光儲直柔實現碳中和的應用

孫偉

天津生態城綠色建筑研究院有限公司 天津 300467

引言

2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會上發表了重要講話，提出我國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，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。這為我國應對氣候變化、推動綠色發展提供了方向指引、描畫了宏偉藍圖，得到國際社會高度贊譽和廣泛響應。

建筑是能源電力消費的主體之一，實現“兩個一百年”奮斗目標、全面建成社會主義強國，我國經濟將保持穩定增長，預計“十四五”“十五五”期間，GDP年均增速5%以上，到2035年GDP較2020年翻一番。能源是經濟社會發展的重要基礎和動力，預計到2030年，我國一次能源需求，將增長至60億噸標準煤，年均增速2%，人均能源需求從2019年的3.4噸標準煤提升至4.1噸標準煤。

2019年，全社會碳排放約105億噸，其中能源活動碳排放約98億噸，占全社會碳排放比重約87%。從能源品種看，燃煤發電和供熱排放占能源活動碳排放比重44%，煤炭終端燃燒排放占比35%，石油、天然氣占比分別為15%、6%。從能源活動領域來看，能源審查與轉換、工業、交通運輸、建筑領域碳排放占能源活動碳排放比重分別為47%、36%、9%、8%，其中工業領域鋼鐵、建材和化工三大高耗能產業占比分別達到17%、8%、6%。

圖1 我國能源相關二氧化碳排放領域構成

為實現碳達峰、碳中和目標要充分發揮好創新作為第一動力的作用。能源綠色低碳發展要突破儲能、智能電網等關鍵技術，支撐構建清潔低碳安全高效的能源體系。要發展原料、燃料替代和工藝革新技術，推動鋼鐵、水泥、化工、冶金等高碳產業生產流程零碳再造。在低碳發展成為全球共識的背景下，建筑領域電氣化也成為未來發展趨勢，我國積極推動低碳事業發展，承諾二氧化碳力爭于2030年達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，有研究表面，建筑領域高度電氣化是能源系統地圖發展的前提，為實現巴黎協定的2度目標乃至更嚴格的1.5度和碳中和目標，建筑領域需要達到2個“90%”的目標，即建筑用能量中電的比重90%和建筑用電量中非化石的比重90%[1]。

1 光儲直柔與傳統光伏的區別

目前日常生活中用的電都是交流電，而光伏等可再生能源發出來的電為直流電，常見的光伏建筑都會安裝逆變器，以便將直流電轉變為交流電，供日常使用，轉換過程中，就會造成電量的損失。所以與常規光伏建筑相比，光伏直流建筑具備電能利用率高（提高6～8%）、節能優勢明顯、設備投資少，投資回收期短（省去逆變、變壓等設備，節省設備初投資約10%）等優勢。而且建筑上應用直流配電，可獲得顯著改善系統性能，安全性顯著提高，電源品質提高等優勢。

傳統光伏發電在生活中已經并不新鮮。但是這種清潔電能在應用時，卻存在一個“瑕疵”：光伏發電產生直流電，在輸送進入居民小區時卻需要變成交流電，而要供打印機、冰箱、電視、空調等電器使用時，需要再將交流電變成直流電。其中的轉換過程，消耗了不少能量。因此，如何不經轉換直接應用光伏發電產生的直流電，減少損耗，成為實現碳達峰、碳中和目標下不少企業爭相探索的新技術路徑。

光儲直柔是實現電力零碳化的重要途徑，實現碳中和，必須用能電氣化，真正實現電力零碳化。光儲直柔的“光”，是分布式太陽能光伏。“儲”就是分布式蓄能，廣義上說有很多種方式，包括電化學儲能、儲熱、抽水蓄能，等等。這里重點是指電化學儲能，尤其是利用電動車本身的電池，以及利用建筑圍護結構熱惰性和生活熱水的蓄能等。我國電動車每年的產銷量已達百萬輛，五菱宏光電動車少的有十度電，新勢力和比亞迪等電動車有70甚至100度電。未來電動車實現雙向充放電，不僅能滿足電動車的交通工具屬性，也能夠成為電力在末端的調節手段。充分利用建筑圍護結構熱惰性和生活熱水也是蓄能調節的有效手段。比如，夏天我們的辦公樓早一點開啟空調，或者用電高峰時在滿足舒適度的條件下適當減少空調開啟臺數，或者在夜間利用谷電（未來主要是風電）把家里的生活熱水加熱等等，這些看似微不足道的行為對于電力的負荷遷移發揮著舉足輕重的作用。

廣泛的應用低壓直流配電系統。隨著建筑中電源和負載的直流化程度越來越高，直流供配電是一種更合理的形式。供給側為分布式光伏、儲能電池等普遍輸出直流電。用電設備中傳統照明燈具正逐漸被LED替代，各種空調、冰箱、洗衣機、水泵等電機設備也更多考慮變頻的需求，此外還有各式各樣電腦、手機的數字設備，這些都是直流負載。直流供配電技術對于提高建筑能源系統效率、提升用戶安全性和使用便捷性、實現能源系統的智能控制、實現供電可靠性的解耦，以及與電力系統的交互具有重要的作用。國際上，開展直流建筑研究的重要因素之一還包括“確保人人獲得可負擔、可靠和可持續的現代能源”。在東南亞、非洲等很多“一帶一路”國家的偏遠地區至今還沒有電力，與光伏和儲能設備結合，低壓直流是解決無電區的利器，將極大改善能源匱乏地區數以百萬居民的居住條件和生活質量。

