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产业园区综合能源系统特征及未来发展路线

北极星储能网  来源:《南方电网技术》  作者:唐学用等  2018/8/24 9:03:57  我要投稿  

北极星储能网讯:综合能源系统作为将多类型能源生产、存储、传输、消费以及能源市场交易深度融合而衍生的全新能源工业形态,是未来能源互联网的主要物理载体。各类产业园区具备综合能源系统建设的自然资源、空间资源、电网基础和用户资源,成为综合能源服务、业务创新和效益增长的主战场。本文研究了产业园区综合能源系统形态特征与演化路线这一科学问题,考虑综合能源系统因地制宜、统筹开发、互补利用的实施原则,未来产业园区综合能源系统将呈现多元化典型形态,包括冷热电联供分布式能源站、园区光储微网、小水电+分散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。从本质上看,园区综合能源系统具备多能互补、物理信息深度融合以及源网荷储协调互动的特征内涵。

 当前,融合信息技术、互联网技术和能源技术的新一轮能源革命正徐徐拉开大幕,有望很快进入彻底改变人类能源生产和使用方式的新纪元[1]。

作为这一次能源革命重要支点的能源互联网,最简单的形式是互联网与能源各环节的深度融合,其特质是利用信息通信和智能技术将各种能源的生产(加工)、传输、存储、消费以及市场交易深度融合而产生的全新能源产业形态[2-4]。能源互联网的发展,将大力助推中国能源转型与体制创新,加快中国能源革命。随着分布式发电供能技术、能源系统监控和管理技术以及新的能源交易方式的日臻成熟和广泛应用,作为能源互联网的主要物理载体,集成电、气、热、冷、氢供应和电气化交通等的综合能源系统,成为各国新的科技战略竞争和合作的焦点[5-8]。

2014年6月,中共中央总书记、国家主席习近平在中央财经领导小组第六次会议上部署了国家能源革命与发展战略,提出了推动能源革命的战略部署,成为指导国家能源转型和体制创新的行动纲要。2016年2月,国家发改委、能源局、工信部联合发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》,意见强调,能源互联网是推动中国能源革命的重要战略支撑,对提升清洁能源比重,促进传统化石能源清洁高效利用,提升能源综合效率,推动能源市场开放和产业转型升级具有重要意义[9]。

在指导意见重点任务中,明确提出加强多能协同综合能源网络建设。单纯的“互联网+”能源并不是能源互联网的真正含义。能源互联网的内涵是将互联网应用于电力系统、天然气和交通运输系统等能源系统的互联,通过能源转换和存储技术,消纳大规模间歇性可再生能源,同时,通过互联网及智能终端技术,实现全网能量的动态分配、转换、存储和共享,最终提高资源利用率。

为加快推进多能互补集成优化示范工程建设,提高能源系统利用效率,增加有效供给,促进经济稳定增长,国家发改委和能源局发布《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》[10]。实施意见强调,多能互补集成优化示范工程的建设是“互联网+”智慧能源系统构建的重要任务之一,有利于提高能源供需协调性,促进能源清洁利用和就近消纳,减少弃风、弃光以及弃水限电,推动可再生能源消纳,对于建设低碳、清洁、高效、安全的现代能源体系具有十分重要的现实和战略意义。实施意见提出多能互补集成优化示范工程推进建设的主要任务包括终端一体化集成供能系统以及风光水火储多能互补系统。

在南方电网公司层面,2017年公司年中工作会议要求,加快构建“一主两翼、国际拓展”产业发展布局,大力拓展产业价值链,固本开新、抢占先机,抓紧试点探索,加快公司竞争性业务发展;积极向综合能源服务公司转型,培育新的效益增长点。南方电网公司2018年工作会议上进一步强调,要大力发展综合能源业务;以网省地三级综合能源公司为业务实施主体,以产业园区、工业聚集区、大型公共建筑、大型商业综合体为重点对象,以电为核心和纽带,拓展投融资、规划设计、建设管理、运营维护等多种服务需求;围绕“源网荷储”能源产业链,大力发展清洁能源、分布式能源,拓展节能服务、储能业务和电动汽车充电业务;结合能源大数据、物联网、电力期货、碳排放交易等,探索开拓新兴综合能源业务;目标至2035年,全面完成向综合能源服务公司转型。

