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能源互联网引领清洁取暖技术变革

北极星智能电网在线  来源:《中国电力》杂志    2018/9/27 14:39:52  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:摘要:中国风电、太阳能发电装机已居世界第一,但广大北方地区冬季取暖仍然主要依靠燃煤,现行综合取暖方案与实现气候变化和环保目标仍然相去甚远。分析了清洁取暖在实施清洁取暖中存在的突出问题,提出一种基于能源互联网的清洁取暖解决方案(虚拟热电厂)。通过该方案与传统清洁能源取暖方案的技术优缺点对比以及技术经济性估算分析,得出该方案能够大量消纳风电等清洁能源,帮助解决弃风弃光等问题,同时还具有良好的经济收益。通过该方案的广泛实施,能源互联网将引领清洁取暖技术的变革。

关键词:能源互联网 清洁取暖 解决方案 虚拟热电厂

引言

能源是人类生存和发展的重要基石,是社会经济运行的动力和基础。目前,第三次工业革命正在世界范围内发生[1]。而供热系统和供热质量与人们的日常生活密切相关,对社会经济发展有着全局性的战略影响[2]。中国能源供应十分依赖化石能源,大概有70%的发电机组是以燃煤为原料的火力发电机组,同时煤炭也是中国北方冬日取暖的主要能源。同时,中国以京津冀为代表的广大地区近年来深陷雾霾困扰,多数观点趋向认为燃煤采暖锅炉和散煤燃烧是造成雾霾的重要诱因[3]。在部分地区,取暖对当地冬季PM2.5排放的贡献超过50%,成为当前雾霾治理的重点和难点[2,4]。

目前中国城市取暖主要采用集中取暖方式,农村则多采用分散取暖方式[5]。北方地区冬季取暖的范围涵盖15个省(区、市)的5亿多人口,截至2016年底,中国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿 m2[5]。京津冀地区“2+26”个重点城市近些年通过协同联动开展了很多卓有成效的清洁取暖改造工作,但总体来看,京津冀依然是空气污染最严重的区域之一。

2017年12月5日,国家10部委共同发布《北方地区冬季清洁取暖规划》[5]。由于工期紧张,且替代工作量大,近两年的清洁取暖工作在实施过程中暴露出大量的现实问题。典型的问题有:(1)散煤取缔过程中,引入多种“煤改电”、“煤改气”的设备及配套建筑,使得热力系统更加复杂,取暖成本高企;(2)许多地区盲目扩大煤改气范围,天然气等代替散煤的能源紧缺,2017年局部地区甚至产生“气荒”现象[6],取暖高峰期为了保取暖,部分工矿企业的用气需求无法满足,取暖安全性也不能完全保障;(3)改电给电力公司造成很大建设压力,且改电后发电一次能源仍多为化石能源,一些地区虽然风力或太阳能资源丰富,却仍有大量的弃风弃光现象。

显然,清洁取暖是一项复杂的系统工程,采取的实施路线稍有偏颇,后果不堪设想。在实施清洁取暖战略中,一方面要细致周到地推进实施,另一方面要借助先进的创新理念、技术方案,确保清洁取暖工作真正变成惠民工程。

针对上述问题,已有部分学者在生物质利用方面提出了一些解决方法。例如,文献[7]提出一种秸秆固体成型燃料锅炉,文献[8]提出生物质热解多联产技术,在农村代替燃煤锅炉供热的方案,但适用范围十分有限。因此,亟需一种灵活高效、可集中可分散甚至能够参与环境治理的清洁取暖解决方案。

发展能源互联网将从根本上改变对传统能源利用模式的依赖,推动传统产业向以可再生能源和信息网络为基础的新型产业转变,是对人类社会生活方式的一次根本性革命[9]。本文正是在这样的背景下提出一种基于能源互联网理念的清洁取暖解决方案,为清洁取暖战略提供一条重要的思路。

1 能源互联网引领清洁取暖的技术变革

“清洁化改造+能源替代”成为发达国家散煤治理主攻方向。例如,英国伦敦自1956年《清洁空气法》颁布实施以来,要求居民、商业和工业部门燃煤改为天然气和电力,经过多年的努力,其空气质量得到明显改善。

