能源轉型背景下分布式能源技術發展前景

李立新，周宇昊,2，鄭文廣,2

能源轉型背景下分布式能源技術發展前景

李立新1，周宇昊1,2，鄭文廣1,2

（1．華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2．浙江省蓄能及建筑節能重點實驗室，浙江省 杭州市 310030）

隨著世界經濟高質量發展，能源格局將發生重大改變，能源供需將向低碳化、市場化和數字化方向轉型。我國明確提出2030年實現碳排放峰值，2060年實現碳排放中和的目標。我國電力行業經過快速發展，大規模、集中式的能源系統大量建設，截至2019年底，我國發電總裝機容量20.1億kW，居世界首位。但我國能源領域存在能源結構不合理、資源環境的約束趨緊、能源利用效率低、靈活性調峰電源不足等難題，高效清潔利用能源是能源發展變革的必然結果。系統分析了歐洲能源系統現狀，歐洲能源轉型的路徑及轉型過程中分布式能源系統的作用；結合我國能源結構現狀，分析了我國未來能源轉型的關鍵路徑及分布式能源系統在能源轉型中的作用，分布式能源系統的發展現狀，以及國內外研究機構在多能互補、高效梯級利用領域的研究現狀；結合國家長三角、珠三角、京津冀和沿長江經濟帶、海南自貿區等國家戰略實施，介紹了以分布式能源為主的區域能源系統發展前景。

分布式能源；能源轉型；區域能源系統

0 引言

隨著世界經濟發展，能源格局將發生重大改變，能源將向低碳化、市場化和數字化方向轉型。頁巖氣革命、液化天然氣的增長，將重構天然氣運輸和貿易格局；我國可再生能源發展將迅速增長，預計到2040年，可再生能源占一次能源的消費比例將從今天的4%增長到約15%；能源消費領域的電氣化程度會進一步提高；隨著大數據、5G、區塊鏈等智能化、信息化技術迅速發展，與能源生產、消費領域的深度融合，將帶來革命性的變化[1-2]。分布式能源技術對未來能源轉型、實現2030年“碳峰值”和2060“碳中和”具有重要的作用[3]。本文通過系統總結歐洲能源轉型現狀及分布式能源發展、我國能源轉型現狀及分布式能源技術展望，分析了未來我國能源轉型以及分布式能源技術在未來能源轉型中的作用，對分布式能源技術發展具有一定的借鑒意義。

1 歐洲能源轉型現狀及分布式能源發展形勢

歐盟計劃2030年較2018年減排50%~55%，2050年實現溫室氣體凈零排放，而且實現經濟增長與能源需求增長脫鉤目標。現在冰島、瑞典、挪威、芬蘭、丹麥可再生能源比重分別為85%、55%、46%、40%、32.7%。在歐洲，區域多能供應系統、光伏、儲能、氫能(熱、冷、電、氫)、熱泵(空氣、水、地源)、生物質鍋爐替代燃油供暖、分散式風電等分布式能源在歐洲能源轉型中發揮重要的作用[4]。

1）德國。截至2019年底，德國總裝機容量為206GW，其中可再生能源裝機占比57%，發電量占比40%；化石能源裝機占比43%，發電量占比60%。德國能源轉型中，已經完成第一階段的推廣可再生能源為主的電力系統，正在開展第二階段解決可再生能源并網、能源效率問題、低碳供熱(冷)問題及交通領域能耗的低碳化、電氣化等問題。隨著可再生能源裝機容量的增長，德國能源的供應和需求也發生新的變化，德國北部地區風能資源好，南部地區是負荷中心，同時太陽能源資源較好，需要將北部綠色電力輸送到南部[5]。德國能源轉型過程中需要解決的關鍵技術包括：燃煤電廠高靈活可靠性，作為調峰的補充電源；智能電網及不同網架結構關鍵技術；儲能領域的關鍵技術與不同類型發電技術耦合；數字化智能化及能源互聯網技術(E-Energy)；城鎮區域綜合能源技術(區域綜合供能、可再生能源供熱、電動汽車等)[6-15]。

