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张运洲:我国综合能源服务一体化发展模式研究

国际燃气网  来源:中国电力企业管理  作者:张运洲  日期:2019-06-12
    随着能源体制变革、技术发展、系统形态升级,综合能源服务进入快速发展阶段。作为满足用户多元化需求、拓展能源企业盈利空间、提升社会整体能效的重要抓手,综合能源服务吸引了各方高度关注。从能源价格、能源需求、用能形式等分析来看,面向工业园区、公共建筑开展能源一体化供应,将是未来一段时间内我国综合能源服务的发展重点。

    综合能源服务发展基本脉络
 
  综合能源服务并非全新事物,而是拥有长久的发展历史。从能够查证的资料来看,早在1909年,德国莱茵集团已经开展电力和天然气综合供应业务,成为综合能源服务的雏形。纵观发展历史,综合能源服务主要面向能源系统终端开展,在能源技术进步、系统形态升级、管理体制变革共同推动下,先后出现了能源组合供应式服务、新技术/新模式融合式服务、一体化集成式服务等三种业务形态。
 
  近年来,我国综合能源服务得到了快速发展。究其根源,主要有三方面因素:一是理念引领。应对气候变化任务紧迫,提高能效成为优先选项。绿色低碳、“互联网+”等发展理念向能源领域加速渗透,引领能源系统朝着打破壁垒、综合集成、一体化解决方案方向发展;二是创新驱动。分布式能源、节能提效、互联网等技术快速进步,能源定制、能源集成、能源跨界等模式不断创新,为提升能源系统整体效率提供了更多技术手段和模式选择;三是政策支持。深化能源体制改革对打破行业壁垒、为终端客户提供综合用能服务发挥了重要作用,产业规划进一步明确发展方向,财税补贴提升项目经济效益,推动综合能源服务发展进入快车道。
国外综合能源服务发展经验
 
  国外综合能源服务起步较早、发展较快,其主要原因在于宽严适度的能源管理体制和健全的市场机制。归纳起来,有四方面经验值得借鉴。
 
  提供能源一体化解决方案
 
      欧美日等发达国家和地区均以提供能源一体化解决方案为重要发展方向。欧洲注重能源系统间的耦合和互动优化,自1999年起,各国在欧盟第五、六、七框架下,开展了多能流协同优化、能源和信息系统耦合集成等方面研究。美国侧重以分布式能源和智能电网为核心的综合能源供应系统,于2001年提出综合能源系统发展计划,促进分布式能源和热电联供技术的推广应用,提高清洁能源使用比重;2007年颁布能源独立和安全法,要求社会主要供用能环节必须开展综合能源规划。日本关注用户侧综合能源系统,2009年日本政府公布温室气体减排目标,认为构建覆盖全国的综合能源系统,以此优化能源结构、提升能效、促进可再生能源规模化开发,是实现减排目标的必由之路;目前日本能源研究机构致力于智能社区技术研究与示范。
 
 
 
   搭建智慧能源管理平台
  国外能源电力企业围绕用户需求打造智慧能源管理平台,通过投资并购能源数据分析、专业平台建设领域的中小公司,整合用能监控、需求响应、电动汽车、储能等多领域专业平台,提升一体化服务能力。
 
  依托智慧能源管理平台,国外企业积极打造各类扩展业务的入口,吸引更多企业通过平台提供多样化服务,提供用户多元化选择,增强其黏性。日本Fuji电机在北九州建设了智能社区系统平台,分别为政府提供能源消费和二氧化碳减排信息,为电力消费者提供用能服务,为独立发电厂(IPP)、电力交易机构提供电力调度服务,为电网企业提供能源平衡管理,为第三方提供扩展服务入口。德国Sonnen公司打造了能源服务平台,能够为家庭客户提供电能买卖直接交易服务,为电网公司提供辅助服务,帮助电网公司解决设备效率不高、电力通道建设滞后等问题,同时支持第三方在该平台上开发APP,扩大客户群体。
 
