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能源互联网引领清洁供暖技术变革

近年来,我国以京津冀为代表的广大地区深陷雾霾困扰。由于雾霾问题是直接关系民生的重大问题,党和国家领导人对此高度重视。2016年12月21日,习总书记在主持中央财经领导小组第14次会议时强调:“推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众温暖过冬,关系雾霾天能不能减少,是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。”
煤炭一直是我国北方城乡居民冬日取暖的主要能源,环保部2016年底印发的《民用煤燃烧污染综合治理技术指南(试行)》提出了“民用煤污染治理应以环境空气质量改善为核心,采取因地制宜、综合治理、多措并举、分步推进的步骤实施”的治理总体思路。
但是,随着2017年冬季供暖季在11月15日前后的到来,我国北方一些城乡陆续传出供暖燃气不足的消息,产生“气荒”。从11月28日0时起,河北省天然气供应进入Ⅱ级预警(橙色),甚至河北某医院供气也受到限制。天然气新增的需求大部分来自最近几年清洁供暖中的“煤改气”工程,煤改气工程之下,很多地方燃煤取暖被禁止,对天然气的需求大幅度增加,超出了相关单位供气的能力。
显然,由于清洁取暖是一项复杂的系统工程,采取的实施路线稍有偏颇,后果不堪设想。这就需要我们在实施清洁供暖战略中,一方面要细致周到的推进实施、另一方面要借助先进的实施理念,实施方案,确保清洁供暖工作真正的变成惠民工程,并且切实解决国家发展中面临的能源和环境约束问题。本文拟就清洁供暖实施方案进行创新思考,为清洁供暖战略提供一条重要的实施思路。
一、清洁供暖的重大意义
1. 我国供暖情况现状
目前我国的供暖体系,按照区域对供暖方式进行分类统计,城市供暖主要采用集中供暖方式,农村则多采用分散供暖方式。无论哪种供暖方式,基于煤炭廉价易用的特点,虽然经济社会已经高度发展,我国居民供暖仍然以燃煤为主。



图1 我国北方地区冬季取暖的特点[1]


在集中供暖系统中,燃气锅炉和热电联产等清洁取暖的供暖面积呈现快速、持续增长的态势。集中供暖发展时间长、技术成熟可靠,目前采用的集中供暖热电厂排污水平已经很低。

图2(左) 北方地区集中供暖热源比例[1]


图3(右) 不同地区集中供暖热源特点[1] 


而在我国人口接近50%的北方农村则大量采用散煤取暖。散煤,是一种在小锅炉、家庭取暖、餐饮用煤中广泛使用的民用煤,灰分、硫分比例高,但价格便宜。在生活水平不断提高的农村地区,冬季室内散煤取暖也逐渐显现出多方面问题:尽管户均耗煤量已超过城市居民水平,但冬季室内温度大多在10~16℃之间,不足以满足室内舒适性的基本要求;大量分散的散煤低效燃烧导致冬季室内外空气质量恶化,并且还成为形成冬季北方大面积PM2.5的主要污染源之一。
2. 京津冀供暖季深陷雾霾
2016年,我国煤炭消费量18.88亿吨油当量,同比下降4.7%,但仍然占世界煤炭总消费量的50.58%。煤炭在我国能源消费结构的比重达到62%,远高于30%的世界煤炭平均水平。
国网能源研究院高级工程师霍沫霖博士强调,占煤炭消费总量4.7%的农村生活散煤产生高达74.9万吨细颗粒物排放,几乎持平于占煤炭消费总量43.2%的电煤所产生的88.57万吨排放。由于单位排放强度最大,农村生活散煤应成为散煤治理的重中之重。国务院参事室特约研究员吴吟曾指出,“1吨散煤燃烧排放的污染物相当于火电燃煤排放污染物的5到10倍”。而一吨散煤燃烧产生的烟尘(颗粒物)、二氧化硫、氮氧化物更是达到电厂大型锅炉处理后的10倍以上。2017年8月31日,《2017中国散煤治理调研报告》在京发布,报告预计全国散煤消费量应在7.5亿吨左右。该课题总报告由中国工程院院士、清华大学环境学院院长贺克斌和中国煤控项目分析师李雪玉编写。



