當(dāng)信息技術(shù)革命與能源轉(zhuǎn)型攜手一次次打破傳統(tǒng)能源服務(wù)的壁壘時(shí)，綜合能源服務(wù)走進(jìn)了大眾視野，并逐漸成為了未來能源社會(huì)不可或缺的中堅(jiān)力量。綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈涉及內(nèi)容十分廣泛，從前期能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，到能源傳輸與轉(zhuǎn)換過程中的智能調(diào)控與存儲(chǔ)，再到需求側(cè)的數(shù)字化管理與能效優(yōu)化等等，將能源領(lǐng)域的各行各業(yè)進(jìn)行了深度融合，并對(duì)經(jīng)濟(jì)，環(huán)保，就業(yè)等諸多方面益處良多。這其中供給側(cè)能源設(shè)備與技術(shù)的選擇，不僅是綜合能源服務(wù)的底層環(huán)節(jié)，更是復(fù)雜綜合能源系統(tǒng)的基石。
本文將從綜合能源服務(wù)的能源供給側(cè)切入，為大家簡(jiǎn)要介紹一些該領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)。在之后的綜合能源關(guān)鍵技術(shù)系列文章中，將對(duì)下文提到的九大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的展開介紹，涉及包括技術(shù)原理簡(jiǎn)介，技術(shù)發(fā)展及成熟度，技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，政策現(xiàn)狀背景，具體項(xiàng)目案例以及國內(nèi)外發(fā)展對(duì)比在內(nèi)的不同單元。
一．冷熱電三聯(lián)供 CCHP
作為傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)CHP的擴(kuò)展，冷熱電三聯(lián)供CCHP不僅可以滿足發(fā)電需求，同時(shí)釋放的熱量將成為副產(chǎn)品被回收利用，作為空間加熱，水加熱以及空間冷卻的熱源。CCHP由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，熱交換器和吸收式冷卻器組成。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)肩負(fù)產(chǎn)熱和產(chǎn)電功能，而廢熱將被輸送到吸收式冷卻器中，利用此產(chǎn)生冷卻能。該技術(shù)常常應(yīng)用于建筑物的空調(diào)設(shè)備，而吸收式制冷機(jī)產(chǎn)生的電能與廢熱之比可以通過變化來滿足特定的要求。
圖1：冷熱電三聯(lián)產(chǎn)CCHP功能圖
與獨(dú)立的供熱與電力系統(tǒng)相比，冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅提高了能源效率，節(jié)約了能源，也降低了燃料和能源成本，因而更具有經(jīng)濟(jì)效益。而CCHP與例如沼氣等可再生能源的結(jié)合，也進(jìn)一步促進(jìn)了能源轉(zhuǎn)型，同時(shí)通過二氧化碳減排為日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)做出貢獻(xiàn)，潛力不容忽視。
二． 電池技術(shù) Battery
近年來電池技術(shù)的研究越來越受到重視，僅在2019年上半年，世界各國對(duì)電池技術(shù)的投資就超過了14億美元。目前，電池領(lǐng)域中，不同類別的電池正在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。電池技術(shù)的飛速發(fā)展也加快了全球能源轉(zhuǎn)型的步伐。
圖2：鋰電池Lithium-ion battery充放電原理圖
電池技術(shù)種類眾多，其中最常見的鋰離子電池的效率可達(dá)80%到85%，不需要復(fù)雜的安裝條件，具有壽命長(zhǎng)、輸出功率高的特點(diǎn)，但是安全性能稍差，且對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求比較高，電池系統(tǒng)的成本也較高。目前主要應(yīng)用在調(diào)頻、調(diào)壓、移峰、電動(dòng)汽車和光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，未來在汽車行業(yè)中的市場(chǎng)需求量十分可觀。