能源一体化系统手册 册子.indd 1 2018/11/15 上午10:07 册子.indd 2 2018/11/15 上午10:07 1 Part Part 3 Part Part 6 Part 富余可再生能源 + 储能技术 Part 余能建筑 余能城市区域 4 一体化能源系统概念和方法 Part 5 项目组织和参与 - 建立多方合作网络 能耗需求与供给潜力分析 7 地理信息系统和大数据应用 Part 册子.indd 3 2 8 建模与模拟 - 能效分析 2018/11/15 上午10:07 能源一体化系统 能源一体化系统是指综合考虑能源的供给、传输与存储、终端消费和回收等四个环节，在各个环节采用互相关联的技 术和管理措施，使得整个能源系统从整体上达到系统最优化。 其中，在能源生产阶段主要考虑电力、热力和冷能生产，尤其是新能源生产的充分高效利用；在终端消费环节，考虑 能源的精确匹配，调节和高效利用等；在分配和储能环节，主要考虑通过有效的方式把能源的生产和消费更有效结合起来， 从而提高整个系统的效率。而这些能源生产、传输、消费的环节信息结合起来，形成能源大数据综合分析，提供多种形式 的能源服务，并形成能效电厂、企业能效合作网络，优化能源生产和消费结构，降低 20-50% 的初始能源资产投资和消费， 实现整个能源系统的优化。 下面分别介绍各个能源一体化模块。 册子.indd 4 2018/11/15 上午10:07 1 Part 富余可再生能源 + 储能技术 1.1 概念 中国有着世界上最大的用电需求，也是最大的可再生能源发电国，因此中国对全球可再生能源发展举足轻重。可再生 能源发电发展最大的问题，是可再生能源资源与需求的地域和时间的不匹配，发电的间歇性与不可预测性，导致可再生能 源产能利用率不到 30%，浪费严重。 一方面，可再生能源的发电集中时间段与用电时间段存在着不一致性。风电发电高峰一般集中在晚上，太阳能发电的 高峰集中在白天。而工业用电的用电曲线较为平缓，居民用电则呈现白天、晚上两个高峰。另一方面，随着季节、天气的变化， 可再生能源发电与用电曲线都会有相应的变化。中国大部分地区春季风力发电输出最大，光伏发电夏天输出最高，而且发 电随天气原因剧烈变化而具有不可预测性。 太阳能、风能的间歇性、随机性，使得大规模的太阳能、风电并网会增加电网中功率平衡和稳定控制等问题的复杂性， 给电力系统的安全运行带来巨大挑战。目前实际发电管理中，弃光弃风现象非常普遍，导致很多可再生能源发电不能上网。 太阳能和风能的不连续性的自然特性和其发电不易并网的特点导致了严重的电力闲置问题，这进一步增加了可再生能源发 电的生产成本，白白浪费了大量的资源。 储能技术可以适时吸收和释放能源，有助于实现电力系统在各种工况下的能量平衡，调整频率，提高光伏和风电等可 再生能源的利用率。 通过与能源存储系统的结合，在电力需求低时保留下来电能用于用电需求高时用电，或者直接产生其他形式的能源。 据估计，通过能源存储，可再生能源的利用率可以从 30% 提高到 60%，预计将减少电力生产成本的一半。此外，从 能源存储装置中产生的再生电力和其他形式的能源是非常稳定、连续的，所以不需要更多的煤来维持电网的稳定性。 下面介绍几种新兴的可再生能源与储能技术结合的主要形式： 1.2 可再生能源 + 氢气 / 甲烷储能 + 冷 / 热存储技术 1.2.1 可再生能源 + 氢气 / 甲烷储能 可再生能源 - 氢气储能系统主要由风力或者光伏发电系统、水电解制氢系统、甲烷合成系统和存储输送系统组成。 来源：How the energy transition („Energiewende“) is changing the German energy system 富余可再生能源 + 储能技术 册子.indd 5 2018/11/15 上午10:07 1 Part 富余可再生能源 + 储能技术 制出的氢气可以通过罐装或者通过管道输送，用于各类用氢场所。 其应用场景主要为两个方面，一个方面是直接作为氢气供应，比如作为燃料或者还原剂用于工业，或者作为氢燃料电 池供给汽车使用，生产电力； 另一方面是通过与电厂的二氧化碳进行甲烷化反应产生甲烷，然后作为天然气进行存储或者加入天然气供应管道， 作为汽车燃料电池、工业发电或者供热燃料。同时甲烷化过程中产生的热量可以回用到各个工业环节。 优势： 太阳能光伏发电和风力发电系统以制氢储能替代蓄电池储能，主要有以下优越性： 第一，无论是高压贮氢还是金属贮氢，其能量密度均远高于蓄电池。例如：经粗略计算，高压贮氢能量密度大约是铅 酸电池的 4 倍，金属贮氢大约是铅酸电池的 6 倍； 第二，氢的储存基本没有时间限制，而铅酸电池如长时间蓄电，必须考虑硫酸化和自放电问题； 第三，高压贮氢钢瓶及金属贮氢器的维护工作量极少，维护周期以若干年计。铅酸电池的维护工作量大，使用寿命不长。 第四，氢气制备甲烷，加入天然气网络，可以直接利用现有天然气网络作为天然气使用，应用市场广泛。 局限： 1. 成本约束： 目前制氢的方法主要有煤制氢、天然气裂解制氢、甲醇制氢和电解水制氢。从每生产 1 立方米氢气的成本来看，煤制 氢成本不足 1 元，而可再生能源制氢成本在 1.25-1.5 元左右，没有竞争优势。