分布式能源的应用与发展

2021-11-21张彦龙

建材发展导向 2021年2期

张彦龙

（山西省城乡规划设计研究院，山西太原 030001）

人类的发展史就是一部能源的利用史，现代工业的诞生极大的提高了人们利用能源的能力，也极大的改变了现代人的生活。但同时，也带来了较为严重的环境问题，目前世界上所有国家都在逐渐增加对环境保护的重视。为满足我国对能源和环境保护的双边需求，促进社会的健康发展，确保能源供应的安全性和可靠性，并实现能源结构的转型和现代化，发展新型能源成为必然趋势。

1 分布式能源概述

所谓分布式能源是指可再生能源和集成能源系统的总称。分布式能源一般位于用户附近，安装容量较小，并消耗本地产生的能量。分布式能源通常基于热、电和冷技术的结合，并连接到大型电网和天然气管道网络。可以提供电力、蒸汽、热水和冷水（或风）之类的能量，可以有效减少因电力传输而造成的损耗以及对输配电系统的相应投资，并提供清洁能源服务。现阶段分布式能源的利用主要分为新型能源发电的利用以及分布式天然气的利用。分布式能源除了节约能源和保护环境之外，还可以补充能耗的高峰和低谷，比如夏季，电力负荷很高，分布式能源可以作为补充能源缓解用电紧张的局面，且分布式能源的起停高峰特性很灵活，可以满足高峰时段的用电需求。而在冬季，住宅和商业场所的天然气需求很高。分布式天然气设施可以满足天然气需求，并减少发电。因此，气分布能源的燃气冷热电三联供技术有效地利用了天然气和电力高峰之间的季节性差异的附加特征，在夏季将部分高峰电力负荷转移给天然气，冬季则将富余的天然气资源用到冬季居民用气和服务业用气上。这有助于最大程度地优化能源供应结构。

2 两种典型分布式能源的优势和瓶颈

2.1 光伏、光热分布式能源

光伏分布式能源是直接利用太阳能技术的一种分布式能源，在我国发展非常快。根据其对太阳能的利用方式可分为三类。1）利用太阳能产生热量，用于生活热水或者取暖的供应，较有代表性的是我国广泛使用的太阳能热水器。2）直接或间接收集热量驱动发电机发电，这种在我国利用的较少。3）利用光伏发电技术作为直接利用辐射能发电的基础技术，光伏发电近年来在我国发展非常迅速，也逐渐成熟。

2.1.1 光伏、光热分布式能源的优势

1）可再生的绿色能源：太阳能是地球获取能量的直接来源，也是最为广泛存在的清洁能源，太阳能的利用不仅可以有效提高人类利用能源的效率，而且不会对环境造成任何危害，且不存在能源枯竭的问题。这对于社会的可持续发展以及环境保护，节能的发展至关重要。不仅如此，光伏发电不仅不会产生任何排放和噪音污染，而且安装使用方便。

2）政策红利：光伏分布式能源系统的市场应用与政策支持密不可分，其中包括对太阳能光伏企业产品的补贴和消费电价补贴。对相关产业不仅限于补贴，而且还为该产业的未来发展提供前瞻性政策支持。

3）应用范围广：我国国土面积广，理论上太阳照射到的地方都可以利用光伏分布式能源，但是日照时间是决定光伏发电效益的重要因素，我国大部分国土的日照时间超过2000小时/年，太阳能资源丰富，且易于获得使用。

4）安装方便：大部分地形都可以安装光伏发电板，房顶上也可以安装，可以有效节约土地，同时提高效益。且使用寿命长，损耗低，经济效益很高。

2.1.2 光伏、光热分布式能源的局限性

1）发电量波动较大，由于季节，气候和时间的限制，光伏发电存在着较大的波动性，发电供应不稳定，因此在并入电网时会对电网造成较大的影响。可以通过增加储能设施解决这一问题，但是储能设施的投资大，且存在一定的寿命问题以及诸如电解质泄露等易引发维修的问题，因此，现阶段还没有很好的方法解决这一问题，这也限制了光伏发电的大规模应用。

2）光热发电对地理环境的要求高，且占地面积大，效益比光伏发电较低，需要大规模投资才可能获得收益，这也导致了光热发电发展较慢。

3）光伏发电的能效较低，目前仅有10%到20%，且光伏面板制造过程中有一定的污染。

2.1.3 光伏、光热分布式能源的发展前景

光伏、光热分布式能源是直接利用清洁的可再生太阳能的技术，可以有效改变我国传统以化石能源为主的能源结构，减少传统化石资源的污染和环境破坏，并可以逐步替代传统能源。随着与光伏能源生产相关的政策的变化，当前市场将显示无补贴项目和有补贴项目的共存，这将导致光伏发电的成本和价格迅速下降。

