丹麦太阳能区域供热市场和发展动力

2014-05-12国家发改委能源研究所胡润青

太阳能 2014年5期

国家发改委能源研究所 ■ 胡润青

0 引言

丹麦地处北欧，属温带海洋性气候，冬暖夏凉，最热的7月平均气温不超过15～17 ℃，最冷的1月平均气温在0 ℃上下。一年四季均需提供生活热水和建筑供暖。丹麦首都哥本哈根的全年水平面太阳能辐射量为989 kWh/m2，与贵阳市的太阳能资源基本相当。

太阳能区域供热是指太阳能集热系统与其他能源互补运行，为局部地区(数个村镇或数个社区)集中供应生活热水和建筑供暖，也可供应工业用热和空调制冷。丹麦是全球最早推动太阳能区域供热的国家，在技术进步和激励政策的支持下，丹麦太阳能区域供热市场发展迅速，已成为全球最大的市场。丹麦是全球区域供热比例最高的国家，超过55%的供热净耗能来自区域供热系统，全国有460个区域供热站，60%以上的家庭由区域供热系统供应热水和供暖。丹麦政府通过发电补贴等政策，推动小型热电联产电厂的发展、以及电厂转型为热电联产电厂，2011年，丹麦热电联产电厂生产了63%的电力。

1 蓬勃发展、全球领先的丹麦太阳能区域供热市场

丹麦是全球最早推动太阳能区域供热的国家。1988年，丹麦就建成了第一个太阳能区域供热电站，安装了1000 m2太阳能集热器。2003年，Marstal太阳能区域供热项目建成投产，太阳能集热器安装面积达到1.8万m2，是当时全球最大的太阳能区域供热项目。丹麦太阳能区域供热项目均已与常规供热系统结合，提供生活热水和建筑供暖。

丹麦是欧洲最大、最成熟的太阳能区域供热市场。2010年以来，在丹麦高额能源税和其他可再生能源激励政策的支持下，太阳能区域供热进入商业化发展阶段。根据国际能源署的统计[1]，到2012年底，丹麦大型太阳能区域供热项目数(37个)和应用规模(193 MWth/27.5万m2)均位居欧洲第一，且远高于欧洲其他国家，如德国(21个，3.9万m2)、奥地利(22个，3.1万m2)、瑞典(21个，3.1万m2)。到2013年6月[2]，丹麦已建成太阳能区域供热项目的太阳能集热器面积已达到31万m2，计划在建项目规模达到39.7万m2。

欧洲10大太阳能区域供热项目均在丹麦。这些项目是Marstal(33300 m2，2012年扩建 )、Braedstrup(18612 m2)、Vojes(17500 m2)、Grasten(17200 m2)、Ringkobing(15000 m2)、Veggeriose(12075 m2)、Saby (11921 m2)、Gram(10073 m2)、Jagerspris (10000 m2)和 Oksbol (10000 m2)。

2 日渐成熟、稳定的太阳能区域供热技术

太阳能区域供热技术是指太阳能集热系统作为热源之一、与既有或新建的供热系统联合运行，实现区域集中供热的技术。太阳能区域供热系统可提供生活热水、建筑供暖和工业用热，也可提供空调制冷。近年来，全球太阳能区域供热技术发展迅速，在民用、商用和工业领域都有应用。经过多年实践，丹麦太阳能区域供热技术日渐成熟、可靠，现已进入规模化、商业化发展阶段。

图1 丹麦太阳能区域供热项目分布图

1) 太阳能系统。丹麦太阳能区域供热系统的太阳能应用规模都较大，很多项目的集热器面积大于1万m2，最大的Marstal项目达到3.3万m2。丹麦太阳能供热系统寿命可达25年，通常采用大面积的平板集热器，集热器集中安装在地面上。单块集热器面积可达13～14 m2，是我国常用的单块集热器面积的3～5倍。大面积集热器的优点是热损较低、效率较高。

2) 供热站系统。大型太阳能区域供热系统多与常规供热站联合运行，太阳能热水直接并入供热站的储水箱，通过供热站为用户提供热力，供热站的出水温度约为70 ℃，回水温度约为40 ℃。最为常见的太阳能/天然气系统包括天然气发电机组、天然气锅炉、太阳能集热系统和储热水箱。与天然气系统结合的供热站，实际上是既供热也发电的能源站，热力为社区、村镇提供热水和建筑供暖等服务，所发电力并入电网。系统供热价格由开发商与用户协商确定，所发电力可与配电商、用户以及中间商直接交易，也可通过北欧电力市场交易。一些项目还与地源热泵技术、生物质系统联合运行。

