碳中和背景下沿海港船多能源應(yīng)用對策

李響 徐曉健 周垣孜

【摘 要】 為實(shí)現(xiàn)港口和船舶的節(jié)能減排，推動(dòng)綠色港口建設(shè)，助力交通運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，應(yīng)采用切實(shí)可行的對策。從資源儲備、技術(shù)發(fā)展和政策支持方面展開分析，提出針對沿海港船綠色發(fā)展的多能源應(yīng)用對策。為更好地落實(shí)該對策，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展多能源狀態(tài)監(jiān)測及能源管理技術(shù)，助力我國沿海港船綠色發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 沿海港船；碳中和；綠色發(fā)展；多能源應(yīng)用；發(fā)展對策

0 引 言

近年來，為了實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]，黨中央、國務(wù)院及各有關(guān)部門先后出臺了多份文件，包括2021年出臺的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》，交通運(yùn)輸部及各級政府也紛紛制訂了節(jié)能減排目標(biāo)。港口的節(jié)能減排和綠色發(fā)展是交通運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。

1 多能源應(yīng)用發(fā)展對策概述

在碳中和背景下，綠色港口和綠色船舶的建設(shè)、升級常采用替代性清潔能源這種技術(shù)手段，將多種清潔能源融合應(yīng)用，可作為沿海港口和船舶綠色發(fā)展的重要對策。

多能源應(yīng)用，包括風(fēng)能、太陽能與傳統(tǒng)電能的融合應(yīng)用，形成風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能供能、太陽能供能、融合供能等多種模式，同時(shí)形成風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電、儲能、港口用電與總電網(wǎng)之間的協(xié)同互動(dòng)，保證風(fēng)、光清潔能源在港口和船舶的融合應(yīng)用。在港口和船舶多能源應(yīng)用方面，國內(nèi)國際各港口已有相關(guān)實(shí)踐。

美國休斯頓港利用Spilman's island規(guī)劃光伏電站，直接為港口區(qū)域供能。印度欽奈港，光伏與風(fēng)電機(jī)配合為集裝箱區(qū)域供電。我國天津港成功發(fā)布全球首個(gè)“智慧零碳”碼頭（如圖1所示）。構(gòu)建“風(fēng)光儲荷一體化”智慧綠色能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠電100%自主供應(yīng)及全程零碳排放，確保全部靠港船舶100%使用岸電。寧波舟山港也在積極探索港口多能源應(yīng)用和綠色轉(zhuǎn)型路徑。

2 發(fā)展基礎(chǔ)分析

2.1 沿海風(fēng)、光資源豐富

我國沿海港口風(fēng)能資源豐富[3]，東南沿海在距海岸千米之內(nèi)基本為風(fēng)能豐富地區(qū)。山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西、海南等?。ㄊ校┭睾＝?0 km寬的地帶，常年風(fēng)功率密度在200 W/m2以上，風(fēng)功率密度線平行于海岸線。

我國沿海港口太陽能資源豐富，沿海港口位于太陽能較豐富地帶，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 kWh/（m2穌）以上，全年太陽輻射總量達(dá)2，日照充足，其中海南西部、黃淮、江淮、江漢及華南區(qū)域均屬于太陽能資源豐富區(qū)域。

2.2 風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)成熟

風(fēng)力發(fā)電極其環(huán)保，可供發(fā)電的風(fēng)能蘊(yùn)藏量巨大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)經(jīng)過不斷迭代升級，現(xiàn)已發(fā)展成熟且被廣泛應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)如下：風(fēng)速大于3 m/s以上即微風(fēng)即可發(fā)電，對于環(huán)境要求較低，適用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)；沒有燃燒過程，發(fā)電過程不需要任何燃料；發(fā)電過程沒有廢氣污染，不會(huì)產(chǎn)生輻射，也沒有廢水排放，整個(gè)發(fā)電過程零排放。另外，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造周期短，且裝機(jī)規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際情況靈活配置，可無人值守的條件下正常穩(wěn)定工作。