而鉛酸電池的總效率在70%到75%左右，可以通過控制過充電反應(yīng)來提高安全性能，無需復(fù)雜的電池管理，短期攤銷和初始投資相對(duì)較低，但是其對(duì)通風(fēng)的要求較高且循環(huán)壽命有限，目前主要應(yīng)用在調(diào)頻、調(diào)壓、不間斷電源、光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)和孤島電網(wǎng)中，未來如果能建立起完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線則應(yīng)用規(guī)模會(huì)繼續(xù)拓展。此外，熔鹽電池的總效率在68%到75%左右，這類電池能量密度較高，使用壽命長(zhǎng)，約在15到20年，且鈉硫資源原料成本低，但是其工作溫度很高，在使用過程中可能會(huì)帶來潛在危險(xiǎn)，目前主要應(yīng)用在調(diào)頻、移峰、電動(dòng)汽車、孤島電網(wǎng)和不間斷電源中。
三．電轉(zhuǎn)氣技術(shù) Power to Gas
天然氣與天然氣基礎(chǔ)設(shè)施具有高脫碳潛力，因而是未來基于可再生能源的能源系統(tǒng)中的必要組成部分。電力基礎(chǔ)設(shè)施與天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的連接起著重要作用，這不僅可以更好地整合可再生能源，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益，在滿足能源可持續(xù)性和供應(yīng)安全性的前提下進(jìn)一步優(yōu)化了能源供應(yīng)系統(tǒng)。因而電轉(zhuǎn)氣技術(shù)即P2G是未來能源供應(yīng)的一大趨勢(shì)。
圖3：Power to Gas綜合能源系統(tǒng)圖
P2G技術(shù)的核心原理是利用電解水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，并將其與大量甲烷混合進(jìn)入天然氣管道，或者進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成甲烷或其他合成燃?xì)?。而與可再生能源電力的結(jié)合，不僅可以減少二氧化碳的排放，還可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎無損失的存儲(chǔ)?！熬G色”氫幾乎可以用于工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)乃蓄I(lǐng)域， 例如區(qū)域鐵路運(yùn)輸?shù)碾姎饣约皽p少公共交通中柴油車輛的使用率，還可以為工業(yè)領(lǐng)域帶來眾多脫碳潛力。目前P2G面臨的最大挑戰(zhàn)仍然是較低的能源轉(zhuǎn)化效率（約為50%-70%）和居高不下的成本。但不可忽視的是，電解水制氫的成本降低進(jìn)展十分迅速，依照過去幾年經(jīng)驗(yàn)，如果將堆棧輸出增加一倍，那么將成本降低約20％是可行的，鑒于目前仍然偏低的生產(chǎn)數(shù)量，可以看到P2G經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升仍具有巨大潛力。
四．相變儲(chǔ)能技術(shù) PCM technology
在建筑領(lǐng)域中，相變儲(chǔ)能材料常用于大容量?jī)?chǔ)冷儲(chǔ)熱，一般與供熱系統(tǒng)或建筑材料結(jié)合，可成為建筑組成中的一部分，如內(nèi)墻、樓板等，也可在冷熱源處配置，如冰蓄冷設(shè)備。近年來較為火熱的“被動(dòng)式房屋”中，通過與采暖通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合，相變儲(chǔ)能材料得到了很好的應(yīng)用。
圖4：相變儲(chǔ)能過程原理圖
相變儲(chǔ)能的原理是利用相變材料（Phase Change Material, PCM）的儲(chǔ)熱特性來儲(chǔ)存或者釋放其中的熱量，從而達(dá)到一定的調(diào)節(jié)和控制該相變材料周圍環(huán)境的溫度的作用，改變能量使用的時(shí)空分布，提高能源的使用效率。在吸熱和放熱的過程中，材料溫度不變，在很小的溫度變化范圍能帶來大量能量的轉(zhuǎn)換過程，是相變儲(chǔ)能的主要特點(diǎn)。典型的相變材料有水、無機(jī)鹽類、石蠟等，具有以下主要特性：
化學(xué)性能方面：在反復(fù)的相變過程中化學(xué)性能穩(wěn)定，可多次循環(huán)利用，對(duì)環(huán)境友好、五毒、安全。
物理性能方面：材料發(fā)生相變時(shí)的體積變化小，容易儲(chǔ)存；放熱過程溫度變化穩(wěn)定。
經(jīng)濟(jì)性方面：材料的價(jià)格比較便宜，并且較容易制備；常見的相變狀態(tài)中，固-氣相變和液-氣相變?cè)谶^程中有氣體產(chǎn)生，自身體積變化較大，因此很少被應(yīng)用，固-固相變類型本身較少，固-液相變變成了應(yīng)用的主流。
五．氫能技術(shù) Hydrogen technology
