PDF《Research Note》

Research Note 2017.

9.5 (Y-Research RN17-204) 作者:于洋 杨驿P/第一财经研究院研究员 [email protected] www.cbnri.org

1 研究简报 能源与科技 分布式能源:技术创新指引 奇点 来临 认识到当前国际国内不可阻挡的能源转型时代背景以及分布式能源在未来能源体系中 扮演的越来越重要的角色, 第一财经研究院重磅推出 《能源转型大时代中的分布式能源》 研究简报专题.本文为

第二篇,从 分布式能源的技术创新 分析和呈现分布式能源发 展的最新趋势和动向.希望以此抛砖引玉,力促行业同仁为中国能源转型和分布式能源 发展贡献真知灼见. 近年来,得益于电力技术、信息技术、 控制技术和储能技术的快速发展, 全球分布 式能源项目呈现 井喷式 的发展.可再生 能源发电和小型燃气轮机技术的成熟使得 平准化能源成本(LCOE)快速下降,分布 式能源项目的经济性从过去的发展障碍一 跃成为了驱动力;

储能技术为分布式能源带 来了更大的灵活性,可再生能源利用可以不 受制于其间歇性的特征, 多余的电力和热力 也可以得到储存;

信息和通信技术在电网中 的应用极大地提高了对能源实时数据访问 的能力, 物联网作为通信基础设施的发展推 动分布式能源系统从单纯的机械设备向智 能化、数字化演进.在技术创新的引领下, 分布式能源系统相比于传统集中式 发电― 输电―用电 模式的诸多优势得到了强化: 更高的综合能源利用效率、更少的污染物和 温室气体排放、强化的系统稳定性和供能安 全,以及更低的用能成本.分布式能源技术 所倚赖的电力、通信、储能技术全面进入成 熟阶段, 已经非常临近打破传统能源技术成 本壁垒的平衡点.时至今日,我们即将迎来 分布式能源发展的 技术奇点 .

01 分布式供能技术 Research Note

2 分布式供能技术是分布式能源系统的 核心,其中包括各种发电技术及热电联产技 术等.例如,分布式光伏发电系统的基本模 块是进行光电转换的光伏阵列,分布式天然 气热电联产(CHP)系统的核心是燃气轮机 或者内燃机 (也可以使用其他燃料或者技术, 比如生物质能和燃料电池) .技术创新使得 光伏组件和天然气燃气轮机等分布式供能 设备能够适应各种用能需求, 同时成本也大 幅下降, 为分布式能源的普及创造了客观条 件. 天然气分布式能源技术以燃气轮机或 燃气内燃机等设备为核心,在发电的同时, 利用燃机产生的余热为用户供热和制冷.采 用能源梯级利用的模式,天然气冷、热、电 三联供(CCHP)机组的综合能源利用效率 远高于独立的发电和供热系统,如西门子 SGT-300 型燃气轮机机组其冷热电三联供项 目的燃料利用效率通常可达到 80%以上, 同 时用能成本可降低约 40%.另一方面,更高 的效率也意味着更少的排放. 相比于传统的 燃煤发电和燃煤锅炉, 天然气分布式能源在 氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放上具有先 天优势, 燃气发电的二氧化碳排放量也仅为 燃煤发电的一半.此外,燃气轮机独具的燃 料灵活性也使其非常适用于分布式能源领 域.近期,中电(成都)综合能源有限公司 位于四川省成都高新科技产业开发区西部 园区的分布式能源站项目就采用了此种设 备.由于四川有得天独厚的天然气资源,该 公司计划利用两台西门子 SGT-800 型燃气 轮机燃料灵活性的特点, 进一步降低能源成 本. 西门子 SGT-800 工业型燃气轮机 世界范围内,发达国家在燃气轮机、燃 气内燃机等核心动力设备的设计、 试验和制 造上仍占据主导地位, 同时在关键零部件的 制造过程中不断引入新技术.其中,3D 打印(又称 增材制造 )已经成为燃机制造 企业的下一个技术突破口.利用 3D 打印技 术, 西门子等企业完成了叶片等零部件的试 制和满负荷试验,并有望将 3D 打印应用于 其余燃机部件的设计和批量生产中.3D 打 印技术可以大幅缩短设备的研发周期, 改善 零部件的性能,提高设备的运行效率,充分 发挥技术创新的潜能. 分布式光伏发电领域, 在技术创新的推 进下, 降本 和 增效 两个光伏系统发 Research Note

