综合能源技术路线研究

杨晓巳，陶新磊

(1.华电重工股份有限公司，北京 100070；2.深圳中广核工程设计有限公司，深圳 518100)

0 引言

2011年，在德国汉诺威工业博览会上首次出现“工业4.0”概念，2015年国务院提出“中国制造2025”战略目标，究其本质，这两者产生的时代背景、核心目标是一致的。“中国制造2025”是为了实现中国由“工业大国”向“工业强国”的转变，核心是从工业自动化向工业智能化发展。当今社会各行各业都即将或正在与云计算、大数据、物联网、人工智能等高科技深度融合，能源作为现代社会、工业发展最基本的驱动力，更加需要与高新技术深度融合，以便更好、更高效地为其他领域服务。将网络技术、电子信息技术和能源技术进行融合的新一轮能源革命，即将彻底改变人类生产、使用能源的方式。十八大报告首次提出“能源革命”这一概念，坚定推动“能源革命”的道路选择，并将其作为国家长期战略，以应对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势、保障国家能源安全。

本次能源革命最基本的形式是“互联网”+“能源技术”的深度融合，其本质是利用电子信息、通信、数据挖掘、科学计算等数字技术将各种能源的加工、生产、输送、储存、交易、利用深度融合而产生的全新能源产业形态。随着光伏、风力、燃气、垃圾焚烧、分布式发电等能源技术，系统监测、控制技术和管理技术以及新的能源交易方式日臻成熟和广泛应用，集成冷、热、电、气、水和储能、氢能、交通工具充能充电等服务的综合能源系统成为国内外科研领域竞争与合作的重点之一[1]。

1 综合能源系统

目前我国电力技术、装机容量、电网规模均处于世界领先地位，但也面临着以下几个问题：(1)电力装机已趋近于饱和，新建机组减少；(2)煤电独大的状况没有改变，清洁能源占比偏小；(3)在技术装备发展上，水平有一定提高，但总体水平落后，核心技术仍受制于人；(4)单位国内生产总值(GDP)能耗是世界平均水平的2.5倍。与美国、日本等发达国家差距更明显[2]。

针对上述问题，国家大力推进新一轮电力体制改革，鼓励市场主体创新服务，向用户提供包括合同能源管理、综合节能、用能咨询等服务。鼓励专业化能源服务公司与用户合作或以“合同能源管理”模式建设分布式电源[3]。加大对节能提效、能源综合利用和清洁能源项目的支持[4]。

传统能源多以产品为中心，产、供、销沿产业链上下游纵向配置，各种能源产品互不联系，输配到用户后由其自行支配，并不关注用能效果。而综合能源更加重视用户的实际需求，将冷、热、电、燃气、储能等系统相互协调进行优化配置，再为用户提供系统运维、能效管理、节能降耗服务进而形成新的商业模式赚取长期稳定的利润。

综合能源系统的基本思路是通过产、供、销、储各子系统将不同时段、不同位置、不同品位的能量进行互补、替代、削峰填谷，从而实现不同品位能源的梯级利用。此外还能解决光伏、风电波动性强、布置分散、能量密度低的问题，从而推进可再生能源的大规模利用，减少弃风弃光[5-7]。

2 国外综合能源系统技术路线

由于温室气体排放的严峻形势及可再生能源并网的现实需求，欧洲首先提出综合能源系统这一概念，并快速推进。

2.1 英国

英国注重能源系统间的协调、配合。包括原有大规模能源系统和分布式系统间的协同、能源系统与电网间的协同、能源系统和储能系统间的协同等[8]。典型综合能源系统提供商如Brookfield Utilities UK集团：从事设计、安装分布式能源系统并运行、维护；设计、安装、运行、维护能源网络，包括供冷、供热、供电、供气、供水、废水、光纤；负责综合能源系统投资、用户接入；负责该系统与上下游外部系统衔接[9]。

2.2 德国

德国关注的重点是能源系统与信息、通信系统的融合。最具有代表性的是电子能源(E-Energy)项目，于2008年在6个地区开始为期4年的试点。这个计划致力于以先进的调控技术在众多分布式能源系统与用户负荷间寻找平衡，通过智能化的生产、输配、销售、消费、储能来节能降耗、降低用能成本。该项目之后德国又推出了IRENE，Peer Energy Cloud，ZESMIT和Future Energy Grid等项目[8]。其中Peer Energy Cloud专注于开发基于云技术的本地电力交易平台，以此建立点对点(P2P)虚拟交易市场，实现电力生产和消费的平衡。E-Energy的子项目Smart Watts通过建立网络将电力生产、输配、损耗信息传输给用户，实现全面的信息共享[9]。德国通过这些信息系统减少能源交易的环节、提高透明度、促进供需双方地位平等，从而提高效率、降低用能费用。我国正在推进的电力交易市场化改革也有异曲同工之妙。

2.3 美国

2001年，美国能源部提出了综合能源系统IES(integrated energy system)发展计划，致力于提高清洁能源占比并提高能源系统的经济性和可靠性。其中分布式能源(DER)系统、冷热电三联供(CCHP)技术受到重点推进。2007年，美国颁布了能源独立和安全法(EISA)，要求供能、用能环节必须开展综合资源规划IRP(integrated resource planning)。奥巴马政府将智能电网列为国家战略，致力于在电网的基础上建立能效高、投资省、可靠、灵活的综合能源系统[5]。截至2008年，美国已建成3 374个分布式能源项目，总装机容量85.20 GW，占总装机容量的8.6%。2030年预计将提高至20%，约240.00 GW[8]。例如美国OPower公司在智慧用能领域，通过开发专业软件分析能源消费数据，分析用户的冷、热、电消耗，一方面为用户量身定制节能策略以降低用能成本，另一方面为供能公司提供用户消费行为分析以改善营销策略[8]。