由上述研究背景综述可见,多能互补综合能源系统已成为全球能源领域重要的技术增长点和制高点,将是未来能源工业重要技术发展方向,能源领域重要商业模式创新方向。各类产业园区具备综合能源系统建设试点的自然资源、空间资源、电网基础和用户资源,成为综合能源服务、业务创新和效益增长的主战场。作为对能源领域具有革命性影响的新生事物,综合能源系统概念的讨论和发展呈现出“百家争鸣”现状。

本文梳理了典型产业园区的综合能源需求,在此基础上,分析了未来产业园区综合能源系统将呈现若干种形态特征,包括冷热电联供分布式能源站、园区光储微网、小水电+分散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。然后,对产业园区综合能源系统多能互补、物理信息深度融合以及“源网荷储”协调互动的特征内涵进行了剖析。最后,结合我国能源和信息基础设施及能源市场等方面的现有条件,从近期、中期和远期三个发展阶段探讨了产业园区综合能源系统演化路线。

1、产业园区用能需求分析

目前国内推行的产业园区大多强调同类产业的集群效应。国内典型产业园区重点发展产业包括装备制造业、石化精炼、制浆造纸、电力产业、有色产业、烟酒产业、钢铁冶金产业、建材产业、煤炭产业、医药、食品加工、旅游商品特色产业、污水处理以及电子信息、新材料、生物技术、节能环保、新能源等新兴产业。因此,根据产业园区产业规划布局,园区中产业大致可归类为3种类型:离散制造业、过程工业和新兴研发产业。针对3种类型产业综合能源需求分析如下。

1.1 离散制造业用能需求分析

离散制造业主要包括通信设施、航空航天、电子设备、机床、汽车、各类型家电、玩具制造业以及服装等产业类型,其产品大多是由零部件组装起来的、具备使用功能的某种物品,消耗的能源以生产加工设备耗用的动力为主,主要消耗电能;但是该类型产业园区厂房的采暖和空调往往占总能耗比例较大[11]。

上述园区产房用能的特点基本与建筑物终端用能相近,其中,用电耗能占总能耗约14%,采暖空调和热水供应用能约占80%。在我国北方地区,终端用能需求的热电比约为5.7。在南方地区,如果同时采用余热锅炉的蒸汽溴化锂吸收式制冷与电制冷以及低温余热供热水,其用能需求的热电比将远大于3。

1.2 过程工业用能需求分析

过程工业包括电力、冶金、化工、建材、造纸、食品、医药等工业类型,其原料和产品一般都是具有特定功能和性质的材料或者物料。实际上,我国产业结构中,过程工业的耗能总量远大于离散制造业耗能总量,而过程工业终端用能的构成中,用电占总耗能比例较小,其热电比一般大于3。过程工业的用热需求当中,蒸汽一般占比较大,其次为物流加热。针对不同的工业过程,用热需求的温度范围差异性较大。例如,建材工业用热范围为800~1 000℃,而食品工业用热一般在100℃左右;炼油工业用热需求范围较广,可从100℃到500℃。

工业用冷需求的温度范围也很广,从乙烯工业、空气液化分离过程约-180℃的深冷需求,到0~20℃左右的一般浅冷需求都有。

与建筑物终端能源需求相比,工业用能需求更大。工业用能需求占我国总能耗40%以上,其热电比与建筑物终端能源需求相比更大。以炼油工业为例,包括蒸汽需求和热需求在内的热电比一般也大于3[11]。

1.3 新兴研发类型产业用能需求分析

对于园区中电子信息、新材料、生物技术、节能环保、新能源等新兴研发类型产业,使用生产用蒸汽的几率不大,即使有生产用蒸汽负荷,蒸汽用户点也会很分散,每个热用户的蒸汽用量估计不会太大。考虑到生产和输送蒸汽的经济性,分散的蒸汽用户可采取燃气、电等小型热源解决。

因此,产业园区大部分用热、用冷需求都是可以通过多能互补集成综合能源技术来生产和提供。园区多能互补综合能源供能方式不仅可提高分布式能源转换效率,而且可通过更高层次上的集成优化最终提升能源终端利用效率,从而实现最大的经济效益。

2、产业园区综合能源系统典型形态

综合能源系统的核心在于能源系统的协同优化。由上述分析可知,各类型产业园区呈现电/冷/热等多元化的用能需求。同时,由于产业园区所在特定的地理位置和复杂的地形地貌,可导致相应气候和生态条件复杂多样,因而不同区域的产业园区具有不同的自然资源优势。在不同的应用场景中,不同类型的能源形式扮演不同类型的角色,而主导能源形式也随之变化。