中国可再生能源供热潜力很大。研究测算,中国可再生能源供热潜力可达30亿t标准煤以上。各类可再生能源供热方式增长迅速,太阳能热利用持续增长,风电清洁供热与生物质能供热在示范应用的基础上开始进入规模化发展阶段,地热能的开发利用更呈现较快增长,各地因地制宜开展了可再生能源供热的实践。

1.1 传统清洁取暖的技术路径

传统清洁取暖的技术路径可以分为热源的清洁能源替代及热网和建筑的节能性能提升。限于篇幅,本文仅讨论热源的清洁替代路径,主要是将天然气、电能、非电可再生能源等清洁能源独立或耦合应用替代传统热源,这种替代既包括热源的新建,也包括热源的改造。例如,北京市2016年共完成663个村庄热源的清洁能源替代工作。其中在“煤改电”中,空气源热泵占主导地位,达到75.9%,蓄热式电暖气占22.3%,地源热泵不足0.1%,采用其他电取暖设备占1.7%。

目前清洁取暖主要技术路径存在的问题如表 1所示。从表 1可以看出,目前清洁取暖技术的主要技术路径均存在或多或少的问题。这些技术路径的局限性,导致了推动清洁取暖工作困难重重,社会经济效益不够显著。

表 1 清洁取暖主要技术路径存在问题

QQ截图20180927140710.png

文献[10]指出传统热电厂配置大型电锅炉使热电厂参与到风电清洁取暖中,此方法具有较强的现实可行性,适合大规模推广运行要求,但是传统热电厂有选址布局等局限性,缺乏灵活性。

1.2 基于能源互联网清洁取暖解决方案

能源互联网是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新业态,是一种能源物理与信息互联高度融合的系统[9],如图 1所示。


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图 1 能源产业新业态—能源互联网

从图 1可见,基于能源互联网的能源场景与传统能源场景具有显著的区别。传统能源系统与信息网络耦合性很低,更缺乏互相协同的控制策略。

本文提出的能源互联网清洁取暖方案为:风力发电、太阳能发电充当能源互联网热源主力,天然气作为补充热源,具体方案根据实际地域资源禀赋确定;清洁能源通过能源互联网调节控制策略根据供给侧和需求侧曲线实时跟踪消纳。

在很多非集中取暖应用场景,将传统配电网络作为传输能量的媒介,代替传统热力网,延伸至难以建设热力网络的区域。尤其是大量使用锅炉房和散煤的村镇,电力网早已普及,即便在配电网建设不足甚至缺失的区域,配电工程建设造价也远低于热力网络工程建设造价。若在更加偏远的山区和海岛等区域,确实无法架设大电网线路,则还可以用离网型微网的线路等效替代。

各类热用户联入能源站,从热负荷的角色转变为能源互联网的绿色能源节点,通过信息物理系统融合技术,受控于能源互联网需求侧响应控制策略参与电力网的调峰调频,作为各个能源系统的稳定性控制手段。

同时,若在较大热用户处增设电蓄热设备,还能使热负荷获得对日负荷曲线的削峰填谷、平抑电力需求等虚拟电厂具备的重要功能。例如,需求侧响应控制策略可以包含在能源互联网平台之上,其控制原理可以基于线性优化算法得出的经济性调度指令。结合电力系统和热力系统既有运行方式,在不增加调度复杂程度的前提下,采用电热协调配合的运行方式。

整套解决方案也可以称为虚拟热电厂方案(见图 2)。取暖系统变成了能源系统的重要设施,能够通过云端大数据处理及虚拟热电厂的控制策略实现大范围的能源调配,极大地增加了清洁取暖的经济和社会效益,引领清洁取暖向着创新、协调、绿色、开放、共享及优质高效的方向发展,最终助力实现能源消费方式革命。

