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谢国兴:关于分布式能源发展的几点思考与建议

日期:2019-06-12    来源:能源研究俱乐部

国际燃气网

2019
06/12
08:48

关键词: 分布式能源发展 天然气气量 分布式发电

    浙江能源监管办原专员   谢国兴
 
    一、概述
 
    分布式能源是一种供能系统,按热力学原理是在能量综合梯级利用理念的基础上,通过消耗一次能源产生电能、热能与冷能,并就地使用的分布式供能系统。随着能源多样化和能源技术的进步,分布式能源也可以是就近消纳的微网型供电(热)系统,如分布式小水电、太阳能发电等。
 
    从发展历史看,小水电是最早的分布式能源系统,它以小型水力发电的方式,小到几十千瓦,大到数万千瓦,就地消纳,为当地农民生活、农业或手工业提供必须的电能,这是解决“三农”用电的有效方式。随着国民经济的快速发展,许多工业企业除了用电以外,还需要大量的热力产品,以满足生产过程的需要。为了提高企业的经济效益和能源利用效率及保障电力自给,热电联产形式的分布式能源应运而生,供能区域可以是一个企业,也可以是整个工业区,电力并网而电能原则上不上网,即无电能交换,电网为企业提供应急事故保障。为保障工业产品质量和工人劳动作业条件,提高生产效率,利用现代制冷技术,许多工业企业在热电联产的基础上,又进一步利用余热制冷,为本企业提供冷能,实现电、热、冷“三联供”,进一步提高了能源利用效率,一般“三联供”方式可以将能源利用效率提高到80%以上。可以说“三联供”是目前化石能源综合梯级利用效率最高、经济性最好、最环保低碳的能源利用方式。
 
    二、分布式能源的优越性使其发展具有强大内生动力
 
    从发展趋势看,未来分布式能源主要是分布式天然气发电、分布式太阳能发电、分布式风力发电、分布式生物质发电、核能小型堆发电等。
 
    (一)分布式天然气发电具有高效、清洁、低碳优势
 
    天然气分布式发电是火电中效率最高、最环保的发电方式。燃煤发电机组中,亚临界参数机组循环效率为40%左右;超超临界参数机组(本质上应称超临界参数机组)循环效率为45%左右;超超临界二次再热机组的循环效率为47%左右。天然气燃气—蒸汽联合循环机组的效率一般也在57%左右。世界上最先进的采用微孔预混技术的GE9HA燃机,其DLN2.6e燃烧系统,实现了微孔预混和全预混燃烧,使燃料和空气混合更为均匀,燃烧更为充分,从而达到更高的效率,联合循环效率可达63%,并且能够降低氮氧化物的排放。如果以联合循环+供热方式,即综合能源利用方式则效率更高。以浙江海政药业能源站为例:该能源站为海政药业提供热(冷)电产品,为响应政府号召,该能源站利用天然气作为一次能源,以实现清洁环保低碳目的。该能源站设计2台12.9兆瓦+7.95兆瓦燃气发电机组,供热量61.22吨/小时,厂用电率为4%,单循环燃机效率34.5%(相当于超高压参数的煤电机组循环效率),热(冷)电比146.91%,整体能源利用热效率82%(国家规定大于70%)。
 
    (二)分布式风电具有可再生、清洁、低碳、廉价优势
 
    我国风力资源丰富,总储量达32亿千瓦。陆上可开发利用的风能资源为2.3亿千瓦,加上近海风能资源,全国可开发利用资源约10亿千瓦以上,居世界首位。风力发电技术正在以大型化、直驱式全功率变流技术、碳纤维复合材料应用、叶片灌注成型工艺和低电压穿越等技术的研发与应用提升风电机组技术水平及快速降低建设与运行成本,有力促进了风力发电的快速发展。5兆瓦、6兆瓦大型风力发电机生产技术已经成熟并进入商业化运行,不少大学与研究机构及大型风机制造企业正在研发10兆瓦风力发电机组。借助技术进步,分布式风电建设成本在不断降低,当前单位造价在4000元~6500元/千瓦,与燃料成本占发电成本60%~70%的煤电机组发电成本相比具有明显的价格优势,可以与火电机组发电价格一比高低,竞价上网。
 
    (三)分布式太阳能发电将是遍及全国城乡的小(微)型发电厂
 
    人们认识中太阳能发电效率低、成本高、价格贵的印象正在随技术进步而基本消除。据报道,世界三大可再生能源研究机构之一的德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所认证,汉能Alta高端装备集团的砷化镓薄膜单结电池转换效率达到29.1%,再次创新世界纪录。至此,汉能同时拥有单结电池(29.1%)转换效率和单结电池组件(25.1%)转换效率两项世界想纪录。隆基乐叶在单晶电池、组件环节,单晶PERC电池转换效率最高达到23.6%,60型高效单晶PERC组件转换效率达到20.66%、60型单晶PERC半片组件功率突破360瓦,均刷新了世界纪录。预计至2022年,太阳能发电成本还有30%下降空间,其中组件成本降至1元/瓦。
 