光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能電池的半導(dǎo)體界面光電伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能。目前該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，也沒有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行過程中沒有噪聲；沒有燃燒過程，發(fā)電過程不需要任何燃料；發(fā)電過程沒有廢氣污染和廢水排放，整個(gè)發(fā)電過程零排放；設(shè)備安裝和維修保養(yǎng)都十分簡便，且維護(hù)費(fèi)用低，性能可靠穩(wěn)定，使用壽命長，關(guān)鍵部件使用壽命可達(dá)25年以上；設(shè)備環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)，可以在不同環(huán)境下正常穩(wěn)定工作；能夠在長期無人值守的條件下正常穩(wěn)定工作；根據(jù)需要方便進(jìn)行容量擴(kuò)展，擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模；光伏發(fā)電功率的變化規(guī)律與人們正常生產(chǎn)生活規(guī)律相一致，可有效緩解企業(yè)用電緊張的情況，調(diào)節(jié)錯(cuò)峰用電，保障企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

2.3 政府支持港口、船舶綠色發(fā)展

在支持港口和船舶綠色發(fā)展方面，交通運(yùn)輸部、各地政府及有關(guān)部門出臺的多項(xiàng)文件均有涉及。交通運(yùn)輸部印發(fā)的《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》要求“持續(xù)推進(jìn)綠色港口建設(shè)工作，鼓勵(lì)有條件的港區(qū)或港口整體建設(shè)綠色港區(qū)（港口）”。廣東省政府辦公廳印發(fā)的《廣東省港口布局規(guī)劃（2021―2035年）》要求“全面樹立綠色安全發(fā)展理念，嚴(yán)守安全、環(huán)保底線，推動(dòng)綠色循環(huán)低碳港口建設(shè)”。福建省政府印發(fā)的《福建省沿海港口布局規(guī)劃（2020―2035年）》要求“要著力推動(dòng)港口總體減量、布局優(yōu)化、集約高效發(fā)展，提升港口綠色發(fā)展水平”。

3 重點(diǎn)技術(shù)分析

應(yīng)用多能源作為沿海港口和船舶綠色發(fā)展的重要對策，具有較高的可行性，但在該對策的實(shí)踐應(yīng)用中，要重點(diǎn)攻克船舶岸電、多能源狀態(tài)監(jiān)測和能量管理3項(xiàng)技術(shù)難題。

3.1 源網(wǎng)荷儲技術(shù)

源網(wǎng)荷儲是一種包含“電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲能”整體解決方案的運(yùn)營模式，如圖2所示。源網(wǎng)荷儲能精準(zhǔn)控制電網(wǎng)可中斷用電負(fù)荷和儲能資源，提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平，可解決清潔能源消納過程中電網(wǎng)波動(dòng)性等問題?！霸丛椿パa(bǔ)”為不同新能源之間的有效協(xié)調(diào)互補(bǔ)，即通過靈活發(fā)電資源與清潔能源之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，解決清潔能源發(fā)電受環(huán)境和氣象因素影響而產(chǎn)生的隨機(jī)性和波動(dòng)性問題，可有效提高可再生能源的利用效率，減少電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用，增強(qiáng)系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)能力。“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”是通過新的電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)有效解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)及分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)的“不友好”問題，確保新能源和常規(guī)電源一起參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，使新能源朝著具有友好調(diào)節(jié)能力和特性的方向發(fā)展?！熬W(wǎng)荷互動(dòng)”是將負(fù)荷轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)的可調(diào)節(jié)資源，在電網(wǎng)出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)問題時(shí)，通過負(fù)荷主動(dòng)調(diào)節(jié)和響應(yīng)改變潮流分布，確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行?！熬W(wǎng)儲互動(dòng)”可充分發(fā)揮儲能裝置的雙向調(diào)節(jié)作用，在用電低谷時(shí)作為負(fù)荷充電，在用電高峰時(shí)作為電源釋放電能，其快速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的充放電調(diào)節(jié)特性，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、需求響應(yīng)等多種服務(wù)。“源荷互動(dòng)”使電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)均能作為可調(diào)度資源參與電力供需平衡控制，負(fù)荷側(cè)響應(yīng)成為平衡電源波動(dòng)的重要手段之一。引導(dǎo)用戶改變用電習(xí)慣和用電行為，匯聚各類可調(diào)節(jié)資源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納。

