我国分布式能源发展现状及展望

尹昌洁,权 楠,苏 凯,郑漳华,张天慈

(全球能源互联网集团有限公司,北京市 西城区 100031)

0 引言

面对气候变化的严峻挑战,我国提出了“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的目标愿景[1],并作为我国“十四五”污染防治攻坚战的重要目标,首次被写入经济和社会发展五年规划[2],此举将进一步推动国家绿色低碳发展。在能源领域,实现“碳达峰、碳中和”,除了碳捕集利用与封存技术等加强碳吸收外,还可通过清洁发电、节能减排、氢能利用、可再生能源电能替代等方式降低碳排放[3]。

为加快实施可再生能源替代,我国政府在2020年12月气候雄心峰会上宣布,到2030年,风电、太阳能发电总装机容量将达到12×108kW 以上[4]。中央财经委员会第9次会议提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”[5],构建清洁低碳安全高效能源体系,为我国开展电力系统清洁低碳转型和升级指明了方向。作为清洁发电的有效利用形式之一,分布式能源在保护环境、节约能源、减少排放等方面极具优势,是未来新型电力系统的重要组成部分。

在此背景下,有关学者开展了分布式能源发展现状分析和展望研究。文献[6]介绍了我国能源转型现状,展望了分布式能源的技术发展前景,但未对能源转型趋势进行分析,未对现阶段分布式能源发展情况进行总结。文献[7]在“双碳”背景下分析了分布式能源发展现状与前景,但没有给出足够的数据支撑。此外,天然气价格上涨、分布式光伏项目中央财政补贴取消、整县(市、区)屋顶分布式光伏开发、纠正运动式“减排”等新形势新变化,也给分布式能源发展带来新的问题和挑战,有必要重新梳理现阶段分布式能源发展情况。本文深入分析我国当前能源结构现状和分布式能源发展现状,指出主要问题和挑战,并结合国家相关政策提出发展建议,对促进分布式能源发展具有一定指导意义。

1 我国能源结构现状

1.1 能源消费增速先降后升

根据国家统计局数据[8],2011—2020 年,我国能源消费总量一直呈现增长趋势,如图1所示,图中能源消费量折算为标准煤当量。能源消费年增长速度先降后升,其中2015年增速最低,之后逐渐加快。2020年,由于新冠肺炎疫情影响,年增速降低;近10年年平均增速为2.84%。我国能源消费总量的增长随着石油、天然气、一次电力及其他能源消费的增长而增长,煤炭年消费总量近年来一直维持在28亿t标准煤当量左右。

图1 2011—2020年我国能源消费增长情况Fig.1 Growth of China's energy consumption from 2011 to 2020

1.2 能源消费结构进一步优化

近10年来,我国持续推动能源结构优化调整、优先发展非化石能源、加快清洁能源发展。如图2所示,煤炭消费量在能源消费总量中的比重逐年降低,但仍然占据主导地位;石油消费量近10年占比变化不大;天然气消费占比稳中有升;水能、核能、风能、太阳能等一次电力及其他能源消费占比加快提升,2020年较2011年占比翻倍,达到15.9%。

图2 2011—2020年我国能源消费结构Fig.2 China's energy consumption structure from 2011 to 2020

1.3 煤炭消费占比仍然过高

我国能源结构已开展了一定程度优化调整,煤炭消费量占比逐年降低,但“一煤独大”能源结构特征仍然突出。2020年煤炭消费占比56.8%,远高于美国、英国、法国等发达国家,也高于世界平均煤炭消费占比27.2%,和印度相当,如图3[9]所示。高比例煤炭使用,造成了我国严重的环境污染和温室气体排放,占总排放的比重达到80%。

图3 2020年全球八大国家能源消费结构Fig.3 Energy consumption structure of eight countries in the world in 2020

1.4 清洁能源快速发展

我国清洁能源快速发展,开发规模不断扩大、发展布局持续优化、利用水平不断提高。根据我国电力企业联合会统计数据[10],气电、生物质发电、核电、风电、太阳能发电装机占比逐年提高,如图4所示。其中,风电和太阳能发电装机占比增长迅猛,分别由2011年的4.4%和0.2%增长至2020年的12.8%和11.5%,增幅分别达到3倍和57倍。煤电和水电装机容量占比逐年降低,分别由2011年的67.1%和22.0%降低至2020年的49.1%和16.8%。

