清潔能源微網(wǎng)建設(shè)探索
朱躍釗
（南京工業(yè)大學(xué)）
針對我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)面臨的挑戰(zhàn)，以及國家能源發(fā)展戰(zhàn)略要求，構(gòu)建清潔能源微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)我國能源革命的重要途徑之一。清潔能源微網(wǎng)以可再生能源為基礎(chǔ)，環(huán)境能源、天然氣和潔凈煤等能源協(xié)同，化石能源補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性分布式冷熱電氣聯(lián)供。本文闡述了清潔能源微網(wǎng)的內(nèi)涵、四個(gè)特征、五個(gè)層次以及設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)分析了可再生能源系統(tǒng)、環(huán)境能源系統(tǒng)、潔凈煤和氫能等能源開發(fā)利用中的關(guān)鍵技術(shù)，為清潔能源微網(wǎng)構(gòu)建提供參考。
一、清潔能源微網(wǎng)的構(gòu)建
能源革命的內(nèi)涵之一是推動(dòng)能源供給革命，建立多元供應(yīng)體系。實(shí)現(xiàn)路徑之一是構(gòu)建高效的清潔能源微網(wǎng)，即以可再生能源為基礎(chǔ)，天然氣、潔凈煤、環(huán)境能源等協(xié)同，化石能源補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)耦合，建立區(qū)域性分布式冷熱電氣供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能、供能、用能、蓄能和節(jié)能相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一的能源供應(yīng)系統(tǒng)，帶動(dòng)可再生能源的規(guī)模化應(yīng)用與發(fā)展，推進(jìn)潔凈煤、環(huán)境能源在多元供應(yīng)體系中的應(yīng)用。
清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)有以下特征：（1）能量利用合理化：提高能源系統(tǒng)?效率，實(shí)現(xiàn)品位對接、溫度對接、梯級(jí)利用與互補(bǔ)耦合，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能，并最大限度使用可再生能源。（2）能源系統(tǒng)環(huán)保性：優(yōu)先采用可再生能源和清潔能源，近零排放，環(huán)境友好。（3）能源資源集成化：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可再生能源、清潔能源、化石能源等能源資源的整合。（4）多網(wǎng)協(xié)同性：實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)、信息網(wǎng)三網(wǎng)融合。
清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)包含五個(gè)層次：一是能源側(cè)，包括可再生能源、化石能源、環(huán)境能源等。二是能源轉(zhuǎn)換、耦合互補(bǔ)側(cè)，根據(jù)不同區(qū)域可再生資源稟賦及用能側(cè)需求，選擇多種能源的組合和能量轉(zhuǎn)換的方向與路徑，以實(shí)現(xiàn)耦合互補(bǔ)和梯級(jí)利用。三是能量儲(chǔ)存?zhèn)?，根?jù)能源側(cè)供能特性及需求側(cè)用能需求，以及能量管理、智能調(diào)控要求進(jìn)行儲(chǔ)熱（冷）、儲(chǔ)電、儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氣，提高供能質(zhì)量與能源利用效率。四是智能控制側(cè)，綜合考慮氣候氣象因素、可再生能源的多源異質(zhì)、多/強(qiáng)擾動(dòng)等約束條件，建立可再生能源優(yōu)先使用，天然氣、潔凈煤、環(huán)境能源等能源協(xié)同，電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)補(bǔ)充的調(diào)控原則，并利用“云大物移智”等現(xiàn)代信息技術(shù)，建立基于專家數(shù)據(jù)庫的能源微網(wǎng)智能控制及系統(tǒng)運(yùn)行管理系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)、快速響應(yīng)。五是用能側(cè)，根據(jù)用能側(cè)負(fù)荷氣象氣候特征及使用特性，構(gòu)建用能潛能分析及系統(tǒng)預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)熱（冷）電氣多網(wǎng)聯(lián)供。
清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：結(jié)合區(qū)域規(guī)劃，以可再生能源為基礎(chǔ)，天然氣、潔凈煤、環(huán)境能源等能源協(xié)同，化石能源補(bǔ)充，以儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電、制氫儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氣為儲(chǔ)能手段；以余熱利用、能量梯級(jí)利用、水源熱泵及建筑低能耗等為節(jié)能手段，以市政電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)補(bǔ)充為調(diào)控手段，通過多能互補(bǔ)耦合、品位對接、梯級(jí)利用、儲(chǔ)用結(jié)合、分級(jí)響應(yīng)、精準(zhǔn)調(diào)控、智能控制的策略，基于不確定性的可再生能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建清潔能源微網(wǎng)供能系統(tǒng)。在構(gòu)建清潔能源微網(wǎng)時(shí)，應(yīng)以可再生能源最大限度利用和區(qū)域內(nèi)使用為原則。
