天然气分布式能源和可再生能源的融合

李先瑞中国城市燃气协会分布式能源专业委员会2016.05目录一、天然气分布式能源和可再生能源的融合二、微网实现了天然气分布式能源和可再生能源融合效益的最大化三、天然气分布式能源和可再生能源融合是互联网+智慧能源的先行者一、天然气分布式能源和可再生能源的融合1、2020年可再生能源和天然气分别占我国一次能源消费比重的15%和10%可再生能源的迅速发展是未来能源需求继续增长和碳排放约束的要求。在我国《能源发展战略行动计划（2014~2020）》提出“着力优化能源结构，坚持发展非化石能源与化石能源高效清洁利用并举，大力增加风电、太阳能、地热等可再生能源和核电消费比重。到2020、2030年，非化石能源将占一次能演消费比重分别达到15%、20%。天然气是“十三五”时期油气行业的发展重点，目前天然气消费占我国一次能源消费比重低于6%，与世界平均24%的水平相比，发展潜力巨大。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》的重要目标是生产方式和生活方式绿色、低碳水平上升。绿色发展要求，天然气到2020年将占一次能源消费比重为10%。2、分布式能源是电力供应的主要市场在国家能源局《关于征求做好电力市场建设有关工作的通知》中指出，特高压和分布式能源是未来电力供应的两部分，二者互相补充，发挥各自的优势。分散式风电、生物质发电、小水电等因为本身的局限性无法大规模展开，燃料电池和储能技术开发难度目前很大，“天然气分布式能源站+分布式光伏电站”的组合将成为市场重要组成部分，两手都要抓，两手都要硬。3、分布式能源系统概念：是指分布在用户端的能源综合利用系统。一次能源为气体燃料和可再生能源，利用一切可以利用的资源，二次能源为分布在用户端的冷热电，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用。并通过中央能源供应系统提供支持和补充。实现多系统优化，将电力、热力、制冷与储能技术结合，实现利用效率最大化。方式：分布安置在近用户需求侧，根据用户对能源的不同需求，实现能源对口供应。特点：分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向，具有能源利用效率高，环境负面影响小，提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。分类天然气分布式能源（CCHP,CombinedCooling,HeatingandPower）是分布式能源系统中前景最为明朗，也是最具实用性和发展活力的系统，符合吴仲华先生提倡的“温度对口，梯级利用”准则，是在热电联产系统基础上发展起来的，直接面向用户，按用户需求提供电、冷、热以及生活热水等，同时解决多重用能需求和实现多重目标，满足建筑或工业能源需求的总能系统。4、天然气分布式能源和可再生能源融合的必要性（1）天然气和可再生能源在功能上相辅相成，互相补充，发挥各自作用，风能和太阳能属于间歇性能源，在使用期间必须随时储存，或设置后备电源来补偿供电不足时的供能。天然气分布式能源调度灵活，与可再生能源功能上相辅相成。（2）天然气分布式能源是可再生能源的主动动力支持。天然气分布式电站属于主动用能，而风电、光伏及其它可再生能源属于被动式用能，其利用因自然条件的不同而存在随机性和不可控性，多种能源互补式利用模式不但可以以最优化的方式利用当地资源，并能在很大程度上节省巨额输电费用，从而达到能源利用全过程中的效率，最大化和成本最小化。（3）天然气分布或能源和可再生能源融合的作用①将可再生能源供能的间歇性不稳定性，难调度转变为供热可持续、稳定、可靠和可控；②将天然气分布式能源年平均综合利用率＞70%提高至100%以上；③增加了天然气分布式能源用电负荷，扩大了分布式的装机规模提高了系统的节能率；④融合系统合理地配置了设备，减少了投资，提高了全系统的经济性。5、天然气分布式能源与热泵的融合系统（1）融合机理特性天然气分布式能源与可再生能源系统的耦合耦合机理：最大限度的利用环境势能和清洁能源，提高能源的综合利用率，减少环境排放。