变革性能源利用技术——分布式能源系统

金红光，隋 军

(中国科学院 工程热物理研究所，北京 海淀 100190)

变革性能源利用技术
——分布式能源系统

金红光，隋 军

(中国科学院 工程热物理研究所，北京 海淀 100190)

发展新型能源系统是实现能源可持续发展的必要保障，包括系统性、创新性和可持续性三方面内涵。分布式能源系统是一种典型的新型能源系统，与常规集中式供能系统的有机结合，是未来能源系统的发展方向。文章阐述了分布式能源系统在美国、日本、欧洲、中国等主要国家和地区的发展现状及趋势，阐明燃气及多能互补的分布式能源等新型能源系统的重要发展方向，提出发展以分布式能源、可再生能源为代表的新型能源系统，是完善我国能源可持续发展体系，抢占能源技术革命制高点的国家战略需求。

新型能源系统；分布式能源；可再生能源；能源可持续发展

1 新型能源系统的战略需求

1.1 新型能源系统概念与内涵

我国节能减排面临的主要能源问题有：随着经济持续快速发展，能源需求大幅度增加，导致供需矛盾日益尖锐；能源利用效率低下，转换、输送、使用等环节浪费惊人；能源结构不合理，优质清洁燃料比例过低；环境问题突出，治理难度大，碳减排压力不断增加；国际能源竞争加剧，能源供应安全面临挑战；大电源、大电网的单一运营模式难以应对破坏供电安全的突发事件。能源加工、转换、贮运和终端利用的综合效率比国外先进水平低十个百分点以上。

新型能源系统的核心是能源可持续发展的能源系统创新，其内涵包括系统性、创新性和可持续性三个方面。系统性是指要全面考虑能源种类、终端范围、综合利用等因素；创新性则要求新型能源系统具有原创性或系统集成创新的特点；可持续性则要求满足低碳、环境友好等要求。

根据以上内涵，新型能源系统将能够实现能源效率、能源环境、能源结构、能源安全的协调发展，建立以节能环保、可再生能源、低碳技术为支柱的能源可持续发展体系，推动能源革命与信息革命融合的第三次工业革命。

1.2 新型能源系统现状与趋势

从人类利用能源和动力发展的历史看，古代人类几乎完全依靠可再生能源，人工或简单机械已经能够适应农耕社会的需要。近代以来，蒸汽机的发明唤起了第一次工业革命，而能源基础，则是以煤为主的化石能源，从小规模的发电技术，到大电网，支撑了大工业生产相应的大规模能源使用。石油、天然气在内燃机、柴油机中的广泛使用，奠定了现代交通基础，燃气轮机的技术进步使飞机突破声障，这些进一步适应了高度集中生产的需要。但是化石能源过度使用，造成严重环境污染，而且化石能源资源终将枯竭，严重地威胁着人类的生存和发展，要求人类必须再一次主要地使用可再生能源。这预示着人类必将再次步入可再生能源时代——一个与过去完全不同的、建立在当代高新技术基础上创新发展起来的崭新的可再生能源时代。这个时代，按照里夫金《第三次工业革命》的说法，是建立在现代信息技术与分布式能源技术基础上的分布式利用可再生能源的时代。

传统的链式发展模式。迄今为止人类文明发展主要依赖无节制地开发利用煤、石油、天然气等化石燃料资源以及水、土地、生物质等自然资源，首先将这些化石资源转换成能源，然后再将能源以热和功的形式加以利用，最后治理所产生的环境污染问题,即先污染后治理。这一模式导致奢侈的资源浪费、低效的能源利用和严重的环境污染。可以说，传统的资源、能源利用方式与环境之间基于链式连接的“串联”模式恰恰是能源系统控制污染物的能耗代价居高不下的根本原因。当人类清楚认识到过去所走过的发展道路是以牺牲子孙后代的利益为代价的时候，开始认真思考并探索可持续能源发展的新模式。

