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤提升至4.1噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

2019年，全社會(huì)碳排放約105億噸，其中能源活動(dòng)碳排放約98億噸，占全社會(huì)碳排放比重約87%。從能源品種看，燃煤發(fā)電和供熱排放占能源活動(dòng)碳排放比重44%，煤炭終端燃燒排放占比35%，石油、天然氣占比分別為15%、6%。從能源活動(dòng)領(lǐng)域來(lái)看，能源審查與轉(zhuǎn)換、工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑領(lǐng)域碳排放占能源活動(dòng)碳排放比重分別為47%、36%、9%、8%，其中工業(yè)領(lǐng)域鋼鐵、建材和化工三大高耗能產(chǎn)業(yè)占比分別達(dá)到17%、8%、6%。

圖1 我國(guó)能源相關(guān)二氧化碳排放領(lǐng)域構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)要充分發(fā)揮好創(chuàng)新作為第一動(dòng)力的作用。能源綠色低碳發(fā)展要突破儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，支撐構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。要發(fā)展原料、燃料替代和工藝革新技術(shù)，推動(dòng)鋼鐵、水泥、化工、冶金等高碳產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)流程零碳再造。在低碳發(fā)展成為全球共識(shí)的背景下，建筑領(lǐng)域電氣化也成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)積極推動(dòng)低碳事業(yè)發(fā)展，承諾二氧化碳力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，有研究表面，建筑領(lǐng)域高度電氣化是能源系統(tǒng)地圖發(fā)展的前提，為實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)定的2度目標(biāo)乃至更嚴(yán)格的1.5度和碳中和目標(biāo)，建筑領(lǐng)域需要達(dá)到2個(gè)“90%”的目標(biāo)，即建筑用能量中電的比重90%和建筑用電量中非化石的比重90%[1]。

1 光儲(chǔ)直柔與傳統(tǒng)光伏的區(qū)別

目前日常生活中用的電都是交流電，而光伏等可再生能源發(fā)出來(lái)的電為直流電，常見(jiàn)的光伏建筑都會(huì)安裝逆變器，以便將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，供日常使用，轉(zhuǎn)換過(guò)程中，就會(huì)造成電量的損失。所以與常規(guī)光伏建筑相比，光伏直流建筑具備電能利用率高（提高6～8%）、節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯、設(shè)備投資少，投資回收期短（省去逆變、變壓等設(shè)備，節(jié)省設(shè)備初投資約10%）等優(yōu)勢(shì)。而且建筑上應(yīng)用直流配電，可獲得顯著改善系統(tǒng)性能，安全性顯著提高，電源品質(zhì)提高等優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)光伏發(fā)電在生活中已經(jīng)并不新鮮。但是這種清潔電能在應(yīng)用時(shí)，卻存在一個(gè)“瑕疵”：光伏發(fā)電產(chǎn)生直流電，在輸送進(jìn)入居民小區(qū)時(shí)卻需要變成交流電，而要供打印機(jī)、冰箱、電視、空調(diào)等電器使用時(shí)，需要再將交流電變成直流電。其中的轉(zhuǎn)換過(guò)程，消耗了不少能量。因此，如何不經(jīng)轉(zhuǎn)換直接應(yīng)用光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電，減少損耗，成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下不少企業(yè)爭(zhēng)相探索的新技術(shù)路徑。

光儲(chǔ)直柔是實(shí)現(xiàn)電力零碳化的重要途徑，實(shí)現(xiàn)碳中和，必須用能電氣化，真正實(shí)現(xiàn)電力零碳化。光儲(chǔ)直柔的“光”，是分布式太陽(yáng)能光伏?！皟?chǔ)”就是分布式蓄能，廣義上說(shuō)有很多種方式，包括電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、抽水蓄能，等等。這里重點(diǎn)是指電化學(xué)儲(chǔ)能，尤其是利用電動(dòng)車本身的電池，以及利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性和生活熱水的蓄能等。我國(guó)電動(dòng)車每年的產(chǎn)銷量已達(dá)百萬(wàn)輛，五菱宏光電動(dòng)車少的有十度電，新勢(shì)力和比亞迪等電動(dòng)車有70甚至100度電。未來(lái)電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)雙向充放電，不僅能滿足電動(dòng)車的交通工具屬性，也能夠成為電力在末端的調(diào)節(jié)手段。充分利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性和生活熱水也是蓄能調(diào)節(jié)的有效手段。比如，夏天我們的辦公樓早一點(diǎn)開(kāi)啟空調(diào)，或者用電高峰時(shí)在滿足舒適度的條件下適當(dāng)減少空調(diào)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，或者在夜間利用谷電（未來(lái)主要是風(fēng)電）把家里的生活熱水加熱等等，這些看似微不足道的行為對(duì)于電力的負(fù)荷遷移發(fā)揮著舉足輕重的作用。

