解读:分布式供能与区域能源的异与同
来源:中国能源报 | 0评论 | 2936查看 | 2017-02-15 09:29:00    
       分布式供能在我国的发展是从世纪之交开始的。最早的成功案例是1995-1997年上海浦东新机场的冷热电联供能源站。我国政府机构开始介入分布式供能领域始于2011年的四部委联合通知——《关于发展天然气分布式能源的指导意见》(发改能源[2011]2196号),随后中国城市燃气协会等行业组织先后设立了“分布式能源专业委员会”。而区域能源概念在中国的提出和组织机构的成立则晚于此。首次有中国人参加的国际区域能源协会是2015年6月28日在美国波士顿召开的第106届年会。2016年中国建筑节能协会成立了区域能源专业委员会,直到不久前才开始与政府有关机构建立联系。人们一般认为这是两个不同的领域和不同的概念,其实不然,要理解这一点还须从历史的回顾说起。

  二者不同发展历史和共同点

  1、区域能源具有悠久的历史

  区域能源(District Energy)概念是在20世纪初、第一次工业革命中期工业由“小而分散”向“大而集中”时代发展起来的,其旨在高效满足区域内所有用能需求。“区域”可以是一个城市、一个工业区或大型住区,也可以是一个小区或建筑群,涵盖从热电联产,到集中供暖、区域供冷、供电等各种技术措施,100多年来其内涵在不断进化。纽约市最近提出“能源区块链”的概念,以实时和公开记录的能源交易大数据为基础,实现邻近区域内各种能源终端利用的优化耦合,这是区域能源概念的新进展。

  区域能源包括政策、商业模式、市场成熟度、技术积累和本地资源。服务商包括设备厂商、运营商、能源服务公司、电力企业以及相关机构,尤其是能源站运营管理服务商作用很大。重点从前期的单纯规划向建设、后期运营偏重。

  国际区域能源协会成立于20世纪初。100多年来随着工业化进程推进,美国建立了大批百兆瓦级的工业或社区区域能源系统。50年前日本完成第二次工业革命时兴建了许多多种终端用能总体优化匹配的工业园区,能效大幅度提高。以丹麦和瑞典为代表的较小国家也发展了另一类区域能源模式。中国近30年才开始经济腾飞,第一次工业革命所标志的工业化和城镇化还在进行中,是其区域能源发展较晚的历史原因。

  2、分布式供能的由来

  分布式供能译自英文Distributed Energy System(下称DES)。最早按字面直译为“分布式能源系统”,其实质是一种先进的供能系统。DES产生于第二次工业革命中后期、工业和建筑物燃料用一次能源由煤和石油向天然气转换的历史阶段,在美国是1970年代,其他国家稍晚。

  DES由两个不同角度催生:其一是电力生产的集中和分散。100多年来,尽可能提高效率、降低成本的目标促使电力生产越来越集中和大型化,电站规模达到几个吉瓦。大电网覆盖上百万平方公里范围。但因上世纪末以来发生了多起大面积停电事故,而促使人们重新考虑分散式供电。2003年北美大停电后纽约、墨西哥各自在负荷中心新建了数个几十兆瓦级的较小型天然气发电设施。除了保障供电和协助大电网黑启动之外,就地直供也能节省绝大部分输变电费用;其二是提高能效。按照热力学第二定律,化学能转换为电力的效率不可能为100%,必定有一部分以较低温位的热量形式排放到环境。按“高热高用、低热低用”的高效用能原理,这些原来排弃的低品位能量在分散式供电下可以通过冷、暖、热水、蒸汽等形式供给用户,可使能效达到70%以上。但对集中的吉瓦级大电厂并不经济。

  迄今为止,国际上并没有给DES下“定义”。国际分布式能源联盟的解释是:“设在负荷中心,向用户就地联供冷热电蒸汽终端用能的高效系统”,即DES/CCHP。“就地、高效”实际上已经界定了其最大规模:即冷热电蒸汽供应都在经济输送距离内。蒸汽和采暖热水的经济输送距离原来认为是8-10km,近年来由于隔热和降低输送功耗技术突破,已经可达20km以上。10kV电力经济输送距离1-2km,110kV以上远得多。在我国,住建部规范的区域供冷系统(DCS)的5-12°C冷水输送距离在1.5km之内。但在一个能源站DES可带动几个DCS的情况下,多个DCS可覆盖的范围就是几十平方千米了。通常被称作区域型DES/CCHP。例如,2011年规划建设的珠海横琴新区冷热电联供能源站就是有2台9F机组的一个能源站、11个区域供冷站,以及多个热水供应站组成。

