分布式能源技術(shù)創(chuàng)新指引“奇點(diǎn)”來臨

西門子SGT-800工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)

　　近年來，得益于電力技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)和儲能技術(shù)的快速發(fā)展，全球分布式能源項(xiàng)目呈現(xiàn)“井噴式”的發(fā)展。可再生能源發(fā)電和小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的成熟使得平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）快速下降，分布式能源項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性從過去的發(fā)展障礙一躍成為了驅(qū)動力；儲能技術(shù)為分布式能源帶來了更大的靈活性，可再生能源利用可以不受制于其間歇性的特征，多余的電力和熱力也可以得到儲存；信息和通信技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用極大地提高了對能源實(shí)時數(shù)據(jù)訪問的能力，物聯(lián)網(wǎng)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展推動分布式能源系統(tǒng)從單純的機(jī)械設(shè)備向智能化、數(shù)字化演進(jìn)。在技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)下，分布式能源系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)集中式“發(fā)電—輸電—用電”模式的諸多優(yōu)勢得到了強(qiáng)化：更高的綜合能源利用效率、更少的污染物和溫室氣體排放、強(qiáng)化的系統(tǒng)穩(wěn)定性和供能安全，以及更低的用能成本。分布式能源技術(shù)所倚賴的電力、通信、儲能技術(shù)全面進(jìn)入成熟階段，已經(jīng)非常臨近打破傳統(tǒng)能源技術(shù)成本壁壘的平衡點(diǎn)。時至今日，我們即將迎來分布式能源發(fā)展的“技術(shù)奇點(diǎn)”。

　　分布式供能技術(shù)

　　分布式供能技術(shù)是分布式能源系統(tǒng)的核心，其中包括各種發(fā)電技術(shù)及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等。例如，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本模塊是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光伏陣列，分布式天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)的核心是燃?xì)廨啓C(jī)或者內(nèi)燃機(jī)（也可以使用其他燃料或者技術(shù)，比如生物質(zhì)能和燃料電池）。技術(shù)創(chuàng)新使得光伏組件和天然氣燃?xì)廨啓C(jī)等分布式供能設(shè)備能夠適應(yīng)各種用能需求，同時成本也大幅下降，為分布式能源的普及創(chuàng)造了客觀條件。

　　天然氣分布式能源技術(shù)以燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等設(shè)備為核心，在發(fā)電的同時，利用燃機(jī)產(chǎn)生的余熱為用戶供熱和制冷。采用能源梯級利用的模式，天然氣冷、熱、電三聯(lián)供（CCHP）機(jī)組的綜合能源利用效率遠(yuǎn)高于獨(dú)立的發(fā)電和供熱系統(tǒng)，如西門子SGT-300型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組其冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的燃料利用效率通?？蛇_(dá)到80%以上，同時用能成本可降低約40%。另一方面，更高的效率也意味著更少的排放。相比于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電和燃煤鍋爐，天然氣分布式能源在氮氧化物、二氧化硫和煙塵的排放上具有先天優(yōu)勢，燃?xì)獍l(fā)電的二氧化碳排放量也僅為燃煤發(fā)電的一半。此外，燃?xì)廨啓C(jī)獨(dú)具的燃料靈活性也使其非常適用于分布式能源領(lǐng)域。近期，中電（成都）綜合能源有限公司位于四川省成都高新科技產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)西部園區(qū)的分布式能源站項(xiàng)目就采用了此種設(shè)備。由于四川有得天獨(dú)厚的天然氣資源，該公司計劃利用兩臺西門子SGT-800型燃?xì)廨啓C(jī)燃料靈活性的特點(diǎn)，進(jìn)一步降低能源成本。

　　世界范圍內(nèi)，發(fā)達(dá)國家在燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等核心動力設(shè)備的設(shè)計、試驗(yàn)和制造上仍占據(jù)主導(dǎo)地位，同時在關(guān)鍵零部件的制造過程中不斷引入新技術(shù)。其中，3D打?。ㄓ址Q“增材制造”）已經(jīng)成為燃機(jī)制造企業(yè)的下一個技術(shù)突破口。利用3D打印技術(shù)，西門子等企業(yè)完成了葉片等零部件的試制和滿負(fù)荷試驗(yàn)，并有望將3D打印應(yīng)用于其余燃機(jī)部件的設(shè)計和批量生產(chǎn)中。3D打印技術(shù)可以大幅縮短設(shè)備的研發(fā)周期，改善零部件的性能，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，充分發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)新的潛能。

