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区域能源系统可以提高一个城市的能源供给弹性,在区域能源系统中可以使用非化石能源

时间:2020-01-17 02:52

区域能源系统可以提高一个城市的能源供给弹性,降低能源价格,促进能源安全,并最终助力经济的绿色转型。从长远来看,建设区域能源系统是划算的。

国际能源组织与华尔街日报在2011年针对能源转型问题,对全球范围内45个城市的能源供应现状进行了调查。调查报告的结论中高度肯定了区域能源对于接入可再生能源、提高能源效率方面的作用,认为其是可持续能源转型的基石,实现减排目标的良方。除了从国家能源政策的角度出发外,以城市尺度考虑,甚至从能源终端消费者的利益出发,利用区域能源技术都能获得良好的收益。这体现在以下几个方面:

来自世界自然基金会的报告显示,我们目前消耗了1.6个地球所能供给的资源,这说明,我们正在透支自然生态系统。尤其是在能源方面,传统的能源供给方式显然是不可持续的。解决之道,唯有从改变当前对能源资源的消耗模式入手。对于中国等仍处于发展中阶段的经济体来说,最重要的是提高资源和能源的利用效率。特别是优化城市的能源利用,来自国际能源署的调查表明,城市能耗占到了全球总能耗的70%。而且随着城镇化的不断发展,越来越多的人向城市移居,城市能源需求还在不断增加。

减少温室气体排放

中国国务院在2016年11月份发布的《“十三五”控制温室气体排放工作方案》,也重点关注到了城市节能减排问题,提出要“优化城市功能和空间布局,科学划定城市开发边界,探索集约、智能、绿色、低碳的新型城镇化模式”。

在区域能源系统中可以使用非化石能源,这就是一种直接有效的减少一次能源消耗和二氧化碳排放的方法,通常能够减低30%以上,并且保持能源系统的经济性。

提高城市能效的途径有很多,比如降低家电设备能耗、开展建筑节能、提高车辆燃料能效等。其中,建立区域能源系统,优化配置城市里的各种高、低品位能源,达到提高能源利用效率的目的,是一个值得尝试的节能途径。2016年,中国国家发改委和国家能源局出台了有关政策文件,支持余热利用和多能互补的能源集成优化系统,本质上与区域能源系统的概念是一致的。

改善空气污染

高对高,低对低

通过减少化石燃料消耗,减少二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放,从而减少室内和室外空气污染以及对周围人群健康产生的负面影响,从长远看来甚至能够减少空气净化设备支出和大众医疗支出。

所谓区域能源系统,是指根据某一区域内的能源结构和能源禀赋,优化配置传统化石能源与各种新能源,同时结合余热利用、热泵、储能等先进技术,充分利用高、低品位能源,为城市终端用户提供冷、热、电产品,以实现节能减排目标的一套能源解决方案。它超越了冷热电联产概念,要在整个城市范围内建立一个能源网络,同时整合垃圾焚烧、污水处理等多种市政服务设施以及可再生能源多点入网系统,用多种能源协同互补地生产热、冷、电、家庭热水等。它是从能源需求侧发出,将不同用途的能源需求进行量化,匹配到其周围最适合的能源供给,与传统的能源供应系统具有极大的区别。

提升能源效率

通俗地讲,就是用高品位的能源满足高品位的能源需求,用低品位能源满足低品位的能源需求。在城市生活中,能源一般被用于做饭、照明、家电、热水、供暖、供冷等,这些用途对能源供给的要求是不同的,与之相对应,能源也有品位高低之分。化石能源或核能的温度高、机械效能转换率高,属于高品位能源,适合于驱动机械设备,如果用来供暖或供冷,从某种程度上来说属于浪费资源。供热和供冷,完全可以采用低品味能源,比如回收后的工业余热或发电厂余热,以及地下土壤、地下水和污水余热,还有江河湖泊中的天然冷源,将某些地方产生的没有价值或价值很低的热量,转化为其他地方高附加值的热量。

