2004年以来,美国和加拿大、英国、澳大利亚、丹麦和瑞典、意大利等国的相继发生的大停电事故,深刻说明传统能源供应形式存在着严重的技术缺陷,随着时代的发展,特别是信息社会的发展,已经不可能继续支撑人类文明的发展进程,必须加快信息时代的新型能源体系的建立,分布式能源是该体系的核心技术。
随着我国智能电网建设步伐加快,必将有效应对分布式能源频繁和不稳定的电压负荷,解决分布式能源并网技术难题。此外,我国已经有多家分布式能源专业化服务公司,大部分已建项目运行良好,天然气分布式能源在我国已具备大规模发展的条件。
分布式能源的适用性较为广泛,既可以区域式集中供能,也能为单一用户供能,既适用于工业用户,也能为商业、公共用户提供能源保障,可以满足各种不同类型用户的用电、用热和用冷需求。分布式能源按照系统规模,可以分为区域型(DCHP)和楼宇型(BCHP)两种;按照用户需求,可以分为电力单供、热电联产(CHP)、冷热电三联产(CCHP)等方式。
区域性分布式能源实现了区域内多个用户的集中供能,不同用户之间的负荷可以进行互补,也能满足不同类型的用能需求,机组基本可实现全年满负荷运行,使用效率高,同时也降低了机组的运行成本,是较为理想的分布式能源利用形式之一。但缺点是,当分布式供能系统不能满足用户的用能需求时,就需要有其他的供能方式进行补充调峰,或者留有备用机组,由此造成机组初始投资可能偏高,也可能面临没有外部电网、热网进行调峰或调峰成本过高的问题。而且,当不同用户有不同的用能标准(要求)时,分布式供能系统也可能难以全部满足。
楼宇式分布式能源多为单一用户,包括工厂、车间等工业设施、写字楼和商业中心等商业设施以及医院、体育馆、学校等公共设施。楼宇式分布式功能系统充分体现了分布式能源运行灵活的特点,环保减排效益明显。但其用能规模有限、用能形式较为固定、峰谷差较大等缺点也非常突出。
工业设施类的楼宇式分布式能源系统相对来说用能需求较大,在不停工的前提下可实现24小时的全天候运行,且用能形式变化较小,便于机组的设计选型。如果能利用自身的余热、余压,更能大幅降低系统运行成本,提高综合能源利用效率。但如果该工业设施受宏观经济、行业等的影响较大,分布式能源系统的运行效率则会随产能的波动而波动。
商业类和公共类楼宇式分布式能源系统的发电成本随系统所在的地点不同,其成本和能源利用率也不同,比如在五星级酒店的能源利用率要比在普通办公楼高。由于天然气价格较高,发电成成本仍高于火电发电成本。如果电网收购电价定得过低,只能寄希望于国家补贴。
从能源需求的角度分析,热电联产的能效和经济性要高于电力单供,冷热电联产的能效和经济性又要高于热电联产。显而易见,分布式能源系统的供能种类越多,其能效和经济性就越高。
从燃料来源分析,以太阳能、风能等可再生能源为燃料的分布式供能系统,由于燃料来源免费,经济性最为显著,但也有因环境、气候、昼夜等难以克服的条件而导致的供能不稳定的缺陷。天然气分布式能源供能稳定、可持续,但受制于目前国内气价过高、上网困难且电价偏低等因素,如果没有政府的补贴和扶持,很难正常运营。
有鉴于此,建立以天然气分布式能源为核心,太阳能、风能、生物质能、地热能等可再生能源为辅助的分布式综合供能系统,既能保证供能的持续性和稳定性,也能在一定程度上降低系统的燃料成本,是较为理想的分布式能源应用方式。
具体而言发展分布式能源的重要意义有以下几方面:
(1)经济性
由于分布式能源可用发电的余热来制热、制冷,因此能源得以合理的梯级利用,从而可提高能源的利用效率(达70%.90%)。由于分布式电源的并网,减少或缓建了大型发电厂和高压输电网,缓建了电网而节约投资。同时,使得输配电网的潮流减少,相应的降低了网损。
(2)环保性
因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源,故可减少有害物的排放总量,减轻环保的压力:大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设,由此不但减少了高压输电线的电磁污染,也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊,减少了对线路下树本的砍伐,有利于环保。
(3)能源利用的多样性
分布式发电可利用多种能源,如清洁能源(天然气)、新能源(氢)和可再生能源(风能和太阳能等),并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式,因此是解决能源危机、提高能源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。
(4)调峰作用
夏季和冬季往往是负荷的高峰时期,此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统,不但可解决夏季的供冷与冬季的供热需要,同时也提供了一部分电力,由此可对电网起到削峰填谷作用。此外,也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题,发挥了天然气与电力的互补作用。
(5)安全性和可靠性
当大电网出现大面积停电事故时,具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行,由此可提高供电的安全性和可靠性。
(6)电力市场问题
分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办电,发挥电力建设市场、电力供应市场的竞争机制。
(7)投资风险分布式发电的装机容量一般较小,建设周期短,因此可避免类似大型发电站建设周期带来的投资风险。
(8)边远地区的供电问题我国许多边远及农村地区远离大电网,因此难以从大电网向其供电。采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电系统不失为一种优选的方法。
就全世界来看,能源利用率越高、环境保护越好的国家,对于发展分布式能源技术的推广应用就越热衷,支持政策越明确。如丹麦、荷兰、日本对分布式电源都采取了一系列鼓励政策;“911事件”后,出于供电安全的考虑,发达国家都加快了分布式电源建设的步伐,到到目前为止,英国已有1000多座分布式电源站;美国有6000多座分布式电源站,仅大学校园就有200多座分布式电源站。在众多国家中,丹麦是世界上公认的经济发展、资源消耗和环境保护三方面有机结合的典范,是实现了可持续发展的国家。20多年来丹麦的国民总产值翻了一番但能源消耗却未增加,环境污染也未加剧,其奥妙就在于丹麦积极发展冷、热、电联产,提倡科学用能,扶持分布式能源,靠提高能源利用率支持国民经济的发展。2013年以前丹麦没有一个火电厂不供热,也没有一个供热锅炉房不发电,将冷、热、电产品的分别生成,变成高科技的冷、热、电联产,使科技进步变成真正的生产力。
据文献报道,2010 年之前全球累计新增发电容量的25%~30%为分布式发电。美国是世界上开发新能源和可再生分布式能源发电最多的国家,也是全球绝大多数的商用分布式电源设备的主要提供商。2004 年,美国分布式发电总容量为67 GW,约占美国国内总发电量的7%,达世界平均水平,据美国电力科学研究院预测,在2010 年美国新增发电容量的25%将采用分布式电源,而国家天然气基金会的估计则高达30%,到2020年有一半以上的新建商用或办公建筑使用分布式电源,同时到2020年有15%的现有建筑改用分布式电源。欧洲分布式电源的发展在世界处于领先水平;2000 年,欧盟地区分布式电源装机容量为74 GW,而2004年丹麦、荷兰、芬兰分布式电源的发电总量分别占国内总发电量的52%、38%和36%,欧盟预测2020年将达到195 GW,发电量将达到总发电量的22%。