综上所述,考虑综合能源系统因地制宜、统筹开发、互补利用的实施原则,未来产业园区综合能源系统将呈现若干种典型形态,分别分析如下。

2.1 冷热电联供分布式能源站

针对新能源资源匮乏的产业园区,冷热电联供(combined cooling,heating and power,CCHP)分布式能源站是重要的综合能源利用形态之一。冷热电联供机组通过协调优化输出电能与高低品位热能,以提升天然气能源利用效率[6]。从本质上来讲,冷热电联供机组和冰蓄冷空调均为局部的综合能源系统,也可认为是综合能源系统的雏形[12]。

CCHP分布式能源站通常以小容量、小规模和分散的方式安装在客户端,可以自主运行或连接到配电网络,优先满足用户自己能量需求,通过冷电、热电或冷热电联供的方式实现能量梯级利用,涵盖能量生产、控制和存储的局部能源系统[13]。

综合供能系统种类繁多,而相应的分类方法也多种多样。驱动综合供能系统的动力设备选型对系统设计和性能具有举足轻重的作用,因此根据动力设备类型对综合供能系统进行分类是目前最常用的方法。作为由多种能源技术集成得到的综合供能系统,其系统的集成形式也是多种多样的。结合产业园区的实际情况与需求,按照动力设备类型和冷热电、热电、冷电3种联供形式进行分类,分布式综合供能的集成方案包括以下类型:燃气轮机/内燃机作为动力装置的冷热电联产系统、燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷热电联产系统、燃气轮机/内燃机作为动力装置的热电联产系统、燃气轮机/内燃机作为动力装置的冷电联产系统以及燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷电联产系统。

在应用过程中,需要根据实际的环境和需求进行综合考虑,选取最适宜的综合供能系统,取得较好的经济和社会效益。对于冷热电联供系统,当燃料价格、电价、冷价或热价浮动时,一般来说,以燃气轮机作为动力装置的冷热电联产和燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷热电联产方案经济效益较好。针对价格对单一方案的影响,一般来说:1)对于冷热电联供系统,电价变化对系统经济性的影响要大于冷价及热价变化对系统经济性的影响;2)系统运行时若出现弃冷现象,有可能会致使系统亏损。同时,弃冷或弃热越多,冷价或热价变化对经济性的影响越小;天然气消耗量越大,天然气价格变化对系统经济性的影响越大。

冷热电联供分布式能源站运营方式可包括经济最优运行模式、系统高效运行模式、以冷定电运行模式和以电定冷运行模式,在产业园区应用中可根据实际情况进行选择配置。

2.2 园区光储微网

工业园区占地面积大,具有发展屋顶分布式光伏的优势。针对部分电负荷需求比例较大的产业园区,如电子信息、新材料、生物技术、节能环保、新能源等新兴研发产业园区,可充分利用屋顶资源,建设园区分布式光伏屋顶,并集成分布式储能系统,形成园区光储微电网系统[14]。

产业园区典型光储微电网系统的形态示意图如图1所示,微电网系统包含园区内分布式光伏及分布式储能单元,微电网通过公共耦合点PCC(point of common coupling,PCC)接入上级配电网。其中,园区内分布式光伏充分建设利用园区屋顶光伏全覆盖、停车场光伏覆盖、公交站光伏覆盖以及电动汽车充电站光伏覆盖,从而最大地提高产业园区可再生能源渗透率,实现屋顶、停车场、公交站、电动汽车充电站等太阳能光伏充分利用,促进产业园区绿色低碳发展。在园区光储微电网运营模式中,电网公司与工业园区具有充足场地/屋顶资源的工业用户签订能源管理合同,由电网公司作为分布式光伏和分布式储能的投资商和运营商,租用工业用户的场地资源建设和运营分布式光伏和分布式储能系统。由于分布式储能系统由电网公司投资,电网公司对分布式储能充放电拥有控制权,考虑到电池储能除追求自身收益最大化以外,还需要配合完成产业园区关于峰值负荷削减目标。

此外,由于配备储能系统,当计划性孤岛需求或外部电网故障扰动时,园区光储微电网系统可由并网运行模式切换至离网运行模式,系统不同运行模式间可确保平滑切换。园区光储微电网系统孤岛机制可有效提高园区供电可靠性。


图1产业园区典型光储微电网系统的形态示意图

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