通过合适的技术手段,特别在用热需求和用电需求同时存在的地区,综合能源效率能够得到很大提高,甚至达到90%。区域能源系统在低品位能源利用和能源互联方面,对于提升能源效率,有自身独有的优势。

在城市能源消费中,供热、供冷及家庭热水供应占比很大,占建筑能耗的一半左右,随着夏季高温天气持续增加和空调的普及,这一比例还在上升。如果能够使用余热、新能源等低品位能源解决这部分能源供给问题,可以从整体上减少城市的能源消费量。

1.低品位能源利用

近年来,区域能源系统作为一个成熟的能源解决方案,在全球越来越多的城市中获得了应用。在瑞典的城市区域供热系统中,石油使用份额已经从1980年的90%下降到了2014年的10%以下。法国巴黎正在采用塞纳河河水供冷,与离散的供冷系统相比,可以减少50%的二氧化碳排放。中国也有类似的尝试,在辽宁省鞍山市,利用鞍钢的余热供给当地热网,每年可减少120万吨的煤炭使用量。据初步测算,中国北方地区供暖季产生的工业余热量与这些地区的城市供热量大体相当,如果能够利用区域能源系统进行供暖能源替代,具有很大的能效提升潜力。

高品位能源指的是那些能够达到较高工作温度、较高熵的能源形式,比如燃气轮机或者燃煤机组,都能产生超过300度的高温蒸汽。这样的能源如果直接利用在生活热水、房屋供暖方面,就如同是杀鸡用牛刀,将其高品位的温度区间统统浪费。这类的低品位能源需求完全可以用其它的技术形式来替代。

付出大于回报

空调就是利用高品位能源驱动来获得低品位热能的典型例子。在某些气候条件下,空调能够在城市电力消耗中占到70%的比例,对当地电网也造成了巨大的负荷,这在发展中国家尤为突出。发展区域能源网络是让低品位能源发挥用武之地的唯一途径,这样才能避免直接使用电力或者化石燃料来满足低品位供热供冷需求,利用区域网络引入工业废热、热电联供、水源供冷等,实现低品位能源的利用。

区域能源系统有很多优势,但对于目前的大部分城市来说,实施起来有很大的挑战。因为建立区域能源系统,需要将其纳入整体的城市规划当中。地方政府要更加详细地了解当下及未来一段时间内城市各街区、建筑物的能源需求、能源资产的分布情况及分配结构。到具体实施阶段,障碍也不少,比如存在着很多影响区域能源系统大规模推广的价格和市场壁垒;缺乏完善的基础设施和土地利用规划,以及建筑能效等级划分、标识的标准;区域能源系统需要量化能源需求,但很多数据隐藏在建筑物的电力消耗中,难以计量,目前中国北方城镇有110亿平方米的区域供热面积,但只有8.05亿平方米采用了符合条件的计量方式。

2.能源互联优势

短期内投入过大,是很多城市踌躇不前的原因所在。不过从长远来讲,建设区域能源系统是划算的。

建设区域网络除了能够创造低品位能源的利用途径外,也能充分发挥连入区域的能源设备,提高整体的能源利用效率。例如利用大容量储热设备,供冷/热需求可以以小时、日甚至月为跨度转移,使是生产侧负荷曲线更为平缓,减低供冷/热成本。热电联产机组在有大容量储热设备的支持下,可以根据电力市场的价格,灵活调整发电计划,同样能保障供暖,这比建设电池储能实现调峰更具成本优势。同时临近的能源站借助区域网络也能互相平衡负荷,从而减少对主干网络的依赖和冲击。

首先来说,区域能源系统的应用,可为提高一个城市的能源供给弹性,降低能源价格,为燃料短缺地区的城市居民提供更为廉价的多种能源供应。比如对供冷需求较大的城市,该系统可显著地减少空调对电力的需求强度,降低电力的尖峰负荷;更廉价的供热费用,能让更多的人有能力利用集中供热系统,改善生活条件与生活品质。

