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(jīng)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(jīng)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(shè)低碳綠色城市，我們應(yīng)積極優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增加太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿瓤稍偕Y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(chǎn)能存在間歇性、波動性及不可控性，導(dǎo)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(shù)作為提高電力系統(tǒng)靈活度、改革能源結(jié)構(gòu)的途徑之一，能與可再生能源在時間、空間及強度上實現(xiàn)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(biāo)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(dāng)前建筑電力能源供應(yīng)已開始由煤炭、天然氣等化石燃料向可再生能源轉(zhuǎn)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(yīng)不同，可再生能源波動性供應(yīng)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(shè)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(wǎng)使用，儲能技術(shù)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(fù)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(shè)備實現(xiàn)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(zhuǎn)換技術(shù)，使可再生能源具備靈活調(diào)節(jié)及故障穿越能力。特別是抽水蓄能、電化學(xué)儲能及氫儲能技術(shù)的逐漸成熟，在彌補可再生能源波動性弊端方面起到關(guān)鍵作用。而且在電網(wǎng)側(cè)，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(shù)耦合通過規(guī)模化發(fā)展儲能技術(shù)，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(shè)備安全風(fēng)險，實現(xiàn)了能源系統(tǒng)的靈活調(diào)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(yīng)類型受到政府政策、能源價格、新興技術(shù)等不確定因素的影響，而這些不確定性也表征在參數(shù)及政策等層面。其中，參數(shù)不確定性分為經(jīng)濟參數(shù)和技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟參數(shù)以能源負(fù)荷預(yù)測及可再生能源投入成本為例。能源負(fù)荷預(yù)測與人均GDP、電氣化程度、能源效率息息相關(guān)，即使是國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)所出具的預(yù)測結(jié)果，不確定性仍相對較大[4]?？稍偕Y源投入成本受到技術(shù)發(fā)展、政策導(dǎo)向、宏觀經(jīng)濟等不確定因素影響，對其未來技術(shù)發(fā)展方向?qū)a(chǎn)生較大影響。“雙碳”發(fā)展背景下，電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、消費側(cè)對于可再生能源發(fā)電技術(shù)、輸電技術(shù)及儲能技術(shù)的需求激增，技術(shù)發(fā)展的不確定性也成為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的限制因素。

建筑能源需求端與供應(yīng)端呈隨機性，已經(jīng)由原先的源隨荷動轉(zhuǎn)變?yōu)樵春苫?，給能源供應(yīng)系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。風(fēng)光出力一方面在日內(nèi)呈現(xiàn)波動性，另一方面受季節(jié)性波動影響較大，導(dǎo)致可再生能源應(yīng)用供需匹配度不高。雖然現(xiàn)有儲能技術(shù)能靈活應(yīng)對需求變化，但多被應(yīng)用于日內(nèi)調(diào)節(jié)，尚無法滿足季節(jié)性調(diào)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備會出現(xiàn)大規(guī)模脫網(wǎng)，增加大面積停電的風(fēng)險。

可再生能源不同區(qū)域間差異性較大，不僅表現(xiàn)在資源類型，而且與負(fù)荷情況、并網(wǎng)后運行狀況相關(guān)。以我國風(fēng)能發(fā)電為例，在不考慮電網(wǎng)接入成本及輸電成本的情況，蒙西與新疆的上網(wǎng)電價幾乎一致；而考慮輸電成本后，蒙西的上網(wǎng)電價遠(yuǎn)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(shù)耦合的建筑能源規(guī)劃

我國正逐步構(gòu)建可再生能源并網(wǎng)、多能源并存的低碳系統(tǒng)，建筑能源系統(tǒng)要實現(xiàn)供需平衡，依賴儲能技術(shù)穩(wěn)定能源供應(yīng)，優(yōu)化資源空間調(diào)動。而不同儲能方式在特征及性能上存在差異，需要根據(jù)需求選擇合適的儲能技術(shù)，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(shù)研發(fā)受到各界關(guān)注，主要分為物理儲能和化學(xué)儲能兩種。其中物理儲能技術(shù)對地理環(huán)境要求較高，使用安全性仍有待提升；化學(xué)儲能技術(shù)主要被應(yīng)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(yīng)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(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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?fù)p耗較小。隨著鋰電池儲能技術(shù)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(shù)是將可再生能源通過電解轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃獠⑦M而轉(zhuǎn)化為氫基化學(xué)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(xiàn)電氫耦合體系通過氫形式向其他領(lǐng)域拓展，以達到穩(wěn)定能源供應(yīng)的目的；隨著可再生能源多能互補技術(shù)、電解氫技術(shù)及氫儲能技術(shù)的發(fā)展，安徽、內(nèi)蒙古、河北等地風(fēng)光氫儲能項目從試點走上了商業(yè)化，但三北地區(qū)風(fēng)光氫儲能尚處在探索階段，仍需通過政策、市場調(diào)控降低全產(chǎn)業(yè)鏈成本，統(tǒng)籌建設(shè)綠氫基礎(chǔ)設(shè)施，加快自主核心技術(shù)研發(fā)，提升綠氫市場競爭力，因地制宜帶動區(qū)域經(jīng)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(gòu)建多能互補的能源體系將成為能源供應(yīng)的良好解決方案。但傳統(tǒng)儲能技術(shù)多采用單一模式，無法同時滿足多能源供應(yīng)需求，因而有必要開發(fā)混合儲能技術(shù)以提高建筑能源供應(yīng)的穩(wěn)定性?；旌蟽δ芗夹g(shù)通過不同儲能設(shè)備或手段實現(xiàn)不同能源的切換與儲存，進而保障建筑能源的流動性及協(xié)調(diào)性。同時考慮到儲能設(shè)備成本及使用周期等因素，建筑能源系統(tǒng)可根據(jù)需求選擇合適的混合儲能技術(shù)。因此，混合儲能技術(shù)需遵循以下原則及要求。其一，考慮到能源利用效率及經(jīng)濟性原則，應(yīng)結(jié)合建筑現(xiàn)有儲能源搭配儲能設(shè)備。其二，混合儲能優(yōu)先匹配對能源質(zhì)量要求的區(qū)域，未來隨著成本的降低，混合儲能技術(shù)的應(yīng)用范圍將不斷擴大[9]。其三，在實際應(yīng)用中需要統(tǒng)籌規(guī)劃好各設(shè)備的系統(tǒng)調(diào)度，以確保整個體系的高效運作。

混合儲能技術(shù)在建筑中的應(yīng)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(shù)能在兩者間建立聯(lián)系，實現(xiàn)兩種能源的靈活調(diào)度，提高建筑能源利用效率。其二，電-氣混合儲能技術(shù)減少了能源系統(tǒng)棄風(fēng)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(shù)則是在之前兩種技術(shù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一規(guī)劃建筑電、熱、氣三種負(fù)荷，三者的耦合提高了整個系統(tǒng)的經(jīng)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(xiàn)一罐兩用，降低存儲設(shè)備成本。

4 結(jié)語

隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(shù)耦合成為解決能量供需平衡及效率的關(guān)鍵因素。本文考慮到建筑能源多負(fù)荷需求，總結(jié)了多種可再生能源與儲能耦合的方式，用戶需要根據(jù)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。