(将不可利用的低品位热能,如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能和工业废热等,转换为可以利用的高品位热能。)耦合特性：热泵系统在利用低品位能源时会受到低温侧热源的影响从而降低系统的运行效率甚至无法运行，如水源侧温度低于5度时制热效率会显著下降。冬夏季从地下吸/放热量长期不对等会影响系统的运行效率。CCHP与热泵耦合使用，利用CCHP余热提升极端天气下热泵系统低温侧温度可大大提高系统效率；同时利用CCHP技术作为调节，可保证冬夏季热泵系统向地下的放热量一致，提高系统运行的稳定性。（2）融合效益分析天然气分布式能源与热泵系统的耦合（应用分析）多种能源技术的耦合使用与单一热泵系统供热相比，系统一次能源利用率提高了61%；与单一燃气系统供热相比，系统一次能源利用率提高了113.4%。6、天然气分布式能源与太阳能的融合系统耦合机理：天然气分布式能源也可与太阳能（风能、生物质能等）及热泵耦合，构成另一种具代表性分布式能源耦合系统。在该耦合系统中，太阳能可以是太阳能光伏发电，作为CHP发电系统的电力补充；也可以是太阳能集热热水系统，与热泵系统互补使用，并耦合天然气分布式能源构成耦合系统。某些情况下，太阳能也可单独与热泵系统耦合构成分布式能源耦合系统。耦合特性：太阳能与热泵分布式能源耦合系统特性举例优先使用太阳能：太阳能集热器集热量设计应以满足热水总负荷40%作为太阳能热量。确保用热需求：采用集中热水系统可有效保证大流量用水特点，保证用水可靠性和舒适性需求。新能源利用最大化：采用水源热泵作为太阳能辅助热源，按使用热水最高日用水量进行设计，即太阳能集热量为0时，仍能满足热水负荷需求。并对公建等其他部分提供冷源，实现太阳能和水源热泵耦合利用，高效节能。投资合理、运行经济：采用“以热定冷”设计原则，合理确定生活热水供热量，根据总热量确定供冷范围供冷负荷总量。7、天然气分布式能源与太阳能、热泵的融合系统蓄能技术主要包括：势能蓄积，包括抽水蓄能、压缩空气蓄能等。动能蓄积，如飞轮蓄能等。热能蓄积，包括显热与潜热蓄热技术等。电磁能量蓄积，包括超导磁体蓄能、超级电容器蓄能等。化学能蓄积，包括常规的蓄电池技术以及将可再生能源转化为甲醇、氢等二次能源等。基于可再生能源的分布式能源耦合系统工艺流程图8、天然气分布式能源与可再生能源融合的工艺流程耦合二、微电网实施了天然气分布式能源和可再生能源融合系统效率的最大化1、微电网的定义：（1）定义：微电网是由分布式电源、储能和负荷构成的可控供能系统。（2）基本结构燃汽轮机柴油发电机风力发电光伏发电沼气发电波浪能发电生物质能发电燃汽轮机柴油发电机风力发电光伏发电沼气发电波浪能发电生物质能发电数字化变电站智能继电保护系统电力线路在线监测系统电力故障实时报警系统智能调度系统智能电表远程抄表系统负荷监测系统无功补偿系统分布式微能源能量管理系统输配电系统用户负载智能微电网（3）发展微电网的意义2、微电网技术应用于天然气分布式能源和可再生能源融合系统的案例（1）某机场航站楼天然气分布式能源和可再生能源融合供能系统废热蒸汽热水供热水都市燃气变电设备20MVA×2动力・照明电力电力能源中心航站楼热水制热冷水制冷NAS电池1,000kW×1备用发电机1,000kW×2涡轮冷冻机地源热泵燃气热水锅炉蒸汽吸収冷冻机燃气吸收冷热水机空气源热泵冷热水机组三联供CGS1,000KwX1废热热水光伏发电主要能源系统：三联供CGS:1,000KW×1涡轮冷冻机:1000RT×2涡轮冷冻机:2250RT×2涡轮冷冻机:2500RT×1蒸汽吸收式冷机:2500RT×7燃气锅炉:35T×3燃气锅炉:15T×1NAS电池:1,000KW×1太阳能发电:2,000KW地源热泵能源结构柴油（2）融合系统能量管理系统DCS/PLCDDC设备EneSCOPEBEMS控制器自动控制系统设施能源管理系统最佳操作指导系统能源站航站楼可选项可选项传感、执行器环境/能耗信息发布系统AEMS机场能