图4 2011—2020年我国电源装机结构Fig.4 Structure of China's installed power capacity from 2011 to 2020

尽管清洁能源装机占比逐年提高、清洁能源发电量逐年增多,但是风电、太阳能发电在发电量结构中的比重仍然较低,可再生能源发电仍显不足。如图5所示,煤电发电量占比逐年降低,由2011年的78.3%降低至2020年的60.7%;水电发电量占比稳中有降,近10年发电量占比维持在18%左右;气电、生物质发电和核电在总发电量中的占比缓慢提升;风电和太阳能发电的发电量占比获得了大幅度增长,分别由2011 年的1.6%和0.02%增长至2020年的6.1%和3.4%,但相对于在电源结构中的装机占比,发电能力和利用水平仍显不足。作为清洁能源高效利用的重要形式之一,分布式能源具有灵活就地消纳、综合能源利用等优势[11],已成为能源电力领域的研究和应用热点。

图5 2011—2020年我国发电量结构Fig.5 Structure of China's power generation from 2011 to 2020

2 我国分布式能源发展现状

分布式能源起源于欧美国家,但工业界和学术界对分布式能源的概念界定尚不统一。文献[12]对各国主流概念进行了分析,得出定义:“分布式能源是一种建于用户当地或附近的发电系统,产生电能及其他形式能量,并优先满足当地用户需求”;国家发展改革委员第1702号文[13]对分布式能源的定义是“利用小型设备向用户提供能源供应的新的能源利用方式”;国家能源局2018年发布的《分布式发电管理办法》[14]给出的分布式能源定义是“接入配电网运行,发电量就近消纳的中小型发电设施,以及有电力输出的能源综合利用系统”。从以上定义可以得出,分布式能源主要包含5层含义:

(1) 以发电为最主要目标的能源综合利用系统;

(2) 接近负荷,就地消纳,优先满足当地用能需求;

(3) 以可再生能源(太阳能、风能等)和清洁化石燃料(天然气、煤层气等)为能量来源;

(4) 实现电力智能化就地供需平衡,满足用户多能需求;

(5) 实现能源梯级利用多联供,以达到更高能源综合效率。

分布式能源可分为冷热电联产、可再生能源、储能和燃料电池四大类[15-16]。相比欧美国家,我国分布式能源发展起步较晚,但近年来发展迅速[17],主要以分布式光伏、天然气分布式、分散式风电为主。

2.1 分布式光伏

分布式光伏发电特指在用户场地或附近建设,运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网,且单点并网总容量小于0.6×104kW、具有配电系统平衡调节的光伏发电设施。通过整理国家能源局发布的光伏并网运行数据,2015—2020年我国集中式光伏装机容量和分布式光伏装机容量逐年增长,如图6所示。分布式光伏发电装机容量在全国光伏总装机容量中的占比逐年提升,近3年维持在30%左右,是我国发展运行最为成熟的分布式能源。

图6 2015—2020年我国光伏装机容量增长情况Fig.6 Growth of China's photovoltaic installed capacity from 2015 to 2020

2021年1—6 月,全国光伏新增装机1 301×104kW,其中集中式光伏536×104kW、分布式光伏765×104kW,分布式光伏新增装机首次超过集中式光伏。截至2021年6月,分布式光伏发电装机容量总计8 705.4×104kW,装机容量超过100×104kW的省份有15个,其中山东、浙江、河北、江苏四省合计装机容量占比过半,如图7所示。在分布式光伏并网方面:35 kV 光伏电站约占分布式光伏总装机容量的31%;10 kV(0.6×104kW 以上)光伏电站约占分布式光伏总装机容量的6.8%;10 kV(0.6×104kW 以下)光伏电站约占分布式光伏总装机容量的19%;380/220 V 户用光伏约占分布式光伏总装机容量的43.2%。

图7 我国分布式光伏装机容量分布情况Fig.7 Distribution of installed capacity of distributed photovoltaic in China