    杰里米·里夫金在《第三次工业革命》中预见的第三次工业革命会将每一个现存的大楼转变成一个两用的住所——住房和微型发电厂。中国农居完全有条件利用太阳能发电满足农民日常生活用电的需要,至少是有效的电力补充。这一情景,已被国家光伏扶贫项目的实践所证实。光伏扶贫不仅解决了农村农民用电问题,更使农民从中获取经济收益,是实现脱贫的有效措施之一。城市有众多的大楼和企业厂房,具备建设分布式太阳能发电系统的条件。例如,城市污水处理厂,电费支出约占污水处理厂成本50%以上。浙江台州污水处理发展有限公司和浙江国利英核能源有限公司投资建设全国第一个污水处理厂(容量15万吨/天)光伏电站示范项目,太阳能发电设计装机容量4.39兆瓦,该光伏发电项目已并网运行,年节约电费1500万元以上,取得了设计建设经验并发挥良好的经济效益。
 
     (四)分布式生物质发电是城乡垃圾处理有效方式,环保意义远胜于发电
 
    分布式生物质发电主要是以生活垃圾、农林废弃物、畜牧养殖业和工业及食品生产业所产生的废弃物为一次能源的发电方式。截至2018年底,全国生物质发电装机1781万千瓦,年度生物质发电量906亿千瓦时。垃圾发电项目较多集中在华东、华北地区,尤其是经济相对发达的华东地区的发展规模较大,其占全国垃圾发电装机容量的比重高达56%。垃圾发电项目拥有量最高的是浙江省,项目数量达53个,总装机容量155万千瓦(2017年底)。
 
    垃圾无害化处理是城市管理的一大难题之一,更体现一个城市的管理水平。就目前来说,只有垃圾填埋和焚烧处理两种方法比较无害和现实可行,也是国际通用处理方式。建一个生活垃圾焚烧发电厂,类似于建了一个装不满的垃圾填埋场,可以节约大量的填埋土地,并且以生活垃圾为燃料进行发电和供热带来很好的经济效益和社会效益。如浙江省土地资源稀缺,当下没有比垃圾焚烧发电更好的处理方式,焚烧发电不仅较好达到了垃圾无害化、减量化和资源化的处理要求,而且能够满足日益增长的垃圾处理要求。焚烧发电在垃圾无害化处理中的占比将不断提高。分布式垃圾焚烧发电是将垃圾变为能源,且于环境比较友好的方式,必将得到持续发展。
 
    三、分布式发电对电力系统运行的安全性与可靠性利大于弊
 
    分布式能源发电,可以建成独立微电网,也可以并入国有电网系统消纳电能。并入电网的电压等级一般在110千伏及以下,极大部分分布式电源并入10千伏系统,以作为保安电源为主,电力电量交换较少,也就是说“并网不上网”。
 
    分布式电源的发展对电网运行带来的负面影响主要有:一是改变了电网的传统管理与运行模式。我国传统电力系统基本以集中式发电厂为主,通过输配电网络将电力送到千万家用户,电力流向基本上是单向的。而分布式电源的发展,则改变了这种状况,不仅是双向的,而且有功与无功备用等都要发生改变。二是电力运行与调度方式的变化。原来电力调度机构只要做好用电负荷预测,然后根据预测的用电侧负荷安排好发电机组次(当)日出力调度曲线并下发到发电企业执行即可。现在,不仅要做好用电侧负荷预测,同时必须对分布式发电负荷进行预测,而天气因素在负荷预测中更不能被忽略。另外,对电网检修、用户接入等作业安全,增加了复杂性和困难性。
 
    分布式能源发电对系统的正面作用有:一是提高了电力系统应对突发事故的处置能力。分布式发电以分散、快速为特点,对系统运行起着支撑作用。特别是天然气分布式发电、分布式水电,具有启停快速的特点。分布式风光发电不需要外部电源,可以即时并网与解网。原来电力系统为大面积停电后的系统恢复需要黑启动电源而伤脑筋,分布式能源发电则有效解决了这一难题。二是分布式能源发电能降低电力系统运行成本。分布式能源发电接入系统的电压等级较低,因此,输配电综合线损较低。通过交(直)流特高压线路从四川输电到浙江,其线损约7%。再加上当地综合线损4%左右,两者相加,则达到了11%的线损。若是就地分布式能源发电,其线损应当在1%~2%足够。分布式风光发电造价已明显下降,目前已逐步与煤电造价相仿,单位千瓦造价为4000~5000元。与煤电相比,运行成本则更低。三是可以大大降低系统备用容量。根据《电力系统安全稳定导则》,在正常运行方式下,对不同的电力系统,按功角判据计算的静态稳定储备系数(KP)应为15%~20%,按无功电压判据计算的稳定储备系数(KV)为10%~15%。在事故后运行方式和特殊运行方式下,KP不得低于10%,KV不得低于8%。根据《电力系统电压稳定评价导则》,“在区域最大负荷或最大断面潮流下,正常方式或检修方式的区域负荷有功功率裕度应大于8%,“N-1”故障后的区域负荷有功功率充裕度应大于5%”。按照上述行业标准,如果按备用系数8%计算,仅浙江电力系统备用容量需要400~650万千瓦。分布式能源发电改变了电源结构与布局、电网构架与互联特性,推进了系统智能化水平,可以明显提高电力系统故障扰动时的“自愈”能力。譬如,分布式太阳能发电能在高峰时段发挥良好的顶峰作用。随分布式能源发电之运而生的储能,可以由调度方便应对电力短时负荷紧缺。分布式能源发电具有天生的备用功能与应急能力,它可以降低系统运行备用容量,大大提高系统运行的可靠性,有效降低为备用而花去的电力投资,实现电力安全经济运行。四是分布式能源将促进电网技术的进步。分布式能源发电呈现的分散性、多样性、易变性,对电网规划、建设与运行提出了新的更高要求,这为泛在电力物联网、智能电网的建设提供了用武之地,由此将大大促进电网技术的进步。
 