“柔”，就是柔性。一方面是電器設備根據直流母線電壓的波動動態調整輸出功率，也就是說當電器設備感知到外界電力供應處于高峰或緊張時，在滿足舒適條件的同時，設備自動降低功率運行；另一方面是通過光伏、儲能以及負荷三者的動態匹配，實現與電網的友好共處。傳統建筑能源供應主要是解決電力供應和建筑用能二者之間的關系，柔性要解決的是市電供應、分布式光伏、儲能以及建筑用能四者的協同關系。光儲直柔技術無論在城市還是農村，都能夠很好解決當下電力負荷峰值突出問題以及未來與高比例可再生能源發電形態相匹配的問題，建筑與電網是很好的合作伙伴關系。與傳統直流相比，柔性直流的優勢主要體現在孤島供電、多端互聯、無功功率控制等方面。如在孤島供電中，常規直流輸電是點對點單向輸電，不能向沒有電源點的電網送電，就像沒有港口大船難以靠岸，不能有效解決孤島供電問題。采用柔直輸電技術，意味著在沒有港口的島嶼之間開行了登陸艇，可實現電能靈活雙向調配，直接向無電源電網供電，分布在分散海島上的風電電能，也能及時聯網送出。在有功和無功控制方面，如果將有功功率和無功功率比作淋浴房中的熱水管和冷水管，柔性直流輸電技術就相當于水管中的水泵，可靈活調解冷水和熱水的流向、水量、比例等，可以對有功和無功功率進行獨立控制[2]。

2 光儲直柔的潛在效益

發展光儲直柔建筑的潛在效益，通過光儲直柔方式，積極消納風電光電，就可以出手可再生電力消納責任，從市場獲得經濟回報。

促進光伏的消納，柔性負荷可以容忍外網配給功率的波動，使得外網可以吸納更高比例的波動性電源（風、光）從而提高外網對風電、光伏的消納能力，并且通過建筑物內配置的儲能，極大地提高了光伏的消納水平。大量的帶有蓄電池的電子產品，可智能選擇充電時間和功率，建筑物的照明系統可以在需要降低用電功率時停止部分的照明等等。

促進電力系統向碳中和情景下的新型電力系統轉變，電源、微網、負荷側的儲能逐步成為電力系統的基本配置，從有限電源向泛在電源的轉變，對電網而言，如果實現雙向送點，則每個建筑、建筑群都可能變成一個可以與電網雙向互動的電源，從集中單一交流電網向集中電網與分布式微網，交、直流并存的電網轉變，提高系統的韌性，實現從剛性負荷向柔性負荷的轉變，電力系統的可靠性也從主要依靠電源側、電網側向電源側、電網側、負荷側、儲能側、用戶側的協同可靠性轉變，在電網側的可靠性投資可能大幅下降，實現市場化電價。建筑儲能技術目前還處于初期發展階段，真正將儲能配置在建筑內部的項目還比較少，從電動汽車和電網儲能借鑒來的電池設計和管理技術也需要與建筑場景的特殊需求相結合[3]。

促進交通和農業生產的電氣化，形成了一個巨大的蓄電能力和潛在電網調節能力，無處不在的建筑光伏免費充電可解決電動汽車充電難的問題，提高EV的市場受度，農用車輛和機具可以在農戶家里實現“免費”充電，加速農業生產的電氣化，接入的光伏直柔建筑物的EV快速增長后，進一步增強光儲直柔建筑的柔性和調節能力。

促進新興產業、新業態的發展，光伏直柔促進新技術和產品，引起建筑電器產品的新一輪的升級換代和革命，向著電器直流化、智能化發展，如配電系統、儲能、直流電器等電力、電子技術和器件的研發與生產，規劃、設計、生產、安裝、維護、管理等服務市場，促進就業。

消減夏季空調負荷峰值，空調是導致夏季負荷峰值的主要原因之一，如果能夠充分挖掘空調的靈活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄電等儲能設施；另一方面結合建筑的用能需求和負荷特性化優化空調的運行調度策略，則有可能大幅度降低夏季空調的負荷峰值。

提高用電安全性，緩解電網增容壓力。巧妙的柔性方式可以等效于一定容量的蓄電電池，從而使使用者在獲得同樣柔性的條件下，減少蓄電池的投資，從而產生效益。

光儲直柔技術并非全新技術，但是在建筑領域的集成應用卻是全新的探索，目前諸多技術尚不成熟、產品尚不完善，要想實現工程應用及大范圍的推廣，未來還需要更進一步的研究與探索，在實踐中積累經驗，充分發揮清潔能源，造福于明，早日實現碳中和目標。