2021年6月,国家能源局下发《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》。对于申报开展整县(市、区)推进屋顶分布式光伏开发试点的县(市、区),要求县(市、区)党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%;学校、医院、村委会等公共建筑屋顶不低于40%;工商业厂房屋顶不低于30%;农村居民屋顶不低于20%。2021年9月,国家能源局公布整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点名单,676个县(市、区)列入其中(截至2019年底,我国县(市、区)级行政区划单位2 846 个),并要求2023 年底前,试点县(市、区)各类屋顶安装光伏发电的比例均达到试点方案的要求。如表1所示,试点数量位列前三的省份分别为山东、河南、江苏。在我国国家政策层面,将进一步推动分布式光伏开发和建设。

表1 屋顶安装光伏发电试点县(市、区)各省数量Table 1 Numbers of counties (cities,districts)with rooftop photovoltaic power generation trials

2.2 天然气分布式

国家发展改革委员会、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局四部委联合发文的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》(2011)中明确天然气分布式能源是指:利用天然气为燃料,通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用,综合能源利用效率在70%以上,并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式,是天然气高效利用的重要方式。天然气分布式能源是110 kV以下配电网并网、就近消纳、通过梯级利用实现高综合能源利用效率的天然气冷热电联产系统[18]。根据不同燃机系统,可分为燃气内燃机和燃气轮机天然气分布式能源系统;根据供能终端用户范围,可分为酒店、医院、数据中心等楼宇式场景和工业园区、城市新区等区域式场景[19]。

根据《天然气发展“十三五”规划》,到2020年天然气发电装机规模达到1.1×108kW 以上,占发电总装机比例超过5%,但2020年天然气发电装机规模为0.98×108kW,占比为4.5%。根据天然气分布式能源发展目标,到2020年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机规模达到0.5×108kW,但我国天然气分布式能源发展缓慢,与规划目标存在较大差距[20-21]。据中国能源研究会分布式能源专委会的不完全统计[22],2020 年6 月至2021年7月,天然气分布式能源项目新投产6个,已开工项目5个,新核准项目5个,共计16个,总装机容量约133×104kW,主要集中在长三角、珠三角和川渝地区。

2.3 分散式风电

分散式风电特指采用风力发电机作为分布式电源,将风能转换为电能的分布式发电系统,是单点并网总容量小于5×104kW 的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效可靠的发电模式。2011年,国家能源局发布的《关于分散式接入风电开发的通知》标志着分散式风电的起步,该文件首次定义了分散式发电,明确了我国分散式风电开发的主要思路与边界条件。相较于分布式光伏和天然气分布式,分散式风电起步较晚,发展速度较慢。

根据《我国风电产业地图2019》数据,2014—2019年我国集中式风电装机容量和分散式风电装机容量逐年增长,如图8所示。尽管分散式风电装机容量持续增长,在全国风电总装机容量中的占比逐年提升,但因装机量基数很小,比重未能超过0.5%,远远低于分布式光伏在光伏总装机容量中的比重。2019年,我国分散式风电新增装机容量30×104kW,同比增长114.8%,累计装机容量达93.5×104kW,同比增长47.8%。安装分散式风电的省份仅有16个,主要分布在河南、新疆、内蒙古和山西,如图9所示。

图8 2014—2019年我国风电装机容量增长情况Fig 8 Growth of wind power installed capacity in China from 2015 to 2019

图9 2019年我国分散式风电装机容量分布情况Fig.9 Distribution of distributed wind power capacity in China in 2019

3 我国分布式能源发展展望

3.1 存在问题

总体而言,我国分布式光伏发展迅速,但天然气分布式、分散式风电发展低于预期。通过分析我国分布式能源发展现状,得出以下几方面问题:

(1) 发展有待协同。大多数分布式光伏、天然气分布式、分散式风电为单体独立项目,未能形成多能互补,未能有效提高能源利用率;单独的分布式光伏和分散式风电受制于风、光的间歇性和随机性特征,未能提供稳定的持续的电能输出。

(2) 成本有待降低。光伏发电技术不断革新,光伏产品成本持续降低,我国光伏将全面进入平价时代[23],但易受产业链上游原材料价格影响,光伏发电仍有成本下降空间[24-25]。在天然气分布式能源项目中,天然气费用占运营成本的70%～80%[26],项目盈亏极易受气价影响,依赖于财政补贴和电价优惠政策,但目前仅有北京、上海、长沙等少数城市对天然气分布式能源项目进行补贴[27]。相比集中式风电,分散式风电的运营管理成本更高,项目靠近居民区,土地占用成本较高。