  开展基于电能的冷热供应服务
  随着可再生能源发电装机规模增长,以热泵为代表的电制热/冷技术受到青睐,该技术制热能效比(COP)可达3以上。国外能源电力企业积极开展基于电能的冷热供应服务,因地制宜地利用水源/空气源/地源热泵满足商业楼宇、大型建筑等的冷热需求。东京电力、关西电力公司目前已有超过20个集中供应的成功案例。相比分散式制冷供热,可节能10%~20%,并节约人力成本和建筑空间。关西电力旗下的Kenes株式会社利用空气源热泵及水源热泵向大阪市本庄东地区的六座写字楼和一座超市共68890平米区域提供集中供暖制冷服务,是日本关西地区第一个100%电力集中制冷及供暖工程。
 
  创新商业模式
 
  在宏观业务布局层面,国外能源电力企业灵活运用金融手段加速发展,主要通过风险投资、私募股权投资进行前瞻性布局,通过并购交易快速提升实力,抢占市场。风险投资、私募股权投资自2013年以来显著增多,其中对能源管理、储能、电动汽车充电投资次数位于前列,分别占25%、17%、16%;并购交易自2014年以来显著增多,其中对能效服务、能源管理、分布式光伏投资次数居于前列,分别占43%、22%、18%1。在微观项目层面,欧洲企业对重资产项目创新采用“建设-出售-运营”(BSO)模式。
 

 
    我国综合能源服务应鼓励一体化发展模式
 
  我国综合能源服务处于发展初期,市场潜力空间较大。从综合能源服务业务和终端能源需求两方面测算表明,2020年我国综合能源服务市场潜力规模为5000~6000亿元。为加快综合能源服务发展,需要对其重点对象、发展方向、主要形态、典型模式开展深入分析。
 
  重点对象分析
 
  综合能源服务重点对象的选择需要统筹考虑多方面因素,能源价格越高、消费量越大、用能形式越丰富的客户开展综合能源服务的价值越高。
 
  从能源价格来看,我国工商业用户的电力、天然气、热力价格明显高于居民用户。以北京、上海、江苏、浙江、山东、河南、四川等省市为例,电价方面,大工业(35kV)为0.5574~0.6570元/千瓦时,一般工商业(10kV)为0.7115~0.8447元/千瓦时,居民(第一阶梯)为0.4883~0.617元/千瓦时;气价方面,工商业2.66~3.56元/立方米,居民(第一阶梯)1.89~3.10元/立方米;热价方面,居民16~40元/(平方米·供暖季)或0.1~0.25元/千瓦时,非居民30~45元/(平方米·供暖季)或0.13~0.36元/千瓦时2。
 
  从能源消费量来看,工业园区、公共建筑是我国未来一段时期能源消费的重要增长点。工业园区方面,截至2018年1月,我国国家级、省级开发区已达552个、1991个,近5年平均每年新增74个。据不完全统计,各类园区集中了我国70%工业用能,以电力口径计算,目前单个园区年用电量1.7~11.3亿千瓦时,预计每年新增用电量约400亿千瓦时,占全部新增电量7.5%左右3。公共建筑方面,其能耗强度较高且增长迅速。2017年我国建筑总面积约592亿平方米,总能耗约9.6亿吨标煤,其中公共建筑面积约123亿平方米,单位面积能耗约为30千克标煤/平方米,接近其他类型建筑的3倍4。
 