德國典型案例：歐瑞府零碳園區從過去的煤氣廠轉變為零碳工業園區，走在能源科技的最前沿。能源系統由煤氣廠設備、CHP系統、光伏、儲電、充電設施、氫儲能、智慧電力、無線充電等組成，構成典型的工業園區零碳示范園區。化工行業漢森和羅森塔爾公司將生產工藝流程改造，生產綠色二氧化碳、綠色氫。綠色氫來自光伏、儲電系統的電解水制氫，綠色二氧化碳是通過化工工藝流程的煙道氣捕集，然后將綠色氫和綠色二氧化碳合成制造甲烷燃料，探索清潔能源高效利用的新方式。汽車集團寶馬、奧迪等汽車集團開展可再生能源電轉氣制氫等技術，應用于氫燃料電池開發、開展氫燃料電池汽車的研究示范[16]。

2）瑞典。瑞典的可再生能源占比在歐盟排第一，達到了55%~56%，而瑞典曾非常依賴石油，但在70年代石油危機后，經歷了水電擴容，核電大發展，生物質能源持續增長，近十年風電、分布式、光伏快速發展。目前，電和熱領域已經基本不再使用煤炭和石油。瑞典的分布式能源如：零能耗建筑、船上光伏、直流充電樁、余熱利用(地源、水源、空氣源及其他工業余熱)、生物質離網供熱、光伏幕墻、停車場屋頂光伏利用、光伏與太陽能集熱綜合利用系統、光伏加氫站、氫能社區等分散式資源高效利用，對于瑞典能源轉型具有重要的意義[12]。

3）芬蘭。芬蘭能源轉型進程中持續不斷增加生物質能、分布式區域供能系統、廢棄物資源化利用比例。基于北歐電力市場實現熱電協同的智慧能源系統，供熱集團還積極向所在城市大型超市、數據中心和污水處理廠等收購廢熱進行高效的供熱利用[12]。

2 我國能源轉型現狀及分布式能源作用

我國能源領域工作在“四個革命、一個合作”的指導下開展工作，重點圍繞2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布：“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和目標。

截至2019年底，我國發電總裝機容量20.1億kW，居世界首位；其中煤電10.4億kW，常規水電3.3億kW，氣電9024萬kW，抽水蓄能 3029萬kW，核電4874萬kW，風電2.1億kW，太陽能發電2.0億kW，生物質能2254萬kW，其他3654萬kW。清潔能源裝機8.4億kW，占比41.9%。全社會用電量7.3萬億kW×h，其中水電、風電、太陽能等清潔能源發電2.4億kW×h，占總發電量的32.6%。

隨著經濟發展和人民生活水平的提高，用電需求持續攀升，預計到2025年，我國社會用電量達到10億kW×h，最大負荷17.6億kW，2020—2025年全社會用電量年均增速約為3.1%。結合國家能源、電力領域的“十四五”發展規劃，未來清潔能源發電將成為主力，預計到2025年，我國發電裝機總容量將達到29億~30億kW，清潔能源發電裝機超過57%，風電和光伏等清潔能源裝機總量接近17億kW；發電量約10億kW×h。清潔能源發電量4.5億kW×h，占比提高到45%。

通過對我國能源領域面臨問題深入分析，主要存在能源結構不合理、資源環境的約束趨緊、能源利用效率低等。高效清潔利用能源是能源發展變革的必然結果。新時代能源系統面臨的主要挑戰如下。