3.2 多能源狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

多能源狀態(tài)監(jiān)測包括對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電站及儲能系統(tǒng)的實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測，應(yīng)使監(jiān)測過程安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用，設(shè)備配置和供能做到無人值班、少人值守。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廠家配套提供，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)監(jiān)視和控制，可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的遙控、遙測和遙信，實(shí)現(xiàn)對每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行必要的控制和操作。

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，宜采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的集中監(jiān)控方案。在控制室內(nèi)設(shè)置一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，將光伏發(fā)電單元監(jiān)控系統(tǒng)的信息接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信接口。站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對光伏組件串、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、集電線路和配套升壓站或開關(guān)站電氣設(shè)備的監(jiān)視與控制，并接受終端站的統(tǒng)一調(diào)度管理。

儲能系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測依靠電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）[4]完成，BMS采集儲能電池組的電壓、溫度、電流、容量等信息，能夠?qū)崟r(shí)測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓，并計(jì)算得到電池內(nèi)阻等參數(shù)，通過分析診斷模型，得出對單體電池當(dāng)前容量或剩余容量[5]的診斷、單體電池健康狀態(tài)[6]的診斷、電池組狀態(tài)評估，以及在當(dāng)前狀態(tài)下可持續(xù)放電時(shí)間的估算。

3.3 多能源能量管理技術(shù)

多能源能量管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、消費(fèi)及運(yùn)營多個(gè)環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。依靠能量管理系統(tǒng)可保障各能源安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。能量管理系統(tǒng)基于傳感網(wǎng)絡(luò)采集的系統(tǒng)各設(shè)備多種類型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，利用大數(shù)據(jù)、智能計(jì)算等技術(shù)，預(yù)測發(fā)電功率和負(fù)荷，對風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、港口用電等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)同調(diào)控。

能量管理應(yīng)包括：數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)行監(jiān)視、電源管理、負(fù)荷管理、功率預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電及用電計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)分析與評估、電壓無功管理、協(xié)同控制等功能。

對于港口能耗及船岸用電數(shù)據(jù)，采集器可通過互聯(lián)網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

風(fēng)/光功率預(yù)測基于美國、歐洲、西班牙等國家和地區(qū)多種數(shù)據(jù)源，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、多因素回歸等多種智能預(yù)測方法建立功率預(yù)測模型，同時(shí)利用改進(jìn)的氣象預(yù)報(bào)模型組合預(yù)測，以提高預(yù)測 的準(zhǔn)確性。

負(fù)荷預(yù)測主要是通過負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)，基于差異性和相關(guān)性原理選擇相似日期預(yù)測負(fù)荷的大小。統(tǒng)計(jì)分析與評估模塊旨在轉(zhuǎn)變港口能耗統(tǒng)計(jì)及分析采用的傳統(tǒng)人工操作方式，通過建設(shè)智慧能源管控平臺，對港口用能展開全面監(jiān)測和智能分析。

4 結(jié) 語

本文提出的多能源應(yīng)用對策可為沿海港口和船舶綠色發(fā)展提供支撐。多能源應(yīng)用，包括風(fēng)能、太陽能與傳統(tǒng)電能的融合應(yīng)用，形成風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能供能、太陽能供能和融合供能。多能源應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)包括源網(wǎng)荷儲技術(shù)、多能源狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和能量管理技術(shù)。我國沿海風(fēng)、光資源豐富，風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)成熟，港口和船舶綠色發(fā)展得到政策支持，因此多能源應(yīng)用具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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