3) 太阳能贡献率。太阳能贡献率是指太阳能集热系统所产生的热量在区域供热站总供热量中的比例。太阳能贡献率的设定要综合考虑太阳能资源情况、能源需求情况、能源产品价格水平等多种因素。不同项目的太阳能贡献率差异很大，低的只有2%～5%，高的可达80%。多数情况下，太阳能是作为常规供热系统的预热能源或补充能源，太阳能贡献率不高。在丹麦的发展初期，太阳能贡献率较低，仅为2%～5%，目前很多项目的太阳能贡献率都达到15%～20%，丹麦Marstal项目的太阳能贡献率高达55%。随着技术的日趋成熟和稳定、经济性的日益提高，很多区域供热站开始大规模扩建太阳能系统(见表1)。例如，扩建后的Vojens项目太阳能集热面积可达71 500 m2，为原规模的3倍以上。

表1 部分太阳能区域供热项目扩建计划

4) 储热技术。储热技术是太阳能区域供热系统的重要组成部分，也是目前欧洲的研究热点。从储热时间和储热量看，储热技术可分为短期储热和季节性储热。短期储热水箱是目前丹麦最为普遍的配置，通常是储存当日或数日的热量。季节性储热是指将夏季的热量储存至冬季使用，目前尚处于研发试点阶段。正在研发的季节性储热技术主要是储热罐、储热坑、钻井储热、含水土层储热4种。

3 项目案例

3.1 Jagerspris项目[3-4]

该项目由热力公司和热力用户共同投资建设，2010年7月建成投产，为4个镇1264户家庭供热。

图2 太阳能集热器阵列

图3 太阳能/天然气热电联产能源站

1) 系统配置。该系统为太阳能、天然气热电联产机组、燃气锅炉联合运行，配备短期储热水箱。平板型太阳能集热器安装在地面上，集热器面积13405 m2，配备2个储热水箱；年设计太阳能供热量6 GWh，太阳能贡献率17%。

2) 初始投资。太阳能集热系统的初始投资为295万欧元，单位初始投资为220欧元/ m2，无补贴，项目投资回收期为8.3年。

3) 项目经济性[5]。在无补贴的情况下，太阳能供热成本为32欧元/MWh，运营成本仅为1.3欧元/MWh。项目供热成本远低于40欧元/MWh的当地供热成本，具有很好的经济性。

4) 运行情况。该能源站(包括发电和供热)仅配备1名全职工作人员，即项目经理，负责项目的日常管理维护；配备2名兼职办公室助理(每周工作时间分别为20 h和16 h)。夜间无人值守，有紧急事故时，会自动通知项目经理和维护人员。

3.2 Strandby项目[4-5]

该项目由热力用户投资建设，2008年11月建成投产。

1) 系统配置。该系统为太阳能、热泵系统、天然气热电联产机组联合运行，配备短期储热水箱。采用平板型太阳能集热器，集热器安装在地面上，集热器面积8019 m2，配备2个1500 m3储热水箱；太阳能年设计供热量3.76 GWh，太阳能贡献率18%。

2) 初始投资。太阳能供热系统总投资232万欧元，其中太阳能集热系统约占60%，水箱和管路等辅助系统约占40%。项目获得48万欧元补贴，项目投资回收期为8.1年。

3) 项目经济性。不考虑补贴时，太阳能供热成本为42欧元/MWh。补贴后，供热成本为34欧元/MWh，低于当地供热成本40欧元/MWh，具有较好的经济性。

4) 运行情况。太阳能区域供热系统均运行良好，太阳能系统、吸收式热泵系统均达到了设计要求。2009～2013年太阳能系统的年供热量为3.4～3.9 GWh，运行稳定，达到了设计要求。

3.3 Bradstrup项目[4-5]

该项目2007年9月一期建成投产，2012年扩建。

1) 系统配置。该系统为太阳能和天然气热电联产机组联合运行，配备短期储热水箱。采用平板型太阳能集热器，集热器安装在地面上。一期项目，集热器面积8000 m2，配备2000 m3储热水箱；太阳能年设计供热量3.4 GWh，太阳能贡献率8%。二期扩建后，集热器面积总计18612 m2，太阳能年设计供热量8.9 GWh，太阳能贡献率20%。

