分布式能源技术与发展现状

国旭涛，蔡洁聪，韩高岩，谢 娜，吕洪坤

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

由于人口快速增长和生活水平不断提高，世界各地的能源问题日益严重，尤其是我国的能源市场正在面临巨大的压力[1]。根据国际能源署(International energy agency，IEA)的统计数据，2016年我国的年总用电量为5.177×1012kW·h，排名全球第一。BP Statistical (2018)报告显示，按照目前的一次能源消耗趋势进行估算，现有的石油储量最多能够维持全球能源消耗至2050年。在过去10年中，电力需求显著增长，燃料成本以及相关设备价格大幅提高，这导致能源短缺问题更加突出[2-3]。同时，全球的竞争关系、气候问题对能源形势造成了较大的压力。因此，除了节约能源之外，促进可持续或可再生能源发展，提高能源系统的综合效率都是优化能源使用、解决能源短缺问题的重要方法[4]。

分布式能源(distributed energy resources, DERs)是靠近用户端的能源综合利用系统，可以独立运行，也可以并网运行。一次能源采用气体燃料或可再生能源；二次能源以靠近用户侧的冷热电为主，通过能源梯级利用的方式，实现直接满足用户多种能源需求的目的。在传统的能源供应模式中，由电网满足电力需求，由燃气或者是燃油锅炉提供热能。先进燃煤电厂的供电效率通常可达40%[5]，传统的工业锅炉只有70%左右的热效率[6]，使用化石能源的传统能源利用方式导致大量的温室气体排放，电力与热能分开生产的方式效率低下，对环境的污染较大。分布式能源系统则是将冷热电三者联合生产，一次能源利用效率可达80%～90%[7-8]，而且具有能效梯级利用、损耗小、污染低、系统经济性好、运行灵活等特点，被认为是解决能源瓶颈的有效方案，从而被各个国家广泛应用。为了深入分析分布式能源的技术原理和发展现状，本文通过文献综述着重介绍不同类型分布式能源系统的特点。

1 分布式能源技术

分布式能源系统可以利用包括天然气、生物质、风能、太阳能、地热能等多种能源，还可以与余热、余压、余气等能源形式耦合互补。由于采用的能源形式不同，分布式能源系统形式多样，结构各不相同。根据原动机为分类标准，分布式能源系统主要包含以下几种技术：热电联产、可再生能源、储能以及燃料电池等，其技术框图如图 1所示[9]。其中，使用天然气的热电联产技术发展迅速。根据BP Statistical (2018)公布的数据，2016年我国的一次能源消耗量为3.047×109t石油当量，占当年经合组织国家一次能源消耗量的54.9%。图 2为2017年国际能源署公布的2000—2016年期间经合组织国家各种能源发电量情况。从图 2可以发现，2000—2016年经合组织国家的能源消耗稳步上升，尤其是天然气消耗量逐年增大。

图1 分布式能源技术组成框图Fig.1 Different DERs technologies

图2 2000—2016年经合组织国家各种能源发电量情况Fig.2 Electricity generation of different energy in OECD countries during 2000—2016

1.1 热电联产

热电联产(combined heat and power, CHP)是利用热机或者电站从单一燃料或能量源在靠近用户侧同时生产电力和热能，以满足用户变化的热电需求。在单独的电力生产中，通常有一定比例的热量作为废热被放弃，但是在热电联产系统中，低位热量可以被回收，达到能量最大化利用的目的。如前文所述，我国先进燃煤发电厂的供电效率一般为40%，热电联产的综合能源利用效率在70%以上。一般，热电联系统被分为蒸汽轮机、燃气轮机、往复式内燃机、斯特林机。表1为热电联产系统不同技术特点汇总[10-11]。

