光储直柔实现碳中和的应用

孙伟

天津生态城绿色建筑研究院有限公司 天津 300467

引言

2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会上发表了重要讲话，提出我国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这为我国应对气候变化、推动绿色发展提供了方向指引、描画了宏伟蓝图，得到国际社会高度赞誉和广泛响应。

建筑是能源电力消费的主体之一，实现“两个一百年”奋斗目标、全面建成社会主义强国，我国经济将保持稳定增长，预计“十四五”“十五五”期间，GDP年均增速5%以上，到2035年GDP较2020年翻一番。能源是经济社会发展的重要基础和动力，预计到2030年，我国一次能源需求，将增长至60亿吨标准煤，年均增速2%，人均能源需求从2019年的3.4吨标准煤提升至4.1吨标准煤。

2019年，全社会碳排放约105亿吨，其中能源活动碳排放约98亿吨，占全社会碳排放比重约87%。从能源品种看，燃煤发电和供热排放占能源活动碳排放比重44%，煤炭终端燃烧排放占比35%，石油、天然气占比分别为15%、6%。从能源活动领域来看，能源审查与转换、工业、交通运输、建筑领域碳排放占能源活动碳排放比重分别为47%、36%、9%、8%，其中工业领域钢铁、建材和化工三大高耗能产业占比分别达到17%、8%、6%。

图1 我国能源相关二氧化碳排放领域构成

为实现碳达峰、碳中和目标要充分发挥好创新作为第一动力的作用。能源绿色低碳发展要突破储能、智能电网等关键技术，支撑构建清洁低碳安全高效的能源体系。要发展原料、燃料替代和工艺革新技术，推动钢铁、水泥、化工、冶金等高碳产业生产流程零碳再造。在低碳发展成为全球共识的背景下，建筑领域电气化也成为未来发展趋势，我国积极推动低碳事业发展，承诺二氧化碳力争于2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，有研究表面，建筑领域高度电气化是能源系统地图发展的前提，为实现巴黎协定的2度目标乃至更严格的1.5度和碳中和目标，建筑领域需要达到2个“90%”的目标，即建筑用能量中电的比重90%和建筑用电量中非化石的比重90%[1]。

1 光储直柔与传统光伏的区别

目前日常生活中用的电都是交流电，而光伏等可再生能源发出来的电为直流电，常见的光伏建筑都会安装逆变器，以便将直流电转变为交流电，供日常使用，转换过程中，就会造成电量的损失。所以与常规光伏建筑相比，光伏直流建筑具备电能利用率高（提高6～8%）、节能优势明显、设备投资少，投资回收期短（省去逆变、变压等设备，节省设备初投资约10%）等优势。而且建筑上应用直流配电，可获得显著改善系统性能，安全性显著提高，电源品质提高等优势。

传统光伏发电在生活中已经并不新鲜。但是这种清洁电能在应用时，却存在一个“瑕疵”：光伏发电产生直流电，在输送进入居民小区时却需要变成交流电，而要供打印机、冰箱、电视、空调等电器使用时，需要再将交流电变成直流电。其中的转换过程，消耗了不少能量。因此，如何不经转换直接应用光伏发电产生的直流电，减少损耗，成为实现碳达峰、碳中和目标下不少企业争相探索的新技术路径。

光储直柔是实现电力零碳化的重要途径，实现碳中和，必须用能电气化，真正实现电力零碳化。光储直柔的“光”，是分布式太阳能光伏。“储”就是分布式蓄能，广义上说有很多种方式，包括电化学储能、储热、抽水蓄能，等等。这里重点是指电化学储能，尤其是利用电动车本身的电池，以及利用建筑围护结构热惰性和生活热水的蓄能等。我国电动车每年的产销量已达百万辆，五菱宏光电动车少的有十度电，新势力和比亚迪等电动车有70甚至100度电。未来电动车实现双向充放电，不仅能满足电动车的交通工具属性，也能够成为电力在末端的调节手段。充分利用建筑围护结构热惰性和生活热水也是蓄能调节的有效手段。比如，夏天我们的办公楼早一点开启空调，或者用电高峰时在满足舒适度的条件下适当减少空调开启台数，或者在夜间利用谷电（未来主要是风电）把家里的生活热水加热等等，这些看似微不足道的行为对于电力的负荷迁移发挥着举足轻重的作用。

广泛的应用低压直流配电系统。随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高，直流供配电是一种更合理的形式。供给侧为分布式光伏、储能电池等普遍输出直流电。用电设备中传统照明灯具正逐渐被LED替代，各种空调、冰箱、洗衣机、水泵等电机设备也更多考虑变频的需求，此外还有各式各样电脑、手机的数字设备，这些都是直流负载。直流供配电技术对于提高建筑能源系统效率、提升用户安全性和使用便捷性、实现能源系统的智能控制、实现供电可靠性的解耦，以及与电力系统的交互具有重要的作用。国际上，开展直流建筑研究的重要因素之一还包括“确保人人获得可负担、可靠和可持续的现代能源”。在东南亚、非洲等很多“一带一路”国家的偏远地区至今还没有电力，与光伏和储能设备结合，低压直流是解决无电区的利器，将极大改善能源匮乏地区数以百万居民的居住条件和生活质量。