2.2 天然气的分布式能源

天然气分布式能源是指使用天然气作为燃料，通过冷热电三联供对能源进行梯级利用，天然气分布式能源的能效较高，总能源效率超过70%，并在负载中心附近实现能源供应，是一种较为成熟的分布式能源。

2.2.1 天然气的分布式能源的优势

1）高能效：天然气分布式能源的能效非常高，一般超过70%，最高可达85%，远高于传统燃煤发电的效率（30%至55%）。

2）天然气是传统能源向新型能源过渡的最好选择，传统能源利用过程中会产生大量的污染，尽管目前尾气处理技术已取得了一定的进步，但是依然无法完全清除污染。过去对传统能源的大量粗放式利用导致了严重的环境问题，而天然气是一种相对清洁的能源，利用天然气可以有效降低污染。由于新型能源，比如太阳能、风能、水电以及核能的利用仍然难以全面取代传统能源，现阶段只能作为补充能源使用，以逐步取代传统能源，这个阶段，天然气的优势就体现了出来，其可以有效在这个过渡时期发挥作用。

3）天然气分布式能源具有的连续性强和稳定性高的优势，且可以灵活调节，可以有效减少用电高峰之间的差距。且常规电网覆盖范围很广，一旦发生停电，影响范围非常广。而分布式天然气能源使用天然气作为能源，有特殊需求的建筑物可以自己存储天然气，这比传统的电网更加灵活和可靠。

4）我国多地鼓励发展天然气能源，以应对越来越严重的环境污染问题，煤改气已成为近年来最为重要的能源升级措施。因此，政策支持的力度非常大。

2.2.2 天然气的分布式能源的局限性

首先，分布式能源的根本目的是节能，但是国内分布式能源的节能效果还没有达到国外节能技术水平。主要原因是分布式能源对系统集成功能有更高的要求，而目前我国在这方面的水平相对较低。其次，当前分布式气体能源的投资回报相对较小。主要表现为：技术和设备成本高，本地化程度低；天然气气源不足和价格偏高；大部分分布式天然气能源仍处于亏损状态。第三，实际负荷不足。在设计区域天然气能源分配方案时，有必要计算该区域的热负荷和冷负荷。如果负荷预测不够准确，则设备的实际选择量过大或者过小，导致某些设备在满负荷条件下运行或长期负荷不足。

2.2.3 天然气的分布式能源的发展前景

分布式能源在经济，节能和环境保护三个方面具有良好的作用，并可与传统能源网络进行连通，预计这将是未来天然气分配能源的应用方向，双能源系统在市场上更具竞争力。政策支持既是优势又是局限。当前，天然气的分布式发电的发展主要取决于政治上的支持和促进，而向市场推广的机会很少。针对这种现象，最好的方法是加快低成本设备和系统的研发。

目前，我国的天然气来源不足，对国外的依赖较大，这也限制了我国天然气分布式能源的发展、此外，由于分布式天然气能源效率更高，因此所有地区都将首先考虑使用天然气为城市供热和制冷，尚未跳出燃煤锅炉和燃煤发电的思路。主要是由于天然气的使用价格往往高于煤炭的使用价格，因此比较表明，天然气分配能源的经济效益并不明显，这直接限制了当地使用天然气的分布式能源项目的发展。但是，与传统的燃煤发电厂相比，使用天然气的分布式发电项目投资规模较小，适用性更高。

3 促进分布式能源应用与发展的措施

分布式能源面临的主要问题是并网问题、能效问题以及价格问题，因此发展较为缓慢，可以通过以下措施促进分布式能源的应用与发展。

1）从观念上推动分布式能源的发展。我们的国家地域辽阔，自然条件因地而异。因此，分布式能源应根据当地条件开发适合当地环境条件的可再生能源。比如我国西部风能储量大，且日照时间长，可以选择发展风能和太阳能分布式能源，而在我国沿海地区可以利用潮汐能发展分布式能源。在在经济发达的沿海地区和人口稠密的地区，能源利用率高且需求较大，应鼓励发展使用天然气的高能效分布式能源系统。

2）促进示范点和示范工程建设。选择代表城市来建设一定数量的分布式能源项目，通过建设示范区总结经验并改善管理项目，是促进行业快速发展的有效途径。

3）加强技术研发，降低装备项目成本。一方面，有必要加强燃气轮机关键技术的研究开发，尽快实现燃气轮机热元件和联合循环控制技术等核心技术的突破，以降低设备成本；另一方面，应优化分布式天然气能源项目的设计，以控制建设成本。