图4 北京供暖季雾霾景象


散煤问题已成为影响京津冀大气治理效果的最短板,也直接影响到中国的能源消费转型。2016年1月,国家城市环境污染控制技术研究中心研究员彭应登通过燃煤量和污染系数计算得出,北京本地每年排放的7.2万吨PM2.5污染物质中,15%来自本地散煤燃烧。此外,散煤还贡献了十分之一的氮氧化物污染和三分之一的二氧化硫污染。在一场京津冀区域散煤燃烧污染控制与管理技术交流会上,环保部总工程师赵英民指出,京津冀区域目前每年燃煤散烧量超过3600万吨,占京津冀煤炭用量的十分之一,但对煤炭污染物排放量的贡献总量却达一半左右。
近年,为了治理冬季首都雾霾,京津冀地区协同联动进行了很多卓有成效的以“煤改气”、“煤改电”为主的清洁供暖改造工作。目前北京全市优质能源占比提升到84%以上。北京市年用煤总量已由2300万吨,压减到1000万吨以内;建成四大燃气热电中心,实现电厂生产燃气化;核心区、城六区和通州区基本“无燃煤锅炉”。北京已连续两年总投入100亿元以上,对农村地区800多个村(镇)实施煤改气(电),预计到2018年,全市农村地区煤改气(电)将全部完成。2017年9月29日,中国社会科学院城市发展、中国城市经济学会与环境研究所在京发布《城市蓝皮书:中国城市发展报告No.10》。报告认为,总体来看,我国的雾霾治理已经取得一定成效,但京津冀依然是空气污染最严重的区域。
3. 清洁供暖意义重大
在全世界范围,2015年12月,《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》。2016年10月5日,联合国秘书长潘基文宣布,《巴黎协定》于当月5日达到生效所需的两个门槛,并将于2016年11月4日正式生效。根据《巴黎协定》,各缔约方承诺,在工业化前水平上,要把全球平均气温升幅控制在2摄氏度以内,并提出努力将气温升幅限制在1.5摄氏度内的目标。
在我国,北方清洁供暖关系广大人民群众生活,是重大的紧迫的民生工程、民心工程。党的十九大指出:我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。当前北方开展的清洁取暖重大决策的提出,正是源于对这一矛盾的深刻认识。
目前采取的清洁供暖措施已然产生了巨大的经济和社会效益:
首当其冲就是节能减排。例如,国家电网公司自推广实施电采暖以来,已累计完成替代电量277亿千瓦时,相当于减少散烧煤1551万吨。与此同时,电采暖还累计减少二氧化碳排放2762万吨,减少二氧化硫、氮氧化物和粉尘污染物排放878万吨,北京平原地区、天津武清区等地率先建成“无煤区”。
给百姓生活品质带来大幅提升。老百姓家里不用再堆散烧煤了,不用再处理煤灰了,无论是家庭生活小环境、还是村镇大环境都得到根本改善。安全方面主要体现在以往燃煤取暖造成的煤气中毒、火灾等安全事故显著减少。农户室内供暖温度稳定、适宜,提高了居住舒适性。
提高清洁能源消纳力度。国网甘肃公司在金昌、瓜州等光伏基地推广电采暖244万平方米;吉林公司利用弃风电量,推动建成全球最大的32万千瓦取暖电锅炉。2016至2017年取暖季,青海、新疆、吉林、辽宁等地通过清洁取暖消纳弃风弃光电量近3亿千瓦时。
清洁采暖行业快速发展。电采暖还带动电采暖行业健康快速发展,近年来电采暖设备和关键技术也不断取得进步和突破,电采暖设备类别不断增加,市场规模持续扩大。仅北京地区2016年“煤改电”市场规模就超过50亿元。
若全面采取清洁供暖,将大幅改善人民群众生活质量,提高清洁能源利用率,降低碳排放,并在很大程度上解决雾霾问题。“2017年散煤减少7000万吨,2020年减少2亿吨以上”,这是8月31日发布的《中国散煤治理调研报告(2017)》提出的目标。
但是,近两年的清洁供暖工作,由于工期紧张,且替代工作量大,实施过程中暴露出大量的现实问题。例如,中国农村能源行业协会郝芳洲说,“散煤需要治理,但散煤燃烧替代战略应该如何推行?一些地方下发节能炉具补贴政策没多久,在气源短缺情况下,又出台了燃气壁挂炉补贴标准,由于脱离实际,政策难以执行。”典型的问题总结如下:
1) 散煤取缔过程中,引入多种“煤改电”、“煤改气”的设备及配套建筑,使得热力系统更加复杂,供暖成本高企;
2) 天然气等代替散煤的能源紧缺,甚至产生“气荒”现象,供暖高峰期为了保供暖,部分工矿企业的用气需求无法满足,供暖安全性也不能完全保障;
3) 改电后发电一次能源仍多为化石能源,多个地区虽然风力或太阳能资源丰富,却仍有超过20%的比例新能源被弃用。蒙西地区冬季供暖季,弃风率竟然超过50%!
