園區(qū)能源碳中和解決方案探析

付林

校園既是創(chuàng)新的集中地又是新思想的前沿，能夠在新技術(shù)的研究與應(yīng)用方面給全國做出示范。校園要成為碳中和的示范樣板，一是要實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，二是要技術(shù)可行可靠，三是要經(jīng)濟可行。其中，經(jīng)濟可行是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)最重要的一點，也是容易被忽視的一點。本文將就山東某大學(xué)碳中和方案進行分析介紹。

聚焦電力系統(tǒng)碳中和

校園是能源消費側(cè)，以建筑能源消費為主。從使用能源的種類來講，校園用能主要為汽油、天然氣和電能。其中汽油主要用于交通，通過交通用車的電氣化可以實現(xiàn)碳中和，這是比較明確的技術(shù)路線。汽車電氣化之后，車載電池對電網(wǎng)儲能調(diào)峰可以起到積極作用。天然氣除了用于炊事之外，北方地區(qū)主要用于供暖，且供暖的天然氣消耗量很大。此外，空調(diào)用電占建筑用能的比例也很大。從碳排放角度來講，供暖和空調(diào)相關(guān)碳排放約占校園碳排放量的一半。

校園碳中和的核心問題之一是電力系統(tǒng)如何實現(xiàn)碳中和。而電力系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵問題是如何在可再生能源發(fā)電和用電負荷動態(tài)波動的情況下保持電力的供需平衡，而不僅僅是總量平衡。目前，光伏發(fā)電成本已經(jīng)降到很低的水平，全生命周期成本甚至已經(jīng)低于火電，盡量利用身邊的可再生能源資源，而不是通過西電東輸獲取遠方來的可再生能源電力可以大幅降低電力的輸送成本，從而降低用電成本。這就需要充分利用校園內(nèi)的空間，建設(shè)屋頂光伏、屋面光伏等可再生能源發(fā)電設(shè)施。另一個非常重要的部分就是要實現(xiàn)校園的柔性用電，荷隨源動，從而實現(xiàn)可再生能源電力的供需平衡，而其中最重要的就是儲能。

通過光儲直柔等技術(shù)可以較低的成本滿足日內(nèi)短周期的儲能需求，而對于電網(wǎng)來說最難解決的，也是未來可能“卡脖子”的，將會是長周期儲能需求。比如在幾天、幾周甚至跨季節(jié)的長時間尺度下的儲能需求。此外，可再生能源發(fā)電季節(jié)性波動與校園電力需求變化之間存在巨大的不匹配，冬季電力缺口尤為突出，而春秋天可再生能源電力相對過剩。如何經(jīng)濟地滿足跨季節(jié)長周期儲能需求是建設(shè)以可再生能源發(fā)電為主的新型電力系統(tǒng)需要急迫解決的關(guān)鍵問題。

從成本出發(fā)考慮儲能調(diào)峰

根據(jù)初步測算，可再生能源直接發(fā)電的成本約0.4元/kWh，短周期儲能的單位儲發(fā)電成本約1.3～1.4元/kWh，而長周期儲能成本約為1.7元/kWh。這將大幅提高用電成本，給電力碳中和帶來沉重的經(jīng)濟負擔(dān)。另據(jù)測算，由于短周期儲能的年充放頻率高，對儲電容量需求相對較低，因此用電池就可以解決該問題。而進一步地充分利用電動汽車車載電池，通過V2B等技術(shù)參與電網(wǎng)儲能調(diào)峰，消除電負荷需求和可再生能源發(fā)電的尖峰，還可以進一步降低儲能成本。

需要注意的是，長周期儲能設(shè)施一年充放次數(shù)小于10次，設(shè)備利用率非常低，將導(dǎo)致儲能設(shè)施的設(shè)備折舊成本非常高。儲存燃料的能量密度遠高于任何一種電儲能方式，因此可以儲存天然氣或者生物質(zhì)燃料進行長周期調(diào)峰。當(dāng)可再生能源電力不足時調(diào)峰發(fā)電，滿足用電負荷需求，可再生能源電力充足時停機備用。機組的全年可利用小時數(shù)將遠低于現(xiàn)狀的火電廠，降低至2000小時左右。這種方式可以將長周期儲能的成本降低至1.3元/kWh左右，與電池短周期儲能的成本相當(dāng)。而調(diào)峰發(fā)電機組可以通過生物質(zhì)燃料和氫能燃料替代以及CCS/CCUS技術(shù)實現(xiàn)零碳排放。