　　分布式光伏發(fā)電領(lǐng)域，在技術(shù)創(chuàng)新的推進(jìn)下，“降本”和“增效”兩個光伏系統(tǒng)發(fā)展根本目標(biāo)都取得了積極的進(jìn)展。得益于傳統(tǒng)的晶硅材料不斷研發(fā)以及碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦等新型材料技術(shù)的突破，光伏組件能量轉(zhuǎn)換效率不斷提高，抗老化、抗紫外、導(dǎo)熱、阻燃等性能也大幅提升。金剛線切割、鈍化發(fā)射區(qū)背面電池（PERC）技術(shù)等成為行業(yè)熱詞，得到市場的逐漸認(rèn)可；與此同時，之前甚少企業(yè)介入的全背接觸式電池（IBC）、異質(zhì)結(jié)電池（HIT）以及金屬纏繞背接觸電池（MWT）等高效電池技術(shù)也受到了越來越多企業(yè)的關(guān)注和投入。“十三五”光伏技術(shù)創(chuàng)新規(guī)劃提出，2020年前將晶硅太陽能電池效率提高到23%以上的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)HIT、IBC等電池國產(chǎn)化等。從成本來看，同樣3kW規(guī)模的分布式戶用屋頂光伏電站成本已經(jīng)降低至3萬元人民幣以內(nèi)，較十年前成本下降了50%，分布式光伏“平價上網(wǎng)”的時代已經(jīng)越來越近。

　　值得一提的是，分布式天然氣和分布式可再生能源的多能互補(bǔ)具有協(xié)同效應(yīng)，將成為分布式供能技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。以天然氣CCHP機(jī)組協(xié)同分布式光伏項(xiàng)目為例，可再生能源的加入使系統(tǒng)的綜合能源利用效率以及減排效益得到進(jìn)一步提升；多能互補(bǔ)的系統(tǒng)不受單一能源品種的限制，天然氣與太陽能互為補(bǔ)充，增強(qiáng)了系統(tǒng)供能的安全性；在配備了儲能設(shè)施的系統(tǒng)中，光伏的波動性得以抑制，燃?xì)鈾C(jī)組也可以在適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)度，保證供能區(qū)域和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　儲能技術(shù)

　　儲能是分布式能源系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，儲能單元的存在使得原本只能“即發(fā)即用”的電、熱能的靈活應(yīng)用成為可能。目前，儲能的應(yīng)用場景主要分為熱能儲存（蓄冷和蓄熱）和電能儲存兩部分。蓄冷和蓄熱設(shè)施可以優(yōu)化天然氣分布式系統(tǒng)的運(yùn)行并提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，而電能儲存則可以彌補(bǔ)分布式可再生能源波動性和間歇性的不足，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。從儲能介質(zhì)來看，可以分為電池、氫、罐熱、地?zé)?、冰熱等?/p>

　　風(fēng)電、光伏等可再生能源飛速發(fā)展，電能儲存的重要性不斷上升。飛輪、超級電容、鋰電池和液流電池等儲電技術(shù)可以平滑分布式光伏的輸出曲線，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。在光伏輸出大于用戶需求時，多余的電量可以被儲存。如果太陽能電池板停止工作，或出現(xiàn)尖峰負(fù)荷、供電不足、電網(wǎng)斷電等情況，儲存的電能可以被釋放出來，滿足用戶的用電需求，提高分布式光伏的綜合利用率。隨著電動汽車的推廣和能源互聯(lián)網(wǎng)概念的興起，將電動汽車納入儲能網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)也紛紛涌現(xiàn)。其中，動力電池廠商、汽車制造企業(yè)以及高校已經(jīng)展開相關(guān)研究，探索在分布式能源系統(tǒng)中利用廢舊動力電池進(jìn)行儲能的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)效益。熱儲存是一種簡單但基本的技術(shù)，該技術(shù)通常在建筑樓宇和工業(yè)過程中使用，一方面可以通過最優(yōu)化供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的方式來提高系統(tǒng)效率；另一方面，也可以避免高峰時段的電價溢價。