因此,急需一种灵活高效、可集中可分散、甚至能够参与环境治理的清洁供暖解决方案。能源互联网清洁供暖解决方案应运而生。
二、能源互联网引领清洁供暖的技术变革
纵观发达国家,在散煤治理方面,“清洁化改造+能源替代”成主攻方向,而能源互联网是公认消纳新能源的最佳方案。英国伦敦自1956年《清洁空气法》颁布实施以来,要求居民、商业和工业部门燃用的煤炭改为天然气和电力,经过多年的努力,其空气质量得到明显改善。此外,通过散煤治理推动能源使用结构调整也是美国减少燃煤排放的关键。美国近半个世纪以来,煤炭消费向规模较大、治污设施完善的大型电厂机组集中,民用消费比例逐渐降低,减少散煤污染排放量,从而保障空气质量。
我国可再生能源供热潜力很大。研究测算,我国可再生能源供热潜力可达30亿吨标准煤以上。各类可再生能源供热方式增长迅速,太阳能热利用持续增长,风电清洁供热与生物质能供热在示范应用的基础上开始进入规模化发展阶段,地热能的开发利用更呈现较快增长,各地因地制宜开展了可再生能源供热的实践。对于建筑密度高的城市建成区,采用集中供暖的方式已经十分成熟。对于建筑密集度低的北方广大农村,集中供热网的投资高,运行效率低,因此应发展分散的清洁供热方式。
1. 传统清洁供暖的技术路径
传统清洁供暖的技术路径可以分为热源的清洁能源替代及热网和建筑的节能性能提升。在热源的清洁能源替代方面,主要是将天然气、电能、可再生能源等清洁能源通过增效、转换、光热、光电、风电、水电、热泵等高效技术的独立或耦合应用替代传统热源,这种替代既包括热源的新建、也包括热源的改造。
2016年,北京市共完成663个村庄热源的清洁能源替代工作。其中,“煤改气”占12.3%,“煤改电”占87.4%。在“煤改电”中,空气源热泵占主导地位,达到75.9%,蓄热式电暖气占22.3%,地源热泵不足0.1%,采用其他电采暖设备占1.7%。
探讨能源互联网清洁供暖解决方案之前,我们先来分析一下传统清洁供暖主要技术路径的特点:
技术路线 特点
燃气锅炉集中供暖 1. 几乎不受气候、地址条件限制;
2. 减少大气污染,占地小,设备使用寿命长;
3. 气源、价格还不稳定,初投资和运行费用较高。
电蓄热和电供暖 1. 几乎不受气候、地址条件限制;
2. 用电侧清洁无污染,效率大于95%,系统简单操作方便;
3. 利用可再生能源电力供应受电力市场和电价制约,运行成本偏高。
分散式天然气供暖 1. 几乎不受气候、地址条件限制;
2. 无需敷设市政取暖管道,大气污染很少;
3. 气源、价格受区域影响较大,能源利用效率不太高。
太阳能热利用 1. 区域年辐射总量要达到要求;
2. 清洁无污染,分为主动式和被动式;
3. 存在冬夏热平衡问题,行业门槛较低,发展较无序。
风电供暖 1. 区域风力总量要达到要求;
2. 清洁无污染,可以解决大量弃风的现象;
3.  存在增加配电网容量等基础设施建设问题。
地热能供暖 1. 有丰富的地热资源,施工条件良好;
2. 技术成熟可靠;
3. 运行成本较高,存在回灌技术问题。
生物质能供暖 1. 几乎不受气候、地址条件限制;
2. 类似燃煤锅炉,调节性能好;
3. 燃料成本高导致经济性较差,缺乏排放标准。
从以上分析可以看出,传统清洁供暖技术的主要技术路径,均存在或多或少的问题,其优缺点和局限性,导致了清洁供暖工作推动的困难重重,效果不够显著。
2. 基于能源互联网清洁供暖解决方案
能源互联网是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新业态。基于能源互联网的清洁能源场景与传统清洁能源场景具有显著的区别,清华大学能源互联网研究院深入研究清洁供暖专题,提出基于能源互联网技术的清洁供暖解决方案。
在能源互联网清洁供暖解决方案中,分布式清洁电能充当能源互联网热源主力,天然气作为补充热源;光伏或风电通过清洁供暖途径可以获得大量的消纳,解决“弃风弃光”能源浪费问题;将传统配电网络作为传输能量的媒介,代替传统热力网,延伸至难以建设热力网络的广大区域(尤其是大量使用锅炉房和散煤的村镇,电力网早已普及);各类热用户从热负荷的角色转变为能源互联网的绿色能源节点,通过信息物理系统融合技术,它们可以受控参与对电力网的调峰调频,及作为各个能源系统的稳定性控制手段。同时,若在较大热用户处增设电蓄热设备,还能能够使得热负荷获得日负荷曲线、甚至年负荷曲线的削峰填谷,平抑电力需求等虚拟电厂重要功能(如图5所示)。



