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以电为中心的综合能源服务典型业态——区域能源发展研究(一)

作者:王康 来源:奇点能源 发布时间:2020-10-21 浏览:
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区域能源能广泛接入附近分散的可再生能源,大幅提升能源使用效率,同时满足区域内多种用户冷、热、电等综合能源需求,是一种城市多能供应解决方案,是最典型的综合能源服务业态,也是最完整的、具有能源自治特点的局部能源互联网。理论上,区域能源具有多方受益的特点,近年来受到投资方、设备商和地产商的追捧。

由于篇幅关系,本专题分两篇发表,第一篇介绍区域能源的概念、技术及发展趋势;第二篇从成本控制和商业模式等角度,探寻用户侧综合能源服务投资的本质问题,从而形成现实可行的商业模式建议。

01

区域能源的概念与优势

区域能源(District Energy)是指为了满足某一特定区域多个用户的供热(含热水、蒸汽)、供冷、供电等多种能源需求,充分利用多能互补理念,以专门的集中式能源站为核心进行能源转化、生产,并通过区域管网进行能源输送的能源系统(图1)。需要指出的是,这里所说的区域,特指处于临近范围内的开发区、园区、商业区、居民区和建筑群等功能体。

图1 区域能源系统示意图

只有在用户密集度比较高的情况下,区域能源相对于分散式能源供应才具有明显优势,所以区域能源是一种城市能源生态系统。根据国际能源署的相关报告,城市能源消耗占全球能源消耗的70%,其中供热、供冷约占60%以上,以区域能源进行冷热供应的业务形态,在用户侧综合能源服务领域中占据非常重要的地位。其主要特点包括:

1.是最典型的综合能源服务业态。区域能源充分利用区域内风、光、水、余热、生物质、污水、城市垃圾等分散式的可再生能源,与市政电力、燃气互为补充,通过能源站集中转化,再由管网对区域内不同用户进行冷、热、电一体化供应。其中,(水)地源热泵、污水源热泵、低温热回收、蓄冷蓄热等冷热供应技术,分布式光伏、分散式风电等分布式发电方式,生物质资源分散式采暖(及热电联产)等技术得到应用,满足了多能互补、技术综合、用户多元、能源一体化供应等“综合能源服务”诸多概念,是最接近多能流融合的业务形态。

2.实现就地资源的最大限度利用。城市中污水、城市垃圾、周边余热等资源,通常被视为废弃物,但区域能源通过分散式接入、集中式转化的方式将其进行能源转化,同时见缝插针地利用城市屋顶、空地、车棚的光资源,实现就地资源的最大限度的利用,提升能源自给程度。

3.实现多重效益。一是节能环保,与分散式冷热供应相比,区域能源可节约30%-40%的能源。同时,对于减少空调系统有害的制冷剂的消耗、扩散效果明显。二是节约资源,相对分散式的用能,节约布置空间60%左右;可以降低设备的备用容量,降低配电容量的需求。三是提升供能品质,能充分发挥冷、热、热水、电力的生产和供应之间的协同作用,对于满足用户高品质的一体化能源供应需求具有优势。四是提升城市发展质量,显著降低建筑周围的热岛效应,降低空调内外机的安装,提升建筑美观和使用面积。

02

气VS电,驱动能源的选择

(一)主要技术路线

区域能源已经在全球得到了普遍应用,发展出了很多成熟的技术方式,从生成冷热的主要驱动能源来划分,可分为燃气为主和以电为主两种技术路线。

(1)燃气系统。包括燃气锅炉、燃气直燃空调、三联供等方式,其中最具代表性的是燃气三联供,利用天然气能源驱动发动机发电,再通过各种余热利用设备(吸收式制冷机、余热锅炉等)对余热进行回收利用,从而同时向用户提供电力、制冷、采暖等,如图2所示。

图2 燃气三联供系统示意图

(2)以电为主的系统。以电能为驱动,供冷为主的场合采用冷水机组,供热采用地源、水源、污水源、空气源、电蓄热锅炉等,热泵同时可实现供冷,如图3。

图3 电驱动集中供冷系统示意图

(二)气电之争

在采用区域能源方式进行冷热供应,需要遵循“宜电则电、宜气则气、因地制宜”的原则,但在电力、燃气等能源企业的主导下,呈现两种驱动能源的博弈。似乎两种方式各有优劣:燃气在供热(特别是蒸汽)为主的场景具有优势,但电力在制冷为主的场景中优势明显,随着各种热泵技术的发展成熟,在民用制热(非蒸汽)领域用电也逐步取得优势。