　　此外，氫能源也逐漸成為儲能和分布式能源領(lǐng)域的下一個創(chuàng)新點(diǎn)。作為可再生能源利用的大國，德國目前已經(jīng)建成數(shù)十個“風(fēng)電制氫”項(xiàng)目：通過電解水設(shè)備，利用電網(wǎng)無法消納的風(fēng)電生產(chǎn)氫氣，隨后將氫氣按照適當(dāng)比例混入當(dāng)?shù)氐奶烊粴夤艿?，供附近用戶使用。這種方式將龐大的天然氣網(wǎng)絡(luò)當(dāng)做儲能介質(zhì)，進(jìn)一步降低風(fēng)電場的棄風(fēng)率。今年5月，國內(nèi)首個風(fēng)電制氫項(xiàng)目的制氫站也正式開工。在用戶側(cè)，電解水制氫可以與分布式光伏充分結(jié)合，在儲能的同時生產(chǎn)氫氣，整個過程中不排放任何污染物和溫室氣體。借助燃料電池、氫能源汽車等技術(shù)的推廣，以氫氣為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)也會迎來更大的發(fā)展空間。

　　信息及控制技術(shù)

　　數(shù)據(jù)、通信及控制技術(shù)創(chuàng)新為智能化的綜合能源管理系統(tǒng)奠定了物理基礎(chǔ)。隨著信息和控制技術(shù)在分布式能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，基于實(shí)時數(shù)據(jù)采集的監(jiān)測、分析系統(tǒng)可以指導(dǎo)能源系統(tǒng)以最優(yōu)化的方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電、實(shí)時故障檢測、需求側(cè)管理等功能。新型智能電表和能效管理軟件如微網(wǎng)管理系統(tǒng)（MGMS）樓宇能源管理系統(tǒng)（BEMS）都是信息和控制技術(shù)在能源管理方面重要的硬件創(chuàng)新和軟件創(chuàng)新。良好的能源管理可以提高系統(tǒng)可靠性、幫助節(jié)能增效，從而為更多地部署分布式和可再生能源發(fā)電創(chuàng)造了可能性?？梢哉f，能源控制和管理技術(shù)變革正在深刻推動消費(fèi)者改變其能源管理模式。

　　在典型的集成多種供能技術(shù)及儲能設(shè)施的分布式能源系統(tǒng)中，作為神經(jīng)中樞的能源管理系統(tǒng)不可或缺。能源管理系統(tǒng)監(jiān)測和控制供能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，收集并分析用戶冷、熱、電能負(fù)荷的信息，并在不同系統(tǒng)狀態(tài)之間進(jìn)行切換。先進(jìn)的能源管理技術(shù)可以保證系統(tǒng)的能源供需平衡，提高綜合能源效率，并降低用戶的用能成本，這在樓宇和工業(yè)園區(qū)等大型分布式能源的應(yīng)用場景中顯得尤為重要。例如，德國弗萊建筑集團(tuán)聯(lián)合西門子公司在德國弗萊堡市開發(fā)建設(shè)“智能綠塔”（SmartGreenTower）項(xiàng)目就是在當(dāng)前最先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)的綜合調(diào)度下實(shí)現(xiàn)了智能、高效、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行。這座商住綜合建筑的屋頂及幕墻覆蓋太陽能電池板，為整座建筑提供可再生電力，并充當(dāng)幕墻外的另一層隔熱材料。建筑內(nèi)部安裝了容量為0.5MWh的鋰電池儲能單元，用來儲存分布式光伏產(chǎn)出的多余電力，平滑光伏系統(tǒng)的輸出曲線，并在尖峰負(fù)荷等情況下供電。智能綠塔配備的能源管理系統(tǒng)控制建筑內(nèi)的光伏、儲能以及耗能設(shè)備。結(jié)合分布式光伏的輸出功率監(jiān)測與當(dāng)?shù)仉妰r的變化，能源管理系統(tǒng)將盡可能地提高分布式光伏的利用率，降低電網(wǎng)電力的使用比例，提升整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；儲能單元的開關(guān)受能源管理系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)將優(yōu)化太陽能電池板與電池之間的充電循環(huán)；根據(jù)運(yùn)行人員的需求，系統(tǒng)還可以在提高能效、降低用能成本和降低二氧化碳排放等不同情景之間進(jìn)行切換。根據(jù)預(yù)測，這套能源管理系統(tǒng)將在建筑照明上節(jié)省80%的成本，供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的成本也可以減少20%。（于洋 楊驛昉）