图5 基于能源互联网清洁供暖解决方案示意图


从图5可以看出,整套解决方案也可以称为虚拟热电厂方案。供暖系统变成了能源系统的重要设施,能够通过云端大数据处理,及虚拟热电厂的控制策略实现大范围的能源调配,极大的增加了清洁供暖的经济和社会效益,引领清洁供暖向着创新、协调、绿色、开放、共享及优质高效的方向发展,最终助力实现能源消费方式革命。
针对解决方案中的关键技术之一,电蓄热将迎来在国内的发展高峰期。电蓄热起源于上世纪五十年代的欧洲,至今已有六十多年历史。作为政府项目,德国政府联合奔驰、AEG和西门子等多家著名企业研发了利用电力低谷时段蓄能设备。数十年来电蓄热在欧洲一直发挥其独特的调峰加供暖的优势,至今仍广泛应用于德国智能电网和供热服务。
蓄热机组如果利用谷电蓄热,然后按需释放用于供热服务,所以在电力调峰和清洁供热两方面均可发挥有效作用。
在清洁供热方面,电蓄热作为“煤改电”,电能替代和城市清洁供热的有效途径,可满足新区的清洁供热需求,解决城市供热全覆盖过程中出现的各种难题。
在电网调峰方面,电蓄热设备可大量消纳电网的谷电或过剩电力,用于地区电网的削峰填谷,促进电网平稳运行,延长电网设备寿命。