2) 初始投资。一期项目，太阳能供热系统的初始投资165万欧元，获得35万欧元补贴，项目回收期为6.5年。二期项目，太阳能供热系统的初始投资为536万欧元，获得90万欧元补贴，项目回收期为10年。

3) 项目经济性。不考虑补贴时，太阳能供热成本为31欧元/MWh。补贴后，供热成本为25欧元/MWh，低于当地供热成本40欧元/MWh，具有很好的经济性。

表2 丹麦太阳能区域供热项目案例[3-5]

4 发展的动力

4.1 宏伟的发展目标提供良好发展环境

丹麦是全球首个提出要在未来实现100%可再生能源的国家。宏伟的可再生能源发展目标、循序渐进的能源行动计划和积极稳定的政策措施，为包括太阳能在内的可再生能源发展提供了良好的政策环境。

丹麦政府的目标是，到2050年，保持高度的能源安全和稳定的、可负担的能源供应，摆脱对煤炭、石油和天然气的依赖，实现向低温室气体排放的经济转型。

多年来，丹麦实施了多项能源行动计划，降低能耗、增加可再生能源的市场份额。 2012年3月，丹麦议会批准了《2012～2020能源执政协议》，旨在推动丹麦实现“2050年100%依靠可再生能源”的长远目标，明确到2020年的发展目标为：能源消费总量在2010年的基础上降低7.6%；温室气体排放与1990年相比减少34%；可再生能源占终端能源消费总量的比例达到35%，风电占电力消费总量的50%。

该协议包括62项行动计划，涉及能源效率提高、可再生能源发电、区域供热、热电联产、可再生能源在家庭用户和工业部门的利用、智能电网发展、沼气生产、电力和可再生能源在交通领域的应用、研发和示范项目建设、融资途径等。

4.2 高额的能源税和碳税，以及技术的快速进步，使太阳能供热项目具有经济性

1977年，丹麦在电力和石油部门引入了能源税。之后，不仅几次提高税率，且课税范围扩展至煤和天然气。1992年，丹麦开征二氧化碳税。丹麦的能源税赋明显高于美国、日本、德国等其他国家。高额能源税和二氧化碳税的征收，大大提高了化石能源的使用成本。目前，天然气区域供热的能源税税赋约为50%，包括太阳能在内的可再生能源项目无需缴纳能源税。1979～1996年，丹麦政府为太阳能热利用项目提供初始投资30%的补贴，1996～2002年补贴比例降为25%，2002年补贴取消。

在技术进步和规模化效益的支撑下，丹麦太阳能区域供热项目单位初始投资大幅度下降，目前已具有较好的经济性和市场竞争力，这也是丹麦太阳能区域供热快速发展的重要原因。

目前，丹麦太阳能区域供热项目均为大型项目，太阳能集热器通常安装在地面上，系统配备短期储热水箱，项目单位初始投资已降至200～300欧元/ m2。项目单位初始投资远低于欧洲户用太阳能热水系统(1000欧元/ m2)，基本与我国太阳能热水工程项目持平(1500元/ m2，约200欧元/ m2)。其主要原因，一是规模化采购带来的效益；二是大型项目以区域热力站相结合，可共享一些设备，节省投资。

根据欧洲研究机构的研究报告[5]，丹麦太阳能区域供热项目已具有经济性。按照单位初始投资仅为200～300欧元/ m2、4%年利息、25年寿命期计算，丹麦太阳能区域供热成本约为4欧分/kWh，与其他供热技术的成本基本相当。考虑能源税后，与丹麦主流的天然气供热相比，大型太阳能区域供热项目已具有很好的市场竞争力。

4.3 系统对短期储热的需求大幅提高，提供了良好的技术融合条件

丹麦拥有丰富的风能资源，是世界上最早大规模开发利用风电的国家，也是全球风电比例最高的国家。2011年丹麦风电累计装机395万kW，年发电量达到98亿kWh，占全国总发电量的28%，风电已成为丹麦电力供应的重要来源。