点击查看原图

图 2 基于能源互联网清洁取暖解决方案

Fig. 2 Clean heating solution based on Energy Internet

蓄热机组如果利用谷电蓄热,然后按需释放用于供热服务,在电力调峰和清洁供热两方面均可发挥有效作用。

1.3 能源互联网引领清洁取暖变革

深入推进上述能源互联网清洁取暖解决方案,能够带动清洁能源取暖领域技术变革。这些变革体现在以下几方面。

(1)能源互联网方案大大简化热力系统。将电力网和热力网通过能量站互联之后,各类能源供应简化统一。

(2)能源互联网清洁取暖是有效调峰调频手段。热力系统与储热技术相结合,利用谷电蓄热、抑制高峰期用电。

(3)能源互联网清洁取暖方案能够统筹电力、热力、天然气管网等多个网络,消纳风电、太阳能实现效益最大化。

(4)能源互联网清洁取暖提高能源利用效率。能源互联网将每个独立能源解决的问题统筹为多能互补、建立协同综合的取暖能源网络。

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2 清洁取暖解决方案的经济性分析

近年来,随着电改和能源相关政策的不断出台,各类综合能源服务公司如雨后春笋般诞生。2017年11月,国家电网公司向所属单位印发《关于在各省公司开展综合能源服务业务的意见》。由此表明国家电网公司定位为一家综合能源服务业务的公司。

以电网所属综合能源服务公司投资清洁取暖项目为例,从经济效益角度考虑,分析直购电、能源互联网2种清洁取暖解决方案的经济性。

2.1 估算场景和边界条件

2种方案估算场景为冀北综合能源服务公司的某煤改电工程。该工程从变电站10 kV母线引出一条线路,需新建或改造长度为10 km的10 kV专用配电线路,配送容量2 MW用于清洁取暖热负荷,线路形式为典型配电线路。约定边界条件如下。

(1)现行“煤改电”冀北公司不采用阶梯电价政策,用电价格暂按阶梯电价一档标准执行,即0.52元/(kW·h),若购电成本按照0.38元/(kW·h)考虑,则购售价差为0.14元/(kW·h)[11];

(2)直购电方案中,河北省收取过网费用按照0.03元/(kW·h)估算[11];

(3)能源互联网清洁能源取暖方案中,采用虚拟热电厂的能源互联网调节控制策略,需求侧响应成本估算采用等效法,等效法中采用抽蓄等效,目前典型抽水蓄能电站单位造价约8 000元/ kW;

(4)能源互联网虚拟热电厂控制策略成套应用年使用费用约5万元(包含控制器、通信设备、软件使用费,使用寿命25年);

(5)配电网建设总投资按照20万元/km估算[12];

(6)在清洁取暖场合,配电网建设或改造后同时率接近1,按照0.9估算;

(7)年取暖121天,天取暖16 h,年取暖实际用电时间约2 000 h。

2.2 煤改电的直购电清洁取暖方案估算

(1)投资合计:210万元,折合单位造价约1 050元/ kW(配电网建设费用200万元、运行维护成本10万元/年)。

(2)回报合计:取暖季收取电费过网费,按照热负荷用电估算年过网费收益为10.8万元,合54元/ kW。

(3)投资回报率:约5%。

2.3 能源互联网清洁取暖方案估算

(1)投资合计:215万元,折合单位造价约1 075元/ kW(配电网建设费用200万元、运行维护成本10万元/年、能源互联网成套应用年使用费用约5万元)。

(2)回报合计:用等效法计算清洁取暖电力调频调峰作用回报,假设电取暖容量中仅有5%可以用作调峰调频,则等效为1 MW的抽水蓄能电站的功能,节约调峰建设投资达800万元(约8 000元/ kW),按照使用年限50年摊平投资估算,约160元/ kW。节约调峰抽水蓄能电站运行成本(抽蓄消耗能量等)约100元/ kW(实际跟电价水平关系密切)。

(3)投资回报率:约25%。

2.4 2种方案的对比

综合能源服务公司如采用直购电清洁取暖方案,考虑融资成本后属于公益投资,无任何收益,本质为亏本投资;而采用能源互联网清洁取暖方案,即便考虑融资代价,预计仅需4~5年可收回成本,经济效益显著,与直购电方案相比,能源互联网清洁取暖方案可以尽可能多的消纳风电等可再生能源,社会效益明显。

3 结语

综上所述,能源互联网清洁取暖方案一方面具有节能环保、消纳新能源的功效,另一方面还具有良好的经济收益。因此以电网综合能源公司为代表的综合能源服务商如能广泛采用能源互联网方案,依托能源互联网平台,将热用户和清洁能源视为绿色能源节点,深度参与到电力系统和热力系统的调度运行中,发掘出取暖的经济效益和消纳风电等社会效益,则清洁取暖工作可以得到强力推进。能源互联网将引领清洁取暖技术的变革。能源互联网研究正在不断深入中,相关的技术细节和政策保障措施仍需要进一步扎实推进才能取得实效。

参考文献

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