图6 电蓄热机组与多种供电源工程示意图


3. 能源互联网引领清洁供暖变革
深入推进上述能源互联网清洁供暖解决方案,能够带动清洁能源供暖领域技术变革。这些变革体现在:
1) 能源互联网大大简化热力系统。将电力网和热力网互联之后,传统的各类热力公司可以简化统一或取消,只需要解决电供暖的技术问题,其他的清洁能源发电技术问题都是电力网既有成熟技术,清洁供暖问题可以大大简化。
2) 能源互联网热力系统是电力系统有效的调峰调频手段。热力系统与储热技术相结合,利用谷电蓄热、抑制高峰期用电,相当于把清洁供暖变成了电力调峰设施。
3) 能源互联网清洁供暖可以完美解决“弃风弃光”等能源浪费问题。能源互联网能够统筹电力、热力、天然气管网等多个网络,将各类能源转化为电能,尤其是风电太阳能实现效益最大化。(弃风弃光率降低至5%以内)
4) 能源互联网热力系统提高能源利用效率。能源互联网将每个独立能源解决的问题统筹为多能互补、建立协同综合的供暖能源网络,解决供暖中单一能源缺乏导致的瓶颈,和成本高企、性价比不高的问题,进一步提高能源的利用效率。(天津城市能源互联网北辰产城融合区能源利用效率提升20%)
三、清洁供暖解决方案的经济性分析
日前,国家电网向所属单位印发《关于在各省公司开展综合能源服务业务的意见》。意见称,将综合能源服务放在更加突出的位置上,有利于巩固公司售电市场、扩展业务范围、提升客户服务新能力,带动公司相关产业发展,培育新的市场业态,增加新的效益增长点。并构建多元化分布式能源服务。
本章我们以电网公司投资清洁供暖项目为例(从经济效益角度考虑电力公司投资的动因,分析现行煤改电VS直购电VS能源互联网三种清洁供暖解决方案的经济性,实际情况可能不仅仅是经济效益,还有别的系统因素或复杂原因,左右电力公司的投资动因。):
1. 估算场景和边界条件
三种方案中第一种为实际工程测算,后两种方案为估算,估算场景为冀北电力公司为某煤改电工程从变电站10千伏母线引出一条线路,需新建长度为10km的10kV专用配电线路,配送容量2MW用于清洁供暖热负荷,线路形式为典型配电水泥杆加线路。约定边界条件:
1) 现行“煤改电”进行清洁供暖,冀北公司不执行阶梯电价政策,用电价格暂按阶梯电价一档标准执行,即每千瓦时0.52元,若购电成本按照0.38元考虑,则购售价差为0.14元/千瓦时[5];
2) 直购电方案河北省收取过网费用按照0.03元/千瓦时估算[3];
3) 能源互联网清洁能源供暖方案采用虚拟热电厂的需求侧响应控制策略,热负荷假设为目前北京地区较为常用的空气源热泵,需求侧响应成本估算采用等效法,等效法中采用抽蓄等效,典型抽水蓄能电站单位造价约8000元/千瓦[2];
4) 能源互联网虚拟热电厂成套应用年使用费用约5万元(包含控制器、通讯设备、和软件使用费);
5) 配电网每公里建设总投资按照20万估算[4];
6) 在清洁供暖场合,配电网建设或改造后同时率接近1,按照0.9估算;
7) 年供暖121天,天取暖16小时,年供暖实际用电时间约2000小时;
8) 电网缺少经济的调峰手段,电网调峰矛盾日益突出。
2. 现行“煤改电”清洁供暖方案测算[5]
1) 投资合计:2016年冀北公司完成某村共计85户“煤改电”工作,“煤改电”配套电网建设主要规模为:改造10千伏线路4.077公里、低压线路0.856公里、新建400千伏安配变1台、改造200千伏安配变1台,工程总投资179.52万元(该投资实际还提供了部分非清洁供暖热负荷之外的负荷)。
2) 回报合计:“煤改电”改造后,采暖季用电量增加5.9万千瓦时。煤改电采暖季电网收入为0.826万元(收益低于改造之初的热负荷预计)。
投资回报率:约0.5%
3. 直购电清洁供暖方案估算
3) 投资合计:210万元,折合单位造价约1050元/千瓦(配电网建设费用200万、运行维护成本10万/年)。
4) 回报合计:采暖季收取电费过网费,按照热负荷用电估算年过网费收益为10.8万元,合54元/千瓦。
投资回报率:约5%
4. 能源互联网清洁供暖方案估算
1) 投资合计:215万元,折合单位造价约1075元/千瓦(配电网建设费用200万、运行维护成本10万/年、能源互联网成套应用年使用费用约5万元)。
2) 回报合计:用等效法计算清洁供暖电力调频调峰作用回报,假设电供暖容量中仅有5%可以用作调峰调频,则等效为1MW的抽水蓄能电站的功能,节约调峰建设投资达800万元(约8000元/千瓦),按照使用年限50年摊平投资估算,约160元/千瓦。节约调峰抽水蓄能电站运行成本(抽蓄消耗能量等)约100元/千瓦(实际跟电价水平关系密切)。
投资回报率:约25%
注:本文所涉及估算结果为初步核算结果,欢迎各位业内专家朋友提供新的线索、建议,大家共同探讨,为做好清洁供暖事业做出贡献!
5. 三种方案的对比分析



从上表可以看出,电网公司如采用现行“煤改电”清洁供暖方案,属于进行公益投资,无任何收益,完全为亏本投资;采用直购电供暖方案进行清洁供暖专线建设,预计超过20年才能收回成本,如考虑融资成本,则也无法投资赚钱,因此电网公司也将缺乏经济因素方面的推进动力;而采用能源互联网清洁供暖方案,即便考虑融资代价,预计仅需4~5年即可收回成本,因此从收益角度分析,电网公司主导清洁供暖这一辅助服务工作采用能源互联网各种方案应该可以得到强力推进。


数据来源
【1】住建部侯隆澍《北方地区冬季清洁取暖的思考与建议》
【2】华北电力大学姜彤老师相关课题研究数据
【3】河北省物价局《关于河北省级电网2017-2019年输配电价的通知》
【4】电力规划设计总院《电网工程限额设计控制指标》
【5】冀北电力经研院“冀北某村煤改电效益测算”


作者简介


訾振宁,副研究员/高级工程师,2007年获得北京交大硕士学位,2008-2017年在国家电网公司从事研发及技术管理工作,牵头完成大容量电网扰动装置、直流多馈入动态无功优化等多项国家电网总部科技项目,领导研发成功优质供电系列产品、智能配电系列产品等十余款电力产品。获中国电科院科技进步一等奖两次、发明专利授权十多项,发表学术论文十多篇。2017年加入清华大学能源互联网创新研究院,主要从事储能、优质供电和能源互联技术等方面研究工作。
联系邮箱:zizhenning@tsinghua.edu.cnznzi@163.com