能源、资源与环境有机结合的一体化发展新模式。实施可持续能源发展战略，就是要在能源、资源与环境一体化原则指导下，建立稳定、经济、清洁、可靠、安全的能源保障体系；使能源的发展与资源的开发利用相协调，能源发展对环境的改变在环境的承载极限之内，能源建设与环境保护同步，恢复自然生态系统的良性循环，能源增长与区域经济的发展相协调；以不影响长远的持续发展为前提，把建立稳定、经济、清洁、可靠、安全的能源保障体系置于可持续发展能源战略的中心位置，协调好资源、环境和经济发展的关系。

新的发展模式关键在于开拓可持续能源新渠道和实施能源多元化战略，尝试解决能源利用与环境相容协调的难题。包括以下发展方向：传统化石能源的洁净利用，实现各种化石能源的高效与清洁利用，积极探索无公害或零排放的可持续发展的绿色能源技术与系统。加速发展绿色能源，包括开发应用自然界中可再生能源与清洁能源，其中包括具有大规模产业化价值的水能、核能，以及需要大力发展的风能、太阳能、生物质能。实现能源、资源与环境一体化，通过开拓新的化学能利用方式或释放方式，探索在化学能的传递和释放过程中分离污染物的有效途径，同时实现燃料化学能的有效利用与污染物分离回收。摒弃传统的“链式串联”模式，走出一条资源、能源与环境相容的发展新模式[1]。为此，急需能源可持续发展的新型能源系统。

1.3 社会经济发展对新型能源系统发展需求

新型能源系统是相对传统供能系统而言的：传统的集中式供能系统采用大规模设备、集中生产，然后通过专门的输送设施(大电网、大热网等)将各种能量输送给较大范围内的众多用户；而新型能源系统以分布式能源系统为代表，通常以可再生能源和清洁燃料为能源，布置在需求附近，直接面向用户，按用户的需求就近生产并供应能量，具有多种功能、可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。作为新一代的供能系统，分布式能源系统是集中式供能系统的有力补充。

随着社会的发展，现代新型的分布式供能技术更加强调系统的综合性能，包括系统适应用户需求的能力、对环境友好等。现代分布式供能技术与传统的“小机组”、集中供能方式，甚至早期的分布式供能技术有很大不同，甚至有本质区别。目前研发的分布式供能技术的节能率将达到20%～30%，特点是采用新一代联供系统集成技术，同时仔细考虑用户不同冷、热需求的具体要求，采用最佳的优化控制方式使每种需求均得到满足，用户的需求与系统的供应紧密耦合，系统集成程度显著增加，能的梯级利用程度进一步深化。[2-3]

1.4 发展的瓶颈和制约因素

在关键技术研发方面，发展微小型燃气轮机等核心动力是发展新型能源系统的前提，需要在气动设计技术、材料制备及制造工艺方面寻求突破，实现对国际先进技术的引进、消化吸收及再创新，进而推动产品的系列化与换代升级，最终发展分布式供能技术的成套设备，完成向新型能源系统的跨越。

由于发展分布式供能等新型能源系统需采用新工艺和新设计，制造企业必然采用新装备以适应新工艺和新设计的要求，为此要推动制造企业装备水平的更新换代。以分布式供能技术为例，发展的瓶颈在于燃气轮机、内燃机等核心动力技术与装备，以及吸收式制冷、热泵和除湿等制冷空调行业的升级换代。

分布式供能等新型能源系统的研发和产业化，是一个多行业交叉的系统工程，需要构建政府、企业及科研院所的组织体系，以技术创新为纽带，以组织创新为保障，组织国内优秀力量，突破关键技术，形成系统技术的设计能力和产业优势。

2 新型能源系统对能源可持续发展的战略作用

2.1 助力能源结构调整，推动节能减排

分布式供能系统等新型能源系统已成为21世纪国际能源技术发展的热点。新型能源系统具有节能、环保、可靠、生态友好、可持续的特点，在开拓能源利用新模式、推动可再生能源应用、优化能源结构等方面将发挥重要作用，是满足我国节能减排重大需求的有效途径之一。