提高本地可再生能源利用效率

其次,区域能源系统对于提高能源安全也具有价值。在国家层面,它可以通过减少一次能源使用量,降低对进口燃料的依赖。在城市层面,它可以降低对电力基础设施安全可靠性的需求压力,当发生突发性停电事故时,区域能源系统配备的储能系统可以作为应急措施,为医院等重要公共设施继续供热、供冷,维持其基本设备的正常运转。

通过区域能源系统,不同消费者的热量需求可以汇总,达到可以利用可再生能源的规模。在这之前,在家庭或建筑层面不具有经济可行性。这种社区规模的方法使得能够使用所有者合作,需求聚合,创造新的服务模式。目前欧盟范围内至少有20%的区域热量来自可再生能源。在发展中国家,也可以利用现成的可再生能源,如垃圾填埋气,用于区域能源用途。

再次,除了降低能源消费成本,区域能源系统还具有其他的经济效益。一是减少针对高峰负荷容量设计建设的基础设施,达到节约成本的目的;二是对于当地政府而言,可以通过持有区域能源系统所有权获得大量股息,同时减少垃圾处理成本,一方面增加财政收入,另一方面降低财政支出;三是区域能源系统的设计施工、设备制造、操作维护都需要大量人力参与,从而创造出就业机会,并最终实现经济的绿色转型。在挪威的卑尔根市,电力企业支持区域供热项目的主要原因就在于它可以降低电网维护成本,同时能够提供额外利润,创造了1300多个全职就业岗位。在加拿大的多伦多市,利用抽取湖水作为冷源的区域供冷模式,降低了90%的制冷用电量,该市每年由此减少了8900万美元的支出,可用于支持开发其他的可持续基础设施。

在电力供过于求时,一些国家已经开始使用区域供热系统来利用多余的可再生电力,无论是通过热泵还是直接使用电加热。在丹麦将可再生电力与热电联产和区域供热相结合,现已成为该国能源政策的基石。当可再生能源输出较低时,即使没有足够的供热需求,热电联产电厂也可以提供电力,而将产热储存起来。

图:丹麦风电场

与丹麦类似的风电利用也在我国内蒙展开了试点。内蒙作为风电大省,受制于外送通道,弃风的情况常年存在。特别是在冬季供热需求增大时,热电厂负荷增大,更阻碍了风电上网消纳。自2013年开始试点的风电供暖,就是以风电为电源,以电锅炉替代燃煤锅炉供暖,或者住户直接安装电暖气采暖。目前,蒙东地区已有7家风电企业参与风电供暖试点,发电装机为58万千瓦,总供热面积已经增加到92.9万平方米,一年可消纳风电约5000万千瓦时。

保障能源供应安全

随着可再生技术变得更具成本竞争力,区域能源网络能够推动未开发的废热源、地热和太阳能热等技术分阶段开发和利用。这样也不会将城市置于单一燃料来源的控制下,有助于保护当地经济免受全球市场上化石燃料价格波动的影响。例如瑞典哥德堡在上世纪70年代石油危机后就开始建设区域供热网络,目前已经达到1300km、覆盖60%城市居民的规模。大规模的供热网络建设使得多种替代能源供热成为可能,通过废热利用,哥德堡已经能满足70%的供热需求,而石油等化石燃料在其中的比例,已经低至10%的水平。在原油价格频繁波动的形势下,替代能源能够保障国家能源供应安全,规避风险。

图:哥德堡市能源结构,通过完善的区域能源网络,石油、天然气占比控制在较低水平

绿色经济

区域能源网络的建设加速能源资源在本地的消纳,间接性地提高了当地税收。能源管网基础设施建设、运营、维护也为当地创造了更多就业岗位,还能减少在传统供应模式下考虑极端情况带来的管网标准,从而降低建设成本。区域能源形成的绿色经济增长点是吸引政府关注和推进该模式发展的源动力。