“柔”，就是柔性。一方面是电器设备根据直流母线电压的波动动态调整输出功率，也就是说当电器设备感知到外界电力供应处于高峰或紧张时，在满足舒适条件的同时，设备自动降低功率运行；另一方面是通过光伏、储能以及负荷三者的动态匹配，实现与电网的友好共处。传统建筑能源供应主要是解决电力供应和建筑用能二者之间的关系，柔性要解决的是市电供应、分布式光伏、储能以及建筑用能四者的协同关系。光储直柔技术无论在城市还是农村，都能够很好解决当下电力负荷峰值突出问题以及未来与高比例可再生能源发电形态相匹配的问题，建筑与电网是很好的合作伙伴关系。与传统直流相比，柔性直流的优势主要体现在孤岛供电、多端互联、无功功率控制等方面。如在孤岛供电中，常规直流输电是点对点单向输电，不能向没有电源点的电网送电，就像没有港口大船难以靠岸，不能有效解决孤岛供电问题。采用柔直输电技术，意味着在没有港口的岛屿之间开行了登陆艇，可实现电能灵活双向调配，直接向无电源电网供电，分布在分散海岛上的风电电能，也能及时联网送出。在有功和无功控制方面，如果将有功功率和无功功率比作淋浴房中的热水管和冷水管，柔性直流输电技术就相当于水管中的水泵，可灵活调解冷水和热水的流向、水量、比例等，可以对有功和无功功率进行独立控制[2]。

2 光储直柔的潜在效益

发展光储直柔建筑的潜在效益，通过光储直柔方式，积极消纳风电光电，就可以出手可再生电力消纳责任，从市场获得经济回报。

促进光伏的消纳，柔性负荷可以容忍外网配给功率的波动，使得外网可以吸纳更高比例的波动性电源（风、光）从而提高外网对风电、光伏的消纳能力，并且通过建筑物内配置的储能，极大地提高了光伏的消纳水平。大量的带有蓄电池的电子产品，可智能选择充电时间和功率，建筑物的照明系统可以在需要降低用电功率时停止部分的照明等等。

促进电力系统向碳中和情景下的新型电力系统转变，电源、微网、负荷侧的储能逐步成为电力系统的基本配置，从有限电源向泛在电源的转变，对电网而言，如果实现双向送点，则每个建筑、建筑群都可能变成一个可以与电网双向互动的电源，从集中单一交流电网向集中电网与分布式微网，交、直流并存的电网转变，提高系统的韧性，实现从刚性负荷向柔性负荷的转变，电力系统的可靠性也从主要依靠电源侧、电网侧向电源侧、电网侧、负荷侧、储能侧、用户侧的协同可靠性转变，在电网侧的可靠性投资可能大幅下降，实现市场化电价。建筑储能技术目前还处于初期发展阶段，真正将储能配置在建筑内部的项目还比较少，从电动汽车和电网储能借鉴来的电池设计和管理技术也需要与建筑场景的特殊需求相结合[3]。

促进交通和农业生产的电气化，形成了一个巨大的蓄电能力和潜在电网调节能力，无处不在的建筑光伏免费充电可解决电动汽车充电难的问题，提高EV的市场受度，农用车辆和机具可以在农户家里实现“免费”充电，加速农业生产的电气化，接入的光伏直柔建筑物的EV快速增长后，进一步增强光储直柔建筑的柔性和调节能力。

促进新兴产业、新业态的发展，光伏直柔促进新技术和产品，引起建筑电器产品的新一轮的升级换代和革命，向着电器直流化、智能化发展，如配电系统、储能、直流电器等电力、电子技术和器件的研发与生产，规划、设计、生产、安装、维护、管理等服务市场，促进就业。

消减夏季空调负荷峰值，空调是导致夏季负荷峰值的主要原因之一，如果能够充分挖掘空调的灵活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄电等储能设施；另一方面结合建筑的用能需求和负荷特性化优化空调的运行调度策略，则有可能大幅度降低夏季空调的负荷峰值。

提高用电安全性，缓解电网增容压力。巧妙的柔性方式可以等效于一定容量的蓄电电池，从而使使用者在获得同样柔性的条件下，减少蓄电池的投资，从而产生效益。

光储直柔技术并非全新技术，但是在建筑领域的集成应用却是全新的探索，目前诸多技术尚不成熟、产品尚不完善，要想实现工程应用及大范围的推广，未来还需要更进一步的研究与探索，在实践中积累经验，充分发挥清洁能源，造福于明，早日实现碳中和目标。