燃气分布式能源各阶段技术发展分析

石海洋, 别 舒, 倪 龙, 雷 鑫, 杜可心, 杨 萧

(1.中国中元国际工程有限公司,北京 100089;2.哈尔滨工业大学,黑龙江 哈尔滨 150090)

1 概述

燃气分布式能源的技术路线基础是天然气分布式能源,随着可再生能源利用技术的不断提升以及碳达峰、碳中和目标的提出,低碳能源成为我国能源发展的必由之路。热泵供能、可再生能源发电、化石能源的高效利用是碳减排的重要措施。

截至2020年,国内燃气分布式能源项目达到632个,均为天然气分布式能源项目。燃气分布式能源项目装机容量为22.74 GW,预计到2030年,装机容量达到58.43 GW,到2060年装机容量达到59.9 GW。2011年,国家发展和改革委员会、国家能源局等联合下发了《关于发展天然气分布式能源指导意见》,使天然气分布式能源得到了快速发展,在供热和发电领域的作用更加明显。倪龙等人[1]通过分析热泵在中低温热能生产中的减碳效益,提出了热泵供热的碳减排优势。秦锋等人[2]基于碳中和背景下氢燃料燃气轮机技术现状及发展前景,指明了氢气发电的技术方向。本文重点分析燃气分布式能源的3个发展阶段,结合实际案例对天然气分布式能源、热泵、氢气分布式能源技术的应用进行了分析。

2 燃气分布式能源

燃气分布式能源是对一个或者多个用户供电、供冷、供热或供蒸汽的联供系统,不包括调峰设备,燃气分布式能源流程见图1[3]。与传统的大型热电联产系统和区域供热、区域供冷系统相比,燃气分布式能源供能规模较小,技术应用方式多元化,适用于医院、商业综合体及工业园区等。

图1 燃气分布式能源流程

燃气分布式能源以天然气、氢气、沼气及工业余气为燃料,通过燃气轮机、燃气内燃机发电机组等发电设备进行发电,发电效率为30%～50%,发电设备产生的余热可用于供冷、供热,其效率可达30%～50%[4],可实现能源的梯级利用,年综合利用效率在70%以上,并在负荷中心就近实现能源供应。

沼气分布式能源主要利用餐厨、污水处理厂、垃圾填埋场等场所产生的沼气进行发电,通过燃气内燃机发电机组发电,余热以热水或工业蒸汽的形式就近利用。工业余气分布式能源是利用化工厂或钢厂产生的甲烷、丙烷、丁烷、氢气、一氧化碳等可燃气体,通过燃气轮机进行发电,余热以工业蒸汽形式就近利用。上述两种分布式能源应用案例较少,因此不进行详细论述。

本文重点论述天然气分布式能源和氢气分布式能源。燃气分布式能源分为区域型燃气分布式能源和楼宇型燃气分布式能源两种类型,其中区域型燃气分布式能源以燃气轮机发电机组+余热锅炉为主要技术路线,燃气轮机发电机组产生的电能由市政电网消纳,排放的高温烟气进入余热锅炉,余热锅炉吸收热量产生蒸汽或热水,蒸汽可以通过汽轮机发电机组实现联合循环发电或直接供工业用户使用[5]。楼宇型燃气分布式能源以燃气内燃机发电机组+烟气热水型溴化锂冷(温)水机组为主要技术路线,产生的电能与市政电网并网但不上网,排放的烟气和缸套水进入烟气热水型溴化锂冷(温)水机组,从而产生冷水、热水供用户使用。

3 燃气分布式能源发展的3个阶段

我国幅员辽阔,各地的经济发展水平和资源禀赋不同,燃气分布式能源在各地的发展水平和规模也不尽相同,因此燃气分布式能源各个阶段的技术将长期共存。各阶段在时间上存在重叠现象。

① 2010-2040年:传统燃气分布式能源阶段

天然气分布式能源在2010年以后得到了政府、能源企业和用户的广泛关注,以天然气分布式能源为主的分布式能源项目陆续投入使用,2010-2040年天然气分布式能源在化石能源领域起到重要作用。

② 2020-2050年:低碳燃气分布式能源阶段

当前,我国处于低碳燃气分布式能源快速发展阶段,将建成更多的低碳燃气分布式能源项目,将为低碳燃气分布式能源项目的成本合理性和系统安全性提供一定的借鉴。在此期间,我国将陆续开始氢气供应技术、氢气发电技术的研究,为广泛利用氢气创造条件。