通过分布式能源系统，在能的梯级利用理论和方法指导下，将天然气等清洁燃料与可再生能源综合利用，就近满足社会电、冷、热等多方面能源需求。项目成果促进清洁燃料在能源系统中的比例，将提高分布式能源系统中可再生能源的比例，助力能源结构调整；研究成果有望实现能源利用效率的大幅度提高，将相对节能率从不足20%提高到30%。根据国家有关规划，到2020年总装机容量达到50 GW，可实现年节能4 000万t标准煤，为推动国家节能减排进程做出实质性的贡献。

2.2 提高供能可靠性，保障能源安全

近年来，国内外出现了多起大规模停电等供能安全事件，如2008年我国南方冰雪灾害等，暴露出常规集中供能系统的一些弱点。从电网安全的角度考虑，分布式供能为主的新型能源系统是常规供能系统不可缺少的有益补充，二者的有机结合，是未来能源系统的重要发展方向。同时通过分布式能源系统的主动调控作用，有助于城市电力和燃气的双重调峰，并为配电网提供更多的支撑电源，提高供能可靠性。

2.3 促进能源环境问题的解决

化石能源，特别是煤的过度开发与使用，是造成京津冀、长三角、珠三角等能源负荷集中区酸雨、雾霾等环境问题的主要原因。分布式能源系统可根据用户当地能源资源情况和能量需求特点，就近利用清洁燃料和可再生能源，大幅度减少化石燃料的使用及电力、热能的远距离输送，极大缓解区域的环境污染问题。

因此，发展新型能源系统对于我国缓解能源紧缺、调整能源结构、实现节能减排、解决环境难题等目标来说，是能源领域一项重要的战略选择。

3 分布式能源在主要国家和地区的发展及趋势

美国分布式能源的概念最早起源于美国，起初的目的是通过用户端的发电装置，保障电力安全，利用应急发电机并网供电，以保持电网安全的多元化。截至2011年，美国分布式能源站已有6 000多座，总装机超过90 GW。美国政府计划至2020年将有50%以上的新建办公或商用建筑采用CCHP供能模式，15%的现有建筑供能转型完成。美国DES发电量占国内总发电量的14%左右，以天然气CCHP为主(占总发电量的4.1%)，其他包括中小水能、太阳能、风能等。美国热电联产技术以内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机为主，约46%的热电联产项目采用小型内燃机，燃气——蒸汽联合循环占项目数量的8%，占分布式发电总装机容量的53%。根据《美国2011能源展望》的分析：在强化政策情况下，2035年分布式发电装机容量将增长至9.8 GW。可再生能源占所有商业分布式发电的50%，而基准政策情景中可再生能源占比小于35%。总之，美国的长期目标是通过最大程度地使用具有良好成本效益的分布式能源系统，使美国的电能生产和输送系统成为世界上最洁净、最有效、最可靠的系统。

欧盟欧洲的煤炭、石油、天然气资源比较匮乏，化石能源依赖国外，欧洲国家的能源发展呈现出多样性。法国以核能为主，东欧天然气比较多，北欧风能、水电为主，德国和西班牙在大力发展太阳能。欧盟在1997年已拥有9 000多台分布式热电联产机组，占欧洲总装机容量的13%，其中工业系统中的分布式热电联产装机总容量超过了33 GW，约占热电联产总装机容量的45%。2010年热电联产比例增加1倍，提高到总发电比例的18%。欧洲各国积极推行分布式能源系统，并采用可再生能源为主体的技术应用。丹麦、荷兰、德国的分布式能源发电量分别占到国内总发电量的53%、38%和38%，欧盟分布式能源平均占电市场比例达10%，以天然气为主，并与可再生能源发展紧密结合。总体来看，欧洲国家在规划发展以可再生能源为主要能源的新型能源系统，以减少对俄罗斯等外部国家的能源依赖。欧洲的能源结构体系特点是以能源高效经济利用和可持续发展为主，大力推广可再生分布式能源的利用，优化能源结构。