在盛风期，丹麦风力发电量大增，电力市场的电力交易价格较低，可能会低于天然气热电联产机组的发电成本。这时，天然气热电联产机组的供热成本可能会高于锅炉的供热成本。在这样的背景下，许多区域供热站设计了较大容量的短期储热水箱，在保证天然气热电联产机组灵活性、可操作性的同时，提高区域供热站的稳定性和经济性。

短期储热水箱的存在为太阳能热水系统的融合提供了良好条件。目前丹麦太阳能区域供热项目多与天然气热电联产系统联合运行，作为区域能源站，既供热也供电。

5 丹麦的经验对我国的启示

5.1 有利的市场环境和激励政策是规模化应用的保障

高额能源税和二氧化碳税的征收，大大提高了丹麦化石能源的使用成本，形成了有利于太阳能、生物质能等清洁能源应用的市场环境。在技术进步的推动下，丹麦太阳能区域供热成本已基本与当地供热成本持平；在激励政策的支持下，太阳能供热成本已低于当地供热成本，具有较强的市场竞争力。这是丹麦太阳能区域供热规模化、商业化发展的主要原因。

与丹麦相比，我国还没有形成大力支持可再生能源供热的市场环境。与常规能源相比，太阳能热利用不享受任何优惠政策；能源定价也未考虑能源的外部环境效益。我国太阳能热利用产业和市场都处于全球领先水平，民用太阳能热水市场已进入商业化发展阶段。但是，大型太阳能供热项目的经济性还有待提高，包括工业热力供应和建筑供暖。在供热热价较高的地区和领域，例如华东地区的工业热力供应领域，太阳能供热项目已具有经济性。但是，太阳能建筑供暖的经济性还有待提高，太阳能与常规能源互补的区域供热技术尚处于起步阶段，还需政策的支持和激励。

5.2 多能互补系统是政府鼓励和市场发展的方向

丹麦所有的太阳能区域供热项目都并入常规区域供热系统，与其他能源互补提供区域供热服务。丹麦政府鼓励在既有和新建区域供热系统中加入太阳能、生物质能、地热能等可再生能源，鼓励热电联产技术的应用。目前，丹麦有大量的太阳能/天然气、生物质能/天然气区域能源站，既供热也供电。

多能互补系统的优点：一是保证用户对能源品质的要求；二是提高系统的能源效率；三是能够根据各种能源资源情况和市场价格灵活调整生产计划，降低系统的运行成本。

对太阳能系统而言，多能互补供热系统能有效降低太阳能系统单位投资成本和运行成本。从初始投资看，多能互补区域供热站的总初始投资会有所增加；与独立能源系统相比，单位初始投资会有所下降。对于丹麦太阳能区域供热项目而言，有区域供热体系的支撑(水箱、供热管网等)和项目的规模化效益，单位投资成本大幅度下降，远低于欧洲太阳能户用系统的单位投资成本，与我国太阳能工程项目的单位投资基本相当。

我国太阳能热利用起步于户用太阳能热水器，近年来在太阳能热水工程应用方面发展较快，一些项目开始与常规热水系统联合运行。但是，系统设计的基本理念仍是太阳能为主、常规能源为辅，太阳能系统与常规能源系统难以实现真正的互补和融合。特别是以太阳能系统为主的建筑供暖项目，由于夏季太阳能资源难以得到应用，不仅存在系统维护问题，项目的经济性也较差，难以实现规模化应用。

建议支持和引导我国太阳能系统与其他能源系统的互补和融合，这对于提高能源系统的可靠性和质量保证、降低系统的运营成本、推动太阳能系统在更多领域的规模化应用具有重要作用。

5.3 成熟的技术是规模化发展的基础和关键要素

包括太阳能热利用在内的各种能源技术都是成熟的，系统集成技术是太阳能区域供热系统成功的关键。在丹麦早期的太阳能区域供热项目中，也有系统集成技术和控制系统造成的困扰，经过多年的实践和探索，目前太阳能区域供热技术成熟，包括系统集成技术和控制系统都已非常成熟，在优化系统运行、降低运营成本的同时，已实现了区域能源站的无人值守。

我国户用太阳能热水系统、太阳能热水工程项目的技术成熟，有大量的工程实践已实现了规模化的应用。太阳能系统与常规热水系统的结合方面有一定经验，与区域热力系统和电力系统联合运行的应用目前尚处于起步阶段。与丹麦相比，我国在太阳能与其他能源多能互补系统的设计理念、系统集成和实践方面还有较大差距，应予以大力的支持和培育。