二、清潔能源微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)
（一）可再生能源系統(tǒng)
可再生能源系統(tǒng)涉及到多層面多因素、多系統(tǒng)隨機(jī)動(dòng)態(tài)復(fù)雜過程。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
（1）基于不確定性的可再生能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。結(jié)合區(qū)域氣候氣象特征分析，揭示穩(wěn)定供應(yīng)型與間歇型可再生能源的高效互補(bǔ)機(jī)理，探明用能側(cè)負(fù)荷氣候氣象跟隨特性，建立可再生能源熱電氣儲(chǔ)耦合供能系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)。針對可再生能源系統(tǒng)高隨機(jī)性、弱互聯(lián)及動(dòng)態(tài)特性等關(guān)鍵問題，構(gòu)建全工況動(dòng)態(tài)特性仿真模型，探索變工況狀態(tài)各因素間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，提出基于不確定性的可再生能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。
（2）基于氣象數(shù)據(jù)預(yù)測的可再生能源熱電氣儲(chǔ)耦合氣象數(shù)據(jù)庫。分析氣象要素時(shí)空分布特征及供/用能需求關(guān)聯(lián)特性，建立區(qū)域基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)庫，開展?jié)撃芊治龊投唐陬A(yù)測，獲得氣象條件對供/用能系統(tǒng)的影響規(guī)律。
（3）以多種可再生能源為基礎(chǔ)的熱電氣儲(chǔ)耦合機(jī)理、調(diào)控機(jī)制及高效轉(zhuǎn)換技術(shù)?；跉夂蛱卣?、氣象跟蹤、資源稟賦，采用可再生能源各單元供能負(fù)荷及產(chǎn)物可調(diào)節(jié)技術(shù)，結(jié)合儲(chǔ)能單元能量高效轉(zhuǎn)換、梯級(jí)利用以及分級(jí)跟蹤響應(yīng)技術(shù)，探索多能源輸入、熱電氣輸出與儲(chǔ)能的耦合機(jī)理，揭示變工況多能互補(bǔ)、熱電氣儲(chǔ)聯(lián)產(chǎn)、穩(wěn)定快速跟蹤供能、經(jīng)濟(jì)性等多目標(biāo)優(yōu)化下的高效能量轉(zhuǎn)換和調(diào)控機(jī)制。
（4）高隨機(jī)性、弱互聯(lián)及多能耦合下可再生能源熱電氣儲(chǔ)系統(tǒng)的先進(jìn)控制與能量管理技術(shù)。綜合運(yùn)用多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度、多能流動(dòng)態(tài)建模、隨機(jī)預(yù)測控制等技術(shù)，提出完整的先進(jìn)控制和能量優(yōu)化管理方法。建立面向節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保多目標(biāo)的日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型，通過預(yù)測誤差反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化，提出基于魯棒自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)的多變量隨機(jī)預(yù)測控制方法，實(shí)現(xiàn)多/強(qiáng)擾動(dòng)下系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行和負(fù)荷快速跟蹤。
（二）環(huán)境能源供能系統(tǒng)
傳統(tǒng)的能源是指向自然界提供能量轉(zhuǎn)化或可做功的物質(zhì)，而環(huán)境能源則是指在維護(hù)和改善環(huán)境的同時(shí)，可綜合發(fā)展及合理利用的能源統(tǒng)稱，其特征是以最優(yōu)化原理來解決環(huán)境與能源可持續(xù)發(fā)展問題，即在環(huán)境治理時(shí)盡量使廢棄物資源化利用，在處置過程中減少二次污染，在資源化過程中經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行可靠。處置及資源化過程采用一系列高參數(shù)手段，如高溫、高壓、高級(jí)氧化、超臨界和高電荷（等離子體等）等。環(huán)境能源供能系統(tǒng)是在安全、清潔處置固體廢棄物的同時(shí)使其最大限度的資源化、能源化，同時(shí)可以將其組合到我們的能源微網(wǎng)當(dāng)中。然而目前還存在一些技術(shù)瓶頸，主要有：技術(shù)裝備要求高，能源效率有待提升，處置過程二次污染，產(chǎn)品深度利用不足，缺乏顛覆性技術(shù)等。環(huán)境能源供能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。
