燃氣分布式能源各階段技術發展分析

石海洋, 別 舒, 倪 龍, 雷 鑫, 杜可心, 楊 蕭

(1.中國中元國際工程有限公司,北京 100089;2.哈爾濱工業大學,黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

燃氣分布式能源的技術路線基礎是天然氣分布式能源,隨著可再生能源利用技術的不斷提升以及碳達峰、碳中和目標的提出,低碳能源成為我國能源發展的必由之路。熱泵供能、可再生能源發電、化石能源的高效利用是碳減排的重要措施。

截至2020年,國內燃氣分布式能源項目達到632個,均為天然氣分布式能源項目。燃氣分布式能源項目裝機容量為22.74 GW,預計到2030年,裝機容量達到58.43 GW,到2060年裝機容量達到59.9 GW。2011年,國家發展和改革委員會、國家能源局等聯合下發了《關于發展天然氣分布式能源指導意見》,使天然氣分布式能源得到了快速發展,在供熱和發電領域的作用更加明顯。倪龍等人[1]通過分析熱泵在中低溫熱能生產中的減碳效益,提出了熱泵供熱的碳減排優勢。秦鋒等人[2]基于碳中和背景下氫燃料燃氣輪機技術現狀及發展前景,指明了氫氣發電的技術方向。本文重點分析燃氣分布式能源的3個發展階段,結合實際案例對天然氣分布式能源、熱泵、氫氣分布式能源技術的應用進行了分析。

2 燃氣分布式能源

燃氣分布式能源是對一個或者多個用戶供電、供冷、供熱或供蒸汽的聯供系統,不包括調峰設備,燃氣分布式能源流程見圖1[3]。與傳統的大型熱電聯產系統和區域供熱、區域供冷系統相比,燃氣分布式能源供能規模較小,技術應用方式多元化,適用于醫院、商業綜合體及工業園區等。

圖1 燃氣分布式能源流程

燃氣分布式能源以天然氣、氫氣、沼氣及工業余氣為燃料,通過燃氣輪機、燃氣內燃機發電機組等發電設備進行發電,發電效率為30%～50%,發電設備產生的余熱可用于供冷、供熱,其效率可達30%～50%[4],可實現能源的梯級利用,年綜合利用效率在70%以上,并在負荷中心就近實現能源供應。

沼氣分布式能源主要利用餐廚、污水處理廠、垃圾填埋場等場所產生的沼氣進行發電,通過燃氣內燃機發電機組發電,余熱以熱水或工業蒸汽的形式就近利用。工業余氣分布式能源是利用化工廠或鋼廠產生的甲烷、丙烷、丁烷、氫氣、一氧化碳等可燃氣體,通過燃氣輪機進行發電,余熱以工業蒸汽形式就近利用。上述兩種分布式能源應用案例較少,因此不進行詳細論述。

本文重點論述天然氣分布式能源和氫氣分布式能源。燃氣分布式能源分為區域型燃氣分布式能源和樓宇型燃氣分布式能源兩種類型,其中區域型燃氣分布式能源以燃氣輪機發電機組+余熱鍋爐為主要技術路線,燃氣輪機發電機組產生的電能由市政電網消納,排放的高溫煙氣進入余熱鍋爐,余熱鍋爐吸收熱量產生蒸汽或熱水,蒸汽可以通過汽輪機發電機組實現聯合循環發電或直接供工業用戶使用[5]。樓宇型燃氣分布式能源以燃氣內燃機發電機組+煙氣熱水型溴化鋰冷(溫)水機組為主要技術路線,產生的電能與市政電網并網但不上網,排放的煙氣和缸套水進入煙氣熱水型溴化鋰冷(溫)水機組,從而產生冷水、熱水供用戶使用。

3 燃氣分布式能源發展的3個階段

我國幅員遼闊,各地的經濟發展水平和資源稟賦不同,燃氣分布式能源在各地的發展水平和規模也不盡相同,因此燃氣分布式能源各個階段的技術將長期共存。各階段在時間上存在重疊現象。

① 2010-2040年:傳統燃氣分布式能源階段

天然氣分布式能源在2010年以后得到了政府、能源企業和用戶的廣泛關注,以天然氣分布式能源為主的分布式能源項目陸續投入使用,2010-2040年天然氣分布式能源在化石能源領域起到重要作用。

② 2020-2050年:低碳燃氣分布式能源階段

當前,我國處于低碳燃氣分布式能源快速發展階段,將建成更多的低碳燃氣分布式能源項目,將為低碳燃氣分布式能源項目的成本合理性和系統安全性提供一定的借鑒。在此期間,我國將陸續開始氫氣供應技術、氫氣發電技術的研究,為廣泛利用氫氣創造條件。