1.成本对比

为方便成对比,电价取最新全国各省一般工商业电价中位数约为0.62元/kWh,燃气价格取3元/ Nm3,热值取8300kcal/Nm3(折合9.65kWh),以新建区域能源项目为例,对比电能、燃气驱动在供冷、供热方面的经济性。

国际上利用大型冷水机组的制冷系统COP可达到5以上,此处取4,则制冷电费成本约0.155元/kWh。在制热方面,对于存在污水源、江水源、地源、海水源的地区,充分利用热泵技术提取自然界的热、冷,系统制冷性能系数可达到4.3以上,此处取制冷系统COP取4,制冷电费成本为0.155元/kWh;供热效率取3.7,制热电费成本为0.167元/kWh;无法获取污水源、江水源、地源、海水源的地区,可采用空气源热泵(除高寒地区),系统制冷制热性能系数取2.5,制冷、制热电费成本为0.248元/kWh。

采用燃气直燃吸收式机组制冷,制冷COP取1.36,制热取0.93,制冷燃气成本为0.229元/kWh,制热燃气成本为0.334元/kWh。采用天然气三联供,发电效率取40%,制冷工况下制冷效率约43%,制热工况下制热效率38.5%。1立方天然气生成3.86kWh电能,3.7kWh热能(或4.15kWh的冷),销售电价按照0.59元/kWh(对用户电价打95折)计算,将燃气成本减去售电收入作为制冷制热的能源成本,则制冷能源成本为0.174元/kWh,制热成本为0.195元/kWh。运行成本对比情况如表1:

表1  不同技术形式能源运行成本对比(元/kWh)

由表1可知,冷水机组、电热泵的冷热供应形式,在运行成本方面对于燃气直燃+吸收式热泵,具有一定的运行成本优势,冷水机组、各类水源热泵的冷热供应形式的运行成本也低于三联供方式。

同时,考虑燃气三联供投资成本远高于电制冷制热组合,每kWh冷热的折旧成本高出约0.07-0.11元/kWh(按年利用小时5000,折旧年限15年计算,由于发电收入与燃气成本抵消,多出的折旧成本由供冷、供热量分摊)。考虑资金成本因素,每kWh冷热的折旧+资金成本总共高出约0.013-0.19元/kWh。所以考虑全成本后,燃气三联供制冷制热成本不但远高于冷水机组、各类水源热泵,也高于空气源热泵方式。

综上,以冷水机组、各类型电热泵进行冷热供应,对比燃气为主要驱动能源的方式,具有明显的成本优势。

2.能源获得性

我国“缺油少气”的实际情况,决定了燃气难以成为基础的冷热供应驱动能源。到2020年,我国地级市管网覆盖率90% 以上,但与电能基本全覆盖相比仍有差距,同时单一项目获得大量、持久的燃气供应难度较大。我国燃气将近50%的天然气供应依赖进口,储气量仅占消费量3%,季节性特点明显,特别是煤改气导致冬季气荒问题频发,继续依靠燃气驱动的区域能源业务不是一个合理选项。

相对应的,我国拥有世界上覆盖面最大、安全水平最高的电网,为区域能源持续稳定运行提供了重要的保障。另一方面,发展区域能源,替代分散式的供冷供热方式,能降低制冷机组最大电负荷需求和备用需求,大幅降低供电容量需求,降低电力基础投入;同时在区域能源中配置水蓄热(冷)装置,能提升区域能源项目的收益,也能为电网进行调峰。

3.能源转型适应性

要实现“2060碳中和”目标,未来能源转型的核心是可再生能源替代,以及由此带来的为消纳一次电力产生的电能替代,所以发展以电为中心的能源生产、消费体系,已是不争的事实,发展以电为主的区域能源是其重要内容。

(三)以电为主的区域能源

随着各类型热泵技术逐步成熟以及鼓励可再生能源电力供暖等电能替代政策的推动,以电为主的供冷供热项目具有运行成本低、电能易于获取和有利于可再生能源消纳等特点,应作为主要的区域能源技术形式(如图4所示),仅使用少量燃气进行极端天气情况下调峰补热。特别对于南方地区,由于电制冷技术相对制热技术更加成熟,在供冷量大于供热量的场景,更适宜布局以电为主的区域能源。遵从以热定冷的原则,即以供热量确定热泵机组容量,夏季供冷功率不足的部分通过冷水机组进行补充,供冷获得基础收益,而供热作为提升能源供应品质的重要手段。