热电联产蒸汽轮机是一项成熟的能源利用技术，能够同时承担供热和发电两种任务，主要有凝汽式、背压式和抽汽背压式等几种型式。将汽轮机改造设计成一次调节抽汽或二次调节抽汽式，从而实现能源梯级利用，做到“能质匹配”。与其他几种热电联产方式相比较，蒸汽轮机具有较低的运行维护费用。虽然蒸汽轮机的发电效率只有7%～30%，但是系统的综合效率较高，可达80%以上。同时，蒸汽轮机具有较大的单机容量(0.05～500 MW)，因此蒸汽轮机被广泛应用于负荷调节波动不大的工业对象。

表1 热电联产系统不同技术特点汇总表Table 1 Different characteristics of CHP technologies

燃气轮机是一种高技术含量的发电设备，具有高效率、低能耗、无环境污染、启动快等优点[12]。由于天然气价格较低且储量较大，因此大容量的热电联产系统较多地应用燃气轮机。燃气轮机的发电效率要高于蒸汽轮机的发电效率，同时燃气轮机的安装费用也低于蒸汽轮机。另外，燃气轮机的排气温度较高，可作为二次能源进行利用，如作为溴化锂吸收式制冷剂的热源。燃气轮机主要分为开式燃气轮机、闭式燃气轮机以及微型燃气轮机。微型燃气轮机具有体积小、无污染、无噪声，便于携带和安装的特点，目前主要应用于汽车等设备。

往复式内燃机通过活塞往复直线运行将压力转换为旋转运行，气缸内发生的燃烧反应主要是天然气和汽油的火花点火，或是柴油等燃料的压缩点火。往复式内燃机分为高速(1 000～3 600 r/m)、中速(274～1 000 r/m)和低速(58～275 r/m)。往复式内燃机采用缸套水冷却系统和润滑油冷却系统降低原动机部件的温度，避免出现由于高温造成系统故障。缸套水冷却系统和润滑油冷却系统，以及高温排气所含热量占一次能源热量的50%～60%，这部分热量可作为二次能源进行利用，从而提高系统综合效率(可达90%以上)[13]。由于往复式内燃机具有单机负荷较小、启动快等优点，因此常被用作调峰设备。

斯特林机是一种能够以多种燃料为能源的闭循环回热式发动机，目前尚处于开发阶段。斯特林机适用于各种能源，噪音小，NOx排放低，具有90%以上的理论高效率。但是，受限于材料等技术，斯特林机目前并没有得到广泛应用。

目前，我国的热电联产技术发展迅速。根据《中国区域清洁供暖发展研究报告》[14]，2016年热电联产热覆盖面积占集中供热覆盖总面积的51%，已经成为我国最主要的集中供热方式。其中，燃气热电联产的热覆盖面积占比仅有3%。国务院2013年9月印发的《大气污染防治行动计划》中指出，鼓励发展天然气分布式能源等清洁高效利用项目，对工业燃煤逐步实施清洁能源替代[15]。随着燃煤锅炉逐渐被淘汰，我国集中供暖的燃料结构将会不断变化。这意味着我国的天然气热电联产项目存在巨大的应用前景。

图 3为2015年部分省/直辖市热电联产供装机容量和城镇区域供暖需求[16]。由图 3可知，如果可以充分回收利用机组的余热，热电联产的供暖产能可以满足2015年我国部分采暖地区80%左右的供暖需求。因此，通过热电联产等方式的余热回收利用可以提高能源系统的综合效率，减少大气污染物排放，解决目前集中供热存在的高能耗、高污染、缺乏经济性的问题。另外，热电联产还可以因地制宜的结合可再生能源进行利用，发展清洁高效的集中供能系统，进一步降低煤炭消费。

图3 2015年我国部分省/直辖市热电联产供装机容量和城镇区域供暖需求Fig.3 Installed capacity of CHP and heating demand of urban for some provinces/municipalities in 2015

1.2 可再生能源

由于可再生能源清洁无污染、开发成本低、潜力巨大，全球正在积极开展可再生能源利用的相关研究。常用的可再生能源主要有太阳能、风能、生物质能、地热能等。太阳能供应不稳定，受天气、地理位置影响较大，地热能受到地域限制，因而可再生能源具有互补特性。