進一步地綜合考慮校園的供熱負荷需求的話，我們發(fā)現(xiàn)上述調(diào)峰發(fā)電機組在發(fā)電時還會產(chǎn)生大量的余熱，這些余熱就可以成為校園寶貴的零碳熱量資源。并且，利用電動熱泵在可再生能源發(fā)電出力高于校園電力負荷需求時消納綠電，將電轉(zhuǎn)化為熱。上述兩者結(jié)合就構(gòu)成了低成本的廣義儲能方式。同時，還需要在校園中建設(shè)跨季節(jié)儲熱裝置，將調(diào)峰發(fā)電機組全年產(chǎn)生的余熱以及電熱泵產(chǎn)生的熱量儲存起來，以儲熱代替儲電，降低儲能成本。

關(guān)注供熱碳中和

校園碳中和的第二個核心問題是如何實現(xiàn)供熱碳中和。目前社會上有一類供熱碳中和思路，直接全面電氣化，用包括空氣源、地源和水源等電動熱泵來供熱，消耗電網(wǎng)的電力，借由電網(wǎng)的零碳來實現(xiàn)零碳供熱。然而，這種方式會大幅增加冬季用電負荷，從而導(dǎo)致冬季可再生能源電力缺口加大，使電力供需平衡雪上加霜。從成本來看，按現(xiàn)狀電價0.5元/kWh的前提下，用電動熱泵供熱經(jīng)濟性還比較合適，但從社會邊際成本來看，未來滿足冬季電供暖所增加的電力消耗，需要進行電源和城市電網(wǎng)的重構(gòu)，則將導(dǎo)致用電成本大幅增加，因此也就會使得電熱泵的供熱成本大幅度增加。經(jīng)過初步測算，在考慮社會邊際成本的情況下，電供熱的成本要遠高于天然氣鍋爐供熱。

前面分析電力系統(tǒng)碳中和時，我們需要配置調(diào)峰發(fā)電機組，來低成本地實現(xiàn)電力系統(tǒng)的碳中和。這些調(diào)峰發(fā)電機組發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量余熱。此外，校園的計算機房、辦公樓、教室、實驗室等公共建筑夏季空調(diào)的散熱，以及學(xué)校食堂的煙氣余熱量也都可以回收利用。這些熱量分布在全年各個時段，通過建設(shè)跨季節(jié)儲熱可以有效地回收儲存這些寶貴的低品位余熱用于冬季供暖。同時，采用深度提熱技術(shù)，在冬季從跨季節(jié)儲熱裝置中提熱的同時儲存低溫冷水或冰漿，這些冷水或冰漿在夏天可用于集中供冷，減少空調(diào)電耗。并且，利用該儲能設(shè)施，還可以實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的日調(diào)節(jié)，提高空調(diào)用電負荷的柔性，進一步降低零碳電力的成本。

通過上述技術(shù)，用電熱協(xié)同的模式建立起柔性能源中心，并結(jié)合光儲直柔，發(fā)電側(cè)優(yōu)先用校園自身的可再生能源發(fā)電，然后消耗電網(wǎng)綠電，并用柔性能源中心實現(xiàn)綠電供需平衡。“以山東某大學(xué)校園碳中和方案為例”，該方案校園的用電量中，有37%來自校園自身光伏發(fā)電，33%來自電網(wǎng)綠電，30%為調(diào)峰機組發(fā)電。供暖的熱量來源方面，60%的熱量來自跨季節(jié)儲熱裝置所儲存的熱量。同時，夏季冷量中的47%由跨季節(jié)儲熱裝置提供。通過測算比較，該方案比“電網(wǎng)+地源熱泵+常規(guī)電供冷”和“電網(wǎng)+市政熱網(wǎng)+常規(guī)電供冷”這兩種方案的年運行成本分別低30.7%和34.8%。從而能夠真正在安全可靠、經(jīng)濟可行的前提下實現(xiàn)校園的碳中和目標(biāo)。