③ 2030-2060年:零碳燃气分布式能源阶段

我国将在2030年迎来零碳燃气分布式能源快速发展阶段,两个标志性的事件是氢气分布式能源的广泛应用和完善的电力交易政策。2030-2060年氢气将在经济性和安全性等方面具备大规模利用的条件,同时将出台能够支持零碳燃气分布式能源运行和交易的政策。

预计到2040年底,在我国能源需求较集中的发达地区,零碳燃气分布式能源将是新增燃气分布式能源的主要形式。

4 传统燃气分布式能源阶段

传统燃气分布式能源的技术路线以天然气分布式能源为主,运行时优先使用天然气分布式能源,在不能满足需求的情况下,利用市政电网、天然气锅炉或电制冷设备进行调峰。

北京清河医院燃气分布式能源是传统燃气分布式能源的一个案例,北京清河医院燃气分布式能源站夏季供冷流程见图2。主要设备有2台发电量834 kW天然气内燃机发电机组、2台制冷量1.454 MW、制热量1.150 MW烟气热水型溴化锂机组和3台制冷量1.257 MW电制冷机组。夏季通过天然气内燃机发电机组发电,采用并网不上网的形式向用户供电,余热通过烟气热水型溴化锂机组供冷,并与电制冷机组连接,当天然气内燃机发电机组停机检修时,市政电网供电、电制冷机组供冷,保证正常运行。

图2 北京清河医院燃气分布式能源站夏季供冷流程

北京清河医院燃气分布式能源站冬季供热流程见图3。主要设备有2台发电量834 kW天然气内燃机发电机组、2台制冷量1.454 MW、制热量1.150 MW烟气热水型溴化锂机组,2台热功率2.910 MW燃气锅炉。冬季通过天然气内燃机发电机组发电,采用并网不上网形式向用户供电,余热通过烟气热水型溴化锂机组供热,并与燃气锅炉连接,当天然气内燃机发电机组停机检修时,市政电网供电、燃气锅炉供热。

图3 北京清河医院燃气分布式能源站冬季供热流程

传统燃气分布式能源的经济性受天然气价格和机组发电时间的影响很大,未来分布式能源发展必须考虑不断引入新的技术。

5 低碳燃气分布式能源阶段

低碳燃气分布式能源将化石能源、可再生能源等多种能源组合利用。热泵是实现低碳燃气分布式能源的重要技术手段,在未来相当长的时间内,热泵供热在碳减排方面将发挥主导作用。

5.1 低碳燃气分布式能源的问题

① 可再生能源发电比例偏低。低碳燃气分布式能源多应用在经济发达且供电、供冷、供热需求相对稳定的地区,这些地区一般不具备风力发电和大面积光伏发电的条件,光伏分布式能源装机容量偏小。

② 楼宇型燃气分布式能源装机容量减小或者项目延期。近年来天然气价格持续高位、楼宇型燃气分布式能源运行和维护成本高、电力并网困难等导致楼宇型燃气分布式能源装机容量变小。

③ 区域型燃气分布式能源结合可再生能源的能力受限。在燃气分布式能源中,光伏分布式能源站发电能力比一般燃气分布式能源站的发电能力低,导致可再生能源所能发挥的作用受限。

在低碳燃气分布式能源构建中,热泵表现出的可靠性和经济性被政府和用户接受[6],冬季热泵的供热比例升高,更多的低碳燃气分布式能源项目和综合能源项目希望提高热泵供热的比例,以达到碳减排和经济性的平衡。

5.2 低碳燃气分布式能源案例

北京城市副中心6#能源站夏季供冷流程见图4,主要设备有2台发电量851 kW的天然气内燃机发电机组、2台制冷量897 kW烟气热水型溴化锂机组、6台制冷量1.443 MW地埋管地源热泵机组(简称地埋管热泵机组)和1座2×104m3蓄能水池。夏季时天然气分布式能源、地埋管热泵机组、蓄能水池供冷,2台制冷量6.68 MW的电制冷机组进行调峰。天然气分布式能源采用并网不上网的方式向用户供电,不足部分由市政电网提供。夜间用电低谷期,地埋管热泵机组制取冷水并蓄能供白天使用。