（1）低溫?zé)峤狻獨(dú)夤虄上喽嘟M分高溫逆流氣流床熱化學(xué)轉(zhuǎn)化相結(jié)合的復(fù)合熱解新工藝。有機(jī)固廢低溫?zé)峤猱a(chǎn)物經(jīng)高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)，高效轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣。在高溫還原氣氛下，氣體的深度凈化變得簡單。氣相產(chǎn)物可進(jìn)一步深度利用，如制氫，殘?jiān)D(zhuǎn)化為建材。整個(gè)工藝過程，能量梯級(jí)利用，不直接對外排煙，是一種清潔、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的有機(jī)固廢熱解及資源化利用技術(shù)工藝。
（2）新型有機(jī)固廢高效熱解技術(shù)。針對生活垃圾這類有機(jī)固廢，研發(fā)新型回轉(zhuǎn)式碳剝離、深度熱分選與低溫?zé)峤怦詈霞夹g(shù)，主要是通過爐料金屬、無機(jī)物和裝置結(jié)構(gòu)的雙重作用，對熱解碳物質(zhì)進(jìn)行物理動(dòng)態(tài)連續(xù)破碎，同時(shí)通過裝置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)塊狀金屬及塊狀無機(jī)物熱分選，提高熱解速率和效率。針對污泥這類有機(jī)物固廢，采用圓盤型雙通道外熱式移動(dòng)床熱解新技術(shù)，通過雙通道加熱，圓盤型換熱，設(shè)計(jì)物料移動(dòng)推進(jìn)和熱解氣柔性分隔結(jié)構(gòu)等，解決污泥干燥熱解一體化、污泥流動(dòng)性差、傳熱傳質(zhì)效率低、熱解反應(yīng)控制等技術(shù)瓶頸。
（3）氣固兩相多組分高溫逆流氣流床中心高溫?zé)釐u構(gòu)建及有害有毒物質(zhì)高溫?zé)嶙钄嗉夹g(shù)。采用新型雙水內(nèi)冷多噴嘴結(jié)構(gòu)及爐內(nèi)布置形式與工藝參數(shù)結(jié)合，構(gòu)建爐內(nèi)中心高溫?zé)釐u，形成爐內(nèi)明顯溫度梯度，實(shí)現(xiàn)氣固多組分熱解產(chǎn)物高效熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、避免熔渣等對爐壁沖刷、熔蝕、掛壁、堵塞及合成氣出口溫度高的難題，以及有害有毒物質(zhì)，特別是重金屬固熔、二噁英高溫?zé)嶙钄唷?
（4）基于不飽和稠雜環(huán)芳烴化合物載體的常溫常壓高密度可逆儲(chǔ)氫、制純氫技術(shù)。環(huán)境能源供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性制約了有機(jī)固廢安全、徹底處置技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。有機(jī)固廢熱化學(xué)處置制氫是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑，而氫氣安全儲(chǔ)運(yùn)也是當(dāng)前的技術(shù)難題。基于不飽和稠雜環(huán)芳烴化合物載體的有機(jī)液體儲(chǔ)供氫技術(shù)具有高穩(wěn)定性、高可逆性、高儲(chǔ)氫量、低成本等特點(diǎn)，與高壓儲(chǔ)氫、低溫液體儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫等技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了常溫常壓條件下氫高密度儲(chǔ)運(yùn)，可利用現(xiàn)有化石能源輸運(yùn)構(gòu)架，大幅降低加氫站建設(shè)門檻與成本。該技術(shù)儲(chǔ)氫密度達(dá)到6wt%（每100質(zhì)量單位里含有6質(zhì)量單位），氫氣純度為99.99%，為應(yīng)用于燃料電池開辟了另一路徑。
（三）氫能技術(shù)
氫能是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。2019年全世界已有19個(gè)國家和城市制定了各自的氫能戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖。很多國家將氫能產(chǎn)業(yè)化作為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，力爭保持現(xiàn)有的全球競爭力。在清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)中，綜合運(yùn)用可再生能源制氫、有機(jī)廢物制氫以及制氫儲(chǔ)氫發(fā)電等技術(shù)，通過氫能可實(shí)現(xiàn)廢棄能源的儲(chǔ)存與高值化利用。
（四）煤炭清潔高效利用技術(shù)
推動(dòng)煤炭清潔高效利用是我國能源轉(zhuǎn)型的主要任務(wù)，但目前高碳能源低碳化的利用技術(shù)仍是煤化工的技術(shù)瓶頸。建立綠色化現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)體系，推進(jìn)煤基燃料全面發(fā)展，開發(fā)高效清潔煤氣化技術(shù)、高效污染物脫除技術(shù)、多污染物協(xié)同控制技術(shù)、廢水零排放技術(shù)以及“三廢”資源化利用技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的重要手段。煤熱解—兩相多組分高溫逆流氣流床氣化—熔融新工藝為破解這一技術(shù)難題提供了一種途徑。
三、結(jié)語
從我國能源消費(fèi)需求、化石能源儲(chǔ)采比及應(yīng)對氣候變化考量出發(fā)，我國亟需推動(dòng)能源供給革命，探索能源供給新模式。清潔能源微網(wǎng)供能體系通過綜合運(yùn)用可再生能源、環(huán)境能源、清潔能源等一系列關(guān)鍵技術(shù)，可有效破解當(dāng)前能源與環(huán)境發(fā)展面臨的諸多瓶頸，為我國能源高質(zhì)量發(fā)展提供思路。
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原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年8月7日第31期