图4 以电为主的区域能源示意图

03

国外发展现状与趋势

(一)国外发展现状

从上世纪60年代,区域能源的形态即开始出现,逐步在全球得到了普遍应用。其中,技术领先、应用广泛的主要国家和地区有美国、日本和欧洲。近年来,由于东南亚、南亚、中东等地区天气炎热,供冷需求量大,成为发展较为迅速的地区。

美国是最早发展区域能源的国家,上世纪60年代,已经利用城市蒸汽管网夏季富余能力驱动吸收式制冷机来供冷,70年代双效吸收式制冷机的出现,促进余热制冷更加普遍,九十年代分布式能源系统和冷热电联产技术日益成熟。近年来,美国区域能源发展方向为以电驱动,充分利用广泛分布的深水湖泊资源的高效率区域供冷,同时在整套系统中结合冰蓄冷、水蓄冷等技术。

日本区域能源最早应用上世纪70年代, 80年代后半期开始快速发展,相继出现了利用蓄热、热泵和热电冷联供等新技术的区域能源项目。20世纪90年代后,受能源政策的影响,污水源热泵、水源热泵在区域能源中得到广泛应用。近年来,随着技术的发展,海水源热泵方式逐步兴起。目前,日本已经建成大约140个区域能源项目,年总冷、热供应量约为2500万GJ,其中冷量占比约为60%。

欧洲最早的区域供冷系统出现在法国,目前法国大型区域能源主要以电动制冷为主,瑞典、德国和意大利等也有不同程度应用。德国则由热电联产向冷热电联产发展,北欧的挪威、瑞典和丹麦等国普遍采用海上、湖水、地下水、工业废水和城市污水作为冷热源,以及利用生物质和垃圾焚烧作为热源。

东南亚、中东等地区由于天气炎热,适合开展区域供冷业务,是目前区域供冷发展较为迅速的地区。东南亚地区,新加坡每年制冷用电量达到全社会用电量的30%,为节约能源成本,政府高度重视区域供冷的发展。马来西亚、印尼等国家也开始启动大型区域供冷项目。中东地区,沙特阿拉伯于1985年建成了亚德国际机场区域能源项目,近年启动了麦地那的特大型区域供冷项目,总功率约20万冷吨,预计安装80台大型离心式冷水机组。在迪拜,城市发展步伐加快以及能源成本上涨等因素,促使了建筑开发商将区域能源系统纳入新的基础设施项目,计划建设世界上最大的区域供冷系统,每年可满足100万冷吨的供冷需求,仅需要原有空调供冷耗电量的一半。

(二)发展趋势

1.区域能源市场空间打开。随着环保政策趋严,油气价格及对外依存度上升,采用燃煤或油气集中采暖的发展方式已不可行,但中国城镇化仍有约20%的上升空间,仅北方地区将有70亿平米的供暖增量;随着碳中和目标提出,存量供暖清洁替代的广度和深度将加大;气候异常频发以及生活水平提高,南方供暖需求的呼声日高,孕育巨量的冷热供应市场。采用以电为主的区域能源形式,同时满足城市高品质的供冷供热需求,是解决清洁冷热供应的重要手段,也是促进电能替代,提升新能源电力消纳的重要渠道,是综合能源服务千亿细分市场的培育摇篮。

2.电能逐步对燃气进行替代。二战后油气勘探、开采技术的进步,带来了天然气产业大发展,欧美日等发达国家、地区采用燃气进行区域供暖,随着吸收式热泵技术的出现,开始利用余热进行制冷。但随着石油危机的影响以及电热泵的发展成熟,处于减排需要,各国转向以电为主的区域能源形式,并充分利用水源、地热、空气源等可再生能源,蓄冷蓄热技术的应用也日益得到重视,多能互补特点日益明显。

3.区域供冷日益引起重视。全球范围内制冷需求高速增长,通过区域能源进行集中供冷或冷热联供越来越引起重视,特别在炎热的城市地区,将区域能源系统纳入城市基础设施规划日益普遍,对于我国冬冷夏热地区采用区域能源解决冬季采暖、夏季供热问题尤其具有启示。

根据《绿色高效制冷行动方案》,我国制冷用电量占全社会用电量15%以上,年均增速近20%,大中城市空调用电负荷约占夏季高峰负荷的60%。采用区域供冷的方式,对于降低制冷用电量,同时削减高峰时段用电负荷,进一步为电网进行调峰,具有重要的意义。

关键字:区域能源

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