  从用能形式来看,工业园区和公共建筑具有电、冷、热等多种能源需求,存在较大的多能互补、集成提效空间。
 
  综合分析,工业园区和公共建筑客户资源优质,能源价格较高、能源需求巨大、用能形式丰富,是我国未来一段时期开展综合能源服务的重点对象。
 
  发展方向研判
 
  集成产生效益,互补创造价值。能源一体化供应作为综合能源服务的高级形态,具有显著的经济、社会、环境效益,对我国能源转型意义重大。
 
  首先,能源一体化供应能够提升能效,统筹采用热泵、热电联产等能源技术,构建基于物联网技术的能源综合管控平台,区域能源系统的运行效率将明显提升。其次,能源一体化供应能够节约资源,通过应用综合管廊、多表合一等一体化规划设计技术,实现基础设施统筹建设、土地等资源集约利用。第三,能源一体化供应受到政策支持,2016年7月,国家发改委、能源局《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》中提出,到2020年,各省(区、市)新建产业园区采用终端一体化集成供能系统的比例达到50%左右,既有产业园区实施能源综合梯级利用改造的比例达到30%左右。
 
  因此,以多能互补、集成优化等方式实现能源一体化供应服务,不仅能够经济、绿色、高效地满足客户的多种用能需求,而且可以有效提升综合能效、实现资源集约利用,是我国综合能源服务的发展方向。
 
  系统形态选择
 
  在面向工业园区和公共建筑开展能源一体化供应服务时,选择以电为中心或以气为中心的模式需要进行多方面比较论证。综合客户用能需求、能源自身属性和相关网络特征、各类能源供需平衡的前瞻性分析来看,以电为中心更具优势。
 
  基于客户能源需求视角,电能在新增工业园区和公共建筑用能中占比较高。新增工业园区多将新一代信息技术、生物、高端装备等战略新兴产业作为主导产业,近三年这一比例达65%5,战略新兴产业用电量大,在整体用能中占比大多在50%以上;公共建筑除集中供暖能耗外,空调、照明、插座产生的用电能耗约占其总能耗的90%。
 
  基于能源属性和相关网络特征视角,电更加灵活,电网更加可靠。电能在满足终端需求和实现多能互补中处于核心地位。一方面,电能能够高效转化为热能、光能、机械能,满足多样化的终端需求,除转换为光能的效率为30%左右外,转换为其他能量的效率均在90%以上;另一方面,电能能够灵活连接分布式光伏、冷热电三联供、储能、热泵等要素,是多能互补的关键媒介。我国电网统一管理、深度覆盖千家万户,能够为综合能源一体化供应系统提供可靠能源。截至2018年底,我国220千伏及以上输电线路回路长度达到73.3万千米,由国家电网公司、南方电网公司等企业进行统一管理。相比较而言,天然气管网管理不统一、输送能力和范围亟需进一步提升。2017年天然气主干管道里程为7.7万千米,中石油、中石化、中海油及其他公司占比分别为69%、8%、7%、16%;城市天然气配网由属地管理,相关企业众多。
 
  基于各类能源供需前景视角,我国电力供需形势总体宽松,而天然气供应能力不足、对外依存度高、价格偏高。截至2018年底,我国发电装机容量达到19.0亿千瓦,平均利用小时数为3682小时,电力供应充足。而同期天然气(含煤层气、页岩气)估计产量为1733亿立方米,消费2766亿立方米,进口1254亿立方米,对外依存度达到45%6,价格显著高于欧美国家。
 
  随着我国能源转型深入推进,可再生能源在一次能源消费中的占比将持续提高。可再生能源主要转化为电力加以利用,持续提升绿色电气化水平已成为广泛共识,以电为中心发展综合能源服务是适合我国国情和能源发展趋势的必然选择。
 
  典型模式研究
 
  存量市场和增量市场具有不同的建设条件和产权约束,发展能源一体化供应服务应采用不同模式:存量市场主要基于现有能源系统,力求对不同能源设备的一体化运营管理,以轻资产方式创造效益;增量市场重在打破行业壁垒,沿着规划设计、投资建设、运营管理全环节一体化路径推进,以重资产方式全面满足客户需求。
 
  存量市场轻资产一体化
  对于存量市场,若已有能源系统的产权较为分散,可依据客户的不同需求提供定制化服务;若产权较为集中,可以提供运营管理一体化服务,采用“管控平台+新增设施+部分改造+专业服务”四位一体的模式。该模式以构建综合能源管控平台为切入点,以开展能源统一管理和专业运营服务为核心,辅助开展节能改造和新建绿色高效设施。
 
