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綜合能源九大關(guān)鍵技術(shù)盤點(diǎn)

交能網(wǎng)發(fā)布時(shí)間:2020-03-30 09:41:49

  前言: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、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,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,還可以在長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎無損失的存儲(chǔ)。“綠色”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儲(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?,例如室外的空氣,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?例如地下水,水或空氣)與加熱能(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,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?/p>

  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”。

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