2.4 日本

日本是一个岛国，能源对外依存度很高，具有较大的能源替代需求，因此成为最早开始研究综合能源系统的国家之一。分布式综合供能的起点是1981年投运的东京国立竞技场#1热电机组，截至2010年，分布式总装机容量达94.40 GW[10]。日本政府于2009年9月公布了2020，2030，2050年温室气体的减排目标，为了实现这一目标，日本政府在全国建立基于可再生能源的综合能源系统，优化能源结构提升用能效率。日本主要的能源研究机构均进行了相关研究并提出解决方案[8]。例如日本智能社区联盟 JSCA(Japan Smart Community Alliance)致力于研究、建立智能社区，在社区包含冷、热、电、气及可再生能源的综合能源系统的基础上，集成交通、水、信息技术及医疗系统。Tokyo Gas公司则在传统热、电、气系统之外新建氢能系统及相关存储、转换、利用的模块构成综合能源系统。

3 国内研究现状

我国自20世纪末开始在国内推行分布式能源技术，但截至目前仍有很多项目因用气成本、分布式能源站并网、气源等问题处于停运、半停运状态，且项目主要分布在发达地区[10]。随着新一轮电力体制改革的推进[3]，国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》提出坚持发展非化石能源与化石能源高效清洁利用并举，逐步降低煤炭消费比重，提高天然气消费比重，大幅增加风电、太阳能、地热能等可再生能源和核电消费比重[4]，国内综合能源服务开始走上快车道并涌现了一批领军企业及其各具特色的技术路线。

例如，新奥燃气立足于燃气这一主业，将业务拓展到冷热电三联供(CCHP)；协鑫集团专注于光伏、热电联产，在此基础上致力于燃气利用、智慧能源技术的开发；这两者均属于区域“能源互联网”，并且已经在多个产业园区实际运行。此外还有远景能源、华电福新、南方电网和广东电网综合能源服务公司等均形成了各自的技术路线。

除了传统能源企业外，互联网企业也纷纷布局综合能源领域。例如阿里集团，凭借其大数据、云计算技术优势，制定综合能源服务的解决方案，其优势在于：(1)迅速构建数字化光伏电站；(2)新能源电场规划、投资收益预测；(3)快速构建电动车分时租赁系统；(4)建成电动车联网；(5)基于大数据的精准能效管理；(6)构建轻量级运营数据大屏[8]。

此外，华为公司借助其通信、信息领域的先进技术，针对综合能源服务业务发展所面临的基础数据缺失、平台缺失、运维成本高、设备管理难、系统封闭、接入场景复杂、现场部署难等普遍问题，以具有智能边缘计算的智慧用能物联网技术为突破点，实现设备软件定义、业务灵活扩展、数据开放共享、云边智能协同。同时，结合大数据、人工智能(AI)等组件，采用微服务架构，为综合能源服务构建一个智能、开放、高效的数字化平台[11]。

4 存在的问题

目前国内已经实际运营的综合能源系统仍停留在较低的技术水平，以电为主的供能模式仍未改变，应用最多的模式是天然气冷热电三联供[12-14]，此类项目不利因素较多，包括：(1)受燃气价格影响较大，气源紧张时不能保证系统连续、高效运行。(2)由于我国的电力体制制约，分布式综合能源系统并网难度较大，还有待电力体制改革的进一步推进。(3)商业模式创新不足，除个别示范项目运营效果较好外，多数项目仍处于规划、建设阶段。此外大多数项目规模较小，多为企业内部或只覆盖较小区域的示范项目，商业模式尚不成熟，不具备大规模商业化条件[15-16]。

5 发展建议

相关市场主体需要尽快通过示范项目发展出成熟的商业模式，解决项目生存问题。可以关注以下几个方向[17-18]：(1)布局新建重点工业园区。工业园区能源需求量大且稳定；各种企业聚集，需要的能源品位高低不同，便于能源梯级利用。其次，新建园区增量电负荷报批与电网协调难度较小。(2)布局可再生能源丰富地区的集中负荷。综合能源系统的作用之一就是消纳波动性较强的可再生资源，借助国家对可再生能源并网的优惠政策，保证项目盈利相对容易。(3)关注新型城镇，尤其是北方清洁能源供暖区域新型城镇建设。《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》要求：建设低碳智能城镇。制定城镇综合能源规划，鼓励有条件的地区发展冷热电三联供，发展风能、太阳能、生物质能、地热能供暖[4]。我国目前城镇化水平还较低，新型城镇建设技术起点高、配套设施完善，相关企业可以凭借政策支持和示范项目进行技术积累、探索出适合小城镇的商业模式。(4)重视技术集成。能源技术经过几十年的发展已经十分成熟，综合能源系统的最大亮点是对信息技术的集成，节能降耗、能源优化配置是建立在精准的数据采集、数据挖掘、数据传输、数据计算的基础上的，没有深度融合的信息技术一切都是空谈。