1）電源側：隨著清潔能源裝機的快速增長，系統靈活調節電源嚴重不足。

2）電網側：如何規劃建設柔性的、適應清潔能源消納的靈活傳輸的電網。

3）負荷側：以電動汽車、數據中心等為代表的新用戶接入，滿足多元用戶需求，實現與用戶的友好互動等[8-9]。

在清潔能源消納中存在的主要問題：1）清潔能源發電區域過于集中。我國清潔能源裝機集中度高，主要分布在“三北”地區，“三北”地區的風電、光伏發電裝機占并入國網風電、光伏的比例為86%、71%，合計發電量占比82%。2）清潔能源發電日波動大。風電和光伏電站，每天出力變化曲線波動非常大，接入大量的可再生能源，如何保證電網穩定、高效運行。3）系統的靈活調節性差[10]。與歐美發達國家比，主要系統靈活調節電源不足，如西班牙主要為抽水蓄能和燃機，占比34%，德國靈活電源占比17%，美國靈活電源占比接近50%，我國家靈活電源占比6.8%。4）靈活高效燃氣發電機組增加，燃氣資源的存儲量等問題。5）抽水蓄能電站，受限于前期規劃、地源選址等，不能大量、快速建設[11]。

未來我國能源發展，一是未來清潔能源集中式和分布式開發并舉。集中式和分布式發電都是清潔能源開發利用的重要方式，統籌考慮資源稟賦、開發條件、技術經濟等因素，分布式開發堅持“自發自用，余電上網”原則，就地取能、分散靈活、靠近用戶，作為能源供應的重要補充。二是新型儲能技術的應用。探索綠色低碳、經濟高效的新型儲能和能源轉化技術，與多種能源互補系統耦合集成。充分開發抽水蓄能、電池儲能、壓縮空氣儲能、儲氫等技術，縮小峰谷差，提高可再生能源的消納，提高系統安全運行水平。研究探索以氫燃料電池為主要動力的區域綜合供能系統示范應用。高效儲熱/冷技術的開發以及相變儲能技術研究示范，努力突破300kW×h/m3的儲能密度。三是綜合能源服務多元化發展，以滿足用戶多元化、個性化能源需求為中心，提高系統的能源利用效率，降低用能成本，提高新能源的利用率[16]。將構建終端一體化多能互補能源供應體系，在新城鎮、產業園區、大型公共設施區域，根據客戶用能需求，以智能電網為基礎，建設分布式光伏、分布式生物質、冷熱電三聯供，基于電能的冷熱電供應系統，滿足用戶對于電、熱、冷、氣等多種能源需求[15]。

因此，未來能源轉型關鍵路徑：一是打造廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代能源系統。支撐大比例可再生能源的接入，多元消納，實現清潔能源在生產和消費中占主導[17-18]。二是采用數字化、智能化技術實現對多種能源的協調控制和可再生能源高效消納，滿足用戶側的多元化需求。三是供應端通過微網與用戶的互動能力增強。隨著多元負荷的快速增長，分布式電源、電動汽車、儲能等與電網的靈活互動，構建以電為核心，冷熱氣互補的綜合能源系統，提高能源利用效率，形成多種能源互聯互通、開放共享、供需互動的新一代能源系統[19-20]。

3 分布式能源技術展望

分布式能源系統經過多年發展，現正處于第三代分布式能源系統階段。重點綜合考慮資源、能源、環境的協調。其主要技術特征是高效清潔、多能互補、智能調控等。隨著國家長三角、珠三角、京津冀和沿長江經濟帶、海南自貿區等區域戰略的實施，以分布式能源為主的區域能源系統具有廣闊的發展前景。

區域能源系統，指根據某一區域內的能源結構和資源稟賦，優化配置傳統化石能源與各種可再生能源，結合余熱利用、熱泵、儲能(熱、電、冷、氫)等先進技術，橫向實現多能源種類的耦合互補，縱向充分利用高、低品位能源，通過能源的梯級利用，為城鎮區域終端用戶提供高品質、低成本的冷、熱、電等產品的能源綜合解決方案[19]。