  江苏红豆工业园项目为典型的存量改造项目,采用了运营管理一体化服务模式。该工业园区用能种类丰富,涵盖电、气、热、光、储等多种类型,其中电力占比较高。通过在园区建设综合能源服务平台,实现基于互联网气象数据、可再生能源特性、负荷特性等信息及大数据分析的综合能源管理。项目总投资约1400万元,年节电量2104万千瓦时,二氧化碳减排1.9万吨,预计3.5年可收回投资。
 
  增量市场重资产一体化
 
  对于增量市场,需要在系统架构、规划设计、合作方式、运行方式四个方面进行统筹:
 
首先,要灵活选择系统架构。能源一体化供应系统包括两部分,外部由大电网提供支撑,内部为区域综合能源系统。该综合能源系统一般分为以电为源头和以气为源头两种模式,也存在混合模式。以电为源头的模式能够在大电网供电的基础上集成分布式光伏、热泵、储能等元素,适用于新增工业园区和公共建筑。以气为源头的模式主要基于分布式天然气热电联产(含冷热电三联供),将大电网作为备用,适用于在气价较低、政府补贴力度大的地区或者传统工业园区。 
 
  其次,规划设计过程中应遵循三方面原则。一是统筹考虑内外部能源资源,以经济、绿色、高效、可靠为导向,开展综合能源系统规划设计。二是基于负荷增长进行多阶段规划,充分考虑负荷增长时序与综合能源系统规划的匹配关系,确保综合能源系统在各阶段均能够满足终端能源需求。三是强化各类资源集成融合,推进物理信息融合和资源集约利用,增强综合能源系统的可感、可观、可控性,提升智能化水平。
 
  再次,积极开展多元化合作。可依托项目公司聚合多方资源,灵活采用多元股权投资、混合所有制等形式投资建设综合能源服务项目,促进技术、产品、资金、属地资源等方面的优势互补,实现共建共享。
 
  最后,在系统运行过程中把握三个要点。一是数据驱动,实现精细化管理。基于能源数据,利用大云物移智等先进技术,对负荷进行精准预测,形成科学的能源系统运行计划。二是市场化配置,提升经济效益。基于外部电力市场、天然气市场、辅助服务市场等的价格信号,进行动态响应,灵活调整系统运行状态,降低客户用能成本。三是多能互补,提升综合能效。通过智能调度,优化系统运行方式,满足客户对电、热、冷、气等的多元用能需求,实现安全供能前提下的效益最大化。
 
  国网客服中心北方园区项目为典型的增量项目,采用了全环节一体化服务模式。该园区集生产、办公、生活为一体,总建筑面积14.28万平方米,以电能为唯一外部能源,包括光伏发电、地源热泵、冰蓄冷、太阳能空调、太阳能热水、储能微网、蓄热式电锅炉七个子系统,规模化高效利用区域内可再生能源,能够对园区冷、热、电、热水进行综合分析、统一调度和优化管理。项目投资超过1亿元,年节电量达1100万千瓦时,从全寿命周期来看,收益较为可观。
 
    未来展望
 
      发展能源一体化供应服务,面临的最大挑战是要打破不同设备、不同能源、不同主体间的壁垒,在体制机制变革、技术创新以及政策的共同驱动下,实现互动互补、协同共享,创造价值。物联网技术开启万物互联时代,将通过有机连接不同能源设备,提升其可感可控性,促进电气冷热多能互补和源网荷储不同市场主体间互动互济,实现市场对能源资源的优化配置。当前,物联网技术快速发展,促使能源流、信息流、价值流紧密耦合,物联网在能源领域的深度应用,必将促进融通融合,高效推动以能源一体化供应为代表的综合能源服务业务发展。
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