廣泛的應(yīng)用低壓直流配電系統(tǒng)。隨著建筑中電源和負(fù)載的直流化程度越來(lái)越高，直流供配電是一種更合理的形式。供給側(cè)為分布式光伏、儲(chǔ)能電池等普遍輸出直流電。用電設(shè)備中傳統(tǒng)照明燈具正逐漸被LED替代，各種空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、水泵等電機(jī)設(shè)備也更多考慮變頻的需求，此外還有各式各樣電腦、手機(jī)的數(shù)字設(shè)備，這些都是直流負(fù)載。直流供配電技術(shù)對(duì)于提高建筑能源系統(tǒng)效率、提升用戶安全性和使用便捷性、實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的智能控制、實(shí)現(xiàn)供電可靠性的解耦，以及與電力系統(tǒng)的交互具有重要的作用。國(guó)際上，開(kāi)展直流建筑研究的重要因素之一還包括“確保人人獲得可負(fù)擔(dān)、可靠和可持續(xù)的現(xiàn)代能源”。在東南亞、非洲等很多“一帶一路”國(guó)家的偏遠(yuǎn)地區(qū)至今還沒(méi)有電力，與光伏和儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合，低壓直流是解決無(wú)電區(qū)的利器，將極大改善能源匱乏地區(qū)數(shù)以百萬(wàn)居民的居住條件和生活質(zhì)量。

“柔”，就是柔性。一方面是電器設(shè)備根據(jù)直流母線電壓的波動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率，也就是說(shuō)當(dāng)電器設(shè)備感知到外界電力供應(yīng)處于高峰或緊張時(shí)，在滿足舒適條件的同時(shí)，設(shè)備自動(dòng)降低功率運(yùn)行；另一方面是通過(guò)光伏、儲(chǔ)能以及負(fù)荷三者的動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的友好共處。傳統(tǒng)建筑能源供應(yīng)主要是解決電力供應(yīng)和建筑用能二者之間的關(guān)系，柔性要解決的是市電供應(yīng)、分布式光伏、儲(chǔ)能以及建筑用能四者的協(xié)同關(guān)系。光儲(chǔ)直柔技術(shù)無(wú)論在城市還是農(nóng)村，都能夠很好解決當(dāng)下電力負(fù)荷峰值突出問(wèn)題以及未來(lái)與高比例可再生能源發(fā)電形態(tài)相匹配的問(wèn)題，建筑與電網(wǎng)是很好的合作伙伴關(guān)系。與傳統(tǒng)直流相比，柔性直流的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在孤島供電、多端互聯(lián)、無(wú)功功率控制等方面。如在孤島供電中，常規(guī)直流輸電是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向輸電，不能向沒(méi)有電源點(diǎn)的電網(wǎng)送電，就像沒(méi)有港口大船難以靠岸，不能有效解決孤島供電問(wèn)題。采用柔直輸電技術(shù)，意味著在沒(méi)有港口的島嶼之間開(kāi)行了登陸艇，可實(shí)現(xiàn)電能靈活雙向調(diào)配，直接向無(wú)電源電網(wǎng)供電，分布在分散海島上的風(fēng)電電能，也能及時(shí)聯(lián)網(wǎng)送出。在有功和無(wú)功控制方面，如果將有功功率和無(wú)功功率比作淋浴房中的熱水管和冷水管，柔性直流輸電技術(shù)就相當(dāng)于水管中的水泵，可靈活調(diào)解冷水和熱水的流向、水量、比例等，可以對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立控制[2]。

2 光儲(chǔ)直柔的潛在效益

發(fā)展光儲(chǔ)直柔建筑的潛在效益，通過(guò)光儲(chǔ)直柔方式，積極消納風(fēng)電光電，就可以出手可再生電力消納責(zé)任，從市場(chǎng)獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