③ 2030-2060年:零碳燃氣分布式能源階段

我國將在2030年迎來零碳燃氣分布式能源快速發展階段,兩個標志性的事件是氫氣分布式能源的廣泛應用和完善的電力交易政策。2030-2060年氫氣將在經濟性和安全性等方面具備大規模利用的條件,同時將出臺能夠支持零碳燃氣分布式能源運行和交易的政策。

預計到2040年底,在我國能源需求較集中的發達地區,零碳燃氣分布式能源將是新增燃氣分布式能源的主要形式。

4 傳統燃氣分布式能源階段

傳統燃氣分布式能源的技術路線以天然氣分布式能源為主,運行時優先使用天然氣分布式能源,在不能滿足需求的情況下,利用市政電網、天然氣鍋爐或電制冷設備進行調峰。

北京清河醫院燃氣分布式能源是傳統燃氣分布式能源的一個案例,北京清河醫院燃氣分布式能源站夏季供冷流程見圖2。主要設備有2臺發電量834 kW天然氣內燃機發電機組、2臺制冷量1.454 MW、制熱量1.150 MW煙氣熱水型溴化鋰機組和3臺制冷量1.257 MW電制冷機組。夏季通過天然氣內燃機發電機組發電,采用并網不上網的形式向用戶供電,余熱通過煙氣熱水型溴化鋰機組供冷,并與電制冷機組連接,當天然氣內燃機發電機組停機檢修時,市政電網供電、電制冷機組供冷,保證正常運行。

圖2 北京清河醫院燃氣分布式能源站夏季供冷流程

北京清河醫院燃氣分布式能源站冬季供熱流程見圖3。主要設備有2臺發電量834 kW天然氣內燃機發電機組、2臺制冷量1.454 MW、制熱量1.150 MW煙氣熱水型溴化鋰機組,2臺熱功率2.910 MW燃氣鍋爐。冬季通過天然氣內燃機發電機組發電,采用并網不上網形式向用戶供電,余熱通過煙氣熱水型溴化鋰機組供熱,并與燃氣鍋爐連接,當天然氣內燃機發電機組停機檢修時,市政電網供電、燃氣鍋爐供熱。

圖3 北京清河醫院燃氣分布式能源站冬季供熱流程

傳統燃氣分布式能源的經濟性受天然氣價格和機組發電時間的影響很大,未來分布式能源發展必須考慮不斷引入新的技術。

5 低碳燃氣分布式能源階段

低碳燃氣分布式能源將化石能源、可再生能源等多種能源組合利用。熱泵是實現低碳燃氣分布式能源的重要技術手段,在未來相當長的時間內,熱泵供熱在碳減排方面將發揮主導作用。

5.1 低碳燃氣分布式能源的問題

① 可再生能源發電比例偏低。低碳燃氣分布式能源多應用在經濟發達且供電、供冷、供熱需求相對穩定的地區,這些地區一般不具備風力發電和大面積光伏發電的條件,光伏分布式能源裝機容量偏小。

② 樓宇型燃氣分布式能源裝機容量減小或者項目延期。近年來天然氣價格持續高位、樓宇型燃氣分布式能源運行和維護成本高、電力并網困難等導致樓宇型燃氣分布式能源裝機容量變小。

③ 區域型燃氣分布式能源結合可再生能源的能力受限。在燃氣分布式能源中,光伏分布式能源站發電能力比一般燃氣分布式能源站的發電能力低,導致可再生能源所能發揮的作用受限。

在低碳燃氣分布式能源構建中,熱泵表現出的可靠性和經濟性被政府和用戶接受[6],冬季熱泵的供熱比例升高,更多的低碳燃氣分布式能源項目和綜合能源項目希望提高熱泵供熱的比例,以達到碳減排和經濟性的平衡。

5.2 低碳燃氣分布式能源案例

北京城市副中心6#能源站夏季供冷流程見圖4,主要設備有2臺發電量851 kW的天然氣內燃機發電機組、2臺制冷量897 kW煙氣熱水型溴化鋰機組、6臺制冷量1.443 MW地埋管地源熱泵機組(簡稱地埋管熱泵機組)和1座2×104m3蓄能水池。夏季時天然氣分布式能源、地埋管熱泵機組、蓄能水池供冷,2臺制冷量6.68 MW的電制冷機組進行調峰。天然氣分布式能源采用并網不上網的方式向用戶供電,不足部分由市政電網提供。夜間用電低谷期,地埋管熱泵機組制取冷水并蓄能供白天使用。