(3) 消纳有待提升。分布式能源靠近用户,联网直接接入用户或接入配电网消纳,电网企业无法赚取电费差价或只能赚取少量输配电费,对电网企业收入影响较大,电网企业主动消纳意愿不足,电能消纳存在困难。另外,接入配电网的分布式光伏及分散式风电的随机波动性特点,将影响配网电能质量,对电网的安全稳定运行带来一定影响,给电网企业带来额外运营成本。

(4) 技术有待创新。分布式光伏整体装机容量较低,需要进一步推动光电转换效率更高的光伏技术进步和产业升级。我国燃气轮机和燃气内燃机缺乏核心技术,在整机、备品备件和维修服务上长期依赖进口,增加了天然气分布式能源的成本,限制了发展。分散式风电机组需要具备更好的发电性能以适应低风速特性,靠近居民区的风机系统需要更高的安全性和可靠性。

(5) 政策有待完善。为推动光伏产业发展,国家给予分布式光伏补贴政策,随着产业的逐步成熟,补贴逐步降低,2021年工商业分布式光伏取消补贴,户用分布式光伏降至0.03 元/(kW·h),并明确2022年起新建户用分布式光伏项目不再受中央财政补贴。虽然有整县推动分布式光伏政策利好,但尚需研究全面参与电力市场的电价政策。分散式风电项目的审批程序较为繁琐,安装两三台风机的审批程序和集中式风电开发审批程序基本相同。

3.2 发展建议

随着整县(市、区)屋顶分布式光伏开发、分散式风电下乡等有关政策的提出,作为大机组、大电网的有益补充,分布式能源将快速发展。针对分布式能源发展过程中存在的问题和挑战,本文提出以下几点建议:

(1) 加大政策支持力度。坚持可再生能源集中式与分布式开发并举、电力外送消纳与就地消纳并举,及时出台分布式能源规划政策,明确项目开发指导思路和项目审批机制,缩短项目审批时间。

(2) 做好项目立项科学论证。做好分布式能源项目可行性研究及其并网上网工程可研,统筹规划开发容量,实现分布式能源建设和电网接入有效结合,保证分布式能源与用户负荷高度匹配。

(3) 加强技术创新力度。分布式能源发展的根本是技术创新,加大光伏技术研究力度,提高光电转换效率,降低光伏电池成本;加快燃气轮机和燃气内燃机及其核心设备国产化进程以及示范应用和推广;开发分散式风资源评估技术,有效评估风资源,研发更安全、更高效的小型化分散式风机系统。

(4) 推动分布式能源参与电力市场交易。积极探索分布式能源进入电力市场,建立分布式能源市场化交易平台,形成公开透明的价格信息,激发各方参与分布式能源交易活力。

(5) 鼓励电网企业积极参与。鼓励电网企业积极配合分布式能源发展,落实并网与电量政策,加强配电网消纳技术和管理体系建设,创建双向电费计量信息管理系统,允许电网企业按照相关规定与政府许可,收取一定配电费和管理费。

3.3 发展展望

作为推动能源低碳清洁发展、实现能源转型升级的重要途径,分布式能源在构建我国清洁、可持续发展的能源体系中具有巨大潜力,在未来电源中的占比将大幅增加。分布式光伏和分散式风电等清洁能源将成为分布式能源的主要类型。

分布式能源也将从单一能源系统向多能综合互补系统转变。构建“风、光、储、荷”互补微电网系统或构建“风、光、气、荷”多能互补综合能源系统将是分布式能源高效利用的发展方向,可实现电能平稳输出,最大程度减少对配电网的影响,最大程度增加用户的冷热电用能需求。

4 结论

作为清洁能源的有效利用形式,我国分布式能源近年来高速发展,在装机数量、装机规模方面位居世界前列,但原材料价格上涨、财政补贴取消、整县(市、区)屋顶分布式光伏开发等新形势、新变化也给分布式能源发展带来技术、成本、政策和消纳等多方面挑战。为应对这些挑战,本文提出了加大支持力度、做好科学论证、加强技术创新、推动市场交易、鼓励电网参与五方面建议,对促进分布式能源发展具有一定的指导意义。未来,我国分布式能源尤其是分布式清洁能源的装机容量将大幅增加,多能融合、高度集成的多能互补系统将是分布式能源高效利用的发展方向。