日本为了减少对能源进口的依赖，日本大力开发热电联产分布式发电和可再生能源发电。随着技术的开发和政策方面的鼓励，日本天然气热电冷联供系统的数量从1989年开始迅速增长。截至2000年底，已建热电(冷)系统共1 413个，平均容量477 kW。截至2011年3月，日本国内分布式供能系统总装机规模已经超过9.4 GW，总数超过8 500项，其中以天然气为燃料的热电联产系统占主要部分，约占总规模的48%，分布式能源占能源总比重已达14%。日本计划在2030年前DES发电量将占总电力供应的20%。总之，日本的分布式发电以热电联产和太阳能光伏发电为主，截至2012年，总装机容量约36 GW，占全国发电总装机容量13.4%[4]。

中国我国的能源资源禀赋、经济发展阶段、生产力布局、建筑结构和居住条件与上述发达国家有很大的差异。因此，我国的能源发展战略，新型能源的发展重点和路径也具有自身的特色。

分布式供能技术定位为我国能源领域前沿技术。《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年)》(以下简称《纲要》)将分布式供能技术作为与氢能、核能等并列的四项前沿技术之一[5]。为贯彻实施《纲要》，科技部、国家发改委等部委积极推进分布式供能技术的研究与示范。这些工作为我国分布式供能技术的自主创新提供了良好的研究基础和发展机遇。开展新型能源系统相关理论和技术的自主创新研究，将带动能源与环境领域研究的跨越发展。据统计，目前国内已建和在建分布式能源项目装机总容量约5.4 GW，主要以天然气分布式能源方式建设。

近年来，我国陆续出台了一系列发展分布式能源的鼓励政策，包括2011年10月发布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，2012年4月发布的《分布式发电管理办法和并网管理办法》，2013年10月发布的《关于印发大力发展分布式发电若干意见的通知》，2014年10月发布的《天然气分布式能源示范项目实施细则》等，从规划、并网保障、工程实施、政策配套等方面提出了指导意见，但能够指导各地项目落实的依据性文件仍然缺乏，示范工程和产业化推进依然面临难题。

在“十一五”到“十二五”期间，科技部、国家能源局等部门先后部署了若干分布式能源的科技项目，在基础理论创新、关键技术研发、研发平台建设以及工程示范等方面开展了大量工作。在高技术研究方面，部署开展了微小型燃气轮机、余热驱动的制冷/热泵/除湿、多能源互补发电、分布式能源并网等关键技术研发，并建设了北京南站、南网公司佛山供电局、广东宏达工业园等分布式能源示范工程。

以上研究代表了我国在分布式能源领域的总体研究水平，研究内容涵盖能源转换与利用、可再生能源利用、并网等方向。上述项目的执行，初步形成了分布式能源的设计方法和技术基础，但在指导实际工程建设以及可再生能源利用、微小型动力、制冷、热泵等关键技术研发及技术产业化、实现能源系统网络化方面的工作还刚刚起步，需要进一步推进相关领域的技术与示范研究。