3 展根本目标都取得了积极的进展. 得益于传 统的晶硅材料不断研发以及碲化镉、铜铟镓 硒、钙钛矿等新型材料技术的突破,光伏组 件能量转换效率不断提高, 抗老化、 抗紫外、 导热、 阻燃等性能也大幅提升. 金刚线切割、 钝化发射区背面电池(PERC)技术等成为 行业热词, 得到市场的逐渐认可;

与此同时, 之前甚少企业介入的全背接触式电池 (IBC) 、 异质结电池(HIT)以及金属缠绕背接触电 池(MWT)等高效电池技术也受到了越来 越多企业的关注和投入. 十三五 光伏技 术创新规划提出,

2020 年前将晶硅太阳能电 池效率提高到 23%以上的目标,实现 HIT、 IBC 等电池国产化等.从成本来看,同样 3KW 规模的分布式户用屋顶光伏电站成本 已经降低至

3 万元人民币以内,较十年前成 本下降了 50%,分布式光伏 平价上网 的 时代已经越来越近. 值得一提的是,分布式天然气和分布式 可再生能源的多能互补具有协同效益, 将成 为分布式供能技术未来发展的重要方向.以 天然气 CCHP 机组协同分布式光伏项目为 例, 可再生能源的加入使系统的综合能源利 用效率以及减排效益得到进一步提升;

多能 互补的系统不受单一能源品种的限制, 天然 气与太阳能互为补充, 增强了系统供能的安 全性;

在配备了储能设施的系统中,光伏的 波动性得以抑制, 燃气机组也可以在适当范 围内进行灵活调度,保证供能区域和电网的 稳定运行.

02 储能技术 储能是分布式能源系统中至关重要的 一环,储能单元的存在使得原本只能 即发 即用 的电、热能的灵活应用成为可能.目前,储能的应用场景主要分为热能储存(蓄 冷和蓄热)和电能储存两部分.蓄冷和蓄热 设施可以优化天然气分布式系统的运行并 提高项目的经济效益, 而电能储存则可以弥 补分布式可再生能源波动性和间歇性的不 足, 保证系统的稳定输出. 从储能介质来看, 可以分为电池、氢、罐热、地热、冰热等. 风电、光伏等可再生能源飞速发展,电 能储存的重要性不断上升. 飞轮、 超级电容、 锂电池和液流电池等储电技术可以平滑分 布式光伏的输出曲线, 为系统的稳定运行提 供支持.在光伏输出大于用户需求时,多余 的电量可以被储存.如果太阳能电池板停止 工作,或出现尖峰负荷、供电不足、电网断 电等情况,储存的电能可以被释放出来,满 足用户的用电需求,提高分布式光伏的综合 利用率. 随着电动汽车的推广和能源互联网 概念的兴起, 将电动汽车纳入储能网络的技 术也纷纷涌现.其中,动力电池厂商、汽车 制造企业以及高校已经展开相关研究, 探索 在分布式能源系统中利用废旧动力电池进 行储能的技术可行性和经济效益. 热储存是 一种简单但基本的技术, 该技术通常在建筑 楼宇和工业过程中使用, 一方面可以通过最 优化供暖、通风和空调 (HVAC) 系统的方 式来提高系统效率;

另一方面,也可以避免 高峰时段的电价溢价. 此外,氢能源也逐渐成为储能和分布式 能源领域的下一个创新........