源管理系统暖通空调监测与控制环境舒适度控制照明控制电梯控制BAS建筑能耗监测区域能耗监测系统能耗监测设备能耗监测EMS设备台帐管理设备维护管理备品备件管理设备更换管理FMS空调设备照明设备动力设备表计系统AEMS机场能源管理系统楼宇自控系统能耗监测系统设施管理系统机场能耗公示系统某机场能源优化管理系统的功能（3）融合系统运行能耗航站楼（动力/照明）涡轮冷冻机地源热泵空气源热泵冷热水机组电力总量：43,891,794KwhNAS电池（1,000Kw）发电：4,424,420Kwh充电：1,234,800Kwh放电：1,026,750Kwh备用发电机（1,000Kwx2）补电：285,120Kwh光伏发电(130kW)绿电：269,514Kwh购入电力：39,120,790Kwh变电设备废热蒸汽热水：2,910GJ蒸汽：10,147GJ三联供CGS1,000KwX1废热热水能源中心40.5%25.8%7.4%购入燃气：1,104,724m3购入燃油：42,768L冷冻/冷却水泵/风机25,123,211Kwh14,745,420Kwh停车场4,023,163Kwh空调冷水51,458GJ空调热水20,539GJ生活热水6,237GJ（4）融合系统评价指标（5）融合系统的节能率3、微电网技术应用于天然气和可再生融合系统的案例奥运能源展示中心效果图奥运能源展示中心运动员公寓燃料电池体育馆中温水低温水内燃机内燃机吸收式制冷机蓄电系统蓄电系统高温水燃气轮机微燃机光电电池燃料电池外燃机氢能地源热泵天然气控制中心会展中心游泳馆商场融合系统节能率天然气与可再生案例系统三联供系统电厂电空调锅炉100电23.2冷60.7热水27燃料燃料燃料69.745.629.9节能率31％奥运能源中心三联供方案制冷工况下节能率燃料输入三联供系统电厂锅炉燃料输入100电20.7热83.8燃料燃料62.393.1节能率35.6％奥运能源中心三联供方案供热工况下节能率155.44、微电网实现了天然气分布式能源和和可再生能源融合系统效益的最大化，从以上两案例结果可知：微电网具有以下作用（1）太阳能光伏减少了天然气发电成本（2）可再生能源接入方便，灵活，增加了可再生能源的发电量（3）提高了系统发电供电的质量（4）储存只是对微电网内部能量差值进行调节，减少了储能设备用地和投资（5）将可再生能源与负荷的不稳定性因素消耗在微电网内，减少对上一级微电网的冲击（6）当上一级电网发生故障时，子网可以利用储能和可再生能源为负荷提供电力（7）微电网接收并响应上一级电网的能量调度，并能起到对上一级电网支撑作用。（8）实现可再生能源利用效益的最大化（9）实现天然气分布式能源利用效益的最大化。三、天然气分布或能源和可再生能源融合系统是互联网+智慧能源的先行者1、互联网智慧能源的定义和作用（1）定义：互联网是能源生产、传输、存储、消费以及与能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具备设备智能，多能协同，信息对称，供需分散，系统扁平，交易开放等主要特征。（2）作用：能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑对提高可再生能源比重，促进化石能源清洁高效利用，提升能源综合效益，推动能源市场开放和产业升级，形成新的增长点，提升能源国际合作水平具有重要意义。2、互联网+天然气分布式能源和可再生能源融合系统（1）互联网+天然气分布式能源和可再生能源融合系统①互联网+融合系统风电光电技术光热技术蓄能技术多能互补—智能电网热泵技术燃料电池燃气分布式②互联网的构成从上幅图中我们可以看出：互联网的功能和结构与人类大脑相似。物联网对应了天然气分布式能源的在线监测和后评估的数据，包括余热供电量、供热量、供冷量；包括用户端的用热量、用冷量和用电量；包括用户端的室内外温度、湿度、粉尘浓度等；还包括了设备系统的运行参数。云计算是互联网的核心硬件层与核心软件层的集合，也是互联网的中枢神经系统萌芽。大数据代表了互联网的信息层（数据海洋），是互联网智慧和意识产生