图4 北京城市副中心6#能源站夏季供冷流程

北京城市副中心6#能源站冬季供热流程见图5,主要设备有2台发电量851 kW的燃气内燃机发电机组、2台制热量897 kW烟气热水型溴化锂机组、6台制热量1.443 MW地埋管热泵机组、2台热功率4.2 MW燃气锅炉和1座2×104m3蓄能水池。冬季采用天然气分布式能源、地埋管热泵机组、蓄能水池供热,燃气锅炉进行供热调峰。天然气分布式能源采用并网不上网的方式向用户供电,不足部分由市政电网提供。夜间用电低谷期,地埋管热泵机组制取热水并利用蓄能水池储存,供白天使用。

图5 北京城市副中心6#能源站冬季供热流程

6 零碳燃气分布式能源阶段

零碳燃气分布式能源可以通过2条路径实现,路径1是购买碳排放权,计算项目产生的碳排放量,通过碳交易支付相关费用获得碳排放资格,通过专业机构认证,可明确项目零碳排放。路径2是通过能源技术的应用来实现,本文仅讨论路径2。

零碳燃气分布式能源通过氢气分布式能源、热泵供能、可再生能源发电、电力交易等技术路线解决供热、供冷、供电等需求。氢气分布式能源通过微电网交易把自用电以外的余电与市政电网进行交易,抵消夜间低谷电和氢气分布式能源站检修时所消耗的市电对应的碳排放量,由于氢气燃烧不产生二氧化碳,最终碳排放量为零或为负值。因此,氢气分布式能源的碳减排作用是实现零碳燃气分布式能源的关键。

零碳燃气分布式能源站流程见图6。分布式光伏发电电力接入微电网,氢气分布式能源电力接入微电网。微电网与市政电网进行电力交换,微电网发电能力不足时由市政电网供应,微电网发电能力富余时向市政电网供电。冬季,氢气分布式能源与热泵作为主要热源,氢气锅炉作为调峰设备;夏季,氢气分布式能源与热泵作为主要冷源。冬季和夏季,微电网向用户供电。

图6 零碳燃气分布式能源站流程

零碳燃气分布式能源是在低碳燃气分布式能源的基础上,引入氢气进行发电、供热、供冷,实现碳排放量为零或为负值。实现零碳燃气分布式能源主要依靠以下3个方面的进步。

① 氢能的发展

国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,到2025年,基本掌握核心技术和制造工艺,每年可再生能源制氢量达到10×104～20×104t。到2030年,形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系,有力支撑碳达峰目标实现。到2035年,形成氢能多元应用生态,可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升[7]。氢气供电、供冷、供热的成本将接近天然气分布式能源,这为实现零碳供能提供了基础保障。预计到2060年,氢气需求量增至1.303×108t,其中发电用氢气为600×104t[8]。

② 燃气轮机和内燃机发电技术更新

目前国内外相继展开氢气分布式能源的试验工作,氢气分布式能源的应用需经历两个阶段,第1阶段是氢气与天然气掺混形成混合气用于燃烧发电,逐步提高掺氢比例;第2阶段是实现氢气和天然气的互换。目前国内的氢气分布式能源发展处于第1阶段,国内现有的天然气内燃机掺氢比例(混合气中氢气的体积分数)能够达到30%,燃气轮机掺氢比例能够达到40%,根据燃气发电机组制造商的技术更新速度,到2025年,燃气轮机能够实现纯氢运行,通过设备改造后燃气内燃机也可实现纯氢运行。

掺氢比例过高会对在役天然气管道造成腐蚀,目前掺氢比例不超过20%[9],供气管道和燃烧设备的适用性不能忽视。

③ 电力交易政策逐步完善

预计到2030年,电力交易政策将得到完善,微电网能够与市政电网进行电力交易和电费结算。在满足微电网自身电负荷前提下,微电网可向市政电网供电[10],结合电网峰谷平电价,实现理想的经济回报。

7 结束语

燃气分布式能源是实现碳达峰、碳中和的重要方式之一。我国分布式能源经历3个阶段:第1阶段2010-2040年,传统燃气分布式能源阶段,以天然气分布式能源为主。第2阶段2020-2050年,低碳燃气分布式能源阶段,以可再生能源和天然气分布式能源为主。第3阶段2030-2060年,零碳燃气分布式能源阶段,以氢气分布式能源和可再生能源为主。中国区域发展不平衡,燃气分布式能源各阶段技术形式将长期共存。