基于可再生能源與儲能耦合的建筑能源規(guī)劃與利用

逄 敏

（1中國鐵建昆侖投資集團有限公司，四川 成都 610040；2中鐵建重慶投資集團有限公司，重慶 400000）

能源是經濟社會發(fā)展的命脈，也是落實國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要支柱。長久以來，化石燃料的大規(guī)模開采與使用推動了世界經濟的發(fā)展，也引發(fā)了環(huán)境污染、資源短缺、全球變暖等一系列問題。為改善全球生態(tài)環(huán)境、建設低碳綠色城市，我們應積極優(yōu)化能源結構，增加太陽能、風能、潮汐能、地熱能等可再生資源的使用占比。然而，可再生能源利用過程中，發(fā)電能力受自然因素影響較深，產能存在間歇性、波動性及不可控性，導致大量可再生能源被棄用；建筑能源消耗受季節(jié)、天氣等波動較大。儲能技術作為提高電力系統(tǒng)靈活度、改革能源結構的途徑之一，能與可再生能源在時間、空間及強度上實現耦合，促進電力系統(tǒng)供需平衡，提升可再生能源利用效率，達到削峰填谷、穩(wěn)定運行的目的[1]。

1 新型建筑能源系統(tǒng)特征

“雙碳”目標下，建筑能源從高碳逐步向低碳甚至零碳發(fā)展，可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和高效利用成為未來發(fā)展方向。從建筑能源利用角度而言，可再生能源利用具備以下特征。其一，當前建筑電力能源供應已開始由煤炭、天然氣等化石燃料向可再生能源轉換，正逐步建立多種能源耦合的綜合能源系統(tǒng)。與傳統(tǒng)穩(wěn)定可控的能源供應不同，可再生能源波動性供應模式與居民生活端高度電氣化存在供需矛盾，提升能源效率成為建設綠色節(jié)能型社會的必然要求。其二，伴隨著可再生能源并網使用，儲能技術在發(fā)電系統(tǒng)中起到良好的中介作用。目前，我國東部地區(qū)分布式發(fā)電模式與高負荷需求不完全匹配，西部地區(qū)大規(guī)模的發(fā)電基地又依賴大量電力電子設備實現可再生資源優(yōu)化配置[2]。高比例的電力電子占比給建筑能源長期規(guī)劃帶來了一定的挑戰(zhàn)。其三，在電源端發(fā)展能源轉換技術，使可再生能源具備靈活調節(jié)及故障穿越能力。特別是抽水蓄能、電化學儲能及氫儲能技術的逐漸成熟，在彌補可再生能源波動性弊端方面起到關鍵作用。而且在電網側，靈活柔性的特點提升了資源的跨時空互補及跨區(qū)域共享能力，有效助力可再生能源消納。其四，可再生能源與儲能技術耦合通過規(guī)?；l(fā)展儲能技術，全力保障可再生能源的高比例接入，不僅攻克了新能源穩(wěn)定運行問題，而且降低了電力電子設備安全風險，實現了能源系統(tǒng)的靈活調節(jié)[3]。

2 可再生能源長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)

建筑能源供應類型受到政府政策、能源價格、新興技術等不確定因素的影響，而這些不確定性也表征在參數及政策等層面。其中，參數不確定性分為經濟參數和技術參數。經濟參數以能源負荷預測及可再生能源投入成本為例。能源負荷預測與人均GDP、電氣化程度、能源效率息息相關，即使是國內外權威機構所出具的預測結果，不確定性仍相對較大[4]。可再生資源投入成本受到技術發(fā)展、政策導向、宏觀經濟等不確定因素影響，對其未來技術發(fā)展方向將產生較大影響。“雙碳”發(fā)展背景下，電源側、電網側、消費側對于可再生能源發(fā)電技術、輸電技術及儲能技術的需求激增，技術發(fā)展的不確定性也成為能源轉型發(fā)展的限制因素。

建筑能源需求端與供應端呈隨機性，已經由原先的源隨荷動轉變?yōu)樵春苫?，給能源供應系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。風光出力一方面在日內呈現波動性，另一方面受季節(jié)性波動影響較大，導致可再生能源應用供需匹配度不高。雖然現有儲能技術能靈活應對需求變化，但多被應用于日內調節(jié)，尚無法滿足季節(jié)性調節(jié)需求，因此，解決可再生能源供需不平衡問題成為能源長期規(guī)劃所面臨的重大挑戰(zhàn)。

電力供應系統(tǒng)的安全性是指在事故狀態(tài)下避免引發(fā)失控或連鎖反應的能力。近年來，隨著可再生能源占比的增加，世界各地的停電事故頻發(fā)，因此建立安全穩(wěn)定的能源供應系統(tǒng)需要從系統(tǒng)安全性入手。不同于傳統(tǒng)化石燃料能源系統(tǒng)，可再生能源系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提升，特別是在遇到電壓或頻率巨大波動時，系統(tǒng)保護設備會出現大規(guī)模脫網，增加大面積停電的風險。