促進(jìn)光伏的消納，柔性負(fù)荷可以容忍外網(wǎng)配給功率的波動(dòng)，使得外網(wǎng)可以吸納更高比例的波動(dòng)性電源（風(fēng)、光）從而提高外網(wǎng)對(duì)風(fēng)電、光伏的消納能力，并且通過(guò)建筑物內(nèi)配置的儲(chǔ)能，極大地提高了光伏的消納水平。大量的帶有蓄電池的電子產(chǎn)品，可智能選擇充電時(shí)間和功率，建筑物的照明系統(tǒng)可以在需要降低用電功率時(shí)停止部分的照明等等。

促進(jìn)電力系統(tǒng)向碳中和情景下的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，電源、微網(wǎng)、負(fù)荷側(cè)的儲(chǔ)能逐步成為電力系統(tǒng)的基本配置，從有限電源向泛在電源的轉(zhuǎn)變，對(duì)電網(wǎng)而言，如果實(shí)現(xiàn)雙向送點(diǎn)，則每個(gè)建筑、建筑群都可能變成一個(gè)可以與電網(wǎng)雙向互動(dòng)的電源，從集中單一交流電網(wǎng)向集中電網(wǎng)與分布式微網(wǎng)，交、直流并存的電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，提高系統(tǒng)的韌性，實(shí)現(xiàn)從剛性負(fù)荷向柔性負(fù)荷的轉(zhuǎn)變，電力系統(tǒng)的可靠性也從主要依靠電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)向電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)、用戶側(cè)的協(xié)同可靠性轉(zhuǎn)變，在電網(wǎng)側(cè)的可靠性投資可能大幅下降，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化電價(jià)。建筑儲(chǔ)能技術(shù)目前還處于初期發(fā)展階段，真正將儲(chǔ)能配置在建筑內(nèi)部的項(xiàng)目還比較少，從電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能借鑒來(lái)的電池設(shè)計(jì)和管理技術(shù)也需要與建筑場(chǎng)景的特殊需求相結(jié)合[3]。

促進(jìn)交通和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電氣化，形成了一個(gè)巨大的蓄電能力和潛在電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，無(wú)處不在的建筑光伏免費(fèi)充電可解決電動(dòng)汽車充電難的問(wèn)題，提高EV的市場(chǎng)受度，農(nóng)用車輛和機(jī)具可以在農(nóng)戶家里實(shí)現(xiàn)“免費(fèi)”充電，加速農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電氣化，接入的光伏直柔建筑物的EV快速增長(zhǎng)后，進(jìn)一步增強(qiáng)光儲(chǔ)直柔建筑的柔性和調(diào)節(jié)能力。

促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展，光伏直柔促進(jìn)新技術(shù)和產(chǎn)品，引起建筑電器產(chǎn)品的新一輪的升級(jí)換代和革命，向著電器直流化、智能化發(fā)展，如配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能、直流電器等電力、電子技術(shù)和器件的研發(fā)與生產(chǎn)，規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、維護(hù)、管理等服務(wù)市場(chǎng)，促進(jìn)就業(yè)。

消減夏季空調(diào)負(fù)荷峰值，空調(diào)是導(dǎo)致夏季負(fù)荷峰值的主要原因之一，如果能夠充分挖掘空調(diào)的靈活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄電等儲(chǔ)能設(shè)施；另一方面結(jié)合建筑的用能需求和負(fù)荷特性化優(yōu)化空調(diào)的運(yùn)行調(diào)度策略，則有可能大幅度降低夏季空調(diào)的負(fù)荷峰值。

提高用電安全性，緩解電網(wǎng)增容壓力。巧妙的柔性方式可以等效于一定容量的蓄電電池，從而使使用者在獲得同樣柔性的條件下，減少蓄電池的投資，從而產(chǎn)生效益。

光儲(chǔ)直柔技術(shù)并非全新技術(shù)，但是在建筑領(lǐng)域的集成應(yīng)用卻是全新的探索，目前諸多技術(shù)尚不成熟、產(chǎn)品尚不完善，要想實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用及大范圍的推廣，未來(lái)還需要更進(jìn)一步的研究與探索，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮清潔能源，造福于明，早日實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。