區域能源系統的兩大發展方向：一是區域多種能源(風、光、水、火、儲)耦合互補。充分發揮城鎮所在區域能源資源稟賦，開展多種能源形式協同耦合運行，提升風電、光伏等可再生能源的消納能力，破解行業壁壘，實現電力、供熱、制冷、供氣的協同供應[20]。二是源網荷儲終端一體化集成。終端一體化側重于圍繞工業園區、商業園區等負荷需求開展，通過優化整合本地的電源側、電網側、負荷側的資源要素，以儲能等先進的技術和體制機制創新為支撐，創新電力生產消費新模式，實現源-網-荷-儲的深度融合[20]。

未來城市群可持續發展的目標如下。1）全面降低碳排放：促進城市集約化發展，逐步實現低碳發展。2）合理優化能源結構：倡導“源頭-輸配-應用”全過程優化，大力發展可再生能源，推進城市廢棄物的能源化利用[21]。3）降低產業和建筑能耗：建構低碳化、高附加值的新型產業體系，推廣綠色建筑[22]。4)引導綠色交通出行：實現綠色出行占全方式出行比例85%以上。多能互補是分布式供能的發展趨勢，太陽能、生物質、地熱、風能等一般以電、熱的形式與燃氣分布式系統形成互補，但在燃料燃燒化學能釋放做功能力損失大、可再生能源波動大、轉換效率低、滲透率低、成本高等問題上需要突破核心關鍵技 術[23-30]。

在動力余熱利用方面，目前400~500℃的動力余熱驅動100℃左右的吸收式制冷機組或直接供熱水，存在余熱利用溫度斷層，缺少品位匹配的關鍵技術[31]。近年來，國內外學者提出了強化品位匹配的功冷并供技術，但還處于理論研究階段。天然氣分布式供能系統動力排煙一般利用到110℃左右即向環境排放，降低煙氣排放溫度的及熱回收和利用技術在系統節能方面有較大潛 力[27-28]。

儲能(電、熱、冷、氫)系統與分布式能源系統耦合方面，目前國內外針對天然氣分布式能源系統與儲能系統耦合深度梯級利用技術中，重點結合太陽能熱發電技術研究，開展基于不同融熔巖材料相變儲熱、分級相變儲熱技術[24]、冰蓄冷技術、蓄熱(冷)水箱蓄能技術等，實現蓄能技術與分布式能源系統耦合。正在開展基于用戶端需求側的儲電技術、電解水制氫/儲氫技術、氫燃料電池等與區域能源系統耦合，在經濟合理的應用場景進行研究和示范應用[26]。

在多能互補優化運行控制方面，國際上已有類似“虛擬電廠”形式，已經實現了分布式供能的無人值守、遠程操控以及智能化[31-32]。而我國大部分燃氣分布式供能系統尚處于類似小型電站的有人值守模式，且隨著用戶端熱、冷、電負荷波動，變工況運行效率大幅下降，迫切需要研發多種能源協調的智能優化控制平臺[27]。

因此通過多能互補的燃料源頭節能是分布式供能系統性能提升的最大潛力，清潔燃料與太陽能、地熱、生物質能等互補高效利用技術是實現燃料源頭節能的突破口[28]；與動力排煙溫度相匹配的功冷并供和低品位余熱回收技術是進一步挖掘系統節能潛力的有效途徑，同時亟需發展多能協調、實時優化的“源-網-荷-儲”能量管理與智能調控技術[29]。

通過分布式能源領域的關鍵核心技術創新，掌握以分布式能源為主區域能源系統規劃設計、工程建設、生產運營領域的核心技術，在國家重點城市區域推廣應用，全面降低碳排放，促進城市集約化發展，逐步實現低碳發展。進一步降低產業和建筑能耗，構建低碳化、高附加值的新型供能體系。

上海迪士尼園區投資建設典型的分布式能源系統：5′4.4MW內燃機發電機組+溴化鋰余熱機+燃氣鍋爐調峰+電制冷系統調峰+分布式光伏+蓄冷蓄熱系統，向迪士尼園區提供“冷、熱、電、生活熱水、壓縮空氣”，多能互補，提供豐富靈活的多元化的能源產品服務，為地區電網提供靈活、可靠的電源支撐，綜合能源利用率達85.9%以上。