太阳能利用主要分为光伏和光热两个途径。前者利用光伏效应，是光-电转换；后者采用大规模集热器吸收太阳能，然后利用吸收的热能将工质转变为蒸汽，由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电，是一种光-热-电转换。根据IEA报告显示，预计在2050年前太阳能光伏(solar photovoltaic, PV)系统可为全球贡献16%的电力，而太阳能热力发电(solar thermal electric power generation, STE)将提供11%的电力。我国西部地广人稀，日照资源十分丰富，这一特征满足光热发电方式占地面积大的缺点，目前我国正在大力研究光热发电方式。截至2018年底，我国有13个商业化光热电站已开建，总装机容量为750 MW[17]。其中，中控德令哈50 MW塔式光热电站、首航节能敦煌100 MW塔式光热电站、中广核德令哈50 MW槽式光热电站等约200 MW的示范项目将在2018年内建成投运。目前，太阳能利用形式中有热水型、蝶式与槽式发电方式都属于靠近用户侧的能源利用方法，属于分布式能源。

我国幅员辽阔，风能资源非常丰富[18]。He Gang等人对我国的风能资源进行了评估，指出我国每年的风力发电量可达2.0×1012～3.5×1012kW·h[19]。风机发电是目前主要的风能利用方式。风机相比火力发电厂和水力发电厂等成本低廉，而且采用风能没有伴生的环境污染问题，因此，风力发电在我国发展迅速，风机装机总容量和增长速度处于全球领先地位。由国际风能协会发布的资料显示，截至2016年底，我国风机装机总容量为168.73 GW，占全球风机装机总容量的百分比为34.7%[20-22]。

地热能具有资源量大、利用率高、CO2减排效果明显等特点。同时，相比太阳能和风能，地热能非常稳定，不会对电网造成太大的影响。地热能的利用方式主要有热水型和蒸汽型，地热能发电则包括干蒸气发电、闪蒸蒸汽发电和二元循环发电等。一般而言，地热能的利用与分布式能源是脱离不开的。汪集暘院士指出，地热能与太阳能、风能、或者生物质能等可再生能源相结合建设分布式能源系统，可以更好地实现优势互补[23]。根据《中国地热能发展报告(2018)》，截至2017年底，我国地源热泵装机容量位居世界第一，达20 GW[24]。

生物质能的利用方式主要是直接燃烧、发电、气化和转变成成型燃料。其中，气化是指将秸秆等生物质通过工业方法变成天然气，用秸秆转变成的天然气在经济性、环保性上相比煤气、天然气具有高竞争性。利用秸秆等转化的天然气，不仅能解决秸秆处理的问题，而且可以为天然气分布式能源系统提供天然气。近年来，生物质能发电得到了快速发展。2016年我国生物质能发电总装机容量达12.248 GW，发电量为634.1×108kW·h，相当于2/3个三峡水电的年发电量。根据“十三五”生物质能源发展规划，到2020年，我国生物质发电总装机容量要达到30 GW[24-25]。

2000—2017年，全球可再生能源发电量情况如图4所示，我国总发电量与可再生能源发电量占比如图5所示[15]。在这18年间，全球风力发电发展迅速，发电量由31.42×109kW·h增加至1.123×1012kW·h；全球太阳能发电量由1.18×109kW·h增加至442.62×109kW·h；我国可再生能源总发电量由3.15×109kW·h增加至471.68×109kW·h，可再生能源发电量占比由0.29%提高到7.26%。

图4 2000—2017年全球可再生能源发电量变化情况Fig.4 Global renewable electricity generation during 2000—2017

图5 2000—2017年我国总发电量与可再生能源发电量占比Fig.5 Total electricity generation and percentage of renewable generation for China