可再生能源不同區(qū)域間差異性較大，不僅表現在資源類型，而且與負荷情況、并網后運行狀況相關。以我國風能發(fā)電為例，在不考慮電網接入成本及輸電成本的情況，蒙西與新疆的上網電價幾乎一致；而考慮輸電成本后，蒙西的上網電價遠低于新疆[5]。因此，有必要在長期規(guī)劃中綜合考慮區(qū)域間的資源差異，合理規(guī)劃可再生能源的利用，以滿足整體資源配置及功率平衡。

3 可再生能源與儲能技術耦合的建筑能源規(guī)劃

我國正逐步構建可再生能源并網、多能源并存的低碳系統(tǒng)，建筑能源系統(tǒng)要實現供需平衡，依賴儲能技術穩(wěn)定能源供應，優(yōu)化資源空間調動。而不同儲能方式在特征及性能上存在差異，需要根據需求選擇合適的儲能技術，以解決可再生能源大規(guī)模、長周期儲能需求[6]。

近年來，電儲能技術研發(fā)受到各界關注，主要分為物理儲能和化學儲能兩種。其中物理儲能技術對地理環(huán)境要求較高，使用安全性仍有待提升；化學儲能技術主要被應用于各類電池，其中鋰離子電池因壽命長、效率高、能量密度高等特點而得到廣泛應用。張永明等[7]選取西北某園區(qū)作為案例對鋰離子電池儲能技術進行研究，發(fā)現鋰電子電池性能優(yōu)良，可滿足多種充放電策略；鋰離子電池采用梯級利用模式電池壽命較高，比新電池的經濟效益還高，且一充一放模式的壽命高于兩充兩放；兩充兩放比一充一放更快獲得40%的經濟收益，適合峰谷電價差異較大的區(qū)域；鋰離子電池保持在0.3～0.5 C 充放電倍率下，電池損耗較小。隨著鋰電池儲能技術的發(fā)展，其儲能效率、使用壽命都得到提升，但仍無法滿足季節(jié)性儲能需求。

氫儲能技術是將可再生能源通過電解轉變?yōu)闅錃獠⑦M而轉化為氫基化學品進行儲存，其在容量及放電時長方面具備突出優(yōu)勢，將成為可再生能源長周期儲能的重要方向。張鵬等[8]發(fā)現電氫耦合體系通過氫形式向其他領域拓展，以達到穩(wěn)定能源供應的目的；隨著可再生能源多能互補技術、電解氫技術及氫儲能技術的發(fā)展，安徽、內蒙古、河北等地風光氫儲能項目從試點走上了商業(yè)化，但三北地區(qū)風光氫儲能尚處在探索階段，仍需通過政策、市場調控降低全產業(yè)鏈成本，統(tǒng)籌建設綠氫基礎設施，加快自主核心技術研發(fā)，提升綠氫市場競爭力，因地制宜帶動區(qū)域經濟增長。

建筑能源在我國能源消耗中占比較大，隨著可再生能源的開發(fā)，構建多能互補的能源體系將成為能源供應的良好解決方案。但傳統(tǒng)儲能技術多采用單一模式，無法同時滿足多能源供應需求，因而有必要開發(fā)混合儲能技術以提高建筑能源供應的穩(wěn)定性?；旌蟽δ芗夹g通過不同儲能設備或手段實現不同能源的切換與儲存，進而保障建筑能源的流動性及協調性。同時考慮到儲能設備成本及使用周期等因素，建筑能源系統(tǒng)可根據需求選擇合適的混合儲能技術。因此，混合儲能技術需遵循以下原則及要求。其一，考慮到能源利用效率及經濟性原則，應結合建筑現有儲能源搭配儲能設備。其二，混合儲能優(yōu)先匹配對能源質量要求的區(qū)域，未來隨著成本的降低，混合儲能技術的應用范圍將不斷擴大[9]。其三，在實際應用中需要統(tǒng)籌規(guī)劃好各設備的系統(tǒng)調度，以確保整個體系的高效運作。

混合儲能技術在建筑中的應用通常包含以下幾種。其一，電能和熱能是建筑能源重要組成部分，電-熱混合儲能技術能在兩者間建立聯系，實現兩種能源的靈活調度，提高建筑能源利用效率。其二，電-氣混合儲能技術減少了能源系統(tǒng)棄風消納率，以電氣雙向耦合同時滿足用戶電能及熱能需求。其三，電-氣-熱混合儲能技術則是在之前兩種技術的基礎上，統(tǒng)一規(guī)劃建筑電、熱、氣三種負荷，三者的耦合提高了整個系統(tǒng)的經濟性，雖然前期投入成本較高，但運行成本會逐漸降低。此外，電-熱-冷混合儲能、電-熱-氣-冷混合儲能也得到發(fā)展，而且蓄熱蓄冷可實現一罐兩用，降低存儲設備成本。

4 結語

隨著能源結構轉型發(fā)展，建筑能源對于長期、穩(wěn)定的功能需求增加，可再生能源多能互補與儲能技術耦合成為解決能量供需平衡及效率的關鍵因素。本文考慮到建筑能源多負荷需求，總結了多種可再生能源與儲能耦合的方式，用戶需要根據區(qū)域特色及自身需求進行合理選擇，以達到最優(yōu)的能源利用配比。