圖4 北京城市副中心6#能源站夏季供冷流程

北京城市副中心6#能源站冬季供熱流程見圖5,主要設備有2臺發電量851 kW的燃氣內燃機發電機組、2臺制熱量897 kW煙氣熱水型溴化鋰機組、6臺制熱量1.443 MW地埋管熱泵機組、2臺熱功率4.2 MW燃氣鍋爐和1座2×104m3蓄能水池。冬季采用天然氣分布式能源、地埋管熱泵機組、蓄能水池供熱,燃氣鍋爐進行供熱調峰。天然氣分布式能源采用并網不上網的方式向用戶供電,不足部分由市政電網提供。夜間用電低谷期,地埋管熱泵機組制取熱水并利用蓄能水池儲存,供白天使用。

圖5 北京城市副中心6#能源站冬季供熱流程

6 零碳燃氣分布式能源階段

零碳燃氣分布式能源可以通過2條路徑實現,路徑1是購買碳排放權,計算項目產生的碳排放量,通過碳交易支付相關費用獲得碳排放資格,通過專業機構認證,可明確項目零碳排放。路徑2是通過能源技術的應用來實現,本文僅討論路徑2。

零碳燃氣分布式能源通過氫氣分布式能源、熱泵供能、可再生能源發電、電力交易等技術路線解決供熱、供冷、供電等需求。氫氣分布式能源通過微電網交易把自用電以外的余電與市政電網進行交易,抵消夜間低谷電和氫氣分布式能源站檢修時所消耗的市電對應的碳排放量,由于氫氣燃燒不產生二氧化碳,最終碳排放量為零或為負值。因此,氫氣分布式能源的碳減排作用是實現零碳燃氣分布式能源的關鍵。

零碳燃氣分布式能源站流程見圖6。分布式光伏發電電力接入微電網,氫氣分布式能源電力接入微電網。微電網與市政電網進行電力交換,微電網發電能力不足時由市政電網供應,微電網發電能力富余時向市政電網供電。冬季,氫氣分布式能源與熱泵作為主要熱源,氫氣鍋爐作為調峰設備;夏季,氫氣分布式能源與熱泵作為主要冷源。冬季和夏季,微電網向用戶供電。

圖6 零碳燃氣分布式能源站流程

零碳燃氣分布式能源是在低碳燃氣分布式能源的基礎上,引入氫氣進行發電、供熱、供冷,實現碳排放量為零或為負值。實現零碳燃氣分布式能源主要依靠以下3個方面的進步。

① 氫能的發展

國家發展改革委、國家能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》,到2025年,基本掌握核心技術和制造工藝,每年可再生能源制氫量達到10×104～20×104t。到2030年,形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系,有力支撐碳達峰目標實現。到2035年,形成氫能多元應用生態,可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升[7]。氫氣供電、供冷、供熱的成本將接近天然氣分布式能源,這為實現零碳供能提供了基礎保障。預計到2060年,氫氣需求量增至1.303×108t,其中發電用氫氣為600×104t[8]。

② 燃氣輪機和內燃機發電技術更新

目前國內外相繼展開氫氣分布式能源的試驗工作,氫氣分布式能源的應用需經歷兩個階段,第1階段是氫氣與天然氣摻混形成混合氣用于燃燒發電,逐步提高摻氫比例;第2階段是實現氫氣和天然氣的互換。目前國內的氫氣分布式能源發展處于第1階段,國內現有的天然氣內燃機摻氫比例(混合氣中氫氣的體積分數)能夠達到30%,燃氣輪機摻氫比例能夠達到40%,根據燃氣發電機組制造商的技術更新速度,到2025年,燃氣輪機能夠實現純氫運行,通過設備改造后燃氣內燃機也可實現純氫運行。

摻氫比例過高會對在役天然氣管道造成腐蝕,目前摻氫比例不超過20%[9],供氣管道和燃燒設備的適用性不能忽視。

③ 電力交易政策逐步完善

預計到2030年,電力交易政策將得到完善,微電網能夠與市政電網進行電力交易和電費結算。在滿足微電網自身電負荷前提下,微電網可向市政電網供電[10],結合電網峰谷平電價,實現理想的經濟回報。

7 結束語

燃氣分布式能源是實現碳達峰、碳中和的重要方式之一。我國分布式能源經歷3個階段:第1階段2010-2040年,傳統燃氣分布式能源階段,以天然氣分布式能源為主。第2階段2020-2050年,低碳燃氣分布式能源階段,以可再生能源和天然氣分布式能源為主。第3階段2030-2060年,零碳燃氣分布式能源階段,以氫氣分布式能源和可再生能源為主。中國區域發展不平衡,燃氣分布式能源各階段技術形式將長期共存。