4 重要发展方向

依据国家“十三五”能源领域新型能源系统子领域科技规划专题研究成果,凝练提出天然气基和多能互补型两类分布式能源系统的未来研究方向。

4.1 燃气分布式能源系统

(1) 冷热电+淡水分布式能源系统。

(2) 冷热电+除湿分布式能源系统。

(3) 石油行业分布式能源系统。

(4) 石化行业分布式能源系统。

(5) 基于混合动力的主动调控型分布式能源系统。

(6) 基于蓄能的全工况调控分布式能源系统。

4.2 可再生能源及多能源互补的分布式能源系统

(1) 太阳能热电联产技术。

(2) 太阳能光伏与光热一体化技术。

(3) 生物质的分布式冷热电联产技术。

(4) 太阳能/地热与绿色建筑一体化的分布式能源系统。

(5) 太阳能/生物质互补的分布式能源系统。

(6) 风光储的分布式能源系统。

(7) 可再生能源综合利用的边防及海岛能源系统。

(8) 可再生能源与化石能源互补的新型城镇化能源系统。

(9) 太阳能/生物质与天然气互补的分布式冷热电联产系统。

(10) 太阳能与替代燃料互补的冷热电联产系统[6]。

5 结语

新型能源系统通过可再生能源与化石能源的综合梯级利用，实现能源效率、能源环境、能源结构、能源安全的协调发展；发展新型能源系统有利于促进形成能源可持续发展体系，推动我国早日实现能源革命与信息革命融合的第三次工业革命。

发展新型能源系统，需要改变能源利用模式与方式，着力实现原创理论、技术突破与系统创新相结合，探索能的综合梯级利用与多能源互补利用的新方法与新系统。需要加大新型能源系统的基础科学和共性技术问题的研究力度，鼓励新思路、新概念的探索和新方法、新技术的研究，并在不同行业开展典型分布式供能系统工程示范。围绕建筑节能和工业过程节能领域，进行分布式供能系统的应用研究，开拓个性化的解决方案。

发展以分布式能源、可再生能源为代表的新型能源系统，是完善我国能源可持续发展体系、抢占能源技术革命制高点的国家战略需求。

[1]金红光, 林汝谋. 能的综合梯级利用与燃气轮机总能系统[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 392-397.JIN Hongguang, LIN Rumou. Comprehensive cascade utilization and gas turbine integrated energy system[M]. Beijing: Science Press, 2008: 392-397.

[2]徐建中. 科学用能与分布式能源系统[J]. 中国能源, 2005, 27(8): 10-13. XU Jianzhong. Scientific energy utility and distributed energy system[J]. Energy of China, 2005, 27(8): 10-13.

[3]XU Jianzhong, SUI Jun, LI Bingyu, et al. Research, development and the prospect of combined cooling, heating, and power systems[J]. Energy, 2010, 35(11): 4361-4367.

[4]金红光, 郑丹星, 徐建中. 分布式冷热电联产系统装置及应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010: 7-10. JIN Hongguang, ZHENG Danxing, XU Jianzhong. Distributed combined cooling, heating and power system devices and applications[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2008: 7-10.

[5]中华人民共和国国务院. 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)[R]. 北京: 国务院, 2006. State Council of the People’s Republic of China. National medium and long-term plan for science and technology development(2006—2020). Beijing, 2006.

[6]金红光, 隋军. 可再生能源的热利用与综合利用[J]. 中国科学院院刊, 2016, 31(2): 208-215. JIN Hongguang, SUI Jun. Heat utilization and compre-hensive utilization of renewable energy[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2016, 31(2): 208-215.

Transformational Technology Innovation—Distributed Energy System

JIN Hongguang, SUI Jun

(Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China)

The novel energy system is the key to ensure the energy sustainable development, containing of systematicness, innovation and sustainability. The integration between conventional centralized energy system and distributed energy system which is a typical novel system will be the promising direction in the future. This article illustrates the current situation and trend of distributed energy system in U.S., Japan, Europe and China, and also analyses that gas-fired hybrid distributed energy system is the important development direction of the novel energy systems. It also proposes that the development of novel energy system represented by distributed energy and renewable energy is national strategic demand for improving the sustainable development of China’s energy system and seizing the commanding heights of energy technology revolution.

novel energy system; distributed energy; renewable energy; energy sustainable development

金红光

TK019

A

2096-2185(2016)01-0001-05

国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2014CB249202)；国家国际科技合作专项资助(2014DFG62450)

2016-06-20

金红光(1957—)，男，博士，研究员，中科院院士，中国工程热物理学会理事长，主要研究方向为热力学和能源动力系统理论与方法，hgjin@iet.cn；

隋军(1973—)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事多能互补的分布式能源系统研究。

Project supported by National Key Basic Research Program of China (973 Program)(2014CB249202); International Science and Technology Cooperation Program of China(2014DFG62450)