  为什么发达国家90%以上的DES项目都是小的“用户型”甚至“楼宇型”呢?回顾历史便知,在DES发展的1970年代左右,发达国家第二次工业革命都已完成,城镇建设更已定型。在已建成和定型的城市中建设区域型DES受到三方面的限制:

  一是既有建筑物和市政设施使供、热、蒸汽管道的敷设或不可能(特别是在土地私有的国家),或者投资倍增;二是各个用户原来已经投资自建了供应冷、热、蒸汽的设施,如果没有达到经济寿命,会使新规划的CCHP系统投资大大增加;三是商业运作比新建区大,合作投资建设受众多用户观念各异制约。外部的投资主体面临说服所有用户、协调利益关系等问题。所以既有城区的大部分项目只能因地制宜在有限空间内建设小型的,才能够取得经济效益。

  3、区域能源与分布式供能的异同

  总的来说,两者都是以提高能效,从而能更经济和碳减排为目标。具体来说:

  共同点之一:都不涵盖全部能源利用系统,而限于能源转换传输子系统。整个能源系统包括终端利用、转换传输、回收再利用三个子系统(环节)。由于各不同用户的能量利用和能量回收两个环节的内涵各自不同,宏观规划都只涵盖由一次能源转换、传输到冷热电蒸汽环节,不可能过细深入。以建筑物为例,暖通空调只决定一次能源转换传输到冷热过程的效率,而单位面积供能需求则由围护结构和余热回收所决定。对此方面要求极为严格的欧洲供暖负荷标准是20-25W/m2。同纬度我国是50W/m2,即使转换能效100%能耗也不可能低于50W/m2。可见转换传输效率提高并不是能耗降低的全部内涵。

  共同点之二:都是以冷热电联供作为提高转换传输效率的最主要手段。

  工业和建筑物能源终端利用形式可以归纳为电、热(包括冷、暖、蒸汽)两种。冶金、化工、医药等过程工业,电/热约为2/8,“热”包括高、中温工业炉供热、蒸汽和冷。机械、电子、轻工等离散制造业,电/热大约为8/2,“热”主要是厂房供冷暖,建筑物包括住宅和三产,主要终端耗能是供冷暖和热水,电/热目前为2/8,未来有可能趋向3/7。所以工业和建筑物合起来大致是电/热各半。所以在以节能为第一要义的未来可再生能源为主的时代,必走通过冷热电联供提高能效之路。区域能源的范围是从人口聚居,产业集聚或行政区划角度考虑的。一个大的、覆盖上百平方千米的区域,可以设置几个DES/CCHP。这就是区域能源与DES的关系。例如,面积163平方千米、远期人口53万人的西安市副中心和信息产业基地的陕西西咸新区沣西新城,在2013年制订的区域能源规划中,就包括了两个DES/CCHP,6-8个DC(W)S,还采用了远程CHP电厂低温余热为主、包括热泵、地热等复合的供暖系统。

  共同点之三:都面临化石能源替代的历史转折。2015年的巴黎协议、2016年杭州会议提出的G20能源宣言都指出了这个发展方向。非化石能源到世纪中占比可达40-50%,到本世纪末将达80%。可再生能源本质上是低能量密度、有利于分散就地利用的,当然也可在地广人稀地区搞集中大规模水电、风电、光伏发电,但须付出超远程输送的代价。分散和集中也是相对的。百MW级太阳能热发电和第四代小型百MW级核电也都可以用作区域型DES/CCHP的一次能源。

  区别:除了规模大小和区域能源对DES的包容性之外,区域能源规划还应该包括交通运输、农业等领域的用能。规划考虑的时间段更长,牵涉的生产关系和上层建筑的内容更深。

  走出热电联产的思维局限——明确系统的主体

  1、热电联产CHP是是第一次工业革命产生的技术。

  基于将被排弃的热用起来的思维,把发电燃料(当时是煤)作为主体和基数来计算能源利用效率。以“热电比”为指标是因为产热越多总效率越高。热电联产是相较于“热电分产”的进步,但它只管“产”而不管蒸汽“供”和“用”是否合理。最典型案例是流行了几十年的用1Mpa、160°C的蒸汽供20°C室内温度供暖,这是典型的“高能低用”。现在已可把汽轮机复水器25-30°C的冷凝潜热,藉吸收式热泵升温供暖了。

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