因此只能采用剩余可再生能源发电制氢，但 这种方式会降低制氢设备的利用率。 2. 输送范围限制 在运输方面，如果通过车辆运输氢气，运输距离超过 300 千米就没有经济性了；如果建立管网输送氢气，涉及占地拆 迁等问题，难度也很大。 3. 技术约束 传统的发电机电解制氢过程中需要稳定的电流和电压。由于风力 / 太阳能发电是间歇性的，连接到该电源的制氢设备 很难正常工作，除非安装额外的变压器，但是这也提高了运行成本。 某些专利技术使制氢设备在任何的电流和电压下得以运行，尤其提高了在间歇性的风力 / 太阳能发电的下的产氢效率， 但是系统效率和稳定性仍然需要进一步提高。 4. 效率问题 电能通过电解水产生氢气，需要考虑转换效率问题，目前的技术水平并不能高效的转换电能。现在又发展出太阳能热 化学制氢，太阳能光化学制氢，太阳能光解水制氢，太阳能热解水制氢和光合作用制氢等等，都还不够成熟。 富余可再生能源 + 储能技术 册子.indd 6 2018/11/15 上午10:07 1 Part 富余可再生能源 + 储能技术 1.2.2 可再生能源 + 冷 / 热存储技术 可再生能源与冷热能存储技术结合，是一种较高效的能源利用系统。主要由可再生能源发电系统，冷机 / 电热锅炉和 冷热存储煤质，供冷 / 热网络组成。 典型的冷热存储形式包括： • 冰蓄冷系统 • 水蓄冷系统 • 蒸汽蓄热系统 • 熔融盐储能蓄热系统 • 其他热煤质蓄热系统 一般可再生能源与蓄冷系统结合工作如下： 即夜间用冷低谷，风力等可再生能源过剩时用电力来制冷，存储在冰或者冷水中，在白天用电高峰期释放存储的冷量 来代替电力制冷。 富余可再生能源 + 储能技术 册子.indd 7 2018/11/15 上午10:07 1 Part 富余可再生能源 + 储能技术 一般可再生能源与蓄热集成供热系统如下图所示： 即日间太阳能热能过剩而用热需求较少时，过多的电能、热能进行存储，而在夜间或者用电高峰期，直接通过换热器 释放存储的热能进行供热。 优势： 冷热蓄能系统的优势显而易见： 1. 技术相对其他蓄能系统简单。 2. 能源转换效率较高，直接生成了最终用户需求的能源形式，没有太大的能源转换损失。 3. 对于特定的可再生能源和冷热需求，能非常完美的平衡能源供应和需求的矛盾。 局限： 1. 空间大：直接蓄热或者蓄冷系统，一般都需要较大的空间。 2. 应用范围有限：只有在对冷或者热需求较大的区域有较大的应用空间，并且最好可再生能源与需求供应变化正好相 反时有必要建设。 3，应用距离有限：蓄冷和蓄热之后，供冷和供热的输送距离受到一定限制，一般局限在 2 公里以内的供应范围。 成功案例： 汉堡一家能源综合供应系统，改造一栋旧体建筑的主体，在其内部建立一个长宽 45 米 *45 米，高 47 米的热能存储设 施，一共采用了 80 立方米的水泥蓄能模块来进行储热，如下图所示。 富余可再生能源 + 储能技术 册子.indd 8 2018/11/15 上午10:07 1 Part 富余可再生能源 + 储能技术 来源：ENERGIEBUNKER WILHELMSBURG，Integration of Renewable Energy Systems 这套蓄能系统，通过不超过 5MW 功率的供热系统来满足峰时超过 10MW 的需求，相对传统供热系统的供热初始功 率减少一半，并且实现供热系统的 24 小时近 100% 的高利用率，远超过传统供热系统不到 50% 的供热产能利用率。 来源：ENERGIEBUNKER WILHELMSBURG，Integration of Renewable Energy Systems 1.2.3 可再生能源 + 氢气 / 甲烷储能 + 冷 / 热存储技术 可再生能源以上两种方式可以有效结合，即综合氢气 / 甲烷储能与冷热能存储技术，可以达到最佳能源利用效率。 一般而言，冷热存储技术虽然可以高效的利用多余的可再生能源，但是工业用热和用冷的范围和用量需求都受到一定 限制，可以存储的多余可再生能源量有限。可再生能源直接制备氢气，虽然转换效率受限，但是可以方便运输和应用于多 种场景，尤其是产生的氢气进一步制作甲烷，加入天然气管道，可以直接接入城市天然气网络，可以接纳所有的冗余可再 生能源，最大限度的利用多余的可再生能源。因此，综合氢气 / 甲烷储能与冷热能存储技术结合利用，能充分高效的利用 可再生能源。 富余可再生能源 + 储能技术 册子.indd 9 2018/11/15 上午10:07 1 Part 富余可再生能源 + 储能技术 从最佳利用可再生能源的角度来看，这个系统多余的可再生能源有限通过区域冷热源分配系统，直接进行供热和供冷， 并且存储必要的热能和冷能。然后多余的可再生能源用于制氢和甲烷，供入天然气网络和氢气输送系统。也可以通过天然 气输送管道，远距离输送天然气到目的地进行天然气供热或者冷热电三联供。 实际系统设计和运行中，应该综合考虑到投资的制氢和冷热存储系统的利用率，避免产能浪费，系统设计和运行需要 投资综合能源制备和调配系统，综合考虑可再生能源利用效率和储能系统利用率，采用灵活的制氢和冷热存储方案。 综合可再生能源与氢气 / 甲烷