在分布式能源系統“一廠多站、遠程集控、少人值守”方面，上海閔行分布式能源站正在建設遠程集控中心，實現對閔行、迪士尼、中博會、上科大4個能源站進行集中控制；廣東順德能源站建設遠程集控中心，實現佛山、順德、龍江3個能源站的遠程集中控制，可以充分發揮分布式能源系統集約化管控的優勢，降低能源站的人工成本和運維成本，提高系統的經濟性，在分布式能源技術領域，具有廣闊的推廣應用前景。

圍繞未來城市群可持續發展目標，以分布式能源為主的區域能源系統的應用，在未來城市能源轉型升級中具有廣闊的發展空間。

4 結論

1）歐洲為實現溫室氣體凈零排放，以光伏/光熱、生物質資源、氫能、儲電、儲熱罐和熱泵(空氣、水、地源)、分散式風電等根據資源稟賦及應用場景進行耦合和匹配的區域綜合能源系統，在歐洲能源轉型中發揮重要的作用，也是歐洲未來能源領域重要的發展方向之一。

2）我國未來能源轉型關鍵路徑是打造廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代能源系統。通過數字化、智能化技術實現對多種能源的協調控制和可再生能源高效消納，滿足用戶側的多元化需求。隨著多元負荷的快速增長，分布式電源、電動汽車、數據中心儲能等與電網的靈活互動，構建以電為核心，冷熱氣(汽)互補的綜合能源系統，提高能源利用效率，實現多種能源互聯互通、開放共享、供需互動的新一代能源系統。

3）分布式能源系統重點圍繞多能互補、動力余熱高效梯級利用、儲能(熱、冷、電、氫)與分布式能源系統耦合、智能化數字化與分布式能源耦合、分布式能源系統“遠程集控、少人值守”等關鍵核心技術攻關研究，滿足我國能源轉型，構建新一代能源系統。結合國家重點發展戰略和城市群的發展目標，以分布式能源為主的區域能源系統的應用，在未來城市能源轉型升級中具有廣闊的發展空間。

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Development Prospect of Distributed Energy Technology Under the Background of Energy Transformation

LI Lixin1, ZHOU Yuhao1,2, ZHENG Wenguang1,2

(1. Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China; 2. Key Laboratory of Energy Storage and Building Energy-saving Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

With economic development, the world's energy structure will undergo major changes, and energy will be transformed to low-carbon, market-oriented and digitalized direction. China clearly proposes to achieve the goal of peaking carbon emissions by 2030 and achieving carbon neutrality by 2060. After the rapid development of electric power industry in China, a large number of large-scale, centralized energy system are constructed. By the end of 2019, total installed capacity of power generation was 2.01 billion kW in China, ranking the first of the world. However, there are many problems in energy field in China, such as unreasonable energy structure, tight constraints of resources and environment, low energy utilization efficiency, and insufficient flexible peak-regulating power supply. Therefore, efficient and clean energy utilization is the inevitable result of energy development and reform. This paper systematically analyzed the current situation of Energy system in Europe, the path of energy transformation in Europe and the role of distributed energy system in the process of energy transformation. It also analyzed the current situation of energy structure and faced situation in China, the role of distributed energy system in the energy transition, and the key path of China's future energy transition. At the same time, it further analyzed the development status of distributed energy system and the research status of domestic and foreign research institutions in the field of multi-energy complementary and efficient cascaded utilization. Finally, based on the implementation of regional strategies such as the Yangtze River Delta, Pearl River Delta, Tianjin-Beijing-Hebei Region, economic belt along Yangtze River and Hainan Free Trade Zone, this paper analyzed the development prospects of regional energy systems centered on distributed energy system.

distributed energy system;energy structure transition;regional energy system

10.12096/j.2096-4528.pgt.20116

TK01

國家重點研發計劃項目(2018YFB0905101)。

Project Supported by National Key Research and Development Project of China (2018YFB0905101).

2020-11-20。

(責任編輯 車德競)