氫氣是傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)材料，也是一種十分靈活的能源載體，是除了電力以外少有的零排放能量載體之一，燃燒后的產(chǎn)物只有水。氫氣作為一種能源載體，在交通、工業(yè)和建筑等各個(gè)領(lǐng)域的能源供應(yīng)在都有重要的作用，結(jié)合燃料電池技術(shù)，能夠大大提高未來低碳能源系統(tǒng)的操作靈活性。
圖5：氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖
目前，氫能產(chǎn)業(yè)正處于將氫氣從工業(yè)原料向能源利用轉(zhuǎn)型的初期階段，受到各個(gè)國家的重視，日本東京專門為了氫能的發(fā)展制定了一整套計(jì)劃。氫氣的制造設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是發(fā)展氫能的第一步，這也是氫能發(fā)展即將面臨的最大挑戰(zhàn)。基礎(chǔ)設(shè)備的成本在其產(chǎn)業(yè)鏈上的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不容小覷。作為一種靈活的二次能源，氫能能夠十分有效的將電網(wǎng)、熱力管網(wǎng)和各類終端燃料的利用結(jié)合起來，促使能源供應(yīng)端融合，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，提升能源使用效率。比如：
·通過大型的燃料電池，可以將氫能再次轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。
以一定比例混入燃?xì)夤芫W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與熱力管網(wǎng)的耦合。
作為家庭和汽車用戶的終端燃料使用。
六．高效冷凝鍋爐 Condensing boiler
在天然氣轉(zhuǎn)化為熱能的過程中，與常規(guī)鍋爐相比, 冷凝鍋爐可以在耗費(fèi)相同燃?xì)獾那闆r下產(chǎn)生更多的能量。傳統(tǒng)的鍋爐排煙溫度在110℃-200℃左右，冷凝鍋爐冷凝燃燒技術(shù)可以將煙氣溫度降到50度，將部分煙氣冷凝成液態(tài)，吸收了煙氣從氣體變?yōu)橐后w的熱量，也就是回收了原來被煙氣帶走的熱量，如此一來就充分利用了熱量，大大降低了熱量損失。所以熱效率比普通鍋爐高許多，可達(dá)98%。
圖6：冷凝鍋爐工作原理圖
此外，冷凝鍋爐還具有全預(yù)混式燃燒的功能，避免了由于空氣與燃?xì)饬勘壤慌渌鶎?dǎo)致的不完全燃燒和資源浪費(fèi)。冷凝鍋爐的燃燒室常常由不銹鋼材料制成，相比于普通銅鋁材料具有更高的抗酸性和腐蝕性，因而壽命可達(dá)20年以上，從投資角度來看具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。綜合來看，冷凝鍋爐不僅綠色環(huán)保，也更經(jīng)濟(jì)節(jié)能，目前在歐洲已得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，冷凝鍋爐在了家庭使用的比例也在逐年升高。未來隨著能源轉(zhuǎn)型與節(jié)能減排政策的實(shí)施，冷凝鍋爐將會(huì)成為供暖行業(yè)的一大趨勢(shì)。
七． 熱泵技術(shù) Heat pump
在新能源供熱技術(shù)中，熱泵是非常杰出的代表。其原理是利用制冷系統(tǒng)的熱循環(huán)過程，將低溫?zé)嵩矗缡彝獾目諝?，循環(huán)水或地面的熱能，傳遞到高溫物體中，用來加熱水或采暖。為了將低溫?zé)嵩粗械哪芰總鬟f到高溫?zé)嵩?，熱泵需要來自外部的電能，流量溫度越高，電能需求越大。因此低溫?zé)嵩矗ɡ绲叵滤蚩諝猓┡c加熱能（例如加熱的流動(dòng)溫度）之間的溫差應(yīng)盡可能小。而熱泵制冷管道中的特殊閥門可使制冷循環(huán)反向進(jìn)行，因而熱泵不僅可以可以加熱也可以冷卻空間。
圖7：熱泵夏冬季熱循環(huán)圖
常見的熱泵種類有空氣熱泵或空氣-水熱泵，可以將來自周圍空氣或廢氣的熱量傳遞到需要加熱的房屋內(nèi)。由于巧妙地使用了冷卻劑，壓縮和加熱技術(shù)，因此無論是在夏季的高溫下還是溫度零下的冬季均可使用。而水熱泵（也稱為水-水熱泵）需要從相對(duì)溫暖的地下水中提取熱量，再將地下水引導(dǎo)回去，為了保護(hù)土壤和地下水，此類熱泵常需要經(jīng)過批準(zhǔn)才能使用。另外還有一種地?zé)釤岜?，可以通過探頭或表面收集器直接吸地?zé)崮?，十分方便，?yīng)用廣泛。熱泵不僅低碳環(huán)保，運(yùn)行也相對(duì)安靜，可以在較小的建筑面積上使用，因而已越來越多地被使用到現(xiàn)代化加熱系統(tǒng)與家庭領(lǐng)域。從經(jīng)濟(jì)型角度長(zhǎng)期來看，由于不需要額外的燃料費(fèi)用，相比于傳統(tǒng)的加熱和冷卻系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。