    四、关于分布式能源发展存在的问题与建议
 
    为加快建立清洁低碳、安全高效的能源体系,实现能源“四个革命”,中央和地方政府相应出台了一系列分布式能源政策,2013年国家发展改革委印发《分布式发电管理暂行办法》,相继还出台了分布式风电、太阳能、生物质发电等专项政策。2016年,国家发展改革委印发《可再生能源发展“十三五”规划》,规划明确提出:到2020年,太阳能发电规模达到1.1亿千瓦以上,其中分布式光伏6000万千瓦,约占54.5%。其后,全国各地纷纷出台能源相关的政策,在发展分布式能源方面也提出了各自的目标。例如,广州到2020年,要新增天然气分布式能源装机规模约150万千瓦;分布式光伏发电项目总装机容量力争达到200万千瓦。在中央和地方政府政策的支持下,分布式能源得到了快速发展,但也面临一些必须重视并予以解决的问题,以保障分布式能源健康发展。
 
    (一)天然气气量不足,价格高企,严重制约分布式天然气发电发展
 
    2018年,我国天然气消费量2867亿立方米,同比增长16.6%,年增量390亿立方米,在一次能源消费中占比7.8%。天然气产量1610.2亿立方米,同比增长7.5%;进口天然气1257.2亿立方米,同比增长31.9%。尽管天然气产销增长在一次能源中最快,但仍然满足不了日益增长的消费需要。天然气的环保性、低碳性,特别是可以有效控制雾霾形成等优点,使它具有对煤炭的良好替代性,由此推动了天然气消费的快速增长(如今年浙江预计天然气需求约180亿方,增长33.3%),同时也推动了天然气价格的居高不下。目前,浙江省天然气开发有限公司向天然气发电企业销售天然气的门站价格为2.70元/立方米,而经过地、县级管网输配到分布式天然气发电企业价格在3元/立方米以上。即使是2.70元/立方米的天然气价格,按单位热值(能量)计算,也是煤炭价格的3倍或以上。尽管分布式天然气发电具有很高的能源利用效率,但是在电价和热价方面仍然不敌煤炭。因此,建议国家尽快推进天然气市场化改革,增加天然气供应量,加强天然气生产与输配成本监管,推动用户无歧视接入管网,着力降低天然气价格,为分布式天然气发电的发展创造现实条件。
 
    (二)分布式能源发电普遍存在电网接入难问题
 
    《分布式发电管理暂行办法》第二条明确,分布式发电是指在用户所在场地或附近建设安装、运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网,且在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施。电网企业负责分布式发电外部接网设施以及由接入引起公共电网改造部分的投资建设,并为分布式发电提供便捷、及时、高效的接入电网服务,与投资经营分布式发电设施的项目单位(或个体经营者、家庭用户)签订并网协议和购售电合同。电网企业应制定分布式发电并网工作流程,以城市或县为单位设立并公布接受分布式发电投资人申报的地点及联系方式,提高服务效率,保证无障碍接入。
 
    在实际执行中,电网企业对分布式能源发电无歧视接入系统意愿不足;接入系统项目投资审批过程复杂,时间冗长;对业主投资建设的接入系统回购行动迟缓。以各种理由,特别以安全为由不愿意分布式发电方接入系统。接入系统投资建设问题已是影响分布式能源发电发展的重要因素,建议具有能源监管职能的各级政府部门应当加强监管,促使电网企业提高执行国家政策的自觉性,履行保障分布式能源发电的无歧视接入义务。
 
    (三)政府应进一步完善分布式能源发展政策并加强监管
 
    在国家层面已经出台了不少有利于分布式能源发展的政策,但是这些政策如何在各行各业中落实仍需要有具体的行政与技术政策。譬如,城市扩建与住宅小区、学校、医院、车站等公共设施的规划与设计中,考虑用分布式能源供能需要有政策与设计规范的支持。再如,电网企业目前在输配电业务的基础上,利用能源互联网、综合能源服务等概念,扩大经营范围,进行分布式能源投资,其形式有控股或参股。监管部门应营造公平竞争环境,调动各方参与投资的积极性。总之,现有分布式能源发展政策的落实存在着不少问题,亟需加强监管。建议政府出台分布式能源专项监管制度(或办法),以使能源监管机构有法可依、强化监管,保障国家分布式能源政策的真正落实。
 
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