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构建“电为核心”的现代能源体系

  • 来源: 分布式能源编辑部
  • 作者: 王振彪
  • 发布时间: 2020-09-29

1.研究背景

目前,我国已探明煤炭储量只够开采几十年,油、气对外依存度分别高达72%和43%。化石能源消费带来的环境污染和碳减排形势严峻:我国煤炭消费占一次能源消费比重约58%,石油、天然气消费占一次能源消费比重约27%,碳排放量占全球碳排放总量的28%,兑现2030年减排承诺任务艰巨;同时化石能源带来的环境和大气污染问题日益突出。

为破解能源安全和碳减排困局,应大力开发风能、太阳能等绿色、低碳能源,替代化石能源。而风、光、水等资源在时间和空间分布上的不均衡性、随机性、波动性等特点,必须转化为电能,才能实现“清洁低碳、安全高效”的开发和利用。清洁能源大规模开发利用,将推动终端电气化率持续提升,电能将成为最主要的终端用能。因此,现代能源体系必定是以电为核心、由清洁能源主导的供需互动的新型能源体系。

2.能源基地典型模式

能源基地不是风光水火储简单组合叠加,独立运行,各自并网,而是要充分耦合,发挥不同能源形式在时空特性、能源特性上的互补,实现能源系统更灵活的配合和更强力的供电保障,保证清洁低碳、安全高效电力供应,同时实现大容量新能源的稳定、安全消纳。从新能源消纳和电网主动支撑保障电网安全的角度出发,建议重点以风光火储一体化、风光水储一体化、风光氢储一体化这3种典型模式建设。 

3.需求侧综合能源服务体系构建

需求侧综合能源系统是一个以电为核心、电从就地和远方来的局域能源互联网。以大规模集中式能源基地为电能托底,充分挖掘就地可再生能源潜力,对外输出冷热电气多种能源。

3.1工业领域综合能源服务模式

构建如图1所示园区综合能源系统。以4×9F燃机联合循环配套余热锅炉供蒸汽并互为备用,用户侧配备电压缩式水冷机组制冷,建筑采暖、制冷采用吸收式冷温水机及离心压缩式水冷机组,冬季采暖期以工业制冷冷却水为采暖热泵的低温热源;生活热水采用压缩式热泵从工业制冷冷却水中提取热量实现节能。在园区内布置分布式光伏板,预计总装机容量150MW,建设充电桩、布置储能电池等。在环境温度28℃时,外供240t/h蒸汽时发电能力1175MW,配套分布式光伏150MW。考虑到电制冷需要约330MW 电负荷,冷热电负荷基本持平。在尖峰和峰时阶段,光伏发电优先+燃机尽可能发电满足园区用电、冷负荷需求,不外购电量以降低运行成本;在谷时阶段,太阳能发电优先,但除2台燃机较低负荷运行保障供应蒸汽负荷外,根据电网购电成本和天然气发电成本,确定优化运行方式。通过系统的优化配置与优化运行可以实现园区用能的经济、绿色、稳定、高效。

图1   园区综合能源系统构成

3. 2 建筑领域综合能源服务模式

分别比较了电锅炉、热泵、热泵+储热供热方案的经济性,结果如图2所示,显然,热泵+储热供热方案的经济性最高。采用热泵+储热罐为核心的供热方案,其中储热采用可以高温供水的CO2 热泵,整个供暖季电费成本低至6元/m2 左右;系统设备总容量下降15%左右。

图2   办公楼供热方式的经济性比较

图3为热泵+储热方案一周逐时能量平衡图,联合运行方案充分利用储能的灵活性,在夜间及下午的电价低谷段进行储能,耗电费用较低,当电价处于峰段时,停止电驱动供能设备,利用储能设备供能,从而避开电价较高时段,满足园区供暖负荷的前提下有效降低了运行费用。

图3   公共建筑采暖联合运行方案一周逐时供能

本文对比分析了“热泵+储能”联合运行方案对办公楼、酒店、商场、学校、住宅及综合园区等不同供能对象进行供暖的电费成本,如图4所示。由图4可知:相对于热泵无储热、燃气锅炉、电锅炉供能方案,“热泵+储能”联合供能方案在针对不同供能对象时,供热电费成本皆为最低,相对于电费成本最高的电锅炉方案可节约67%~83%,其中办公楼与商场最为明显。

图4   建筑物不同供热方案的供热成本比较

3. 3 交通领域综合能源服务模式

以京津冀地区某大型物流园区为例。就地风、光资源有限,天然气价格高,区域能源自给成本高。园区主要用能需求来自电动汽车和氢能汽车,以及园区办公和生活的冷热电需求,是能源基地向园区电力直供的典型应用场景,园区供能示意如图5所示。

图5   大型物流园区供能示意图

4.结   论

能源结构转型对能源供给侧带来了严峻挑战, 现有的以集中式发电为主的能源供给模式将无法完全满足未来能源电力结构的需求,构建“电为核心”的现代能源体系将成为推动能源革命、保证电网安全的重要手段,也将是供给侧能源企业创新发展、提高效益的重要途径。

“电为核心”的现代能源体系主要包括能源基地建设、综合能源服务体系构建、能源基地与智慧城市的供需互动。“电为核心”的现代能源体系,在系统组成上,能源供应系统将更加清洁低碳、多元协调互补; 在运营模式上,需求侧响应和储能在电力系统中发挥重要调节作用;在支撑技术上,工业互联网支撑能源电力系统安全、高效、智能运行。

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