1.3 储能

储能技术通过储存电能可以满足一段时间内电能或热能/冷能需求，具有削峰填谷、调频调压、平滑过渡、减轻电网波动的作用。储能技术可以解决间歇性可再生能源受环境因素限制的缺陷，保证能源系统的供需平衡。根据储能技术能量存储原理的不同，储能技术可以分为物理储能、电气储能和储热技术三种。目前，较多的储能技术正处于技术研发和市场示范两个阶段。表 2为不同储能技术相对发展情况的统计结果[26-27]。据中关村储能产业技术联盟的不完全统计，截至2017年底，全球已投运储能项目的总装机容量达175.4 GW。其中，商业化最成熟的抽水蓄能的装机容量占比最大，为96%；电化学储能的装机容量为2.93 GW，占比仅1.7%。储能技术比较如表3所示[28]。

表2 不同储能技术的相对发展情况Table 2 Development of different energy storage technologies

表3 不同类型储能技术比较Table 3 Comparison of different energy storage technologies

1.4 燃料电池

燃料电池(fuel cell, FC)是一种不经过燃烧，通过电化学反应直接将氢气等燃料的化学能转化为电能的发电装置[29]。由于燃料电池不涉及燃烧，不受卡诺循环的限制，因此能量转化率高。另外，燃料电池不使用机械传动部件，没有噪声污染；反应产物主要为电、热和水，排放的NOx和SOx等有害气体极少。因此，燃料电池是一种高效、环境友好、可靠性高、安静的能源转换方式，是目前能源领域研究的热点之一。到目前为止已研发出多种类型的燃料电池，其分类方法也很多。根据电解质类型不同可分为碱性燃料电池(alkaline fuel cells, AFC)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cells, PAFCP)、质子交换膜燃料电池(polymer electrolyte fuel cells, PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cells, MCFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells, SOFC)五大类，其特点如表 4所示[10,30]。其中AFC、PEMFC属于低温燃料电池，启动速度快。MCFC和SOFC工作温度高，为余热利用提供了有利条件。这两者单独的发电效率约为50%，通过余热利用可以将综合效率提高至60%。部分容量为100～200 kW的PAFC项目已处于示范测试阶段[31-32]。

2 分布式能源经济性的影响因素

对于分布式能源项目方案的选择，需要分析技术、环境等因素，但是首要考虑的是经济性。用户使用分布式能源一定是追求能源和环境制约条件下利润的最大化。如果分布式能源技术具有良好的经济性，那么用户会首先选择分布式能源的配置方案。如果经济性较差，就需要政府的政策支持或由于电网可靠性不高的原因，用户才会选择成本费用较高的分布式能源[33]。一般而言，分布式能源的经济性主要受到以下因素的影响：(1)初始投资；(2)燃料成本和当地电价；(3)年平均能源综合利用率；(4)运营和维护成本；(5)上网电价；(6)是否配置储能设备；(7)考虑冗余设备；(8)相关政策[34-37]。

表4 燃料电池的分类以及特点Table 4 Characteristic of different fuel cells

初始投资对分布式能源项目经济性的影响最大。我国目前尚未实现分布式能源成套设备的自主生产，关键设备依赖进口。虽然设备价格逐年下降，但是仍然维持在较高的水平[38-39]。其次是燃料成本，分布式能源普遍采用天然气等能源，相比化石能源，其价格相对较高且波动性很大。邹道安等人[36]以楼宇型建筑为研究对象，进行了分布式能源站反测电价的敏感性分析。结果表明，当天然气价格提高20%时，反测电价增大11%，对于项目经济性影响较大。由于我国上网电价受到政策影响，无法进行商谈，但是冷热供应的价格供需方可以进行商讨，从而平衡双方的项目经济性。年平均能源综合利用率对于项目的经济性也十分重要。周灵宏[37]通过对实际分布式能源项目的经济计算指出，只有尽可能保证能源系统的年利用率，才能提高项目经济性，减少投资资本的回收周期。

3 结论

由于全球能源紧缺、环境问题日益严重，分布式能源已成为当下能源领域研究的重点方向。本文通过技术原理和发展现状对分布式能源的特点进行了综述。按照原动机不同，分布式能源可分为热电联产、可再生能源、储能和燃料电池。对不同分布式能源的差异性进行了总结。本文分析了影响分布式能源经济性的条件，其中初始投资、燃料成本以及年利用率是关系分布式能源系统经济性的主要因素。