八． 生物質(zhì)能 Biomass
隨著近些年來可再生能源的擴(kuò)張，生物質(zhì)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷地被開發(fā)。通過熱處理過程如焚燒、氣化和高溫分解，又或者通過細(xì)菌分解技術(shù)等，可以從生物質(zhì)中以熱能，氣體或液體燃料的形式提取能量，在這個(gè)過程中產(chǎn)生的熱水或水蒸氣，又可以作為發(fā)電機(jī)的動(dòng)力來源，因而時(shí)常與熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備配合使用。
圖8：生物質(zhì)能發(fā)電廠的工作原理圖
生物質(zhì)能種類繁多，來源包括：
林業(yè)資源如伐木廢料，殘留的樹枝、樹葉和木屑等，以及林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等；
農(nóng)業(yè)資源如玉米秸稈，甘蔗渣等，以及農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物，如稻殼等；
生活污水如城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的廚房排水、糞便污水、洗衣排水等；
工業(yè)有機(jī)廢水如酒精、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水等，其中都富含有機(jī)物；
城市固體廢棄物如居民生活、商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾和少量建筑業(yè)垃圾等固體廢物等
生物質(zhì)能在化石能源的替代性，產(chǎn)品多樣性，可循環(huán)性和環(huán)保性方面的優(yōu)勢(shì)不言而喻。除此之外，生物質(zhì)能還有利于創(chuàng)造就業(yè)市場(chǎng)，拉動(dòng)內(nèi)需，同時(shí)在一定程度上可以通過自主生產(chǎn)燃料抑制石油價(jià)格，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?
九． 物聯(lián)網(wǎng)虛擬電廠 Virtual power plant
物聯(lián)網(wǎng)指將所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。虛擬電廠以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過分布式電力管理系統(tǒng)將電網(wǎng)中分布式電源、可控負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置聚合成一個(gè)虛擬的可控集合體，參與電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度，協(xié)調(diào)智能電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價(jià)值和效益。
虛擬電廠=發(fā)電系統(tǒng)（DG）+儲(chǔ)能設(shè)備+可控負(fù)荷+通信系統(tǒng)
圖9：虛擬電廠構(gòu)想圖
虛擬電廠的提出是為了整合各種分布式能源，包括分布式電源、可控負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置等。在虛擬電廠中，分散安裝在配電網(wǎng)中的清潔電源、受控負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)合并作為一個(gè)特別的電廠參與電網(wǎng)運(yùn)行，每一部分均與能量管理系統(tǒng)（EMS）相連，控制中心通過智能電網(wǎng)的雙向信息傳送，利用EMS系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度協(xié)調(diào)機(jī)端潮流、受端負(fù)荷以及儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而達(dá)到降低發(fā)電損耗、減少溫室氣體排放、優(yōu)化資源利用、降低電網(wǎng)峰值負(fù)荷和提高供電可靠性的目的。未來，虛擬電廠將憑借其自身的多種優(yōu)越特性進(jìn)一步“侵入能源市場(chǎng)”。
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[14] https://www.net4energy.com/die-waermepumpe
作者 | 周晉羽、尹華琛
